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

31 Man opererer med 3 typer fejl : 3 typer gitterfej l punktfej l liniefej l fladefej l Punktfejl kan være et fremmed indskuds- eller erstatningsatom p å lignende måde som omtalt i forbindelse med legering, men der ka n også være tale om et manglende atom i gitteret, en såkaldt vakance. Liniefejl er gitterfejl, som berører en hel linie med atomer i krystal - gitteret. Liniefejl betegnes dislokationer, og der findes 2 typer af dis - se, nemlig skruedislokationer og kantdislokationer. Den 3. fejltype berører, som navnet siger, en hel flade i gitteret. Disse fladefejl optræder automatisk i korngrænserne, som er grænse - fladerne mellem 2 eller flere gitterudsnit med forskellig orientering. Disse forskellige typer gitterfejl er vigtige, fordi de spiller e n rolle for de tekniske legeringers egenskaber. Tilstandsdiagrammer og faseomdannelser Et tilstandsdiagram eller et fasediagram, som det også kal - des, er et diagram, der viser tilstandene eller faserne for e t rent stof (f.eks. rent metal) eller for et materiale (f.eks. e n metallegering) som funktion af tryk, temperatur og sammensætning. 4.2 Tilstande/faser og faseomdannelser Begrebet tilstand dækker normalt over de 3 tilstandsformer : fast, flydende og luftformig, mens faser normalt er betegnelsen for de forskellige krystalgitter-typer, som metallet eller legeringen kan optræde i, når det er i fast tilstand. I forbindelse med diagrammerne bruges ordene imidlerti d synonymt som dækkende både den ene og den anden betydning. For at se på en enkel situation først kan man vælge tilstands - diagrammet for rent jern, idet man herved kan udelukke sammensætningen som parameter. Et udsnit af tilstandsdia - grammet for rent jern ses i fig Sådanne simple tilstandsdiagrammer betegnes også tryktemperatur diagrammer. Fra dette diagram fremgår det, at jern kan optræde i 3 faser i fast tilstand ved de viste tryk og Tryk-temperatur diagramme r 31

32 temperaturer. Disse faser er beskrevet ved de græske bogstaver: a, y og b. De 2 faser a-jern og 6-jern er principielt ens med samme kubisk rumcentrerede gitterform, men de er alligevel tildel t forskellige betegnelser, da de eksisterer i forskellige og ad - skilte temperaturområder. Langs diagrammets linier kan 2 faser eksistere samtidigt, o g der hvor 2 linier mødes, kan 3 faser eksistere sammen. Dette punkt kaldes tripelpunktet. Fig Tilstandsdiagram for rent jern som funktion af tryk og temperatur (Ref 2) at m 10 -Z u -Fe 10 -g - 10-' o C Temperatur Faseomdannelse Faseomdannelsen i fast tilstand sker ved en proces betegne t diffusion. Diffusion er en transport af materiale, som sker på atomart niveau, idet atomer bevæger sig omkring i krystalgitteret ved hjælp af de føromtalte gitterfejl, såsom vakancerne. Diffusion er en tids-, temperatur- og materialeafhængig pro - ces, som også styrer tidsforløbet af en række varmebehandlinger Simple binære tilstandsdiagramme r De tilstandsdiagrammer eller fasediagrammer, som man of - test støder på i litteraturen, er de såkaldte binære tilstandsdiagrammer, d.v.s. tilstandsdiagrammer for legeringer med 2 primære legeringselementer. 32

33 tryk fast fase A tripelp smelte L gasfase G temperatur C Metal A-bagvæg i fig. c fast fase B smelte L tripelpunkt gas G temperatur C Metal B-forsiden i fig. c Fig Konstruktion af et tryk-temperatur-koncentrationsdiagram (c) ud fra tryk-temperatur tilstandsdiagrammer (a og b) (Ref. 1 ) Herved fremkommer der 3-dimensionale diagrammer, de r undertiden betegnes tryk-temperatur-koncentrationsdiagrammer. Et eksempel på dette ses i fig Eftersom man oftest arbejder ved almindeligt atmosfæris k tryk, har man konstrueret 2-dimensionale tilstandsdiagram - mer ved at lave et snit gennem det 3-dimensionale diagra m for et tryk på 1 atmosfære. De herved fremkomne tilstandsdiagrammer betegnes ternperatur-koncentrationsdiagrammer, da trykket nu ikke ind - går som parameter. En blandingslegering er en legeringskombination, hvor de r både kan optræde blandingskrystaller, intermediære forbindelser og rene metaller. Mange forskellige kombinationer er mulig i blandingslegeringer. Tryk-temperatur-koncentrationsdiagramme r Temperatur-koncentrationsdiagramme r Som tidligere omtalt fremkommer der en binær legering, nå r man blander et basismetal (d.v.s. et metallisk grundstof) med et andet metallisk eller ikke-metallisk grundstof. Der kan herved fremkomme en såkaldt homogen legerin g eller en blandingslegering. Det førstnævnte er enten en legering, hvor der er fuld opløselighed mellem de 2 legeringselementer med dannelsen a f et blandingskrystal til følge, eller der kan være tale om en kemisk forbindelse (intermediær forbindelse) mellem de 2 legeringselementer. I de følgende eksempler betegnet I, II og III skal det beskrives, hvorledes forskellige tilstandsdiagrammer bliver konstruere t for at erhverve en klarere forståelse af, hvorledes de skal læses. 33

34 Diagrammer viser faseomdannelse under ligevægt Eksempel I: Konstruktion af diagrammet for to metaller (A og B ) fuldstændig opløselige i flydende og fast fas e Da alle tilstandsændringer eller faseomdannelser er tidsaf - hængige, beskriver de omtalte diagrammer ligevægtstilstande, d.v.s. den nødvendige tid til tilstandsændringer/faseomdannelser er medregnet. Derfor betegnes tilstandsdiagrammerne også som ligevægtsdiagrammer. Diagrammerne vill e således ikke være rigtige, hvis temperaturændringerne fore - gik på kortere tid, end det er nødvendigt for opnåelse af ligevægt. Til konstruktion af et tilstandsdiagram kan anvendes afkø - lingskurver (til omdannelserne i fast fase anvendes også strukturundersøgelse og røntgendiffraktion). På fig. 4.6 er vist en afkølingskurve for et rent metal (a) og for en legering (b). Fig Afkølingskurver for henholdsvi s et rent metal (a) og en legerin g (b) Temp. a Smelte b \ Smeltet opløsning - - Begyndende størknin g Smelte + fast fas e N Ti d Fig Afkølingskurver for forskellig e blandingsforhold mellem meta l A og metal B T Ti d Afkølingskurver for forskellige blandingsforhold af A og B er vist på fig. 4.Z og på fig. 4.8 ses det tilstandsdiagram, som kan konstrueres ud fra kurverne. 34

35 Fig Temperatur-koncentrations tilstandsdiagram konstrueret u d fra afkølingskurve r % 10 0 Den øverste linie i diagrammet betegnes liquiduslinien, den Hvad kan man se af diagram - nederste soliduslinien. met? T A Fig Udsnit af tilstandsdiagramme t fra fig % A a. legeringen (som helhed betragtet) indeholder 80% A og 20% B. Sammensætning af faserne ved en given temperatu r b. Den faste fase indeholder 95% A og 5% B. c. Den smeltede fase indeholder 72% A og 28% B. 35

36 Den relative mængde af fasern e ved en given temperatur be - stemmes ved hjælp af vægtstangsreglen b ff 15% a 8% c f s 95% A 5% B 72% A 28% B 80% A 20% B Fig Anvendelse af vægtstangsreglen til bestemmelse af fasernes forde - ling, hvor fs er andelen af smeltet fase og ff er andelen af fast fase 1. fs + ff = 100 % 2. moment om punkt a : ff (b-a) = fs (a-c) Disse 2 ligninger medfører : ff = fs 8/15 = 35% Afkøling under ligevægt a b c d e % B Fig Koncentrationsforskydninger hos fast og flydende fase under afkøling ved ligevæg t Ved To findes smeltet opløsning med c% B. Ved afkøling til Tl begynder udskillelse af a i størkningskrystaller betegnet dendritter med a% B, hvorved smelten bliver rigere på B. Ved T2 udskilles a med b% B, og smelten indeholder d% B. 36

37 For at opnå ligevægt ved T2 må hele den faste opløsning a f a-fase (også den først udskilte med indholdet a% B) få ind - holdet b% B, hvilket sker ved diffusion af B-atomer til de A - rige først udskilte dendritter. Kun hvis afkølingen foregår meget langsomt, kan denne diffusion følge med krystaldannelsen. Ved T3 vil til sidst udskilles a med et højt B-indhold, me n ved diffusion vil alle a-krystaller få sammensætningen c% B. I praksis vil krystalvæksten være hurtigere end diffusionen, og der vil derfor fås a-krystaller med stigende indhold af B. L Eksempel ll : Diagrammet for t o metaller, som er fuldstændig op - løselige i flydende form og uopløselige i fast for m L+A -- Solidu s G I H Eutektisk punk t A + B 1 A Hypoeutektiske Hypereutektiske legeringer legeringe r Fig Tilstandsdiagram for 2 metaller, som er fuldstændig opløselige i flydende form og uopløselige i fast form B Diagrammet har det på fig viste udseende, idet smelte - punktet for et rent stof sænkes ved tillegering af et ande t stof, hvis det sidste er opløseligt i det første i flydende for m og uopløseligt i det i fast form. Punktet E, hvor de to liquiduslinier skærer hinanden, benævnes det eutektiske punkt. Soliduslinien er FGHI. 37

38 Afkøling af eutektisk legering Fig Afkøling af eutektisk legerin g Legeringen forbliver smeltet, til temperaturen når T E. Ved denne temperatur størkner hele smelten, før temperature n falder igen. Dette kaldes en eutektisk reaktion : smelte fast A + fast B Da der hele tiden sker skiftevis størkning af lidt A og lidt B, fås som slutresultat en fin blanding af A og B. Afkøling af hypoeutektisk (undereutektisk) legering Fig Afkøling af hypoeutektisk legerin g 38

39 Ved T 1 er smelten mættet med A, og ved lidt lavere tempera - tur størkner overskud af A, hvorved L bliver rigere på B. Ved T 2 er en vis mængde A udskilt, og L er blevet rigere på B (mængderne af faserne kan beregnes ved vægtstangsreglen). Når temperaturen er lige over T F, findes der fast A og en smelte med eutektisk sammensætning. Denne smelte vil størkne eutektisk, og resultatet bliver en blanding af A-krystaller og eutektikum. Jo nærmere legeringens sammensætning er på den eutektiske legerings sammensætning, de s større andel af eutektikum fås der i strukturen. Eksempel III : Diagram for to metaller, som er fuldstændig opløselige i flydende form, men ku n delvis opløselige i fast for m Eutektisk diagramtyp e TE A Fig Tilstandsdiagram for 2 metaller, som er fuldstændig opløselige i flydende form, men kun delvis opløselige i fast form. Eutektisk diagramtype B Størkning begynder ved T 1 og slutter ved T2. Ved T E. har man en homogen enfaset fast opløsning (a), som ikke er mættet med B. Afkøling af legering 1 Ved sænkning af temperaturen til T3 bliver a mættet med B, og ved lavere temperaturer end T 3 udskilles overskud af B, ikke som ren B, men som 3, idet A er opløselig i B. Ved stuetemperatur vil legeringen bestå af a med ß udskilt i korngrænserne. 39

