Vi fikk et spørsmål vi trodde var besvart før: Er stål og jern det samme? Svaret er delvis nei. Jern er et grunnstoff og stål er en legering. Av jern pluss diverse saker som forbedrer det.
Bildet øverst: En krasjtest som gikk hardt ut over denne stakkars Hondaen, og bilen ble straks styrket med austenitt i fronten og martensitt nærmere buret. Bratt lærekurve for designerne, og viktig input i datamaskinene … (Foto: EuroNCAP)
Av Stein Bekkevold
Stål er jern smed et nøye kontrollert innhold av karbon og andre legeringselementer. Også i magre blandinger av karbon og jern (som i enkelte bilstål) kan vi skape ulike korn-strukturermed spesielle egenskaper; korn fordi alle metaller er krystallinske.
Å forstå dette er helt nødvendig for å lage godt bilstål. Det at du kan skape en rekke typer stål, selv med enkle variasjoner i tilsatt mengde og type elementer, pluss jernets evne til å endre struktur påvirket av tid og temperatur, er årsaken til jernets/stålets enorme suksess, ikke minst i transportbransjen. Bittesmå endringer i sammensetning og behandling må til – litt kommer med legeringselementene, og litt mer av oppvarming og nedkjøling – og av varigheten i temperaturoppholdene.
Slik fordeler en moderne bilfabrikk ulike stålkvaliteter rundt i bilen, alt etter jobben de må gjøre; mykere foran (austenitt) og tøffere bakover (martensitt), pluss HSLA sentralt i skroget – HSLA er lavlegert høyfast. (Tegning: Volvo)
Jernets krystaller kan altså ordne seg på mange ulike måter. I romtemperatur er den mest stabile formen den kubisk sentrerte – kalt alfajern (α-jern). Dette er et mykt metall, som bare tar opp en liten mengde karbon, bare 0,005% ved 0 °C og 0,021 ved 723 °C.
Ved 910 °C endres jernet, og vi får en flatesentrert kornstruktur, gammajern eller γ-jern. Karbon som lirkes inn der skaper austenitt. Så alt her har vi fått flere ulike typer jern/stål. Du finner dem særlig i eldre forbrenningsmotorer. Den åpne kornstrukturen i austenitt tar opp mer karbon, opptil 2,1 %, 38 ganger mer enn ferritt ved 1148 °C – dette er det største mulige karbon-nnholdet i stål.
Sementitt?
Her er litt til, for å se på noe av det som ble tatt opp i metallurgitimene: Når karbon vandrer utav en løsning med jern, blir det sementitt – et knallhardt, sprøtt materiale med formel Fe3C – altså TRE atomer jern per atom karbon. Det er klart det blir knallhardt. Og ubrukelig til annet enn rare legeringer. Og når stål med 0,8 % karbon – kalt eutektoid-stål – avkjøles, prøver austenitten igjen å bli ferritt.
Men karbonet passer ikke lenger inn i austenitten, og legeringen har derfor fått seg litt ekstra karbon. Da kan karbon gå ut av austenitten som knallhard sementitt, og legge bak seg ferritt med litt løst karbon – ikke rart vi fikk hodepine i metallurgitimene …
Ferritt og sementitt utfelles nå som sjikt av perlitt, som ser ut som perlemor. Som vår fysikkprofessor sa: «I en hyper-eutektoid miks med over 0,8 % C vil karbon først danne store inneslutninger av sementitt ved austenitt-korngrensene og dette blir senere til perlitt.»
Ja vel.
Bildet er fra Svensk Stål AB (SSAB), og viser oksygenblåsing gjennom jernsmelte for å senke overskuddet av karbon (som brennes og blir CO2) og lage høykvalitetsstål. Verket legger nå om til å skaffe prosessvarme ved å brenne hydrogengass, først i verden … (Foto: SSAB)
Trylling
Dette er litt av alt det snodige som gjør at det å lage akkurat det ønskede stålet er en tryllekunst – med dages kunnskap, dyre stålverk og kraftige datamaskiner kan de lage nesten akkurat hva de vil. Det lille du har sett her, er bare toppen av kransekaka.
Alt avhenger av helt eksakt kontroll med oppvarming og nedkjøling, pluss sekundstyring av varigheten på miksens temperatur – 700 graders smelte i tjue minutter gir noe helt annet enn 900 graders i ti. Og hele tiden snakker nesten vi bare om jern pluss karbon. Så kommer alle de fancy legeringselementene som silisium, krom, nikkel, mangan. magnesium, titan, kobber og hele rekka. Du har en bråte av dem i bilen.
Bildet viser hvordan bråkjølt stål ser ut i mikroskop; ulike jerntyper har klumpet seg sammen, og gir legeringen unike mekaniske egenskaper – dette er jernets store fordel, helt ulikt de fleste andre metallene. (Foto: SSAB)
Dessuten: Når kjølehastigheten økes, vil karbonet ha mindre tid til å migrere (flytte seg) for å danne karbider (karbonforbindelser) ved korngrensene – men jernet vil ha fått inn stadig større mengder perlitt, med finere og finere struktur i kornene; så karbidene er mer spredt og hindrer glidning pga defekter i kornene, og dette låser alt – vi får flott herding av stålet.
Ved de ekstreme kjølehastighetene i bråkjøling, rekker ikke karbonatomene å flytte seg, og er låst inne i den flatesentrerte austenitten – som plutselig er blitt skikkelig tøff martensitt. Og den er altså en helt innestengt/låst jernform og kan fort bli en overmettet miks av karbon – ekstremt hard, men dessverre sprø. Og sprøtt stål vil vi ikke ha, særlig ikke i noe så dynamisk påkjent som en bil. Men slik herder de deler av en sverdklinge …
Diagrammet er materialingeniørens våte drøm: En oversikt over hvordan jern reagerer på temperatur og tid … for å lage din fine bil! En enorm allsidighet – mye av pensum står her … (Fra læreboken Materials Science)
Styrker bilen
I et moderne sikkerhetskarosseri finner du plater av dette varierte stålet, helt fra fremre støtfanger og inn til frontruta; noen ståltyper tar relativt mykt opp den første smellen, og resten av karosseriet bremser restkreftene – og svelger dem. Kontrollert. I karosserisidene har du mye av det samme, fortsatt sverger mange fabrikker til det gode, mikrolegerte og finkornede HSLA-stålet som nå gjerne tåler 700 MPa eller mer – HSLA betyr high strength – low alloy.
Og dette var ca en promille av pensum i metallurgi …
