Kaksifaasirakenteisen materiaalin plastinen deformaatio

KAKSIFAASIRAKENTEISEN MATERIAALIN PLASTINEN DEFORMAATIO

Tutkintotehtävä, jonka Raimo Erik Emerik Pulkkinen on jättänyt tar­

kastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Teknillisen kor­

keakoulun vuoriteollisuusosaston fysikaalisen metallurgian opinto­

suunnalla .

Työn valvojana on toiminut pro­

fessori Martti Sulonen.

Tämän työn kokeet on tehty Teknillisen korkea­

koulun sovelletun metalliopin laboratoriossa.

Työn valvojaa, professori Martti Sulosta, haluan kiittää ohjauksesta ja monista neuvoista, joita olen työn aikana saanut sekä siitä myötämielisestä suhtau­

tumisesta , jota hän on työn aikana osoittanut.

. Tekniikan lisensiaatti Jaakko Anttilaa sekä dip­

lomi-insinöörejä Heikki Knaapia ja Juhani Uittia kii­

tän heidän käyttööni luovuttamastaan koernateriaalis­

ta .

Saamistani monista käytännön neuvoista ja au­

liista avusta haluan lopuksi kiittää sovelletun me­

talliopin laboratoriossa työskennelleitä henkilöitä - heistä erityisesti diplomi-insinööri Antero Järvistä.

Helsingissä, heinäkuussa 1973

Raimo Pulkkinen

SISÄLLYSLUETTELO

sivu

1. JOHDANTO 5

2. KAKSIFAASISEN MATERIAALIN KÄYTTÄYTYMINEN

PLASTISESSA DEFORMAATIOSSA 7

2.1 Faasien muokkauslujittumisen vaikutus

materiaalin muokkautumiseen 7 2.11 Saman jännityksen hypoteesi 7 2.12 Saman venymän hypoteesi 8

2.2 Faasien muokkautuminen 10

2.3 Faasien lujuuden vaikutus seoksen

muokkautumiseen 12

2.4 Faasien jakaantumisen vaikutus seoksen

lujuuteen 14

2.5 Pienten partikkeleiden välisen etäisyy­

den vaikutus materiaalin lujuuteen 15 2.6 Partikkeleiden vaikutus materiaalin

sitkeyteen 17

3. KUUMaMUOKKAUS 19

3.1 Kuumamuokkauksen tutkimusmenetelmät 19

3.11 Kuumavetokoe 19

3.2 Kuumamuokkauksen mekanismit 20 3.3 Rakeiden liike toisiinsa nähden 21

3.31 Raerajan rakenne 22

3.32 Raerajamigraatio 22

3.33 Raerajaliukuminen 23

4. KaKSIFAASIRAKENTEISSN MATERIAALIN PLASTISEN

DEFORMAATION TUTKIMINEN 25

4.1 Rakeiden deformaation määritys materiaa­

liin tehtyjen merkintöjen avulla 27 4.11 Materiaaliin tehtävät merkinnät,

joiden avulla rakeiden deformaatio­

ta. voidaan tutkia 31

4.2 Materiaalin käyttäytymisen tutkiminen muodonmuutosnopeutta ja koelämpötilaa

muuttelemalla 32

KOSMA TERIAALI

5.1 Koemateriaalin valinta 5.2 (oL+/b)-me33inkl

5.5 Tutkittavat messingit

KOETULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU

6.1 Paasien vaikutus materiaalin muokkauslu­

jittumisen luonteeseen

6.11 Paasien muokkauslujittuminen

6.12 Yksifaasisten komponenttien avulla määritetty kaksifaasisen materiaalin muokkauslujittuminen

6.13 Muokkauslujittumiskäyrien lämpötila- riippuvuus

6.14 Muokkauslujittumiskäyrien muodonmuu­

6.2

tosnopeusriippuvuus

6.15 Jännityksen muutos muodonmuutosnope­

uden muuttuessa

Kae- ja faasirajojen vaikutus materiaalin muokkautumiseen

6.21 Materiaalin muokkautumisen tutkimi­

nen ristikkoverkon avulla

6.22 Raerajaliukumisen osuus materiaalin kokonaisdeformaatiosta

6.23 Muokatun materiaalin tutkiminen pyyhkäisyelektronimikroskoopilla 6.24 Raerajamigraatio ja rekristallisaa-

tio

yhteenveto

KIRJALLISUUSVIITTEET

37 37 39 43 46 48 49

50 53 53 55 56 56

57 59

65 66 68

1. JOHDANTO

- 5 ^-

Kakalfaasiaen materiaalin muokkautumiseen vai­

kuttavat faasien koko, muoto, määrä, jakautuminen, lujuus, sitkeys ja muokkauslujittuminen sekä faasi­

en välinen kristallografinen yhteensopivuus, faasi­

en välinen pintaenergia sekä faasien välisen sidok­

sen luonne. On melko mahdotonta muutella näitä te­

kijöitä toisistaan riippumattomasti materiaalin käyt­

täytymistä tutkittaessa. Myös monien tekijöiden vai­

kutusten mittaaminen on tarvittavalla tarkkuudella vaikeaa. Siksi suurin osa tiedoista kaksifaasisten materiaalien mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavis­

ta tekijöistä on empiiristä ja epätäydellistä. Vain silloin, kun lujempaa faasia on seoksessa pieninä partikkeleina tasaisesti jakautuneena muutamia pro­

sentteja, on onnistuttu luomaan kokeellisia havain­

toja vastaava teoria lujuuden ja partik.keleiden ja—

kääntämisen välille.

Suurin osa kaksifaasisten materiaalien käyttäy­

tymistä koskevista tutkimuksista käsittelevät pien­

ten partikkeleiden vaikutusta materiaalin lujuuteen, yleensä vielä erkautuskarkaisuun liittyen, sekä kui—

tuvahvisteisia ja sintrattuja materiaaleja. Useimmat tutkimuksista perustuvat aineenkoetuskokeista tilas­

tollisesti tehtyihin havaintoihin. Joitakin tutki­

muksia on tehty elektronimikroskopian avulla dislo- kaatioiden kasaantumisesta faasirajoille. Tavallises­

ti havaitut lainalaisuudet pätevät vain tutkituille materiaaleille. .

Tässä työssä esitetään kaksifaasisen materiaa­

lin plastisessa muodonmuutoksessa havaittuja lain­

alaisuuksia sekä kokeellisia havaintoja niistä.

Makrotasolla suoritettu tutkimus tuskin tuonee sei-

- б -

vyyttä materiaalin käyttäytymiseen muokkauksen ai­

kana. Siksi työssä on esitetty muodonmuutosmekanis­

meja , jotka ovat luotu yksifaasisille materiaaleille - eivätkä kuvaa kovin täydellisesti näidenkään käyt­

täytymistä - mutta niiden avulla voidaan kuitenkin hahmottaa kaksifaasisen materiaalin käyttäytymistä plastisen muodonmuutoksen aikana.

Työssä käsitellään tavallisten kaksifaas isten metallien käyttäytymistä sekä niiden ominaisuuksien riippuvuutta erilaisista rakenteista. Superplastisia ja kuituvahvisteisia sekä erkautus- ja dispersiokar- kaistuja metalleja ei käsitellä. Samoin materiaalien kimmoisiin ominaisuuksiin, murtumiseen vaikuttaviin syihin sekä murtumien luonteeseen ei työssä puututa.

Näitä aiheita on käsitelty artikkeleissa /1/ ja /2/.

Työn kokeellisessa osassa pyritään löytämään kak- slfaasirakenteinen materiaali, jonka faasien tilavuus- osia ja rakennetta voidaan helposti muutella. Löydet­

tävän materiaalin avulla tutkitaan materiaalin raken­

teen vaikutusta sen mekaanisiin ominaisuuksiin.

Työn kokeellisessa osassa käytetyt materiaalien rakenteiden nimitykset ovat väljempiä kuin kirjalli­

suudessa esiintyvät. Tutkittavien materiaalien esit­

telyn yhteydessä selviää mitä milläkin nimityksellä tarkoitetaan.

Työssä tarkasteltu muokkauksen lämpötila-alue ulottuu huoneenlämpötilasta kuumamuokkauksen alara­

joille, materiaalin Kelvinasteissa mitatun sulamisläm- pötilan puoliväliin.

