TERÄSOPAS
3.TERÄSTEN LÄMPÖKÄSITTELYT
3.1 Austeniitin muodostuminenTerästen lopulliset käyttöominaisuudet aikaansaadaan sopivalla lämpökäsittelyllä. Lämpökäsittelytperustuvat raudan allotrooppisen muutoksen olemassaoloon eli austeniitin muodostumiseen lämpötilan noustessa ja austeniitin hajautumiseen lämpötilan laskiessa. Tämän vuoksi austeniitin muodostumis- sekä hajautumismekanismien ymmärtärnisel1ä on suuri merkitys lämpökäsittelyjen suorituksen hallitsemiselle ja niiden vaikutusten ymmärtämiselle.
Austeniitin muodostumiselle on aina silloin olemassa termodynaamiset edellytykset, kun lämpötila ylittää tasapainopiirrokseen (Kuva 1.) merkityn A1-lämpötilan 738 C. Tällöin tulee mikrorakenteessa oleva sementtiitti epävakaaksi ja muuttuu austeniitiksi ytimen muodostumis- ja kasvumekanismilla. Aluksi muodostuu austeniitin ytimiä ferriitti- ja sementiittilamellien välisille rajoille. Nämä ytimet kasvat sitten ferriitti- ja sementiittilamellien kustannuksella, kunnes kaikki perliitti on muuttunut austeniitiksi.
Alieutektoidisella teräksellä on tällöin mikrorakenteessa ferriittiä ja eutektoidisen koostumuksen omavaa austeniittia. Austeniitin suhteellinen määrä on vipusäännön mukaan n. C% / 0,8.
Eutektoidisella teräksellä on mikrorakenne täysin austeniittinen.
Ylieutektoidisella teräksellä on mikrorakenteessa eutektoidisen koostumuksen omaavaa austeniittia ja sementiittiä. Austeniitin suhteellinen määrä on vipusäännön mukaan n. (6,72 - % C) / (6,72 - 0,8).Jotta mikrorakenne saataisiin täysin austeniittiseksi on lämpötila alieutektoisella teräksellä nostettava A3:n ja ylieuektoidisella teräksellä Acm:n yläpuolelle.
Alieutektoidisella teräksellä muuttuu austeniitin kanssa tasapainossa oleva feriitti lämpötilan noustessa A1:n yläpuolella vähitellen austeniitiksi ytimenmuodostumis- ja kasvumekanismilla. Kun lämpötila ylittää A3-lämpötilan on kaikki ferriitti kadonnut ja mikrorakenne on austeniittia, jonka hiilipitoisuus vastaa teräksen keskimääräistä hiilipitoisuutta.
Ylieutektoidisella teräksellä liukenee austeniitin kanssa tasapainossa oleva sementiitti vähitellen lämpötilan kohotessa A1:n yläpuolella samalla, kun austeniitin hiilipitoisuus vastaavasti nousee. Kun lämpötila ylittää Acm - lämpötilan sementiitti on kadonnut ja mikrorakenne on austeniittia, jonka hiilipitoisuus vastaa teräksen keskimääräistä hiilipitoisuutta.
Austenitoituminen noudattaa siis termodynaamisia lakeja, jotka ilmenevät tasapainopiirroksesta. Seosaineiden vaikutus austeniitin muodostumisedellytyksiin voidaan ottaa riittävällä tarkkuudella huomioon selvittämällä ne vaikutukset, mitä seosaineilla on rauta-hiili-tasapainopiirrokseen.
Austenitoitumiseen liittyy myös kineettiset eli ytimen muodostumiseen ja kasvuun liittyvät tekijät, jotka eivät selviä tasapainopiirroksista. Vaikkakaan seosaineilla ei ole samaa ratkaisevaa vaikutusta austeniitin muodostumiseen, kuin sen hajautumisen kinetiikkaan, on kuitenkin eräitä vaikutuksia, joiden tunteminen on lämpökäsittelyn onnistumisen kannalta tärkeää.
