Joitain materiaaleja Kriittinen lämpötila Pb 7.3 Nb 9.3 Nb-Ti 8.9-9.3 Nb 3 Sn 18 Nb 3 Ge 23 NbN 16-18 PbMo 6 S 8 14-15 YBa 2 Cu 3 O 7 92 2 Niobi-titaani seoksia Nb-46.5Ti Nb-50Ti Nb-65Ti Sulatus kahteen tai kolmeen kertaan tasalaatuisen seoksen aikaan saamiseksi Aihion paino luokkaa 2000 kg Kuumataonta, rekristallisaatiohehkutus, vesisammutus Matriisimateriaalit Cu, Al, Cu-Ni, Cu-Mn Monofilamentti lanka valmistetaan sulkemalla NbTi aihio kuparivaippaan. Tämän jälkeen Pursotus Langan veto Aihion halkaisija pienee 200 mm 0.5-1 mm Multifilamentti lanka voidaan valmistaa poraamalla kupariaihioon reiät NbTi tankoja varten Tyypillisesti filamenttien lukumäärä alla 200 3 4 1
Isommat multifilamentti langat valmistetaan kasaamalla poikkileikkaukseltaan kuusikulmaisen kupari tangon sisällä olevat NbTi tangot kuparivaipan sisään Titaanin ja kuparin hauras metallien välinen yhdiste haittaa langanvetoa. NbTi ja kuparin väliin tarvitaan diffuusiolta suojaava kerros 5 6 Langan veto ja pakkaaminen kuparivaipan sisään voidaan yhdistää useampaan kertaan Nb 3 Sn Kuuluu kiderakenteen puolesta A15 ryhmään A15 on tunnus metalliväliselle yhdisteelle koostumuksella A 3 B A15 ryhmässä on 76 yhdistettä joista 46 on suprajohtavia Metallien välinen yhdiste on ominaisuuksiltaan hauras -> valmistaminen hankalaa 7 8 2
A15 A15 http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/struk.picts/a15.s.png 9 10 Nb 3 Sn nauhat Suprajohtava kerros voidaan pinnoittaa esimerkiksi teräsnauhan päälle (3NbCl 4 + SnCl 2 + 7H 2 -> Nb 3 Sn + 14HCl) Ohut niobinauha voidaan päällystää tinalla ja Nb3Sn rakenne saadaan aikaan lämpökäsittelyllä Kolmi kerroksiseen pronssi-niobi-pronssi nauhaan muodostuu kiinteässä tilassa Nb 3 Sn yhdistettä Nb 3 Sn multifilamentti langat 11 12 3
13 14 Nb 3 Sn hehkutus Pronssi-niobi parille riittä tyypillisesti yksi hehkutus Jos käytetään puhdasta tinaa, niin useita hehkutuksia esimerkiksi lämpötiloissa 210 C, 340 C ja 650 C Muistimetallit 15 4
Muistimetallit Metalli pystyy muuttumaan aikaisempaan muotoon tai kokoon lämpötilan sopivasti muuttuessa. Seoksia Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni Hystereesi jäähtyminsen ja lämmityksen välillä Muistimetallit Yksisuuntainen muisti-ilmiö Mittamuutosta ei tapahtu kun jäähdytetään austeniitti alueelta, mutta jäähtymisen aikana syntyy kuitenkin martensiittia Martensiittista rakennetta muokata Kun muokattua rakennetta lämmitetään palautuu muodonmuutos Uudelleen jähdyttäminen ei aiheuta mittamuutosta Muisti-ilmiö molempiin suuntiin Joillain seoksilla mittamuutos esiintyy myös jähdytyksen yhteydessä... 17 18 Muistimetallit Käyttökohteet Ni-Ti (NiTinol) ihmiskehon sisälle laitettava laajentimet, putkiliitokset Lämpöön reagoivat aktuaattorit, termostaatit Muistimetallit Superplastisuus Tietyillä seoksilla plastiseen muodonmuutoksen ei liity muokkauslujittumista Ohutta lankaa voi taivutella mielin määrin Jokapäiväisenä esimerkkinä silmälasin sangat 19 20 5
Hitsaus Hitsaus Hitsauksessa liitetään kappaleita yhteen lämmön ja/tai paineen avulla. Liittämisessä voidaan käyttää lisäainetta mutta se ei ole välttämätöntä. Liitos syntyy sulamisen (fusion) tai rekristallisaation avulla. koostumus ei (välttämättä) muutu liitoskohdassa fysikaaliset ominaisuudet (väri, tiheys, sähkön ja lämmön johtavuus) pysyvät samoina hitsin ja perusaineen ominaisuudet samoja lämpökäsittelyn jälkeen 22 A Koostuu sekä sulaneesta perusaineesta että mahdollisesta sulaneesta lisäaineesta B Koostuu sulaneesta perusaineesta joka ei ole ehtinyt sekoittua lisäaineen kanssa Rajapinta Toinen puoli on ollut sulatilassa, toinen kiinteänä Poikkileikkaus Osittain sulanut alue Perusmateriaalissa olevat matalla sulavat faasit ovat olleet sulassa tilassa tällä alueella. Lämpöaltistusalue (HAZ) Lämpötila on kohonnut niin paljon että perusaineen mikrorakenne on muuttunut, mutta sulamista ei ole tapahtunut Perusmateriaali Ei metallurgisia muutoksia, jännösjännitykset mahdollisia Poikkileikkaus 23 24 6
