Metallien muodonmuutos ja uudelleenkiteytyminen
Sisällysluettelo
Metallit ovat kiteisen rakenteen omaavia materiaaleja, jotka voivat muuttua pysyvästi ulkoisten voimien vaikutuksesta. Tätä ilmiötä kutsutaan muodonmuutokseksi, ja se muodostaa perustan muovattavalle työstölle, joka on metallurgian ja materiaalitekniikan keskeinen teknologinen prosessi.
Teollisessa käytännössä metalleja altistetaan erilaisille muodonmuutoksille, jotka vaihtelevat elastisesta muodonmuutoksesta, joka häviää kuormituksen poistuttua, plastiseen muodonmuutokseen, joka aiheuttaa pysyvän muutoksen materiaalin mitoissa ja sisäisessä rakenteessa. Juuri tämä kyky plastiseen muodonmuutokseen mahdollistaa metallien valssaamisen, vetämisen, taivuttamisen tai taontamisen ilman, että ne tuhoutuvat.
Metallin muodonmuutosprosessiin liittyy merkittäviä muutoksia sen sisäisessä rakenteessa, erityisesti kideverkon tasolla. Tämä johtaa rakenteellisiin virheisiin, kuten sijoiltaanmenoon, jotka toisaalta mahdollistavat liukumisen ja muodonmuutoksen ja toisaalta johtavat materiaalin lujuuden kasvuun. Liiallinen murskaaminen voi kuitenkin johtaa plastisuuden menetykseen ja heikentää materiaalin kestävyyttä jatkokäsittelyssä.
Metallin alkuperäisten ominaisuuksien palauttamiseksi käytetään uudelleenkiteytysprosessia, jossa muokattu rakenne muuttuu uudeksi, järjestäytyneeksi kiderakenteeksi, jolloin plastisuus ja hyödylliset ominaisuudet palautuvat.
Muodonmuutoksen ja uudelleenkiteytymisen mekanismien ymmärtäminen on tärkeää paitsi teknologisten prosessien suunnittelussa myös materiaalien käyttäytymisen ennustamisessa käyttöolosuhteissa. Tässä artikkelissa tarkastellaan näiden ilmiöiden teoreettisia perusteita ja käytännön sovelluksia atomitasolta teollisuuteen.
Elastinen ja plastinen muodonmuutos
Ulkoisten voimien vaikutuksesta metalli muuttaa muotoaan ja mittojaan. Riippuen voimien suuruudesta ja kestosta erotetaan kaksi perusmuodonmuutosta: elastinen ja plastinen.
Elastinen muodonmuutos
Elastinen muodonmuutos on väliaikainen ilmiö, joka katoaa kuormituksen poistuttua, jolloin materiaali palaa alkuperäiseen muotoonsa ja kokoonsa. Atomitasolla atomien välinen etäisyys kideverkon sisällä muuttuu ilman pysyvää muutosta. Vetovoimien vaikutuksesta hilan solut venyvät, kun taas puristusvoimien vaikutuksesta ne lyhenevät.
Elastisen muodonmuutoksen alueella jännityksen ja suhteellisen muodonmuutoksen välillä on lineaarinen suhde, joka kuvataan kaavalla:
\[ \sigma = E \,\cdot\,\epsilon\]
- \(\sigma\) – jännitys,
- \(\epsilon\) – suhteellinen muodonmuutos,
- \(E\) – kimmomoduuli (Youngin moduuli).
Youngin moduuli mittaa materiaalin jäykkyyttä– mitä suurempi sen arvo, sitä nopeammin jännitys kasvaa muodonmuutoksen kasvaessa. Se riippuu metallin tyypistä, kiderakenteesta ja kuormituksen suunnasta (erityisesti yksikiteissä).
Aksiaalisten jännitysten lisäksi materiaalit voivat kokea leikkausjännityksiä, jotka aiheuttavat atomikerrosten liukumista toistensa suhteen. Tämäkin muodonmuutos voi olla elastista, ja sitä mitataan poikittaisella kimmomoduulilla.