- 7 ^-

2. KAKSIFAASISEN MATERIAALIN KÄYTTÄYTYMINEN PLASTI­

SESSA DEFORMAATIOSSA

2.1 Faasien muokkauslujittumisen vaikutus materiaalin muokkautumiseen

Karkearakenteiselle kaksifaasiselle materiaalille on luotu kaksi hypoteesia, joiden avulla voidaan app­

roksimoida materiaalin muokkautumista, kun molempien faasien muokkauslujittumiskäyrät tunnetaan. Hypotee­

seissa oletetaan kummassakin faasissa vallitsevan joko sama jännitys tai saraa venymä.

2.11 Saman jännityksen hypoteesi

Seoksissa, joissa toinen faasi on toista pehmeäm­

pi ja sitkeämpi, muokkautuu kovempi faasi vähemmän kuin pehmeämpi, jos oletetaan faasien käyttäytyvän ikäänkuin ne olisivat toisistaan erillään. Deformaa­

tion alkuasteella on odotettavissa pehmeämmän faasin muokkautuvan kovempaa pienemmällä jännityksellä. Jän­

nityksen kasvaessa kovemman faasin myötörajaa suurem­

maksi alkaa myös kovempi faasi muokkautua./3/

v..t

Kuva 1. Saman jännityksen hypoteesi

8

Saman jännityksen hypoteesissa vallitsee faasin tilavuusosan ja suhteellisen venymän välillä yhteys

e = - eA) , ' M

missä

E on materiaalin venymä,

£л on c<-faasin venymä,

£^i on /З-faasin venymä ja on /з-faasin tilavuusosa.

Kahden faasin suhteellisen muokkauslujittumisen luonne määräytyy sen mukaan, muokkautuvatко molemmat faasit jatkuvasti eri lailla vai pieneneekö tämä ero muokkautumisen jatkuessa. Paasien muokkautumisen ero pienenee, kun alkujaan pehmeämmällä faasilla on paljon jyrkempi muokkauslujittumiskäyrä kuin kovemmalla faa­

silla. Äärimmäisessä tapauksessa alunperin pehmeämpi faasi muokkauslujittuu niin nopeasti, että se lopulta muokkautuu vähemmän kuin alkujaan kovempi faasi.

Deformaation alkuvaiheessa faaseissa ei voi val­

lita sama jännitys, koska tällöin vain toinen faasi muokkautuu, jolloin faasien risteyskohtaan muodos­

tuu suuria jännityksiä. Nämä jännitykset pienenevät siten, että pehmeämpi faasi muokkautuu keskustaa enem­

män tämän risteyskohdan lähettyvillä. Tämän lisäksi saman jännityksen hypoteesin tekee vain suuntaa anta­

vaksi se, että faasien muokkauslujittumiskäyrän muoto riippuu siitä, ovatko rakeet samanlaisten vai erilais­

ten rakeiden ympäröimiä./4/

2.12 Saman venymän hypoteesi

Molemmat faasit myötävaikuttavat jännityksen ja deformaation luonteeseen kaksifaasiseoksessa, jossa on voimakas matriisisidos. Jos otaksutaan venymän mo

- 9 ^-

F

d

F

€

Kuva 2. Saman venymän hypoteesi

lemmissa faaseissa olevan saman, seoksen jännitys kasvaa keskimäärin lineaarisesti vahvemman уз-faasin tilavuusosan mukana

(

)

missä

2. on materiaalin jännitys, on =<-f aasin jännitys, on /8-faasin jännitys ja on /$-faasin tilavuusosa.

Tämän yksinkertaisen mallin avulla voidaan arvi­

oida sellaisen materiaalin jännitys, jossa kumpaakin faasia on runsaasti. Kuitenkin tilavuusosan lisäksi vaikuttaa materiaalin jännitysominaisuuksiin matrii­

sissa olevien sulkeumien koko ja jakautuminen. Kuvassa

25 Kuva 3.

Jännityksen riippuvuus lämpötilasta Al-Cu se­

oksessa /5/.

seos, jossa on bi karkeita par­

tikkeleita seos, jossa on bi hienoja par­

tikkeleita _ _ _ тоЬгтшд 1 *1 n n Q

Cu

10

3 on esitetty kuinka paljon nämä vaikuttavat materiaa­

lin jännitykseen. Kuvan kahdessa seoksessa on tila- vuusosaltaan sama määrä sulkeumia, mutta koska niiden koko on erilainen, on toisessa seoksessa enemmän par­

tikkeleita kuin toisessa ja myös partikkeleiden välinen e'täisyys on erilainen.

2.2 Paasien muokkautuminen

Hopea-magnesium-, kupari-rauta- ja kupari-sinkki- seoksilla tehtyjen tutkimusten mukaan on esitetty ko­

van ja pehmeän faasin muokkautuminen kovan faasin ti- lavuusosan funktiona /4,6,7/.

Kun kovan faasin tilavuusosa on pieni, muokkautuu pehmeä faasi lujan faasin partikkeleiden ympärillä.

Kovan faasin tilavuusosan kasvaessa kova faasi tukee pehmeää faasirajo jen lähistöllä, jolloin suurin osa muokkautumisesta tapahtuu kauempana faasirajoilta. Sil­

loin kun kovaa faasia on enemmän kuin puolet rakentees­

ta, se ympäröi pehmeää faasia, eikä pehmeä faasi enää voi muokkautua kovan faasin muokkautumatta vastaavasti.

Tällöin pehmeä faasi muokkautuu kaikkialla yhdenmukai­

sesti, kova faasi sen sijaan aina enemmän pehmeän faa­

sin raerajoilla.

Faasien tilavuusosuuden ja suhteellisen muokkautu­

misen välistä suhdetta kuvaa yhtälö

p =+ Урл - V - (3)

missä

p on seoksen yksikkötilavuuden deformaation määrä, on pehmeän faasin yksikkötilavuuden deformaation määrä,

p^ on kovan faasin yksikkötilavuuden deformaation määrä ja

V^3 on kovan faasin tilavuusosa.

11

Г’„

и o-i о-г о-з 0-4 оь o-v 0-7

VOLUME FRACTION OF ß ^PHASE <Vß)

-О

0-8 0-9 1-0

Kuva 4. Kovan faasin tilavuusosan vaikutus faasien suhteelliseen muokkautumiseen /?/

Kun kovan ^-faasin tilavuusosa on hyvin pieni, suurin osa muokkautumisesta tapahtuu pehmeässä d.-faa- sissa ja siksi kuvan 4 d-faasin muokkautumisen käyrä lähestyy vaaka-akselin suuntaa tangentiaalisesti.

Kuitenkin pehmeän faasin sisustaa suurempi muokkau­

tuminen kovien partikkeleiden ympärillä aiheuttaa peh­

meän faasin muokkautumisen seoksen keskimääräistä muokkautumista enemmän. Kovan faasin suhteellinen muokkautuminen kasvaa lähes lineaarisesti tilavuus- osan funktiona, kun Vp 0,3 » jonka jälkeen pehmeä faasi ei enää muodosta täydellistä matriisia. Tällöin kumpikin faasi muokkautuu suhteellisesti yhtä pal­

jon./?/

Ylläolevan perusteella voitaisiin saman venymän hypoteesia käyttää silloin, kun kovemman faasin tila­

vuusosa ylittää 0,3 , mutta koska rakeet muokkautuvat huomattavasti epähomogeenis emmin kuin yksi faasisissa materiaaleissa, on odotettavissa, että faasien muok­

kauslujittuminen poikkeaa yksifaasisten komponenttien muokkauslujittumisesta, eikä hypoteesi ole näin ylei­

sesti pätevä.

12

2.3 Faasien lujuuden vaikutus seoksen muokkautumiseen Unckel /3/ on johtanut valssauksessa rakeiden muodon muuttumista tilastollisesti tutkimalla eri­

laisten partikkelien suhteellisen muokkautumisen riippuvuutta partikkelien suhteellisesta myötölu- juudesta kuvaavan yhtälön. Sulkeumien reduktio materiaalin koko reduktioon nähden on muotoa

H_Ah = el - Kj/K f (4)

h AH missä

Ah on partikkelin puristuma,

h on partikkelin alkuperäinen korkeus,

ah on materiaalin puristuma,

H on materiaalin alkuperäinen korkeus, K4 on sulkeuman myötölujuus,

K on matriisin myötölujuus ja e on Neperin luku.

Yhtälön 4 mukaan muokkaantuvat sulkeumat minimityön periaatteella. Kuvassa 5 on esitetty kokeelliset tulokset.

