TERÄSOPAS
3.3.3 Karkaisu ja päästö, nuorrutus
3.3.3.1. Karkenevuus
Karkaisulla ymmärretään teräksen kuumentamista austeniitin muodostumislämpötilan yläpuolelle ja jäähdyttämistä, austeniitin muodostumiseen ja homogenisoitumiseen tarvittavan pitoajan jälkeen, kriitillistä jäähtymisnopeutta suuremmalla nopeudella. Karkaisun tavoitteena on tietty, ennalta määrätty martensiittipitoisuus karkaistun kappaleen mikrorakenteessa. Mikäli tavoitteena on 100 %:sti martensiittinen mikrorakenne jäähtymisnopeuden on oltava suurempi kuin suurin kolmesta esieutektoidiseen austeniitin hajautumiseen liittyvästä kriittisestä jäähtymisnopeudesta (ks. 3.2) Karkenevuudella tarkoitetaan teräksen kykyä muuttua martensiitiksi, kun se jäähdytetään eri nopeuksilla karkaisulämpötilasta. On ilmeistä, että karkenevuus on läheisesti riippuvainen juuri kriitillisestä jäähtymisnopeudesta. Se, että karkenevuuden mittana ei yleisesti käytetä suoraan kriitillistä jäähtymisnopeutta, riippuu puhtaasti käytännöllisistä syistä. Jäähtymisnopeus on aineominaisuutena epähavainnollinen ja sen määrittäminen on sitäpaitsi hankalaa. Havainnollisimmin voidaan kriittinen jäähtymisnopeus esittää jatkuvan jäähtymisen S-piirroksilla (CCT-piirros), jollainen on esitetty
Kuva 21. Jatkuvan jäähtymisen S-käyrä (CCT-piirros)
Tähän tavoitteeseen on päästy ottamalla käyttöön ns. kriittinen läpimitta-käsite.
Kriittisellä läpimitalla tarkoitetaan sitä halkaisijaa, jolla tietyllä sammutustavalla (= pinnan jäähtymisnopeudella) saadaan täysin martensiittinen mikrorakenne pyörötangon akselilla. Jos karkaistavana on siis pyörötanko ja halutaan täysin martensiittinen rakenne tangon keskellä ja käytettävissä on sammutusta varten vesiallas, on valittava teräs, jonka kriittinen läpimitta vesiammutuksella on vähintään yhtä suuri kuin karkaistavan pörötangon.
Edellä annettuun kriittisen iäpimitan määritelmään sisältyi kolme mielivaltaista olettamusta, joita on syytä tarkastella lähemmin:
1) Karkenemisen kriteeriksi on valittu 100 % martensiittia sisältävä mikrorakenne. Tämä vaatimus on esim. metallografista havaintotarkkuutta ajatellen epärealistinen ja kuten myöhemmin käy ilmi myös käytännössä harvoin tarpeellinen. Karkenemisen kriteerinä käytetäänkin tarpeen mukaan erilaisia martensiittipitoisuuksia, yleisemmin 50 %,
2) Karkenemisen kriteerinä käytetty martensiittipitoisuus on määrätty pyörötangon akselilla. Kuten myöhemmin käy ilmi riippuu esim. kuormitustavasta, mille syvyydelle koneenosan tulee kareta. Niinpä voidaan karkenevuuden kriteeriksi valittu martensiittipitoisuus vaatia eri syvyyksillä pyörötangon sisällä. Yleisimmin käytetyt syvyydet ovat 1/3R, 1/2R ja R, kun R on pyörötangon säde.
3) Kriittisen läpimitan määritelmän mukaan riippuu pinnan jäähtymisnopeus käytetystä sammutusväliaineesta. Sammutusväliaineen sammutusteho H riippuu paitsi väliaineen laadusta, myös väliaineen lämpötilasta ja virtausnopeudesta kappaleeseen nähden. Taulukossa 2 on esitetty eräitä käytännössä esiintyviä H:n arvoja (Grossman ja Asimow'in mukaan).
