Alieutektoidisen teräksen normalisointi Hiili (C) ja rauta (Fe) Hiili ja rauta voivat muodostaa yhdessä monia erilaisia mikrorakenteita, olipa kyseessä sitten teräs (hiiltä maksimissaan 2.1p.% C, eli hiiltä on 2.1 painoprosenttia) tai valurauta (yli 2.1p.%, mutta alle 6.7p.% C). Puhtaalla raudalla esiintyy kahta eri kiderakennetta, joista toinen on huoneenlämmössä vakaata ferriittiä, joka tunnetaan myös nimellä alfarauta ja kiderakenteeltaan se on BBC:tä eli body-centered cubic. Toinen puhtaan raudan kiderakenne on nimeltään austeniitti, joka tunnetaan myös nimellä gamma-rauta, jota muodostuu lämpötilassa 912*C ja jolloin kiderakenne muuttuu FCC:ksi eli face-centered cubic. Jos rautaa kuumennetaan lämpötilaan 1394*C, niin syntyy delta-rautaa, joka on kiderakenteeltaan BBC:tä. Usein seoksissa on hiiltä tarkoituksella, ja ferriitissä hiilen osuus voi olla maksimissaan 0.022p.% (lämpötilassa 727*C), mutta silti se lisää ferriitin mekaanisia ominaisuuksia huomattavasti ja tällöin ferriitti on suhteellisen pehmeää ja sillä voi olla magneettisia ominaisuuksia lämpötilan ollessa alle 768*C. Austeniitissa hiiltä voi olla maksimissaan 2.14p.% (lämpötilassa 1147*C), jolloin kiderakenteen sidokset ovat heikompia kuin ferriitissä, austeniitilla ei ole magneettisia ominaisuuksia. Delta-raudassa hiiltä voi olla maksimissaan 0.09p.% (lämpötilassa 1493*C) ja sillä on samanlaisia ominaisuuksia kuin ferriitillä, mutta sitä esiintyy vain korkeissa lämpötiloissa, joten siitä ei ole käytännön hyötyä. Rautaseoksissa voi esiintyä lisäksi myös sementiittiä, tai toiselta nimeltään rautakarbidia, jossa on hiiltä 6.70p.%. Sementiittiä esiintyy alle 727*C lämpötiloissa, kun hiiltä on enemmän kuin ferriittifaasiin liukenee. Mekaanisilta ominaisuuksiltaan sementiitti on hyvin kovaa ja haurasta ja eräiden terästen lujuus perustuu juurikin sementiitin olemassaoloon. Perliitti on sementiitin ja ferriitin sekoitus, jossa mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat sementiittifaasin ja ferriittifaasin kerrosten paksuudet. Hieno perliitti (pienet kerrokset) on kovempaa ja lujempaa kuin karkea perliitti, kun taas karkea perliitti on sitkeämpää. Kuvassa rauta-rautahiili faasidiagrammi. Kuva tehtävänannosta (sama kuva myös: Callister, Rethwisch (2008). Fundamentals of Materials Science And Engineering: An Integrated Approach: Third Edition. Figure 10.28.). Alieutektoidinen teräs Eutektoidinen reaktio tarkoittaa reaktiota, jossa tietyssä lämpötilassa jäähtyessään kiinteästä faasista muodostuu isotermisesti kahden kiinteän faasin heterogeeninen sekoitus. Teräksen yhteydessä eutektoidisessa reaktiossa kiinteästä austeniitista (jossa 0.76p.%) muodostuu kiinteän ferriitin (0.022p.% C) ja sementiitin (6.7p.% C) heterogeeninen sekoitus, jota syntyy lämpötilassa 727*C. Alieutektoidinen teräs tarkoittaa, että teräksessä on painoprosentteina hiiltä väliltä 0.022p.% C ja 0.76p.% C, josta termi alieutektoidinen tuleekin. Alla olevasta kuvasta näkyy, että pisteessä c (lämpötilassa n.875*c) mikrorakenne koostuu ainoastaan austeniitista ja pisteessä d (lämpötilassa n.775*c) alkaa muodostumaan ferriittiä austeniitin sekaan. Lämpötilan ollessa vielä vähän yli eutektoidisen lämpötilan pisteessä e, nähdään että ferriitin määrä seoksessa on kasvanut huomattavasti. Lämpötilan laskiessa alle eutektoidisen lämpötilan (727*C) austeniitista alkaa muodostumaan sementiittiä, joka yhdessä ferriitin kanssa muodostavaa perliittiä. Normalisointi Normalisoinnin tarkoituksena on lisätä rautaseoksen sitkeyttä jalostamalla raekokoa pienemmäksi. Normalisointi on yksi lämpökäsittelyn muodoista, jossa rautaseosta austenisoidaan, eli rautaseos lämmitetään sen ylemmän kriittisen pisteeseen yläpuolelle (vähintään 55*C), jolloin seos muuttuu kokonaisuudessaan austeniittifaasiksi. Tämän jälkeen rautaseos jäähdytetään ilmalla ja rautaseokselle saadaan haluttuja ominaisuuksia. Mikrorakenne muuttuu normalisoinnin aikana siten, että ylemmän kriittisen lämpötilan yläpuolella rautaseos on kokonaan austeniittia, jonka jälkeen seoksen annetaan jäähtyä ilman vaikutuksesta ja tällöin hitaasti jäähtyessään austeniitin sekaan alkaa muodostumaan ferriittiä ja lopulta seoksen austeniitiin alkaa muodostumaan sementiittiä ja yhdisteestä tulee nimeltään perliittiä. Yllä olevasta rauta-hiilirautafaasidiagrammista käy selville faasirajat ja koostumukset. Alla olevasta kuvasta näkyy jäähtymisen seurauksena syntyvä hieno ja karkea perliitti ja niiden riippuvuus jäähtymisnopeudesta. Tehtävänä on määrittää 0,4p.% teräksen faasiosuudet ja - koostumukset lämpötiloissa 750*C ja 25*C. Yllä olevasta kuvasta nähdään, että 0.4p.