SEOS 1 : Cu 63%. Zn 27%. Pb 10%

Å ; Ms 63 10 k pm m 2 Pb .3 kp mm2 SEOS 2: Cu 63% . Zn 37%

a-m: « 12 k pm m 2 {2 23 kp mm2

¡SEOS 4: Cu 94% . Pu 6%

Cu S k pm m2 Pe 22 kp mm2 SEOS S: Cu 90%. SntO%

SEOS 7: AI 92%, Cu 0 %

Kuva 5. Sulkeumien suhteellinen deformaatio sulkeu­

mien ja matriisin suhteellisten muokkaus jän­

nitysten funktiona /3/

- 13 ^-

Clarebroughin ja Pengerin /7/ mukaan Unckelin tuloksia ei voida yleisesti soveltaa, koska useim­

pien kaksifaasiseoksien rakeiden muoto on hyvin epä­

säännöllinen ja jotkut osat faaseista saattavat muok­

kautua melko runsaasti rakeiden muodon muuttumatta paljoakaan. Näin ollen ei rakeiden muodon muuttumisen perusteella voida määrittää niiden deformaation suu­

ruutta .

Chao ja Van Vlack /8,9/ tukevat Unckelin päätel­

mää partikkelin deformaation määrän riippuvuudesta sen ja matriisin suhteellisesta lujuudesta. He puristivat teräsnäytteitä, joissa oli mangaaniaulfidi- tai lasi- sulkeumia. Deformaation määrä mitattiin sulkeumien muodon muutoksen tai sulkeumien ympärillä olevien wolfrarnimerkkien liikkeen perusteella. Lämpötiloissa,

joissa partikkelit olivat matriisia pehmeämpiä, kes­

kittyi suurin osa deformaatiosta partikkeleihin.

Fulverimetallurgisesti valmistettujen molybdee­

nia, wolfrämiä, wolframikarbidia tai nikkeliä sisäl­

tävien hopeaseosten muokkautumisen perusteella

Gurland /10/ päätyi tulokseen, jonka mukaan partikke­

lit kohottavat seoksen lujuutta samalla tavalla riip­

pumatta niiden laadusta silloin kun ne itse eivät osallistu deformaatioon (kuva 6). Tutkituista partik­

keleista vain nikkeli muokkaantui hopean kanssa.

DEFLECTION. IN. X 10“’

+ Pure Silver x 15%W O 15% N1

A 15%WC • 15% Mo

Kuva 6. Hopean ja hopeaseosten taivutuskokeella määrätty jännitystaipumapiirros /10/

14

Kovien partikkeleiden on selitetty lujittavan seosta pakottamalla pehmeää matriisia. Myös faasien erilaisen lämpölaajenemisen seurauksena syntyneet

jäännösjännitykset lujittavat seosta /11/. Esimerkik­

si sintratussa wolframikarbidi-kobolttiseoksessa liu- kuviivat alkavat kobolttimatriisissä wolframikarbidin jännityskonsentraation vaikutuksesta /12/. Kun karbi- dipartikkeleiden määrä lisääntyy, vähenee jännitys,

joka aiheuttaa liukunauhojen muodostumisen matriisissa.

Seoksessa, jossa on vähän wolframlkarbideja, muokkautu­

minen tapahtuu yksinomaan koboltti matriisissa. Kun karbidimäärä on suuri, muokkautuu kobolttimatriisi vain vähän ja jännitys keskittyy melkein yksinomaan karbidipartikkeleihin, joiden läpi seoksen murtumakin tapahtuu.

Kun tarpeeksi luja faasi on läsnä kohottamassa matriisin siihen jännitykseen, jossa kova faasi defor- moituu, muokkaantuu materiaali kokonaisuudessaan yhtä paljon. Tällöin materiaalin lujuus riippuu yksistään kovemman faasin lujuudesta./13/

2.4 Paasien jakaantumisen vaikutus seoksen lujuuteen Jos matriisi on jäykän plastinen tai vain vähän muokkauslujittuva, suurikokoiset partikkelit eivät juuri nosta materiaalin myötöjännitystä, jos ne ovat joko säännöllisesti jakautuneena silloin, kun partik- keleiden tilavuusosa on suuri, tai umpimähkään jakautu­

neena silloin, kun niiden tilavuusosa on pieni. Kun materiaalin muokkauslujittuminen on huomattavaa, ha­

jalle hajaantuneet suuret partikkelit lujittavat ma­

teriaalia. Sulkeumat niihin liittyvine jännityskon- sentraatioineen aiheuttavat materiaalin myötämisen ai­

kaisemmassa vaiheessa kuin tapahtuisi puhtaan matrii-

- 15

matriialfaasi

seos, jossa on säännöl lisesti jakautuneita pallomaisia sulkeumia, joita on tilavuusosal- taan vähän

seos, jossa on säännöl lisesti jakautuneita lujia levymäisiä sul­

keumia, jolta on tila- vuusosaltaan vähän seos, jossa on säännöl lisesti jakautuneita pallomaisia sulkeumia,

joita on tilavuusosal- taan paljon

Kuva 7. Suhteellisten suurten sulkeumien vaikutus materiaalin muokkauslujittumiseen /5/

sin myötäminen. Kuitenkaan myötöjännitys ei pienene, vaan jopa kohoaa, jos sulkeumat eivät jännityksen lisääntyessä murru. Kuva 7 esittää säännollisesti jakaantuneiden suurten sulkeumien vaikutusta muok­

kauslujittumiseen./^/

Kun luja, hauras faasi on jakaantuneena toisen faasin raerajoille, se voi vähentää seoksen lujuutta

ja tehdä seoksen jopa täydellisesti hauraaksi. Toi­

saalta taas luja, hauras faasi voi lujittaa materiaa­

lia ja lisätä sen sitkeyttä huomattavasti, jos se on jakautuneena pieninä partikkeleina toisen faasin si­

sällä./5/

2.5 Pienten partikkeleiden välisen etäisyyden vaikutus materiaalin lujuuteen

Tähän mennessä ainoat kakaifaasirakenteen omi­

naisuuksia kohtalaisen hyvin kuvaavat matemaattiset mallit on luotu tasaisesti jakautuneiden pienten partikkeleiden välisen etäisyyden ja materiaalin lujuuden välille.

16

Gensamerin /14/ yhtälö

2> = - A log A + В , (5)

missä

A ja В ovat vakioita, 2» on jännitys ja

Я on partikkelien välinen etäisyys, joka saadaan yhtälöstä

A = (1 - f)/n , (6)

mi ssä

f on partikkeleiden tilavuusosa seoksesta ja n on yksikköpituudella olevien partikkeleiden lu­

kumäärä ;

kuvaa kohtalaisen hyvin alumiini-pii-, wolframikar­

bidi-koboltti- , kupari-wolframiseosten sekä (<*+/3)- messingin, sintratun alumiinin, perliittisen ja alieutektoidisen teräksen käyttäytymistä.

Kun partikkeleiden välinen etäisyys on suuri, kuvaa Orowanin ja Röhnerin /15/ yhtälö

= 2ЕаД , missä

E on materiaalin kimmomoduli ja a on materiaalin atomietäisyys,

joidenkin alumiini- ja rautaseosten sekä terästen käyttäytymistä.

Unckelin /16/ yhtälö

3 = ¿0(1 + пе~ЪА) , ^8)

missä

2Q,n ja b ovat vakioita ja e on Neperin luku,

on muodostettu tutkimalla alumiini-pii-, alumiini- kupari-, kupari-wolframi-, tina-rauta-, alumiini-ala miinioksid.i-, alumiini-kupari-magnesium-»alumiini-

- 17

magnesium-pii- ja alumiini-kupari-nikkeliseoaten sekä perliittisen ja alieutektoidisen teräksen, (<*+/S)-mes- singin ja sintratun alumiinin lujuutta partikkeleiden välisen etäisyyden vaihdellessa. Yhtälö 8 sopii (R+/3) messinkiä lukuunottamatta hyvin kaikille yllämaini­

tuille seoksille. (=<+/0- messingissä faasien välinen lujuusero on liian pieni, jotta partikkeleiden väli­

sen matkan muuttuminen vaikuttaisi selvästi materiaa­

lin lujuuteen.