Silloin kun halutaan verrata eri teräslaatujen karkenevuuksia voidaan käytetyille parametreille antaa mahdollisimman yksinkertaiset ja tarkasti toistettavat arvot. Tällainen karkenevuuden mitta on ns. ideaalinen kriittinen läpimitta (Di), jolla tarkoitetaan sellaisen pyörötangon halkaisijaa, jolla saadaan 50 % martensiittia tangon keskustassa käytettäessä ideaalista jäähdytystä. Ideaalisessa jäähdytyksessä oletetaan kappaleen pinnan jäähtymisnopeus äärettömän suureksi (H = oo )
Kuvassa 22 on esitetty ideaalisen kriitillisen läpimitan ja kriitillisen läpimitan (50 % martensiittia keskustassa) välinen riippuvuus erilaisilla sammutustehoilla.
Kriittisen läpimitan määrittämiseksi on tutkittavalla teräksellä tehtävä sarja karkaisukokeita eri paksuisilla tangoilla. Mittaamalla kovuus tai määrittämällä martensiittipitoisuus metallografisesti esim. tangon keskustassa, voidaan kriittinen läpimitta määrittää Kuvan 23 osoittamalla tavalla
Kuva 23 Kriittisen läpimitan määrittäminen kovuusmittauksilla.
Karkaisukokeiden tekminen suurella määrällä eripaksuisia koesauvoja on verraten työlästä, minkä vuoksi on kehitetty koemenetelmä, jossa yhdellä koekappaleella saadaan aukoton sarja erilaisia jäähtymisnopeuksia. Tässä ns. otsasammutuskokeessa eli jominykokeessa jäähdytetään ~ 25 mm:n paksuinen ja 100 mm:n pituinen koesauva toiseen päähän suunnatulla vesisuihkulla. Tämän ja ilmassa jäähtyvän pään välillä saadaan erilaisia jäähtymisnopeuksia. Kokeen suoritus on tarkoin standardisoitu, jotta jäähtymisnopeusjakautuma pysyisi samana kokeesta toiseen.
Karkenevuus voidaan määrittää jominysauvasta mittaamalla kovuus tai määrittämällä martensiittipitoisuus sauvaan koneistetusta tasosta. Kun kovuus tai martensiittipitoisuus esitetään jäähdytetystä päästä mitatun etäisyyden, jominyetäisyyden, funktiona, saadaan teräksen jominy-käyrä .
Kuva 24.Jominy käyrän määrittäminen
Saman teräslaadun jominykäyrät muodostavat analyysivaihteluiden ja luonnollisen hajonnan vaikutuksesta jominynauhan
Kuva 25. Teräksen Jominy nauha
Jominy-käyrää voidaan käyttää sellaisenaan karkenevuuden mittana tai ilmoittamalla tiettyä kovuutta tai martensiittipitoisuutta vastaava jominy-etäisyys. Annettu jominy-etäisyys voidaan muuntaa kuvassa olevan apuasteikon avulla kriittiseksi läpimitaksi.
3.3.3.2 Karkaisuhehkutus
Karkaisuhehkutuksen tarkoituksena on muuttaa karkaistavan teräksen mikrorakenne homogeeniseksi austeniitiksi, jonka hiilipitoisuus on sopiva ja raekoko mahdollisimman pieni.
Karkaisuhehkntuksessa käytetyt lämpötilat ovat yleensä samat kuin normalisoinnissa. Alieutektoidisilla teräksillä 25--50oC austeniitin muodostumislämpötilan (A1) yläpuolella. Hienoraeteräksillä voidaan kuitenkin käyttää huomattavasti korkeampia austenitointilämpötiloja, mikä on austeniitin homogeenisuuden kannalta edullista (vrt. 3.1). Alieutektoidisilla teräksillä aiheuttaa liian matala karkaisulämpötila sen, että rakenteeseen jää liukenematonta ferriittiä. Tästä on seurauksena huonot mekaaniset ominaisuudet.
Ylieutektoidisilla teräksillä tapahtuu karkaisuhehkutus yleensä Acm-lämpötilan alapuolella. Austenitointilämpötilalla säädetään täten austeniittiin liuenneen hiilen määrä sopivaksi. Liian korkeasta austeniitin hiilipitoisuudesta on seurauksena jäännösausteniitin muodostuminen karkaisussa, sillä Mf-lämpötila laskee voimakkaasti austeniittiin liuenneen hiilen pitoisuuden lisääntyessä (kuva 18)
Runsasseosteisilla, erikoiskarbideja sisältävillä teräksillä (työkaluteräkset) on erikoiskarbidien vaikealiukoisuuden vuoksi käytettävä usein huomattavasti korkeampia karkaisuläm pötiloja kuin hiili-ja niukkaseosteisilla teräksillä.(vrt. 3.1)
Karkaisuhehkutuksen kestoaika, jolloin kappale on saavuttanut läpikotaisin karkaisulämpötila-alueen alarajaa vastaavan lämpötilan, on hiili ja niukkaseosteisilla teräksillä n. 20--30 min.