Austeniitin muodostuminen edellyttää hiiliteräksessa lähinnä hiilen diffuusiota austeniitissa. A1-lämpötilan y1äpuolella on hiilen diffuusionopeus hyvin suuri ja austenitoitumisajat siten hyvin lyhyet. Esim. eutektoidisella hiiliteräksellä saadaan täysin austeniittinen mikrorakenne 800 C:ssa n.1 minuutissa. Austeniitin homogenisoituminen hiilipitoisuuden suhteen kestää kuitenkin huomattavasti kauemmin eli n. 20 minuuttia
Kuva 11. Eutektoidisen hiiliteräksen muuttuminen austeniitiksi eri lämpötiloissa
Ylieutektoidisessa teräksessä sen sijaan ei pyritä aina tähän tulokseen, vaan osa sementiiistä jätetään liuottamatta, säätämällä austenitointilämpötila hieman Acm:n alapuolelle.
Seosaineet vaikuttavat austeniitin muodostumisen kinetiikkaan kahdella tavalla:
Hiiliteräksissä tarvitsee vain hiilen diffundoitua austeniiissa, kun sen sijaan seosteräksissä täytyy myös karbideihin sitoutuneiden seosaineatomien diffundoitua. Seosaineiden diffuusionopeus on niiden suuren atomikoon vuoksi huomattavasti pienempi kuin hiilen, jolloin karbidien liukeneminen ja austeniitin homogenisoituminen hidastuvat. Vaikeasti liukenevia ovat kromi-, volframi-, molybdeeni-, vanadiini-, titaani- ja niobikarbidit. Koska nämä erikoiskarbidit ovat myös termodynaamisesti pysyvämpiä kuin sementiitti, voi niistä osa jäädä tämän vuoksi liukenematta hiiliteräkselle sopivassa austenitoimislämpötilassa. Etenkin runsasseosteisissa teräksissä sitovat liukenemattomat karbidit osan hiilestä, jolloin austeniitti vastaavasti köyhtyy siitä.
Liukenemattomat seosainekarbidit muodostavat yleensä hienojakoisen erkauman austeniittiin, mikä estää austeniitin rakeenkasvua tehokkaasti. Tätä käytetään hyväksi työkaluteräksissä. Myös niukkahiilisissä rakenneteräksissä voidaan pienellä vanadiini-, niobi-, zirkoni-tai titaanilisäyksellä estää austeniitin rakeenkasvu.
Seosaineiden karbidien lisäksi vaikuttavat oksidi- ja nitridisulkeumat rakeenkasvua estävästi. Näistä varsinkin viimeksi mainituilla on suuri merkitys vaikean liukoisuutensa ja hienojakoisuutensa vuoksi. Nitridejä muodostavina seosaineina käytetään teräksissä yleisesti alumiinia, vanadiinia, booria, titaania ja zirkonia.
Seosainekarbidien ja -nitridien austeniitin rakeenkasvua estävälle vaikutukselle on ominaista, että se on voimassa tiettyyn, seosaineesta riippuvaan lämpötilaan T saakka, jonka yläpuolella rakeenkasvu tapahtuu hyvin nopeasti .
Kuva 12. Al-,Zr-, ja TI-mikroseostuksen vaikutus austeniitin rakeenkasvun alkamislämpötilaan T
Tässä lämpötilassa rakeenkasvua estävän erkauman määrä ja hiukkaskoko on muuttunut liukenemisen ja karkeutumisen vaikutuksesta sellaiseksi, että se ei enää pysty estämään rakeenkasvua. Karbidien ja nitridien liukenemislämpötila Tl saadaan lasketuksi ns. liukoisuustulon avulla, yhtälöstä:
Tl = D / (C-log [A] [B])-273 C,
jossa [ A ] ja [ B ] ovat erkaumia muodostavien seosaineiden pitoisuudet %:a.
Rakeenkasvua ei vielä tapahdu mikäli austenitointilämpötila on < T1-100 C.
Seuraavassa taulukossa on esitetty yhtälössä esiintyvien vakioiden arvoja eri erkaumille.
Taulukko 1.