40 L L + a a P a+ 13 A Peritektisk diagramtype Fig Tilstandsdiagram for 2 metaller, som er fuldstændig opløselige i flydende form, men kun delvis opløselige i fast form. Peritektisk dia - gramtype B I punktet P i diagrammet ovenfor sker den peritektiske reaktion : smelte + fast fase (a) - fast fase (ß ) Udover de her omtalte diagrammer findes der også diagram - typer for to metaller, som kun er delvis opløselige i flydend e form (monotektiske diagrammer) og sammensatte diagramtyper, hvor der indgår kemiske forbindelser (intermediær e faser). Fast faseomdannelser Alle de her beskrevne diagramtyper indeholder omdannel - ser fra flydende til fast fase. Virkelige tilstandsdiagrammer indeholder også omdannelse r fra fast fase til fast fase (fast faseomdannelser). Metallers ev - ne til at optræde med flere forskellige gitterstrukturer ha r tidligere været omtalt (allotropi, jf. afsnit 4.1.2). Fast faseomdannelserne er helt analoge med de omtalte eu- 40

41 tektiske og peritektiske omdannelser, men har lidt andre be - tegnelser, nemlig den eutektoide reaktion : fase fase fast fase + fast fase (eutektoid blanding) og den peritektoide reaktion : fast fase + fast fase fast fase Man skal være opmærksom på, at disse binære tilstandsdiagrammer ikke dækker hele virkeligheden for kommerciell e legeringer. Sådanne legeringer vil altid indeholde flere legeringselementer, som vil medføre ændringer i forhold til en beskrivelse som en ren binær legering. Undertiden er disse ændringer markante på grund af tilstedeværelsen af et 3. primært legeringselement, og det kan i denne situation være relevant at arbejde med 3-dimensionale tilstandsdiagrammer. Disse diagrammer er noget mere komplekse og skal ikke beskrives nærmere her. Der findes dog metoder til at forenkle dem (trekantsdiagrammer o g pseudobinære diagrammer), således at de også kan anvendes i praksis. Jern-kulstofdiagrammet I det foregående er gennemgået de fasediagramtyper, so m det er nødvendigt at have kendskab til for at forstå jern-kulstofdiagrammet. Kulstof kan i legering med jern optræde i 3 former : Rent kulstof, der betegnes grafit. 2. Jernkarbid (Fe3C) også betegnet cementit, som er en kemisk (intermediær) forbindelse mellem kulstof og jer n (kulstofindholdet er 6,67%) med kovalente bindinger. 3. Fast opløsning i jernet. Opløseligheden er forskellig afhængig af jernets temperatur og fase. Jern-kulstofdiagrammet, der er vist på fig (med stipled e linier), betegnes som det stabile system, i modsætning til jern-cementitsystemet (også vist på fig. 4.17, men med fuld t optrukne linier), der kaldes det metastabile system, efterso m cementit ikke er en stabil kemisk forbindelse ved alle temperaturer. Det stabile og det metastabil e syste m 41

42 Jern-cementitsystemet kan opfattes som et lille hjørne (de t venstre, nederste hjørne) af jern-kulstofdiagrammet, hvo r kulstofindholdet går fra 0-6,67%, svarende til 0-100% cementit. Temperaturområdet er normalt kun interessant op til ca C. Jern-cementitdiagrammet, som er afbildet på fig. 4.17, dækker alle teknisk interessante jern-kulstoflegeringer. Ofte vil man endog kun vise et mindre udsnit af dette diagram me d kulstofindhold op til ca. 2%, jf. fig. 4.18, idet jern-kulstoflegeringer med større kulstofindhold ikke er stål, men støbe - jern. Jern-cementitdiagrammet dækker alle typer stål samt hvidt støbejern. Gråt støbejern og SG-jern (kuglegrafit støbejern) følger det stabile jern-kulstofdiagram. Tilstandsdiagrammet på fig viser flere af de tidligere omtalte omdannelser fra flydende til fast fase eller fast fase - omdannelser. I diagrammet (fig. 4.17) ses tre vandrette linier, som indikerer temperaturerne for isoterm omdannelse. Ved 1495 C sker en peritektisk reaktion : smelte + S (ferrit) -y (austenit ) Ved 1148 C sker en eutektisk reaktion : smelte y (austenit) + Fe 3C (cementit) Ved 727 C sker den eutektoide reaktion : y Ti a (ferrit) + Fe3C (cementit ) hvorved austenit ved langsom afkøling omdannes til ferrit + cementit i eutektoid blanding = perlit. Da den eutektoide blanding har et kulstofindhold på 0,8%, kan stålene opdeles i : Hypoeutektoide stål Hypereutektoide stål Hypoeutektoide stål : legeringer indeholdende mindre (undereutektoide stål) end 0,8% kulstof og Hypereutektoide stål : legeringer indeholdende 0,8-2 % (overeutektoide stål) kulstof 42

43 C A Z 1538 Fig Tilstandsdiagram for jern-kulstoflegeringer med op til 6,67 % C (Ref. 1 ) y Austenite rr 2,08 % E t~4 2,,11/ 11% ,30% C 6,67 % Cementi t (Fe 3 C) _ P 0,77% a-ferri t 0,0218 % _ Curie temp Fe~C 230_ _ 0 Fe 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 6,67 % C i ( } I I % Fe 3 C Jern-cementitsysteme t Jern-grafitsystemet Mikrostrukturen af a-fasen, der betegnes ferrit, er vist p å fig Fra tilstandsdiagrammet ses det, at ferrit har max. opløselighed af kulstof ved 727 C svarende til 0,022%. Ved stuetemperatur er opløseligheden endnu mindre, svarende til ca. 0,006-0,008% C (visse referencer angiver væsentligt mindre), og ferrit er derfor næsten identisk med rent a-jern. Austenitten, som findes ved temperaturer over 727 C, og som kan opløse opm 2% kulstof ved 1148 C, er ikke stabi l ved stuetemperatur for ulegerede stål. Mikrostrukturen ha r det på fig viste udseende. 43

44 C H Ferrit = o c Ferri t nn + austen it A " fig, //// iiiiiiiiiiiiiiiiiii i i /.I%~'/,%% %~ %%% '/,~%%%'/.~ %'/.I'/,% %'/,6%%%'/. 6 P Ai ~ I~II~~~ II IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIItIIIIIII111III11III s æroi. isering 1 IIII I \\. y MM MM NO MM MM MMM O MM Z,IWNWO&ENL'ObIl e Rekr stallisations.lø.nin. ~.~.,.A.A.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~V,.i.A ~\\"\\\\\\\\\\\\\\\\ &.A.A.A.A.A.A.A.A. ~ ~~~~~~ e~ ~~ ~ ~ ~~r~~~ A spæn. In s. ø. n i n.!.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.a. A A. A. A.A.A.A.A.A. A. A.~ ~\\\\\"\\\\\\\~~\\\"\ Rekr stallisations.iø.nin. O K) å Ferrit + perli t Undereutektoi d >< Perlit + cementi t Overeutektoi d 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2, 1 % C Fig Tilstandsdiagram for jern-kulstoflegeringer med op til 2% C (stållege - ringer) (Ref. 5) 44

45 Den eutektoide blanding af ferrit og cementit kaldes so m nævnt perlit og dannes ved 727 C ved relativt langsom afkøling. Blandingen består af lameller af skiftevis ferrit og cementi t og kan have det på fig viste udseende. Fig Mikrostrukturen hos ferri t (a-fase) Fig Mikrostrukturen ho s austenit (y-fase) Fig Mikrostrukturen hos perli t På fig er der vist et udsnit af jern-kulstofdiagrammet til illustration af afkølingsforløbene for 2 forskellige legeringer. c E Fig Udsnit af jern-kulstofdiagrammet til illustration af afkølings - forløbene for 2 forskellige lege - ringe r P x 2 Perlit x 4 Felri t I I Ferrit + Perli t 0,2 Hypoeutektoid stål 0,8 1 Perlit + cementi t 2 Hypereutektoid stål Kulstof % (efter vægt) 45

46 I austenitområdet over GSE-linien består legeringen af e n ensartet opløsning, hvor alle korn indeholder 0,2% kulstof i fast opløsning i det kubiske fladecentrerede krystalgitter. Først når linien GS, også kaldet A 3-linien, nås, sker der noget. Afkøling af et hypoeutektoidt stål med 0,2% kulstof Ved temperaturen T l begynder dannelsen af ferrit (proeutek - toid ferrit), som har et rumcentreret kubisk gitter, og so m ikke kan indeholde 0,2% C. Derfor stiger kulstofindholdet i den resterende austenit, efterhånden som ferritmængde n øges. Ved 723 C nås P-S linien (A i -linien), som er den eutektoid e temperaturlinie og laveste temperatur for tilstedeværelse a f austenit under ligevægtsbetingelser. Austenitten, som nu indeholder 0,8% C og udgør ca. 25% a f legeringen (vægtstangsreglen), omdannes nu efter den eutektoide reaktionsligning til perlit, og mikrostrukturen kom - mer til at bestå af ca. 75% ferrit og 25% perlit. Denne mikrostruktur er afbildet på fig Hvis den videre afkøling ti l stuetemperatur foregår langsomt, vil ferritten kunne udskil - le cementit. Denne betegnes tertiær cementit og udskilles som tynde film i ferrit-korngrænserne. Fig Mikrostruktur hos hypoeutektoidt stål med 0,2% C afkølet under ligevægtsforhold 46

47 Over temperaturen T2 på fig findes austenit med e t ensartet opløst kulstofindhold på 1%. Ved T2 nås Acm-linien, ved hvilken austenitten er mættet med kulstof, således a t der ved temperaturer under T 2 vil begynde en udskillelse a f cementit i austenit-korngrænserne, hvorved kulstofindholdet i austenitten falder (og følger Acm-linien ned til venstre). Afkøling af et hypereutektoid t stål med 1% kulstof Ved 723 C vil den resterende austenit indeholde 0,8% kulsto f og udgøre ca. 96% af legeringen. Austenitten omdannes nu efter den eutektoide reaktion til perlit, og mikrostrukture n vil bestå af perlit (ca. 96%) og et netværk af cementit (proeutektoid cementit eller sekundær cementit) i de tidligere austenit- korngrænser. Denne struktur fremgår af fig Fig Mikrostruktur hos hypereutektoidt stål med 1% kulstof afkøle t under ligevægtsforhol d Legeringselementernes indflydelse I forrige afsnit blev der vist tilstandsdiagrammer for enkle bi - nære jern-kulstoflegeringer, men det blev samtidig omtalt, a t disse diagrammer ikke er helt præcise for kommercielle, teknisk anvendte legeringer. Hvis der er tale om mindre tillegeringer af f.eks. silicium (Si ) og mangan (Mn) op til ca. 1% og med et moderat indhold a f

