Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p. Kursinformation. De vanligaste korrosionstyperna. Föreläsning 14: Kärnbildning, tillväxt och omvandling

Transkript

1 Konstruktionsmaterial, 4H168, 4p Kursinformation Labkursen är klar och rapporterad, se Mina sidor Grattis till 1.5p avklarad kurs. Ej gk labtest?: kontakta Matilda Tehler, Ej gjort lab?: Anteckna dig på lab för kurs 4H163, i period 2. Kontrollskrivningen är rättad och resultatet anslås endast på Mina sidor. Kontrollskrivningen kan hämtas ut på Teknologexp. MSE. Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Simulering av kärnbildning, tillväxt och omvandling Föreläsning 14: Kärnbildning, tillväxt och omvandling Förstå material Välja material Utveckla material Kurslitteratur säljs på Teknologexp. MSE. Rum M125A. Må-Ti 12-14, On 11-13, To-Fr 1-12 (Rolf Beckman). Obs, endast kortbetalning, ej kontanter. Korrosionscell 4 De vanligaste korrosionstyperna Anodreaktion: M M e - 2. Katodreaktion: 2H + + 2e - H 2 3. Elektronledare (metallen) 4. Jonledare (vattenlösningen) Elektrodpotential En metall (M) omges av en vattenlösning innehållande joner av metallen (M n+ ). Ett utbyte sker mellan metallen och lösningen M M n+ +ne - varvid metallen antar en elektrodpotential Redoxpotential Mått på det korrosiva mediets oxiderande/reducerande förmåga. Hög redoxpotential: Mediet innehåller ämnen (tex Fe 3+ ), som tar emot elektroner från metallen så att metallens elektrodpotential höjs. Låg redoxpotential: Mediet innehåller ämnen (tex Fe 2+ ), som avger elektroner till metallen så att metallens elektrodpotential sänks. 1

2 Korrosionsskydd - Val av optimalt material - Val av rätt design - Ändring av miljön - Ändring av elektrodpotential -Beläggning med skyddande organisk eller oorganisk film Föreläsning 14: Repetion Kärnbildning + tillväxt = omvandling Föreläsningen handlar om... Repetition av de olika faktorer som påverkar omvandlingar i material. Kärnbildning av nya faser som partiklar eller korn. Tillväxt av kärnan genom diffusion av atomer. Användning av fasdiagram för att förstå vad som händer eller kan hända under en omvandling. TTT diagram och Awrami ekvationen. Lektion 1 14 Termodynamik Ett system bestående av två eller fler komponenter kan bestå av en, två eller flera faser vid jämvikt. De faser som är stabila vid jämvikt i ett system med given sammansättning och för given temperatur och tryck kan bestämmas genom att minimera fasernas Gibbs energi. Kärnbildning Alla omvandlingar kräver först en kärnbildning av det nya kristallen. Genom termiska fluktuationer bildas hela tiden kärnor men, Fas α Fas β En sfärisk kärna måste ha en radie större än den kritiska radien för att den skall fortsätta växa. nickel atom koppar atom Tillväxten av kärnan kräver sedan ofta diffusion. Homogen kärnbildning En kärna av en ny fas som är stabil sänker systemets energi proportionellt mot volymen (r 3 )av kärnan, men Systemets energi ökar proportionellt mot ytan (r 2 ) av kärnan eftersom det skapats en ny yta mellan kärnan och ursprungliga fasen. Detta ger en kritisk storlek på kärnan för att den skall fortsätta att växa spontant, om den är mindre försvinner den. Heterogen kärnbildning Homogen kärnbildning kräver så mycket energi att den förekommer ganska sällan. Heterogen kärnbildning betyder att kärnan bildas i anslutning till en befintlig yta. Då krävs mindre energi. 2

