Kursinformation. Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p. Repetion: Kärnbildning och tillväxt. Repetion: Eutektoida fasdiagrammet för stål

Transkript

1 Materiallära för Maskinteknik, 4H163, 4p Kursinformation Labkurs. Labgrupp 5 är företrädesvis för teknologer på inriktningen IPI (I3). Även teknologer från M2M kan välja denna grupp men då blir det schemakrockar vilket även gäller teknologer på inriktningen IPI (I3) som väljer andra labgrupper. Obs, Lab2, börjar idag, Tis 7/11, kl 11-14, för Labgrupp 1(r+b). Labgrupp 3 och 5 har bytt tid för Lab3, från kl 8-11, till kl 16-19, Tor 16/11 (schemat på hemsidan gäller). Labpek 6, dvs laborationsanvisningar till Lab 1-4, säljs vid Lab1. Kostnad: 5:-, endast kontanter. Glöm ej pengar! Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Inverkan av kallbearbetning Föreläsning 7: Härdningsmekanismer Förstå material Välja material Utveckla material Kurslitteratur, W.D. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 2nd Ed, John Wiley and Sons, Inc. (5), får ni köpa via en vanlig eller en internet-bokhandel. Både bok och medföljande CD-ROM, ca pris: 45 kr. Schema med angivande av föreläsningsinnehåll och pdf-filer av föreläsningar finns på kursens hemsida: Obs: Hemsidan är inte statisk utan uppdateras kontinuerligt. Repetion: Kärnbildning och tillväxt Omvandlingshastigheten beror även av kärnbildning och tillväxt av den nya kristallen. 1 % Perlit Exempel: 5 Nucleation regime Growth regime t 5 log (tid) T alldeles under T E T mer under T E Kärnbildning långsam Kärnbildning medel. Tillväxt snabb Tillväxt medel. Kärnbildningshastigheten ökar med ΔT Tillväxthastigheten ökar med T perlit γ koloni γ γ T mycket under T E Kärnbildning snabb Tillväxt långsam Repetion: Eutektoida fasdiagrammet för stål Den relevanta delen av fasdiagrammet för stål. FCC kallas austenit och BCC kallas ferrit. Ferrit löser mycket lite kol. 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 TEMPERATURE_CELSIUS A 3 BCC (ferrite) 7 (.2) A 1 FCC (austenite) Ms (.77) A cm BCC+CEMENTIT FCC+CEMENTIT WEIGHT_PERCENT C Repetion: 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. Repetion: Undereutektoida strukturer i Fe-C Stål med lägre kolhalt än.77 wt% kallas undereutektoida. Om de svalnar långsamt från austeniten bildas först pro-eutektoid ferrit i austenitkorgränserna. Austenitens kolhalt ökar då och under 727 o C bildas perlit. Om stålet svalnar snabbt kan man få många andra strukturer. Vid mycket snabb kylning kan man få martensit. Grov perlit bildad vid så hög temperatur att man kan urskilja lamellerna. Fin perlit bildad vid låg temperatur. Lamellerna går inte att urskilja. Lite pro-eutektoid ferrit och grovperlit. Mycket pro-eutektoid ferrit och grov perlit. 1