% teräs koostuu lämpötilassa 750*C austeniitista sekä ferriitistä. Faasiosuudet ovat: austeniitti austeniitti / (austeniitti + ferriitti) (0.4 0.022) / (0.76-0.022) 0.512 51.2p.% ferriitti ferriitti / (ferriitti + austeniitti) (0.4 0.76) / (0.022 0.76) 0.488 48.8p.% Yllä olevasta kuvasta nähdään, että 0.4p.% teräs koostuu lämpötilassa 25*C sementiitistä sekä ferriitistä. Faasiosuudet ovat: sementiitti sementiitti / (sementiitti + ferriitti) (0.4 0.022) / (6.7-0.022) 0.057 5.7p.% ferriitti ferriitti / (ferriitti + sementiitti) (0.4 6.7) / (0.022 6.7) 0.943 94.3p.% Kuvassa jäähdytysnopeuden vaikutus teräkseen. Callister, Rethwisch (2008). Fundamentals of Materials Science And Engineering: An Integrated Approach: Third Edition. Figure 11.27. : Callister, Rethwisch (2008). Fundamentals of Materials Science And Engineering: An Integrated Approach: Third Edition. Shercliff, Ashby (2009). Phase Diagrams and Phase Transformations: Fifth Edition. Kuvassa faasimuutoksia. Callister, Rethwisch (2008). Fundamentals of Materials Science And Engineering: An Integrated Approach: Third Edition. Figure 10.33.
Metalliseoksen tasapainonmukainen jähmettyminen Johdanto Metallien mekaanisilla ominaisuuksilla on vahva yhteys niiden mikrorakenteeseen. Mikrorakenteeseen puolestaan vaikuttavat niin metallin mekaaninen muokkaus kuin lämpökäsittelykin. Paneudutaan seuraavaksi metalliseosten lämpökäsittelyn taustalla vaikuttaviin seikkoihin Cu-Ni -tasapainopiirroksen sekä yksinkertaisten esimerkkien kautta. Määritelmiä ja käsitteistöä Aloitetaan aiheen käsittely määrittelemällä joitakin metallien seostamiseen ja tasapainopiirroksiin liittyviä keskeisiä käsitteitä. Systeemillä tarkoitetaan tarkastelunalaisena olevaa metalliseosta. Se voi olla esimerkiksi sulatusuunissa oleva metalliharkko. Systeemin keskeisiä parametreja metalliseosten tarkastelun kannalta ovat lämpötila, paine sekä koostumus. Koostumus ilmoitetaan tasapainopiirroksissa usein komponentin eli seoksen osana olevan puhtaan metallin tai yhdisteen painoprosenttina. [1, s.340] Kaikenlaisiin seoksiin liittyvä liukoisuusraja on tärkeä myös metalliseoksissa. Liukoisuusraja kertoo seoksen maksimikonsentraation, jossa esiintyy vain yhtä faasia [2]. Faasi on puolestaan fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa perusteella materiaalista erottuva homogeeninen osa. Hyvänä esimerkkinä liukoisuusrajasta ja faaseista on sokeri-vesi liuos, jossa pienillä sokerin konsentraatioilla esiintyy vain yksi faasi, nesteliuos (L, liquid). Lisättäessä sokerin määrää liuoksessa tulee liukoisuusraja vastaan ja nesteliuoksen lisäksi astian pohjalle kertyy kiinteää (S, solid) sokeria ja näin ollen seoksessa havaitaan kahta toisistaan eroavaa faasia. [1, s.342] Määritellään vielä lopuksi, mitä tasapainonmukaisen mekanismin tasapainolla oikeastaan tarkoitetaan: Systeemin katsotaan olevan tasapainossa, kun sen vapaa energia on minimissään [1, s.342]. Vapaa energia taas on seurausta termodynamiikan pääsäännöistä ja se on systeemin sisäenergian ja entropian funktio [1, s.342][3, s.121]. Systeemi pyrkii pienimpään mahdolliseen vapaan energian arvoon tietyissä olosuhteissa mukauttamalla rakennettaan [3, s.121]. Rakenteen muutosta välittävä diffuusio on kuitenkin etenkin kiinteissä aineissa niin hidasta, että systeemi etsii usein lokaalin vapaan energian minimin saavuttavan rakenteen. Tällaista tilaa sanotaan metastabiiliksi [1, s.343]. Kuva 1. Metastabiiliuden havainnollistamista Binäärinen tasapainopiirros Tasapainopiirrokset (myös faasidiagrammi, engl. phase diagram) ovat graafeja, joissa y-akselilla on lämpötila ja x-akselilla seoksen koostumus. Tarkastelun helpottamiseksi paineen vaikutus jätetään usein ulkopuolelle olettamalla vakiopaine 1 atm eli normaali ilmanpaine. Lisäksi piirroksissa on tieto faaseista ja faasialueista. Metalliseosten tasapainopiirroksissa kiinteät liuokset merkitään pienillä kreikkalaisilla kirjaimilla (α, β, γ jne.). [1, s.345] Tarkastellaan tästä eteenpäin binääristä eli kahden komponentin metalliseosta, jossa komponentteina ovat kupari ja nikkeli (kuva 2). Cu-Ni seos on helppo esimerkki tasapainopiirrosten tulkinnassa, sillä kupari ja nikkeli liukenevat toisiinsa täysin. Tämä selittyy kuparin ja nikkelin samanlaisella kiderakenteella (pintakeskinen kuutiollinen, PKK) sekä atomien lähes samalla koolla ja elektronegatiivisuuden arvolla. Tällaisesta täyden liukoisuuden systeemistä käytetään myös nimitystä isomorfinen [1, s.345][2]. Kuvan 2 mukaisessa Cu-Ni systeemin tasapainopiirroksesta nähdään ensimmäisenä kolme erilaista aluetta: Ylimpänä L eli liquid eli sula, alimpana α eli kiinteän liuoksen alue ja näiden kahden välissä piirrokseen merkitty L+α, jossa esiintyy sekä kiinteää ja nestemäistä ainetta ja