Metallenes mikrostruktur og egenskaper: Øving 4 - Stål III

Oppgave 1

Oppgave 1a - Patentering

  • Høy
  • Lav

Stålkabler er fremstilt ved å legge (eller tvinne) flere knipper av ståltråder sammen i en spiral. En produsent fremstiller stålkabler av et stål med den nominelle sammensetningen Fe- 0,6 % C - 0,25 % Si - 0,7 % Mn - 0,014 %P - 0,03 % S (IT-diagram under). Den faktiske sammensetningen til de ulike leveransene kan varierer litt fra den nominelle sammensetningen. Stålet blir først varmvalset til 5,5 mm diameter strenger, dernest patentert og til slutt kaldtrukket til endelig trådtykkelse.

Høy styrke og duktilitet oppnås ved en varmebehandlingsprosedyre kalt patentering, som for dette stålet betyr at det bråkjøles fra austenittiseringstemperaturen til ca. 600 °C. Denne temperaturen holdes i 1 min før avkjøling til romtemperatur.

Burde austenittiseringtemperaturen under patenteringen være høy eller lav for å unngå altfor mange områder med grov perlittstruktur? Husk at det er perlittstrukturen som skal være fin, med kort lamelleavstand.

Oppgave 1b - Patentering

Hva kalles gjerne den finlamellære perlitten som dannes under patenteringsprosessen (det norske ordet)?

Svar:  

Oppgave 1c - Problemer under kaldtrekking

Stålkabler er fremstilt ved å legge (eller tvinne) flere knipper av ståltråder sammen i en spiral. En produsent fremstiller stålkabler av et stål med den nominelle sammensetningen Fe- 0,6 %C - 0,25 %Si - 0,7 %Mn - 0,014 %P - 0,03 %S. Den faktiske sammensetningen til de ulike leveransene kan varierer litt fra den nominelle sammensetningen. Stålet blir først varmvalset til 5,5 mm diameter strenger, dernest patentert og til slutt kaldtrukket til endelig trådtykkelse.

I en av stålleveransene oppsto det gjentatte sprekker i den patenterte strengen under kaldtrekkingen. Produksjonen ble stoppet og en metallografisk undersøkelse ble utført. Sprekker ble observer i hele materialet.

Basert på sammensetningen og varmebehandlingen til stålet, fyll inn følgende:

Denne oppsprekkingen skyldes mest sannsynlig . Dette skyldes at det blir dannet på korngrensene, og stålet blir sprøtt etter avkjøling. Denne type oppsprekking kan vanlingvis forhindres med å tilsette større mengder .

Oppgave 1d - Løsning på kaldtrekkingsproblem?

  • Ja
  • Nei

I en av stålleveransene oppsto det gjentatte sprekker i den patenterte strengen under kaldtrekkingen. Produksjonen ble stoppet og en metallografisk undersøkelse ble utført. Sprekker ble observer i hele materialet.

Basert på svarene fra oppgave c, er det mulig å gjøre noe med denne leveransen for at den skal tilfredsstille kravene fra kunden? 

Oppgave 2

Oppgave 2a - Kornstørrelse

  • Prøve 1
  • Prøve 2

For en gitt stålkvalitet ble følgende ferritt-kornstørrelse målt i to prøver tatt fra forskjellige steder i en grovt varmvalset stålstang.

Prøve 1: 9,3 μm

Prøve 2: 22,0 μm

Hvilken av prøvene er tatt fra overflaten av stålstangen?

Oppgave 2b - Hall-Petch

I den samme stålstangen er det fortsatt målt to ulike kornstørrelser:

Prøve 1: 9,3 μm

Prøve 2: 22,0 μm

Beregn forskjellen i flytespenning for de to prøvene ut fra Hall-Petch ligningen (rund av til ett desimal bak komma). Det er gitt at konstanten

K_{_{F}}=19,\! 62\,\, N/mm^{3/2}Δσ(flytespenning):  MPa

Bruk den positive verdien!

Oppgave 2c - Beregning av konstantene i Hall-Petch ligningen

Finn de to konstantene i Hall-Petch ligningen for et stål ved å bruke infoen i tabellen under:

Flytespenning (σ_f) Korndiameter (D)
135 \, M\! Pa 6\cdot 10^{-2} \, mm
260 \, M\! Pa 8\cdot 10^{-3} \, mm

Flytespenningen for en énkrystall (σ_0), oppgi med en desimal: MPa

Konstanten (K_F), oppgi med to desimaler: N/mm^(3/2)

Oppgave 2d - Diameterberegning

Basert på tallene i den forrige oppgaven, hva vil diameteren til kornene være når flytespenningen er 205 MPa? Dersom du ikke klarte forrige oppgave, bruk K_F = 18 N/mm(3/2) og σ_0 = 65 MPa.

Alle tall under er oppgitt i mm! Trykk på tallet du beregner deg frem til!

Oppgave 3

***Bilag til oppgave 3***

Under følger utledningen av formelen som skal brukes i oppgave 3a og b. Formelen du trenger blir oppgitt i oppgaven. Tiden som skal til for å redusere segregering ved gløding skal beregnes.

Anta at utgangstilstanden kan beskrives ved en sinusformet konsentrasjonsprofil:

c(x,t=0)=\overline{c}+[\hat{c}(0)-\overline{c}]\cdot \sin (\frac{2\pi x}{l})der l er avstanden mellom konsentrasjonstoppene.