3 Stelning Stelning av Cu-5wt% Sn legering Vid stelning sker omvandlingen mellan en smält fas och en eller flera fasta faser. De fasta faserna måste kärnbildas. En smälta med 5 % Sn börjar stelna vid 145 o C. 11 Smältan börjar stelna vid en viss temperatur (likvidus) och har stelnat helt vid en lägre temperatur (solidus). I vissa fall kan temperaturintervallet vara flera 1 grader. Smältan sammansättning ändras under stelningen, den följer likviduslinjen. Även den fasta fasen kan ändra sin sammansättning längs soliduslinjen under stelnandet. Segring innebär att den fasta fasen inte är homogen, det först stelnade materialet har en annan sammansättning än det sist stelnade. Segring uppstår eftersom diffusionen i den fasta fasen går långsamt. Den fasta fasen som bildas innehåller mycket lite Sn. Vid fortsatt svalning ökar halten av Sn både i smältan (liquid) och i den fasta fasen (fcc), enligt likvidus- och soliduslinjerna samtidigt som mängden smälta minskar. Vid 875 o C stelnar den sista smältan solidus FCC Liquid likvidus Cu MASS_PERCENT SN Cu-Sn legeringen stelnar enfasigt Sammansättningsprofil i dendriterna Den mikrostruktur med dendriter vi sett i Cu-Sn legeringen har stelnat enfasigt. Dendritstrukturen syns genom att etsningen avslöjar en varierande halt av Sn (segring). En skiss av en dendrit i 3D Dendriter och eutektikum i Al-Si En legering av Al-Si som stelnar bildar primärt Al-dendriter om Si halten är mindre än 12 mol% Si. Den smälta som finns kvar när man når eutektiska temperaturen bildar en eutektisk struktur. I detta fall har man även viss utskiljning av Si i form av kantiga kristaller. Si bildar inte dendriter vid stelning 7 Al-Si eutektikum Al (fcc) dendriter FCC Liquid MOLE_PERCENT SI Si kristaller (urartat) 3

4 Fastfas omvandlingar Kärnbildningen sker i kornhörn eller korngränser eller vid inneslutningar Stor underkylning är möjlig, vissa omvandlingar kan helt utebli eftersom diffusionen går så långsamt. Omvandlingar som sker med stor underkylning (ΔT) ger finare struktur med många ytor (stor drivande kraft). Mycket ytor innebär hårdare material eftersom dislokationerna inte blir så rörliga. Interstitiellt lösta ämnen som kol kan diffundera snabbt även vid låga temperaturer. Diffusionen sker även snabbare i korn- och fasgränser. Omvandlingsgrad Omvandlingsgraden är tidsberoende. Avrami Ekv. y = 1 e kt n fraktion omvandling tid Omvandlingshastigheten beror av T. r = 1 t.5 = Ae Q/RT 5 1 y C 119 C 113 C 12 C 88 C Fixed T t.5 log (t) 43 C log (t) min r är ofta så liten att omvandlingen inte sker! aktiverings energi Exempel: Ex: recrystallization rekristallisation of Cu av Cu y (%) 1 Omvandlingar och underkylning Omvandlingsgrad Den eutektoida omvandlingen FCC -> BCC+CEMENTIT sker för austenit med.77 wt% C vid 727 o C. Om man håller materialet strax under 727 o C bildas perlit med grova lameller. Om man kyler kraftigt så att tillväxten sker vid lägre temperatur blir lamellerna tunnare. Varför? BCC 75 BCC+FCC FCC O BCC+CEMENTIT WEIGHT_PERCENT C FCC+CEMENTIT 727 o C Kärnbildningsgraden ökar med ökande underkylning (ΔT) Diffusionshastigheten minskar med sjunkande temperatur. Sammantaget får man en temperatur där omvandlingsgraden har ett maximum. Kärnbildning och tillväxt Omvandlingshastigheten beror både på kärnbildning och tillväxt av den nya kristallen. 1 % Perlit Growth regime 5 Nucleation Kärnbildningshastighet ökar med ΔT Tillväxthastighet ökar med T regime t 5 log (tid) Exempel: perlit γ koloni γ γ Åldring - kärnbildning och tillväxt i fast fas Före åldringen har materialet upplösningsbehandlats så att man löst in så mycket som möjligt av legeringsämnet i ett enfasigt material. Åldringen skall ske vid en temperatur där man får så riklig kärnbildning som möjligt men fortfarande rimligt korta omvandlingstider. Överåldring innebär att man fortsätter åldringen efter det att man fått maximal mängd utskild fas. De små partiklarna försvinner då och man får färre och större partiklar (Ostwald ripening), dvs mindre hårt material. T alldeles under T E T mer under T E Kärnbildning långsam Kärnbildning medel. Tillväxt snabb Tillväxt medel. T mycket under T E Kärnbildning snabb Tillväxt långsam Lektion