jota kutsutaan välillä puuroalueeksi. Sulan liuoksen alueen alarajaa (piirroksessa vihreä viiva) kutsutaan likvidukseksi ja kiinteän alueen ylärajaa (piirroksessa sininen viiva) solidukseksi. Näitä kahta kutsutaan yhdessä faasirajoiksi (phase boundary) ja nimensä mukaisesti ne rajaavat eri faasialueet toisistaan. Faasirajoista ilmenee L+α alueen lämpötilakonsentraatio tasapaino sekä missä vaiheessa sulan jähmettyminen alkaa ja missä se päättyy. Tästä huomataan tärkeä metalliseosten ominaisuus: Toisin kuin puhtaiden metallien jähmettyminen tietyssä sulamispisteessä, tapahtuu seosten jähmettyminen tietyllä alueella. [3, s.130-134] Mikrorakenteen muotoutuminen tasapainonmukaisessa jäähtymisessä Lähdetään jäähdyttämään Cu-Ni systeemiämme kuvassa 2 näkyvää polkua A-E pitkin. Suoritetaan jäähdyttäminen niin hitaasti, että faasitasapaino (phase equilibrium) säilyy eli jäähdytettävä aina on koko ajan kauttaaltaan samassa lämpötilassa. Jäähdytettävän seoksen koostumus on tasapainopiirroksen mukaisesti 35 p.% Ni ja jäähdytysprosessin alkulämpötilaa voidaan merkitä T A :lla. Näin ollen prosessi seuraa piirrokseen merkittyä katkoviivaa. Kuva 2. Cu-Ni systeemin tasapainopiirros, jossa merkittynä jäähdyttämisprosessin reitti A-E Pisteessä A seos on kokonaan sulaa ja koostumukseltaan tasaista. Ensimmäiset mikrorakenteen muutokset havaitaan prosessin saavuttaessa kohdan B, joka on juuri likviduksen alapuolella. B:ssä ensimmäiset α faasin kiteet alkavat muodostua jähmettymisydinten ympärille. Usein tällaiset ytimet muodostuvat muotin reunoihin tai aineessa olevien epäpuhtauksien ympärille. Ensimmäisenä jähmettyvä seoksen osassa on suurempi pitoisuus nikkeliä kuin mitä koko seoksen konsentraatio on. Tämä johtuu siitä, että puhtaalla nikkelillä on korkeampi sulamispiste kuin kuparilla, joten se pyrkii seostettunakin jähmettymään ensin. Tästä huolimatta koko seoksen konsentraatio pysyy muuttumattomana, 35 p.% Ni. [1, s.352] Jähmettymisen jatkuessa kiinteän aineksen määrä lisääntyy sulan määrän luonnollisesti vähentyessä. Näin jatkuu soliduksen saavuttamiseen asti, jolloin lähes kaikki puuroalueella jäähtynyt materiaali on jähmettynyt (piste D). Soliduksen ylittäessään systeemin jäljellä oleva sula jähmettyy ja mikrorakenne on valmis. [1, s.352] Kuva 3 havainnollistaa hyvin koko jähmettymisprosessia sekä mikrorakenteen muotoutumista. Kuva 3. Tasapainonmukainen jähmettyminen esimerkkiseoksessa Mikrorakenteen muotoutuminen kun jäähtyminen ei ole tasapainonmukaista Kuten tasapainonmukaisen jähmettymisen kohdalla mainittiin, vaatii systeemin tasapainon säilyminen se, että metalliseosta jäähdytetään erittäin hitaasti. Tämä ei kuitenkaan käytännössä ole mahdollista tai järkevää. Tietyllä tapaa todellisempi jähmettymismekanismi onkin epätasapainossa tapahtuva jähmettyminen (nonequilibrium cooling). Epätasapainoisen jähmettymisen suurin ero tasapainonmukaiseen jähmettymiseen on kiinteässä faasissa tapahtuvan diffuusion vaikeuden vaikutus. Siinä missä tasapainonmukaisessa jähmettymisessä systeemiä hitaasti jäähdytettäessä diffuusio ehti mukauttamaan muotoutuneen mikrorakenteen vapaan energian minimin periaatteen mukaisesti homogeeniseksi, ei tätä ehdi todellisuudessa nopeahkoilla jäähdytyksillä tapahtua. Tällöin jähmettyvä aines jää vyöhykkeelliseksi niin, että ensin jähmettyvä korkean nikkelipitoisuuden omaava aines jähmettyy ensin ja sen ympärille muodostuva α faasi sisältää yhä vähemmän ja vähemmän nikkeliä, mitä kauemmas jähmettymisytimestä mennään.[1, s.353-354] Kuva 4 visualisoi tätä prosessia ja mikrorakenteen muotoutumista tällaisessa tilanteessa. Faasien koostumukset ja vipusääntö Kun systeemin lämpötila ja koostumus tiedetään jossakin ajan hetkessä, voidaan tasapainopiirroksesta määrittää mitä faaseja systeemissä on juuri silloin havaittavissa. Esimerkiksi Cu-Ni seoksessamme pisteessä A lämpötilassa 1300 C ja 35 p.% Ni koostumuksella huomataan, että systeemi on sulassa tilassa. Vastaavasti piste E on selvästi kiinteän faasin α alueella, joten systeemi esiintyy jähmeänä liuoksena. Hankaluutta aiheuttaakin likviduksen ja soliduksen välinen puuroalue, jolle ei voida yhtä suoraviivaisesti määrittää kunkin läsnäolevan faasin määrää. 349] Kuva 4. Epätasapainossa tapahtuva jähmettyminen ja mikrorakenteen muodostuminen [1, s.347- Puuroalueenkin faasijakauman määrittäminen on kuitenkin mahdollista, sillä siihen kehitetty niin kutsuttu vipusääntö on näppärä työkalu. Lasketaan esimerkkinä kuvan 5 avulla eri faasien koostumukset ja pitoisuudet pisteessä C. Isotermin T C sekä likviduksen ja soliduksen leikkauspisteistä saadaan eri faasien koostumukset [2] : C 0 35 p.% Ni T C 1250 C C L C likvidus 32 p.% Ni ; C α C solidus 43 p.