Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus S1/ A. Materialekendskab. Stål generelt

Transkript

1 Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus S1/ A Materialekendskab Stål generelt Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannels e i et samarbejde melle m Danmarks Ingeniørakademi, Teknologisk Institut, FORCE Institutterne, Forskningscenter Risø m.fl. 1991

2 Materialekendska b Stål generel t 1. udgave, 2. oplag, Undervisningsministeriet - lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vede l Tryk : Rødgaard grafisk produktio n Teknologisk Institut Forlage t ISBN Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse

3 Materialekendskab - stål generelt Forord Historie 1 1 Anvendelse 1 7 Behandles i Sl-B og i S1- C Fremstilling 1 8 Højovnsprocessen 1 8 Elektrostålfremstilling Skemetallurgi Støbning 2 3 Metallurgi Metallernes krystalstruktur Definition af rene metaller Krystalopbygning i rene metaller Legeringers opbygning Krystalopbygning i tekniske legeringer Tilstandsdiagrammer og faseomdannelser Tilstande/faser og faseomdannelser Simple binære tilstandsdiagrammer Jern-kulstofdiagrammet Legeringselementernes indflydelse Klassificering af jern-kulstoflegeringer efte r legeringsmængde Legeringselementernes art og betydning Styrkeøgningsmekanismer Mikroskopiske ændringer som baggrund for styrkeøgning Styrkeøgning ved legering/opløsningshærdning Styrkeøgning ved legering/faseudskillelse Styrkeøgning ved kolddeformation (deformationshærdning) Styrkeøgning ved deformationsældning Styrkeøgning ved kornforfining 62

4 4.4.7 Styrkeøgning ved modningshærdning Styrkeøgning ved dispersionshærdning Styrkeøgning ved fiberforstærkning Styrkeøgning ved faseomdannelse Varmebehandling Formålet med varmebehandling Faseomdannelser og faseomdannelsesdiagrammer Varmebehandlinger ved temperaturer ove r austenitiseringstemperaturen Varmebehandlinger ved temperaturer under austenitiseringstemperaturen Hærdning af overflader Fysiske og mekaniske egenskaber Mekaniske egenskaber Slagpåvirkninger Udmattelsespåvirkninger Krybning Fysiske egenskaber Varmeegenskaber Elektriske egenskaber Legeringstyper 10 1 Behandles -i Sl-B og i S1-C Prøvning 10 2 Faktorer der påvirker provningsresultatet 10 3 Prøvningsforskrifter 10 5 Mekaniske provningsmetoder - en oversigt raekprovning 108 Charpy slagsejhedsprøvning (V-kærv) 11 3 Udmattelsesprøvning Hårdhedsmåling Hårdhedsmåling efter Vickers Hårdhedsmåling efter Brinell Hårdhedsmåling efter Rockwell 124

5 Brudmekanisk provning 126 Ikke destruktive provningsmetoder - en oversigt 129 Metallografiske provningsmetoder Kemiske analysemetoder Spektralanalyse EDXRF EDX Dokumentation (certifikater) 137 Behandles i Sl-B og S1-C Fordele/ulemper Overbelastningsbrud Sejt overbelastningsbrud Kløvningsbrud Interkrystallinsk brud Udmattelsesbrud 144 Sprodhedsformer 149 Krybning 150 Slid 15 1 Korrosion Leveringsformer 156 Behandles i Sl-B og i Sl- C 11 Prisforhold 15 7 Behandles i Sl-B og i Sl- C Stikord 158

6

7 Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget syste m af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern,..tål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer ove r plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materialetype vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning o g konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontro l m.m.m. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighe d for at sammensætte et kursusforløb som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for e t emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vore s håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos de n enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være for - synet med en tyk sort streg langs margin som indikation af, at det pågældende afsnit specielt henvender sig til læser e med ingeniørmæssig baggrund el.lign.. I forbindelse me d kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdesmappe indeholdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger, op - gaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RIS Ø samt en række danske virksomheder. I denne forbindelse 7

