Materiallära för Maskinteknik, 4H163, 4p 7 5 pearlite 1 ustenite (stable) earlite TE (727 C) Kursinformation Labkurs. Labgrupp 5 är företrädesvis för teknologer på inriktningen II (I3). Även teknologer från M2M kan välja denna grupp men då blir det schemakrockar vilket även gäller teknologer på inriktningen II (I3) som väljer andra labgrupper. Obs, sista tillfället för Lab1, Mån 6/11, kl 15-18. 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! djunkt nders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 time (s) TTT-diagram för lågkolhaltigt stål Föreläsning 6: Fasomvandlingar Förstå material Välja material Utveckla material Kurslitteratur, W.D. Callister, Fundamentals of Materials cience and Engineering: n Integrated pproach, 2nd Ed, John Wiley and ons, Inc. (5), får ni köpa via en vanlig eller en internetbokhandel. åde bok och medföljande CD-ROM, ca pris: 45 kr. chema med angivande av föreläsningsinnehåll och pdf-filer av föreläsningar finns på kursens hemsida: www.mse.kth.se/utbildning/4h163/kursm-4h163.html Obs: Hemsidan är inte statisk utan uppdateras kontinuerligt. Repetion: Diffusionsmekanismer ubstitutionell diffusion: Gäller för substitutionellt inlösta atomer (föroreningar och legeringstillsatser tomer byter plats med vakanser. Hastigheten beror på: --antalet vakanser --aktiveringsenergin för att byta plats med vakansen. Repetion: Interstitiell diffusion Gäller för interstitiellt inlösta atomer (föroreningar och legeringsämnen). Mycket snabbare än vakansdiffusion. Fler möjliga platser för förflyttning. Lägre aktiveringsenergi, då nödvändigt energitillskott för hopp är lägre. Ökande tid Repetion: Fick s första lag tationärt flöde ammansättningsprofil, C(x): [kg/m 3 ] ammansättning av Cu [kg/m 3 ] Fick's första lag: Flöde i x-rikt. [kg/m 2 -s] Cu flöde osition, x J x = D dc Ni flöde ammansättning av Ni [kg/m 3 ] Diffusions koefficient [m 2 /s] sammansättnings gradient [kg/m 4 ] Ju brantare sammansättningsprofil, ju större flöde! Repetion: Fick s andra lag Icke stationärt flöde ammansättningssprofilen, C(x), ändras med tiden sammansättning, Massan konstant C, i lådan Fick's Ficks First första Law: lag: J(höger) J(vänster) = dc J = D dc dt or dj = dc dj = d 2 C (om D inte D varierar dt 2 med x) lika med Differentialekvation: J(vänster) dc dt = D d2 C 2 J(höger) 1
Repetion: Fick s andra lag Tidsberoende diffusion Koppar diffunderar in i en aluminiumbalk. Ytkoncentration, Cs av Cu atomer ursprunglig halt, C Cs C(x,t) av koppar atomer Co to t 1 t 2 t 3 läge, x llmän lösning: C(x,t) C o = x 1 erf C s C o 2 Dt "error function" Obs, ej konstant tjocklek/gradient, ansätt en lösningsmodell. Repetion: Einsteins formel Om diffusion betraktas som slumvis vandring kan den sträcka, d, som en atom rör sig på tiden t skrivas som d = 6Dt D, är diffusionskoefficienten för atomen. Detta är en användbar formel t.ex. för att jämföra hur lång tid en omvandling kan ta vid olika temperaturer. Föreläsning 6 Fasomvandlingar Viktigt... tt omvandla en fas till en annan tar tid. Fe C FCC (ustenit) Fe3C Eutektoid omvandling (cementit) + (ferrit) (CC) Hur beror omvandlingshastigheten på tid och T? Kan vi minska omvandlingshastigheten så att vi kan behålla en metastabil struktur och fas? Hur påverkas de mekaniska egenskaperna av att vi har metastabila strukturer? Kärnbildning lla omvandlingar kräver först en kärnbildning av det nya kristallen. Genom termiska fluktuationer bildas hela tiden kärnor men, en sfärisk kärna måste ha en radie större än den kritiska radien för att den skall fortsätta växa. Tillväxten av kärnan sker sedan ofta via diffusion. Homogen kärnbildning En kärna av en ny fas som är stabil sänker systemets energi proportionellt mot volymen (r 3 ) av kärnan, men ystemets 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 mycket sällan förekommer. Heterogen kärnbildning betyder att kärnan bildas i anslutning till en befintlig yta. Då krävs mindre energi. Heterogen kärnbildning är därför vanligast. 2
