A

Keskinopea jäähtyminen: A => Bainiitti

A A

F

Fe3C = Bainiitti (B)

A

Lämpötila laskee è

C ehtii diffundoitua lyhyitä matkoja.

Ferriitti Austeniitti

Austeniitti => ferriitti –muutos : atomit siirtyvät

samanaikaisesti austeniittijärjestyksestä ferriittijärjestykseen

(Bainiittinen ferriitti = Bainiitti)

Bainiitti tai bainiittinen ferriitti

•  Austeniitti – (bainiittinen) ferriitti -rintama samankaltainen kuin austeniitti – martensiitti -rintama

•  Hiiliatomit eivät ehdi liikkua yhtä nopeasti kuin ferriitti – austeniitti –rintama

•  Hiili joutuu jäämään hetkeksi liuokseen ferriitissä •  Hiili erkautuu Fe3C:ksi joko liikkumalla myöhemmin faasirintamaan

(yläbainiitti) tai erkautumalla bainiitin sisään (alabainiitti) faasimuutoksen aikana

Bainiitinkin muodostuminen aiheuttaa leikkausmuodonmuutoksen

Austeniitti Bainiitti

bainiittikiteen ”väärä” muoto aiheuttaa

mikrojännityksiä ja dislokaatioita

Bainiitti FESEM -mikroskoopissa (yläbainiitti)

Monenlaista bainiittia kyllä löytyy! (S. Zajac)

Bainiittiset teräkset

•  Bainiitti löytyy –  kuumalujista teräksistä –  Rautatiekiskoista –  Öljy- ja kaasuputkista –  Rakenneteräksista (Ruukin Optim 960 QC)

CCT-diagrammi

•  Continuous Cooling Transformation Diagram

CCT-diagrammi

Aika

Lämpötila Austeniitti

Bainiitti

Martensiitti

Ferriitti + perliitti

Leikkausmuodonmuutos ja laajenema matalassa lämpötilassa => enemmän jännityksiä ⇒ enemmän dislokaatioita ⇒  pienemmät kiteet (alirakenne)

Hiiliatomit liuoksessa => sisäisiä jännityksiä

Faasimuutos korkeassa lämpötilassa. Laajenema ei aiheuta sisäisiä jännityksiä

Ms-lämpötila

Suuri lujuus ja kovuus

•  Nopea jäähdytys •  Faasimuutos alhaisessa lämpötilassa •  Suuri määrä kidevirheitä, sisäisiä jännityksiä, raerajoja,

aliraerajoja, hiiltä liuoksessa … •  Suuri lujuus ja kovuus •  Paras tulos jos 100 % martensiittia

Aika

Lämpötila Austeniitti

Martensiitti

CCT -diagrammi

Enemmän seosaineita (C, Mn, Cr, Mo, B …) ⇒  kriittinen jäähtymis- nopeus pienempi

Hiiliekvivalentti kasvaa (CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15)

Hitsattavuus huononee

100% martensiittia

•  Kovuus ja lujuus säädetään hiilipitoisuudella

–  370HB: 0.09%C (Optim 960 QC)

–  400HB: 0.13%C (Raex 400 tai Optim 1100 QC)

–  500HB: 0.24%C (Raex 500)

–  HRC = 20 + 60√(%C)

•  Muut seosaineet määräävät tarvittavan jäähtymisnopeuden 100%:n

martensiitin saamiseksi mutta eivät vaikuta martensiitin kovuuteen

Martensiitin lämpökäsittely

•  Martensiitti –  ferriitti jossa paljon sisäisiä jännityksiä –  kiteen virheellisyysaste suuri –  kova, kulutuskestävä –  sitkeys rajallinen mutta matalahiilipitoisuuksilla (<0.1%) aika

hyvä •  Päästö / Nuorrutus

–  lämpökäsittely n. 600 C:ssa –  parannetaan martensiitin sitkeyttä (>0.1%C) –  hyvä rakenneteräksille

Termomekaaninen valssaus + kontrolloitu jäähdytys

Klaus Hulka

Also called pancaking

Raahen suorakarkaistut teräkset esim. Optim 960QC, Raex 400..

Raahen DQT teräs Optim 700QL

Raahen NJ-levyt Optim 500ML

Austeniitti => Ferriitti -muutoksen ydintyminen

Austeniitti

Ferriitti Atomjärjestysmuutos helpoin austeniitin raerajoilla missä vapaata tilaa ...

... tai siellä missä on paljon dislokaatioita

TM -valssaus + kontrolloitu jäähdytys

TM -valssaus + kontrolloitu jäähdytys

Pähkinäkuoressa:

Pienempi austeniittiraekoko => pienempi ferriitiraekoko tai

bainiitti- tai martensiittirakenne jäähdytyksen jälkeen.

Lisäksi: nopeampi jäähdytys =>

pienempi ferriittiraekoko.

Pienempi raekoko => korkeampi lujuus ja

iskusitkeys

Mikroseosaineiden erkautuminen

Klaus Hulka

Ruukin Optim MC nauhat: hienot NbC-

tai VC- tai TiC-erkaumat muodostuvat ferriittiin

kun kelauslämpötila n. 600°C

Ruukin Optim MC nauhat: esim.