8 skal der lyde en tak til de mange rundt omkring i virksomhederne, der har bidraget til udviklingsarbejdet i form a f klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ve d deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov Lov om Efteruddannelse) og her - under har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt d e tilknyttede referee's ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, september 1991 På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbese n (projektadministrator ) 8

9 Forord til S1 /A Modulet S1,»Materialekendskab - stål, høj styrkestål & støbe - jern«er af praktiske grunde opdelt i : S1/A : Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (generelt ) S1/B : Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (konstruktion) Si/C : Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (værktøj ) Til hver af disse delmoduler er der udarbejdet en lærebog. Den foreliggende bog udgør sammen med en arbejdsmappe det kursusmateriale, som anvendes i S1-A. S1-A er en introduktion til jernmetallerne. I overensstemmelse hermed gennemgår bogen den grundlæggende metallære, som danner basis for kendskab til de ståltyper, som an - vendes i konstruktion og/eller til emnefremstilling (Sl/B) o g til værktøjsfremstilling (S1/C). Ved udarbejdelsen af materialet har flg. forfattere medvirket : Kim Glavind Rasmussen, Erik Ravnborg, Mariann e Schmidt, Kirsten Arndal Rotvel, Vagn Nielsen, Asger Sturlason, Dansk Teknologisk Institut og Helga Weise, Force Institutterne. Århus, september Kirsten Arndal Rotvel Civilingeniør Kim Glavind Rasmussen Civilingeniør 9

10

11 Historie 1 Kongen havde imidlertid et sværd, som hed Skrep og var s å ualmindelig hvast, at det med et hug kløvede, hvad det skul - le være, der var ikke den ting, som var så hård, at den kun - ne stå sig for dets æg. Videre hedder det i Saxos drabelige fortælling om kong Ver - mund og sønnen Uffe. Kæmpen kunne for skams skyld ikke andet end efterkomme opfordringen og rykkede ham nærmere på livet, hvorp å Uffe hug ham tværs over med sit første hug. Da Vermun d hørte det, kom der liv i ham... Denne beretning, hvor sakserhæren blev drevet tilbage, e r vel blandt de allerførste, der understreger stålets betydning i Danmark. Stålets betydnin g Stålets historie tager sit udspring i Indien år tilbage. Det fik historisk betydning i Lilleasien hvor, krigerfolket Hetitterne baserede krigskunsten herpå, senere Romerriget. Ud over våben har stål og jern haft betydning for en lan g række dagligting men, stål var dengang et meget kostbar t materiale, hvilket kan ses af, at et godt sværd kostede de t samme som en bondegård. Fremstillingsmetoderne har været baseret på reduktion af malm ved hjælp af trækul, og gennem tiden har man udviklet smelteprocesser, som i kraft af deres effektivitet har gjor t stålet mer og mer tilgængeligt. Højovnen, hvis historie går tilbage til middelalderen, kende - tegner denne udvikling. Fremstillingsmetodern e Højovne n På fig. 1.1 og 1.2 ses til sammenligning en middelalderov n og en moderne højovn. Jern- og stålproduktionen var helt op til år 1850 baseret p å jernmalm, som reduceredes og smeltedes ved hjælp af træ - kul og blæseluft. Ved reduktion forstås, at malmens ilt fjernes som kulilte under forbrug af kulstof. Jern- og stålproduktionen va r baseret på jernmal m 11

12 ~~ N 4r'"r Fig Trækuls-højovn, som blev brugt i Europa i flere århundrede. Råjern indeholder ca. 3% kulstof. Når dette kulstofindhol d bringes ned ved yderligere reduktion til omkring 1% eller mindre, taler vi om stål. Generelt er stål sejt, mens jern er sprødt. Her menes råjern eller støbejern, ikke at forveksle med grundstoffet jern, Fe. Råjernet omdannedes ved hjælp af blæseluft Stålfremstillingen begyndte i esser og digler og tog fart mid t i forrige århundrede med den såkaldte Bessemer-pære, hvor råjernet omdannedes ved hjælp af blæseluft, som ledte s gennem det flydende råjern. Herved fjernedes kulstof, hvorved jernet omdannedes, konverteres, til stål, se fig I 1879 forbedredes processen ved den såkaldte Thomaskonverter. I denne proces indgik kalk, hvorved det skadelige stof fosfor P, som indgår i malmen, kunne nedbringes væsentligt. Stålfremstilling i dag sker ved hjælp af flere mulige proces - ser, som skematisk er vist på fig