Kuvassa 8 on esitetty yhtälöiden 7 ja 8 kulku kaavamaisesti. Vaaka-akseleilla käyrien assymptootti- na on matriisin lujuus. Kun partikkeleiden välinen etäisyys on hyvin pieni, poikkeaa lujuus yhtälöiden esittämästä. Lujuus riippuu tällöin joko partikkelei­

den lujuudesta tai matriisin normaali- ja leikkausjän nityksen kestokyvystä./16/

Kuva 8. Partikkeleiden välisen etäisyyden vaikutus materiaalin lujuuteen Unckelin ja Röhnerin mukaan /16/

2.6 Partikkeleiden vaikutus materiaalin sitkeyteen Kun partikkelit ovat matriisia pehmeämpiä ja niiden pinnalla vallitseva leikkausjännitys on pie­

ni, tapahtuu muokkauksen aikana matriisin ja par­

tikkeleiden välillä leikkautumista, jonka avulla

18

partikkelit voivat muokkaantua matriisissa enemmän kuin materiaalin keskimääräinen muokkautuminen edel­

lyttäisi /17/. Tällainen materiaali, jossa kovempi faasi muodostaa matriisin, on sitkeä, jos seuraavat kaksi tekijää tulevat täytetyksi: vahvemman faasin täytyy olla muokkautuva, sekä heikommassa faasissa täytyy vallita muokkauksen aikana hydrostaattinen paine, joka pienentää faasien lujuuseroa /13/.

Sitkeys kasvaa, kun kovien partikkeleiden ti- lavuusosa vähenee /2,4,18/. Partikkelien koon,

1 - 200 jam välillä, ei ole havaittu vaikuttavan ma­

teriaalin murtumiseen /2/.

Kaksifaasiseosten suurin sitkeys saavutetaan silloin, kun partikkelit ovat matriisia pehmeämpiä /17/.

- 19 ^-

3. KUUMAMUOKKAUS

3.1 Kuumamuokkauksen tutkimusmenetelmät

Tärkeimmät kuumamuokkauksen tutkimusmenetelmät ovat vetokoe, puristuskoe, kuumakiertokoe, erilaiset sitkeyskokeet ja mallikokeet. Kuumamuokkauksen tutki­

musmenetelmiä valittaessa on otettava huomioon, mitä ilmiötä materiaalista halutaan tutkia. Mikrorakennet­

ta tutkittaessa täytyy näytteen jäähdytys tapahtua si­

ten, ettei sen aikana tapahdu rakenteen muuttumista.

Koska kuumamuokkauksen tutkimusmenetelmistä on tehty perusteellinen yhteenveto /19/, rajoitutaan seu- raavassa vain vetokokeeseen, jota on käytetty tässä työssä.

3.11 Kuumavetokoe

Vetokoe ei yleensä anna oikeaa kuvaa materiaalin käyttäytymisestä käytännön muokkausprosesseissa. Veto- kokeessa ei tavallisesti - joillakin pneumaattisilla vetokoneilla suoritettuja kokeita lukuunottamatta - saa­

vuteta läheskään niin suuria muokkausasteita eikä muo­

donmuutosnopeuksia kuin nykyaikaisilla muokkausmenetel­

millä. Hyvin suurilla muodonmuutosnopeuksilla metallit yleensä käyttäytyvät erilailla kuin staattisen kuormi­

tuksen alaisena: jännitysvenymäpiirros on erilainen, plastinen venymä paikallistuu voimakkaasti, kaksostumis­

ta saattaa esiintyä siellä, missä tavallisesti on vain liukunauhoja, faasimuutoksia saattaa tapahtua ja normaa­

listi sitkeä aine saattaa käyttäytyä hauraasti /20 s.

447...449/.

Vaikka vetokone olisi rakennettu pitämään keski­

määräinen muodonmuutosnopeus vakiona vetokokeen ajan, superplastisia materiaaleja lukuunottamatta materiaalin paikallinen muodonmuutosnopeus muuttuu kuroutumisen

vuoksi kokeen kuluessa. Tämä on paha puute, koska kuuma- muokkauksessa jännitys riippuu muodonmuutosnopeudesta.

20

Vetokoe voidaan suorittaa hyvin laajalla lämpö­

tila-alueella ja sen avulla voidaan helposti määrätä todelliset venymät ja jännitykset siihen asti kun koe- sauva alkaa kuroutua. Vetokokeen parhaimpana puolena on sen helppo suorittaminen. Myös muodonmuutosnopeus- herkkyys on sillä helppo määrätä muuttamalla vetono- peutta.

3.2 Kuumamuokkauksen mekanismit

Matalissa lämpötiloissa materiaalia muokattaessa dislokaatiot muodostavat rakeissa takkuja, jotka yhdis­

tyvät sellirajoiksi erottuen vähemmän dislokaatioita sisältävistä alueista. Kun näin muodostuneet sellit pienenevät, jännitys kasvaa. Sellien koon pieneneminen pysähtyy kutakin lämpötilaa vastaavaan kokoon. Muokka­

uksen lisääntyminen aiheuttaa uusien dislokaatioiden saapumisen jo muodostuneille sellirajoille, jolloin sel­

lien välinen orientaatioero kasvaa. Tämä orientaatioeron kasvaminen ei enää aiheuta läheskään niin suurta muokka­

uslujittumista kuin sellikoon pieneneminen. Lämpötilan kohotessa sellien koko kasvaa ja muokkauslujittuminen vähenee. Tämän lisäksi dislokaatioiden tiheys selleissä pienenee ja dislokaatiot muodostavat säännöllisempää verkkoja. Korkeissa lämpötiloissa sellit voivat muodos­

taa siruja.

Kun muokkaus korkeissa lämpötiloissa alkaa, dislokaatiot liukuvat useiden liukusysteemien mukaan kiipeämällä ja riatiliukumalla kasaantuen takuiksi, jotka lisääntyvän venymän myötä hahmottuvat selleik­

si tai siruiksi. Kun materiaalia vielä muokataan, lisääntyy dislokaatioiden kiipeämisen määrä kasvavan vakanssipitoisuuden mukana, mikä on tuloksena nykämien muodostumisesta rUuvidislokaatioiden leikkauspistei­

siin. Kiipeämisen ja ristiliukumisen helppous aiheut­

taa sen, että dislokaatiot ohittavat esteet ja liik­

kuvat pitempiä matkoja yhdistyen tai tuhoutuen tois­

ten dislokaatioiden kanssa. Tuhoutumistiheys Kasvaa

21

dislokaatiotiheyden myötä ja saavuttaa lopulta dynaa­

misen tasapainon dislokaatioiden syntymisen kanssa./21/

Dynaaminen toipuminen, ts. sellien syntyminen ja kasvu kuumamuokkauksen aikana, estää muokkauslujittu­

misen puhtaissa pintakeskeisissä ja tilakeskeisissä kuutiollisissä metalleissa, joiden kohtalainen tai suu­

ri pinousvian pintaenergia vaikeuttaa dislokaatioiden laajentumista sekä pienentää ristiliukumisen tai kii­

peämisen termistä aktivaatiota. Seokset, joiden pino­

usvian pintaenergia on pieni, muodostavat myös sellejä korkeissa lämpötiloissa, vaikkakaan ne eivät muodostu huoneenlämpötilassa eikä näissä seoksissa tapahdu hehkutuksen yhteydessä polygonoitumista. /21/

Muodonmuutoksen aiheuttaman jännityksen pienene­

minen lämpötilan kohotessa tai muodonmuutosnopeuden laskiessa johtuu siitä, että tällöin termisesti akti­

voitujen tapahtumien määrä venymäyksikköä kohden kasvaa.

Vaikka edellä kuvattu kuumamuokkausmekanismi onkin voittamassa alaa, esiintyy sen rinnalla teo­

rioita, joiden mukaan muokkauslujittumisen estyminen johtuu osaltaan - varsinkin metalleissa, joiden pi­

nousvian pintaenergia on pieni - dynaamisesta rekris- tallisaatiosta /22,25/.

3.3 Rakeiden liike toisiinsa nähden

Materiaalin muokkautuminen ei tapahdu yksin ra­

keiden sisäisten muutosten avulla. Atomeja saattaa dif­

fuse itua rakeesta toiseen raerajan läpi tai rakeet saattavat liikkua toistensa suhteen. Molemmat meka­

nismit tulevat selvästi esiin korkeissa lämpötilois­

sa pienehköllä muodonmuutosnopeudella.

Kuva 9.

Tasaisen raerajan kaaviollinen malli /24/

3.31 Raerajan rakenne

Raerajalla on aina oma säännöllinen "hila"ra- kenne (kuva 9). Tosin siinä on paljon hilavirheitä, eikä sitä voida pitää omana kiteenä. Raerajalla liikkuvat dislokaatiot poikkeavat yleensä sitä ym­

päröivien rakeiden dlslokaatioista erilaisen Burgersvektorin vuoksi. /24/

3.32 Raerajamigraatio

Rakeissa, joissa ruuvidislokaation Burgersvek- tori ei ole raerajan suuntainen, voi raerajalle muo­

dostua portaita spiraalimaisella kasvulla (kuva 10).

