TERÄSOPAS
1.Teräksen määritteleminenTeräs on tärkein teollisuuden käyttämistä rakenneaineista ja sen kulutus on n. l0-kertainen muiden metallien yhteiseen kulutukseen verrattuna. Tärkeimmät syyt teräksen yleisyyteen ovat: raudan runsas esiintyminen maankuoressa, valmistuksen helppous ja siten halpa hinta, hyvät kuuma- ja kylmämuovausominaisuudet, hyvät lujuus- ja sitkeysominaisuudet sekä mahdollisuus säädellä mekaanisia ja fysikaalisia ominaisuuksia laajoissa rajoissa seostuksen ja lämpökäsittelyn avulla. Teräksen perusaineena on alkuaine rauta (Fe), mutta muutoin saattaa teräksen kemiallinen koostumus vaihdella hyvin suuresti; seosaineiden yhteismäärä voi nousta n. 30 %:iin saakka. Tutustuminen teräkseen on paras aloittaa "seostamattomasta" teräksestä, jossa kaikki tärkeät perusllmiät esiintyvät selvimpinä, ilman seosaineiden häiritsevää vaikutusta. Seostamaton teräs, eli hiiliteräs, sisältää hiilen lisäksi muita seosaineita, lähinnä piitä (Si) ja mangaania (Mn), siinä määrin kuin kytetty valmistus- ja valumenetelmä edellyttävät. Hiiliteräksiä voidaan kuitenkin ilman suurta virhettä tarkastella puhtaina rauta-hiiliseoksina. Rauta-hiiliseoksesta käytetään nimitystä teräs silloin, kun hiilipitoisuus on alle 2,0 %. Hiilipitoisuuden ylittäessä tämän rajan kyseessä on valurauta. Teräksen luonteeseen kuuluu, että se on kuumana ja kylmänä muokattavaa, mistä vaatimuksesta hiilipitoisuuden yläraja määräytyykin.
Hiilellä on ratkaiseva vaikutus teräksen ominaisuuksiin. Hiili toimii teräksessä hyvin tehokkaana seosaineena ja sen pitoisuutta vaihtelemalla saadaan suuri joukko mikrorakenteeltaan ja lujuusominaisuuksiltaan erilaisia teräksiä. Teräksen pitkässä historiassa edustavat seostetut teräkset uusinta aikaa, joka alkoi vasta 1800-luvun lopulla. Hiiliteräksiä käytettiin sen sijaan jo n. 2000 vuotta sitten. Täten on hiili, osittain historiallisista syistä, saanut erikoisaseman seosaineiden joukossa.
On tullut tavaksi aloittaa terästen käsittely tutustumalla rauta- hiili-tasapainopiirrokseen, joka on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1 Rauta-hiili tasapainipiirros
Tasapainopiirros osoittaa havainnollisesti "tasapainotilan" vallitessa pysyvien eli stabiilien mikrorakenteiden rajat lämpötilan ja hiilipitoisuuden vaihdellessa. Tässsä yhteydessä tyydytään tarkastelemaan vain sitä osaa rauta-hiili-tasapainopiirroksesta, mikä tulee kysymykseen terästen lämpökäsittelyssä.
Puhtaalla raudalla tapahtuu lämpötilan muuttuessa 910 C:n lämpötilassa (piste G, kuvassa 1) kiderakenteen muuttuminen eli ns. allotrooppinen muutos. Tämän rajan alapuolella on alfa-rauta eli ferriitti ja yläpuolella gamma-rauta eli austeniitti pysyvää. Lämpötilan noustessa tapahtuu uusi allotrooppinen muutos 1400 C:eessa, jossa gamma -rauta muuttuu delta -ferriitiksi. Lämpötilan edelleen noustessa sulaa delta-ferriitti lopulta 1534 C:ssa.
Alemmassa lämpötilassa (910 C) tapahtuva allotrooppinen muutos on hyvin tärkeä teräksen ominaisuuksien kannalta. Sen olemassaoloon perustuvat tärkeimmät teräksen lmpökäsittelymenetelmät.
Hiilipitoisuuden kasvaessa alempi allotrooppinen muutoslämpötila (A3)laskee käyrää G-S pitkin. Hiilipitoisuudella 0,80 % muutoslämpötila on laskenut 723 C:een. Tämä on ns. eutektoidinen lämpötila. Hiilipitoisuuden ylitt„ess„ eutektoidisen pitoisuuden 0,8 %, ei allotrooppinen muutoslämpätila enää muutu. Austeniitissa esiintyy nyt rautakarbidia eli sementiittiä, joka liukenee vasta, kun lämpötila on kohonnut S-E-käyrän yläpuolelle. Puhdas austeniitti esiintyy siis G-S-E-rajan yläpuolella. Mikäli hiilipitoisuus ylittää 2,0 %, ei kaikkea karbidia saada enää liukenemaan austeniittiin. Tämä asettaakin ylärajan teräksen hiilipitoisudelle.