13 Gigtklokke Skorste n Gigtgas Luft - forvarme r Sinter (Malm ) Koks Kalksten Højovn Fig Højovn med luftforvarmer. Råjern itluy4s 1~ 1700 C ~t 1500 C 1400 C Varm luft fil C lagg Gigt - -' ga s Luft Kold luft fr a blæsekabin e Fig Bessemeres Pære fra Bessemers eget stålværk bygget ca Oxygenblæsning, dvs. blæsning med ren ilt, er meget an- Blæsning med ren ilt vendt. Her kan f.eks. 300 t råjern omdannes til stål på 2 0 min. Under processen sker der en afbrænding af kulstof, hvorve d der dannes kuloxider. Gasudviklingen, som sker i stålet, fører til kraftig omrøring, 13

14 Friskningsproce s (Konverterproces) Smelteproce s (Herdproces ) Chargering Chargering Flydende råjern : Skrot, jernsvamp : % 0-30% 0-70 % % 0 % 100% Oxygenblæsning Flammeopvarmning Elektrisk opvarmning OBM-konverter LD-konverter Siemens - Martin-ovn Lysbueovn Induktionsov n Sti gende oxygenpartial t ry k Fig Systematisk opstilling af stålfremstillingsprocesserne (Ref. 2) som godt kan sammenlignes med kulsyreudviklingen i e n sodavand, der rystes. Gammelt jer n SM processe n Lysbueovnen Fosfo r Svovl Induktionsovnen Gammelt jern, også kaldet skrot, kan genbruges ved smeltning, og her er der også med henvisning til fig. 1.4 flere processer at vælge imellem. I SM processen, hvilket er forkortet for Siemens-Martin processen, smeltes ved hjælp af gas eller oliebrændere. Procestider er typisk 8 timer. I lysbueovnen smeltes derimod ved hjælp af elektricitet. Energitilførsel til skrottet sker fra lysbuer, næsten som det e r kendt fra svejseelektroder. Her er elektroderne grafitstænger, og charger på 100 t kan fremstilles fra 2-3 timer. Disse smelteprocesser kan nedbringe fosfor men også i et vist mål svovl, S. Induktionsovnen er derimod en ren smelteovn, hvor de n kemiske sammensætning af smelten ikke påvirkes væsentligt. 14

15 Udstøbning af det flydende stål kan ske ved blokstøbning eller ved strengstøbning som, er taget i anvendelse i vor tid. Blokstøbnin g Strengestøbnin g Blokstøbning er vist på fig. 1.5 og strengstøbning på fig Fig Blokstøbnin g Fig Strengstøbnin g Flydend e stå l Størknet stål Vandkølin g Transportrulle r Strengstøbning giver generelt større udbytte end blokstøbning, hvor den såkaldte lunker, en sugning i toppen, må skæres bort. Efter nedkøling og genopvarmning til valsetemperatur, ca C, kan blokkene f.eks. valses til stålplader i et valse - værk, som skematisk er vist på fig Valsevær k 15

16 Reference r 1 Borris Pedersen og Mogens Rasmussen : Materialelære, Erhvervsskolernes Forlag, Odense Knud Aage Thorsen : Stål, Dansk Kemi

17 Anvendelse 2 For stål, højstyrkestål og støbejern behandles dette emne i kompendium S1-B og for værktøjsstål i kompendium S1-C. 17