Kuva 10. Porrasmaisten kärkien muodostuminen rae­

rajalle spiraalimaisella kasvulla

(s.d. on ruuvidislokaatio, Ъ on Burgers- vektori ja G.B. on raeraja.) /25/

- 23 ^-

Siinä kohtaa, missä dislokaatiojono kohtaa raerajan, muodostuu porras, jonka suuruus on kohtisuoraa pin­

nan tasoa vastaan olevan Burgersvektorin suuruinen.

Jos rae ei sisällä dislokaatioita, muodostuu raeraja- porras tiivispakkauksisen tason ydintymisestä. Rakei­

den raerajalle muodostuu näin hilatasojen askelmia.

Ajavan voiman alaisena portailta siirtyy atomeja ku­

tistuvasta rakeesta raerajalle ja siitä edelleen kasvavaan rakeeseen. Tälläinen siirtyminen aiheut­

taa raerajan kohtisuoran liikkeen - raerajamigraa- tion. /26/

Raerajamigraatiolla on tärkeä osuus mm. rekris- tallisaatiossa, erkautumisessa, virumisessa ja faasi- transformaatiossa. Sen avulla voidaan selittää myös rakeiden kasvu ilman rekristallisaatiota sekä osittain myös rakeiden pysyminen tasa-akselisinä kuumamuokka­

uksessa. Kaksifaasirakenteissa raerajamigraation osuus kahden eri faasin, välillä on hyvin pieni, mutta sen on selitetty pitävän yllä materiaalin jatkuvuutta kolmen rakeen leikkauspisteessä, /¿o,¿7 »¿8/

3.33 Raerajaliukuminen

Kuva 11 esittää kaaviollisesti raerajaliukumisen mekanismia. Kun raerajadislokaatio liikkuu oikealle, siirtyvät atomit d ja /3 vasemmalle muodostaen lukku-

. v V

d o o 9

<3 P Q ö m ,

^ \ -O Ô-

N/b <> b- b~ -6- o o- Ь d -ty -o- ty 4> o o-

o O O <? - <>- Q

b - -b o -

X\N

5 D J?' 0--Ö- b

Kuva 11.

Raerajaliukumisen ato­

maarinen malli

(KG. on raeraja ja b on raerajadislokaati­

on Вurgersvektori ) /24/

24

neen puolitason kanssa raerajan, jolloin hilatasot 1 ja 2 tulevat liikkuvan dislokaation kohdalle.

Molemmat rakeet siis liikkuvat raerakenteen muut­

tumatta ..

Raerajadislokaatiolähteinä toimii kolme meka­

nismia: 1) Ulkoinen jännitys voi aiheuttaa raera­

jaan jännityspiikin, joka toimii dislokaatiolähtee- nä. 2) Kun kaksi hiladislokaatiota reagoi raerajal­

la ja molempien liukutasojen leikkauspiste on rae­

rajalla, muodostavat dislokaatioiden leikkauspisteet raerajadislokaatioiden Frank-Readin lähteen. 3) Kun hiladislokaatio kulkee raerajan läpi, raerajadislo- kaatio muodostuu, jos hiladislokaatiolla on liukutaso raerajalla. Hiladislokaation suunnanmuutos tapahtuu tällöin raerajan suuntaan.

Näistä mekanismeista kaksi ensimmäistä ovat tärkeimmät raerajaliukumisen aiheuttajat /24/.

Kahden jälkimmäisen mekanismin avulla voitaneen selittää kaksifaasirakenteissa esiintyvä liukunau- han pieni suunnanmuutos sen ylittäessä faasirajan /4,6/.

Raera jaliukumisella on oma osuutensa materiaa­

lin muokkautumiseen. Kaksifaasisissa materiaaleissa se voi helpottaa faasien siirtymistä toistensa suh­

teen sekä vähentää näin faasirajoille muodostuvia jännityksiä.

Raerajaliukuminen tarvitsee sangen vähän akti­

vaatioenergiaa. Se voi toimia hyvin alhaisissa läm­

pötiloissa. Lämpötilan nousu nopeuttaa tosin liu­

kumista. /24/

- 25

4. KaKSIFAaSIRAKENTEISEN materiaalin plastisen

DEFORMAATION TUTKIMINEN

Faasien vaikutusta ja suhteellista osuutta materiaalin kokonaisdeformaatioon on tutkittu aineenkoetuskokeiden ja optisen mikroskopian avul­

la. Vain pienten partikkeleiden vaikutusta dislokaa- tiolähteinä, -esteinä tai ruuhkien aiheuttajina

niihin liittyvine jännity skons en traatioir.een on tutkittu elektronimikroskopiaa hyväksi käyttäen.

Deformaation jakaantumista kaksifaaslsessa ma­

teriaalissa aineenkoetuskokeid en ja optisen mikros­

kopian avulla voidaan tutkia seuraavilla tavoilla : a) Mikrokovuusmittauksilla voidaan määrittää kylmämuokatun materiaalin molempien faasien muokka- uslujittumiskäyrät sekä deformaation mahdollinen keskittyminen rakeiden eri osiin /29/• Menetelmän

i-j;tana on se, että muokkausasteen lisäksi mikro- kovuus riippuu raekoosta ja orientaatiosta.

h) Kun muokattavan kappaleen pinta kiillote­

taan ja syövytetään ennen muokkausta, muodostuu muokkauksessa kappaleen pintaan mikroskoopissa havaittavia liukunauhoja. Kun aina pienen muokkauk­

sen jälkeen tarkastellaan liukunauhojen esiinty­

mistä, voidaan uusien liukunauhojen esiintymispaik­

kojen avulla päätellä, kuinka materiaalin eri osat muokkaantuvat /4,6,12/. Samalla muokkausasteella . voi eri- faaseissa olevat 1lukunauhat olla tiheydel­

tään, leveydeltään tai pituudeltaan hyvin erilaisia.

Muokkautumista voi tapahtua myös ilman mikroskoopis- aa havaittavien liukunauhojen syntymistä /30/.

Menetelmällä saadaan vain suuntaa-antavia tuloksia materiaalin eri osien muokkautumisen määrästä.

c) Rekristallisaation alkamislämpötia riippuu pinousvian pintaenergian ja materiaalin puhtauden lisäksi myös rekristallisaatiota edeltäneen kylmä-

26

muokkauksen suuruudesta. Kun materiaalia hehkutetaan erilaisten muokkausasteiden jälkeen eri lämpötilois­

sa määrätyn ajan, voidaan optisen mikroskopian tai rontgendiffraktion avulla määriteltyjen eri faasien rekristallisaation alkamislämpötilojen avulla määrit­

tää niiden suhteellinen muokkausaste sekä mahdolli­

nen muokkauksen keskittyminen /4,6,7/. Koska rekris­

tallisaation alkamislämpötila riippuu monista eri faaseille ominaisista piirteistä, eivät tulokset deformaation jakaantumisesta materiaalin eri osiin ole aivan tarkkoja.

d) Muokkautumisen aikana tapahtuvan rakeiden muodon muuttumisen avulla on määritelty eri faasi­

en suhteellinen osuus materiaalin koko deformaati­

oon /3,8,9/. Yksityisen rakeen muokkautuminen voi­

daan laskea yhtälöstä /31/

1 (9) missä

e on rakeen kokonaisvenymä,

L ja В ovat rakeen rakeen alkuperäinen pituus ja le­

veys ja

1 ja Ъ ovat rakeen pituus ja leveys muokkauksen jäl­

keen

Kaavan 9 avulla päästään kohtalaisen oikeisiin tulok­

siin yksifaasisen materiaalin rakeiden venymiä määri­

tettäessä, jos suureet mitataan samoista rakeista sekä ennen muokkausta että sen jälkeen. Kaksifaasimateriaa- leissa rakeiden muoto on paljon epäsäännöllisempi kuin yksifaasimateriaaleissa, eikä rakeiden venymien mit­

taaminen muokkauksessa tapahtuvan muodon muutoksen avulla yleensä anna oikeaa tulosta /7/.

e) Rakeisiin voidaan tehdä erilaisia merkintöjä, joiden liikkeiden avulla niiden venymä voidaan mitata /8,9,32/.

f) Joa kaksifaasisen materiaalin toinen faasi on pintakeskeinen ja toinen tilakeskeinen kuutiollinen metalli, voidaan muodonmuutosnopeuden tai lämpöti­

lan "muutosten avulla deformaation aikana määrittää, kumman faasin mukaan materiaali käyttäytyy /13/•

Kuumamuokkaukseen, jonka jälkeen rakenne ei ole rekristallisoitunut, soveltuvat menetelmät c,d ja e sekä joissain tapauksissa myös b ja f. Seuraavassa tarkastellaan menetelmiä e ja f lähemmin.