Omvandlingsgrad Omvandlingsgraden är tidsberoende (vrami ekv). vrami Ekv. y = 1 e kt n fraktion omvandling time Omvandlingshastigheten beror av T. r = 1 t.5 = e Q/RT 5 1 y.5 135 C 119 C 113 C 12 C 88 C Fixed T t.5 log (t) 43 C 1 1 1 2 1 4 log (t) min Obs, r är ofta så liten att omvandlingen inte sker! aktiverings energi Exempel: Ex: recrystallization rekristallisation of Cu av Cu y (%) 1 Omvandlingstemperatur (under) Den eutektoida omvandlingen FCC -> CC+CEMENTIT sker för en 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. Förklaring? TEMERTURE_CELIU 1 95 9 85 CC 75 CC+FCC 7 65 55 FCC O CC+CEMENTIT 5.2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. WEIGHT_ERCENT C 727 o C Omvandlingshastigheter är proportionell mot underen ΔT Tillväxt av perlit från austenit: ustenit ( ) korn gräns cementit (Fe 3 C) ferrit () perlit tillväxt riktning Diffusion av C nödvändigt Tillväxt av perlitnodul Långsam tillväxt nabb tillväxt Korta diffusionsavstånd Lamellavstånden minskar och omvandlingshastigheten ökar med ökande ΔT. y (% pearlite) 1 C (ΔT larger) 65 C 5 5 675 C (ΔT smaller) 1 1 1 2 1 1 3 time (s) % austenite korngräns Mikrobild av perlitnoduler Kärnbildning och tillväxt Omvandlingshastigheten beror även av kärnbildning och tillväxt av den nya kristallen. 1 % erlit Growth regime 5 Nucleation Kärnbildningshastighet ökar / med ΔT Tillväxthastighet ökar med T regime t 5 log (tid) Exempel: perlit koloni 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 3
Enfasig och tvåfasig mikrostruktur Fördelar med flera faser i ett material Ett material som kan bestå av flera faser och där mängderna av faserna kan varieras kan ha mer varierande egenskaper än ett enfasigt material. Ett sådant material kan vara både duktilt och lätt att forma och sedan göras hårt och starkt. Kornstruktur i enfasig koppar. Det är lätt att se de enskilda kornen och korngränserna. Två-fas struktur med järn (som matris av ferrit ) och cementitpartiklar. Det är svårt att se men det finns korngränser i ferriten. Omvandlingar i stål De viktigaste omvandlingarna i stål är fastfasomvandlingar. Omvandlingarna kan ske vid låg temperatur eftersom kol är löst interstitiellt och kan diffundera snabbt (även vid låg temperatur). De flesta omvandlingarna utgår från att stålet först värmts till austenitområdet. Genom att variera svalningsförloppet, kyla olika fort kan man få många olika mikrostrukturer som ger stålet varierande egenskaper Det metastabila Fe-C fasdiagrammet (med cementit) Cementit är en metastabil järnkarbid, Fe 3 C. Den är den normala kolrika fasen i Fe-C systemet. tål, har max 2.12 wt% C. Gjutjärn, har en kolhalt högre än 2.12 wt% C men maximalt ca 5 wt% C. TEMERTURE_CELIU 1 1 1 1 tål FCC (austenit) CC+CEMENTIT LIQUID Gjutjärn 1 2 3 4 5 6 7 WEIGHT ERCENT C Eutektoida fasdiagrammet för stål Den relevanta delen av fasdiagrammet för stål. FCC kallas austenit och CC 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 TEMERTURE_CELIU 1 9 7 5 3 CC (ferrite) (.2) FCC (austenite) Ms (.77) CC+CEMENTIT 727.2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. WEIGHT_ERCENT C Eutektoida strukturen i Fe-C Den eutektoida strukturen i Fe-C kallas perlit och bildas när austenit med sammansättningen markerad med blå linje svalnar. erlit är lamellär med omväxlande ferrit och cementit. Den liknar ett lamellärt eutektikum bildat vid stelning men perlit bildas genom fastfasomvandling. Vid snabb fås martensit. Grov perlit bildad vid så hög temperatur att man kan urskilja lamellerna. Fin perlit bildad vid låg temperatur. Lamellerna går inte att urskilja. 4
Eutektoida strukturen i Fe-C ilder av den lamellära strukturen i perlit. Ju tunnare lameller ju hårdare blir perliten. Tunna lameller fås vid kraftig. Undereutektoida strukturer i Fe-C tål med lägre kolhalt än.77 wt% kallas undereutektoida. Om de svalnar långsamt från austeniten bildas först pro-eutektoid ferrit i austenitkorgränserna. ustenitens kolhalt ökar då och under 727 o C bildas perlit. Om stålet svalnar snabbt kan man få många andra strukturer. Vid mycket snabb kan man få martensit. Tunna lameller av +Fe 3 C Grövre lameller av +Fe 3 C Lite pro-eutektoid ferrit och grovperlit. Mycket pro-eutektoid ferrit och grov perlit. Undereutektoida strukturer i Fe-C Den pro-eutektoida ferriten bildas oftast i korngränserna av den ursprungliga austeniten. Den kallas följaktligen korngränsferrit. 