% Ni Pitoisuudet saadaan vipusäännöllä [2] : W L Sulan osuus S/(R+S) (C α - C 0 )/(C α - C L ) (43-35)/(43-32) 73 p.% Samaan tapaan W α Kiinteän osuus R/(R+S) (35-32)/(43-32) 27 p.% Kuva 5. Vipusäännön käyttäminen faasidiagrammeissa [1] Callister, William D., Jr & Rethwisch, David G. Fundamentals of materials science and engineering : an integrated approach. Hoboken, NJ: Wiley 2008. 3rd ed., Int. student version. 882 s. ISBN 978-0470-23463-1. [2] Callisterin kirjan suomenkieliset kalvot, ch9. [Verkkoaineisto]. [Viitattu 28.2.2017]. [3] Miekk-oja, H. M. Metallioppi. Helsinki: Kustannusosakeyhtiö Otava 1972. 4. painos. 671 s. Kuvat 1. http://www.geol.ucsb.edu/faculty/hacker/geo102c/lectures/part4.ht ml 2. Tehtävänanto 3. Figure 10.4. Callister, William D., Jr & Rethwisch, David G. Fundamentals of materials science and engineering : an integrated approach. Hoboken, NJ: Wiley 2008. 3rd ed., Int. student version. 4. Figure 10.5. Callister, William D., Jr & Rethwisch, David G. Fundamentals of materials science and engineering : an integrated approach. Hoboken, NJ: Wiley 2008. 3rd ed., Int. student version.
Eutektoidisen teräksen isoterminen lämpökäsittely Mitä on eutektoidinen teräs? Eutektoidisessa reaktiossa kiinteä aine muuttuu lämpötilan laskiessa tarpeeksi epästabiiliksi ja jakautuu kahdeksi kiinteäksi aineeksi. Tämä reaktio tapahtuu esimerkiksi eutektoidisen teräksen eli perliitin tai bainiitin syntyessä, jolloin austeniitti muuttuu lämpötilan laskiessa epästabiiliksi ja hajoaa ferriitiksi ja sementiitiksi. Eutektoidinen piste tässä tapauksessa on alle 727 astetta celsiusta sekä 0.76% hiiltä ja lämpötila, missä austeniitin annetaan hajota vaikuttaa syntyvän aineen koostumukseen, joten lämpötilan ja hiilen määrän kanssa pitää olla hyvin tarkkana eutektoidisen teräksen valmistamisen aikana. Muuttamalla austeniitin hajoamislämpötilaa määritellään, halutaanko valmistaa perliittiä, bainiittia vai martensiittia, joka on perliittiä tai bainiittia hyvin paljon lujempi seos, koska se vaatii jäähdytyksen hyvin matalaan lämpötilaan. Tämä aiheuttaa seoksessa hyvin suuria määriä dislokaatioita, jotka estävät toistensa liikettä ja tämän lisäksi hilassa tapahtuu myös kaksoistuminen. Perliitti Perliitti on siis austeniitin hajoamisen tuottama rakenne, joka sisältää sekä ferriittiä että sementiittiä. Hyvin hienorakenteista perliittiä tuotetaan jäähdyttämällä austeniitti nopeasti noin 600 asteeseen, jonka jälkeen sen annetaan hajota isotermisesti perliitiksi. Tämän jälkeen perliitin pitää vielä antaa stabiloitua korkeammassa lämpötilassa, jotta estetään ei-halutut muutokset jäähdytyksen aikana. Perliitin hyötyjä on sen lujuus ja muokattavuus. Sitä voidaan helposti muokata putkimaiseksi, jolloin sen lujuus on useita gigapascaleja. Perliittiä käytetäänkin lujuutta vaativissa mekaanisissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi siltojen vaijereissa. Bainiitti ja martensiitti Martensiittia syntyy jäähdyttämällä austeniitti esim. huoneenlämpötilaan nopeasti ennen lämpökäsittelyä tai ennen lämpökäsittelyn valmistumista, jos haluaa austeniitin hajoavan perliitiksi tai bainiitiksi sekä martensiitiksi. Tämä nopea jäähdytys aiheuttaa sen, että hiili ei pääse pois seoksesta ja jää vangiksi sen sisään, jolloin teräksen mikrorakenne deformoituu ja dislokaatioiden määrä kasvaa huomattavasti, jolloin myös lujuus kasvaa. Martensiittistä terästä käytetään esimerkiksi TRIP-teräksessä, jota käytetään esimerkiksi autoteollisuudessa sen suuren energian absorptiokyvyn takia. Bainiitti on eräänlainen välimuoto perliitin ja martensiitin välillä ja sitä syntyy silloin, kun austeniittia jäähdytetään lämpötilaan, joka on liian matala perliitin syntymiseksi, mutta myös liian korkea martensiitin syntymiseksi. Ominaisuuksiltaan bainiitti on myös eräänlainen välimuoto näiden kahden välillä ja sen ominaisuudet voivat olla lähempänä perliittiä tai martensiittiä riippuen lämpökäsittelyyn käytettävästä lämpötilasta. Lähellä perliitin muodostumislämpötilaa olevaa bainiittia kutsutaan yläbainiitiksi ja lähellä martensiittia taas alabainiitiksi. Esimerkkejä TTT-diagrammin tulkitsemisesta Tärkeintä TTT-diagrammin tulkitsemisessa on huomata se, että kun austeniitin hajoaminen on tapahtunut kokonaan, eli diagrammissa ollaan päästy vihreän käyrän oikealle puolelle, niin syntynyt aine ei tästä enää suuremmin muutu. Lämpökäsittelystä muodostuva aine määrittyy siis ennen vihreää käyrää olevista lämpötiloista. Ohessa muutama esimerkki. 1. Nopea jäähtyminen 500 asteeseen, jonka jälkeen pito 100 sekunnin ajan ja sammutus huoneenlämpötilaan. 500 asteessa austeniitti hajoaa kokonaan yläbainiitiksi, koska 100 sekunnin jälkeen vihreä käyrä on ylitetty. Syntyvä aine on siis 100% yläbainiittia. 