Erkauma D C
AlN 6770 1,03
NbC 6770 2,26
TiC 7000 2,75
VN 8330 3,40 + 0,12 (Mn %)
3.2 Austeniitin hajautuminen
Homogenisoitunut austeniitti on hiilipitoisuudesta ja seostuksesta riippumatta ulkonaisesti samanlaista. Erot i1menevät lähinnä rakeenkasvutaipumuksessa ja muokkausvastuksessa. Seosaineiden tärkeimmät vaikutukset ovat piilevinä ja tulevat esiin austeniitin hajautuessa lämpötilan laskiessa. Seosaineiden vaikutukset austeniitin hajautumisen termodynamiikkaan, eli niihin lämpötiloihin, joissa eri mikrorakenteet tulevat pysyviksi, ilmenevät tasapainopiirroksista, kuten luvussa 2.2 on esitetty. Lämpökäsittelyn kannalta on kuitenkin tärkeintä seosaineiden vaikutus faasimuutosten kinetiikkaan eli ytimen muodostumis - ja kasvunopeuteen, jota käsiteltiin luvussa 2.2. Tällöin todettiin, että kaikki seosaineet kobolttia lukuun ottamatta vaikeuttavat austeniitin hajautumiseen liittyvää ytimenmuodostusta ja -kasvua, hidastaen täten austeniitin hajautumista. Tämä ilmenee S-käyrien siirtymisenä oikealle. Samoin todettiin, että lämpötilan aleneminen kiihdyttää austeniitin hajautumista tiettyyn rajaan saakka, jonka alapuolella hajautuminen taas hidastuu. Seosainepitoisuus ja hajautumislämpötila ovat siten tärkeimmät niistä tekijöistä, jotka säätävät austeniitin hajautumisen kinetiikan ja siten samalla ne määräävät myös hajautumisen lopputuloksena saatavan mikrorakenteen, jonka yksi tärkeä tunnusmerkki on karbidin jakautuman luonne. Muita tärkeitä austeniitin hajautumisen kulkuun vaikuttavia tekijöitä ovat austeniitin raekoko ja siinä olevat erilaiset liukenemattomat erkaumat. Lämpökäsittelyllä tavoitettavat mekaaniset ominaisuudet liittyvät aina tiettyyn mikrorakenteeseen. Oikeaan lopputulokseen pääsemiseksi on näin ollen tärkeää ymmärtää austeniitin hajautumisen mekanismit.
Austeniitin hajautuminen voi tapahtua lämpöti1asta riippuen kolmella eri tavalla:
1) Korkeissa lämpötiloissa (n. 700--500o C) atomien liikkuvuus on suuri. Hajautuminen tapahtuu tällöin mekanismeilla, jotka edellyttävät sekä korvaussija-atomien (rauta ja seosaineet) sekä välisija-atomien (hiili, typpi) diffuusiota. Tällaisia mekanismeja ovat esieutektoidisen ferriitin ja karbidin muodostuminen sekä perliittireaktio.
2) Keskilämpötiloissa (n. 500--350o C), joissa suurten rauta- ja seosaineatomien liikkuvuus on pieni, tapahtuu hajautuminen bainiittimekanismilla, joka edellyttää vain välisija-atomien diffuusiota. Korvaussija-atomien suhteen tapahtuu austeniitin hajautuminen massiivisesti.
3) Alhaisissa lämpötiloissa (n. alle 350o C) tapahtuu hajautuminen martensiittireaktiolla, joka ei vaadi lainkaan atomien diffuusiota tapahtuakseen.
Eri mekanismien rajalämpöti1at riippuvat seostuksesta, etenkin hiilipitoisuudesta ja menevät osittain päällekkäin siten, että hajautuminen voi samassa lämpöti1assa tapahtua kahdella eri mekanismilla peräkkäin. (Esim. alkaa bainiittimekanismilla ja päättyä perliittimekanismilla). Kukin näistä austeniitin hajautumismekanismeista johtaa erilaiseen mikrorakenteeseen ja siten erilaiseen ominaisuusyhdistelmään.
3.2.1 Esieutektoidinen ferriitti ja karbidi
Kuten luvussa 2.2 esitettiin tulee ferriitin muodostuminen mahdolliseksi lämpötilan alittaessa alieutektoidisella teräksellä A3-lämpötilan. Austeniitin raerajoille muodostuu tällöin ferriitin ytimiä, jotka kasvavat austeniitin kustannuksella Hitaalla jäähdytyksellä muodostuu tasa-akselista ferriittiä, jonka suhteellinen määrä on likimäärin (0,8 - C%): 0,8. Niukkahiilisissä rakenneteräksissä (C=0,1-0,2%) on ferriitin osuus n. 60--80%, jolloin ferriitin ominaisuuksilla, sen raekoolla ja lujuudella, on ratkaiseva merkitys teräksen ominaisuuksille. Etenkin teräksen tärkein lujuusominaisuus, myötölujuus, riippuu voimakkaasti ferriitin ominaisuuksista. Kovuus, murtolujuus ja sitkeysominaisuudet riippuvat sen sijaan enemmän ferriitin määrästä.
