Metallernes mikro- og makrostruktur

Transkript

1 Metallernes mikro- og makrostruktur Mikrostruktur Kim Metaller er sammensat af atomer. Forståelse for metallers opbygning gør det hensigtsmæssigt at betragte flydende metallers størkningsproces under deres overgang fra flydende til fast form. Når et smeltet metal afkøles, og temperaturen kommer under størkningspunktet, vil det gå over i krystallinsk tilstand. Sædvanligvis dannes et stort antal krystaller. Hvert af dem begynder som en kim, der således er den mindste del af et krystal. Det er i størknet krystallinsk tilstand, metaller har deres tekniske anvendelse. Atomer I det smeltede metal er atomerne i konstant indbyrdes bevægelse. De bevæger sig frit omkring hinanden, så længe metallet er flydende. Atomernes bevægelseshastighed følger temperaturen. Stigende temperatur øger hastigheden, og faldende temperatur mindsker hastigheden. Konstant temperatur giver konstant hastighed. Under fortsat afkøling af det smeltede metal vil atomernes bevægelseshastighed derfor blive reduceret i takt med temperaturfaldet, og på det tidspunkt, hvor temperaturen bliver identisk med det pågældende metals størkningstemperatur, opstår krystallisationskim. Atomerne søger sammen og danner dermed en ganske lille mængde fast metal i den tungt flydende smelte. ma tif Skematisk fremstilling af en krystallisation Krystaller eller korn Til de førstdannede krystallisationskim vil andre atomer tilslutte sig under smeltens fortsatte afkøling, og efterhånden udvikler kimene sig til krystaller, også ofte kaldet korn, der vedblivende vokser, indtil krystallerne bliver så store, at de støder sammen. Når samtlige atomer i smelten har tilsluttet sig krystaldannelserne, er metallet størknet 100%. Måden, krystallerne er arrangeret på, kaldes materialets mikrostruktur. Dette sker næsten samtidigt mange steder i smelten. Industriens Forlag Ma168.fm

2 Undersøgelse af mikrostruktur Undersøgelse af mikrostrukturen sker ved at lave et tværsnit i en lille prøve af materialet og undersøge snitfladen under et mikroskop. Prøven benævnes ofte som et slib. For ikke at forandre strukturen ved udtagning af prøveemnet skæres det ud med værktøj, som ikke udvikler nogen nævneværdig varme, f.eks. en nedstryger. Prøvens størrelse er 10 til 20 mm i længde- og tværmål. Ofte støbes emnet ind i plasticmateriale for at kunne fastholde det under den videre forarbejdning. Undersøgelsesfladen Undersøgelsesfladen files eller slibes forsigtigt på smergelsten, så emnet ikke bliver varmt. Herefter vådslibes med smergelpapir med tiltagende finhed, f.eks. nr. 200, 320, 400 og 600. Til slut poleres emnet. Det kan foregå med roterende skive, der er beklædt med rent uldent klæde, og som polermiddel kan anvendes opslæmmet lerjord (A1 2 O 3 ) eller chromoxid, polergrønt. Også polerskiver imprægneret med fint diamantpulver anvendes til polering. For at synliggøre strukturen ætses slibefladerne. Struktur af ren ferrit med ca. 0,04% C. Stålet er meget blødt og sejt. ma tif Ferrit Struktur af ferrit og perlit med ca. 0,55% C. Stålet er hårdere og mindre sejt. ma tif Ferrit og perlit Ferrit-korn Ferrit Perlit Struktur af ren perlit med ca. 0,83% C. Perlit er en blandingsstruktur, som består af cementitlameller i en grundmasse af ferrit. Perlit har den bedste kombination mellem hårdhed, styrke og sejhed i materialer, der kun er legeret med kulstof. Brudoverfladen er perlemorsagtig. Kulstofstålets mikrostruktur De strukturformer, der dannes under raffineringen af råjernet, afgør stålets egenskaber med hensyn til styrke og sejhed. Strukturformerne er afhængige af temperatur og kulstofindhold. Kulstofstål er ulegeret stål, som kun indeholder kulstof, silicium, mangan, svovl og fosfor (de fem faste legeringselementer), i alt højst 1,5%. ma tif Perlit Ved at opstille et jern-kulstofnomogram kan man få et indtryk af kulstoffets indflydelse på stålets styrke og sejhed. I nomogrammet er vist strukturer på henholdsvis stål med 0,04, 0,3, 0,55, 0,83, 1,2 og 2,8% C. Alle strukturer er primært opbygget af kubisk rumcentrerede Fe enhedsceller og er vist ved stuetemperaturer. 2 Industriens Forlag - Ma168.fm

3 Struktur af perlit og korngrænsecementit med ca. 1,2% C. Stålet er hårdt og relativt skørt. Perlit Cementit ma tif Perlit og cementit Struktur af ren cementit eller jernkarbid med 6,67% C (maks. kulstofopløsning). Cementitten er ekstremt hård og umulig at bearbejde. Brudoverfladen cementagtig. ma cdr Cementit ma cdr Jern-kulstofnomogram Industriens Forlag Ma168.fm