Plastinen muodonmuutos
Kun voima ylittää niin sanotun kimmoisuusrajan, materiaali alkaa muodonmuutoksen pysyvästi – tätä kutsutaan plastiseksi muodonmuutokseksi. Kun kuormitus poistetaan, näyte ei palaa alkuperäiseen muotoonsa, ja muutokset kiderakenteessa ovat peruuttamattomia.
Plastinen muodonmuutos tapahtuu pääasiassa kahdella tavalla: liukumalla – kiteen osien siirtyminen suhteessa toisiinsa niin sanottujen helpon liukumisen tasojen suuntaisesti, joissa metalli tarjoaa vähiten vastusta, ja kaksinkertaistumalla – kiteen osan muuttuminen toisen osan peilikuvaksi, mikä on erityisen yleistä kuusikulmaisessa tai FCC-hilassa.
Metallin plastisuus on läheisesti yhteydessä sen kiderakenteeseen – mitä enemmän helppoja liukupintoja ja -suuntia on, sitä suurempi plastisen muodonmuutoksen muovautuminen. Esimerkiksi FCC-rakenteessa (esim. alumiini) liukuminen tapahtuu helpommin kuin kuusikulmaisessa rakenteessa (esim. sinkki, magnesium).
Muovautumiskyky määrää metallin teknologiset muovausmahdollisuudet, mutta vaikuttaa myös sisäisten jännitysten jakautumiseen, kiteisen rakenteen muodostumiseen ja materiaalin muihin lujuusominaisuuksiin.
Mikroskooppiset muodonmuutosmekanismit
Metallin plastinen muodonmuutos ei tapahdu materiaalin kokonaisten fragmenttien yhtenäistä siirtymistä. Ilmiö tapahtuu mikroskooppisella tasolla atomien paikallisena siirtymisenä tiettyjä tasoja ja suuntia pitkin, ja sen päämekanismeja ovat liukuminen ja kaksosmuodostus.
Kiteen liukuminen
Liukuminen tarkoittaa kiteen osien siirtymistä toisiinsa nähden helppojen liukupintojen suuntaisesti, näillä pinnoilla on suurin atomitiheys ja vähin vastus dislokaation liikkeelle. Ilmiö tapahtuu, kun leikkausjännitys ylittää kriittisen arvon.
Liukupinnat ja materiaalin liikesuunnat riippuvat kiderakenteesta. Mitä enemmän tällaisia rakenteita on, sitä suurempi metallin plastisuus on. Siksi esimerkiksi alumiini on erittäin taipuisaa ja magnesium suhteellisen hauras.
Leikkaus ei vaikuta koko kiteeseen kerralla, vaan se alkaa paikallisesti ja leviää sitten kiteen rakenteeseen. Leikkauskohdissa muodostuu mikroskoopilla näkyviä tyypillisiä leikkausviivoja tai -raitoja.
Kaksoistuminen
Toinen mahdollinen mekanismi on kaksoistuminen, jossa osa kiteestä orientoituu peilikuvana toiseen osaan nähden tietyn ns. kaksoistumistasoon nähden.
Tämä prosessi tapahtuu erityisen helposti heksagonaalisissa rakenteissa, ja joissakin FCC-metalleissa (esim. kupari, hopea) matalissa lämpötiloissa tai nopean muodonmuutoksen aikana. Kaksoistuminen mahdollistaa muodonmuutoksen, jossa liukuminen on rajoitettua, minkä vuoksi sillä on erityinen merkitys metalleissa, joissa on vain vähän helposti liukuvia järjestelmiä.
Dislokaatiot ja todellisen liukumisen teoria
Vaikka pitkään uskottiin, että liukuminen edellyttää koko atomitasojen siirtymistä kerralla, tutkimukset ovat osoittaneet, että tällainen siirtymä vaatisi tuhansia kertoja suurempia jännityksiä kuin käytännössä on havaittu.
Ratkaisu tähän ristiriitaan löytyi dislokaatioteoriasta. Sen mukaan liukuminen tapahtuu dislokaatioden – kiderakenteen viamaisuuksien – liikkeen kautta. Koko atomitasojen samanaikaisen liikkeen sijaan muodonmuutos etenee vaiheittain, ikään kuin ”muodonmuutosaalto” liikkuisi kiteen läpi.