48 urenheder, vil det kun medføre mindre ændringer af de tid - ligere viste diagrammer. De legerede stål, f.eks. rustfrie stål, har derimod helt anderledes tilstandsdiagrammer, og det er derfor nødvendigt at konstruere egne diagrammer for sådanne legeringstyper Klassificering af jern-kulstoflegeringer efte r legeringsmængde Alle kommercielle jern-kulstoflegeringer indeholder som sagt både tilsatte legeringselementer og mere eller mindre uønskede urenheder. Jern-kulstoflegeringerne blev i forrige afsnit klassificeret i henhold til kulstofindholdet, som anført i tabel 4.1. Tabel 4.1 Klassificering af jern-kulstoflegeringer i henhold til "/o kulstof Legeringstype % kulstof (% C) Hypoeutektoidt stål ca. 0,05-0, 8 Eutektoidt stål 0, 8 Hypereutektoidt stål 0,8-ca. 1.5 (2 ) Støbejern 2-4 Stålene er herudover traditionelt blevet klassificeret i forhol d til legeringsmængden, som beskrevet i tabel 4.2. Ændret klassificering af stållegeringer En europæisk standard (CEN-standard), som i november 1989 blev gjort til dansk standard under betegnelsen DS/E N 10020, har imidlertid ændret på denne traditionelle klassificering i forhold til legeringsmængden. Der er nu opstillet en grænseværdi for hvert af en lang række elementer jf. tabel 4.3. Stålet betragtes som legeret stål, hvis blot en af disse værdier er overskredet og i modsat fald som ulegeret stål. Desuden foretager standarden en opdeling i forskellige kvalitetsklasser, der dog ikke skal beskrives nærmere her. 48

49 Tabel 4.2 Klassificering af jern-kulstoflegeringer i henhold til det totale indhold af legeringselemente r Betegnelse for legeringstype Sammensætnin g Ulegeret stål 0,05-1,3% C. (blødt stål eller kulstofstål) Totalt max. 1-2% legerings - elementer + urenhede r Mikrolegeret stål Som ovenstående, dog med forhøjet indhold af mangan (op til 1,5%) samt op til 0,1 % af specielle legeringselementer såsom aluminiumnitrid, niobium, titan eller vanadiu m Lavtlegeret stål Højtlegeret stål Totalt legeringsindhol d ca. 2-5 % Totalt legeringsindhold over 5% De fleste stålforbrugere kender sandsynligvis bedre den 3. type klassificering, som er knyttet til anvendelsen eller til egenskaberne hos stålene. Klassificering af stål efte r anvendels e Nogle hovedgrupper herfra er : Konstruktionsstå l Maskinstål Automatstå l Fjederstål Rustfrie stå l Varmfaste stål Værktøjsstå l m.fl. Flere af disse anvendelsesgrupper kan tilhøre forskellige grupper i henhold til de først omtalte klassificeringer. 49

50 Tabel 4.3 Grænseværdier hos en række legeringselementer for klassificering af stållegeringer som legerede eller ulegered e Legeringselement Grænseværdi (vægt % ) Al Aluminium 0,1 0 B Bor 0,000 8 Bi Bismut 0,10 Co Kobolt 0,10 Cr Krom (1) 0,30 Cu Kobber (1) 0,40 La Lantaniderne (hver) 0,05 Mn Mangan 1,65 (3 ) Mo Molybdæn (1) 0,08 Nb Niobium (2) 0,06 Ni Nikkel (1) 0,3 0 Pb Bly 0,4 0 Se Selen 0,1 0 Si Silicium 0,5 0 Te Tellur 0,1 0 Ti Titan (2) 0,05 V Vanadium (2) 0,1 0 W Wolfram 0,1 0 Zr Zirkon (2 ) 0,0 5 Andre (undtagen kulstof, fosfor, svovl, kvælstof) (hver) 0,05 (1 ) Hvis elementerne er specificeret samlet for 2, 3 eller 4 stykker og har legeringsindhold mindre end de i tabel - len specificerede, da skal der til klassifikationen anven - des en grænseværdi for summen som svarer til 70% af summen af de enkelte grænseværdier. (2) Reglen anført under (1) finder anvendelse på denne gruppe elementer. (3) Hvis mangan kun er specificeret som en max. værdi, da er grænseværdien 1,80%, og 70% reglen gælder ikke. 50

51 Legeringselementernes art og betydning Der tilsættes en række forskellige legeringselementer til jern - kulstoflegeringer for at opnå nogle ønskede egenskaber. I modsætning hertil står urenhederne, som hidrører fra rå - materialerne og fra stålfremstillingen. Undertiden kan d e samme elementer være både urenheder og legeringselementer. De væsentligste urenheder i stål er fosfor, svovl, kvælstof, brint og ilt. Fosfor (P) : Fosfor er oftest uønsket, da det kan medføre koldskørhed, d.v.s. skørhed over for slagpåvirkninger ved lave temperaturer, som ligger inden for det almindelige anvendelsestemperaturinterval. Fosforindholdet hos konstruktionsstål skal derfor normalt holdes under 0,04%. Fosfor (P) Hos legerede sejhærdningsstål kan fosfor forårsage anløbningssprødhed ved et indhold over 0,015%. Fosfor øger tendensen til sejringer, hvad der udnyttes til a t lette den spåntagende bearbejdning hos automatstål. I diss e stål kan der således tilsættes af størrelsesordenen 0,1% fosfor. Fosfor tilsættes endvidere i højstyrkestål med op til 0,1%. Svovl (S) : Svovl er ligeledes oftest et uønsket element. Svovl Svovl (5) kan frembringe rødskørhed, hvis der dannes jernsulfider i stålet og kan på denne måde give anledning til varmrevner i materialet. Svovl har også en negativ effekt på svejse- og korrosionsegenskaber. Svovlindholdet begrænses normalt til 0,04% eller for ædler e stålkvaliteter til 0,03%. Svovl har samme spånbrydende effekt som fosfor, hvad de r udnyttes hos automatstål, hvor der tilsættes op til 0,35%. Kvælstof (N) : Kvælstof er en urenhed, som fremmer ståls Kvælstof (N ) ældningstilbøjelighed, d.v.s. tilbøjeligheden til at blive skør t over for slagpåvirkninger. Almindeligvis sættes den maximale grænse for indholdet a f kvælstof til 0,009%, men hvis stålet er beroliget med aluminium (Al), tillades op til 0,015% kvælstof, idet kvælstoffet bliver bundet som aluminiumnitridpartikler. Herved forhindres kvælstoffets skadelige virkning, og de dannede nitridpartikler medfører en dispersionshærdning af materialet. 51

52 Kvælstof er undertiden et tilsigtet legeringselement f.eks. ved den såkaldte nitrering, hvor der diffunderes kvælstof ind i overfladen for at skabe en glat og hård overflade. Brint (H ) Ilt (0) Kulstof (C ) Silicium (Si) Mangan (Mn) Brint (H) : Brint er normalt ikke en urenhed fra fremstillingen, men kan trænge ind i stålet i forbindelse med svejsning og visse korrosions- samt overfladebehandlingsprocesser. Herved kan der fremkomme en skadelig skørhed hos materialet, den såkaldte brintskørhed. Ilt (0): Der vil altid være ilt til stede i stålet under fremstil - lingen. Denne ilt søges bundet som metaloxider ved tilsætning af f.eks. silicium eller aluminium, hvorved stålet sige s at være beroliget. Hvis der er en stor mængde metaloxider i stålet, kan det medføre en forringelse af forskellige mekaniske egenskaber. Kulstof (C): Kulstoffet er som tidligere beskrevet det primære legeringselement i stållegeringer og støbejern. Kulstofindholdet har en afgørende betydning for en lang række meka - niske egenskaber, hvor der her blot skal peges på styrken. Jo større kulstofindhold des større styrke. En anden vigtig egenskab, svejsbarheden, er også afhængig af kulstofindholdet, og grænsen for ståls svejsbarhed sætte s normalt ved et kulstofindhold på ca. 0,22 % Silicium (Si): Silicium indgår i alt stål i større eller mindre koncentrationer, eftersom det både er en urenhed fra fremstillingen og et bevidst tilsat legeringselement. I beroliget (desoxideret) stål er der 0,1-0,5% Si, mens uberoliget stål indeholder mindre end 0,05%. Silicium kan også tilsættes i større mængder for at forøge styrken. Der vil dog samtidig ske et fald i materialets sejhed. I en række stål vil man således legere med 1-2% Si for at opnå forbedrede styrkeegenskaber, men svejsbarheden vil imidlertid herved kunne forringes. Fjederstål er eksempelvis legeret med op til 2% Si for at hæve flydegrænsen og for at modvirke tendensen til hærderevner. Silicium kan indgå i større koncentrationer (op til ca. 12%) i støbte emner, som skal være ild- og korrosionsbestandige. Mangan (Mn) : Mangan findes også som urenhed i alle stål, men er samtidig et vigtigt legeringselement. Mangan tilsættes i første omgang for at binde det svovl, so m naturligt findes i stålet. Herved dannes mangansulfider, som 52