4 Makrostruktur Ved makrostrukturer menes strukturer, som kan ses med det blotte øje eller med en lille forstørrelse. Ved metallers udstøbning kan der opstå makrofejl. Ved størkningen indtræffer en volumenformindskelse, som kan fremkalde porøsiteter og revner i materialet, men størkningsforløbet vil også på anden måde indvirke på stålets egenskaber. På stålværker udstøbes stålet endnu i kokillerforme, og billedet viser, hvordan der under størkningen dannes en sugetragt, som kan strække sig kortere eller længere ind i blokken bestemt af kokillens udformning. Dødhoved Kokille Stål Sejring Sejring er en grovstrukturfejl, som skyldes størkningsprocessens uensartethed. Stålet størkner med forskelligartet sammensætning forskellige steder i støbningen. Forløbet skyldes, at urenhederne i et vist omfang er opløselige i det smeltede stål, men er praktisk taget uopløselige i det størknede stål. Følgen bliver, at efterhånden som størkningen skrider fremad, bliver den flydende del af stålmassen mere og mere rig på urenheder. Hvis der samtidigt opstår cirkulation som følge af gasudskillelsen, vil urenhederne transporteres bort fra yderkanterne af kokillen og ind mod blokkens midte. Transkrystaller Ved støbning af stålblokke sker der endvidere dette, at bortset fra de yderste randzoner vil de først størknede og forholdsvise rene jernkrystaller danne transkrystaller, der også skubber den mere urene smelte foran sig ind mod blokkens midte. ma tif Kokiller Transkrystaller opstår navnligt, hvor randzonerne afkøles hurtigere end midterzonerne. Den viste kokille er forsynet med varmeisoleret dødhoved, en model, som benyttes i stigende omfang. Transkrystaller er orienterede vinkelrette på væggene og kan vokse langt ind i materialet. Strengstøbning (se afsnittet om højstyrkestål) vil sandsynligvis helt afskaffe kokillestøbning af konstruktionsstål, idet strengstøbning giver endnu mere ensartede egenskaber og små risici for svindhuller (pipes). Kokillestøbning vil dog fremover stadigvæk blive anvendt til udsmeltning af værkstøjsstål. ma cdr Transkrystallisation 4 Industriens Forlag - Ma168.fm

5 Rand- og kernestål Sejringsprocesserne kan således fremkalde en opdeling af stålet i det rene randstål og det dårligere kernestål, overgangen imellem de to zoner vil være særligt uren. Sejring i udvalset stål Ved bukning af fligene fra hinanden er vist brud midt i sejringen. Denne form for sejring kaldes bloksejring eller tværsejring og forekommer særligt i det billige massestål, dels fordi det indeholder ret store mængder urenheder, f.eks. svovl og fosfor, og dels som følge af fremstillingsmåden, hvor der lægges vægt på en lav fremstillingspris med begrænset oxidation. ma cdr Bukning af materiale med sejring Det er navnlig fosfor og svovl, som sejrer, men også kulstof vil udfældes i større omfang i kernen end i randstålet. Denne lagdeling, som sejringen forårsager i det valsede materiale, kan svække materialet betydeligt og virker meget generende på flammeskæringsprocessen og svejseprocessen. Desoxidation (afiltning) Gasarters opløselighed Gasarters opløselighed er større i flydende stål end i størknet stål, og opløseligheden stiger med temperaturen. Dette fremgår af diagrammet, som viser hydrogenets opløselighed i forskellige metaller. ma jpg Stålblok med bloksejring ma cdr Hydrogenopløselighed i metaller Industriens Forlag Ma168.fm

6 Opløseligheden af kulmonoxid (CO) er af meget stor betydning, da denne gasart dannes ved reaktion mellem kulstof og jernoxid under stålets raffinering. Stålet har her lejlighed til at mætte sig med gasarten, og bliver dette tilfældet, vil der ved størkningen frigives store mængder gas, til tider så voldsomt, at stålet sprøjter langt væk fra støbeformen. For at mindske og regulere dannelsen af gasblærer tilsættes stoffer, som binder oxygenet, de såkaldte oxidationsstoffer. Halvberoliget stål Halvberoliget stål fremstilles i meget store mængder. Det er et pålideligt materiale, der kvalitetsmæssigt ofte kan konkurrere med helberoliget stål. Desoxidationen er kun gennemført delvist, men størkningen foregår nogenlunde roligt, så der kun forekommer mindre sejringer. Lunker + gasblærer Ved stålfremstillingen anvendes i stor udstrækning silicium, men mange andre stoffer kan benyttes som desoxidationsmidler, f.eks. aluminium, mangan, kalcium og titan. Stål fremstilles i tre grader af desoxidation under benævnelsen: Uberoliget stål Halvberoliget stål Helberoliget stål ma tif Halvberoliget stål Uberoliget stål Uberoliget stål er stål med stærkt forurenet kernemateriale og rent materiale mod overfladerne. Helberoliget stål Helberoliget stål er, så vidt det er muligt, fuldstændigt desoxideret og fri for sejringer og vandblærer. Alle ståltyper kan fremstilles som helberoliget stål, men på grund af omkostningerne er det hovedsageligt de bedste konstruktionsstål og værktøjsstål, der fremstilles på denne måde. Kernestål Randstål Lunker Efter størkningen afskæres dødhoved ma tif Uberoliget stål ma tif Helberoliget stål 6 Industriens Forlag - Ma168.fm