Material föreläsning 8. HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

Transkript

1 Material föreläsning 8 HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

2 Tisdag 13:e December 10:15 12:00 PPU105 Material Förmiddagens agenda Mikrostrukturen i material, fasdiagram ch GLU 2 Paus Processning av metaller ch

3 Mikrostrukturen i material kapitel 19

4 Processerna ändrar egenskaperna Egenskaper som styrka och resistivitet beror på mikrostrukturen och mikrostrukturen beror på processerna Sammansättning + Processer -> Mikrostruktur + Egenskaper Det blir inte sockerkaka bara för att man har rätt ingredienser Det behövs en sockerbagare också!

5 Processhistoria Figuren visar processhistorien för en cykelram av aluminium Materialprocesser sker ofta i flera steg Varje steg har en karakteristisk termisk historia Konstruktörer ska se upp med oönskade effekter i svetsningsfasen Design fokuserar på egenskaperna hos den färdiga produkten men vissa egenskaper är också kritiska under själva processen Figure 19.1

6 Mikrostruktur - Översikt Metaller Glas och Keramer Figure 19.2 Figure 19.3

7 Polymerer och Elastomerer Målet med formningsprocesser är att få rätt form med rätt egenskaper Formen uppnås genom att kontrollera visköst flöde eller plasticitet Egenskaperna uppnås genom att kontrollera mikrostrukturens omvandling Figure 19.4

8 Fasdiagram och transformationer GLU 2

9 Fasdiagram - Terminologi Metallegering Blandning av en metall med andra metaller eller icke-metaller Komponenter De kemiska element som ingår i en legering Binär legering Legering som består av två komponenter Koncentration Definierar andel av en komponent i vikt % eller atom %

10 Fas All delar av en legering med samma atomstruktur är del av samma fas I en binär legering har den fasta mikrostrukturen tre olika former En enda fas Två separata faser En kemisk förening med en separat fas Fast lösning En fas där olika atomer är lösta i varann så att de är jämnt fördelad på en atomär skala

11 Tillstånd för en legering Faser, en eller flera Viktsandelar av varje fas Sammansättning av varje fas Termodynamisk jämvikt Tillståndet är stabilt och vill inte ändras Jämviktstillstånd Tillstånd med lägsta fria energin, Gibbs fria energi, för en given sammansättning, temperatur och tryck

12 Enkla Fasdiagram Figure GL2.1 Fasdiagram Diagram med temperatur och sammansättning som axlar som visar jämviktstillståndet Likviduslinje Fasgräns som begränsar vätskefasen nedåt Soliduslinje Fasgräns som begränsar den enfasiga fasta fasen uppåt

13 Isomorfa fasdiagram Enklaste exemplet där den fasta fasen är en fast lösning för alla sammansättningar Det här är dock ovanligt då de flesta legeringar har en gräns för hur mycket ett material kan lösas i det andra Figure GL2.2

14 Figure GL2.3 Löslighetsgräns En sammansättning då ett element inte längre kan lösas i ett annat vid en given temperatur Figuren visar ett fasdiagram för vatten och socker Vid en given punkt kan inte mer socker lösas i vattnet Vid en motsvarande punkt kan sockret inte absorbera mer vatten Det här är mättade lösningar och är typiskt för blandning av två faser Löslighetsgränsen för båda faserna ökar med temperaturen

15 Figure GL2.4 GL2.4 är en del av ett fasdiagram för höga och låga temperaturer GL2.5 är det kompletta fasdiagrammet med den eutektiska punkten Figure GL2.5 Eutektisk punkt Lägsta temperatur för vätskefasen

16 Figure GL2.6 Tillståndspunkt Kombination av temperatur och sammansättning som definierar systemets tillstånd Konod (Tie line) Horizontell linje genom tillståndspunkten som slutar vid fasgränserna

17 Figure GL2.6 Enkelfas region Fas och legeringssammansättning sammanfaller Tvåfas region Fassammansättningarna är de på faslinjen vid vardera änden av konoden