Hiilipitoisuuden ja jäähtymisnopeuden lisääminen pienentää ferriitin määrää. Hiilipitoisuuden lähestyessä eutektoidista koostumusta muodostuu ferriitiä vain austeniitin raerajoille, muodostaen ohuen ferriittikuoren perliittikolonioiden ympärille. Jäähtymisnopeuden kasvaessa lisääntyy ferriittiytimien muodostumista edeltävä alijäähtyminen niin, että riittävän nopealla jäähtymisellä ferriitin muodostuminen alkaa vasta A1-lämpötilan alapuolella. Samanaikaisesti pienenee myös eutektoidinen hiilipitoisuus lisääntyvän a1ijäähtymisen vaikutuksesta, mistä lopputuloksena on ferriitin suhteellisen määrän pieneneminen.
Esieutektoidinen karbidi muodostuu periaatteessa samoin kuin esieutektoidinen ferriitti. Se muodostuu jäähtymisnopeudesta riippuen joko ohuena kalvona raerajoille tai Widmanstätten -tyyppisinä lamelleina.
Seostamattomissa teräksissä ilmajäähdytyksessä syntyvä mikrorakenne säädetään pääasiassa hiilipitoisuutta muuttamalla. Useimmat seosaineet hidastava ferriiin ytimenmuodostusta ja -kasvua mikä ilmenee S-käyrien siirtyimisenä oikealle. Tämä seosaineiden välillinen vaikutus ilmenee ferriitin määrän pienenemisenä tietyllä jäähtymisnopeudella, sillä ferriitin muodostuminen on siirtynyt alempiin lämpötiloihin. Jos jäähtymisnopeutta lisätään riittävästi ei ferriitin, tai ylieutektoidisilla teräksillä, karbidin ydintymistä ja ytimenkasvua ehdi tapahtua, vaan austeniitti säilyy hajautumatta. Sitä pienintä jäähtymisnopeutta, millä tämä on mahdollista sanotaan kriittiseksi jäähtymisnopeudeksi ja se määrää teräksen karkenevuuden. Tätä kriittistä jäähtymisnopeutta kuvaa jäähtymiskäyrä, joka sivuaa ferriittireaktion alkamista kuvaavaa käyrää S-käyrästössä.
3.2.2 Perliitti
Perliitin muodostumiselle on olemassa termodynaamiset edellytykset silloin, kun austeniitin lämpötila on laskenut A1-lämptilan alapuolelle. Tällöin tulee jäljellä oleva austeniitti termodynaamisesti epävakaaksi hajautuen ferriitiksi ja sementiitiksi. Tämän ns. eutektoidisen reaktion lopputuloksena on perliitti eli mikrorakenne, jossa ferriitti ja sementiitti ovat asettuneet vuorotteleviksi lamelleiksi. Perliittireaktio edellyttää hiilen diffuusiota muodostuvan perliittikolonian raerajalla, siten että hiili virtaa rajan suuntaisena kohti kasvavien sementiittilamellien reunoja. Samanaikaisesti diffundoituvat rauta- ja seosaineatomit rajan yli austeniitista ferriittiin. Perliitin lamellietäisyys riippuu herkästi nuodostumisläpötilasta ja saa kussakin lämpötilassa tietyn arvon, jolla perliittikolonian kasvunopeus on suurin mahdollinen. Lämpötilan laskiessa hidastuu hiilen ja muiden atomien diffuusionopeus, jolloin lamellietäisyys pyrkii pienenemään. Samalla kasvaa kuitenkin lamellien määrä tilavuusyksikköä kohti, jolloin tilavuusyksikköä kohti laskettu pintaenergia myös lisääntyy ja perliittireaktiota ajava voima heikkenee. Näissä olosuhteissa omaksuu perliitti vakiona pysyvän, optimaalisen lamellietäisyyden, joka on sitä pienempi, mitä alempi on perliitin muodostumislämpötila.