420 MC

Hienoraeteräksiä pelkällä lämpökäsittelyllä: normalisointi

lämpötila

aika

A3

A1

γ

γ+ α

α+perliitti

Isorakeinen α+perliitti

hienorakeinen α+perliitti

Mekanismi seuraavilla sivuilla

Fe - C faasidiagrammi = Faasit vain termodynaamisessa tasapainotilanteessa

Austeniitti = pkk-kide, johon C liukenee hyvin. Ferriitti = tkk-kide, johon C liukenee vain vähän. Fe3C = monimutk. kide 0.15%C

Ferrite + cementite

A3

A1

Normalisointi

Huoneen lämpötilassa Punaiset rakeet: isorakeinen ferriitti Mustat alueet: sementiitti (Fe3C) Tai ferriitti + sementiitti (perliitti)

Kuumennuksessa ferriitti + sementiitti => austeniitiksi (vihreät rakeet) ydintyvät F:n raerajoille

A3-lpt:n yläpuolella (noin 900 °C). Kokonaan austeniittirakeita. Austeniitin raekoko pienempi kuin alkuperäisen ferriitin raekoko

A3-lpt:n alapuolella ferriittirakeet ydintyvät austeniittiraerajoille ja kasvavat austeniitin kustannuksella

Alhaisemmassa lpt:ssa jäljellä oleva austeniitti muuttuu ferriitiksi + sementiitiksi = perliittiksi (ks. kuva seuraavalla sivulla

Normalisoinnin lopputulos = ferriitin raekoon pienentaminen => lujempi ja sitkeämpi

Sovellus Esim hienorakeiset sitkeät rakenneteräkset esim. myötölujuus 355 MPa

Todellinen ferriitti - perliitti mikrorakenne

Fe - 1,2%Mn - 0,15%C; ilmajäähdytys

Perliitti = ferriitti + sementiittilevyjä (Fe3C)

Levyjen välinen etäisyys n. 0.1 - 1 mikron riippuen

jäähtymisnopeudesta

ferriitti

Martensiitin ja bainiitin lujuus ja sitkeys

David Porter 25.10.2011

Hiilen vaikutus Ms-lämpötilaan ja mikrorakenteeseen

Huom! martensiitin mikrorakenne muuttuu hiilipitoisuuden funktiona. Lath = säle = ferriitissä suuri dislokaatiotiheys. Plate = levy = ferriitissä myös tiheästi kaksosia

Hiilen ja päästön vaikutus martensiitin kovuuteen

Suurempi hiilipitoisuus => matalampi Ms => suurempi kovuus (lujuus) => heikompi sitkeys ....

Iskusitkeyden transitiolpt

Kovuus / lujuus

Raekoko martensiitissa ja bainiittissa

Raekoko martensiitissa ja bainiittissa

•  Säle (lath) –  sälerajat ovat pienkulmaraerajoja => ferriitin {100}-tasot ovat melkein

samassa orientaatiossa rajan molemmilla puolella => lohkomurtuma etenee helposti niiden läpi

•  Paketti (packet) & blokki (block) –  säleet muodostavat blokkeja joiden sisällä kiteet ja {100}-tasot ovat

suurin piirtein samansuuntaisia, mutta blokkirajat ja pakettirajat ovat suurenkulman rajoja.

–  paketin ja blokin ero liittyy säleiden orientaatiovariantiin

iskusitkeys, J

Lämpötila Pääjännitys MPa

Lämpötila

myötämisjännitys V-loven alla, σm

Kriitinen jännitys lohkomurtuman

kasvuun, σc

Karkeasti, σc on riippumaton lämpötilasta, se kasvaa jos raekoko tai karbidipaksuus

pienenee. σm kasvaa voimakkaasti lpt:n pudotessa. Koko käyrä nousee kun teräksen lujuus nousee. Leikkauspiste => transitiolpt, jolloin pienempi raekoko =>

matalampi trans.lpt. ja lujempi teräs tai isommat

karbidit => korkeampi trans.lpt

Martensiitin ja bainiitin iskusitkeydestä

•  Edellisen kuvan perusteella: –  Lujempi teräs => taipumus korkeampaan ITT:hen –  Pienempi raekoko => matalampi ITT

•  Bainiitti –  Martensiitin efektiivinen raekoko pienenee jos perinnäinen austeniittiraekoko

pienenee => parempi iskusitkeys –  Yläbainiitin sitkeys heikko paksujen karbidikalvojen takia –  Alabainiitti sitkeys hyvä ohuiden karbidien takia yhdistettyyn pieneen

efektiiviseen raekokoon –  iskusitkeys paranee kun %C pienenee (lujuus laskee)

•  Martensiitti –  Martensiitin efektiivinen raekoko (pakettikoko) pienenee jos perinnäinen

austeniittiraekoko pienenee => parempi iskusitkeys –  Martensiitin iskusitkeys paranee kun %C pienenee (lujuus laskee) –  Martensiitin päästö => lujuus pienee (hyvä iskusitkeydelle) karbidit kasvavat

(huono iskusitkeydelle). Lopputulos kuitenkin positiivinen iskusitkeydelle.

Martensiittisiä suorakarkaistuja merkkituotteita - ks. moniste

•  Suorakarkaistuja levytuotteita –  Kulutusteräkset Ruukin Raex 400, Raex 500 (Numero viittaa Brinell –

kovuuteen HB)

–  Rakenneteräkset Ruukin Optim 960 QC (Numero viittaa myötölujuuteen MPa)

•  Suorakarkaistuja ja päästettyjä levytuotteita (nuorrutusteräksiä) –  Rakenneteräkset: Ruukin Optim 700 QL (Myötölujuus 700 MPa)

•  Suorakarkaistuja pitkiä tuotteita

–  Takoteräs Imaform