Härdningsmekanismer OBS: Läs igenom handledningen för laborationen.

Transkript

1 Härdningsmekanismer OBS: Läs igenom handledningen för laborationen. Postadress Box 118 Besöksadress Ole Römers väg 1 växel Telefax Internet

2 ALLMÄNT Läs igenom labhandledningen samt tillhörande avsnitt i boken (se nedan) noga innan laborationen, svara dessutom på förberedelseuppgifterna på nästa sida. I början av laborationen skall en dugga skrivas och för att få deltaga i laborationen måste sju av tio frågor besvaras korrekt på denna. SYFTE Syftet med laborationen är att skapa förståelse för hur olika härdningsmekanismer fungerar och hur de påverkar de mekaniska egenskaperna hos olika material. Att öka en metalls hårdhet innebär att man ger den ett ökat motstånd mot plastisk deformation. Motståndet mot den plastiska deformationen är beroende av hur lätt dislokationer kan röra sig i strukturen. Med begreppet härdning menas dels den värmebehandllingsprocess som används för att reglera ett materials hårdhet, dels det fenomen att ett material blir hårdare med olika härdningsmekanismer (en härdningsmekanism är ett sätt att hindra dislokationernas möjlighet till rörelse). I denna laboration kommer fyra härdningsmekanismer att studeras. BERÄKNAD TIDSÅTGÅNG Då härdning av metaller är en viktig del av kursen lyser detta igenom på laborationens omfattning. Själva laborationen är schemalagd till 4 h men kan i de flesta fall klaras av på h. Förberedelserna beräknas ta mellan 2 och 4 h. Beroende på om avsnitten förelästs eller ej kan naturligtvis förberedelsetiden variera. FÖRBEREDELSEUPPGIFTER Innan laborationstillfället ska följande text vara genomläst samt exempelduggan vara besvarad. Följande avsnitt i Fundamentals of Materials Science and Engineering 4th edition, SI version. av William D. Callister, Jr. & David G. Rethwisch. Hela kapitel , 9.4, , 11.6, Laborationen kommer att börja med en dugga. För att få deltaga på laborationen krävs ett godkänt resultat på duggan. 2

3 Förberedelseuppgifter 1. Räkna upp fyra härdningsmekanismer och redogör kort för vad de går ut på. 2. (a) Vad är Martensit? Hur uppkommer det? Skissa teoretisk mikrostruktur. (b) Vad är Perlit? Hur uppkommer det? Skissa teoretisk mikrostruktur. (c) Vad är Bainit? Hur uppkommer det? Skissa teoretisk mikrostruktur. fall. (d) Hur påverkar kärnbildningsförmåga och diffussionshastighet mikrostrukturen i ovanstående 3. Vad är anlöpning av Martensit? Vad sker då detta utförs? Skissa teoretisk mikrostruktur. 4. Vad är GP-zoner och hur påverkar dessa aluminiums egenskaper? 5. En dislokation kan ta sig förbi ett hinder på två sätt. Vilka? 6. Rita, i - -diagrammet här bredvid, kurvan för ett (a) segt material, (b) hårt material, (c) sprött material. 7. Då materialet testas i slagprovmaskinen sker ett snabbt brott. Kan man genom att titta på brottytorna avgöra om det skett ett sprött brott eller ett duktilt (segt) brott? 3