18 3 Fremstilling I fortsættelse af introduktionen i 1. kapitel foretages en gen - nemgang af de moderne produktionsudstyr til fremstillin g af stål, med vægt på procesforløb og de dermed forbundn e metallurgiske karakteristika Råmaterialerne Hojovnsprocesse n Til råjernsfremstilling anvendes jernmalm, koks og kalksten og jernmalmen gerne i en oparbejdet form. Jernmalmen findes i forskellige kemiske forbindelser, hvilke t fremgår af tabel 3.1. Tabel 3. 1 Eksempler på jernmalme og deres sammensætninger (Ref. 1 ) Betegnelse Rød - jernsten Magnetjernsten Brunjernsten Spat - jernsten Kemis k forbindelse Findsted Fe 3O 4 Kiruna, Sverige Fe 2O 3 2Fe2O3, 3H2O Wabana, USA Bilba o Spanien FeCO 3 Sigerland, Tyskland Fe Malmens sammensætning i Gangarter Mn P Kvart s SiO 2 Lerjord Al 2O3 Kalk CaO ,04-0,02 0,2-2,5 0,1-7 0,3-1,2 1,7-8, ,15-0,25 0, , ,5-3, ,5-0,9 0,02-0, ,4-1,8 0,5-0, ,5-7,5-0, ,1-0,4 0,5-0,8 Det ses, at jernprocenten varierer meget fra malm til malm, og det bemærkes, at mangan, Mn, og fosfor, P, indgår i mal - mens sammensætning. Desuden indgår gangarter, som er følgestoffer bestående af kvarts, ler og kalk. Malmen opkoncentreres Inden malmen sættes på højovnen, sker en opkoncentrerin g blandt andet ved en sinterproces, hvilket er en brændin g under reducerende forhold. 18

19 I højovnen reduceres malmen med kulstof i form af koks. Reduceringsprocesserne er komplicerede og temperaturafhængige. Deri kemikyndige kan have glæde af at læse de kemiske reaktioner til højre på fig Fig Principskitse af højovn (Ref. 2 ) Skakt C CaCO 2 CaO + CO, CO 2 + C --2C O FeO+CO~Fe+CO Z MnO + C +[Mn] op, + C O SiO 2 + 2C -0[5i CO Kulsæ k Rast a) Indblæsning af forvarmet luft b) Tappehul for slagg e c) Tappehul for jer n Højovnen chargeres med oparbejdet malm, koks og kalk lagvis. Højovnen chargere s Forvarmet blæseluft sendes ned i hundregionen gennem dy - ser, som står i forbindelse med en ringledning. Helt i bun - den er taphullet for jern, og lidt højere taphullet for slagge. Forvarmet blæseluf t 19

20 Den varme gas, som kaldes gigtgas, trækkes af for oven og anvendes til at forvarme blæseluften. Typisk sammensætning I højovnens bund, hvor temperaturen når 1800 C, sker e n kraftig smeltning, og her beskytter den kalkholdige slagge mod oxidation. Slaggen har også til formål at fjerne fosfor. Det flydende råjern har under processen optaget silicium o g svovl, hvorved en typisk sammensætning kan være som vis t i tabel 3.2. Tabel 3.2 Typiske kemiske sammensætninger for råjern og konstruktionsstål. %C %Si %Mn %P %S %Fe Råjern 3,5-4,5 ca. 4 ca. 4 0,3 0,1 res t Stål 0,2 0,3 0,3 0,03 0,03 res t Hosstående er en typisk analyse for et konstruktionsstål anført til sammenligning. Massestå l Denne kemiske sammensætning kan opnås i en LD konverter under nedblæsning af kulstof med ilt og under passende tilsætning af ferrolegeringer, jf. kapitel 1. Konverterstål betegnes også massestål - store mængder - og stor produktivitet. Kombinationen højovn og konverter danner grundlaget for vel den væsentligste del af verdenstonnagen, men falder talen på konstruktionsstål, maskinstål og især værktøjsstål, indtager elektroovnen en væsentlig rolle. 3.2 Elektrostå Ifremsti I ling Elektroovnen er allerede omtalt i kapitel 1, men lad os her s e på de metallurgiske muligheder, som ovnen byder på og, hvordan stålets ønskede sammensætning opnås. Chargen består af en passende kombination af : skro t råjern, fast eller flydende evt. kok s malm eller anden jernoxid, f.eks. glødeskaller kalk Ovnen er vist i tre forskellige arbejdssituationer på fig