Runsasseosteisilla teräksillä riippuu pitoaika karbidien liukenemisnopeudesta ja vaihtelee seostuksen laadusta ja austenitointilämpötilasta sekä halutusta karbidien liukenemisasteesta riippuen.
Karkaisussa kuten kaikissa muissakin austeniitin muodostumiseen ja hajautumiseen perustuvissa lämpökäsittelyissä pyritään säilyttämään austeniitin raekoko mahdollisimman pienenä.( enintän 7 ASTM). Joskus tosin käytetään hyväksi sitä, että austeniitin raekoon kasvu lisää karkenevuutta. Tällaista menettelyä ei kuitenkaan voi suositella. Austeniitin raekoon kasvaessa tulevat mar- tensiittilinssit suuriksi ja tästä aiheutuva hauraus ei häviä päästössäkään. Tälla seikalla on suuri merkitys erityisesti työkaluteräksillä. Myös repeilyherkkyys karkaisussa lisääntyy austeniitin raekoon kasvaessa.
3.3.3.3 Sammutus
Teräksen karkeneminen, eli austeniitin hajautuminen martensiitiksi, edellyttää austeniitin jäähtymistä niin suurella nopeudella (jäähtymisnopeus pinempi kuin kriittinen jäähtymisnopeus), että austeniitin hajautuminen ferriitiksi ja karbidiksi estyy. Tarvittava jäähtymisnopeus riippuu teräksen karkenevuudesta ja saattaa vaihdella ilmajäähdytyksellä saavutettavasta suurimpaan mahdolliseen. Karkaisuun liittyvää jäähdytystä on tullut tavaksi kutsua sammutukseksi, jota seuraavassa myös käytetään.
Sammutustavan valinta riippuu paitsi teräksen karkenevuudesta myös karkaistavan kappaleen koosta, halutusta karkenemlssyvyydestä ja kappaleen herkkyydestä mittamuutoksiin ja repeilyyn. Teräksen ja kappaleen koon pysyessä samana voidaan karkenemissyvyyttä säätää jäähtymisnopeutta säätämällä. Mitä nopeammin kappaleen pinta saadaan jäähtymään, sitä suurempi lämpötilaerotus tulee sisustan ja pinnan välille ja sitä nopeammin sisusta jäähtyy. Jäähtymisnopeuden rajatapaus on se, jolloin pinta jäähtyy äärettömän nopeasti sammutusaineen lämpöiseksi; tämä on ns. ideaalinen jäähdytys. Tällöin austeniitin lämmönjohtokerroin määrää jäähtymisnopeuden kappaleen sisällä eli karkenemissyvyyden. karkaisun tavoitteeksi on asetettu esim., että kappaleen keskustan on oltava 50 %:sti martensiittia sammutuksen jälkeen, saavutetaan tämä avoite sitä paksummalla kappaleella mitä tehokkaampaa jäähdytystä sammutuksessa käytetään.
Sammutuksessa syntyy aina lämpötilaero pinnan ja sisustan välillä. Tästä aiheutuvat mekaaniset jännitykset johtavat helposti vääntymiseen ja repeilyyn suurilla tai monimutkaisilla kappaleilla. Erikoisen vaarallisia ovat tällaiset jännitykset alhaisissa lämpötiloissa, joissa martensiitin muodostuminen tapahtuu. Jäähtymisnopeuden täytyisi siis juuri tässä vaiheessa olla mahdollisimman pieni.
Edellä esitetyt näkökohdat huomioon ottaen valitaan sammutusaineeksi jokin seuraavista: vesi tai jokin vesiliuos, öljy, suola- tai metallikylpy, paineilma tai levossa oleva ilma.
