Dynaaminen myötövanheneminen teräksissä

Abstract

Dynaaminen myötövanheneminen on korotetuissa lämpötiloissa tapahtuva ilmiö, joka vaatii nimensä mukaan dynaamiset olosuhteet. Tämä tarkoittaa sitä, että vanheneminen tapahtuu muokkauksen aikana, eikä staattisesti muodonmuutoksen jälkeen. Makroskooppisella tasolla ilmiö aiheuttaa sen, että materiaalin lujuus kasvaa ja pienenee vuorotellen. Tämä aiheuttaa jännitys-myötymäkäyrän sahalaitaisuutta, eli Portevin–Le Chatelier-efektiä. Mikrotasolla dynaaminen myötövanheneminen johtuu siitä, että dislokaatiot vuorotellen lukittuvat pakoilleen ja vapautuvat. Dislokaatioiden lukittuminen johtuu siitä, että liikkuvat dislokaatiot vetävät puoleensa metallin seosaineita. Seosaineiden diffuusio estää dislokaatioiden liikkeen, ja lisäksi seosaineiden ja dislokaatioiden atomitason vuorovaikutus vaikeuttaa dislokaatioliikettä omalta osaltaan. Dislokaatiot vapautuvat, kun materiaalin jännitys kasvaa riittävästi.

Dynaamista myötövanhenemista on tutkittu jo 1950-luvulta lähtien. Aluksi teräkselle tehdyt mallit perustuivat pelkästään hiilen diffuusioon, mutta myöhemmin malleissa otettiin huomioon myös muut atomitason vuorovaikutukset. Dynaamisen myötövanhenemisen tutkimiseen käytetään yleensä vetokokeissa saatua mittausdataa, josta tehdään jännitys-myötymäkäyriä tai vaihtoehtoisesti lujuus-lämpötilakäyriä. Myös läpivalaisuelektronimikroskopiaa käytetään hyväksi dislokaatioviivojen hahmottamisessa. Läpivalaisuelektronimikroskooppikuvat otetaan yleensä lujuustestauksien jälkeen, mutta lähiaikoina on onnistuttu ottamaan myös videota kokeen aikana, jolloin dislokaatioiden liikettä ja hetkellisiä nopeuksia voidaan havainnoida pelkästään alku- ja lopputilojen sijaan.

Teräksen dynaamisen myötövanheneminen johtuu useimmiten sen sisältämästä hiilestä, mutta myös muut seosaineet, kuten typpi, alumiini, kromi, nikkeli ja pii vaikuttavat ilmiön esiintymiseen. Jotkin seosaineet, kuten alumiini ja kromi, vaikuttavat pääasiallisesti sitomalla joko hiiltä karbidiyhdisteisiin tai typpeä nitrideiksi. Kuitenkin esimerkiksi alumiini, kromi, nikkeli ja pii voivat omalla diffuusiollaan aiheuttaa dynaamisen myötövanhenemisen esiintymistä korkeammissa lämpötiloissa, joissa hiilen diffuusio ei enää estä dislokaatioiden liikettä yhtä tehokkaasti, sillä hiilen diffuusionopeus on suurempi kuin dislokaatioiden nopeus.