5 Utskiljningshärdning i Al-Cu Aluminium med upp till 5 w/o koppar kan utskiljningshärdas genom att små partiklar av Al 2 Cu bildas under åldringen. 1. Upplösningsbehandling så att legeringen blir enfasig. 2. Snabbkylning för att få en stor övermättnad av Cu i FCC (Al). 3. Åldring vid en låg temperatur för att få en fin utskiljning av Θ-fas. Partiklar av β i en grundmassa av α Tillväxten av β- partiklarna sker genom diffusion av B i α fasen. När övermättnaden av B försvunnit sker diffusionen från de små partilarna till de stora och antalet partiklar minskar (Ostwald ripening). Omvandlingar i stål De viktiga omvandlingarna i stål är fastfasomvandlingar. De är nära knutna till fasdiagrammet. Omvandlingarna kan ske vid låg temperatur eftersom kol är löst interstitiellt och kan diffundera snabbt. De flesta omvandlingarna utgår från att stålet först värmts till austenitområdet. Genom att kyla olika fort kan man få många olika mikrostrukturer som ger stålet varierande egenskaper. Stål, har max 2.12 wt% C och stelnar/omvandlas helt till FCC (austenit). Gjutjärn, har en kolhalt högre än 2.12 wt% C men maximalt ca 5 wt% C. Stelnar med en primär utskiljning av austenit följt av en eutektisk reaktion, L FCC+C eller L FCC+Cementit. Observera att det finns både en eutektisk och en eutektoid punkt i Fe-C fasdiagrammet. Fe-C fasdiagrammet (med cementit) Stål FCC (austenit) Eutektoid reaktion BCC+CEMENTIT LIQUID Gjutjärn FCC+CEMENTIT Eutektisk reaktion WEIGHT PERCENT C Eutektiska strukturer i Fe-C Vitt gjutjärn Grått gjutjärn Vitt gjutjärn, stelnar med faserna cementit, Fe 3 C, och austenit. Legeringstillsats av Cr och Ni. Vitt gjutjärn är hårt och sprött. Grått gjutjärn, stelnar med faserna grafit och austenit. Legeringstillsats av Si. Ympas vanligen för att säkert stelna grått. Grått gjutjärn är lätt att bearbeta, man vill därför vanligen att gjutjärn ska stelna grått. Eutektoida fasdiagrammet för stål FCC kallas austenit och BCC kallas ferrit. Ferrit löser mycket lite kol. Cementit är en järnkarbid (Fe 3 C) med hög kolhalt. Den eutektoida punkten är vid 727 o C och.77 wt% C. Linjen markerad Ms anger var austenit kan omvandlas till den metastabila fasen martensit A 3 BCC (ferrite) 7 (.2) A FCC (austenite) Ms (.77) A cm BCC+CEMENTIT FCC+CEMENTIT WEIGHT_PERCENT C 727 5

6 Eutektoida strukturen i Fe-C Den eutektoida strukturen i Fe-C kallas perlit och bildas när austenit med sammansättningen markerad med blå linje svalnar. Perlit är lamellär med omväxlande ferrit och cementit. Den liknar ett lamellärt eutektikum bildat vid stelning men perlit bildas genom fastfasomvandling. Vid snabb kylning fås martensit. Morfologi för eutektoida strukturen (Perlit) T omv alldeles under TE - Högre T: diffusionen snabb - Grövre perlitstruktur. 1μm T omv långt under TE - Lägre T: diffusion är långsam - Finare perlitstruktur Grova lameller av α+fe 3 C Fina lameller av α+fe 3 C Grov perlit bildad vid så hög temperatur att man kan urskilja lamellerna. Fin perlit bildad vid låg temperatur. Lamellerna går inte att urskilja. - Mindre ΔT Kolonierna är större, lamellerna glesare - Större ΔT: Kolonierna är mindre, lamellerna tätare Isoterma omvandlingsdiagram - TTT Under-eutektoida strukturer i Fe-C För eutektoidiskt Fe-C vid 675 o C (.77 wt% C) y, % Omvandlad 1 T=675 C tid (s) Stål med lägre kolhalt än.77 wt% kallas undereutektoida. Om de svalnar långsamt från austeniten bildas först proeutektoid ferrit i austenitkorgränserna. Austenitens kolhalt ökar då och under 727 o C bildas perlit. Vid mycket snabb kylning kan man få martensit. Genom att förena de punkter som motsvarar 1%, 5% och 99% omvandling vid olika temperaturer får man isoterma omvandlingslinjer och deras beroende av tiden i ett diagram. T( C) Austenit (stabil) T 7 E (727 C) Austenit (omvandlingsbar) Isoterm omvandling vid 675 C 6 Perlit % 5% 1%perlit tid (s) Lite pro-eutektoid ferrit och grov perlit. Mycket pro-eutektoid ferrit och grov perlit. Under-eutektoida strukturer i Fe-C Den pro-eutektoida ferriten bildas oftast i korngränserna av den ursprungliga austeniten. Den kallas följaktligen korngränsferrit. Över-eutektoida strukturer i Fe-C Övereutektoida stål har kolhalter mellan.77 och 2 wt%. Dessa stål austenitiseras oftast strax över eutektoida temperaturen eftersom man för att få enfasig austenit måste gå så högt i temperatur att man får grova austenitkorn genom korntillväxt. Cementiten bildar då små sfäriska partiklar. Austeniten omvandlas till perlit vid långsam svalning, vid snabb svalning får man martensit. Mikrostrukturen i bilden till höger innehåller korngränsferrit, widmanstättenferrit, perlit (de mörka områdena) och martensit (de ljusbruna områdena) Cementiten finns som små ljusa partiklar i bilden till vänster, till höger ligger den i austenitkorngränserna. Resten av strukturen är martensit 6

