Plastisk deformasjon i metaller

Transkript

1 Metall-B 1 Plastisk deformasjon i metaller τ = P A S S = σcosα cosβ σ σ Figur 2. Plastisk flyt i korn. Dannelse av glidelinjer skjer først i korn der glideplanene står 45 på strekkspenningen

2 Metall-B 2 Glidelinjer i stål RA2003 S235-type. Differensialinterferenskontrast, 500X

3 1ε RA nov 2007 Metall-B 3 Glidning av atomplan σ σ y 45 τ! flytegrensen er ikke så høy! Det må være noe vi glemmer

4 Metall-B 4 Dislokasjoner Ved plastisk deformasjon vandrer dislokasjoner (linjedefekter) i glideplanene

5 Metall-B 5 Dislokasjoner

6 Metall-B 6 Dislokasjoner Figur 6. Kant- og skruedislokasjon Skjærspenningen får dislokasjoner til å vandre i et glideplan. En kantdislokasjon (figurene til venstre) beveger seg i skjærspenningens retning. En skruedislokasjon (figurene til høyre) beveger seg vinkelrett på skjærspenningen

7 Metall-B 7 Formering av dislokasjoner Annihilering av dislokasjon Dieter: Mechanical Metallurgy

8 Metall-B 8 Plastisk flyt i metaller Skjer alltid som skjærdeformasjon (som følge av skjærspenninger) MEN atomplanene glir ikke i sin helhet, de glir ved at dislokasjoner vandrer i planet, drevet av skjærspenning Ved vedvarende plastisk flyt (dislokasjonsbevegelser) formerer dislokasjonene seg Når det har blitt veldig mange dislokasjoner, vil de møte hverandre på en slik måte at det blir konflikt om glideplanene, duktilitetsgrensen er nådd, videre deformasjon vil gi brudd Alle måter / mekanismer som bremser dislokasjonenes evne til vandring, vil gi en herdeeffekt (dvs. det kreves høyere spenning for å oppnå flyt)

9 Herdemekansimer Metall-B 9 Herdemekanismer Herding av metaller betyr å øke flytegrensen, dvs. å gjøre det tyngre for dislokasjonene å vandre. Dette kan skje på forskjellige måter. Ved at det er fremmedatomer i gitteret. Det er da ikke så ensartet og dislokasjonene har vanskeligere for å passere. Dette kalles løsningsherding. Ved at det er partikler eller inneslutninger i krystallene. Dette kalles partikkelherding. Den sterkeste effekt av partikkelherding fås når partiklene er mange og små. Det finner vi i utherdbare aluminiumlegeringer, der partiklene er koherente (bryter ikke gitteret). I kulegrafittjern (seigjern) er partiklene store og runde, og gir liten herdevirkning, kulegrafittjern ganske duktilt. Ved at det genereres så mange dislokasjoner at de henger seg opp i hverandre. Dette kalles deformasjonsherding, og utnyttes i kaldbearbeiding av metaller (hardvalsing). Hardvalset materiale kan gjøres bløtt igjen ved en varmebehandling som setter fart på atomene slik at dislokasjonstettheten går ned til det normale igjen. Ved at materialet er finkornet, korngrenseherding. Mange korngrenser gjør dislokasjonsvandringen tyngre. Denne herdemekanismen er den som går minst ut over seigheten og er derfor gunstig

10 Metall-B 10 Seigherding av stål Hensikt: Oppnå bedre fasthet og seighet varme til austenittiseringstemperatur (γområdet), holde til homogenisering (diffusjonsutjevning, ca 30 min) Bråkjøle, vi får hard martensitt = øyeblikksdannet ferritt med tvangsløst karbon Anløpe ved (1/2 1 time), sette i gang diffusjon slik at cementitt dannes, men nå som små perler (ikke perlitt)

11 Metall-B 11 Normalisering av stål Hensikt: kornforfining og / eller polygonalisering av korn (bedre seighet) varme til austenittiseringstemperatur (γ-området), holde til homogenisering (diffusjonsutjevning, ca 30 min) Kjøle rolig slik at det blir normal transformasjon til ferritt-perlitt Støpt stål før og etter normalisering

12 Metall-B 12 Deformasjonsherding Hensikt: øke fastheten, lage lette og høyfaste produkter Tynnplater og profiler, blanke, ofte elektroforsinket Kaldvalsing Varmvalset Kaldvalset Eksempel, letthimling (usg-europe)

13 Metall-B 13 Termomekanisk behandlede stål Mikrolegerte stål TMCP:Thermo- mechanically controlled processing HSLA: High strength low alloy, også betegnet mikrolegering TMCP: En komplisert prosess der det startes med varmvalsing (i austenitttilstand). Legeringselementer feller ut kornstørrelsekontrollerende partikler. Kjølingen er aksellerert med vann mellom valsestegene. Transformasjonen til ferritt og karbid skjer under deformasjon Korngrenseherding partikkelherding deformasjonsherding Høyfaste konstruksjonsprofiler i S355 og S460 typer stål, men også plater med ennå høyere fasthet Høy fasthet, god seighet, god sveisbarhet

14 Metall-B 14 Sveising B.A. Gustafsson: Tilvirkningsteknikk Ståltype Velg rett tilsatsmaterial Velg rett prosedyre Fugepreparering Evt. forvarming En eller flere strenger

15 Metall-B 15 Sveising Ved smeltesveising gjentas hele stålhistorikken Sveismetallet er svært rent, blir til meget finkornet struktur Varmepåvirket sone (HAZ) er utsatt for skadelig påvirkning Noe av det verste er fukt under ukontrollerte forhold, vil gi hydrogensprøhet i sveisen Sveiseprosedyren er viktig!