53 er mindre skadelige end de jernsulfider, der ellers vil dannes. Mangan øger endvidere stålets styrke på tilsvarende vis so m kulstof, men uden at have negativ indflydelse på sejhede n og svejsbarheden. Manganindholdet ligger typisk i intervallet 0,1-2%, men i nogle specialstål indgår der langt større andel mangan, f.eks. mangan-hårdstål med 12-15% mangan. Aluminium (Al): Aluminium anvendes som desoxidationsmiddel på linie med silicium og for at forhindre ældningstilbøjelighed på grund af kvælstof. Der tilsættes normalt ku n en ringe mængde (0,01-0,05%). Krom (Cr): Krom tilsættes i relativt små mængder (op til ca. 2%) for at øge stålets styrke og hærdbarhed og i lidt størr e mængder (1-3%) for at forbedre ildbestandighed og krybe - styrke. I værktøjsstål tilsættes der betydeligt større mængde r (op til 12%) for at opnå bedre slidbestandighed og hærdbarhed. Men vigtigst er chroms egenskaber med henblik på forbedring af korrosionsbestandigheden. Ved indhold over 12 % fås de såkaldte rustfrie (eller rustfaste) stål, som kan indeholde op til 25% Cr. Nikkel (Ni) : Nikkel er ligeledes en vigtig bestanddel i rustfrie stål, hvor indholdet kan variere fra 0-25%. Nikkel indgår dog også som legeringselement hos mange andre stål. Nikkel kan forøge styrken og hærdbarhede n samt sænke omslagstemperaturen, hvorved risikoen for sprødt brud ved slagpåvirkning minimeres. Hos svejsbare konstruktionsstål kan der tillegeres me d 3,5-9% Ni. Indsætnings- og sejhærdningsstål legeres med op til 5% Ni. Mar-aging stål kan have op til 25% nikkel-indhold. Molybdæn (Mo) : Molybdæn kan medføre en forøgelse a f styrken og anvendes i små mængder (op til ca. 1%) i sej - hærdnings-, indsætnings- og værktøjsstål. Molybdæn forøger endvidere korrosionsbestandighede n hos rustfrie stål i syreholdige miljøer (indhold ca. 2-5% Mo). Kobber (Cu) : Kobber er en urenhed fra stålfremstillingen, men tilsættes også i små mængder, op til ca. 0,5%. Kobber forøger styrken og korrosionsbestandigheden. Tilsættes i lidt større mængder (2-3%) til specielle rustfrie stål til forbedrin g af korrosionsegenskaber. Aluminium (Al) Krom (Cr) Nikkei (Ni ) Molybdæn (mo ) Kobber (Cu) 53

54 Kobolt (Co) Vanadium (V ) Bor (B ) Wolfram (W) Kobolt (Co) : Kobolt øger stålets styrke og hårdhed. Disse forbedrede egenskaber er også gældende ved forhøjet temperatur. Kobolt anvendes med varierende procentindhold i forskellige stål, såsom hurtigstål (op til ca. 10%) og mar-aging stål (8-12%). Vanadium (V) : Vanadium forøger varmebestandigheden og styrken hos stål. Anvendes i konstruktionsstål, værktøjsstå l og hurtigstål i ganske ringe mængder (op til 0,3%). Bor (B): Bor tilsættes i ganske ringe mængder (0,001-0,005% ) primært for at forbedre hærdbarheden. Wolfram (W): Wolfram indgår i flere typer værktøjsstål, primært på grund af den forøgelse af hårdheden og slidbestandigheden, som opstår ved fremkomsten af wolframkarbide r i strukturen. Hurtigstål kan indeholde op til 19% W, mens en eventuel wolfram-tilsætning til koldarbejds- og varmarbejdsstål oftest kun andrager 1-5 % Herudover findes der en række øvrige legeringselementer, der oftest kun indgår med et ringe procentindhold me d henblik på forbedring af en eller flere egenskaber. I tabel 4.4 ses en skematisk oversigt over forskellige legeringselementers indflydelse på en række forskellige egenskaber hos stållegeringer. 54

55 Tabel 4.4 Forskellige legeringselementers indvirkning på en række materialeegenskabe r Egenskab C S i Mn P S Cr N i Mo Cu Al Trækstyrke Hårdhe d Flydespænding Forlængelse (+) (+) ( ) til 400 C + (+) indirekte (+) ++ (+) direkte Kærvslagstyrk e Kolddeformation Dybtræksevn e Smedelighe d Svejsbarhe d Rod- og varmeskørhe d Hærdbarhe d Varme - bestandighe d Kritisk afkølingshastighed Korrosionsbestandighe d Glødeskalsbestandighed + ++ (+) + Koldskørhe d (+ ) Udmattelses - (+) (+ ) (+) (+) (+ ) styrke som fo r som for som for som for C C C C + (+ ) + ( ) (+ ) + + betydelig egenskabsforstærkning Tomme felter : + egenskabsforstærkning ingen indflydelse eller ikke entydig (+) ubetydelig egenskabsforstærkning ( ) ubetydelig egenskabsforringelse Tabellen angiver kun en almindelig tenden s egenskabsforringelse betydelig egenskabsforringels e 55

56 4.4 Styrkeogningsmekanisme r I forbindelse med udnyttelsen af stålets egenskaber er ma n blandt andet interesseret i at opnå en høj styrke, uden do g derved at sætte andre egenskaber helt over styr. Jo højere styrke som indbygges i materialet, des mindre mængde materiale skal der anvendes i en given konstruktion, og de s større anvendelighed vil der være for materialet. Styrkeøgning er ikke altid ønsket Styrkeøgning kan imidlertid også fremkomme som en utilsigtet effekt under forskellige omstændigheder (f.eks. ældningsfænomener). Hvis den herved fremkomne styrkeøgning medfører en forringelse af andre egenskaber såsom materialets sejhed, er der tale om en uønsket ændring, der i værste fald kan medføre skader og havarier Mikroskopiske ændringer som baggrund for styrkeøgnin g Styrkeøgning er baseret på forskellige mikroskopiske ændringer i materialet. Det blev i afsnit omtalt, at kulstof har en afgørende indflydelse på styrken hos forskellige stål - legeringer. Dette skyldes, at fremmedatomer i fast opløsning i et basismetal vil deformere krystalgitteret hos basismetallet. Når krystalgitteret er deformeret, vil de tidligere omtalte gitterfejl, dislokationerne (jf. afsnit 4.1.4), have vanskeligere ved at bevæg e sig igennem gitteret, og netop dislokationernes bevægelighed gen - nem gitteret har stor betydning for materialets deformationsevne o g dermed for styrken. Alle former for begrænsninge r af dislokationernes bevægelig - hed vil have en styrkeøgende effekt Det er således generelt gældende, at alle former for begrænsninger af dislokationernes bevægelighed vil have en styrkeøgende effekt. Ud over fremmedatomer i fast opløsning vil dette også være gæl - dende for udskilte nye faser, for korngrænser og for punktfejl i gitte - ret, de såkaldte vakancer. Den konkrete styrkeøgende effekt afhænger af flere forhold ve d den pågældende mekanisme. Størrelsen, mængden, fordelingen o g formen af de omtalte fremmede faser i stålet vil f.eks. have en afgørende rolle for den faktisk opnåede styrkeøgning. I det følgende skal en række forskellige metoder til styrkeøgning beskrives i relation til de her omtalte mikroskopisk e ændringer. 56

57 Styrkeøgning ved legering/opløsningshærdning Styrkeøgning ved legering betegnes også opløsningshærdning, og denne mekanisme er en vigtig forudsætning fo r den tekniske interesse for legeringer frem for rene metaller. I afsnit blev det beskrevet, hvorledes fast opløsning ka n foregå enten som erstatningsatomer eller som indskudsatomer i basismetallets krystalgitter. Indskudsatomer, som kendes fra kulstofatomer i jern, medfører normalt en større styrkeøgning hos basismetallet, en d det er tilfældet med erstatningsatomer. Men som tidligere omtalt er det kun små atomer, der kan optræde som indskudsatomer, og styrkeøgningen bliver nor - malt begrænset af en ringe opløselighed. Eksempelvis kan der kun opløses 0,006-0,008% kulstof i a-jern ved stuetempe - ratur, så den styrkeøgende effekt herfra må betragtes som uvæsentlig. Der findes dog en anden gitterstruktur, som kan indeholde mere kulstof i fast opløsning ved stuetemperatur, og so m derved kan opnå en større styrke. Denne struktur betegnes martensit og omtales nærmere i af - snit om faseomdannelser (hærdning). Indskudsatomer medfører størr e styrkeøgning end erstatningsatome r Martensit er en gitterstruktur, som kan opløse en større ande l kulsto f Styrkeøgning ved legering kan som nævnt også fremkomm e ved fast opløsning i form af erstatningsatomer. Denne styrkeøgning er langt mere almindelig for metallerne, bortset fr a kulstof i jern, og den er gældende for legeringer såvel me d fuld opløselighed som med begrænset opløselighed i fast fase. Fuld opløselighed ses hos en række legeringssystemer, der ikke finder stor kommerciel anvendelse. Som eksempel kan dog nævnes kobber-nikkellegeringer, hvor styrken øges so m funktion af nikkelindholdet indtil et maximum ved et indhold på ca. 60% nikkel. Ved større andel nikkel vil man betragte det som en nikkellegering med opløst kobber, og derfor vil styrken naturligvis falde med aftagende andel kobber. Disse forhold ses illustreret i fig Begrænset opløselighed er væsentligt mere almindeligt og optræder hos en lang række forskellige metaller. Der er såle - des en del metaller såsom silicium (Si), mangan (Mn), molybdæn (Mo) og krom (Cr), der kan gå i fast opløsning i jern som erstatningsatomer. Men der er en begrænset opløselig- Fuld opløselighed i fast fase e r ualmindeligt Begrænset opløselighed i fast fase er mere almindeligt for metal - lern e 57

58 hed, som er betinget af forskellene på atomernes størrelse. Generelt er opløseligheden stor, hvis atomernes størrelse e r næsten ens. På den anden side bliver den styrkeøgende effekt større, hvis der er stor forskel på atomernes størrelse. E t eksempel på den styrkeøgende effekt af en række forskellig e elementer i jern som funktion af mængden af opløst materiale ses på fig N MPa % m m basismetal i jern (1,24 ) _ B~udforlæ~~ v v 20 E ~ 10 0 ö % Nikke l Fig Variation af trækstyrken og brudforlængelsen som funktion af nikkelindholdet hos kobbernikkellegeringer (ref. 4) ,176,(1,12) p1 c ~ 100 _ Mo (1,36) C r (125), å -a LL atom % Koncentration af opløste atome r Fig Den styrkeøgende effekt (mål t som forøgelsen af flydespændin - gen Re) af forskellige erstat - ningsatomer i jern. Tallene i parentes angiver atomernes radius (målt i en enhed betegnet ångstrøm = m ) (Ref. 1 ) En ny fase medfører ofte en relativt stor styrkeøgning Styrkeøgning ved legering/faseudskillels e Det er som omtalt kun et relativt begrænset antal legerings - systemer, som indeholder fuld opløselighed mellem de 2 elementer. Når opløselighedsgrænsen overskrides, sker der en udskillelse af en ny fase eller af en intermediær forbindelse (so m f.eks. cementit). Fremkomsten af en ny fase medfører ofte en relativt stor styrkeøgning i forhold til den styrkeøgning, som var resultatet af opløsningshærdningen, jf. foregående afsnit. Men begge mekanismer bidrager til den totale styrke, som metal - lerne opnår ved legering. 58