7 Mekaniska egenskaper av Fe-C (1) Effekten av kol Perlit (med) ferrit (mjuk) σ B (MPa) 11 Σ.2 (MPa) Co<.77wt%C C o >.77wt%C Undereutektoid Över -eutektoid Under Över Under Över %EL 8 1 Hårdhet.5 1 wt%c wt%c Högre kolhalt medför att σ B och σ.2 ökar och att %EL minskar Perlit (med) Cementit (hård) 4 Impact energy (Izod, ft-lb) Härdning av stål (martensit) Ett av de hårdaste materialen som går att tillverka är martensithärdat stål. Det fås genom snabbkylning från austenitområdet så att man undviker perlitomvandling. Detta gäller för alla kolhalter. Martensiten bildas diffusionslöst och har alltså samma kolhalt som austeniten. Ett martensitkorn växer med ljudets hastighet ( ca 3 m/s) som en skjuvvåg genom ett austenitkorn. I bilden till höger syns många martensitkorn som linsformade mörkare områden. I de stora martensitkornen kan man se sprickor. Volymändringen vid martensitbildning kan orsaka brott i materialet eftersom det är mycket hårt och sprött. Härdat stål (martensit) Efter snabbkylningen behöver man oftast anlöpa martensiten för att få viss duktilitet. Annars kan en liten spetsig spricka lätt orsaka brott. Mekaniska egenskaper av Fe-C (2) Fin perlit jämfört med martensit: under över Brinell hårdhet martensit fin perlit Hårdhet: fin perlit << martensit. Denna bild visar hur martensiten vuxit som en skjuvvåg som studsat i ett zigzag mönster inom ett austenitkorn. Denna bild visar austenit som helt omvandlats till martensit. Eftersom austenitkornen varit stora har det blivit sprickor i korngänserna av volymändringen..5 1 wt%c Lösningshärdning av kol i martensit ger hårdare material än strukturhärdning av cementit i perlit. Anlöpt (tempered) martensit Anlöpning (värmebehandling vid förhöjd temperatur) Reducerar martensitens sprödhet Reducerar inre spänningar orsakade av snabbkylningen. σ B (MPa) 18 Σ.2 (MPa) σ y σ B %AR 5 %AR Anlöpnings T ( C) Vid anlöpningen fås mycket små Fe 3 C partiklar omgivna av α. Minskar σ B, σ.2 men ökar %AR (area reduction) Anlöpt martensit är en form av utskiljningshärdning 9 μm Mjukglödgat stål För att forma stål behöver man ha det mjukt. Ferrit är en mjuk fas eftersom den nästan inte löser något kol. Genom att värma stålet strax under den eutektoida temperaturen, 727 o C, kan man få cementiten att bilda stora partiklar som inte hindrar dislokationernas rörelse. I bilden syns sfärodiserade partiklar av cementit i en grundmassa av ferritkorn BCC (ferrite) 7 (.2) FCC (austenite) Ms (.77) BCC+CEMENTIT 727 FCC+CEMENTIT WEIGHT_PERCENT C 7

