Deformaatio Kertaus
Deformaatio Kiteen teoreettinen lujuus: σ E/8 Todelliset lujuudet lähempänä σ E/1000 3
Dislokaatiot Mekanismi, jossa deformaatio mahdollista ilman että kaikki atomisidokset murtuvat yhtä aikaa Dislokaatiot Keksitty 1934 Burgers (ruuvidislokaatiot) Taylor, Orowan, Polany (särmädislokaatiot) 4
Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä
Mistä lujuus syntyy Mikä vastustaa dislokaatioiden liikettä? 6
Dislokaatioiden liikevastus Kiteen sisäinen vastus Peiers jännitys Seosatomit (liuoslujittuminen) Vieraat faasit (erkautuslujittaminen) Raerajat Toiset dislokaatiot (muokkauslujittuminen)
Diffuusio
Vakanssit Pistemäisiä hilavirheitä Mahdollistavat diffuusion 9
Diffuusio Vakanssit liikkuvat metallihilassa satunnaisesti liike lämpötilan aktivoimaa mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi liikenopeus (ja sitä enemmän vakansseja) Huoneenlämpötilassa diffuusio erittäin hidasta 11
Diffuusio Atomit sekoittuvat metalleissa Koostumuserot tasoittuvat Analoginen lämmönsiirtymisen kanssa 12
Vakanssit ja jännitys Myös vakanssit aiheuttavat ympärilleen jännityskentän => jännitys vaikuttaa vakanssien liikkeeseen Vakanssit (diffuusio) voivat myös välittää atomien järjestäytymistä pienempienergiseen tilaan Korkeassa lämpötilassa kidevirheet korjaantuvat Korkeassa lämpötilassa dislokaatiot korjaantuvat Korkeassa lämpötilassa kiderakenne voi muodostua uudelleen rekristallisaatio Korkeassa lämpötilassa raekoko kasvaa 13
Mikrorakenne
Mikrorakenne - yhteenveto Seoksen faasit ja näiden jakaantuminen morfologia kaksifaasirakenne erkaumat sulkeumat raerajafaasit Raerakenne Raekoko Suuntautuneisuus Kideorientaatio tekstuuri Hilavirheet Raerajat Dislokaatiot Vakanssit
Faasit
Faasit sulkeumia 18
Faasit - sulkeumia 19
Raerakenne
Dislokaatiot
Vakanssit 24
Mikrorakenne Dynaamiset ilmiöt Atomisidosten venyminen => Elastinen deformaatio (jännitys) Jännityksen ajama Dislokaatioiden liike => plastinen deformaatio Jännityksen ajama Vakanssien liike =>diffuusio Lämpötilan ajama 25
Diffuusion vaikutus dislokaatioihin Korkeissa lämpötiloissa diffuusio voi auttaa dislokaatioiden liikettä dislokaatioiden kiipeäminen esteiden yli 26
Metallit ovat metastabiileja
Lujittamismekanismit
Lujittaminen tapahtuu vaikeuttamalla dislokaatioiden liikettä
Lujittaminen Raekoko Liuoslujittaminen Erkautuslujittaminen Muokkauslujittuminen 30
Raekoon vaikutus Raerajat toimivat tehokkaina esteinä dislokaatioiden liikkeelle Mitä pienempi raekoko (enemmän raerajoja) sitä lujempi materiaali Pieni raekoko myös sitkistää materiaalia
Raekoko - työkalut Raekokoa voidaan pienentää: kylmämuokkauksella Valssaus tai taonta venyttää ja pienentää rakeita haluttuun suuntaan Lämpökäsittelyllä Aiheuttamalla lämpötilaa säätelemällä kontrolloitu rekristallisaatio tai faasimuutoksia, voidaan pienentää raekokoa Seostuksella Erkaumat estävät raekoon kasvua korkeissa lämpötiloissa 32
Esimerkiksi ohutlevyn kylmävalssaus Metallilevy pakotetaan matalassa lämpötilassa esimerkiksi rullien välistä, jolloin se kokee voimakkaan deformaation. nousee voimakkaasti 2. Raerakenne (pienenee ja suuntautuu) muokkauksen mukaiseksi 3. Lujuus nousee muokkausasteen mukaan 1.2.2016 33
Raekokoon hallinta: Kuumavalssaus Levy pakotetaan korkeassa lämpötilassa esimerkiksi rullien väliin. 1. Metalli deformoituu voimakkaasti, mutta korkean lämpötilan seurauksena välittömästi. 2. Seurauksena, lujuuden kasvu sekä sitkeyden nousu 1.2.2016 34
1.2.2016 35
1.2.2016 36
1.2.2016 37
Esim. normalisointi
Liuoslujittaminen Liuosatomit vääristävät hilaa Vääristyneessä hilassa dislokaatioiden on vaikeampi liikkua 39
Liuoslujittaminen Liuoslujittaminen toteutetaan Seostamalla välisija-atomeja Seostamalla korvausatomeja Esim: Rauta-hiili hiili välisija-atomina pienet pitoisuudet nostavat lujuutta voimakkaasti Kulta-hopea-kupari 40
Kuparin ja sinkin tasapainopiirros 1.2.2016 41
Erkautuslujittaminen Erkaumat estävät tehokkaasti dislokaatioiden liikettä Kuten raerajat Jännitys erkaumien ympärillä 42