59 Et eksempel på hvorledes udskillelsernes størrelse indvirker på styrken (eller rettere hårdheden, som er proportiona l med styrken) ses på fig Ferrit med udskillelser af grovlamellar perlit (d.v.s. relativ t store udskillelser) medfører ringere styrke end ferrit me d finlamellar perlit (relativt små udskillelser). Indflydelsen fra faseudskillelsernes form er eksemplificeret i figurerne 4.31 og 4.32, hvor henholdsvis hårdheden og slagsejheden er afbildet for 2 udskillelsesformer, dels perlit, hvor cementitten har en lamelform og dels sfæroidit, hvo r cementitten har kugleform. H B 40 0 H B w s 200 a ~ grov-perlit % C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, 0 % Fe 3 C Sammensætnin g Fig Indvirkningen af faseudskillelsernes størrelse (grov perlit kontr a fin perlit) på hårdheden (Ref. 7) 20 0 Sfæroidi t % C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 % Fe 3 C Sammensætnin g 1, 0 Fig Indvirkningen af faseudskillelsernes form (lamelform kontr a kugleform) på hårdheden (Ref. 7) I 1 I %C 0 0,2 0,4 0, 6 % Fe 3C Sammensætning 0,8 12 Fig Indvirkningen af faseudskillelsernes form (lamelform kontra kugleform) på slagenergie n (slagsejheden) (Ref. 7) 1, Styrkeøgning ved kolddeformation (deformationshærdning ) Deformationshærdning er en velkendt styrkeøgningsmekanisme, der finder stor industriel anvendelse (f.eks. koldvalsning, trådtrækning, koldflydepresning) for metaller og legeringer, der ikke kan hærdes ved varmebehandling. Deformationshærdning fremkommer, fordi dislokationerne, som op - står i stort antal ved deformationen, vekselvirker under dannelse a f de såkaldte hak i gitterstrukturen. Disse hak modvirker dislokationernes bevægelse på lignende måde, som fremmedatomer og ny e udskilte faser gør det. 60

60 Der er 2 hovedtyper af 2-fase mikrostrukturer. Disse kan betegne s som henholdsvis aggregat-typen og dispersions-typen. Aggregat be - tyder sammenhobning eller sammenklumpning og anvendes om faseudskillelser, der samler sig i klumper på størrelse med basismetal - lets kornstørrelse. Denne type faseudskillelse spiller en stor rolle for f.eks. stål (perlit i en ferrit-matrix) og for messing (ß-messing i en matrix af a-messing). Den anden type 2-fase struktur bliver som nævnt betegnet dispersions-typen. Dispersion betyder spredning og anvendes om faseudskillelser, de r ligger tilfældigt fordelt i matrix-materialet, og hvis størrelse er væ - sentligt mindre end matrix-materialets kornstørrelse, undertiden helt ned til submikroskopiske størrelser (d.v.s. < 1 µm). Faseudskillelser af dispersionstypen spiller en vigtig rolle i mang e legeringssystemer og behandles efterfølgende i afsnittene om mod - ningshærdning (afsnit 4.4.7) og dispersionshærdning (afsnit 4.4.8). Styrkeøgning ved faseudskillelser har, som det fremgår, e n meget væsentlig betydning for kommercielle legeringer. Faseudskillelsernes størrelse, form, antal og fordeling spille r en vigtig rolle for den aktuelle styrkeøgning og for en rækk e øvrige mekaniske egenskaber. Et eksempel herpå ses i figurerne 4.27, 4.28 og 4.29, som viser, hvorledes mængden af faseudskillelserne cementit og perlit i stål indvirker på egen - skaber som styrke, duktilitet (brudforlængelse og indsnøring) og slagsejhed. Faseudskillelsernes størrelse, form, antal og fordeling spille r en vigtig rolle for den aktuell e styrkeøgnin g MP a 1380 = Ferrit ~--+ perlit ICementi t + perlit 136 Ferrit perlit Icementit perlit 690 Ferrit ementit + + perlit, perlit - 0 i % C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, 0 % Fe3 C % PerlitO Sammensætning Fig Indvirkningen af faseudskillelserne cementit (Fe 3 C) og perli t på trækstyrken og flydespændingen (Ref. 7) Ü! Y o - 0 % C 0 0,2 0,4 0,6 0, 8 % Fe3 C % Perlit Sammensætning 1, Fig Indvirkningen af faseudskillelserne cementit (Fe 3 C) og perli t på brudforlængelsen og indsnøringen (Ref. 7) -0 L~ ~ N 68 0 i C 0 0,2 % Fe3 C 0 3 %Perlit ,4 0,6 0,8 1, Sammensætning Fig Indvirkningen af faseudskillelserne cementit (Fe 3 C) og perlit på slagenergien (slagsejheden ) (Ref. 7) 59

61 Generelt er deformationshærdningen ringere for metalle r med hexagonalt krystalgitter (HCP) end for metaller me d kubiske krystalgitre (BCC og FCC). Det gælder endvidere, a t deformationshærdningen formindskes med øget temperatur. Kolddeformation medfører også ændringer af andre mekaniske egenskaber, som det fremgår af fig Fig Variationen af forskellige meka - niske egenskaber som funktion a f kolddeformationsgraden (Ref. 8) % Kolddeformationsgrad Endvidere indvirker kolddeformationsgraden på nogle fysiske egenskaber såsom elektrisk ledningsevne (fald), termis k udvidelseskoefficient (lille stigning) og densitet (lille fald), og der kan også fremkomme en reduktion af korrosionsbestandigheden hos det kolddeformerede materiale. Kolddeformation medføre r ændringer af mekaniske o g fysiske egenskabe r Man skal være opmærksom på, at opnåede forbedrede styrkeegenskaber ved kolddeformation vil forsvinde ved glødning (rekrystallisation, jf. afsnit 4.5.4). Styrkeøgning ved deformationsældning Deformationsældning er en styrkeøgningsmekanisme, so m normalt er utilsigtet, idet den kan opstå i kolddeformere t materiale efter nogle måneders lagring ved almindelige temperaturer. Hastigheden for styrkeøgningen er meget temperaturfølso m og kan ske på meget kort tid (sekunder) ved forhøjet temperatur (3-400 C). Ældningen er som nævnt normalt utilsigtet og endvidere ofte uønsket, da der sammen med styrkeøgningen sker et fald i duktiliteten, d.v.s. materialet bliver skørt. 61

62 Styrkeøgningen hidrører fra tilstedeværelsen af kvælstof- og kulstof - atomer placeret som indskudsatomer i gitteret. Ved kolddeformatio - nen er der dannet et stort antal nye dislokationer, og det tager no - get tid, før kvælstof- og kulstofatomerne ved diffusion har bevæget sig hen for at fastlåse disse nye dislokationer. Kvælstof spiller en vigtig rolle for deformationsældnin g Tilsigtet styrkeøgning ved defor - mationsældning betegne s»bake-hardening «Kvælstof spiller en større rolle end kulstof for deformations - ældningen, og effekten kan derfor undgås enten ved at minimere kvælstof-indholdet i stålet (<0,01%) eller ved at tilsætte andre elementer, der binder kvælstof som kemiske forbindelser. Til det sidstnævnte formål kan tilsættes f.eks. aluminium, vanadium, titan eller bor. Selv om deformationsældning normalt er en utilsigtet styrkeøgning, så har man i de senere år påbegyndt en tilsigte t anvendelse af effekten. Processen betegnes»bake-hardening«eller»bake-strengthning«, d.v.s. bage-hærdning, altså Fig Styrkeøgningens afhængighe d af graden af fordeformation i forbindelse med»bake-hardening«. Styrken er her målt som flydespænding (Ref. 9) MPa 400 _ 350 Efter varmebehandlin g (170 C x 20 min.) 300 _ Før varmebehandlin g 250 _ 0 2 Fordeformatio n hærdning ved opvarmning til relativt lave temperaturer. Den styrkeøgning, som kan opnås, afhænger af fordeformationen, hvad der fremgår af fig Styrkeøgning ved kornforfining Det er tidligere blevet omtalt, at korngrænser fungerer som barrierer mod dislokationernes bevægelse og derved medfører styrkeøgning. En reduktion af kornstørrelserne resulterer i en større andel korngrænser pr. volumenenhed, og det er derfor, at man ta - ler om styrkeøgning ved kornforfining. 62

63 Små kornstørrelser kan opnås ved størkneprocessen, men mere almindeligt opnår man kornforfining ved varmebehandling. Den mest anvendte varmebehandlingsmetode i den forbindelse er normalisering, der omtales i større detalj e i afsnit Kornforfining ved varme - behandlin g Kornstørrelserne kan også i nogen udstrækning styres ve d procesparametrene (termomekaniske parametre) i forbindelse med varmvalsning af slutproduktet ved stålfremstillingen. En udbredt metode til styring af kornstørrelser er ved hjæl p af mikrolegeringselementer, hvorved man opnår de såkaldt e finkornsstål eller mikrolegerede stål. Oprindeligt anvendte man aluminiumnitrid og vanadium som finkorn-dannere, men senere udvidede man med elementer som niob og titan. Vanadium, niob og titan kan ud over finkornseffekten danne karbider og på denne måde også give en styrkeøgning ved modningshærdning (udskillelseshærdning) eller dispersionshærdning, der omtales i følgende afsnit. Kornstørrelsen kan styres ve d legerin g Den kombinerede styrkeøgende effekt af kornforfining o g modningshærdning er et væsentligt element for nogle af d e nyere højstyrkestål som betegnes HSLA-stål (»High Strength Low Alloy«). Styrkeøgning ved modningshærdnin g (udskillelseshærdning ) Modningshærdning blev tidligere kort berørt i afsnit om styrkeøgning ved legering/faseudskillelser. Det drejer sig som nævnt om faseudskillelser af dispersions - typen, d.v.s. små, tilfældigt fordelte udskillelser. Når disse udskillelser er opløselige i grundmaterialet ved forhøjet temperatur, betegnes effekten udskillelseshærdning eller modnings - hærdning. Når udskillelserne er uopløselige eller næsten uopløseli - ge ved alle temperaturer betegnes styrkeøgningen som en disper - sionshærdning, se afsnit En forudsætning for modningshærdning er, at udskillelserne har fal - dende opløselighed med faldende temperaturer. Modningshærdning er en af de vigtigste styrkeøgende mekanismer for en række aluminium-legeringer, men anvende s som før omtalt også i forbindelse med de mikrolegerede stål Modningshærdning har stor be - tydning for forskellige aluminium- legeringe r 63