4 KORTFATTAD TEORI Hårdhet Hårdhet kan definieras på mer än ett sätt. Det kan betraktas som förmågan att motstå avnötning eller som ett mått på ett materials förmåga att motstå lokaliserad plastisk deformation. De olika typerna av hårdhetstest är baserade på dessa två egenskaper. Tester som innefattar lokaliserad plastisk deformation kan naturligtvis enbart användas på material som kan deformeras plastiskt, dvs i första hand metaller och termoplaster. Dessa tester brukar sammanfattas som indenteringstester. Även om dessa tester inte mäter motståndet mot avnötning, brukar ett material med stort motstånd mot plastisk deformation också ha ett stort motstånd mot avnötning och slitage. Att undersöka hårdheten är en mycket bra metod för att fastställa resultatet av en värmebehandling därför att: det är en enkel test, man förstör inte materialet alltför mycket, man kan bestämma andra mekaniska egenskaper. Ett materials hårdhet är approximativt proportionell mot dess sträckgräns. En bra metod att mäta hårdhet är Rockwell. Man mäter djupet av ett avtryck gjort av en stålsfär eller en diamentkon. Totalt finns det 15 stycken olika huvudtyper av Rockwell tester. Hårdheten avläses direkt på maskinen. Två exempel är Rockwell B, H RB, som används framför allt på mjuka stål och icke värmebehandlade stål med medelhög kolhalt samt Rockwell L, H RL, som används på mjuka termoplaster. För Rockwell B har sfären en diameter på 1/16 tum och tyngden som läggs på skall vara 100 kg. För Rockwell L skall sfären ha en diameter på 1/4 tum och tyngden skall vara 60 kg. I den här laborationen kommer vi att mäta Rockwell B hårdhet, H RB. Seghet Om ett material är mycket segt innebär det att det går åt en stor energi för att få brott. I den här laborationen ska vi mäta segheten med hjälp av ett Charpytest i en slagprovmaskin. Ett Charpytest fungerar som så att en pendelhejare får svinga ner från ett övre vändläge och träffa en provstav. Denna brister och pendeln fortsätter upp på andra sidan. Skillnaden i potentiell energi, som pendeln har i sina vändlägen före och efter träffen med provstaven, är den energi som åtgick för att åstadkomma brottet. Ju större skillnad i potentiell energi, desto större seghet hos materialet. På många ställen är det av intresse att veta om materialet uppför sig segt eller sprött. Ett vanligt exempel är tryck-tankar som designas efter en princip som kallas leak-before-break. Det betyder att de skall börja läcka innan de brister fullständigt. För att det skall vara möjligt, måste materialet bete sig segt. Segheten i ett material beror bland annat på temperaturen. En höjning av temperaturen gör dislokationerna mer rörliga och medför därför en sänkning av flytspänningen. FCC metaller är duktila (sega) i princip i hela sitt användningsområde medan BCC och HCP metaller genomgår en förändring från spröda till sega vid temperatur ökningar. Exempel på detta är mjuka stål med anvisning som vid -5 C kan ha ett Charpy värde på 150 kj/m 2 och vid +15 C ett Charpy värde på 1600 kj/m 2. Charpytesten används bland annat för att avgöra om värmebehandlingen varit tillfredsställande. Som exempel kan nämnas ett stål med 0.3% C, 3.2% Ni samt 1.0%Cr. Om det är härdat, anlöpt och kylt snabbt är flytspänningen ca 855 MPa och Charpy värdet 1050 kj/m 2. Om samma stål i stället kyls långsamt blir flytspänningen 836 MPa och Charpy värdet 120 kj/m 2. 4

5 LABORATIONENS UTFÖRANDE A. Stål Målsättning Målet med denna del av laborationen är att förstå hur olika värmebehandlingar kan påverka hårdhet och mikrostruktur. Som ett komplement kommer även brottytornas utseende att studeras för att förstå hur sprickorna löper i sega respektive spröda material. Material Stålet (SS 2140), som är ett oljehärdande mangan-, krom-, och volframlegerat verktygsstål av universaltyp, är mjukglödgat i leveranstillståndet, vilket innebär att kornen är sfäriodiserade. Då materialet är varmvalsat behöver det inte normaliseras, vilket annars kan vara fallet då man vill minska kornstorleken. Materialets sammansättning i vikt% är: Min Max C Si Mn P S Cr W V Fe 0,85 0,20 1, ,40 0,40 0,05 Rest. 1,00 0,40 1,30 0,030 0,020 0,60 0,60 0,15 Genomförande Materialet ska studeras efter tre olika värmebehandlingar: mjukglödgat (leveranstillstånd), austenitiserat samt austenitiserat och anlöps 1. Värmebehandling : A Normalisering: Färdiga provbitar (leveranstillstånd) B Austenitisering + släckning : Austenitisera stålet vid 850 C i 15 min och snabbkyl därefter i olja. C Anlöpning : Austenitisera stålet vid 850 C i 15 min och snabbkyl därefter i olja. Anlöp därefter provbiten i 550 C i 40 min. 2. Hårdhetsmätning : Mät hårdheten H RB tre gånger för det mjukglödgade provet, räkna fram medelvärdet och fyll i det i tabellen. Övriga prover är för hårda för att mätas med H RB - metoden och har därför sedan tidigare mätts som H RC. Som jämförelse kan noteras att 100 H RB motsvarar ungefär 20 H RC. 3. Slagseghetsmätning: Mät slagsegheten för alla provbitar i slagprovmaskinen och för in de erhållna värdena i tabellen. 4. Brottytor : Jämför brottytorna för det mjukglödgade och austenitiserade proven. Efter mjukglödgning Hårdhet (H RB,H RC ) Seghet (kpcm) Teoretisk mikrostruktur Efter austenitisering 74 H RC Efter anlöpning 63 H RC 5