Ihanteellinen sammutusaine olisi sellainen, jonka jäähdytyskyky korkeissa lämpötiloissa olisi mahdollisimman suuri, suunnilleen sellainen kuin 10% NaCl-vesiliuoksella, koska repeily- ja vääntymisvaaraa ei tällöin ole. Lämpötilaalueella 500--550oC olisi sopiva jäähdytysnopeus öljyn ja veden jäähdytysnopeuden välillä. Alhaisissa lämpötiloissa, joissa martensiitin muodostuminen tapahtuu, täytyisi jäähtymisnopeuden olla mahdollisimman pieni, likimain kuten öljyllä. Tällaista ihanteellista sammutusainetta ei toistaiseksi ole olemassa, joten valinnassa on tyydyttävä sopivaan kompromissiin.
Erilaisten sammutusaineiden jäähdytyskyvyn riippuvuutta lämpötilasta on tutkittu suorittamalla jäähdytyskokeita kiillotetulla hopeakuulalla, jonka läpimitta = 20 mm. Sammutus on suoritettu +800 C:n lämpötilasta.
Kuva26. Hopeakuulalla tehtyjen jäähdytyskokeiden tuloksia
Kuvassa 26 on esitetty näiden kokeiden tuloksia yleisesti käytetyillä nestemäisillä sammutusaineilla. Kaikilla näillä voidaan jäähtymisen kuluessa erottaa kolme eri vaihetta:
Vaiheessa 1., joka havaitaan korkeissa lämpötiloissa, höyrystyy neste kuuman kappaleen pinnalla ja muodostaa siihen yhtenäisen höyrykalvon. Lämmön siirtyminen kappaleesta nesteeseen tapahtuu tämän höyrykerroksen läpi säteilemällä ja johtumalla. Tämä vaihe on sitä voimakkaampi mitä alempi ja selvempi kiehmispiste samnutusaineella on.
Vaihe 2., jossa höyrykerros rikkoutuu ja neste pääsee kosketukseen kappaleen pinnan kanssa. Neste höyrystyy tällöin voimakkaasti kuplien. Kuplat irtoavat ja niiden sisältämä höyry tiivistyy kauempana kappaleesta uudelleen. Lämmön siirtyminen kappaleesta tapahtuu höyrykupliin sitoutuneena höyrystymislämpönä. Tässä vaiheessa on kappaleen jäähtymisnopeus suurimmillaan ja on sitä suurempi mitä suurempi on nesteen höyrystymislämpö ja mitä pienempi on viskositeetti.
Vaihe 3., jossa kappaleen pintalämpötila on pienempi kuin sammutusnesteen kiehumislämpötila. Lämmön siirtyminen kappaleesta tapahtuu nesteen konvektiovirtauksen välityksellä. Jäähtymisnopeuden määrää nyt nesteen lämmönjohtokyky ja viskositeetti.
Vedellä ja erilaisilla vesiliuoksilla saadaan suurimmat jäähtymisnopeudet. Niitä käytetään sen vuoksi sellaisten terästen karkaisuun, joilla kriittinen jäähtymisnopeus on suuri (puhtaat hiiliteräkset tai niukasti seostetut teräkset) tai joilla alhaisen hiilipitoisuutensa (C alle 0,1 %) ansiosta ei ole taipumusta karkaisurepeilyyn (esim. IMACRO). Puhtaalla vedellä on alhaisesta kiehumispisteestä johtuen voimakas höyrykalvon muodostus vaiheessa 1. Tämä voidaan estää käyttämällä sopivaa vesiliuosta. Parhaan tuloksen, veden lämpötilan ollessa välillä 20--60 C, antaa 9 % NaCl-liuos (tiheys 1,071 g/cm +20 C:ssa) tai 3 % NaOH-liuos. Näistä NaCl-liuos on vaarattomuutensa vuoksi eniten käytetty. Myös LiCl- ja Na2C03 liuoksia käytetään.
Veden lämpötilan noustessa pitenee höyrykalvon säilymisaika. Tehokkaan jäähtymisen takaamiseksi on veden lämpötila pidettävä tämän vuoksi mieluimmin alle +20 C. Saippuan lisääminen veteen vaikuttaa samoin kuin veden lämpötilan kohoaminen.
Edellä mainituilla veteen liuotetuilla aineilla ei ole sanottavaa vaikutusta jäähtymisnopeuteen vaiheessa 2 ja 3. Polyvinyl-alkoholin (0,15 %) lisääminen veteen pienentää sen sijaan veden jäähdytystehoa erityisesti vaiheessa 3 siten, etta tällaisen liuoksen sammutusominaisuudet ovat paljaan veden ja öljyn väliltä.