21 Fig Chargering, udtagning af prøve til analysebestemmelse, tapning i e n ske, afslagning i slaggepotte. Chargeringer sker ofte af 3 gange til en samlet chargevæg t på t. Smelteprocessen, som sker ved tilførsel af energi via grafit - elektroder, afsluttes med raffinering også kaldet ferskning, hvor kulstoffet bringes ned på det ønskede niveau ved oxidation ved hjælp af det tilsatte malm eller ved hjælp af e n iltlanse, som fører ren ilt ned i stålet. Herved sker der e n kraftig omrøring under udvikling af kuloxider. Smelteprocesse n I ovnen bringes tillige fosforindholdet ned, oftest unde r 0,03%, hvilket sker ved reaktion med den kalkholdige slagge 21

22 under oxiderende betingelser ved relativ lav temperatur. Afslagning forhindrer fosforreversion til stålet. Fosfo r Svov l Fosfor binder sig normalt til kalken i slaggen, men kan under visse forhold forskydes tilbage i det smeltede stål. Svovl lader sig mindre villigt fjerne i ovnen ved svovlraffinering, som kræver høj temperatur, kalk og reducerende forhold. I erkendelse heraf fjernes svovl ofte udenfor ovnen ved såkaldt skemetallurgi, se afsnit 3.3. Justering af manganindholdet Silicu m Inden stålet tappes, kan justering af manganindholdet ske ved tilsætning af ferromangan. De legerede stål bringes på tilsvarende vis nær det ønsked e ved tilsætning af ferrolegeringer til ovnen. Før eller under tapningen tilsættes yderligere ferrolegeringe r til skeen, som stålet tappes i. Silicium bør for de legerede stål være ca. 0,3%. Dette tilsætte s for at berolige stålet, hvilket opnås ved en kemisk reaktion mellem den opløste ilt og kuloxid, som findes i stålet, o g den tilsatte silicium. Dette gøres for at undgå gasudvikling under støbningen. Visse stål beroliges med aluminium, hvilket binder sig kraftigt til ilt, eller først med silicium og så aluminium. Stål behandlet således kaldes dobbeltberoligede. En væsentlig del af desoxydationsprodukterne havner i slaggen, som beskytter ståloverfladen mod iltning. Rækkefølgen af tilsætningen af ferrolegeringer er helt afgørende, eksempelvis vil bor B danne boroxid, hvis iltniveauet er for højt. Borlegeret stål skal indeholde opløst bor i de n rette mængde. Kvælstof Brint Elektrostål indeholder kvælstof i noget større mængder en d stål fra andre stålfremstillingsmetoder, fordi luftens kvælstof spaltes til atomart kvælstof i lysbuerne og opløses i stålet. Stålet kan dog beskyttes mod yderligere optagelse unde r tapning og støbning. Endelig har den tredie opløste gas brint, betydning for kvaliteten, idet brint kan forårsage brintrevner. Varmlagring ka n dog forhindre dette. En sidste justering af analysen kan ske under efterbehandlingen, under den såkaldte skemetallurgi. 22

23 Skemetallurgi 3. 3 Efterbehandling af stålet med sigte på at opnå en ønsket kemisk analyse kan foretages i skeen, inden stålet støbes. Afsvovling kan ligeledes foretages i skeen under tilsætning af kalk og evt. kalcium-silicium. Processen forløber under argoninjektion via en lanse. Herved opnås foruden afsvovling en homogenisering af det fly - dende stål. Værktøjsstål vacuumbehandles ofte. Skeen anbringes i et stort kammer, som pumpes ned til lav e tryk, hvorved de før omtalte uønskede opløste gasser reduceres væsentligt. Afsvovlin g Værktøjsstål vacuumbehandles ofte Støbning Stålet gøres nu klart til støbning ved evt. justering af støbe - temperaturen ved hjælp af køleskrot. Støbetemperaturen er en meget væsentlig kvalitetsparameter. Massestål udstøbes i dag i større og større udstrækning ved hjælp af strengstøbning, mens de legerede stål blokstøbes. Endelig kan stålet udstøbes til forstøvet pulver som formate - riale til pulvermetallurgiske stål, hvilket frembringer et meget homogent materiale. 3.4 Massestå l Pulvermetallurgiske stå l Men lad os her se på nogle kvalitetsparametre i forbindels e med traditionel støbning uden at skelne imellem, om det e r blokstøbning eller strengstøbning, det drejer sig om. Der fokuseres på fejl før, under og efter støbningen. Homogenitet. Normalt vil den kraftige omrøring under tapvingen sørge for tilstrækkelig analyseensartethed i skeen, men argonspuling kan hjælpe, især hvis store legeringsmængder tilsættes. Afbrand af aluminium forekommer, således at et fald i aluminium kan iagttages i relation til start og afslutning af støbningen. Sejring af stålet begrundes i, at nogle stoffer, f.eks. mangan og krom, har lavere opløselighed i fast fase end i flydende Homogenite t Afbrand Sej rin g 23