2 Repetion: Övereutektoida 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. Cementiten finns som små partiklar i bilden till vänster, till höger ligger den i austenitkorngränserna. Resten är martensit Repetion: Martensit Ett av de hårdaste materialen som går att tillverka är martensithärdat stål. Den fås genom snabbkylning från austenitområdet så att man undviker att skilja ut ferrit och perlit. Detta gäller för alla kolhalter. Martensiten bildas diffusionslöst och har alltså samma kolhalt som austeniten. Ett martensitkorn växer med ljudets hastighet som en skjuvvåg genom ett austenitkorn. Martensitomvandlingen finns även i andra legeringar t.ex. i minnesmetaller. 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 sprött. Repetion: Isoterma omvandlingsdiagram TTT-diagram För eutektoidiskt Fe-C vid 675 o C (.77 wt% C) Genom att förena de punkter som motsvarar 1%, 5% och 99% omvandling vid olika temperaturer får man isoterma omvandlingslinjer och deras beroende av hålltiden i ett diagram. y, % transformed 1 T=675 C T( C) 5 7 Austenite (unstable) % 5% 1%perlit Austenite (stabil) Perlit tid (s) T E (727 C) Isoterm omvandling vid 675 C tid (s) Föreläsning 7: Mekanismer att härda material Viktigt:.. Varför förekommer dislokationer huvudsakligen i metaller och legeringar? Vilken är kopplingen mellan styrka och dislokationers rörelse? Hur kan vi öka ett materials styrka? Hur påverkar en värmebehandling materialets styrka och andra egenskaper? Dislokationer i olika materialtyper Metaller: Dislokationsrörelse lätt. - Bindningarna har ingen riktning - Tätpackade plan och riktningar bra för glidning. elektronmoln Kovalenta keramer: (Si, diamant) - Riktade bindningar - Försvårad dislokationsrörelse. Joniska keramer: (NaCl) - Måste undvika (+) och (-) grannar - Dislokationsrörelse försvårad joniserade kärnor Gitter: tätpackade plan och riktningar är gynnade. Jämförelse med olika kristallgitter: FCC: många tätpackade plan/riktningar; HCP: bara ett plan, 2 riktningar; BCC: inga tätpackade plan Resultat från dragprov. Dislokationer och kristallgitter Tätpackat plan (under) dragriktning Bild av tätpackade plan tätpackade riktningar Tätpackade plan (överst) Mg (HCP) Sprött brott Al (FCC) Segt brott 2

3 Pålagd spänning och dislokationsrörelse Kristallplanens glidning beror på en skjuvspänning, τ R. Pålagd dragspänning kan orsaka en skjuvspänning. Pålagd drag spänning: σ = F/A F A glid riktning F Resulterande skjuv spänning: τ R =Fs/As glidplanets τ normal, n R s As τ R glid riktning Fs τ R =σcos λcos φ Relation mellan σ and τ R glid riktning τ R =Fs/As Fcosλ F λ Fs A/cosφ nsφ A As Dislokationsrörelse i polykristallina material σ Glidplan och riktningar (λ, φ) är olika i varje kristallkorn. τ R är olika i varje kristallkorn. Det kristallkorn med störst τ R börjar glida först. Andra korn (men mindre bra orientering) börjar glida senare. μm Från formning till härdning Formning, dvs plastisk deformation, av metalliska material sker huvudsakligen genom dislokationsrörelser. Av detta kan man dra slutsatsen att härdning av metalliska material betyder att man på något sätt hindrar rörligheten av dislokationerna. Vi skall nu titta på 4 olika härdningsmekanismer för metalliska material. Härdningsmekanismer Korngränshärdning (Flerfasstruktur/Omvandlingshärdning) Korngränser medför att dislokationerna stockas upp vilket försvårar dislokationsrörelsen. Fas-, resp atomordningsgränser är hinder för dislokationsrörelsen. Lösningshärdning Främmande atomer i det ordinarie gittret utgör hinder för dislokationsrörelsen. Utskiljningshärdning Utskilda partiklar är effektiva hinder för dislokationsrörelsen. Deformationshärdning Dislokationstrassel är effektiva hinder för dislokationsrörelsen. Härdningsmetod 1: Korngränshärdning (minskning av kornstorlek) Korn (och fas-) gränser stoppar dislokationer. Ju större skillnad mellan kornens orientering glid plan ju bättre stoppas dislokationerna. Alltså: Små korn ger större motstånd mot dislokationsrörelsen. Hall-Petch ekvationen: σ korn A = σ + kd 1/2.2 o y korn B korngräns Data: kornradie, 1-1 d (mm) 1-2 5x1-3 σ.2(mpa) Exempel på korngränshärdning: 7wt%-3wt%Zn mässing σ.2 =σ o + k y d 1/2 Hall-Petch ekvationen ky [kornradie (mm)] mm 3