Koska vesiammutuksessa jäähtymisnopeus on martensiitin muodostumislämpötilassa vielä hyvin suuri, verrattuna öljyn jäähtymisnopeuteen, joka oli sopiva, soveltuu vesijäähdytys vain yksinkertaisten ja symmetristen kappaleiden karkaisuun.
öljyn jäähdytyskyky vaiheissa 2 ja 3 on huomattavasti pienempi kuin veden. Öljysammutusta voidaan käyttää vain teräksillä, joilla on pieni kriitillinen jäähtymisnopeus (keskimääräisesti ja runsaasti seostetut teräkset). Vaihe 1 on öljyillä pitempi kuin vedellä, mutta tässä vaiheessa on useilla öljyillä suurempi jäähdytysteho kuin vedellä. Koska tämän vaiheen pituus riippuu öljyn kiehumislämpötilasta, on kiehumislämpötilalle asetettava määrätty alaraja. Eräiden yleisesti käytettyjen öljyjen kiehumapisteet liikkuvatkin 380--460 C:n välillä.
Korkean kiehumislämpötilan johdosta voidaan sammutusöljyn lämpötilaa nostaa melkoisesti, päinvastoin kuin vedellä ilman, että vaihe 1 pitkittyy merkittävästi. Tästä seuraa eräitä huomattavia etuja: Lämmittämällä öljy sopivaan lämpötilaan suurenee jäähtymisnopeus vaiheessa 2, verrattuna kylmään öljyyn, mikä aiheutuu öljyn pienentyeestä viskositeetista. Suurin etu saavutetaan kuitenkin siinä, että jäähtymisnopeus vaiheessa 3 vastaavasti pienenee, Koska martensiittireaktio tapahtuu useimmitentämän vaiheen aikana, repeilemisvaara pienenee täten.
Itse asiassa on osoitettu, että eri öljyillä, joiden viskositeetit huoneenlämpötilassa vaihtelevat laajoissa rajoissa, saadaan identtiset jäähtymiskäyrät, jos kukin öljy on lämmitetty sille optimaaliseen lämpötilaan.
Lämmitettyjen öljyjen käyttöön liittyy kuitenkin eräitä haittojakin: Käytettäessä lämmitettyä öljya on lämpötilaa tarkoin valvottava, ettei se nouse liikaa. Siitä saattaa seurata öljyn syttyminen sammutuksessa, josta voi aiheutua onnettomuuksia. Lämpimään öljyyn sammutettaessa jää karkaistuun kappaleeseen jäännösausteniittia, jos öljyn lämpötila on korkeampi kuin Mf-lämpötila. Jäännösausteniitin välttämiseksi on kappale tällöin jäähdytettävä öljysammutuksen jälkeen jossain kylmemmässä väliaineessa ennen päästöä. Tämän vuoksi suositellaankin käytettäväksi sellaisia öljyjä, joiden suurin jäähdytysteho saavutetaan lämpötiloissa 30--60 C.
Monimutkaisilla kappaleilla, joissa on suuria poikkipinnan muutoksia, ei öljynkään hidas jäähdytysnopeus alhaisissa lämpötiloissa riitä estämään repeilyä ja vääntymistä. Tällöin täytyy käyttää terästä, jonka kriittinen jäähtymisnopeus on runsaalla seostuksella saatu niin pieneksi, että karkeneminen tpahtuu ilmassa (suojakaasussa) jäähtyessä. Ilmassa saavutetaan maksimi jäähtymisnopeus hyvin nopeasti, sen jälkeen pienenee jäähtymisnopeus tasaisesti kappaleen jäähtyessä.
Käyttämällä virtaavaa ilmaa saadaan sen jäähdytyskyky nousemaan voimakkaasti
Kuva27. Ilmajaahdytyksen jäähtymiskäyriä
Jäähtymisnopeudet ovat tällöinkin kuitenkin hyvin pienet verrattuna öljysammutukseen.
Kalliit ja vaikeasti koneistettavat ilmakarkaisuteräkset voidaan usein menestyksellisesti korvata öljyyn karkaistavalla teräksellä käyttämällä erityistä sammutusmenetelmää, etappikarkaisua. Tällöin suoritetaan sammutus öljy-, suola- tai metallikylpyyn, jonka lämpötila on hieman ko. teräksen Ms-lämpötilan yläpuolella. Kappaletta pidetään kylvyssä niin kauan, että lämpötilaero pinnan ja sisustan välillä on suurimmaksi osaksi tasottunut. Tämän jälkeen otetaan kappale pois kylvystä ja annetaan jäähtyä levossa olevassa ilmassa. Martensiittireaktio tapahtuu tällöin ilmajäähdytyksen aikana, jolloin jäännösjännitykset jäävät pieniksi.