8 Mekaniska egenskaper, Fe-C (3) Fin respektive grov perlit och sfäroidiserad cementit (mjukglödgat) Brinell hårdhet under över 9 under över fin perlit.5 1 wt%c grov perlit mjukglödgat Duktilitet (%AR) Hårdhet : fin > grov > mjukglögat Duktilitet : fin < grov < mjukglödgat 6 mjukglödgat 3 grov perlit fin perlit.5 1 wt%c Korn, korntillväxt, deformation och rekristallisation Kristallina material består av många korn, de är polykristallina (utom i några få men viktiga tillämpningar). I varje korn ligger atomerna i ett välordnat gitter. Kornen bildas vid stelningen eller efter deformation och rekristallisation av materialet. Små korn ger både högre duktilitet och högre sträckgräns (hårdare och segare material). Fin perlit har mer ytor än grov perlit, därför är den hårdare Kall-, varmbearbetning Hårdhet och duktilitet beror av kallbearbetning och rekristallisation Kallbearbetning innebär att deformationen sker vid en så låg temperatur att materialet inte rekristalliserar utan deformationshårdnar. Varmbearbetning innebär att deformationen sker vid en temperatur där materialet kan rekristallisera direkt efter deformationen (dynamisk rekristallisation). Kallbearbetning och deformationshårdnande I det deformationshårdnande materialet hindrar dislokationerna varandras rörelser. Sträckgränsen, σ.2, (yield strength ) höjs. Brottgränsen, σ.2, (tensile strength) ökar. Duktiliteten, %E, (ductility) minskar. Deformationen innebär att energi lagras in i materialet Bearbetningen ökar dislokationstätheten från 1 12 till 1 16 m -2 (m/m 3 ). Varje dislokation har en energi som motsvarar dess Burgers vektor i kvadrat, E = b 2. När materialet värms upp kan denna energi vara tillräckligt stor för att få materialet att rekristallisera. Rekristallisation innebär att nya korn med normal dislokationstäthet bildas. 8

9 Varmvalsning Korn före, under och efter valsning Ritad figur! Kärnbildning av nya korn i deformerat material Kornstorlek efter rekristallisation Kärnbildningen av nya korn sker vid korngränser där deformationen varit mycket stor. I det deformerade materialet kan dislokationstätheten vara upp till 1 16 m -2. De nya kornen har normal halt dislokationer, 1 12 m -2. Minskningen av dislokationstätheten driver tillväxten av de nya kornen. Ju större deformation ju fler nya korn kärnbildas! Stor deformationsgrad ger stor drivande kraft för omvandling och många nya korn och därför en liten kornstorlek vid tillväxt. Liten deformation ger liten drivande kraft för omvandling och få nya korn och därför stora korn vid tillväxt. Kornstorlek Kritisk deformation Procent kallbearbetning Kornstorleken efter kallpressning av balja och rekristallisation Tillväxt av nya korn Typisk tentamensfråga: Varför varierar kornstorleken på detta sätt och hur påverkar det egenskaperna. Kan man förändra något som gör att egenskaperna blir bättre? 4 sek, 58 C Kärnbildning av nya korn sker där deformationsgraden har varit störst eller där defekter i materialet underlättar kärnbildning. 8 sek, 58 C Fullständigt rekristalliserat material (orginalmaterial 33% kallbearbetad mässing värmebehandlad vid 58 C. 9

10 Rekristallisationstemperaturer Korntillväxt Den drivande kraften är minskning av ytor i materialet. Mindre korngränsyta medför lägre energi i materialet. Korngränser är defekter i materialet och vid höga temperaturer försvinner de spontant (korntillväxt). Korngränserna kan stoppas upp av små partiklar i materialet. För att förhindra korntillväxt tillsätts därför ofta partiklar. Korntillväxt Korntillväxt Vid hög temperatur växer kornstorleken..6 mm.6 mm Efter 8 s, 58 C Efter 15 min, 58 C Efter 1 min, 7 C Fullhållande mellan temperatur, tid och kornstorlek i ett material. Sammanfattning För metaller ökar styrkan (sträckgräns, brottgräns) genom att dislokationsrörelsen hindras. Speciella sätt att öka styrkan är att: --minska kornstorleken --lösningshärdning --utskiljningshärdning (partikelhärdning) --deformationshärdning (kallbearbetning) Läsanvisningar Kapitel 8 Sidor: , , , Typtal: 8D.4, 8D.6 Kapitel 1 Sidor: , Uppvärmning (glödgning) kan reducera dislokationstätheten och förändra (öka) kornstorleken. 1