4 Anisotropi för σ.2 Kan orsakas av valsning av en polykristallin metall Olika stor deformation i olika plåtriktningar - Före valsning - Efter valsning Anisotropisk deformationsbeteende 1. Cylinder uttagen från en valsad plåt. 2. Deformera cylindern. 3. Icke-homogen deformation av cylinder 235 μm -Isotropisk kornen är approx. sfäriska och slumpvis orienterade. valsriktning - Anisotropisk Valsningen påverkar orienteringen och formen av kornen. valsriktning botten yta Den ovala (ej cirkulära) bottenytan visar att det valsade materialet var anisotropt. Riktningen av plåtens tjocklek Härdningsmetod 2: Lösningshärdning Legeringsatomer stör gittret och orsakar spänningar. Spänningarna hindrar dislokationernas rörelse. Små substitutionella legeringsatomer A B Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid A och B som hindrar dislokationsrörelsen. Stora substitutionella legeringsatomer D C Legeringsatomerna orsakar en lokal spänning vid C och D som hindrar dislokationsrörelsen Lösningshärdning i koppar Brottspänning och sträckgränsökning med wt% Ni. Brottspänning (MPa) wt. %Ni Sträckgräns (MPa) wt. %Ni Empirisk relation: σ ~ C.2 Legeringstillsats ökar både σ.2 och σ B. Lösningshärdning till en viss gräns Lösningshärdning - övrigt Effekten av lösningshärdning på: Brottspänning (MPa) --Brottspänningen (σ B ) σ B för rent σ B för rent Ni Ni Ni wt%ni wt%ni -- Maximum vid viss Ni halt -- Minimum vid viss Ni halt Duktilitet (%EL) --Duktiliteten (%EL) %EL för rent Obs: Systemet -Ni har fullständig löslighet i fast fas, dvs det är en-fasigt vid RT. %EL för rent Ni Interstitiella lösningsatomer kan också ge stor härdeffekt, t.ex. kolatomer i martensiten. Ythärdning genom kol eller kväve är också ett exempel på lösningshärdning. 4

5 Härdningsmetod 3: Utskiljningshärdning Genom förståelse av förhållandet mellan plastisk deformation och dislokationer har man utvecklat en härdmetod speciellt för aluminium legeringar. Denna kallas utskiljningshärdning (eller partikelhärdning) och innebär att man skapar många små partiklar (radie < 1 μm) som hindrar dislokationernas rörelser. Samtidigt skapas mer ytor i materialet och på samma sätt som för korngränshärdning betyder mycket ytor i ett material att det blir starkare. Temp. Upplösningsbehandling Åldring FCC FCC + Θ Fasdiagrammet för Al- Den klassiska utskiljningshärdande legeringen heter dural och består av Al med 4-5 wt%. Fasdiagrammet för Al- är ganska komplicerat med många intermetalliska faser. Men för att förstå hur härdning av dural fungerar behöver man bara studera den eutektiska delen närmast Al med FCC-Al, smälta och Θ (theta) fasen. TEMPERATURE_CELSIUS FCC Liquid FCC+Θ Θ WEIGHT_PERCENT CU snabbkylning Tid Al-rika delen av Al- fasdiagrammet Åldringens effekt på σ.2 och %EL Arbetsgång för en utskiljningshärdande legering är att man: 1. Upplösningsbehandlar legeringen så den blir enfasig vid hög temperatur, men man måste vara försiktig så man ej får smälta. 2. Sedan snabbkyler för att få en stor övermättnad av en annan fas, för Al en kraftigt övermättad lösning av Θ-fasen i FCC (Al). 3. Slutligen åldrar man legeringen (värmebehandlar vid en låg temperatur) för att få utskiljning av mycket små partiklar av den övermättade fasen (Θ-fasen). Ju högre åldringstemperatur ju grövre utskiljning. FCC 544 FCC+Θ Liquid En Al- legering med sammansättning enligt blå linjen är lämplig för utskiljningshärdning. Θ sträckgräns (MPa) övermättad fast lösning Många små partiklar åldrad 24 C färre större partiklar överåldrad 149 C 1min 1h 1dag 1mo1år 1min 1h 1dag 1mo 1år åldringstid (h) åldringstid (h) Partiklarna hindrar dislokationernas rörelse och höjer sträckgränsen. %EL har ett minimum σ.2 har ett maximum efter en viss efter en viss åldringstid åldringstid. Ökande åldringstemperatur påskyndar processen men ger lägre hårdhetsmaximum. %EL C 149 C Simulering: dislokationsrörelse i ett korrekt åldrat (värmebehandlat) material Maximal sträckgräns -- Medel partikel radie = 64b (b motsvarar Burgers vektor) -- Tätt liggande partiklar stoppar dislokationerna effektivt. Simulering: dislokationsrörelse i ett överåldrat material Överåldrat -- Medelpartikelradie = 361b -- Glesare partiklar är inte lika effektiva. Click on image to begin simulation 5