Fick's 2. lov beskriver sammenhengen mellom endringen i konsentrasjon over tid, c(t), og konsentrasjonsprofilen c(x):

\frac{\partial c}{\partial t}=D\frac{\partial^2 c}{\partial x^2}der D er diffusjonskoeffisienten. Vi antar at endringen i konsentrasjon over tid kan beskrives som en eksponentialfunksjon der λ er en variabel konstant.

exp(-\lambda t)Dermed blir konsentrasjonen avhengi av både tid og posisjon

c(x,t)=\overline{c}+[\hat{c}(0)-\overline{c}]\cdot exp(-\lambda t)\cdot \sin (\frac{2\pi x}{l})Ved å løse dette uttrykket mhp. Ficks 2. lov vil en finne at den partielle differensialligningen er gyldig for λ lik

\lambda=D\cdot \frac{4\pi ^2}{l^2}Dette gir

c(x,t)=\overline{c}+[\hat{c}(0)-\overline{c}]\cdot exp(-\frac{4\pi ^2D}{l^2} t)\cdot \sin (\frac{2\pi x}{l})Konsentrasjonstoppene er funnet ved

x=(n+\frac{1}{4})\cdot l,\: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: n=0,1,2...

\hat{c}(t)=\overline{c}+[\hat{c}(0)-\overline{c}]\cdot exp(-\frac{4\pi ^2D}{l^2} t)Den nødvendige glødetiden for å redusere konsentrasjonsprofilen fra starttilstanden

[\hat{c}(0)-\overline{c}]til et ønsket nivå

[\hat{c}(t)-\overline{c}]kan beregnes ved å løse overstående ligning mhp. t. Da ender vi opp med ligning (*)

t=(\frac{l^2}{4\pi ^2D})\cdot ln[\frac{\hat{c}(0)-\overline{c}}{\hat{c}(t)-\overline{c}}]\; \; \; (*)Fra denne ligningen ser vi at en dobling i diffusjonslengde l krever en firedobling av homogeniseringstid (for å oppnå samme homogeniseringseffekt).

Oppgave 3a - Utjevning av konsentrasjonsforskjeller

I denne oppgaven skal tiden det tar å jevne ut konsentrasjonsforskjeller for et substitusjonelt løst element beregnes. En teoretisk forklaring av problemet er gitt i bilaget. Ligning (*) i bilaget skal benyttes i beregningen (også oppgitt under). Fra denne oppgaven vil du oppdage at homogenisering av substitusjonelt løste legeringselementer tar veldig lang tid, og derfor ikke benyttes i vanlige industriprosesser.

I et 2 % Mn stål finner vi en maksimal konsentrasjonsforskjell på 0,6 % i Mn-innhold. Avstanden mellom konsentrasjonstoppene er 0,01 cm (l i formel og figur under). Hvor lenge må stålet homogeniseres på 1100 °C for å redusere denne konsentrasjonsforskjellen til 0,4 % (dette skal svares på i oppgave 3b) ?

t=(\frac{l^2}{4\pi ^2D})\cdot ln[\frac{\hat{c}(0)-\overline{c}}{\hat{c}(t)-\overline{c}}]\; \; \; (*)

Start med å fylle inn de ulike verdiene for konsentrasjonene A, B og C vist i figuren under for det aktuelle stålet. Bruk ett desimal bak komma.

    A:  %

    B:  %

    C:  %

Oppgave 3b - Utjevning av konsentrasjonsforskjeller

I denne oppgaven skal tiden det tar å jevne ut konsentrasjonsforskjeller for et substitusjonelt løst element beregnes. En teoretisk forklaring av problemet er gitt i bilaget på neste side. Ligning (*) i bilaget skal benyttes i beregningen (også oppgitt under). Fra denne oppgaven vil du oppdage at homogenisering av substitusjonelt løste legeringselementer tar veldig lang tid, og derfor ikke benyttes i vanlige industriprosesser.

I et 2 % Mn stål finner vi en konsentrasjonsforskjell på 0,6 % i Mn innhold. Avstanden mellom konsentrasjonstoppene er 0,01 cm. Hvor lenge må stålet homogeniseres på 1100 °C for å redusere denne konsentrasjonsforskjellen til 0,4 % ?

t=(\frac{l^2}{4\pi ^2D})\cdot ln[\frac{\hat{c}(0)-\overline{c}}{\hat{c}(t)-\overline{c}}]\; \; \; (*)

Bruk formelen for diffusjonskoeffisienten (under) i den tidligere oppgitte formelen (aktiveringsenergien er gitt i J/mol) for å beregne tiden stålet må homogeniseres. Rund opp til nærmeste hele time.

D_{Mn}=35\cdot exp(-\frac{280328}{RT}) \: \: mm^2/s

Homogeniseringstid: timer

Oppgave 3c - Mangan som legeringselement

  • Ja
  • Nei
I forrige oppgave hadde stålet 2 % Mn. Er det vanlig å finne så høye mengder mangan i vanlige C-Mn stål?

Oppgave 3d - Mangan tilsettes under fremstilling

  • Fersking
  • Tetting
  • Størkning
Mangan blir ofte tilsatt for å øke styrken til stålet. Det kan også bli tilsatt under en del av fremstillingsprosessen der hovedmålet med tilsatsen ikke er økt styrke. Under hvilken prosess skjer dette?