Niinpä perliitti omaksuu Miekk-ojan mukaan välittömästi A1:n alapuolella n. 0,6 mm:n ja 550oC:ssa n.0,1 mm:n lamellietäisyyden.
Luvussa 2.3 on selvitetty lamellietäisyyden vaikutus perliitin lujuuteen, sekä myös seosaineiden vaikutusta perliitin lujuuteen ja määrään. Tällöin todettiin, että lamellietäisyyden pienentyessä perliitin lujuus kasvaa ja se tulee samalla sitkeämmäksi. Seosaineet lisäävät yleensä perliitin määrää alentamalla eutektoidista hiilipitoisuutta. Kaikki seosaineet mangaania ja nikkeliä lukuun ottamatta nostavat eutektoidista lämpötilaa.
Näiden välittömien vaikutusten lisäksi on seosaineilla välillinen vaikutus, joka ilmenee S-käyristä. Lähes kaikki seosaineet hidastavat perliitin ytimenmuodostusta sekä kasvua, mikä ilmenee S-käyrien siirtymisenä oikealle. Tästä on seurauksena perliittireaktion siirtyminen alempiin lämpötiloihin ja täten perliitin määrän ja lujuuden kasvaminen.
Perliittireaktiolla samoin kuin ferriitin muodostumisella on tietty lämpötila, jossa ytimenmuodostumiseen liittyvä viivästys on pienimmillään. Tämä lämpötila (ns. perliittinenä S-käyrässä) on y1eensä n. 600oC. Jos jäähtymisnopeutta lisätään riittävästi, ei perliitin ytimenrnuodostusta ja -kasvua ehdi tapahtua, vaan austeniitti säilyy hajautumatta. Sitä pienintä jäähtymisnopeutta, jolla tämä on mahdollista sanotaan perliittireaktion suhteen kriittiseksi jäähtymisnopeudeksi. Tätä kriittistä jäähtymisnopeutta kuvaa jäähtymiskäyrä, joka sivuaa perliittireaktion alkamista kuvaavaa käyrää S-käyrästössä.
3.2.3 Bainiitti
Lämpötilan laskiessa alijäähtyneessä austeniitissa tietyn rajan alapuolelle hidastuu perliittireaktion edellyttämä ytimenmuodostumis- ja kasvumekanismi niin paljon, että uusi hajautumismekanismi, bainiittireaktio, tulee nopeammaksi.
Kun perliitin muodostuminen edellytti sekä suurten korvaussija-atomien (rauta ja seosaineet) että pienten välisija-atomien (hiili ja typpi) diffuusiota, bainiitin muodostuminen edellyttää ainoastaan hiilen diffuusiota. Hiili, päin vastoin kuin suuremmat korvaussija-atomit, pystyy diffundoitumaan vielä n. 100oC:n lämpötilassa.
Bainiittireaktio nopeutuu aluksi, kuten perliittireaktiokin, lämpötilan laskiessa. Tämä aiheutuu alijäähtymisen lisääntymisen aiheuttamasta ytimenmuodostumisnopeuden kasvamisesta. Tietyn lämpötilan alapuolella tulee hiilen diffuusionopeuden pienenemisen vaikutus kuitenkin määrääväksi ja bainiittireaktio alkaa hidastua.Tämän kriittisen lämpötilan kohdalla esiintyy S-käyrässä ns. bainiittileuka, kuva 13
Kuva 13. CR-seosteisen teräksen isoterminen S-käyrä (C= 0,43%, Cr= 3,52%)
Austeniitin hajautuessa bainiittimekanismilla syntyvän mikrorakenteen laatu riippuu hajautuinislämpötilasta. N. 350oC:een lämpötilassa tapahtuu austeniitin hajautumismekanismissa oleellinen muutos, mikä ilmenee myös muodostuvan bainiitin rakenteessa. Tämän lämpötilan yläpuolella muodostunutta bainiittia on tullut tavaksi nimittää yläbainiitiksi ja sen alapuolella muodostunutta alabainiitiksi. Vaikka ylä- ja alabainiittisissa mikrorakenteissa voidaan metallografisesti havaita tyypillisiä eroja, jaottelun perustana on pidettävä kuitenkin lähinnä austeniitin hajautumismekanismin kinetiikassa havaittavia eroja.