64 og HSLA-stålene for såvidt udskillelserne er de opløselige vanadiumkarbider. En anden ståltype, hvor styrken er baseret på udskillelses - hærdning, er de såkaldte mar-aging stål, der har et stort ind - hold af nikkel, molybdæn og kobolt. Flere forskellige intermetalliske forbindelser medfører udskillelseshærdningen hos mar-aging stål. Endvidere findes der blandt de rustfrie stål en type legeringer, hvis styrke er baseret på udskillelseshærdning (de udskillelseshærdende rustfrie stål) Dispersionshærdning er næste n identisk med udskillelseshærdnin g Styrkeogning ved dispersionshærdnin g Dispersionshærdning er identisk med udskillelseshærdning bortset fra, at udskillelserne har ingen eller ringe opløselighed ved alle temperaturer. Nogle mikrolegerede stål eller HSLA-stål har opnået en del af dere s styrke ved dispersionshærdning, eftersom en række af udskillelsern e såsom niobium- og titan-karbider og -nitrider har ringe opløselighe d ved alle temperaturer. Dispersionshærdning er i øvrigt ikke særlig relevant for stållegeringer Styrkeogning ved fiberforstærknin g Styrkeøgning ved hjælp af indlejring af højstyrkefibre i en metal - grundmasse har været afprøvet i mange år, men inden for stålområdet har der ikke været så overbevisende resultater, at det har mulig - gjort en fremstilling af kommercielle legeringer. Derimod findes der fiberforstærkede aluminiumlegeringer på mar - kedet Styrkeøgning ved faseomdannelse I afsnit blev det omtalt, at stål under visse omstændigheder kan overgå til en anden gitterstruktur, martensit, som kan indeholde en større mængde kulstof i fast opløsning, end det er muligt for den generelle rumcentrerede gitterstruktur hos a-jern. Resultatet af denne større opløselighed er en markant styrkeøgning. 64

65 Martensit- dannelse er en generel betegnelse for en diffusionslø s omdannelse fra en højtemperaturfase (en -y-fase) til en martensitfase. Da omdannelsen er diffusionsløs foregår den øjeblikkeligt under en given temperatur (martensit-start temperaturen Ms), d.v.s. omdannelsen sker med lydens hastighed. Man kan populært si - ge, at krystalgitteret klapper om fra den ene til den anden type. Omdannelsen sker imidlertid ikke for hele -y-fasen ved den sam - me temperatur. Visse områder kræver en lavere temperatu r (<Ms), før omdannelsen finder sted, og først når temperature n kommer ned på M f-temperaturen (martensit-sluttemperaturen), er hele -y-fasen overgået til martensit. Martensit-dannels e sker ude n tidsafhængig diffusio n Martensit-dannelse kendes fra en række legeringssysteme r såsom kobber-aluminium, kobber-guld og jern-nikkel, me n den kendes primært fra jern-kulstofsystemet, hvor omdannelsen som sagt medfører en markant styrkeøgning i kraft a f en større mængde kulstof i fast opløsning. I stål betegnes omdannelsen som en hærdning, og denne opnås ved en hurtig afkøling (bratkøling) fra højtemperatu r y-fasen (for stål betegnet austenit). Den aktuelle styrkeøgning, som opnås ved martensit-dannelsen, er afhængig af kulstofindholdet i -y-fasen, som det fremgår af diagrammet, i fig Martensit-dannelse hos stållegeringer betegnes hærdnin g HV HR C Fig Hårdheden hos forskellige mikrostrukturer som funktion a f kulstofindholdet (Ref. 8) ~ r Perlit (luftkølet) r v 3 5færoidit Y ö % Kulstof - indhold Hærdningen af stål har primært betydning for legeringe r med mere end 0,2% kulstof. Start- og slut-temperaturen for martensit-dannelsen (Ms og Mf) er kun afhængig af legeringens sammensætning og kan bestemmes ved erfaringsmæssigt fastlagte ligninger. Hærdningen af stål har primært betydning for legeringer me d mere end 0,2% kulsto f 65

66 Hærdning af stål kan udføres på mange forskellige måder, og der findes flere forskellige hærdningsvarianter som f.eks. bainithærdning, der dog er en diffusionsafhængig proces i modsætning til martensit-hærdningen. Da hærdning er en varmebehandling, vil den blive nøjere beskrevet i kapitel 4. 5 om varmebehandling. Styrken hos DP-stål er baseret på faseomdannelse Afslutningsvis skal det blot omtales, at styrkeøgning ved fa - seomdannelse bliver anvendt ved fremstillingen af en ny type højstyrkestål, betegnet DP-stål (»Dual Phase steel«, d.v.s. 2-fase stål). Disse stål fremstilles ved bratkøling fra et højtemperaturområde, hvor der både optræder ferrit og austenit i strukturen. Ved bratkølingen omdannes austenitten til martensit, og der fremkommer således en 2-fase struktur med martensit o g ferrit. Disse stål har god formbarhed ud over den store styrke Varmebehandling En varmebehandling kan defineres som en proces, ved hvilken et metal eller en legering gennemløber en eller flere op - varmninger (temperatur under smeltepunktet) med efterfølgende afkølinger med henblik på at opnå en række ændringer af materialeegenskaberne. Udtrykket varmebehandling omfatter dog normalt ikke formgivningsprocesser eller bearbejdningsprocesser, som udføres i varm tilstand, med mindre der er tale om kombinerede processer Flere af de styrkeøgende mekanismer, som blev omtalt i afsnit 4.4, fremkommer i praksis i forbindelse med en varme - behandling. Det er imidlertid ikke blot styrken (d.v.s. træk- styrken), som man kan ændre ved en varmebehandling. Flere andre egenskaber kan påvirkes ved forskellige typer varmebehandling. Som eksempler kan nævnes duktiliteten, slagsejheden, udmattelsesstyrken, krybestyrken, slidbestandigheden og korrosionsbestandigheden. Mange egenskaber ændres ved varmebehandling Formålet med varmebehandlin g Disse egenskaber ændres, fordi varmebehandlinger indvir - ker på metallernes og metallegeringernes mikroskopiske o g submikroskopiske strukturer. 66

67 Et andet vigtigt formål med varmebehandling er at fjerne uønskede restspændinger i materialet. Restspændinger kan opstå i forbindelse med plastisk bearbejdning, varmebehandling, svejsning, støbning m.m. og må derfor betegne s som et generelt fænomen. Restspændinger kan føre til en reduktion af udmattelsesstyrken samt en forringet dimensionsstabilitet, og det kan derfor være aktuelt at foretage e n afspændingsglødning af materialet. Varmebehandling kan fjern e restspændinge r I den indledende definition af varmebehandling blev formgivnings- og bearbejdningsprocesser i varm tilstand undtaget, da formgivningen/bearbejdningen vurderes at være det primære formål. I visse situationer kombinerer man imidlertid formgivnin g og varmebehandling for at få bedre kontrol over slutproduktets mekaniske egenskaber og for at rationalisere processerne. Disse termo-mekaniske processer må betragtes som e n variant af almindelige varmebehandlingsprocesser. Termo-mekaniske processer kombinerer varmebehandlin g og formgivnin g Faseomdannelser og faseomdannelsesdiagrammer En del varmebehandlinger af stål medfører faseomdannelser, eftersom der opvarmes til austenit-området, der fremgå r på tilstandsdiagrammet i fig i afsnit som område t over linierne betegnes A3 og A c,,,. Denne faseomdannelse betegnes austenitisering, og herfr a kan der opnås en ønsket struktur i materialet ved et styre t afkølingsforløb. Der findes 2 diagramtyper, som viser forløbet eller en del af forløbet ved disse omdannelser. Den ene diagramtype betegnes TTT- diagrammer, hvor TTT er en forkortelse af de engelske ord : Time - Temperature - Transformation (tid - temperatur - omdannelse). Disse diagrammer viser den tid, det tager at omdanne underafkølet austenit ved en konstant temperatur (isoterm omdannelse), samt hvilken omdannelsesstruktur, man kan forvente. TTT- diagrammer viser isoter m omdannels e 67

68 Et eksempel på et TTT-diagram for et ulegeret stål med eutektoid sammensætning (ca. 0,8% kulstof) ses i fig Fig TTT-diagram for et eutektoidt stål med 0,76% Mn o g med en austenitiseringstempera - tur på 900 C (Ref. 4) Temperatur, C 800 _ Austenit (y) _ (y) + Martensit sekunder minutte r time r De to krumme kurver angiver start for omdannelse (=1 % a f strukturen omdannet) og slut for omdannelse (- 99% af struktu - ren omdannet). De dannede strukturer ved de forskellige temperaturer fremgår til højre på diagrammet, hvor det også er anført, hvilken hård - hed det pågældende strukturelement typisk har. Det ses, at der er nævnt 5 strukturelementer : grovperlit, finperlit, øvre bainit, nedre bainit og martensit. 68

69 Mikrostrukturen perlit blev nøjere beskrevet afsnit Betegnel - serne»grov«og»fin«refererer til afstanden mellem strukturens la - meller. Hos finperlit kan det være vanskeligt at skelne de enkelte la - meller ved lysoptisk mikroskopi. Dannelsen af finperlit sker ved e n temperatur meget tæt på»næsen«af kurven i fig Perli t Ligesom perlit er bainit dannet ved eutektoid omdannelse fra austenit. Bainitstrukturer dannes ved temperaturer under C og består af faserne ferrit og cementit i bestemte mønstre, som ikke e r lameller. Øvre bainit dannes normalt i temperaturintervallet C som parallelle stavformede ferritudskillelser og mellem - liggende pladeformede cementitudskillelser. Strukturen betegne s som»fjer-lignende«. Øvre baini t Nedre bainit, som har noget større styrke end øvre bainit, danne s ved temperaturer under ca. 350 C. Cementitudskillelserne har he r mere form som tynde nåle (eller snarere linseformede i 3-dimensional forstand). Nedre bainit Martensit har været omtalt i afsnit Denne struktur fremkom - mer som før nævnt ved diffusionsløs omdannelse i modsætning ti l perlit- og bainitomdannelserne, der sker ved kimdannelse og diffusion. Strukturens udseende minder på mange måder om nedre bainit og kan være vanskelig at skelne herfra. Martensi t På TTT-diagrammet i fig er der kun indtegnet en linie (M s) for starten på martensit-omdannelse, mens der ikke er nogen tilsvarende linie (M f) for fuld (dvs. 99%) omdannelse. For hypereutektoide stål ligger M 1-linien under stuetempera - tur, dvs. at der vil være en mindre andel uomdannet austenit i strukturen. Denne austenit betegnes restaustenit, og volumenandelen af denne bestanddel er afhængig af legeringens kulstofindhold, som det fremgår af fig Uomdannet austenit betegne s restausteni t Selv hypoeutektoide stål med kulstofindhold ned til ca. 0,3 % kan have en mindre andel restaustenit, og endvidere vil austenitforekomst være stabiliseret af høje hærdetemperaturer (dvs. austenitiseringstemperaturer), langsom afkøling under M s-temperaturen samt eventuel afbrydelse af afkølingen før M s-temperaturen (trinhærdning). 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 vægt % Kulstof-ind hol d Fig Andel restaustenit som funktio n af kulstofindholdet (Ref 10) 69