4.1 Rakeiden deformaation määritys materiaaliin tehtyjen merkintöjen avulla

Aikaisempien tutkimusten /4,6,7/ mukaan kovem­

man faasin tilavuusosan ylittäessä 0,3 muokkautuu pehmeämpi faasi homogeenisesti ja tilavuusosaansa nähden saman verran kuin materiaali kokonaisuudes­

saan. Pehmeämmän faasin deformaation määrä vetoko­

neella suoritetussa kokeessa voidaan tämän perus­

teella määrätä viivoittamalla koesauvan pinnalle säännöllinen verkko, jonka neliöitä osuu pehmeän faasin rakeiden sisälle, ja mittaamalla määrätyn deformaation jälkeen neliön muodon muuttuminen

(kuva 12). Raerajalla tapahtuvien viivojen siirtymi­

sien avulla voidaan määrittää raerajaliukumisen osuus materiaalin kokonaisdeformaatiosta. Raerajal­

la tapahtuvasta viivojen käyristymisestä voidaan päätellä muokkautumisen määrä raerajojen läheisyy­

dessä.

Materiaalin kokonaisvenymän riippuvuutta en tekijöistä kuvaa yhtälö

c A F (10)

£t = eg + £gh + cav ' missä

£ on materiaalin kokonaisvenymä, g on rakeiden venymä,

/. on venymä, joka johtuu raerajaliukumisesta ja e on venymä, joka aiheutuu onkalojen muodostu-

cav ....

misesta materiaaliin.

28

Kava 12. Alumiini-magnesium eutektisen seoksen muok­

kautuminen: a) muokkaamaton rakenne, b) täsmälleen sama kohta, mutta muokattuna 6,7*10-4 l/s nopeudella 17 /. Vetoakselin suunta on kuvassa vaakasuorassa. /27/

Cnkaloiden muodostumisesta aiheutuva venymä on koh­

talaisen pieni verrattuna rakeiden tai raerajaliuku- misesta aiheutuvaan venymään /33/, joten se voidaan jättää huomioimatta yhtälössä 10.

Rakeiden venymä mitataan kahden sellaisen koh­

tisuorassa vetoakselia vastaan olevan viivan avulla, jotka ovat kokonaan saman rakeen sisällä:

Eg - df - V^o . (11)

missä

1 on viivojen alkuperäinen väli ja

1^ on viivojen väli deformaation jälkeen.

Raerajaliukumisen osuuden määrittäminen kokonais- deformaatiosta tarkkaan on vaikeaa, sillä kaikkia

tarvittavia suureita on joko vaikea tai jopa mahdoton mitata.

29 ^-

Jos raerajamigraatiota ei tapahdu, voidaan raerajaliukuminen määrittää yhtälöstä /27/

(

)

missä

on yksikköpituudella olevien rakeiden lukumäärä vetoakselin suuntaisella viivalla ja

ÏÏ1 on keskimääräinen viivan siirtymä vetoakselin suunnassa.

Jos muokkauksen yhteydessä esiintyy raerajamig- raatiota, se vaikeuttaa suureen u-^ mittaamista. Täl­

löin voidaan käyttää yhtälöä /27/

(13) missä

1' on raeraiän yli mitattu pituus ( väli AB kuvassa o

13 ) ennen muokkausta ja

li, on sama väli muokkauksen jälkeen.

2 3

0

A

t—u»—i

2

3 TENSILE AXIS

Kuva 13 Kaaviollinen kuva rakeiden pinnasta defor­

maation jälkeen. Raerajamigraation otaksu­

taan tapahtuneen tummalla alueella. /27/

зо -

Kuva 14. Liukuvektorin P komponentit

Jos materiaalin venymä mitataan sisäisten ok- sidimerkkien avulla, voidaan raerajaliukuminen las­

kea yhtälöstä /34/

missä

w on viivan siirtymä vetoakselia vastaan kohtisuo­

rassa olevassa suunnassa (kuva I4)>

'ö' on vetoakselin ja raerajan välinen kulma sekä alaindeksi 1 ja vaakasuora viiva yhtälön jälkimmäi­

sen osan päällä osoittaa vetoakselin suunnassa las­

kettua keskiarvoa.

Jos materiaalia muokataan vetoкоneessa ja кое- sauvan pinta on kiillotettu ennen muokkausta, voi­

daan raerajaliukuminen määrittää yhtälöstä /34/

missä

n on yksikköpituudella olevien rakeiden lukumäärä, v on keskiarvo raerajalla tapahtuneista koesauvan

r pintaa vastaan kohtisuorista siirtymistä (kuva 14) ja

k on vakio, joka määrätään yhtälön

(

)

k = (ft - £g)/(nrvr)

avulla. k:n arvo vaihtelee välillä 1,СО.,.1,20 . Jos kokeissa on mahdollista käyttää sisäisiä oksidimerkkejä, saadaan luotettavimmat tulokset raerajaliukumisen suuruudesta yhtälön 14 avulla.

Tällöin voidaan raerajaliukuminen ja rakeiden venymä mitata kaikkialta kappaleesta, eikä ainoas­

taan kappaleen kiilloitetuita pinnalta, niin kuin on laita muita menetelmiä käytettäessä. Ainoastaan sisäisiä merkkejä käyttämällä voidaan valita muok­

kausmenetelmäksi jokin muu kuin vetokoneella suo­

ritettu veto tai puristus.

Kappaleen pinnan on todettu käyttäytyvän useim­

pien tutkimusten mukaan samanlailla kappaleen sisus­

tan kanssa virumisen tai superplastisen muokkauksen yhteydessä /34/. Tavallisten kaksifaasisten materiaa­

lien muokkautumista ei ole tutkittu materiaaliin tehtyjen verkkojen avulla, vaikka jo Unckelin tutki­

musten /3/ yhteydessä syntyneessä keskustelussa Rhines ja Ward /35/ toivat menetelmän esille.

4.11 Materiaaliin tehtävät merkinnät, joiden avulla rakeiden deformaatiota voidaan tutkia

Materiaalin rakenteen muuttumista plastisen de­

formaation aikana voidaan kätevimmin tutkia siihen tehdyn hienon ristikkoverkon avulla.

Jos verkko on materiaalin sisällä, materiaalia voidaan tutkia koko sen tilavuudelta. Jakamalla ma­

teriaali pieniin osiin ja päällystämällä ne materiaa­

lin omalla oksidilla tai wolframioksidillä sekä pur- sottamalla osat yhdessä kuumana saadaan yhdensuuntais­

ten oksiditasojen jakamaa materiaalia /36/.

32

Teräväksi hiotulla talttamaisella timanttineu- lalla naarmuttamalla saadaan kiilloitetun lattave to- koesauvan pinnalle hyvin hieno verkko. Esimerkiksi kuvan 12 verkon viivan paksuus on 0,8 p.m ja viivo­

jen väli noin 6,5 pm.

Lattavetokoesauvan pinnalle voidaan tehdä myös mikropiiritekniikalla hieno verkko /37/. Koesauvan pinta kiillotetaan, syövytetään ja puhdistetaan ve­

dellä ja trikloorietyleenillä. Sauvan pinnalle le­

vitetään ohuelti valoherkkää emulsiota. Emulsio kiin­

nitetään kuumentamalla sauvaa 20 minuuttia 80°0.

Sauvan pinnalle asetetaan tämän jälkeen tiiviisti lasilevy, johon haluttu rasteriverkko on valokuvat­

tu tai piirretty. Emulsio valotetaan monokromaatti­

sella ultraviolettisäteilyllä, kehitetään ja kiinni­

tetään uunissa 120°C 10 minuuttia. Tämän jälkeen koesauvan pinnalle elektrolysoidaan koemateriaalis—

ta poikkeavaa metallia, joka muodostaa sauvan pin­

nalle halutun metalliverkon. Verkon ulkopuolinen osa on läpinäkyvän emulsion peittämä. Emulsio suo­

jaa kappaletta hapettumiselta 400 G asti, jonka ylä­

puolella se palaa jättämättä jälkiä koesauvan pinnal­

le. Menetelmä on kuvattu yksityiskohtaisesti artikke­

leissa /38/ ja /39/•

4.2 Materiaalin käyttäytymisen tutkiminen muodon­

muutosnopeutta ja koelämpötilaa muuttelemalla Dislokaatioiden liikettä plastisen deformaation aikana voidaan tarkastella kahden rajatapauksen avul la: termisen energian avulla tapahtuva hyppäysmäinen liike esteeltä toiselle ja puoliviskoosi, hilan läpi tapahtuva liike ilman termistä aktivaatiota.