Yläbainiitin muodostumisessa on oleellista, että austeniittiin syntyy erikseen ferriitin ja sementiitin ytimiä, joiden kasvunopeus määräytyy hiilen diffuusionopeudesta austeniitissa. Matalahiilisissä teräksissä (C < 0,5 %) alkaa austeniitin hajautuminen ferriitin muodostumisella, runsashiilisissä taas sementiitin muodostumisella. Lähellä bainiitin muodostumisalueen ylärajaa (n. 450o C) yläbainiitille on ominaista pitkät ja kapeat ferriittilamellit, joiden väliin sementiitti on muodostunut ohuina kalvoina,
Kuva 14. Yläbainiittia eutektoidisessa hiiliteräksessä
Alabainiitin muodostumisessa on oleellista, että austeniittiin syntyy ensivaiheessa martensiittilinssejä muistuttavia ferriittilamelleja, joiden hiilipitoisuus ei oleellisesti eroa samassa kohdassa olleen austeniitin hiilipitoisuudesta. Sementiitti muodostuu ferriittilamellien sisään pitkulaisina erkaumina. Sementiittierkaumat ovat alabainiitissa siten suuntautuneet, että ne muodostavat yleensä n. 60 asteen kulman ferriittilamellin pituusakselin kanssa, .
Kuva 15.Alabainiittia eutektoidisessa hiiliteräksessä.
Alabainlitin muodostumismekanismi muistuttaa suuresti seuraavassa kohdassa käsiteltävää martensiittimekanismia. Alabainiittisella mikrorakenteella saadaan myös samanlaiset lujuusominaisuudet kuin bainiitin muodostumislämpötilassa päästetyllä martensiitilla Alabainiittisen mikrorakenteen sitkeys paranee huomattavasti korkeassa lämpötilassa suoritetulla päästöllä.
3.2.4 Martensiitti
Jos austeniitin hajautuminen edellä kuvatuilla mekanismeilla on saatu estetyksi riittävän nopealla jäähdytyksellä (jäähtymisnopeus > kriittiset jäähtymisnopeudet), on luotu edellytykset martensiitin muodostumiselle eli teräksen karkenemiselle.
Austeniitin lämpötilan alittaessa tietyn, austeniitin koostumuksesta riippuvan lämpötilan (Ms-1ämpötila), alkaa austeniitti muuttua hiilellä ylikyllästetyksi ferriitiksi, mekanismilla joka ei edellytä minkään atomilajin diffuusiota. Muodostuvan ferriitin hiilipitoisuus on siis aina sama kuin austeniitin hiilipitoisuus vastaavassa kohdassa.
Muodostuva ferriitti on hiilellä ylikyllästynyt, minkä johdosta rauta-atomien keskinäiset etäisyydet siinä ovat tietyssa suunnassa suurentuneet verrattuna hiilettömään rautaan. Tästä johtuu tilavuuden muutoksia ja suuria sisäisiä mikrojännityksiä, mitkä antavat martensiittimekanismilla muodostuneelle ferriitille erikoisominaisuuksia, ja syyn nimittää sitä martensiitiksi, erotukseksi tasa-akselisesta ferriitistä.
Martensiitin kovuus riippuu oleellisesti siinä olevan hiilen määrästä eli austeniittiin liuenneen hiilen määrästä. Martensiitin suuri kovuus aiheutuu paitsi edellä mainituista mikrojännityksistä (dislokaatiotiheydestä) myös osittain martensiitin hienosta raekoosta sekä siihen muodostuvan hienojakoisen karbidierkauman aiheuttamasta erkaumakarkenemisesta. Haurautensa vuoksi ei päästämättömällä martensiitilla yleensä ole käyttöarvoa.
Martensiitin muodostuminen eroaa kinetiikaltaan kaikista aiemmin mainituista austeniitin hajautumismekanismeista siinä, että se vaatii edistyäkseen lämpöti1an jatkuvaa alenemista. Martensiittireaktio pysähtyy, jos lämpötilan aleneminen pysähtyy. Tosin on olemassa havaintoja myös isotermisestä martensiittireaktiosta, mutta sillä ei ole käytännön merkitystä. Martensiittireaktiolle on myös ominaista, että reaktio edistyy uusien martensiittiytimien muodostumisella lämpötilan laskiessa. Entiset ytimet kasvavat n. 1/3 äänennopeudella lopulliseen kokoonsa, minkä jälkeen niiden kasvu pysähtyy. Reaktion edistyminen vaatii siten uusien kasvukykyisten ytimien jatkuvaa muodostumista. Martensiittireaktioon liittyy kolme kriittistä lämpötilaa:Md-, Ms-ja Mf- lämpötilat.