70 Restaustenit forringer stålets hårdhed (og hermed styrken), men effekten er afhængig af den aktuelle volumenande l restaustenit. TTT-diagrammet i fig var for et eutektoidt stål. For hypo- og hypereutektoide stål har diagrammerne typisk et udseende som vist på figurerne 4.38 og C HRC å 47 ~ r 100 Y 3 58 ace' 0, se k mi n time r Fig TTT-diagram for et hypoeutektoidt stål med 0,54% C (Ref. 1) C HR C Bainit - 51 v < ø 62 t 100 3Y 65 z 0, se k mi n time r Fig TTT-diagram for et hypereutektoidt stål med 1,13% C (Ref. 1 ) Det ses, at der på begge disse diagrammer er en ekstra kurve over»næsen«. Disse kurver viser udskillelser af henholdsvis ferrit og cementit, som fremkommer før de eutektoide om - dannelser til perlit og bainit. Disse udskillelser betegne s henholdsvis proeutektoid ferrit og proeutektoid cementit (sekundær cementit). For det hypoeutektoide stål (fig. 4.38) ses det, at der ved isoterm omdannelse ved 600 C fremkommer både proeutektoid ferrit og perlit. Ved lavere temperaturer kan der dannes udelukkende perlit eller bainit. Tilsvarende gælder for hypereutektoide stål med hensyn til proeutektoid cementit, dog vil det her være vanskeligt helt at undgå proeutektoid cementit selv ved meget hurtige afkølinger. Disse proeutektoide udskillelser finder sted i de oprindelig e austenitkorngrænser. 70

71 TTT-diagrammerne forandrer udseende ved legering me d forskellige elementer. Alle legeringselementer undtagen kobolt forsinker austenitomdannelsen, både tiden før omdannelsen starter og tiden, som omdannelsen varer. Nogle legeringselementer, såsom krom, molybdæn og silicium vil give en differentieret forsin - kelse af omdannelsen til henholdsvis perlit og bainit, hvor - ved der fremkommer 2 adskilte»næser«på kurverne. TTT- diagrammerne forandre r udseende ved legering med forskellige elemente r Disse forhold er illustreret i figurerne 4.40 og 4.41, som del s viser den generelle, ensartede forsinkelse af austenit-omdannelsen ved tillegering med nikkel og dels viser de adskil - te perlit- og bainitnæser ved tillegering med krom. TTT-diagrammer er i princippet kun anvendelige, når der e r tale om isoterme omdannelser fra austenitfasen (i underafkølet tilstand), dvs. at tiden inden omdannelse skal være ti l strækkeligt lang til at sikre etableringen af en konstant o g ensartet temperatur i det emne, som skal varmebehandles. Dette kræver emner med små godstykkelser samt afkøling i et saltbad eller i et bad af smeltet metal. Isoterm omdannelse kræver sm å godstykkelser og langsom afkølin g Langt de fleste varmebehandlinger foregår med kontinuer t afkøling i luft, olie eller vand, og man kan derfor kun me d forbehold anvende TTT-diagrammer til skematisk illustration af sådanne afkølingsforløb. Der er imidlertid konstrueret en diagramtype, som kan an - vendes til kontinuerte afkølingsforløb. Denne type betegnes CCT-diagram (Continous-Cooling - Transformation diagram). CCT-diagrammer anvendes ti l kontinuerte afkølingsforløb Et eksempel på et CCT-diagram for et hypoeutektoidt stål e r vist i fig Der ses at være en vis lighed med TTT-diagrammet, idet der stadig er veldefinerede linier, som angive r start og slut på omdannelse til forskellige strukturer, såso m ferrit (F), perlit (P), bainit (B) og martensit (M). Da omdannelserne ikke foregår isotermt, følger man ikke vandrette li - nier for at finde frem til omdannelsesstrukturen. Derimo d følger man de indtegnede krumme afkølingslinier. De forskellige linier markerer forskellige afkølingshastighe - der, og linien til venstre svarer til den største afkølings - hastighed. 71

72 800 a) ca. 0,6% C, 0,3% Mn og 2,0% N i A 700 A A : austenit F : ferrit C : cementit M : martensi t 300 0,5 1 2 Tid i sekunder min. 1 tim. 1 døgn ug e i i i, _ b) ca. 0,6% C, 0,3% Mn og 3,9% N i A3 A, A A A+F+C 400 A F+ C 300 M 5 M 5 0 M 9 0 ö. E a) 0 0,5 1 2 Tid i sekunder min tim. 10 i døgn 1 ug e Fig Typisk ændring (fra a til b) af TTT-diagram ved forøget indhold af nikkel (Ref. 11 ) 72

73 a) ca 0,4% C, 0,4% Mn og 0,6% C r A ~, ~ ~, ~ ~ A+F+C, _ ~ -, Perli t F+ C A: austeni t F : ferri t C : cementit M : martensi t ` M 50% ---- A s ---.f- - - M s o M 90 Baini t min. 1 tim. 1 døgn 1 ug e 0, Tid i sekunder 80 0 b) ca 0,5% C og 3,1% C r P 20 0 D ~a E, ~ 0 0, Tid i sekunder Fig Typisk ændring (fra a til b) af TTT-diagram ved forøget indhold af krom (Ref. 11 ) 73

74 Fig CCT-diagram for et hypoeutektoidt stål med indtegnede afkølingslinier (Ref. 1 ) se k mi n timer Det ses, at linierne ofte fører igennem flere faser (F, P, B, M), og dette indikerer, at slutstrukturen indeholder alle de faser, som linien går igennem. Procentfordelingen mellem de enkelte faser fremgår af tallene på linierne, og den resulterende hårdhed hos materialet ved stuetemperatur er angivet for - neden på diagrammet ved afslutningen af afkølingslinierne. Fig (Modstående side ) Eksempel på CCT-diagramme r for samme legering, men med forskellige austenitiseringstemperaturer fra det tyske standard - værk :»Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle«Faseområdernes placering på CCT-diagrammet er selvfølgelig afhængig af stållegeringens sammensætning, men herudover vil der også være forskelle betinget af austenitiseringstemperaturen og holdetiden. Sidstnævnte parametre har indflydelse på austenitkornstørrelsen, forekomst af uopløste karbider samt omdannelsestiden fra austenit til ferrit og perlit ved givne temperaturer. 74

75 Chemisch e Zusammensetzung C Si Mn P S Cr Cu Mo N i 0,22 0,25 0,64 0,01 0 0,011 0,97 0,1 6 0,2 3 0,3 3 V < 0,0 1 Austenitisierungstemperatur 875 C (Haltedauer 10 min) aufgeheizt in 2 mi n A Bereich des Austenit s F Bereich der Ferritbildun g P Bereich der Perlitbildung Zw Bereich der Zwischenstufe n Gefügebildun g M Bereich der Martensitbildun g 'qv- Austenitisierungstemperatur 1050 C (Haltedauer 10 min) aufgeheizt in 2 mi n #P'w Ac3 Ad 50 0 Z 40 0 I R A Bereich des Austenit s F Bereich der Ferritbildun g 00 P Bereich der Perlitbildun g Zw Bereich der Zwischenstufe n Gefügebildung M Bereich der Martensitbildun g 0 Härtewerte in HRc bzw.hv ~' r r ,-2....Gefügeanteile in % 1 0 Sekunden Minuten Zeit Stunde n 75

76 CCT-diagrammernes udseend e varierer Da disse forhold kan have en relativt stor indflydelse på diagrammernes udseende, skal man være forsigtig med anvendelsen af diagrammerne, hvis legeringssammensætningen og austenitiseringstemperaturen afviger fra de data, som diagrammet er bygget op over. I fig ses eksempler på 2 CCT-diagrammer med forskellige austenitiseringstemperaturer. Afkølingshastighed afhænger a f afkølingsmediet og emne - dimension De afkølingshastigheder, som kan opnås ved praktiske varmebehandlinger afhænger af afkølingsmediet og emnets dimension. I fig ses afkølingskurver af et rundstål med 95 mm i forskellige medier. Fig Afkølingskurver for Ø 95 mm rundstål på henholdsvi s overfladen og midten af stange n og med forskellige afkølingsmedier:_ vand, olie, luft (Ref. 1) oc Tid (sekunder) Ved kobling mellem relevante afkølingskurver og CCT-diagrammerne kan der opnås kendskab til, hvilke fareomdannelser som vil finde sted under en given afkøling Varmebehandlinger ved temperaturer ove r austenitiseringstemperature n TTT- og CCT-diagrammer er af stor betydning til illustratio n af de metallurgiske forhold ved varmebehandlinger, der in - debærer opvarmning til og afkøling fra austenitområdet. Selv om TTT-diagrammer som anført forudsætter isoterm omdannelse, vil denne diagramtype i det følgerade blive an - vendt også i forbindelse med kontinuert afkøling for at illustrere principperne bag forskellige varmebehandlinger. 76

77 De fælles elementer for disse varmebehandlinger er en opvarmning til austenitområdet, en vis holdetid i dette temperaturområde, afkøling i egnet afkølingsmedie i et trin ti l stuetemperatur eller i flere trin via en holdetid ved en mellemtemperatur (isoterm omdannelse) og evt. efterbehandling (anløbning) ti] modifikation af de opnåede egenskaber. Blødglødning (sfæroidisering ) Blødglødning er en varmebehandling, som fjerner alle indr e spændinger og overfører metallegeringen til den»blødest «mulige tilstand, dvs. en tilstand med ringe styrke og sto r duktilitet/sejhed. For stållegeringer foretages blødglødnin g normalt som en sfæroidisering, mens det for letmetaller nor - malt foretages som en rekrystallisationsglødning. Sfæroidisering kan fremstilles skematisk på et TTT-diagram som vist i fig For hypereutektoide stål udføres blødglødning/sfæroidisering for at muliggøre spåntagende bearbejdning. Disse stå l opvarmes til lige over A l-temperaturen ( C), ved hvil - ken temperatur de holdes i 2-4 timer. Herved omdanne s perlitten til austenit, mens korngrænsecementitten ændre r form til kugler (sfæroidit). Herefter foretages der en meget langsom afkøling (10-20 C pr. time) til en temperatur på C, hvorved austenitten også omdannes til sfæroidit. Sidstnævnte omdannelse svarer næsten til en isoterm om - dannelse. Processen afsluttes med en hurtigere afkøling ne d til stuetemperatur. Blødglødning medfører ring e styrke og stor sejhe d Hypereutektoide stål blødgøre s ved temperaturer over A,-linie n Fig Skematisk fremstilling af temperatur-tid forløbet ved blødglødning (sfæroidisering) og trin - glødnin g Ti d 77