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. usteniten omvandlas till perlit vid långsam svalning, vid snabb svalning får man martensit. Mikrostrukturen i bilden till höger innehåller korngränsferrit, widmanstättenferrit (växer in i kornen), perlit (de mörka områdena) och martensit (de ljusbruna områdena) Cementiten finns som små partiklar i bilden till vänster, till höger ligger den i austenitkorngränserna. Resten är martensit Härdat stål (martensit) Ett av de hårdaste materialen som går att tillverka är martensithärdat stål. Den fås genom snabb 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. Härdat stål (martensit) Efter snabben behöver man oftast anlöpa martensiten för att få viss duktilitet. nnars kan en liten spetsig spricka lätt orsaka brott. 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. 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 för stora har sprickor bildats i korngänserna av volymändringen. 5
Isoterma omvandlingsdiagram - TTT För eutektoidiskt Fe-C vid 675 o C (.77 wt% C) Genom att förena de punkter som motsvarar 1%, och 99% omvandling vid olika temperaturer får man isoterma omvandlingslinjer och deras beroende av tiden i ett diagram. y, % transformed 1 T=675 C 5 7 ustenite (unstable) 5 1 1 2 1 4 1 1%perlit ustenite (stabil) erlit tid (s) T E (727 C) Isoterm omvandling vid 675 C 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 tid (s) Inverkan av Temperatur/Tid Eutektoid sammansättning, C o =.77 wt% C örjavidt > 727 o C Kyl snabbt till 625 o C och håll provet isotermt vid den temperaturen. 7 5 1 pearlite ustenite (stable) erlit earlite TE (727 C) 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 time tid (s) (s) Morfologi för perlitstrukturen T omv alldeles under TE - Högre T: diffusionen snabb - Grövre perlitstruktur. - Mindre ΔT Kolonierna är större, lamellerna glesare 1μm T omv långt under TE - Lägre T: diffusion är långsam - Finare perlitstruktur - törre ΔT: Kolonierna är mindre, lamellerna tätare Mjukglödgad struktur i Fe-C systemet färoidiserad cementit: -- (ferrit) korn med partiklar av Fe 3C --diffusionsberoende omvandling --värm lång tid strax under 727 o C --reducerar ytenergin (drivande kraft) Isotermt omvandlingsdiagram 1-1 ustenite (stable) 1 TE 1 spheroidite pheroidite 1 spheroidite 1 1 3 1 5 time (s) (ferrite) Fe3C (cementite) 6 μm Mjukglödgat stål For att forma stål behöver man ha det mjukt. Ferriten är en mjuk fas eftersom den nästan inte löser något kol. Genom att värma stålet strax under eutektoida temperaturen, 727 o C, kan man få cementiten att bilda stora partiklar som inte hindrar dislokationernas rörelse. TEMERTURE_CELIU 1 9 CC (ferrite) 7 (.2) 5 FCC (austenite) Ms (.77) CC+CEMENTIT 727 Omvandlingar som ger metastabila faser i Fe-C ainit: -- skivor med tunna strängar av Fe 3C --diffusionskontrollerad tillväxt Isotermt omvandlingsdiagram ustenite (stable) TE 1 pearlite pearlite/bainite boundary Fe3C 1 bainite (cementite) (ferrite) 3 1.2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. WEIGHT_ERCENT C 1-1 1 1 3 1 5 time (s) 5 μm 6
ndra strukturer i Fe-C systemet Martensit: --(FCC) till martensit (CT) (diffusionslös omvandling) x Fe atom potentiella x x platser x x platser för C x Isotermt omvandlingsdiagram ustenite (stable) 1 TE 6 μm Martentite needles ustenite till martensit omvandling.. -- är mycket snabb, diffusionslös! M + -- omvandlinsgrad beror enbart M + 9 på T. M + 1-1 1 1 3 1 5 time (s) Inverkan av Temperatur/Tid-1 Eutektoidiskt stål, från austenitområdet Fall I ustenite (stabil) 1 1 1 M + M + 9 M + 1 ainit 1-1 1 1 3 1 5 tid (s) nabb Hålltid nabb Hålltid nabb 35 C 1 4 s Troom 1 4 s Troom Helt omvandlat till bainit Inverkan av Temperatur/Tid-2 Eutektoidiskt stål, från austenitområdet ustenite (stabil) Fall 2 1 1 M + M + 9 M + M + trace of 1-1 1 1 3 1 5 tid (s) nabb Hålltid nabb Hålltid nabb 25 C 12 s Troom 4 s Troom 1 2 s Troom Helt omvandlat till martensit 1 1-1 Inverkan av Temperatur/Tid-3 Eutektoidiskt stål, från austenitområdet, ustenite (stable) M + M + M + Fall 3,, 1 9, 1 1 3 1 5 tid (s) nabb Hålltid nabb Hålltid nabb 65 C 2s C room room 1 3 s Troom Omvandlat till perlit och bainit ammanfattning Läsanvisningar Kapitel 1 idor: 395-47. Typtal: 1.48, 1.54, 1.64, 1.65 Kapitel 11 idor: 418-32, 432-447, 447-455. Typtal: 11.1, 11.9, 11.15, 11.18, 11.19, 11.2, 11.22, 11.23, 11.32. 7