Kuvissa 26 ja 27 esitetyillä jäähtymiskäyrillä on käytäntöä ajatellen vain kvalitatiivista merkitystä. Nehän oli saatu sammuttamalla kiillotettu hopeakuula levossa olevaan sammutusaineeseen.
Käytännössä vaikuttavat jäähtymisnopeuteen sammutusaineen jäähtymisominaisuuksien lisäksi sellaiset seikat kuin kappaleen pinnanlaatu ja puhtaus, sekä kappaleen liike sammutusaineeseen nähden.
Epäpuhtaudet kappaleen pinnalla pienentävät jäähtymisnopeutta kun taas kappaleen ja sammutusaineen suhteellinen liike suurentavat sitä (taulukko 2)
3.3.4.4 Päästö, nuorrutus
3.3.3.4.1 Päästön aiheuttamat muutokset mikrorakenteessa
Kun teräksen hiilipitoisuus ylittää 0,1 % muodostuu sitkeän sälemartensiitin ohella, hiilipitoisuuden kasvaessa yhä lisääntyvän määrä haurasta levymartensiittia. Martensiitti muuttuu n. 0,2 %:n hiilipitoisuudesta ylöspäin niin hauraaksi, että se ei sovellu sellaisenaan juuri mihinkään käyttötarkoitukseen. Sitkeyden parantamiseksi on karkaistu teräs päästettävä eli hehkutettava terästyypistä ja karkaistun kappaleen käyttötarkoituksesta riippuvassa lämpötilassa tietyn ajan. Jos hiili- tai niukkaseosteisesta teräksestä tehdyltä kappaleelta vaaditaan nimenomaan suurta kovuutta ja kulumiskestävyyttä, käytetään matalaa päästölämpötilaa (Tp= n.200oC) Jos sen sijaan sitkeys on tärkeää, käytetään korkeampaa päästölämpötilaa (Tp = 450--500oC). Jälkimmäisessä tapauksessa käytetään karkaisun ja päästön muodostamasta lämpökäsittelystä nimitystä nuorrutus.
Runsasseosteista työkaluterästä voi päästää useiden seosaineiden päästönkestävyyttä lisäävän vaikutuksen ansiosta huomattavasti korkeammassa lämpötilassa kuin hiili- tai niukkaseosteista terästä. Erikoiskarbideja muodostavia seosaineita (Cr, Mo, W, V, Ti) runsaasti sisältävillä teräksillä tapahtuu korkeissa lämpötiloissa ns. sekundäärinen karkeneminen, mikä perustuu koherenttien erikoiskarbidien muodostumiseen.
Sekundäärisen karkenemisen ansiosta saattaa kovuus nousta n. 600oC:n päästölämpötilassa uudelleen samaan, mikä se oli n. 200oC:n päästöllä.
Koska päästö on viimeinen lämpökäsittelyvaihe nuorrutus- ja työkaluteräksillä, on sillä tärkeä merkitys teräksen lopullisille ominaisuuksille. Tämän vuoksi on syytä tarkastella päästössä tapahtuvia ilmiöitä paästössä tapahtuvien muutosten ymmärtämiseksi. Päästölämpötilan asteittain noustessa voidaan päästön kuluessa erottaa kolme eri vaihetta:
I. vaiheessa erkautuu hiilellä ylikyllästetystä matriisista hiiltä epsilonkarbidina, jonka koostumus Fe2,4C poikkeaa hiilipitoisuuden suhteen sementiitistä. Epsilon-karbidin muodostuessa köyhtyy martensiitti hiilestä, tasapainopitoisuuden ollessa 0,25--0,30 %. Epsilon-karbidi erkautuu levymäisinä erkaumina, jotka asettuvat tietyille hilatasoille martensiittiin. Hiili- ja niukkaseosteisille teräksille sattuu I, vaihe n. 200oC:n kohdalla. Runsasseosteisilla teräksillä, joilla Epsilon-karbidin muodostumista edellyttävä hiilen diffuusio on vaikeampaa, siirtyy tämä vaihe korkeampiin lämpötiloihin tai saattaa jäädä kokonaan pois. Martensiittisessa matriisissa ei I. vaiheen aikana tapahdu vielä välittömästi havaittavia rakennemuutoksia.