24 fase. Dette betyder, at disse stoffer vil blive opkoncentrered e i det stål, som størkner sidst. Dendritstruktu r Dendritstruktur er en træagtig struktur, som vokser fra de n ydre størknede skal ind mod centret af blokken, hvilket vil resultere i lokale analysevariationer i det færdige stål. Nedvalsning eller smedning samt efterglødning vil i en vi s udstrækning nedbryde disse variationer. Visse støbemaskiner er udstyrede med en induktiv omrører, som nedbryder dendritstrukturen. Sekvensstøbnin g Sugnin g Revne r Slagg e Lagdeling Sekvensstøbning anvendes ofte ved strengstøbning af massestål, hvilket kan resultere i analyseforskelle, hvor en char - ge følger den foregående. Her vil blandingsområdet være p å mange tons med kvalitetsproblemer til følge, hvis der er væsentlig forskel på chargerne. Sugning ses ved blokstøbning, hvilket betyder, at der so m følge af stålets sammentrækning ved størkning vil danne s en sugetragt ned i blokken. Støbepulver eller andet varme - isolerende materiale, kan forhindre større lunkedannelse, men det forekommer, at en ikke afskåret sugning resulterer i en lagdeling i det færdige produkt. Revner forekommer både som længderevner og som tvær - revner i den støbte blok eller slab. Disse henføres til termo - spændinger i forbindelse med støbningen, og med mindre de fjernes med en flammehøvl, kan de resultere i fejl i d e færdige produkter. Slagge findes både som overfladefejl og som indre fejl. Lagdeling i pladestål forekommer, men hvor det for bruge - ren er kritisk f.eks. ved tværblastning af pladen, kan en ultralydgaranti sikre, at en given maksimal fejlstørrelse. Referencer 1 Borris Pedersen og Mogens Rasmussen : Materialelære, Erhvervsskolernes Forlag, Odense, Knud Aage Thomsen : Stål, Dansk Kemi,

25 Metallurgi 4 Metallernes krystalstruktur 4.1 Når man i hverdagen taler om metaller, er det oftest metal - legeringer, dvs. blandinger mellem 2 eller flere metaller, som man hentyder til og ikke de rene metaller. Definition af rene metaller Rene metaller er grundstoffer. Mere end 75 af de godt 100 grundstoffer regnes for metaller, og herudover er der 9 grundstoffer, der betegnes som metalloider, dvs. metal-lignende Rene metaller er grundstoffe r Der er stor forskel på den industrielle udbredelse af de en - kelte rene metaller og deres legeringer. Jern- og jernlegeringer (stål og støbejern) har således langt den største betydning, men også aluminium, kobber, bly, zink, tin m.fl. (omtales under et som ikke-jernmetaller) finder stor praktisk anvendelse. Mere end halvdelen af de omtalte 75 rene metalle r anvendes imidlertid i ringe omfang og primært i forbindels e med forskning og udvikling. Der er ikke nogen klar og entydig definition af metaller, o g metallerne er snarere karakteriseret ud fra en række fælles træk. For det første udseendet, hvor man taler om en karakteristisk (sølvagtig) glans, der betegnes metalglans. Dernæst nogle fysiske egenskaber, såsom evnen til at lede elektricitet og varme. Og herudover den fælles bindingstype mellem atomerne i metallerne (metalbinding), som bl.a. medfører en generelt god deformationsevne set i relation til materiale r med andre bindingstyper. Fællestræk for metallerne Ud over metalbindinger findes der andre bindingstyper mellem atomer. lonbindinger og kovalente bindinger har ca. samme styrke so m metalbindinger, mens de såkaldte van der Waals- bindinger er svage - re bindinger. lonbindinger er aktuelle for en række metaloxider og -sulfider, de r optræder som slagger i stål. De kovalente bindinger optræder i kul - stof og silicium. 25