6 Frågor 1. Vad händer med segheten då hårdheten ökar? 2. Skissa den teoretiska mikrostrukturen i tabellen, definiera strukturbeståndsdelarna. 3. Varför blev de härdade provbitarna svarta efter att har varit i ugnen? 6

7 Aluminium Målsättning Målsättningen med denna del av laborationen är genomföra en fullständig värmebehandling av ett kommersiellt aluminium samt att mäta hårdhet och seghet efter olika värmebehandlingar. Efter laborationen skall du ha en förståelse för utskiljningshärdning och GP zonernas betydelse i alumnium. Material Den aluminiumlegering som ska användas är SS4338. Denna är varmåldrad (170 C, 8h) i sitt leveranstillstånd och är alltså färdig att användas i konstruktioner. Vi ska nu studera vad som händer med materialet om det utsätts för olika typer av värmepåverkan. Legeringens sammansättning ( i wt-% ) är följande: Cu Mn Si Mg Al rest Upplösningsbehandling : Varmåldring 170 C : Varmåldring 300 C : Värm upp provet i en ugn tills provet är genomvärmt (ca. 15 min.). Rekommenderad temperatur enligt tillverkaren är 505±5 C. Snabbkyl biten i vatten. Färdiga provbitar (leveranstillstånd) Varmåldra biten vid 300 C i 3 respektive 6 minuter.obs: före åldringen måste materialet upplösningsbehandlas. Snabbkyl i vatten Genomförande 1. Värmebehandling Upplösningsbehandla aluminiumproverna och varmåldra dem vid två olika temperaturer (varav 170 C- åldringen redan är gjord). 2. Hårdhetsmätning Mät hårdheten, H RB, tre gånger och räkna fram medelvärdet. 3. Slagseghetsmätning Mät slagsegheten i Charpy-hejaren. För in resultatet från hårdhetsmätningen och slagseghetsprovet i tabellen nedan. Upplösningsbehandlat Hårdhet (H RB ) Seghet (kpcm) Teoretisk mikrostruktur Varmåldring 170 C, 8h (leverastillstånd) Varmåldring 300 C, 3 min. Varmåldring 300 C, 6 min. 7

8 Frågor 1. Vad händer med segheten då hårdheten ökar? 2. Hur har mikrostrukturen förändrats efter upplösningsbehandlingen? 3. Vad har hänt efter varmåldringen? 4. Jämför hårdheten efter upplösningsbehandlingen med hårdheten och segheten efter varmåldring. Förklara orsaken till skillnaden. 5. Rita i nedanstående diagram in materialets hårdhet som funktion av anlöpningstiden för proverna som åldrades vid 300 C. Hårdhet (H RB Tid (min) 8

9 C. Koppar - Mässing Målsättning Studera hur man kan öka hårdheten i koppar med hjälp av kallbearbetning och lösningshärdning. Material Koppar Mässing som är blandning mellan zink och koppar. Genomförande 1. Mät hårdheten hos koppar och mässing, gör tre mätningar på vardera provbit och fyll i medelvärdena i tabellen nederst på nästa sida. 2. Valsa mässingsbiten två antal gånger. Mät hårdheten tre gånger och skriv in värdena i tabellen. Frågor 1. Varför ökar hårdheten för koppar då det legeras med zink? 2. Vad har hänt då mässingbiten har utsatts för kalldeformering? Hårdhet (H RB ) Koppar Mässing (CuZn) Mässing efter valsning 3. Visa i ett - -diagram vad som händer med sträckgränsen, brottgränsen och brottöjningen vid deformationshårdnandet. 9