2. Nopea jäähtyminen 200 asteeseen pito 1000 sekunnin verran ja sammutus huoneenlämpötilaan. 200 asteen lämpötilassa austeniitista noin 20% hajoaa martensiitiksi (kuvaajasta katsottuna). Pitoaika ei vaikuta tähän rakenteeseen, mutta 1000 sekunnin jälkeen vihreää käyrää ei olla vielä ylitetty, joten laskettaessa lämpötilaa muutos martensiitiksi jatkuu ja tuloksena on 100% martensiittia. 3. Nopea jäähtyminen 160 asteeseen, pito 10 sekunnin verran, lämpötilan nopea nosto 300 asteeseen, jossa pito 10 000 sekunnin verran ja sammutus huoneenlämpötilaan. 160 asteessa austeniitista puolet hajoaa martensiitiksi ja 10 sekunnin pidon jälkeen ollaan punaisen käyrän kohdalla, kun lämpötila nostetaan 300 asteeseen. Tämä tarkoittaa sitä, että jäljellä olevasta austeniitista 100% hajoaa alabainiitiksi, kun pitoaika on 10 000 sekuntia. Käsittelyn tuloksena saatava seos on siis 50% martensiittia ja 50% alabainiittia. Faasidiagrammi, jossa näkyy eutektoidinen muutos vasemmassa reunassa Isoterminen lämpökäsittely Isotermisellä lämpökäsittelyllä tarkoitetaan lämpökäsittelyä, jossa teräs kuumennetaan ensin austeniitin muodostumislämpötilaan ja sen yläpuolelle, jonka jälkeen austeniitti jäähdytetään sen hajoamislämpötilaan ja annetaan sen hajota halutuksi seokseksi vakiolämpötilassa. Syntyvän seoksen mikrorakenteeseen voidaan vaikuttaa muuttamalla hajoamislämpötilaa ja näin saada esim. karkeampaa tai hienompaa perliittiä. Bainiittia valmistetaan jäähdyttämällä austeniitti nopeasti perliitin muodostumislämmön alapuolelle, jolloin perliittiä ei muodostu vaan muodostuva aines on vain bainiittia. Lämpötilan pitäminen vakiona on erityisen tärkeää perliitin ja bainiitin valmistamisessa, koska lämpötilan vaihtelut aiheuttavat isoja muutoksia muutosnopeudessa ja valmistettavan aineen koostumuksessa. Martensiittiä voidaan valmistaa laskemalla lämpötilaa huomattavasti ennen lämpökäsittelyä. Muuttamalla lämpötilaa kesken käsittelyn voidaan saada aikaiseksi seoksia edellä mainittujen aineiden välillä. TTT-diagrammi TTT-diagrammi (time, temperature ja transformation) on diagrammi, joka kuvaa aineen faasimuutoksia ajan ja lämpötilan suhteen. Sitä käytetään isotermisen lämpökäsittelyn kuvaamiseen. Alla oleva esimerkkidiagrammi kuvaa eutektoidisen teräksen isotermistä lämpökäsittelyä. Diagrammissa aika on x-akselilla ja lämpötila y-akselilla ja keskellä olevat punainen ja vihreä käyrä kuvaavat hajoamisreaktion alku- ja loppukohtaa vasemmalta oikealle katsottuna. Sininen katkoviiva kuvaa vaihetta, missä puolet austeniitista on hajonnut. Kuvaajassa käyrän vasemmalla puolella on austeniitti ja oikealla puolella perliitti (P) ja bainiitti (B). Keltaiset käyrät kuvaajan alareunassa kuvaavat muutosta martensiitiksi. Perliitin mikrorakenne Patentointi Hienoa perliittiä voidaan valmistaa asettamalla austeniitin hajautumislämpötila kohdalle, mikä on juuri bainiitin syntymislämmön yläpuolella, mutta niin korkea, että bainiittia ei muodostu. Mitä lähempänä tätä kohtaa kuvaajassa hajoamislämpötila asetetaan, sitä hienompaa saatava perliitti on. Kuvaajasta näemme, että tämä lämpötila on noin 550 astetta celsiusta. Tätä lämpökäsittelyä kutsutaan myös patentoinniksi. Patentointia käytetään silloin, kun halutaan saada aikeiseksi mahdollisimman homogeeninen ja hieno rakenne perliitille. Yksi suurimmista hyödyistä tälle rakenteelle on, että se parantaa perliitin kylmävedettävyyttä huomattavasti. Kylmävedolla tarkoitetaan metallin muokkausta siten, että sitä vedetään reiän läpi ja näin pienennetään sen poikkipinta-alaa. Näin esim. metallin raekoko pienenee ja siihen syntyy lisää dislokaatioita ja näin lujuus paranee. Alla on patentointiprosessi kuvattuna TTT-diagrammiin. [1] Luentokalvot ja callisterin kalvot [2]http://www.asminternational.org/documents/10192/1849770/Chapter_15 _WEB.pdf [3] Engineering Materials 2: An Introduction to Microstructures, Processing and Design, Ashby [4] https://books.google.fi/books?idbrpx- LtdCLYC&pgPA26&lpgPA26&d&redir_escy#vonepage&q&ftrue [5] http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2012/manna/part2.pdf [6] en.wikipedia.org [7] http://wwwg.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/typd/addenda/microstructures1.html Kuvat [8] https://en.wikipedia.org/wiki/pearlite#/media/file:pearlite.jpg [9] https://en.wikipedia.org/wiki/eutectic_system#/media/file:steel_pd.svg