Dislokaatioiden liike on suhteellisen helppoa, mutta sitä hidastaa esteet, kuten muut dislokaatio, raerajat, epäpuhtaudet tai toisiovaiheen partikkelit. Niiden määrän kasvaessa syntyy vahvistava vaikutus, joka lisää vastusta liukumiselle.
Muokkaus ja lujittuminen
Plastisen muodonmuutoksen aikana, erityisesti kylmämuokkauksessa, metallin rakenne muuttuu merkittävästi. Tätä kutsutaan muokkaukseksi (murskautumiseksi), ja siihen liittyy dislokaatiotiheyden kasvu sekä verkon muiden virheiden lisääntyminen. Nämä muutokset vaikuttavat merkittävästi materiaalin mekaanisiin ja fysikaalis-kemiallisiin ominaisuuksiin.
Muokkaus
Muokkauksen edetessä:
- Dislokaatioiden määrä kasvaa ja muodostaa monimutkaisia, epäsäännöllisiä verkkoja.
- Suuremmilla muodonmuutoksilla (10–25 %) muodostuu jatkuvia seiniä, jotka ympäröivät alueita, joissa on vähemmän vikoja – niin sanottuja soluja.
- Muodonmuutoksen jatkuessa sijoittumat keskittyvät seiniin ja solujen muoto muuttuu.
Tämän seurauksena metallin rakenne vääristyy voimakkaasti ja sen kyky muodonmuutokseen heikkenee. Myös metallin muut ominaisuudet muuttuvat: sähkönjohtavuus heikkenee, koersiivisuus ja jäännösmagnetismi kasvavat, happoliukoisuus kasvaa ja tiheys pienenee samalla kun ominaisvolyymi kasvaa.
Muokkaus ei muuta vain hiukkasten muotoa, vaan myös niiden avaruudellista orientaatiota, mikä johtaa niin sanotun muodonmuutostypin muodostumiseen – rakenteelliseen järjestykseen, joka on ominaista tietylle muodonmuutoksen suunnalle (esim. valssaus, vetäminen).
Lujittuminen
Dislokaatioiden tiheyden kasvu johtaa ilmiöön, jota kutsutaan kovettumiseksi. Se koostuu siitä, että seuraavien dislokaatioiden liike estyy yhä enemmän olemassa olevien esteiden (muiden dislokaatioiden, raerajojen, sulkeumien) vuoksi, jolloin muodonmuutoksen jatkuminen vaatii yhä suurempia voimia.
Lujittumisen seurauksena myötölujuus kasvaa, kun taas vetolujuus ja kovuus myös kasvavat; päinvastoin plastiset ominaisuudet, kuten venymä, kaulanmuodostus ja iskunkestävyys, heikkenevät.
Nämä ilmiöt on havainnollistettu esimerkiksi puhtaan raudan tutkimuksissa, joissa havaittiin merkittävää lujuuden kasvua ja sitkeyden heikkenemistä murskautumisen lisääntyessä.
Uudelleenkiteytys
Voimakkaan plastisen muodonmuutoksen jälkeen metallirakenne ominaista on korkea vikatiheys, pääasiassa dislokaatiot ja kideverkon vääristymät. Tällainen materiaali on energisesti epävakaassa tilassa, ja sen sisäinen energia on paljon suurempi kuin valetulla tai hehkutetulla metallilla. Alkuperäisten ominaisuuksien palauttamiseksi suoritetaan uudelleenkiteytysprosessi, jossa metalli kuumennetaan sen oikean kiderakenteen palauttamiseksi.
Uudelleenkiteytymisprosessin vaiheet
- Paraneminen tapahtuu suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (esim. raudalle noin 300–400 °C), pisteviat diffundoituvat, vastakkaiset dislokaatioit häviävät ja dislokaatioit järjestäytyvät uudelleen; rakenne ei muutu näkyvästi mikroskoopilla, mutta fysikaaliset (esim. johtavuus) ja mekaaniset ominaisuudet paranevat hieman.
