Tutkijat paljastivat uutta tietoa erikoislujien terästen valmistusprosessiin liittyen

 

Modernit teräksenvalmistusprosessit tähtäävät erikoislujiin ja keveisiin teräksiin, joiden avulla saavutetaan sekä päästövähennyksiä että suorituskyvyn parantumista käyttökohteissa. Prosessien hallinta teollisessa mittakaavassa on kuitenkin vielä alussa.

Oulun yliopiston tutkijat Nano- ja molekyylisysteemien (NANOMO) sekä Materiaali- ja konetekniikka -tutkimusyksiköistä yhdessä Canadian Light Sources -synkrotronikeskuksen tutkijoiden kanssa ovat hyödyntäneet in-situ korkeaenergistä röntgensäteilyä ja tiheysfunktionaaliteoriaa paljastaen, miten hiilen diffundoituminen vaikuttaa faasimuutoksiin teräsvalmistusprosessin aikana. Tutkimuksen tulokset ovat lupaavia tavoiteltaessa teräksen ominaisuuksien parempaa hallintaa.

Jo muinaiset suomalaiset takoivat Sammon ja osasivat lujittaa terästä karkaisemalla, eli jäähdyttämällä tulikuuma teräs nopeutetusti veden avulla. Karkaisun vääjäämätön seuraus oli kuitenkin useimmiten hallitsemattoman kovuuden tuottama hauraus eli muodonmuutoskyvyn puute. Vielä 1970-luvulla alussa karkaisu nähtiin sitkeyden vastaisena prosessina, rajoittuen ilman jälkikäteen tehtäviä lämpökäsittelyitä lähinnä kulutusta kestävien pintojen valmistamiseen. Viimeisin sitkeyttä tuova valmistuksen muoto, hiljattain Oulun yliopistossa kehitetty ”suorakarkaisu ja stabilointi”, tuottaa kuitenkin äärimmäisen lujia matalaseosteisia teräksiä, jotka ovat sitkeitä jopa alle -100 °C lämpötiloissa.

Modernin mikrorakenteellisen karakterisoinnin avulla Oulun yliopistossa on aiemmin selvitetty, että erinomaiset ominaisuudet teräksen mikrorakenteessa saadaan aikaan ja ovat säädeltävissä hallitun hiilen diffundoitumisen avustuksella. Tästä huolimatta on toistaiseksi ollut epäselvää, kuinka hiili diffundoituu teräsmatriisissa.

Synkrotronisäteilytekniikat mahdollistavat välittömät (in situ) mittaukset terästen faasimuutosten suhteen. Tuoreessa arvostetussa Acta Materialia -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Oulun yliopiston ja Canadian Light Source -synkrotonikeskuksen tutkijat kartoittivat hiilen rikastumisen teräksen austeniitti-faasissa määrittämällä jäähtymisen ja stabiloinnin aikana tapahtuvat faasimuutokset ajan ja lämpötilan funktiona. Kokeellisen datan ja kvanttimekaanisten laskelmien avulla tutkijat osoittivat kuinka hiilen diffundoituminen ja siihen myötävaikuttavat tekijät stabiloivat epästabiilia austeniittia. Terminen stabiloituminen mahdollistaa austeniitin muodonmuutoskyvyn hyödyntämisen muokkauksessa.

Tutkimuksen lupaavat tulokset kartoittavat tietä karkaisu ja stabilointi -prosessissa tavoiteltavien ominaisuuksien parempaan hallintaan. Jäähtymisen ja stabiloinnin aikana tapahtuva ajan ja lämpötilan suhteen määritelty hiilen diffuusio lisää kvantitatiivista ymmärrystä prosessin aikana tapahtuvista ilmiöistä. Lisäksi ainoastaan yhden kuumennussyklin vaativa energiatehokas suorakarkaisu ja stabilointi-valmistuspraktiikka voi osaltaan edesauttaa kansallisten ja kansainvälisten päästötavoitteiden saavuttamisessa. NANOMO:n sekä Materiaali- ja konetekniikan tekemä poikkitieteellinen tutkimus on tehty osana Suomen Akatemian rahoittamaa Oulun yliopiston tutkimuksen profiilialaa Kehittyneiden terästen kestävä valmistus ja käyttö.

Tutkimusjulkaisu:
Shubo Wang, Andrey A. Kistanov, Graham King, Sumit Ghosh, Harishchandra Singh, Sakari Pallaspuro, Al Rahemtulla, Mahesh Somani, Jukka Kömi, Wei Cao, Marko Huttula. 
In-situ quantification and density functional theory elucidation of phase transformation in carbon steel during quenching and partitioning, Acta Materialia, Vol. 221, 2021, 117361. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117361.

Kuva: Oulun yliopiston tutkijat professori Marko Huttula, professori Jukka Kömi, professori Mahesh Somani, tutkijatohtori Sakari Pallaspuro, tutkijatohtori Harishchandra Singh, tutkijatohtori Andrey Kistanov, tutkijatohtori Shubo Wang ja associate professor (tenure track) Wei Cao.

 

Last updated: 11.11.2021