- 53 -

Materiaalissa muokkauksen aikana vallitseva leikkausjännitys voidaan jakaa kahteen osaan /40/

г (17) missä

Z on materiaalissa vallitseva leikkausjännitys, Z„ on leikkaus moduiiin verrannollinen, vain vähän

lämpötilasta riippuva leikkausjännityksen osa ja on dislokaatioesteiden ylittämiseen tarvittava, lämpötilasta riippuva leikkaus jännityksen osa.

Aivan identtisesti voidaan myös normaali jänni­

tys jakaa kahteen osaan /40,41/

2, = ¿(, + 2»s (18) missä

2, on materiaalissa vallitseva jännitys,

¿„ on vain vähän lämpötilasta riippuva ns. sisäinen (j

jännitys ja

¿^ on dislokaatioiden liikkeen aiheuttava lämpöti­

lasta riippuva ns. tehollinen jännitys.

Tehollisen jännityksen riippuvuutta lämpötilas­

ta voidaan tarkastella kahden rajatapauksen avulla (kuva.15):

TAPAUS A TAPAUS В

Kuva 15.

Jännityksen muu­

toksen riippuvuus vallitsevasta

jännityksestä /40/

à

34 -

a) Tehollinen ja sisäinen jännitys osallista­

vat samalla tavalla materiaalin muokkautumiseen.

Kun- muodonmuutosnopeutta nostetaan lämpötilan py­

syessä vakiona, nousee jännitys suhteessa vallitse­

vaan jännitykseen aina saman verran /40,41/ eli

Л2/3. = vakio (19)

b) Tehollinen jännitys ei muutu vallitsevan jännityksen myötä. Kun muodonmuutosnopeutta muute­

taan lämpötilan pysyessä vakiona, muuttuu jännitys vallitsevasta jännityksestä riippumatta aina saman verran /40,42/ eli

лЪ = vakio .

(

)

Yhtälöt 19 ja 20 toteutuvat myös, kun lämpötilaa muutetaan muodonmuutosnopeuden pysyessä vakiona.

Yhtälöissä 19 ja 20 esiintyvän vakion arvo riippuu materiaalista, materiaalin esikäsittelystä ja rae­

koosta, muodonmuutoslämpötilasta sekä muodonmuutos­

nopeudesta .

Tilakeskisten ja pintakeskisten kuutioillaten metallien mekaaniset ominaisuudet ovat lämpötilan

ja muodonmuutosnopeuden funktiona selvästi erilai­

set /42/. Tkk-metalleiden myötölujuus ja muokkaus­

ta j it tumi skäyrän alkuosan muoto muuttuu huomatta­

vasti enemmän muokkauslämpötilan ja -nopeuden muut­

tuessa kuin pkk-metalleiden.

Kun lämpötilaa tai muodonmuutosnopeutta vaih­

dellaan kokeen aikana, jännityksen muutos on tkk- metalleilla riippumaton vallitsevasta jännityksestä /40,41,42/.

35

i 1 i 1 i < i

I95*K

APPLIED STRESS "

APPLIED STRESS

INTERNAL STRESS INTERN AL

STRESS

EFFECTIVE STRESS

I ■ I ■ I

PLASTIC STRAIN, AJUt (%)

Kuva 16.

Vanadiinin si­

säinen ja te­

hollinen jänni­

tys venymän funktiona /41/

Määrätyn myötymän jälkeen tehollinen jännitys saa vakioarvon ja muokkauslujittuminen riippuu yksin­

omaan sisäisen jännityksen kehittymisestä tkk-metal- leissa. Lämpötilan laskiessa vain tehollinen jänni­

tys nousee tkk-metalleissa (kuva 16) /41/. Muokkaus- lujittumiskäyrän muoto pysyy tällöin kuitenkin alkua lukuunottamatta lähes samanlaisena (kuva 17) /13,41,42/.

773 K

. 20 PLASTIC STRAIN e %

Kuva 17. Sintratun «V-Fe-Ni-seoksen muokkauslujittu- miskäyrät eri lämpötiloissa. Tilakeskeinen kuutiollinen wolframi määrää käyrien muo­

don. /13/

- 36 -

Jos materiaali sisältää sekä pintakeskeistä että tilakeskeistä kuutiollista faasia, voidaan suoritta­

malla vetokokeita eri lämpötiloissa samalla muodonmuu tosnopeudella tai eri muodonmuutosnopeuksilla samassa lämpötilassa jännitysvenymäpiirroksista päätellä, kumpi faasi määrää muokkautumisen luonteen. Samoin vakiolämpötilassa suoritetussa vetokokeessa voidaan muodonmuutosnopeutta vaihtelemalla määrittää muokkaus ta dominoiva faasi (kuva 18) /13/. Tosin määrätyn kriittisen lämpötilan yläpuolella ei enää kaavojen 19 ja 20 avulla voida selvästi osoittaa, kumman kuvassa 15 esitetyn tapauksen mukaan tutkittava materiaali käyttäytyy. Esimerkiksi <x—messingillä tämä kriitti­

nen lämpötila on hieman huoneen lämpötilan yläpuolel­

la /40/.

8 000

S 7 000 6000-

o5 5 000

OI

ÍÜ 4000 V) 3000

$ o

I 000

—1—1—1—1

o

o o

—r—i—1 1 1 1

O 300° K Crossheod Speed .0002;.002 o 300° K Crosshead Speed .001 = .01 —

1° 1o 1 !•

г

---0 0U o °

85 90 95 Ю0 105 HO 115 *20 »25 130 »35

—

—0-X-0- X-0--- ox— c

___L__¹___¹___¹__

O 77°K Crossheod Speed .02 = .002 /min_

X 77°k Crossheod Speed .01 = .001Vmm

--- 0— XÛ--0—

1 1______ 1______ 1_____ 1—1—1—

150 155 160 165 ¡70 175 180 ¡85 ¡90 195 200 250

o-(psi)*'

Kuva 18. Muodonmuutosnopeuden muutoksen vaikutus jännityksen muutokseen 90 p i» wolf rämiä sisältävässä sintratussa W-Fe-Mi-s e oks e s- sa. Materiaalissa on tilakeskeisiä wolf- rami sulkeumia pintakeskeisessä Wï'eNi-mat- riisissa. Koska jännityksen muutos on vallitsevasta jännityksestä riippumaton vakiolämpötilassa, määrää materiaalin muokkautumisen luonteen tilakeskeiset kuutiälliset wolframisulkeumat. /13/

37 -

5 . KOEMATERIAAL.I

Koemateriaalin sulamispisteen tulisi olla koh­

talaisen matalalla, jotta materiaalin kuumamuokkau- tumista voitaisiin tutkia lämpötiloissa, joissa

hapettuminen ei vaikeuttaisi muokkautumisen tutkimis­

ta. Materiaalin mikrorakenteen säilyttämiseksi muok­

kauksen jälkeisessä tilassa on koemateriaalia voitava varastoida muokkauslämpötilaa matalammassa lämpötilas­

sa. Jottei varastoinnissa tarvittaisi kylmäkaappia, on muokkaus tapahduttava vähintäin sata astetta huo­

neenlämpötilan yläpuolella. Tämän mukaan muokattavan materiaalin soliduksen tulisi olla noin 750°K lämpö­

tilassa, jos kuumamuokkausalueen alarajana pidetään materiaalin sulamislämpötilan puoliskoa.

Koemateriaalin on oltava muokkauslämpötilassa.

plastinen. Sen rakennetta on voitava muutella normaa­

lista tasaisesta niin sanotusta mikroduplexrakentees­

ta verkkomaiseen rakenteeseen, jossa toinen faasi on toisen raerajoilla. Materiaalin toisen faasin - mie­

luiten sen, joka verkkomaisessa rakenteessa on toisen faasin raerajoilla - tulee olla toista faasia sitke- ämmän. Koemateriaalin on käyttäydyttävä olosuhteista riippuen sekä sitkeästi että hauraasti.