Alumiini-kupariseoksen erkautuskarkaisu Mitä on erkautuskarkaisu? Erkautuskarkaisu Al-3 m-% kupariseokselle Kuva 1: Uuni Erkautuskarkaisu on karkaisumenetelmä, jonka tavoitteena on parantaa erilaisten kappaleiden lujuusominaisuuksia vaikuttaen niiden atomirakenteeseen. Erkautuskarkaisu toteutetaan lähes aina samalla tavalla ja se voidaan suorittaa lähestulkoon niin suurelle kappaleella tahansa mitä vain kyetään nostamaan kappaleen ollessa hehkuvan kuumana. Lähdetään toteuttamaan erkautuskarkaisua alumiiniseokselle, johon halutaan kolme prosenttiyksikköä kuparia. Aivan aluksi suoritetaan liuotushehkutus, jossa kuumennetaan kappale hiukan sen sulamispisteen alapuolelle, eli tässä tapauksessa noin 650 celsiusasteeseen. Tällöin alumiini on lähes sulamispisteessä ja kupari pääsee tasaantumaan ympäri kappaletta homogeeniseen tasapainotilanteeseen [α + L]. Tämä suoritettaisiin suuressa uunissa, jossa kyetään ylläpitämään korkea vakiolämpötila pitkään. Tällä saavutetaan tasaisin mahdollinen lämpötila kappaleen ympäri, mahdollistaen parhaan mahdollisen lujuuden saavuttamisen myöhemmässä vaiheessa. Kyseinen uuni pitää olla sijoiteltuna lähelle viilennysallasta, sillä aika joka kappaleella saa kulua lämpötilasta pois ottamisen ja nopean jäähdyttämisen välillä on kymmenen kolmekymmentä sekuntia, riippuen kappaleen suuruudesta. Erkautuskarkaisun eri vaiheet [2] Erkautuskarkaisun vaiheet ovat liuoshehkutus (solution heat treatment), sammutus (quenching), sekä vanhennus (aging). 1. Liuoshehkutuksen ensimmäisessä vaiheessa kappale kuumennetaan ennalta määriteltyyn lämpötilaan, joka on hieman sulamispisteen alapuolella. Lämpötila pidetään yllä vakiona siihen asti että koko kappale on täysin vakiolämpötilainen. 2. Tämän jälkeen kappale on sammutettava, tavoitteena säilyttää saavutettu olotila myös huoneenlämmössä. Tämä tarkoittaa kappaleen nopeata viilentämistä kuumasta lämpötilasta huoneen lämpötilaan. Mitä nopeammin kappale sammutetaan, sitä lujemmaksi kappale jää, mutta tällöin kappaleeseen voi myös syntyä erilaisia jännityksiä. 3. Lopuksi suoritetaan vanhennus, joka voidaan suorittaa joko luonnollisesti tai vaihtoehtoisesti keinovanhennuksena. Kappaleen vanhentuessa rakeiden sisään tai mahdollisesti raerajoille syntyy erittäin pieniä erkaumia jotka ominaisuuksillaan määrittelevät kappaleen lopulliset ominaisuudet. [1] Miten erkautumat muodostuvat lämpökäsittelyn aikana? Lämpökäsittelyssä itsessään ei vielä muodostu erkaumia, vaan vasta vanhennusprosessissa. Tämä voidaan toteuttaa luonnollisesti tai keinovanhennuksella, eli toisinsanoen erkautushehkutuksen avulla. Luonnollinen vanhennus on kappaleen luonnollinen vanhennusmetodi, joka toteutuu itsestään pikaisesti kappaleen sammutuksen jälkeen. Kappaleen lujuus kasvaa ja rakenne tasoittuu ajan kanssa nopeammin tai hitaammin, riippuen kappaleen muista ominaisuuksista. Riskinä luonnollisessa vanhennuksessa on ylivanheneminen, jonka seurauksena kappaleen lujuus voi laskea lämpötilan noustessa yli huonelämpötilan. Keinovanhennuksessa (eli erkautushehkutuksessa) saadaan aikaan paremmat lujuusarvot kappaleeseen. Keinovanhennuksessa annetaan kappaleen ensin tasaantua huonelämpötilassa, jolloin sen venymäarvot paranevat, jonka jälkeen aloitetaan varsinainen vanhennus. Kappale hehkutetaan määriteltyyn lämpötilaan ja pidetään siinä hyväksi todettu aika. Liian pitkä vanhennus heikentää tällöinkin lujuusarvoja. [2] Kappale voidaan sammuttaa esimerkiksi suuressa vesialtaassa, jonka vesimäärä on suuri ja se on huonelämpötilassa mielellään virtaavana. Tämä estää viilennysnesteen lämpötilan nousevan turhan korkeaksi, jolloin sammutuksen karkaisuteho heikkenisi. Kriittisin vaihe sammutusta on saada kappale 650 celsiusasteesta 200 celsiusasteeseen, mutta tämän jälkeinenkin sammutus vaikuttaa runsaasti kappaleen lopulliseen lujuuteen. Tässä vaiheessa päädytään α + θ faasiin, jossa α kuvastaa alumiinia ja θ kuvastaa khatyrkiteä (CuAl2). Tällöin kupari on tasoittunut seoksessa tiiviimmin muodostaen eräänlaisen matriisijärjestyksen. Sammutettua kappale ja sen oltaessa tasalämpöinen, halutaan kappale vanhennuttaa lisäten sen lujuutta, toisin sanoen suoritetaan erkautushehkutus. Kappaleen annetaan ensin seistä huonelämmössä rauhassa maksimoiden sen venymäarvot. Vähintään vuorokausi tämän jälkeen kappale hehkutetaan toisessa uunissa tällä kertaa noin 550 celsiusasteeseen, jolloin kupariatomit pääsevät liukumaan ja tasoittuvat täysin homogeenisesti ympäri kappaletta. Tällöin päästään myös eroon aiemmista mahdollisista jännityksistä, jotka aiheutuivat sammutuksen yhteydessä lisäten kappaleen haurautta. Kappale ylläpidetään tietyssä lämpötilassa pitkään, jonka jälkeen sen annetaan vapaasti jäähtyä huoneen lämpöön, jolloin atomirakenne jähmettyy niille sijoilleen ja lujittaa materiaaliseoksen pysyvästi. Ajoitus on tärkeää, sillä mikäli kappaletta pidetään korkeassa lämmössä liian pitkään, tai pidetään liian korkeassa lämpötilassa ylipäätään, atomirakenne