Esimerkki hitsin mikrorakenteesta Hitsauksessa sulan jähmettyminen tapahtuu (epitaxia growth). Sulassa olevat atomit jähmettyvät ennestään kiinteässä tilassa oleviin rakeisiin kasvattaen niiden pituutta. Jos hitsausnopeus on pieni, syntyy rakenne missä rakeet kääntyvät etenemissuuntaa kohti. Jähmettyminen 25 26 Suuremmalla hitsausnopeudella sula alueen muoto muuttuu pisaraksi ja rakeet eivät ehdi kääntyä hitsauksen etenemissuuntaan. Tällöin hitsin keskilinjalla jähmettyvät matalimmalla sulavat epäpuhtaudet, mikä puolestaan lisää keskilinjan herkkyyttä kuumasäröilyyn. Jähmettyminen Lämpötilagradientti kiinteästä sulaan vaikuttaa hitsin jähmettymiseen. Suuri lämpötilagradientti saa aikaan tasaisena rintamana jähmettyvän hitsin. Pienempi lämpötilagradientti saa aikaan dendriittirakenteen Jähmettyminen 27 28 7
Hitsin esilämmitys Esilämmityksellä voidaan pienentää sulan ja lämpöaltistusvyöhykkeen jäähtymisnopeutta -> karkenevuus pienenee lämpötilamuutosten aiheuttamaa jännitystä -> säröily vähenee hitsauksessa hitsiin tuotavaa energiaa -> suurien ainepaksuuksien hitsaus tulee mahdolliseksi Hitsien lämpökäsittelyt Jännitysten poistohehkutus stress relief pituuden muutokset jännityskorroosio Normalisointi (teräs) tasainen ja pieni raekoko sitkeysominaisuuksien parantaminen Liuoshehkutus ja keinovanhennus (erkaumakarkenevat seokset) perusaine voi ylivanheta hitsauksen aikana lujuusominaisuuksien palautus 29 30 Hitsausmenetelmiä Hitsausmenetelmät lähinnän mainintana. Menetelmien tarkempi läpikäyti kuuluu kurssiin metallien liittämismenelmät Kaasu, puikko, MIG, TIG, jauhekaari, plasma, vastushitsaus, elektronisuihku, laser, diffuusio, termiitti, räjähdys, kitka, ultraäänihitsaus, suurtaajuushitsaus 31 32 8
Kupari Sähkön ja lämmön johde Korroosion kesto Muokattavuus Liuoslujitus Tasapainopiirros Vapaaenergia Kylmämuokkaus Liekkisulatus Liuospuhditus Kupari Cu-ETP, Cu-DHP, Cu-OF Rekristallisaatio Seosaineet ja sähköjohtavuus Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Sn-Pb, Cu- Al, Cu-Sn-Zn, Cu-Ni-Zn, Cu- Ni Koorrosio, sinkinkato, jännityskorroosio 34 Valurauta Homogeeninen ydintyminen Heterogeeninen ydintyminen Jähmettyminen, alijäähtyminen Dendriitit, lakimääräinen alijäähtyminen Fe-C, Fe-Fe 3 C Si Valkoinen, harmaa, suomu, pallo, tylppä, adusoitu GJN Valurauta Kokillivalu Adusointi GJL Ferriitinen, perliittinen, ferriittis-perliittinen Grafiitin muoto Hiiliekvivalentti, seinämävahvyys Kovuus vs lujuus Lovivaikutus Pallografiitti Ytimet, Mg Grafiitin kasvaminen Ferriittinen, ferriittisperliittinen, perliittinen, päästömartensiittinen, austeniittis-ferriittinen, austeniittinen Ymppäys Jäähtymiskäyrät Lämpökäsittelyt ADI Rauta ja teräs Pelkitys Mellotus, raffinointi Kaasut, tiivistäminen Valssi AISI, SAE, ASTM, ASME, UNS, DIN, Werkstoff, BS, AFNOR, UNI, SS, SFS, EN Normalisointi Seosaineet Rakenneteräkset S235JRG2 Hienoraeteräkset 35 36 9
Rauta ja teräs Termomekaaniset käsittelyt Mikroseostus Niukkaseosteiset teräkset Martensiitti, bainiitti, hiili Karkaisu, nuorrutus Karkenevuus, seostus, sammutusväliaine Päästö, päästöhauraus Hiilletysteräkset Työkaluteräkset, pikateräs Rauta ja teräs Jauhemetallurgia, atomisointi, kompaktointi, sintraus, tiheys Maraging Mangaaniteräkset Kromiseosteiset teräkset Syöpymistäkestävät Martensiittinen, ferrittiinen, austeniittinen, ferriittis-austeniittinen Valuseokset Korroosio Alumiini Bauksiitti, pelkistys Toimitustilat Liuoslujitus Erkaumakarkaisu, koherentti, epäkoherentti Valuseokset, raekoon hienonnus, modifiointi Kokillivalu, painevalu, pursotus, vetäminen, putket Alumiinin lujitus Liuoshehkutus, sammutus Titaani alfa, beeta, seosaineet Puhdastitaani Seosaineet Alfa, fully-alfa, near alfa, superalfa, lean-beta, alfabeta, near-beta, metastable-beta, beta Ti-6Al-4V, muokkauslämpötila, jäähtymisnopeus, vanhennus 37 38 Magnesium Pelkistys Tiheys Kiderakenne Reaktiivisuus, korroosio Painevalut Sinkki Tiheys Korroosio, kuumasinkitys Valuseokset Painevalu, kutistuminen Nikkeli Jalous, korroosio Sähkö ja magnetismi Koboltti Stelliitti, WC-Co Tulenkestävyys, kuumalujuus Hapettuminen Superseokset Arvometallit Ag, Au, PGM Matalalla sulavat Pb, Sn, In Amalgaami Juottaminen Kostutus, juoksute Pehmeät ja kovat 39 40 10