- Polygonisaatio – dislokaatiot järjestäytyvät uudelleen muodostaen ns. alirajapintoja. Alueille, joilla kiteiden suuntaukset ovat hieman erilaiset, muodostuu materiaalin sisäistä energiaa vähentäviä alueita. Tämä on eräänlainen sisäinen uudelleenjärjestely, joka johtaa rakenteen stabiloitumiseen, mutta ilman täydellistä rakeiden uudelleenrakentumista.
- Varsinainen uudelleenkiteytys alkaa niin sanotun uudelleenkiteytymislämpötilan yläpuolella alueilla, joilla dislokaatiotiheys on suuri. Muodostuu uusia, virheettömiä rakeiden ytimiä, jotka kasvavat muodonmuutoksen kustannuksella, kunnes se on kokonaan korvautunut. Metalli palautuu plastisuuteensa ja homogeenisuuteensa.
- Rakeenkasvu – uudelleenkiteytymisen jälkeen rakeet voivat jatkaa kasvuaan, ja suuria rakeita kasvaa spontaanisti pienten kustannuksella, mikä vähentää raekokojen kokonaispinta-alaa ja siten järjestelmän energiaa. Hallitsemattomissa hehkutusolosuhteissa voi esiintyä epänormaalia raekasvua, joka johtaa yksittäisten, erittäin suurten rakeiden muodostumiseen, mikä ei ole toivottavaa rakenteissa, joissa vaaditaan suurta lujuutta.
Uudelleenkiteytys palauttaa metallin plastisuuden, parantaa sen mekaaniset ja teknologiset ominaisuudet, tekee materiaalista homogeenisempaa ja ennustettavampaa sekä vähentää sisäistä jännitystä ja haurautta. Tätä prosessia käytetään käytännössä niin sanottuna uudelleenkiteytyshehkutuksena, jota tarvitaan esimerkiksi vetämisessä, valssaamisessa, taivuttamisessa ja muissa muovausprosesseissa sekä prosessien välillä että käsittelyn lopussa.
Uudelleenkiteytyslämpötila ja siihen vaikuttavat tekijät
Uudelleenkiteytymislämpötila on alin lämpötila, jossa murskautuneen rakenteen täydellinen palautuminen tapahtuu tunnin kuluessa. Tämä arvo ei ole kiinteä, vaan se riippuu useista tekijöistä, kuten materiaalista, murskauksen suuruudesta, metallin puhtaudesta ja jäähdytysmenetelmästä. Useimpien puhtaiden metallien uudelleenkiteytymislämpötila on 0,3–0,5 kertaa sulamispisteen arvo Kelvinistä.
Uudelleenkiteytymisolosuhteiden hallinta mahdollistaa mikrorakenteen sovittamisen teknologisiin vaatimuksiin, parantaa materiaalin sitkeyttä ennen jatkojalostusta ja saavuttaa halutun raekoon, mikä puolestaan vaikuttaa ominaisuuksiin, kuten kovuuteen, väsymiskestävyyteen ja sähkönjohtavuuteen.
Liian korkeat lämpötilat tai pitkät hehkutukset voivat kuitenkin johtaa liialliseen rakeiden kasvuun, mikä heikentää metallia ja sen ominaisuuksia. Siksi uudelleenkiteytysprosessissa parametrit on valittava tarkasti.
Uudelleenkiteytymislämpötilaan vaikuttavat tekijät
- Muodonmuutoksen aste – mitä suurempi muodonmuutos, sitä suurempi dislokaatiotiheys, sitä enemmän uusia kiteytymiskohteita ja siten sitä alhaisempi uudelleenkiteytymislämpötila. Hyvin pienellä muodonmuutoksella (alle 5–10 %) uudelleenkiteytymisprosessi ei välttämättä tapahdu lainkaan.
- Metallin kemiallinen puhtaus – puhtaat metallit kiteytyvät helposti ja alhaisemmissa lämpötiloissa; epäpuhtauksien (esim. hiili, rikki, fosfori) läsnäolo haittaa rakeiden liikkumista, mikä nostaa kiteytymislämpötilaa.