26 4.1.2 Krystalopbygning i rene metalle r Metalbindinger opstår mellem metalioner og de omkringliggende,frit bevægelige elektroner. Metallerne er opbygget som krystalgitre Metalionerne er ordnet i et regelmæssigt, 3-dimensional t mønster, der betegnes som et krystalgitter. De fleste faste stoffer har atomerne ordnet i krystalgitre, men der er forskel på, hvor tæt pakkede atomerne (eller ionerne) er, og hvorledes gitteret er bygget op. De fleste metaller er tæt pakkede eller næsten tæt pakked e og har bl.a. derfor høje massefylder. Dette skyldes, at metal - bindingen ikke er en retningsbestemt binding, som stille r særlige krav til pakningen. Forskellige typer krystalgitre Tæt pakkede krystalgitre Der findes mange forskellige typer krystalgitre, som de t fremgår af figur 4.1. For metaller er der 4 typer, som er aktuelle : Kubisk fladecentreret gitter (FCC ) Kubisk rumcentreret gitter (BCC) Hexagonalt tæt pakket gitter (HCP) Tetragonale gitre (T) FCC- og HCP-gitrene er tæt pakkede krystalgitre. Den rumlige fordeling af atomerne ses på fig Tæt pakkede krystalgitre kan betragtes som tæt pakkede lag (planer) af atomer stablet oven på hinanden, så de fylder mindst muligt. De tæt pakkede planers antal og placering i krystalgitrene e r interessant, fordi den plastiske (dvs. permanente) deformation foregår langs disse planer, som i den forbindelse betegnes slipplaner. En lang række metaller er opbygget af FCC- eller HCP-gitre som anført nedenfor : FCC- gitterstruktur :,y-jern, aluminium, kobber, bly, ß nik - kel, guld, sølv, platin m.fl. HCP-gitterstruktur : magnesium, a-titan, 3-krom, a-nikkel, zink, cadmium m.fl. BCC og T-gitrene er mindre tæt pakkede end de 2 førstomtalte gittertyper og fremkommer hos metaller, der ikke har en 100% ren metalbinding. Den rumlige fordeling af atomerne i et BCC-gitter ses på fig

27 All I ~, 101W liv Al p-,4' '7 jul, c Tetragonal OW ~ ~~ ~ L ~~ ~å>. b b \ N s /MVP ~ O Monokli n Ö~ I~ i Romboedris k fi - +. c c # b tik ~, ~, \/ a Fig Eksempler på forskellige krystalgitter-typer (Ref. 3) Kubisk Hexagonal Ortorombisk Triklin BCC-gitterets pakning afviger ikke meget fra de tiet pakked e gitre, men gitteret indeholder intet tæt pakket plan. T-gitrene er ikke tæt pakket. Blandt metallerne med disse gitre kan følgende omtales : BCC- gitterstruktur : cr-jern, natrium, kalium, 0-titan, vanadium, a-krom, molybdæn m.fl. T-gitterstruktur : tin, y-mangan, radium m.fl. Det fremgår af ovenstående, at flere metaller som f.eks. jern, står opført under 2 gitterstrukturer. Dette skyldes, at en række metaller kan eksistere med 2 eller flere forskellige gitter - strukturer. Dette fænomen betegnes allotropi. Allotrop i Gitterstrukturen for disse metaller er således afhængig a f temperatur og tryk, og omdannelse fra den ene til den an - 2 7

28 Fig Tæt pakkede gitre. (a) Kubis k fladecentreret gitter (FCC). (b) Hexagonalt tæt pakket gitte r (HCP)(Ref. 4) a b Fig Kubisk rumcentreret gitte r (BCC), som ikke er tæt pakket (Ref. 4) 28