II. vaiheessa tapahtuu pääasiassa jäännösausteniitin hajautuminen. Tämä tapahtuu hiili- ja niukkaseosteisilla teräksillä n. 250oC:n vaiheilla. Jäännösausteniitin arvellaan hajautuvan isotermisesti bainiittimekanismilla. Runsasseosteisilla teräksillä vaikeutuu jäännösausteniitin hajautuminen seostuksen vaikutuksesta siirtyen korkeampiin lämpötiloihin ja samalla hidastuen. Seostuksen vaikutuksesta saattaa hajautumismekanismi muuttua siten, että bainiittireaktion asemesta tapahtuu jäännösausteniitista hiilen erkautumista karbidina. Hiilestä köyhtyneen austeniitin Ms-lämpötila nousee ja se hajautuu martensiitiksi päästöä seuraavassa ilmajäähdytyksessä.
Näin muodostunut martensiittti on päästettävä uudelleen ja mikäli päästön jälkeen muodostuu uutta martensiittia päästö on uusittava ehkä kolmannenkin kerran.
Pikateräksillä onkin tavallista, että parhaan tuloksen saavuttamiseksi tehdään kaksi tai useampia päästöjä.
III. vaiheessa tapahtuu hiili- ja niukkaseosteisessa teräksessä sementiitin, Fe3C, muodostuminen. Sementiitti ydintyy itsenäisesti ja sementiittiytimien kasvaessa liukenevat epsilon-karbidisulkeumat samanaikaisesti pois. Aluksi erkautuu sementiitti levymäisinä erkaumina, mutta kun lämpötilanousee 300oC:n yläpuolelle sementiittilamellit alkavat palloutua ja pallojen läpimitta kasvaa.
Runsasseosteisissa teräksissä siirtyy sementiitin muodostuminen korkeampiin lämpötiloihin. Kun hiiliteräksessä matriisin hiilipitoisuus on saavuttanut tasapainoarvon n.300oC:n lämpötilassa, on runsasseosteisissä teräksissä matriisin todettu olevan hiilellä ylikyllästynyt vielä 400--500oC:ssa tapahtuneen päästön jälkeen.
Päästönkestävyyttä lisäävät seuraavat seosaineet: Si, Cu, Mo, W, Ti ja Co, ja kullakin niistä on oma tyypillinen vaikutuksensa. Ni ja Mn sen sijaan vaikuttavat päinvastaiseen suuntaan, pienentäen päästönkestävyyttä. Seostetuissa teräksissä muodostuvassa sementiitissä esiintyy korvaussija-asemassa olevia seosaineita yleensä samassa suhteessa kuin niitä on liuenneina austeniittiin.
Yli 400oC:n päästölämpötiloissa tulee erikoiskarbidien muodostuminen mahdolliseksi runsasseosteisissa teräksissä. Erikoiskarbidit voivat muodostua entisen sementiittisulkeuman kylkeen tai erkautua martensiitista erillisinä. Jälkimmäisessä tapauksessa, jonka mukaan seoskasbidien muodostuminen yleensä tapahtuu, ovat erkautuvat karbidihiukkaset koherentteja l) ja niiden ympäristöön kehittyvät kimmoiset jännityskentät aiheuttavat teräksessä voimakkaan lujittumisen.
1)Sulkeuma voi olla koherentti tai epälkoherentti. Ensin mainitussa tapauksessa jatkuvat matriisin hilatasot sulkeumaan. Erilaisista hilamitoista aiheutuva hilatasojen taipuminen aiheuttaa tällöin ylimenokohdan läheisyyteen kimmoisen jännityskentän. Jälkimmäisessä tapauksessa matriisin ja sulkeuman hilatasojen suunnat eivät ole riippuvaisia toisistaan, vaan ylimenokohtaa muodostuu raeraja (suurenkulmanraja), johon on sitoutunut energiaa raerajan pinfaenergiana.
