Epämetalliset sulkeumat teräksissä ja niiden vaikutus sitkeysominaisuuksiin. Ultralujat teräkset sekä lujat offshore-teräkset

Diplomi-insinööri Henri Tervo väitteli perjantaina 13.01.2023
Vastaväittäjinä olivat professori Roman Kuziak, IMZ - Ferrometallurgian instituuttista Puolasta ja professori Claire Davis Warwickin Yliopistosta Englannista. Kustoksena toimi professori Jukka Kömi Oulun Yliopistosta.

Sulkeumat ovat teräksessä esiintyviä epämetallisia partikkeleita, joilla on enimmäkseen negatiivisia vaikutuksia teräksen ominaisuuksille. Mitä korkeampi on teräksen lujuus, sitä suurempi on negatiivinen vaikutus. Sulkeumia ja niiden vaikutusta terästen eri ominaisuuksiin on tutkittu jo 1960-luvulta lähtien, mutta modernit ultralujat ja kehittyneet lujat teräkset mataline epäpuhtauspitoisuuksineen eroavat merkittävästi perinteisistä teräksistä ja siksi sulkeumatietämys pitää päivittää 2020-luvulle.

Ultralujia teräksiä käyttämällä tarvitaan rakenteisiin vähemmän terästä, jolloin saavutetaan säästöjä materiaalikustannuksissa. Kevyemmät rakenteet kulkuneuvoissa puolestaan vähentävät polttoainekustannuksia sekä hiilidioksidipäästöjä. Korkeampi lujuus aiheuttaa kuitenkin haasteita riittävän hyvän sitkeyden saavuttamiseen.

Arktisten alueiden lisääntynyt käyttö puolestaan lisää kysyntää lujille offshore-teräksille, joille on asetettu standardeissa erittäin tiukat vaatimukset. Vaadittavat ominaisuudet koskevat myös hitsauksesta johtuvia lämpömuutosvyöhykkeitä, jotka usein ovat heikoin lenkki näistä teräksistä valmistetuissa rakenteissa.

Sulkeumien on todettu heikentävän erityisesti teräksen sitkeysominaisuuksia, jotka olivatkin pääasiallisesti kiinnostuksen kohteena tässä väitöskirjatutkimuksessa. Tutkitut materiaalit olivat ultralujia teräksiä sekä lujia offshore-teräksiä.

Ultralujien terästen osalta tarkasteltavana oli perusaineen sitkeys, kun taas offshore-terästen osalta keskityttiin hitsauksesta johtuvan karkearakeisen lämpömuutosvyöhykkeen (CGHAZ) sitkeyteen. Pääpaino oli sulkeumien haitallisessa vaikutuksessa sitkeyden kannalta, mutta lisäksi käsiteltiin myös asikulaarisen ferriitin (AF) muodostumista ja sen mahdollisesti sitkeyttä parantavaa vaikutusta offshore-terästen CGHAZ:ssa tietyn tyyppisten sulkeumien avulla.

Ultralujissa teräksissä pienen eron epäpuhtauspitoisuuksissa (S+N+O) havaittiin vaikuttavan merkittävästi sulkeumarakenteeseen. Isojen sulkeumien määrä nousi epäpuhtauspitoisuuden noustessa. Pienemmällä epäpuhtauspitoisuudella isot sulkeumat olivat enimmäkseen pyöreitä kalsiumaluminaatteja, kun taas suuremmalla epäpuhtauspitoisuudella isot sulkeumat olivat titaaninitridejä (TiN) sekä valssauksessa venyneitä mangaanisulfideja (MnS). MnS:n todettiin heikentävän teräksen sitkeyttä valssaussuuntaan nähden poikittaisessa suunnassa, kun taas TiN:n havaittiin heikentävän iskusitkeyttä –40 °C:ssa.

Offshore-terästen CGHAZ:t simuloitiin käyttäen useita jäähtymisnopeuksia. Näin saatiin tuotettua erilaisia mikrorakenteita, jolloin voitiin vertailla mikrorakenteen ja sulkeumien yhteisvaikutusta sitkeysominaisuuksiin. 500 MPa offshore-teräksissä matalan lämmöntuonnin hitsausmenetelmillä voidaan saavuttaa erinomainen CGHAZ:n isku- ja murtumissitkeys, kun teräksessä ei ole isoja titaaninitridejä. Käytettäessä korkean lämmöntuonnin hitsausmenetelmiä riittävän hyvän sitkeyden saavuttamiseen vaadittaneen teräksen hiilipitoisuuden laskemista.

Riittävän karkean perinnäisen austeniitin raekoon sekä pienien MnO-TiOx(+MnS) sulkeumien havaittiin edesauttavan AF:n muodostumista 420 MPa offshore-terästen CGHAZ:ssa. Lisäksi AF:n osuus mikrorakenteessa kasvoi jäähtymisnopeuden laskiessa. Toisin kuin oletettiin, AF ei parantanutkaan CGHAZ:n iskusitkeyttä. Tämän todettiin johtuvan mikrorakenteellisten tekijöiden karkeudesta sekä sitkeydelle haitallisten sulkeumien suuresta määrästä, jotka heikensivät sitkeyttä enemmän kuin AF paransi sitä. Lisäksi saavutettu AF:n osuus mikrorakenteessa ei välttämättä ollut tarpeeksi korkea, jotta sillä olisi CGHAZ:n sitkeyttä parantavaa vaikutusta.

Tutustu väitöskirjaan

Valokuvaaja: Harri Kuusela
 

Viimeksi päivitetty: 20.1.2023