18 Järn kol fasdiagram Diagrammet visar upptill 6.7 vikt % kol Det täcker alla gjutjärn och stål Lösligheten för kol beror mycket på temperaturen då järn byter från BCC till FCC vid höga temperaturer De interstillära hålen som löst kol upptar är mycket mindre i BCC än i FCC vilket gör att mindre mängd kol kan lösas Figure GL2.13

19 Eutektoid punkt Lägsta gräns för ett en-fas område mellan två fallande fasgränser som möts i ett V Peritektisk punkt Inverterat V som avslutar ett enfas område; max temperatur för denna fas Figure GL2.14 En-faser i Järn Ferrit: a-järn (BCC) med upp till 0,035 vikt % kol Austenit: g-järn (FCC) med upp till 2,1 vikt % kol d-järn: (BCC) med upp till 0,08 vikt % kol Cementit: Fe 3 C, en kemisk förening med 6,7 vikt % kol

20 Dags för en paus? 20

21 Fastransformationer och Mikrostrukturens utveckling När temperaturen varierar i en process så ändras jämviktstillståndet och material ändras mot det genom fastransformationer Fastransformationerna avgör vilka faser som är närvarande och hur de är fördelade: Den slutliga mikrostrukturen

22 Stelning av järn vid jämvikt Figure GL2.23 Om rent järn kyls sakta från ovan kokpunkten så uppvisar temperaturkurvan två tydliga platåer samt två mindre Vid varje platå sker en fastransformation vid konstant temperatur

23 Stelning av legering Figure GL2.24 Legeringar stelnar över ett temperaturintervall mellan likvidus och soliduslinjen. Fastransformeringarna sker inte vid konstant temperatur

24 Stelning av rena metaller Fasta kärnor bildas homogent och heterogent Kärnorna bildar små korn som växer av att atomer transformeras på kornytan Kornen växer tills all vätska transformerats Figure GL2.25

25 Figure GL2.26 Optiska bilder visar kornstrukturen för två metaller Vissa tekniker kan skapa olika färger för olika korn men det kan vara samma fas där bara kornens orientering skiljer Rent järn och rent aluminium visas och båda är en-fasiga

26 Fasreaktioner När en fassammansättning ändras med temperaturen så sker en fasreaktion I ett en-fas område så är sammansättningen av fasen alltid densamma som hela legeringen och ingen fasreaktion sker vid kylning I ett två-fas område så är fassammansättningarna givna av de två fasgränserna Sammansättningen ändras med temperaturen och fasreaktioner sker

27 Stelning av legering 1) Över 305 C: En-fas vätska; ingen fasreaktion 2) 305 C 270 C: Vi har nått likviduslinjen och stelning av blyrik fas börjar. Kvarvarande vätska får högre tenn-halt och vätskan följer likviduslinjen medan den fasta fasen följer soliduslinjen. Fasreaktioner sker då tenn diffunderar in i den fasta fasen 3) 270 C 150 C: En-fas blyrik fas med samma sammansättning som legeringen; ingen fasreaktion Figure GL2.27 4) 150 C rumstemperatur: Den blyrika fasen blir instabil när fasgränsen nås. En tenn-rik fas utskiljs ur den blyrika fasen och vi får två fasta faser med olika sammansättning Figure GL2.28

28 Eutektisk Stelning En eutektisk reaktion är en tre-fas reaktion där en vätska kyls och bildar två fasta faser vid konstant temperatur: Vätska, L -> Fast fas α + Fast fas β Proportionerna mellan faserna avgörs av positionen av den eutektiska punkten längs konoden. Om punkten ligger nära ena sidan bildas en matris av den fasen med den andra fasen som små isolerade partiklar Vanligen tillväxer de två faserna parallellt och bildar tunna skivor Figure GL2.29 Figure GL2.30