Md-lämpötilaksi kutsutaan sitä lämpötilaa,jossa austeniitti tulee termodynaamisesti epävakaaksi. Martensiittia voi muodostua siten vain tämän lämpötilan alapuolella.
Ms-lämpötilaksi kutsutaan sitä lämpötilaa, jossa austeniittiin muodostuvat ensimmäiset martensiittilinssit austeniitin jatkuvasti jäähtyessä. Martensiitin syntymiseen liittyy kimmoenergian lisääntyminen, johon tarvittava aktivointienergia saadaan erotuksesta Md-Ms.Tämä erotus on yleensä n. 50 C. Martensiittia saadaan muodostumaan Ms-lämpötilan yläpuolella esim. muokkaamalla austeniittia Md- ja Ms-lämpötilojen vä1isellä alueella.
Mf-lämpötilaksi kutsutaan sitä lämpötilaa,jossa austeniitti on kokonaan hajautunut martensiitiksi. Koska tätä rajaa on käytännössä vaikea havaita käytetään Mf-lämpötilana sitä lämpötilaa, jossa esim. 99% austeniitista on hajautunut.
Md- ja Ms-lämpötilat ovat teräksen koostumuksesta ja raekoosta, mutta eivät sen sijaan jäähtymisnopeudesta riippuvia. Ms-lämpötilalle on tilastollisesti johdettu yhtälö:
Ms(C) = 561-474*(% C) - 33*(%Mn) - 17*(% Ni) - 17*(% Cr) - 21*(% Mo),
joka antaa 90 %:n luotettavuusrajoiksi +/- 20 C, kun teräksen koostumus vaihtelee seuraavissa rajoissa:
C = 0,1--0,55 %
Ni = 0 --5 %
Si = 0,1--0,35 %
Cr = 0 --3,5 %
Mn = 0,2--1,7 %
Mo = 0 --1 %
Kaikki seosaineet, alumiinia ja kobolttia lukuunottamatta ovat austeniittiin liuenneina.Mf-lämpötila riippuu sen sijaan myös jäähtymisnopeudesta. Jäähtymisnopeuden lisääminen nostaa Mf-lämpötilaa. Jos jäähtyminen sammutuksessa pysäytetään ja jäähdytystä jatketaan jonkin ajan kuluttua, todetaan, että martensiittireaktio ei jatkukaan välittömästi, vaan vasta sen jälkeen, kun lämpötila on laskenut tietyn määrän pysäytyslämpötilan alapuolelle. Vastaavasti siirtyy myös Mf-lämpötila alaspäin. Tätä ilmiötä kutsutaan austeniitin stabiloitumiseksi.
Hiiliteräksillä saavuttaa Mf-lämpötila huoneenlämpötilan hiilipitoisuudella n. 0,7 %,
Kuva 16. Ms- ja Mf-lämpötilojen riippuvuus hiilipitoisuudesta.
Hyvin pienillä hiilipitoisuuksilla (C < 0,1 %) syntyy hauraan ns. levymartensiitin asemesta sitkeää ns. sälemartensiittia Kuva 17
Kuva 17. Sälemartensiittia (IMACRO) x65000 (kuvassa suurennus x65000 )
3.3 Lämpökäsittelyt, joissa tapahtuu austeniitin muodostuminen ja hajautuminen
3.3.1 Kuumamuovaus
Kuumamuovauksella ymmärretään teräksen plastista muovaamista niin korkeassa lämpötilassa ja sellaisella nopeudella, että muovauksen aikana ei tapahdu jatkuvaa lujittumista muokkausasteen kasvaessa.
Kuumamuovauksella on lähinnä kaksi päätavoitetta: halutun geometrisen muodon antaminen teräsaihiolle sekä mekaanisten ominaisuuksien kannalta valutilaa edullisemman mikrorakenteen aikaansaaminen.