- Rakeiden koko ennen muodonmuutosta – metallit, joiden rakenne on ennen muodonmuutosta hienorakeinen, sisältävät enemmän rakeiden välisiä rajoja, mikä helpottaa ydintymistä, kun taas karkeorakeiset rakenteet vaativat suurempaa ylikuumenemista.
- Jäähtymisnopeus muokkauksen jälkeen – hidas jäähtyminen edistää paranemista ja monikulmioitumista, jota seuraa uudelleenkiteytys, kun taas nopea jäähtyminen (karkaisu) voi pysäyttää muutoksen ja jättää jälkeensä murskatun rakenteen.
- Muodonmuutoksen rakenne ja sisäiset jännitykset – alueet, joissa on voimakasta murskausta tai epäsuotuisia kiteytymissuuntia, uudelleenkiteytyvät nopeammin. Jotkin rakeiden suunnat voivat aiheuttaa suosittua kasvua, mikä johtaa uudelleenkiteytysrakenteen muodostumiseen.
Materiaalin murtuminen
Metallin tuhoutuminen on sen mekaanisen työn viimeinen vaihe – hetki, jolloin materiaali menettää jatkuvuutensa ja lakkaa täyttämästä rakenteellista tehtäväänsä. Kuormitusolosuhteista, lämpötilasta, sisäisestä rakenteesta ja materiaalin tyypistä riippuen tuhoutuminen voi tapahtua kahdella tavalla: hauraana romuna tai sitkeänä romuna.
Hauras murtuma
Hauras murtuma tapahtuu, kun materiaali murtuu äkillisesti ilman edeltävää plastista muodonmuutosta. Sille on ominaista: näytteen venymän tai kaventumisen puuttuminen, tasainen murtopinta, usein tyypillisine kuorimaisine kuvioineen, kova, ”lasimainen” murtuma ja suuri murtuman etenemisnopeus.
Tämä mekanismi on yleinen metalleilla, joilla on alhainen plastisuus (esim. valurauta, jotkin karkaistut teräkset), erityisesti matalissa lämpötiloissa, dynaamisissa tai iskuvoimissa ja virheiden, lovien ja ennestään olemassa olevien halkeamien läsnä ollessa, jotka toimivat jännityskeskittyminä. Hauras murtuma on luonteeltaan transkristallinen (rakeiden läpi) tai interkristallinen (rakeiden rajoja pitkin) riippuen mikrorakenteesta ja läsnä olevista epäpuhtauksista.
Leikkaava eli sitkeä murtuma
Leikkaava eli sitkeä murtuma tapahtuu materiaaleissa, jotka käyvät läpi merkittävän plastisen muodonmuutoksen ennen murtumista. Sen ominaisuuksia ovat näytteen merkittävä venyminen, kaventuminen murtumakohdassa (ns. kaula), karkea, kuitumainen rakenne murtopinnalla sekä sijoiltaan siirtyminen ja mikrohalkeamien kasvu.
Tämäntyyppinen murtuma on tyypillistä pehmeille ja helposti muodonmuutoskykyisille metalleille (esim. kupari, alumiini), jotka toimivat huoneenlämmössä tai korkeissa lämpötiloissa ja staattisissa tai hitaasti kasvavissa kuormituksissa. Leikkausmurtumaa voidaan pitää ”turvallisempana”, koska se antaa varoitussignaalin – muodonmuutoksen – ennen materiaalin täydellistä murtumista.
Murtumatyyppi riippuu monista tekijöistä, kuten lämpötilasta – alhaiset lämpötilat lisäävät haurautta, kuormitusnopeudesta – mitä nopeampi, sitä suurempi hauraan murtuman riski, rakenteesta ja kemiallisesta koostumuksesta – epäpuhtaudet voivat aiheuttaa rakeiden välistä haurautta, pintavikojen esiintymisestä – edistävät muodonmuutoksettomia murtumia ja rasituksen kestosta – pitkäaikainen kuormitus voi johtaa virumiseen ja murtumiseen alhaisilla rasitustasoilla.
