Den indre opbygning af stål

Den indre opbygning af stål

Jernmaterialerne stål og støbejern indeholder hovedsagelig jern (Fe), men tillige varierende mængder af kulstof (C) og andre legeringsstoffer. Det er karakteristisk at disse legeringsstoffer har en stærk indflydelse på materialets egenskaber (se figur 6).

I stål er kulstofindholdet normalt mellem 0,02 og 0,50%.

Der findes indenfor dette område en lang række forskellige kvaliteter, afhængig af de andre legeringsstoffer og fremstillingsmetoden.

Støbejern har en kulstofmængde på omkring 3%, variationer i kulstofmængden giver også i støbejern anledning til at materialet ændres.

Legeringselement	Styrke	Sejhed	Formbarhed	Svejsbarhed
Kul C	+	-	-	-
Silicium Si	+	o	-	o
Mangan Mn	+	+	-	-
Fosfor P	+	-	-	-
Svovl S	o	-	-	-
Aluminium Al	o	+	+	o
Niob Nb	+	+	-	o
Vanadin V	+	-	-	-
Krom Cr	+	-	-	-
Nikkel Ni	+	+	o	-
Kobber Cu	+	o	o	-
Titan Ti	+	+	+	o

Figur 6: Legeringsstoffers indvirkning på stålets egenskaber.


Figur 7: Jern/kulstof - diagram.

Stål og støbejern har forskellige strukturer
I jernkulstofdiagrammet har man et overblik over områderne for de forskellige skrukturer. Man ser, at strukturerne skifter både ved ændring af kulstofprocenten og ved opvarmning af et bestemt materiale. Når stål f.eks. bliver hårdere med stigende kulindhold, skyldes det et stigende indhold af perlit- og cementitkorn, der er hårdere end ferrit. Når grænsen for smedelighed, der også regnes for grænsen mellem stål og støbejern, netop ligger ved 1,7%, ses det at hænge sammen med grænsen for at opnå ren Austenit, svarende til at smedning foretages i det austenitiske område, hvor stål er særlig plastisk.

Kornstrukturen
Når to eller flere stoffer smelter sammen, opstår der forskellige forbindelser mellem dem. Det kan være kemiske forbindelser, hvor alle molekyler er ens, og det kan være blandinger, hvor molekylerne er forskellige, men blandes sammen.

Når det smeltede materiale med et bestemt indhold af jern og kulstof afkøles og størkner, dannes der en kornet struktur. Denne kornstruktur kan ses under mikroskop.

Kornene viser sig at være ret ensartede hver for sig. Nogle består af rent jern (ferrit-korn). Andre har et bestemt kulstofindhold. Perlit-korn har 0,86% C. Ledeburit-korn har 4,3% C, og endelig findes der korn af jernkarbid (Fe3C), som kaldes cementit, 6,67% C.

Af jern-kulstofdiagrammet fremgår det, hvilke kornblandinger der svarer til forskellige kulstofindhold. I stålområdet med mellem 0,10 og 0,50% C er det udelukkende ferrit og perlitkorn. I det almindelige støbejernsområde omkring 3% C har man perlit-, ledeburit- og cementitkorn blandet sammen.

Opvarmning og afkølingens indflydelse
Ser man på jern/kulstof-diagrammets øverste del, vil man finde, at den struktur, som findes ved almindelige temperaturer ændres totalt ved opvarmning over 800-900 grader C.

For det første kan man se, at rent jern ændrer sig. Rent jern er ved lave temperaturer magnetisk og kaldes da alfa-jern. Ved 906 grader C omdannes det til gamma-jern, og dette omdannes senere ved 1401 grader C til delta jern. Ved afkøling sker omdannelserne i modsat rækkefølge.

For det andet ser man, at der i stålområdet sker en omdannelse af ferrit og perlit til austenit.

Denne omdannelse af kornene begynder ved lavere og lavere temperatur, jo mere perlitisk materialet er. Det laveste punkt er 721 grader C med ren perlit (0,86% C).

Austenit-korn kan opfattes som gamma-jern tilsat større eller mindre mængder kulstof. Austenit er umagnetisk.

Ved passende afkøling og efterfølgende glødning kan man opnå, at austenit-strukturen bevares også i det afkølede materiale.

Ved langsom afkøling ændres austenit normalt igen til ferrit og perlit. Ved hurtig afkøling kan man dog opnå, at der i stål dannes en særlig hård struktur, en hærdestruktur.

Hærdestruktur
Ved opvarmning til ca. 800-1000 grader C med efterfølgende hurtig køling i vand, luft eller olie viser stål med over 0,35% C sig at blive hårdt. Årsagen hertil er, at materialet under afkøling får en indre struktur, der består af hårdere korn. Samtidig bliver materialet mere skørt. Skørheden kan ved passende opvarmning (anløbning) nedsættes betydeligt. Der findes flere forskellige hærdestrukturer. Der findes i dag stål der med et lavere kulstofindhold ca. 0,14% men tilsat andre legeringsstoffer (bl.a. Bor), der i leveringsformen er meget slidstærkt (Hårdhed 400-600 HB).

Martensit
Ved tilstrækkelig hurtig afkøling af austenitområdet fås i stål en hård og skør struktur, som kaldes martensit. Strukturen er nåleformet. Ved efterfølgende anløbning opnås en større sejhed, men samtidig en noget mindre hårdhed.

Troosit
En struktur, som opstår ved anløbning af martensit i temperaturområdet ved 150-400 grader C

Sorbit
Den struktur, som opstår ved anløbning af martensit til sejhærdningsområdet (over 450 grader C).

Bainit
Ved afkøling fra austenitområdet, hvor temperaturen undervejs holdes tilstrækkelig lang tid et eller andet sted mellem 200-500 grader C, dannes en struktur, som kaldes Bainit. I det øvre område ved 500 grader C dannes en fjerlignende struktur, i det nedre område omkring 200 grader C fås en nålelignende struktur. Nedre bainit synes at overgå alle andre stålstrukturer af samme hårdhed med hensyn til sejhed.

Hærdede materialer mister deres hårdhed, hvis de påny udsættes for en omvarmning til 800-1000 grader C

Tilbage til oversigt >>