Kuumamuovauksen lukeminen lämpökäsittelymenetelmien joukkoon on perusteltavissa juuri jälkimmäisen tavoitteen vuoksi.Tämän tavoitteen saavuttamiseen kiinnitetään, lähinnä taloudellisista syistä, yhä enemmän huomiota.
Muokkausvastuksen kannalta olisi mahdollisimman korkea muovausämpötila edullisin. Monet tekijät asettavat kuitenkin teräksen koostumuksesta,lähinnä hiilipitoisuudesta, riippuvan ylärajan muovauslämpötilalle. Lämpötilan ylärajat liikkuvat 1250o C:sta niukkahiilisillä teräksillä 1100o C:een runsashiilisillä teräksillä, Ylärajan ylittäminen aiheuttaa tavallisesti teräksen palamisen ja hyvin voimakasta hilseilyä.
Kuumamuovautuvuus riippuu voimakkaasti muovauslämäpötilasta. Tämän vuoksi pyritään kuumamuovaus aloittamaan kullakin teräslaadulla muovautuvuuden kannalta edullisimmassa lämpötilassa, jonka määrittämiseen käytetään mm. kuumakiertokoetta,
Kuva 19. Kuumakiertokokeen tuloksia kolmella eri teräksellä
Muovauksen loppulämpötilalla on taas ratkaiseva merkitys kuumamuovatun teräksen mikrorakenteelle, lähinnä raekoolle. Yleensä on edullista pyrkiä. mahdollisimman alhaiseen kuumamuovauksen loppulämpötilaan. Kuumamuovauksen alkulämpötilaa säätämällä sekä. ohjaamalla jäähtymistä kuumamuovauksen aikana pyritään usein siihen, ettaä kuumamuovauksen loppulämpötila olisi heiman A3-lämpötilan yläpuolella. Tästä lämpötilasta ilmajäähdytyksellä saatu mikrorakenne vastaa erillisellä normalisoinnilla saatua mikrorakennetta. Mekaaniset lujuusominaisuudet ovat jopa paremmat austeniitin suuremman homogeenisuuden ansiosta.Sama pätee usein myös kuumamuovauslämpötilasta nuorrutetulle teräkselle. Eri tarkoitusperiä ajatellen saatetaan kuumamuovaukseen liittää hyvinkin monimutkaisia jäähdytys- ja uudelleenlämrnitysvaiheita kuumamuovauksen aikana ja sen jälkeen.
3.3.2 Normalisointi
Normalisoinnilla ymmärretään teräksen kuumentamista austeniitin muodostumislänpötilan (A3) yläpuolelle ja jäähdyttämistä, austeniitin muodostumiseen ja homogenisoitumiseen tarvittavan pitoajan jälkeen, ilmassa huoneenlämpötilaan
Kuva 20. Hiiliteräksen eri lämpökäsittelyalueet
Karkea austeniittinen raekoko johtaa esim. alieutektoidisilla teräksillä karkearakeiseen perliittis-ferriittiseen mikrorakenteeseen. Suureen raekokoon liittyy eräitä heikkouksia, joista pahimmat ovat alhainen myötölujuus ja korkea transitiolänpötila iskusitkeyskokeessa.
Ylieutektoidisilla teräksillä. on suuresta austeniitin raekoosta seurauksena yhtenäisen karbidiverkon muodostuminen austeniitin raerajoille. Alieutektoidisilla teräksillä on normalisointilämpötila 25-50oC A3:n yläpuolella. Edellä annetun ylärajan ylittämisestä saattaa olla seurauksena austeniitin rakeenkasvu, jolloin normalisoinnin tarkoitus jää toteutumatta. Hienoraeteräksillä,joihin on erityisellä seostuksella saatu muodostumaan austeniitin rakeenkasvua estävä karbidi- tai nitridierkauma, voidaan kuitenkin käyttää huomattavasti korkeampia normalisointilämpötiloja, mikä on austeniitin homogenisoitumisen kannalta edullista Kuva 12..Ylieutektoidisilla teräksillä tapahtuu normalisointi Acm:n alapuolella.Austeniitin raekoon pienenemisen ansiosta ei karbidiverkko muodostu enää yhtenäiseksi ilmajäähdytyksen aikana.
Karkaisu