Erkaustuslujittaminen - työkalut Seostus + lämpökäsittely Seostuksella erkaumia muodostavia seosaineita Lämpökäsittelyllä saavutetaan erkaumarakenne, joka lisää lujuutta paljon pieniä erkaumia koherentteja erkaumia Erkautuskarkaisu 43
44
Muokkauslujittuminen Muokkaus generoi dislokaatioita Dislokaatiotiheys kasvaa Dislokaatiot takertuvat toisiinsa ja vaikeuttavat toistensa liikettä
Muokkauslujittaminen Valssatuissa levyissä Vedetyissä langoissa Taotuissa tuotteissa 46
Muokkauslujittuminen 47
Lämpökäsittely
Lämpökäsittely Metallit ovat metastabiileja Lämpötilan nosto siirtää rakennetta kohti tasapainotilaa Dislokaatiotiheys pienenee Rakeet kasvavat Liukoisuus kasvaa Kontrolloidulla jäähdytyksellä saadaan tila kauemmas tasapainotilasta 49
Lämpökäsittely - työkalut Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa Eri faasit ovat stabiileja eri lämpötiloissa Lämpötilaa kontrolloidusti nostamalla ja laskemalla voidaan muuttaa mikrorakennetta ja siten mekaanisia ominaisuuksia 50
Pehmeäksi hehkutus Korkeassa lämpötilassa muokkauslujittumisen vaikutukset häipyvät Dislokaatiotiheys pienenee Materiaali pehmenee Sitkeys kasvaa
Normalisointi Teräksellä raekoon pienentämiseksi 52
Normalisointi 53
Erkautuskarkaisu Korkeassa lämpötilassa seosaineet liuotetaan Nopealla jäähdytyksellä seosaineet jäävät liuokseen Kontrolloitu hehkutus erkauttaa paljon pieniä erkaumia
Teräkset
Teräkset Tärkein konstruktiometalli Rauta-hiili -seoksia, joissa alle 2.14% hiiltä (tyypillisesti paljon vähemmän) 56
Polymorfia Ominaisuudet laajasti muokattavissa TKK -kiderakenne matalissa lämpötiloissa Suuri lujuus PKK -kiderakenne korkeissa lämpötiloissa voidaan saada stabiiliksi matalissa lämpötiloissa seostuksella 57
Rauta-hiili tasapaino 58
Teräksen rakennuspalikat Feriitti raudan stabiili kidemuoto huoneenlämpötilassa (BCC) liuottaa max 0.022% hiiltä Sementiitti Rauta-hiili yhdiste Fe3C Kova, hauras faasi Austeniitti raudan stabiili kidemuoto korkeissa lämpötioissa (FCC) liuottaa max 2.14% hiiltä pehmeä Eri mikrorakenteet kuvaavat ferriitin ja sementiitin erilaisia yhdistelmiä, joilla saavutetaan erilaisia ominaisuuksia 59
Lämpökäsittely Tavoitteena: vaikuttaa hiilen erkautumiseen kiderakenteeseen (martensiitti) Hiilen liukoisuus austeniittiin suuri Kontrolloidulla jäähdytyksellä voidaan vaikuttaa hiilen erkautumiseen 60
Liuotushehkutus Korkeassa lämpötilassa kaikki seostettu hiili liuenneena austeniittiin mikrorakenteena austeniittinen rakenne Austeniitin raekoko vaikuttaa loppurakenteen ominaisuuksiin 61
Hidas jäähdytys Diffuusiolla aikaa tapahtua Hiili siirtyy pois ferriitistä sementiittiin Tuloksena lamellimainen rakenne perliitti Mitä hitaampi jäähdytys sitä karkeampi on perliitin lamellirakenne 62
Perliitti 63
Perliitti 64
TTT-käyrä 65
Nopeampi jäähdytys Nopeampi jäähdytys antaa diffuusiolle vähemmän aikaa jakaa hiili eri faasien välille Tuloksena hienojakoisempi rakenne Bainiitti Neulasmainen rakenne Hyvin hienojakoinen suuri lujuus suuri sitkeys 66
67
Bainiitti 68
69
Martensiitti Vielä nopeampi jäähdytys => edes Bainiitti ei ehdi muodostua Hiili jää ylikyllästeisenä ferriittiin hila venyy tetragonaaliseksi Erittäin luja mutta hauras rakenne Martensiitti 70
Martensiitti 72
Karkaisu Liuotushehkutus (austenitointihehkutus) austeniittialueella Nopea jäähdytys => martensiitti Päästö eli hehkutus 200-400 C lämpötilassa Hiili erkautuu Sitkeys kasvaa Lujuus pienenee Useat seosaineet hidastavat perliitti- ja bainiittimuutosta karkenevuus paranee 73
Päästömartensiitti Martensiittiä päästettäessä sementiitti erkautuu pieninä pallomaisina erkaumina Hyvin hienojakoinen rakenne Erinomainen lujuus-sitkeys -suhde 74
Seostus Seostuksella voidaan vaikuttaa Lämpökäsiteltävyyteen Lujuuteen (liuoslujittaminen, jne.) korroosiokestoon jne. 75
Ruostumattomat teräkset Kromi parantaa korroosionkestoa Muodostaa tiiviin oksidikalvon joka estää korroosion etenemisen yli 13% kromiseostus => kestää ilmaston korroosiota normaalioloissa => ruostumaton Ruostumattomatkin teräkset ruostuvat aggressiivisissa ympäristöissä 76
Austeniittialue ja seostus 77
Ruostumattomat teräslaadut Ferriittiset Martensiittiset Austeniittiset Duplex 78
Duplex ruostumaton teräs