lähtee muuttumaan, jonka seurauksena epäkoherentteja tasapainoerkaumia rupeaa syntymään. Tämä johtaa kappaleen lujuuksien runsaaseen heikkenemiseen. [1] Kuva 4: Atomirakenteiden muutokset eri vaiheissa Miksi erkautuskarkaisu varsinaisesti lujittaa valmistettua kappaletta? Yhteenveto Erkautuskarkaisumetodissa perusaineseokseen lisätään lisäainetta, jonka funktiona on lujittaa kappaletta. Varsinainen lujittava tekijä tällöin on lisäaineen lisäämä vastus, joka vaikeuttaa dislokaatioiden toteutumista varsinaisessa kappaleessa. Kun kappaleen sisällä olevat atomit eivät pääse liikkumaan kunnolla, dislokaatiot vähenevät ja näin ollen kappale on myös lujempi. Tämä tarkoittaa samalla sitä, että kappaleesta tulee hauraampi, sillä se ei enää salli samanlaisia. muodonmuutoksia Kuva 2: atomirakenne Erkautuskarkaisu on tehokas menetelmä erilaisten kappaleiden lujuusominaisuuksien parantamiseen. Erkautuskarkaisussa perusaineeseen on lisätty eri materiaalia olevaa lisäainetta jonka tarkoituksena on lisätä vastustavia voimia kappaleen sisällä vaikeuttaen dislokaatioiden tapahtumista. Eri kappaleiden materiaalit vaikuttavat suoraan erkautuskarkaisun eri vaiheissa tarvittaviin lämpötiloihin, joilla saavutetaan parhaat mahdolliset lujuusominaisuudet. Erkautuskarkaisu toteutetaan liuoshehkutuksen, sammutuksen ja vanhennuksen avulla. Liuoshehkutus käsittää kappaleen materiaalin tasaistuttamisen mahdollistaen homogeenisen kappaleen, sammutus lukitsee nämä paikoilleen, ja vanhennuksen avulla parannetaan vielä tätä lujuutta entisestään sekä poistetaan mahdolliset jännityspisteet kappaleesta, jotka mahdollisesti lisäävät muuten kappaleen haurautta. Erkaumia syntyy ja nämä myöskin vastustavat dislokaatioita. Miten Al-Cu-faasidiagrammia voidaan hyödyntää tässä lämpökäsittelyssä? Alumiinikupariseoksen faasidiagrammia voidaan hyödyntää tässä lämpökäsittelyssä optimoiden halutut lämpötilat liuoshehkutusta varten. Kuvasta 3 voimme todeta, että lämpötila johon alumiiniseos halutaan hehkuttaa on ~550 Celsiusasteen ympärillä silloin kun kuparin massaprosenttiosuus on yli viisi prosenttiyksikköä seoksessa. Diagrammista voidaan myös määrittää sopivat massaprosenttisuhteet lopulliseen seokseen ja niiden vaikutukset lujittumisprosessin aikana. Kuva 5: Kappale sammutuksen jälkeen ja seuraava kappale hehkuvana valmiina sammutusta varten [1] Valuatlas - http://www.valuatlas.fi/tietomat/docs/pn_jalkikasittely_i.pdf [2] Materials Science and Engineering, An Introduction, Callister - ISBN-13: 978-0-471-73696-7 Kuva 3: Faasidiagrammi alumiinikupariseokselle Kuva 1: Uuni: Kuva 2: Atomirakenne: Kuva 3: Faasidiagrammi alumiinikupariseokselle: Kuva 4: Atomirakenteiden muutokset eri vaiheissa: Kuva 5: Sammutusallas: [Valuatlas] [https://goo.gl/7ryc9a] [Callister] [Callister] [Valuatlas]
Tina-vismutti -juotosmetallin binäärinen seos Juottaminen 43 Sn/57 Bi 200 C Juottaminen on metallien liittämistä toisiinsa juotosaineella, joka on metalli, jolla on alhaisempi sulamispiste kuin liitettävillä materiaaleilla. Tällöin siis vain juotosmateriaali sulaa, eivät liitettävät materiaalit. Juottamista ei pidä sekoittaa hitsaamiseen, jossa myös liitettävät aineet sulavat. Juottamista käytetään esimerkiksi elektroniikassa, missä metalliset pinnat liitetään toisiinsa yleensä tinapitoisella juotteella, tarkoituksena saada sähkö johtumaan pintojen välillä. Vaikka juotettavat materiaalit eivät itsessään sula, pintojen väliin muodostuu niin sanottua välimetallia, joka on seos juotettavien pintojen ja juotteen aineesta. Myös putkitöissä on käytetty juottamista: se on ollut keskeinen osa kupariputkien toisiinsa liittämisessä. Muitakin liitostapoja on jo keksitty, mutta juottaminen pitää pintansa, sillä se on edullisempi tapa suorittaa liittäminen kuin muut tavat. Juottaminen tapahtuu siihen tarkoitetulla työvälineellä, juottimella, jota sanotaan puhekielessä kolviksi. Sillä voi juottaa esimerkiksi yksittäisiä komponentteja tai johtimia toisiinsa kiinni. Kuva 1. Juottamista[4] Hyvä juotosmateriaali Hyvältä juotosmateriaalilta vaaditaan monia ominaisuuksia, mutta juottamisen vaatima liitettäviä materiaaleja alhaisempi sulamispiste pitää olla riittävästi alempi, jotta liitettävät materiaalit eivät sula pilaten juottamisen idean. Kun sulamispisteiden ero on riittävän suuri, juotoksen onnistuminen ei jää muutamista celciusasteista kiinni. Suosittuja juotosmateriaaleja ovat sinkki ja tina, joille yhteistä on metalliksi alhainen sulamispiste (Zn 420 C ja Sn 231 C). Niitä käytetään juotoksissa yleensä metallisekoituksina, tinaa esimerkiksi lyijynkin kanssa. Kuva 3. Eutektinen lamellirakenne [2] Tina Tina on hopeisen valkoinen metalli, joka on pehmeää ja