Martensiittisessa matriisissa tapahtuu päästön III. vaiheessa huomattavia, välittömästi havaittavia muutoksia. Martensiitin tetragonaalisuus häviää samalla, kun hiilipitoisuus saavuttaa tasapainoarvonsa. Martensiittilinssien hienorakenne muuttuu (dislokaatioiden uudelleen ryhmittymisen vaikutuksesta) siten, että yhdestä martensiittilinssistä tulee useita tasa-akselisia ferriittiseliejä. Nuorrutuksella saatu suuri sitkeys on siten pääasiassa erittäin pienen ferriittisen sellikoon ansiota.
3.3.3.4.2 Päästön aiheuttamat muutokset mekaanisissa ominaisuuksissa
Päästössä tapahtuvat mikrorakenteen muutokset ilmenevät mekaanisissa ominaisuuksissa, kuten lujuudessa ja sitkeydessä, tapahtuvina muutoksina. Kuten aikaisemmin todettiin on päästämätön martensiitti yleensä kovaa ja haurasta. Poikkeuksen muodostaa vain vähähiilinen martensiitti (sälemartensiitti, Kuva 17) (C alle 0,10 %), joka on riittävän sitkeää ilman päästöäkin.
Päästön I. vaiheessa ei kovuus laske vielä merkittävästi, mutta sitkeydessä voidaan havaita suuria muutoksia.
Matalalla päästetyn teräksen sitkeyden mittaamiseen on kiertoiskukoe osoittautunut sopivimmaksi. Kokeessa mitataan murtumaa edeltänyt muodonmuutostyö, jota pidetään sitkeyden kriteerinä. Kiertoiskukokeilla on todettu, että hiili- ja useilla niukkaseosteisilla teräksillä esiintyy sitkeyshuippu n. 200oC:n päästölämpötilan kohdalla
Kuva28.Kiertoiskusitkeyskokeen tulos.
. Päästölämpötilan noustessa teräksen koostumuksesta riippuvan optimiarvon yläpuolelle tapahtuu sitkeydessä voimakas lasku ja se nousee optimiarvoa vastaavaan arvoon uudelleen vasta huomattavasti korkeammilla päästölämpötiloilla (Tp >500oC).
Sitkeyshuippua vastaava päästölämpötila on teräksen seostuksesta riippuvainen siten, että päästönkestävyyttä lisäävät seosaineet siirtävät sitä korkeampiin lämpötiloihin päin.
Runsasseosteisilla teräksillä havaitaan kaksi sitkeyshuippua, joista toinen sattuu hieman ennen suurimman kovuuden antavaa päästölämpötilaa.
Sitkeysminimien esiintymiselle on esitetty monia teorioita. Koherenttien karbidien erkautumista on pidetty yleisesti syynä ilmiöön, mutta on myös koetuloksia, jotka osoittavat, että sellaiset epäpuhtaudet kuin arsenikki, tina, vismutti ja fosfori voivat olla syyllisiä (Bain). Edellä mainittujen haurausilmiöiden lisäksi esiintyy niukkaseosteisilla, etenkin Mn-Cr- ja Ni-Cr-seosteisilla teräksillä haurausilmiö, joka kehittyy päästölämpötila-alueella 450--600oC. Tämä ns. päästöhauraus ilmenee iskukokeessa transitiolämpötilan nousuna.
Päästöhauraus kehittyy myös silloin, kun teräs on päästetty päästöhaurausalueen yläpuolella, mutta on saanut jäähtyä hitaasti päästöhaurausalueen läpi. Jäähdyttämällä kappale tässä tapauksessa päästön jälkeen vedessä estyy päästöhaurauden kehittyminen. Seostamalla teräkseen n. 0,20 % molybdeeniä estyy päästöhaurauden kehittyminen normaaleilla päästöajoilla. Tällaisia teräksiä voidaan päästää myös kriittisellä lämpötila-alueella ja jäähdyttää hitaasti tämän lampötila-alueen läpi päästettäessä teräs päästöhaurausalueen yläpuolella.
Ilmiön syitä ei tarkkaan tunneta, mutta otaksutaan, että perinnäisille austeniitin raerajoille kertyvät epäpuhtaudet, kuten vismutti, fosfori ja arsenikki, olisivat syyllisiä päästöhaurauden syntymiseen. Tällaista mekanismia puolustavat havainnot, että suuri austeniitin raekoko lisää päästöhaurausherkkyyttä ja että murtuma kulkee päästöhauraassa teräksessä austeniitin raerajoja pitkin.
3.3.4 Isotermiset lämpökäsittelyt