Kun lämpötila laskee G-S-E-rajan alapuolelle, alkaa austeniitista muodostua ferriitti„, jos teräksen hiilipitoisuus on < 0,8 % ja sementiittiä, jos hiilipitoisuus on tätä suurempi. Ferriitti on hyvin niukkahiilistä, joten kun sen määrä lisääntyy lämpötilan laskiessa jäljellä oleva austeniitti rikastuu hiilellä. Austeniitin hiilipitoisuus muuttuu tällöin pitkin käyrää G-S, jolloin eutektoidisessa lampötilassa jäljellä olevan austeniitin hiilipitoisuus on aina n. 0,8 %
Ylieutektoidisella teräksellä, eli kun hiilipitoisuus on >0,8 %, erkautuu austeniitista lämpötilan laskiessa ensin sementiittiä (Fe3C) niin paljon, että jäljellä olevan austeniitin hiilipitoisuus alenee pitkin käyrää S-E. Eutektoidisessa lämpötilassa jäljella olevan austeniitin hiilipitoisuus on täten taas 0,8 %. Juuri eutektoidisen lämpötilan 723 C yläpuolella muodostuu mikrorakenne alieutektoidisella teräksellä ferriitistä ja austeniitista, eutektoidisella teräksellä austeniitista ja ylieutektoidisella teräksellä sementiitistä ja austeniitista. Kun nyt lämpätila jäähtymisen jatkuessa alittaa eutektoidisen lämpötilan, jota sanotaan myös alemmaksi muutoslämpötilaksi (A1), tulee austeniitti epävakaaksi ja muuttuu nopealla reaktiolla ferriitiksi ja sementiitiksi. Hitaassa jäähdytyksessä järjestäytyvät syntyvä ferriitti ja sementiitti ohuiksi toistensa kanssa vuorotteleviksi lamelleiksi, jollaista rakennetta teräksessä kutsutaan perliitiksi. Tasapainon mukainen eli hyvin hitaan jäähtymisen aikana austeniitista muodostunut mikrorakenne on huoneenlämpötilassa siten seuraava
KUVA 2-4. Hiiliterästen mikrorakenteita, x500
Kuva3. Eutektoidinen teräs (C = 0,8 %): Mlkrorakenne on täysin perliittinen,
Kuva4. Ylieutektoidinen teräs (C > 0,8 %): Esieutektoidista eli eutektoidisen lämpötilan yläpuolella austeniitin raerajoille muodostunutta sementiittiä sekä täysin perliittinen perusmassa eli matriisi. Raerajasementiitin osuus mikrorakenteesta on likimäärin (% C - 0,8) : (6,72 - 0,8),
Hitaan jäähtymisen tuloksena on siis aina mikrorakenne, jossa on ferriittiä ja sementiittiä. Sementiitti voi esiintyä eri tavoin mikrorakenteeseen jakautuneena. Ferriitti on hyvin pehmeää, kun taas sementiitti on puolestaan erittäin kovaa (HB = 820) sekä samalla haurasta. Hiilipitoisuuden nousun aiheuttama lujittuminen hitaasti jäähtyneessä teräksessä perustuu perliitin osuuden lisääntymiseen mikrorakenteessa. Tämä onkin eniten käytetty keino teräksen lujuuden lisäämiseksi.
Lämpötilan laskiessa tai noustessa teräksessä tapahtuvat mikrorakenteen muutokset ovat ajasta riippuvaisia ytimen muodostumis- ja kasvumekanismilla tapahtuvia ilmiöitä. Tämä tarkoittaa sitä, että uuden rakenneosan muodostuminen edellyttää ensin pysyvien uuden rakenneosan ytimien muodostumista vanhaan rakenteeseen. Kun tällaisia ytimiä on päässyt muodostumaan, alkavat ne kasvaa vanhan perusmassan kustannuksella, hävittäen sen vähitellen kokonaan. Kasvavien uuden rakenneosan kiteiden ja vanhan rakenneosan kiteiden välillä on muutaman atomiet„isyyden levyinen epäjärjestysalue, raeraja, jonka yli atomit pinoutuvat vanhasta rakenteesta uudeksi.
Seuraava luku