Metallien mekaanisten ominaisuuksien testaus
Jotta voidaan arvioida, miten metalli käyttäytyy mekaanisessa kuormituksessa, on tarpeen suorittaa asianmukaiset laboratoriotestit sen lujuuden, sitkeyden, kovuuden sekä murtumis- ja virumisvastuksen määrittämiseksi. Näiden testien tulokset ovat perustana materiaalin valinnalle tiettyyn tekniseen sovellukseen.
Vetolujuus
Yksi perustesteistä on vetolujuustesti, jolla voidaan määrittää kimmokerroin (E), myötölujuus, vetolujuus sekä suhteellinen venymä ja pinta-alan pieneneminen.
Vetolujuustestin perusteella laaditaan jännitys-venymä-diagrammi, joka kuvaa metallin muodonmuutosta elastisesta vaiheesta plastiseen vaiheeseen ja murtumiseen. Tämä testi antaa tärkeää tietoa materiaalin käyttäytymisestä staattisissa työolosuhteissa.
Kovuus
Kovuus on materiaalin vastus pysyvään muodonmuutokseen kovemman kappaleen vaikutuksesta. Yleisimmin käytetyt menetelmät ovat Brinell (HB) – teräskuula, Vickers (HV) – timanttipyramidi ja Rockwell (HR) – teräskartio tai -kuula. Kovuus korreloi muiden mekaanisten ominaisuuksien kanssa – mitä kovempi metalli, sitä suurempi sen lujuus, mutta usein myös sen sitkeys on heikompi.
Iskusitkeys
Iskusitkeystestejä käytetään arvioimaan metallin kestävyyttä nopeille dynaamisille kuormituksille. Ne suoritetaan käyttämällä Charpy-heiluria (lovettu testi) ja Izod-heiluria. Tulos ilmoitetaan näytteen murtumiseen tarvittavana energian määränä, joka kuvaa materiaalin käyttäytymistä iskukuormituksessa, mikä on tärkeää esimerkiksi auto-, rautatie- ja ilmailuteollisuudessa.
Viruminen
Viruminen on metallin hidas, etenevä muodonmuutos jatkuvan kuormituksen ja lämpötilan vaikutuksesta. Testissä näytteeseen kohdistetaan pitkäaikainen kuormitus ja mitataan muodonmuutos ajan kuluessa. Se on erittäin tärkeä komponenttien materiaalien valinnassa, jotka toimivat korkeissa lämpötiloissa, kuten turbiinit, kattilat ja reaktorit.
Nykyaikaiset arviointimenetelmät
Perinteisten testien lisäksi käytetään yhä enemmän perinteisiä menetelmiä ja kehittyneitä mikroskooppitekniikoita, kuten EBSD-analyysi (elektronien takaisinsironta), SEM/TEM-mikroskopia, ultraääni- ja röntgentestaus sekä nanometrinen kovuusmittaus (nanoindentaatio). Näiden menetelmien avulla voidaan tutkia rakenteita, vikoja ja mekaanisia ominaisuuksia erittäin tarkasti ilman, että näyte tuhoutuu.
Metallien muodonmuutos ja uudelleenkiteytyminen – yhteenveto
Metallien muodonmuutos- ja uudelleenkiteytymismekanismien ymmärtäminen on tärkeää sekä tieteen että tekniikan kannalta. Metallin reagointi jännityksiin määrittää paitsi sen kestävyyden ja luotettavuuden myös muovattavuuden ja työstettävyyden.
Materiaalin sisäisen rakenteen tietoinen hallinta sopivilla muodonmuutos- ja lämpökäsittely olosuhteilla mahdollistaa mekaanisten ominaisuuksien optimoinnin, jota hyödynnetään lähes kaikilla teollisuuden aloilla: koneenrakennuksesta ilmailuun ja ydinvoimaan.
Näiden prosessien tuntemus ei ole pelkkää teoriaa, vaan se on työkalu materiaalien tietoiseen suunnitteluun, joka on räätälöity niiden todellisiin käyttöolosuhteisiin.