6 Styrkan av partiklarna Hårda partiklar kan dislokationerna inte passera igenom. Ex: keramiska partiklar i metaller (Fe 3 C i järn eller SiC I aluminium). Tillämpning av partikelhärdning Den interna vingbalkarna i Boeing 767 partikel Från sidan Del av glidplan som ej rört sig Ovanifrån S Glidplan som rört sig Resultat: Sträckgränsen ökar Stark skjuvspänning krävs för att flytta dislokationen till partikeln och genom den Dislokationen rör sig fram till partikeln men fungerar som låsning med. avståndet S Δσ.2~ 1 S Aluminium härdas med partiklar som bildas med olika legeringsämnen. Partikelstorleken i figuren är några nanometer 1.5μm Härdningsmetod 4: Deformationshärdning Deformation vid rumstemperatur (kallbearbetning). Formningsoperationer som ändrar materialets tvärsnittsarea: -Smidning form Ao -Dragning Ao form kraft kraft Ad Ad drag kraft kraft -Valsning roll Ao -Extrusion Ao %CW = A o A d x1 A o behållare stämpel roll Ad matris fäste extrusion Ad matris Dislokationer under deformation Legering efter kallbearbetning:.9 μm Dislokationer låser varandra vid kallbearbetning. Dislokationsrörelsen blir förhindrad p.g.a dislokationsintrassling. Dislokationslåsning Dislokationer skapar spänningar. Detta kan låsa närliggande dislokationer. Den röda Red dislocation dislokationen generates generar shear at pts A and B that en spänning vid A och opposes motion of B som green hindrar disl. den from gröna left dislokationen to right. att röra sig A B Volum, V Resultat av kallbearbetning Dislokationstätheten (ρ d) ökar: Normal dislokationstäthet: ρd ~ 1 3 mm/mm 3 = 1 12 m 2 Kraftigt deformerat material: ρd ~ 1 1 mm/mm 3 = 1 19 m 2 Metoder att mäta dislokationstätheten: längd, l 1 OR längd, l 2 längd, l 3 = l 1 + l 2 + ρ l 3 d V σ Sträckgränsen ökar när ρ d ökar: σ y1 σ y 4μm ρ d = N Yta, A N dislokations gropar (syns vid etsning) dislokations grop Stort deformationshårdnande Litet deformationshårdnande ε 6

7 Analys av kallbearbetning Vad är sträckgränsen, brottgränsen och duktiliteten efter kallbearbetning? %CW = πr o 2 2 πr d x1 = 35.6% 2 πr o sträckgräns (MPa) 7 MPa % Cold Work σ.2 =MPa brottgräns (MPa) 8 34MPa % Cold Work σ B =34MPa Do=15.2mm Koppar Kallbearb > Dd=12.2mm duktiltet (%EL) % % Cold Work %EL=7% Temperaturberoendet hos σ-ε Resultat för polykristallint järn: Spänning (MPa) 8 - C -1 C 25 C töjning σ y och σ B minskar med ökande temperatur. %EL ökar med ökande temperatur. Varför? Vakanser 3. dislok passerar hindret hjälper dislokationer att passera hinder. 2. vakanser ersätter atomer i halvplanet med dislok hinder 1. dislok fastnar på hinder Betydelsen av kallbearbetning Spänning % kallbearbetning töjning Sträckgränsen (σ.2 ) ökar. Brottspänningen (σ B ) ökar. Duktilteten (%EL eller %AR) minskar. 1 timmes uppvärmning till ca 4% av T m... minskar σ B och ökar %EL. Brottgräns (MPa) Uppvärmning (glödgning) efter kallbearbetning värmebehandlings temperatur ( C) brottgräns duktilitet 2 Återhämntning Rekristallisation duktilitet (%EL) Korntillväxt 3 olika fysikaliska processer sker under värmebehandlingen. Att förklara... Återhämtning Annihilering av dislokationer minskar dislokationstätheten. Scenario 1 extra halvplan med atomer atomer diffunderar till områden med spänningar extra halvplan med atomer Scenario 2 3. Dislokationerna klättrar och rör sig på ett nytt glidplan 2. grå atomer försvinner med vakansdiffusion och dislok klättar 1. dislokation blockerad Kan inte röra sig åt höger Dislokationerna. annhileras och bildar ett perfekt atomplan τ R 4. Två dislokationer med motsatta Burgers vektor möts och försvinner hinder dislokation Varmvalsning av plåt Vid varmvalsning av stålplåt eller band passerar (sticks) den heta plåten (hetan) upprepade gånger mellan roterande valsar. För varje stick reduceras tjockleken och plåten blir längre. Efter varje stick sker en rekristallisation i plåten (dynamisk rekristallisation). 7