29 Gjutlegeringar är ofta icke-eutektiska Det gäller bl.a. för stelningen av Pb-30 vikt % Sn Ovanför den eutektiska punkten stelnar en bly-rik fas medan vätskan följer likviduslinjen mot den eutektiska punkten, där kvarvarande vätska undergår en eutektisk reaktion Två typer av mikrostruktur formas Den bly-rika fasen blir instabil och tenn-rik fast fas utskiljs som små korn i den blyrika fasen Den eutektiska fasen formas precis som vid eutektisk stelning Figure GL2.31

30 Segring Figure GL2.32 När stelning startar, antingen spontant eller vid en vägg, så kommer den första kärnan vara renare än legeringen (vätskan vid likvidus, fast fas vid solidus) När stelningen är fullbordad så varierar sammansättningen i kornen Denna variation kallas för segring

31 Utskiljningsreaktion Om en fast fas vid nedkylning möter solvuslinjen så innebär det att den blivit övermättad och en ny fas utskiljs Utskiljning sker mest i korngränserna där lösningen har högst koncentration Denna fastransformation kallas utskiljning: α -> α + β Figure GL2.34

32 Fastransformationer i kolstål Rent järn börjar som austenit, FCC γ-järn vid 1000 C Vid 910 C startar en fastransformation till BCC α-järn Transformationen startar vid korngränserna, a-kornen växer genom att atomer diffunderar över korngränsen. Då flera a-korn växer i samma g-korn fås en mindre kornstorlek i den nya mikrostrukturen. Figure GL2.35 Figure GL2.36

33 Eutektoid stelning av stål; 0,8 vikt % kol Austeniten övergår i två nya fasta faser, ferrit och cementit De två faser växer parallellt vid konstant temperatur: Solid γ -> Solid α + Solid β Figure GL2.37 Det bildas tunna plattor av ferrit och cementit, känd som perlit Perlit är en två-fasig mikrostruktur inte en fas

34 Fastransformationer i Hypo-eutektiska stål De flesta stålsorterna är hypo-eutektiska stål och innehåller mindre än 0.8 vikt % C Austenit och ferrit Ferrit och perlit Figure GL2.38

35 Foto av Ferrit-Perlit Mikrostruktur i ett Hypo-Eutektiskt kolstål Figure GL2.39

36 Figure GL2.40

37 Fasta fastransformationer utan jämvikt Snabb kylning kan förhindra fastransformationer I figuren ser det ut som utskiljning kommer att ske vid kylning, med start vid 300 C, om Mg-halten är 8 % Utskiljningen tar dock tid och om vi kyler tillräckligt snabbt hinner inte denna transformation starta Figure GL2.41

38 Från Al-Cu fasdiagrammet ser det ut som utskiljning till jämviktsfasen skulle ske vid 480 C Istället övergår den instabila a-fasen till en metastabil tredje fas Åldringskurvorna visar hur sträckgränsen påverkas vid åldring Figure GL2.42

39 Figure GL2.44 Fastransformationer kräver oftast diffusion för att atomerna ska kunna omgruppera sig till nya faser För martensitisk mikrostruktur som skapas vid släckning av stål sker ingen diffusion Istället skjuvas små austenitområden och formar BCC-kärnor och denna process propagerar snabbt genom hela kornen

40 Den martensitiska mikrostrukturen är mycket stark men har mycket låg seghet Genom anlöpning kan man återskapa en del av segheten I figuren visas hur sträckgränsen sänks vid anlöpning Figure GL2.45

41 Hastigheten för Fastransformationer Hastigheten beror både på drivkraften och diffusionshastigheten Båda beror på temperaturen men på olika sätt Figure 19.9

42 Tid Temperatur Transformation TTT-Diagram Figure TTT diagram används för att studera diffusionskontrollerad fastransformation C-kurvorna visar hur långt transformationen kommit TTT kurvor antar att temperaturen sänks hastigt ned till transformationstemperaturen

43 Continuous-Cooling Transformation Kontinuerlig kylningstransformation CCT-Diagram TTT diagram Snabb kylning CCT diagram Kontinuerlig kylning Figure Kontinuerlig kylning är mer praktiskt än snabb kylning Vid kontinuerlig kylning finns det en kritisk kylningshastighet som precis undviker att transformationen startar