29 den struktur kan medføre væsentlige ændringer i metallet s fysiske og mekaniske egenskaber. Metallernes allotrope former er markeret med foranstillede græske bogstaver, som det ses ovenfor. Der findes mange andre krystalgittertyper end de her omtalte. Faste stoffer med ionbindinger eller kovalente bindinger har således også tilknyttede krystalgitre. Legeringers opbygning Når man blander et rent metal med et eller flere andre ren e metaller eller andre grundstoffer, fremkommer de såkaldte legeringer, som udgør de teknisk interessante metalliske materialer, der anvendes i industrien. I forbindelse med legeringer er der ofte et metal, som udgø r den væsentligste del af sammensætningen, og som derfo r kan omtales som basismetallet. Ved stål er basismetallet eksempelvis jern. Herudover kan der være tale om et eller flere primære legeringselementer samt en række øvrige sekundære legeringselementer. For alt stål og støbejern er kulstof et primært legeringselement. For aluminium- og kobberlegeringer findes der flere forskellige primære legeringselementer. Jern basismetal for stå l Kulstof primært legerings - element for stå l Hvis der kun er tale om et primært legeringselement ud ove r basismetallet, betegnes legeringen som binær. Tilsvarend e kaldes legeringen ternær, hvis der er 2 primære legeringselementer ud over basismetallet. Ved legeringen er der dels mulighed for, at legeringselementerne går i fast opløsning i basismetallet, dels kan der dannes uopløste kemiske forbindelser (intermediære forbindelser) mellem de indgående elementer, og endelig kan de t rene metal forekomme, hvis der ikke er nogen eller kun be - grænset opløselighed. Fast opløsning vil sige, at der dannes et blandingskrystal mellem basismetallet og det opløste legeringselement. Begge har en krystalopbygning med en specifik gittertype som ovenfo r beskrevet, og ved den faste opløsning vil legeringselemen - tets atomer (ioner) placere sig i basismetallets krystalgitter. Fast opløsnin g 29

30 Denne placering kan være som indskudsatomer mellem basismetallets atomer (ioner). Dette kan kun lade sig gøre fo r meget små atomer som f.eks. atomer fra kulstof, oxygen (ilt), hydrogen (brint) og nitrogen (kvælstof), og basismetalgitteret kan kun rumme en meget begrænset andel indskudsatomer. En anden mulig placering er som erstatningsatomer (substitution) for et af basismetallets atomer (ioner) i gitteret. Kulstof opløses som indskuds- atomer Den første type fast opløsning ved hjælp af indskudsatome r kendes fra stål, hvor de små kulstofatomer anbringer sig i jern-krystalgitteret. Der er som nævnt en meget begrænse t opløselighed ved indskudsatomer. Opløseligheden har en grænse, som er afhængig af temperatur og tryk. Hvis man ved højere temperatur har en større opløselighed end ve d stuetemperatur, vil en mættet opløsning ved den høje temperatu r blive til en overmættet opløsning ved stuetemperatur. Denne overmættede tilstand er ustabil, men bruges undertiden bevidst som styrkeøgende mekanisme (modningshærdning). Den anden type fast opløsning ved hjælp af erstatnings - atomer er meget mere almindelig for metallegeringer og ha r ikke den samme meget begrænsede opløselighed. Opløseligheden ved erstatningsatomer er bl.a. afhængig af forskel - len på de forskellige atomers størrelse samt af en evt. forskel på ba - sismetallets og legeringselementets gittertyper. Der kan kun opnås fuld opløselighed, hvis de 2 krystalgitre er a f samme type. Messing og bronze er eksempler på fast opløsning ved erstatningsatomer Krystalopbygning i tekniske legeringe r Det er nu set, hvorledes legeringen af rene metaller med andre grundstoffer indvirker på krystalgitterets teoretisk set regelmæssige opbygning. Herudover optræder der hos krystalgitrene for virkelighedens metaller en række forskellige gitterfejl, hvorved gittersymmetrien ændres. 30