5.1 Koemateriaalin valinta

Alustavissa kokeissa käytettiin erilaisia lyijy- tina- , alumiini-tina- ja antimoni-tinaseoksia. Koema- teriaalit valettiin puhtaista (>99,97 >) alkuaineista, jonka jälkeen niitä muokattiin ja lämpökäsiteitiin so­

pivan rakenteen saamiseksi. Lyijy-tinaseoksien ainoat aikaan saadut puhtaasti kaksifaasiset seokset olivat superplastisia. Alumiini—tinaseoksista saatiin sopivia rakenteita, mutta alumiinin suuren jähmettymiskutistu-

- 38 ^-

man ja kaasuille affiinisen luonteen vuoksi vain muu­

tamat koekappaleet olivat kyllin tiiviitä ja plastisia, siitä huolimatta, että sulatettua materiaalia jähmetet­

tiin käyttäen upokkaassa puhdistus- ja peiteaineena natriumkloridi-natriumkarbonaattiseosta, käyttäen jäh- mettämisen yhteydessä ultraäänisekoitusta tai jähmettä­

en seos tyhjöuunissa. Antimoni-tinaseos hylättiin sen haurauden ja huonojen metallisten ominaisuuksien vuok­

si.

Koska alustavissa kokeissa käytetyistä materiaa­

leista mikään ei soveltunut koemateriaaliksi, suori­

tettiin materiaalin valinta uudestaan faasipiirrosten perusteella. Varmimmin muodostuu materiaaliin verkko­

mainen rakenne, kun materiaali jähmettyy peritektises- ti. Mikroduplexrakenne saadaan jähmettyneestä raken­

teesta muokkaamalla sitä ja suorittamalla sille rek- ristallisaatiohehkutus. Peritektisesti jähmettyviä metalleja ovat useat jalometalli- ja kupariseokset.

Näistä valittiin koemateriaaliksi (ci+/i)-messinki.

(o( +p) —messingin mekaanisista ominaisuuksista on saatavissa kohtalaisesti tietoja, joten kokeiden suun­

nittelu siitä on helpompaa kuin sellaisesta materiaalis­

ta, jota ei ole tutkittu paljoa. Materiaalin valintaa puolsi sekin, että sitä on helposti saatavissa. Tosin

(o<+^3 )—messingin kohdalla joudutaan, kuten useimpien muidenkin peritektisesti jähmettyvien seosten kohdal­

la olisi jouduttu, tinkimään joistakin koemateriaa- lille asetetuista vaatimuksista. messing! n kuu- mamuokkausalueen alapää on suunniteltua korkeammalla, 550°K paikkeilla. Messingin, korkean sulamispisteen ja sinkin alhaisen höyrystymispisteen vuoksi ei labora­

toriossa ollut mielekästä ryhtyä sulattamaan koemate- riaalia, vaan kokeissa käytettiin valmiiksi kuumapur- aotettua messinkiä, josta erilaisilla käsittelyillä pyrittiin haluttuihin rakenteisiin. Tämä rajoitti kui­

tenkin rakenteiden valintaa.

- 39 -

5.2 (cX+/3)-messinki

(ot+•yd)-mess ingin molemmat faasit, pintakeskei- nen kuutiollinen ex ja tilakeskeinen kuutiollinen /?, ovat kampikin muokattavia. p>-messinki esiintyy noin 73C°K alapuolella ylihilana (kuvat 27 ja 28 sivul­

la 44). /3' on huonommin muokattavissa kuin järjes­

täytymätön /3. (X- ja /-messingin kemiallinen rakenne on hyvin samanlainen./4/

(<X+y3)-messingin jähmettyessä cx-faasi erkautuu /-faasista siten, että ot-faasin fill] -taso tulee

samansuuntaiseksi yhden / -faasin {llO} -tason kans­

sa /4/. Koska nämä tasot ovat kyseenä olevien ra­

kenteiden tyypillisiä liukutasoja /43 s. 931...934/, helpottuu materiaalin muokkautuminen, eikä faasira-

joille muodostu niin suuria jännityksiä kuin sellai­

sessa tapauksessa, jossa eri faaseilla ei ole saman­

suuntaisia liukutasoja.

cX-messingin mekaaniset ominaisuudet riippuvat vähän tai eivät riipu lainkaan kupari-sinkkisahtees­

ta korkeammilla sinkkipitoisuuksilla. Ominaisuuksien riippuvuus raekoosta on pieni, kuten muillakin pinta- keskisillä kuutioineilla metalleilla.

/-messingin sinkkipitoisuuden vaihteluväli on niin pieni, ettei koostumuksen muutos vaikuta mekaa­

nisiin ominaisuuksiin. Raekoon vaikutus niihin on suurempi kuincX-messingissä. Sammutettu /-messinki on lujempaa kuin hitaasti jäähdytetty. 3e myös muok- kauslujittuu vähemmän. /6/

y3 - messingin myötö jännityksen riippuvuus lämpö­

tilasta on anomaalinen. Myötöjännitys kasvaa aluksi lämpötilan noustessa määrättyyn muodonmuutosnopeu­

desta riippuvaan lämpötilaan asti, jonka yläpuolella myötöjännitys laskee (kuva 19). Myötöjännityksen riippuvuus muodonmuutosnopeudesta on tavanomainen.

My ö t ö ra j a huip un yläpuolella myötöraja riippuu nor­

maalilla tavalla lämpötilasta./44/

40

Kuva 19.

/З-rnessingin (Ms53) myötörajan lämpö­

tilariippuvuus eri muodonmuutosnope­

uksilla. Tc on /3 - messingin järjes- täytymislämpötila.

/44/

0 100 200 300 400 Tc 500 600 Temperature CC)

Kylmämuokkauksessa (<<-1-/3)-messingissä alle 15 jum cX-faasin raekoolla on havaittavissa myötörajan pienenemistä lisääntyvän /^-pitoisuuden myötä. Suu­

remmalla raekoolla myötöraja taas lisääntyy/2-pi- toisuuden kasvaessa./45/

Kylmämuokkausalueella esiintyy (»Vt/3 )-messingis­

sä pieni myötörajailmiö, joka johtuu <ti-faasissa esiin­

tyvistä koherenteista järjestäytyneistä alueista /45»

46/.

ot-,/3- ja (ti.yí)-messinkien mekaanisia ominai­

suuksia on esitetty kuvissa 19.. .25.

o Lower yield stress

» 02% proof stress

44 tlO'1

Temperature

Kuva 20.

Lämpötilan ja muodonmuutos­

nopeuden vaiku­

tus /3_raessingin Ms 53 venymään /44/

41

Anteile an ß- Phase in Voi-%

Widmannstätten'sches Gefüge

mittlere Korngröße der ec-Phase

Anteile an ß- Phase in Kol-%

JO /ш JS mittlere Korngröße der oc-Phase

Anteile an ß-Phase in Voi- %

JO /im J5 mittlere Korngröße der ec-Phase

Kava 21.

(c< + /3)-messinkien (Ms60 - МэбЗ) myötölujuuden, raur- toluj uuden ja murtokurou- man riippuvuus »V-faas in keskimääräisestä raekoos­

ta huoneenlämpötilassa.

Havaintopisteisiin on merkitty /3-faasin määrä tilavuusprosentteina.

Jatkuvalla viivalla on esitetty o(-messingin Ms64 ominaisuuksien riippuvuus raekoosta./45/

-N'6

5-e x

<N 30

o»i

IS

o

Г » 295°K 90

60

Xto

X»

3

30

o

Kuva 22.

+/?) -messingin rnyötöra jan, murto- rajan ja kovuuden riippuvuus huo­

neenlämpötilassa partikkelien vä­

lisestä etäisyy­

destä /16/

0,6

0,0 0.3

A /mm

0.9

42

70

о 9 ь.* 8 2

& 7 3 Is

--- 1--- 1--- 1--- 1---1---т--- 1--- 1--- 1--- 1 (*+р) -л 1

\

- \

0

\ / V

: x

/

\ У

Си-40,2% Zn \ / Т 4 500 °С , ISmin

_____1______1______1______1______ I_____

r>S00°C, 6 Ami n - J_____ 1_____ i---1--- 1---

Kuva 23.

( oí,■+/})_ me з s i ng i n Ms 60 taivutusis-

kuarvon riippuvuus lämpötilasta /47/

-200 О 200 400 600 800

Г/»C

Kuva 24.

(о1+/?) -messi ngin Ms 60 kurouman riippuvuus läm­

pötilasta / 48/

Ms 58

Is 72

Ms 90

0 200 400 600 800

r/*c

Ms 72

Ms 80

Ms SO

Ms 58

r/»c

Kuva 25. o(-messinkien Ms 90, Ms 80 ja Ms 72 ja (°<+/4)- messingin Ms 58 murtolujuuden ja kurouman riippuvuus lämpötilasta /49 з. 312/

À