8 Kornstruktur före, under och efter valsning Ritad figur! Fasomvandling - Rekristallisation En viktig omvandling som egentligen inte är en fasomvandling är rekristallisation. Rekristallisation innebär att nya korn bildas vid uppvärmning av ett deformerat material. I bilden till höger har man etsat fram kornstorleken i ett material där man gjort en hårdhetsmätning. Kornstorleken varierar kraftigt och är minst där deformationen varit störst, vid ytan och den ökar när deformationsgraden minskar, inåt i provet. Rekristallisation I det deformerade materialet har mängden dislokationer ökat och det innebär att det finns en tillgänglig energi så att nya korn med normal dislokationshalt kan kärnbildas vid uppvärmning. Bilden visar kärnbildning av nya korn i ett kraftigt deformerat material (vid inneslutningar, de svarta partiklarna). Ju större deformation ju fler nya korn kärnbildas. Många kärnor ger små korn, få kärnor ger stora korn. Om deformationen är mindre än den kritiska deformationsgraden bildas inga nya korn. Nya kristallkorn bildas som: -- Har normal dislokationstäthet -- Är små (om kallbearbetningen stor) -- äter upp de kalldeformerade kristallkornen 33% kallbearbetad mässing Rekristallisation.6 mm Nya kristallkorn Efter 4 Kärnbildas efter sekunder3 sek. vid 58C. Efter 8 sekunder Deformation - Rekristalliserad kornstorlek Kornstorlek Rekristallisation Efter lång tid vid hög temperatur växer kornstorleken. Korngränser representerar energi och större korn minskar energin..6 mm Korntillväxt.6 mm Kritisk deformationsgrad Deformationsgrad Vid mycket små deformationer sker ingen nyordning av atomgittret. Först vid den sk kritiska deformationsgraden sker en omlagring till ny kornstruktur. Ju större deformation, desto fler kristaller bildas och desto mer finkorning struktur. Det krävs alltid förhöjd temperatur (T>.4T M ) vid rekristallisation pga atomernas långsamma rörlighet vid rumstemperatur. Efter 8 s, 58C Efter 15 min, 58C Efter 8 s, 58 C Efter 15 min, 58 C Efter 1 min, 7 C Empirisk formel: exponent typiskt. ~ 2 korndiameter d n n vid tid t. d o = Kt koefficient som beror på material och T. tid för tillväxt 8

9 Sammanfattning Dislokationerförekommeri både keramerochmetaller men har störst betydelse för metaller eftersom de är mer lättrörliga där. För metaller ökar styrkan (sträckgräns, brottgräns) genom att dislokationsrörelsen hindras. Speciella sätt att öka styrkan är att: --minska kornstorleken --lösningshärdning --utskiljningshärdning (partikelhärdning) --deformationshärdning (kallbearbetning) Uppvärmning (glödgning) kan reducera dislokationstätheten och förändra kornstorleken (rekristallisation). Läsanvisningar Kapitel 8 Sidor: , , Typtal: 8.5, 8.19, 8.2, 8.21, 8.29, Kapitel 11 Sidor: Typtal: 11.D7 9