taottavaa. Se on järjestysluvultaan 50. alkuaine. Tinaa väännettäessä sen kiderakenne hajoaa, jolloin siitä kuuluu korkea ääni. Normaaleissa olosuhteissa tina ei reagoi hapen eikä veden kanssa, eli sille ei tapahdu korroosiota. Vismutti Vismutti on ulkonäöltään tinan tapaista, ja on järjestysluvultaan 83. alkuaine. Sitä käytetään helposti sulavissa metalliseoksissa ja magneeteissa. Vismutilla on suuri sähkövastus ja metalleista elohopean jälkeen alhaisin lämmönjohtavuus. Tina-vismutti -seos Alla näkyvässä tina-vismutti juotosmetallin binäärisen seoksen eutektisen tasapainopiirroksen perusteella voidaan nähdä, että alhaisin mahdollinen eutektinen sulamispiste, joka on noin 140 C, löytyy kohdasta, jossa vismutin osuus seoksessa on hieman alle 60 p.%. Tehtävänannossa on määritetty seossuhteet 70 Sn/30 Bi, 43 Sn/57 Bi ja 20 Sn/80 Bi. Lukemalla tasapainopiirrosta voidaan todeta, että 70 Sn/30 Bi sijoittuu kuvaajassa melko vasemmalle, joten sen sulamispiste on melko korkea, yli 190 C, joten se ei vastaa ihanteellista juotetta riittävän hyvin. Seosuhteella 20 Sn/80 Bi joudutaan kuvaajalla taas liian oikealle, mikä tarkoittaa jälleen korkeaa sulamispistettä. Kuvaajalta voidaan lukea, että sen sulamispiste on jopa 200 C eli ylivoimaisesti huonoin vaihtoehdoista. Kun tutkitaan seossuhdetta 43 Sn/57 Bi, voidaan huomata, että se sijoittuu hyvin lähelle alhaisinta mahdollista sulamispistettä, eli eutektista sulamispistettä. Tarkemmalla tarkastelulla todettakoon, että se on juuri oikea seossuhde alhaisimman mahdollisen sulamispisteen saavuttamiseksi. Kahdensadan celsiusasteen lämpötilassa tina-vismutti juotosmetallin binäärinen seos on merkittävästi sulamispisteensä yläpuolella, joten se on täysin nestemäinen, homogeeninen seos. Tällöin siinä on vain yhtä faasia, mikä tarkoittaakin sen osuuden olevan tasan 100%. Kyseisessä faasissa on siis 43 p.% tinaa ja 57 p.% vismuttia. L(C E ) (C E ) + (C E ) Eutektinen reaktio 43 Sn/57 Bi 138 C 138 celsiusastetta on valitun tina-vismutti juotosmetallin eutektinen lämpötila, joten siinä tapahtuu niin sanottu eutektinen reaktio, joka on esitetty yllä. Faasit muuttuvat toisikseen koko ajan, mutta niiden suhde pysyy samana. Tästä voidaankin päätellä, että sulaa faasia tässä seoksessa on 50 p.%, kun taas kahta muuta faasia 25p.%. 43 Sn/57 Bi 25 C Kahdenkymmenenviiden celsiusasteen lämpötilassa on kahta faasia: ß Sn ja Bi. Näiden faasien osuudet saadaan laskettua lähteestä [2] opituilla kaavoilla, eli määritetään ensin faasien koostumukset lukemalla tasapainopiirrosta, minkä jälkeen voidaan niiden avulla laskea faasien suhteelliset määrät. C O 57 p.% Bi C ß Sn 3 p.% Bi C Bi 100 p.% Bi W ß Sn S R+S C Bi - C O C Bi C ß Sn 100-57 100 3 43 97 44 p.% Kuten jo aiemmin on tullut todettua, juotosmateriaaliksi valinta sopii parhaiten alhaisimman sulamispisteensä ansiosta: sillä voi juottaa monenlaisia eri metalleja toisiinsa ilman pelkoa, että liitettävä metalli sulaa liian korkean lämpötilan vaikutuksesta. Myös jähmettyminen on puhtaampaa, kun homogeeninen sula seos jähmettyy kiinteäksi tinavismutti seokseksi. W Bi R R+S C O C ß Sn C Bi C ß Sn Kuva 2. Cu-Ag systeemi [2] Eutektinen jähmettyminen 57-3 100 3 54 97 56 p.% Eutektisessa jähmettymisessä homogeeninen metallineste jakautuu tietyssä lämpötilassa kahdeksi kiinteäksi metallifaasiksi, joilla on keskenään erilainen koostumus. Tällöin reaktiosta jää pois niin sanottu puuroalue. Tämä vaatii siis sen, että sulan koostumus vastaa eutektisen pisteen koostumusta. Tällöin jähmettyminen pääsee tapahtumaan yhdessä lämpötilassa ilman puuroutumista, valikoivaa jähmettymistä tai mikrosuotautumista. Kun eutektinen jähmettyminen tapahtuu, on alussa vain sulaa. Sula jähmettyy nopeasti eri faaseihin, joten alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti A-valtaisen ja B-valtaisen faasin välillä. Yllä olevassa kuvassa näkyy eutektinen lämpötila Cu-Ag systeemille, joka on siis systeemin alin mahdollinen sulamislämpötila T779 C. Tässä lämpötilassa 71,9 p.% hopeaa sisältävä seos pääsee jähmettymään eutektisesti ilman puuroaluetta. Kuva 2. Sn-Bi eutektinen tasapainopiirros [tehtävänanto] Saaduista tuloksista käy ilmi, että faasia ß Sn, jossa on 3 p.% vismuttia, on seoksessa prosentuaaliselta osuudeltaan 44 p.% ja faasia Bi, jossa on pelkkää vismuttia, on seoksessa prosentuaaliselta osuudeltaan 56 p.%. [1] https://fi.wikipedia.org/wiki/juottaminen [2] Callister, W.D. & Rethwisch, D.G.: Materials Science and Engineering [3] https://fi.wikipedia.org/wiki/tina [4] http://www.jumaradio.com/juma-rx1/img_0568.jpg [5] Hugh Shercliff and Mike Ashby: Teach Yourself: Phase Diagrams and Phase Transformations [6] https://fi.wikipedia.org/wiki/vismutti