16 Sveising Jo mer karbon det er i et stål, jo hardere vil det bli ved raskt avkjøling. Jo mer det finnes av legeringselementer i et stål, jo vanskeligere er det for karbonet å diffundere slik at deannes karbidaggregater, dvs. det vil også føre til økt hardhet. Det er derfor strenge krav til legeringsinnholdet i et stål som skal sveises. Dette uttrykkes med en karbonekvivalent. Dette er en empirisk størrelse og det finnes forskjellige formler. Her er to vanlige: C C eq eq Mn = C+ 0,32% 10 Mn Cr+Mo+V Ni+Cu = C , 41%

17 Det er vanlig å teste en sveis med hardhetsmåling. Sveising, hardhet Hardhet måles med forskjellige metoder, vanligst i europa er Vickers hardhet. En pyramideformet diamantspiss trykkes ned i underlaget med kraften F [N]. Hardhetsverdien er da HV = 0,1891 F, 2 d d1 + d2 der d er diagonalen av inntrykket, d = 2 Det er vanlig å kreve at hardheten ved testsveising på en materialprøve av samme type som den virkelige konstrukjonen er under 300 HV (prosedyre-kvalifikasjon) Dersom harheten i sveisen blir for høy, er det fare for sprøbrudd fordi dette gir områder med forhøyet flytespenning. Når sveisen blir kald, trekker den seg sammen. De termiske spenningene vil nå opp i flytespenningen for materialet. Det er derfor viktig at både grunnmetall, sveisetilsett og varmepåvirket sone har god duktilitet

18 Metall-B 18 Aluminium Aluminium er et lettmetall med meget stor anvendelse. Aluminium kan som kjent tilvirkes ved støping, profilpressing og platevalsing. Aluminium er godt sveisbart og det finnes mange legeringer som har gode maskineringsegenskaper. Aluminium i alle former kan også behandles slikt at fastheten økes, dvs. herdes. Aluminium har kubisk flatesentrert struktur (fcc). Dette innebærer at aluminium i ren, glødet form vil være meget duktilt. Ultrarent, mykglødet aluminium vil ha flytegrense omkring 3-5 MPa. Aluminiumlegeringer angis oftest ved det amerikanske nummersystemet, med det finnes også norske standarder, NS 17xxx.

19 Metall-B 19 Herding av aluminium. Partikkelherding

20 Metall-B 20 Utherdbar aluminiumlegering Fasediagrammet Strukturen som støpt

21 Metall-B 21 Innherding

22 Metall-B 22 Utherdingen Figur 1 Homogenisert Figur 2 Diffusjon til begynnende partikler, GP-soner Figur 3 Koherente partikler Figur 4 Overelding, koherensbrudd Anmerkning: partiklene etter overelding er egl. svært mye større enn de koherente partiklene (og langt færre)

23 Metall-B 23 Prosessoptimalisering

24 Metall-B 24 Forskjellige utherdbare Al-legeringer legeringer

25 Legeringselementer Aluminiumlegeringer AW EN nummer Legeringselementer Varmebehandling 1xxx Super- or commercial-purity Al. Non-heat-treatable 2xxx Al-Cu(-Mg) Heat-treatable 3xxx Al-Mn(-Mg) Non-heat-treatable 4xxx Al-Si Non-heat-treatable 5xxx Al-Mg Non-heat-treatable 6xxx Al-Mg-Si Heat-treatable 7xxx Al-Zn-Mg(-Cu) Heat-treatable 8xxx Other alloys Metall-B 25 Varmebehandling T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 Cooled from elevated temperature shaping process > Naturally aged to a substantially stable condition Cooled from elevated temperature shaping process > Cold worked > Naturally aged Solution heat treated > Cold worked > Naturally aged Solution heat treated > Naturally aged Cooled from high temperature shaping > Artificially aged Solution heat treated > Artificially aged Solution heat treated > Overaged (i.e. beyond maximum strength) Solution heat treated > Cold worked > Artificially aged Solution heat treated > Artificially aged > Cold worked Det brukes også 2-sifrede angivelser. Disse er fabrikksangivesler, HXY. Kaldbearbeiding Y Degree of strain hardening X Secondary treatment 2 1/4 hard 1 Cold worked only (no anneal) 4 1/2 hard 2 Cold worked + partial anneal 6 3/4 hard 3 Cold worked + "stabilised" 8 fully hard 4 Cold worked + baked 9 extra hard