78 Blødglødningen kan også udføres som en tringlødning, hvo r holdetiden ved austenitiseringstemperaturen reduceres o g afløses af en hurtig afkøling til trintemperaturen, efterfulgt af en isoterm omdannelse ved denne temperatur. Eller der kan udføres en såkaldt pendulglødning, hvor materialet gennemfører et antal cykler med skiftevis opvarmnin g og afkøling hhv. lidt over og lidt under Al-temperaturen. Hypoeutektoide stål blødglødes normalt ved temperaturer under A l-temperaturen og omtales derfor i afsnit Normaliserin g Normalisering medfører gode mekaniske egenskaber 'y stabil %/`,Nor aliserin g ~~/~.. %%% /,/////////;:, 1 sek. 1 min. 1 tim e Fig Skematisk illustration af normalisering i et TTT-diagram for et hypereutektoidt stål med 0,9% C (Ref.) ) Den mest kendte form for trinnormalisering kaldes patentering Ved normalisering kan der etableres en finkornet struktu r med gode mekaniske egenskaber og god bearbejdelighed. Normalisering anvendes oftest til hypoeutektoide stål, hvorved der opnås en struktur bestående af ferrit og perlit, me n den kan også anvendes til hypereutektoide stål, hvorved de r dannes ferrit og cementit (sfæroidit). Normalisering foregår ved opvarmning til fuld austenitisering, d.v.s. over A 3-temperaturen, med en vis holdetid og efterfølgende kontinuert afkøling i fri luft. Hypereutektoide stål, der er opvarmet til fuld austenitisering, skal dog afkøle s relativt hurtigt for at undgå dannelse af korngrænsecementit, som kan forringe de mekaniske egenskaber. Disse stå l normaliseres derfor hyppigt fra en temperatur lige over A l-temperaturen ; dvs. fra en kun delvis austenitiseret til - stand. Normalisering er skematisk illustreret i et TTT-diagram i fig. 4.46, selv om processen som omtalt ikke indeholder nogen isoterm omdannelse. Trinnormalisering og bainithærdnin g Trinnormalisering og bainithærdning er eksempler på pro - cesser, som foregår ved isoterm omdannelse. Den mest kendte form for trinnormalisering kaldes patente- ring og anvendes i forbindelse med klavertråd, fjedertråd o g stålwire. Efter opvarmning til fuld austenitisering foretages der hurtig afkøling i metalbad til ca. 500 C, hvor isoterm om - dannelse finder sted til finperlit, som har en relativt høj styrke, efterfulgt af afkøling i fri luft. Bainithærdning udføres ved en proces, som er identisk med det ovenfor beskrev - 78

79 ne bortset fra metalbadets temperatur, der befinder sig i intervallet C. Ved denne temperatur omdannes den underafkølede austenit isotermt til nedre bainit. Processe n er illustreret på TTT-diagrammet i fig Fig Skematisk fremstilling af temperatur-tid forløbet i henholdsvi s overfladen og kernen af e t emne ved bainithærdnin g Ti d Som det ses af figuren, er holdetiden før omdannelse så lang, at der kan opnås en ensartet temperatur i materiale t inden omdannelsen til bainit, hvorved der kan opnås e n spændingsfri struktur. Bainitstrukturen er hård og har so m regel større sejhed end et sejhærdet stål med samme hårdhed. Bainithærdning anvendes til lavtlegerede stål med små dimensioner, men kan anvendes i et større dimensionsområde for højere legerede stål. Bainithærdning giver en spændingsfri struktu r Martensithærdning og anløbnin g Martensithærdning eller hærdning, som den ofte blot be - nævnes, består af en opvarmning til hel eller delvis austeni - tisering efterfulgt af hurtig afkøling til stuetemperatur elle r derunder. Processen er skematisk illustreret på TTT-diagrammet i fig. 4.48, men igen skal man være opmærkso m på, at der reelt er tale om et kontinuert afkølingsforløb. 79

80 Fig Skematisk fremstilling af temperatur-tid forløbet i henholdsvis overfladen og kernen af et emne ved hærdning (martensithærdning) A ~ Kærn e overflad e a a Ti d Bratkøling foregår hurtigere en d den kritiske afkølingshastighe d For hypoeutektoide stål opvarmes der til en temperatur lig e over A3-temperaturen med en passende holdetid, hvorefter der foretages en meget hurtig afkøling (bratkøling) i vand eller olie for at sikre, at afkølingslinien ikke rører perlit- eller bainit-næsen (den kritiske afkølingshastighed). For hypereutektoide stål opvarmes kun til temperaturer lige over A l-temperaturen for at modvirke en stor andel restaustenit ved martensit- omdannelsen. Sluttemperaturen for denne omdannelse (M f) ligger ved stuetemperatur eller lavere for hypereutektoide stål, og som tidligere anført vil en høj hærdetemperatur kunne sænke M f-temperaturen yderligere. Hos hypereutektoide stål accepterer man derfor et vist ind - hold af uomdannet cementit i strukturen frem for en større andel restaustenit. Hærdning kan medføre revner, kastninger og restspændinger Som det fremgår af fig. 4.48, er der en tidsforskudt martensitomdannelse fra overfladen til kernen. Dette kan resultere i hærderevner, kastninger eller restspændinger i emnet. Martensit er en meget hård materialestruktur med mege t ringe sejhed. Som det ses på fig. 4.49, er hårdheden hos martensit væsentligt mere afhængig af kulstofindholdet, end det er tilfældet for andre materialestrukturer. Ved kulstofindhold mindre end ca. 0,2% er der ikke nogen markant større hårdhe d hos martensit, set i forhold til andre materialestrukturer, og hærdning af stål med lavt kulstofindhold har derfor næppe 80

81 nogen stor betydning. Disse stål kan dog godt betegnes so m hærdbare, idet hærdbarheden definitionsmæssigt ikke knytter an til den opnåede hårdhed, men derimod til den opnåede dybde under overfladen, hvor der er sket hel eller delvi s omdannelse til martensit. Da martensitstrukturen er sprød, dvs. har ringe duktilitet og sejhed, er det til næsten alle formål nødvendigt at foretag e en efterbehandling. Denne efterbehandling kaldes anløbning og består i en opvarmning enten til en relativt lav temperatur i intervallet C (hærdet stål) eller til en relativt høj temperatur i intervallet C (sejhærdet stål). Anløbningen medfører forskellige ændringer i martensitstrukturen som anført i tabel 4.5, idet man dog skal være opmærksom på, at legerede stål vil kræve højere temperaturer for at opnå de anførte ændringer. Hærdbarhed kontra hårdhe d Anløbning forbedrer sejhede n efter martensithærdnin g HV _ D 400_ 7 E C Tabel 4. 5 Mikrostrukturændringer ved forskellige anløbningstemperature r Temperatur Strukturændringe r Ca. 100 C For martensit med mindre end 0,2% kulstof vil 90% a f kulstofatomerne omlejres til spændingsfrie placeringe r i martensitgitteret, hvilket medfører en vis spændings - udligning i gitteret C Martensit med mere end 0,2% kulstof udskiller en kar - bidfase (E-karbid). Matrixmaterialet forbliver martensitisk med 0,2% C C Martensitten nedbrydes til cementit. Denne fremstå r ved de lavere temperaturer som små plader, men ve d højere temperaturer dannes sfæroidiserede partikler. Hårdheden aftager, og sejheden vokse r C Evt. restaustenit omdannes til en bainitlignende struktu r >400 C Omlejring af kulstof fra martensitgitteret. Dannelse a f ferritkorn, som efterhånden får form som egentlige li - geaksede kor n x 0,2 0,4 0,6 0, 8 Kulstofindhold Vægt % Fig Hårdheden hos forskellige mikrostrukturelementer som funktion af kulstofindholdet. A : Grovperlit, B : Perlit, C : øvre bainit, D : Nedre bainit, E : Martensi t (Ref 1 ) I takt med de her omtalte mikrostrukturændringer sker de r en ændring af de mekaniske egenskaber som vist på fig

82 Fig Ændringer af forskellige mekaniske egenskaber som funktion a f anløbningstemperaturen (Ref. 11) kgm/ kg/ cm 2 mm % H B _ _400 _300 _ _ 70- ^ ntta K"~ c $' - -k b a 2, N 1 cn ~ vf 0 Y Y 60 Af 50 rn ha `ra~q 5 Y. do~o Brudforlængelse x do~ Brudforlæn9e~5e ~0 _ _ >, LL C Anløbningstemperatu r Anløbning ved lav temperatur er almindeligt for værktøjsstål Legerede stål kan sejhærdes i større godstykkelser Anløbning ved lav temperatur er almindeligt for værktøjs - stål. Ved varmebestandige værktøjsstål kan man dog komm e op på C. Martensithærdning efterfulgt af anløbning ved C betegnes som nævnt sejhærdning. Ulegerede kulstofstål sej - hærdes kun, når der er tale om tynde emner, da indhærd - ningsdybden er ringe. Legerede stål (sejhærdningsstål) ka n opnå stor indhærdningsdybde og sejhærdes derfor i større godstykkelser. 82

83 Trinhærdnin g Martensithærdning kan som omtalt medføre hærderevner, kastninger eller indre spændinger i materialet, og undertiden vælger man derfor en mere skånsom hærdning. Et eksempel på en sådan proces er trinhærdning, der ogs å betegnes termalhærdning, etapehærdning og martempering. Processen er skematisk vist i et TTT-diagram i fig Som det ses, foretages der en hurtig afkøling i metal-eller saltba d til en temperatur lige over M S temperaturen, hvor tempera - turen holdes i passende tid, til der er opnået en ensartet temperatur på overfladen og i kernen, mens materialet sta - dig er austenitisk. Før den isoterme omdannelse foretage s der luftkøling, og der dannes martensit samtidigt igenne m hele emnet, hvorved man undgår revner og kastninger. Trinhærdning reducerer risikoe n for revner og kastninge r Fig Skematisk fremstilling af temperatur-tid forløbet i henholdsvi s overfladen og kernen af et emne ved trinhærdnin g Ti d Processen anvendes til værktøjer og maskindele med stor e krav til målnøjagtighed. Varmebehandlinger ved temperaturer under austenitiseringstemperature n Ved varmebehandlinger under austenitiseringstemperature n sker der ingen egentlige faseomdannelser, men der ka n meget vel ske store ændringer af formen, størrelsen og fordelingen af eksisterende faser

84 Sfæroidisering af hypoeutektoide stå l Hypoeutektoide stål sfæroidiseres ved en temperatur lige unde r A,-linien Sfæroidisering eller blødglødning blev omtalt i afsnit Det blev her nævnt, at hypoeutektoide stål sfæroidiseres ve d en temperatur lige under A l-linien ( C). Ved tilstræk - kelig lang holdetid i dette temperaturinterval (størrelsesorden 20 timer eller mere) omdannes cementitten i perlitten til sfæroidit. Sfæroidisering af disse stål udføres for at lette formgivning i kold tilstand. Afspændingsglødnin g Dette er en varmebehandling, som har til formål at fjerne eller reducere uønskede spændinger, der eksempelvis ka n stamme fra kold bearbejdning, varmebehandling, støbning og svejsning. Processen betegnes også spændingsfriglødning og udføres typisk ved opvarmning til en temperatur i intervallet C med en passende holdetid, efterfulgt af en relativt langsom afkøling (f.eks. ovnkøling til ca. 500 C efterfulgt af luftkøling). Restitution og rekrystallisatio n Ved kolddeformation af metaller fremkommer der som tidligere omtalt en deformationshærdning, hvorved styrke n øges, og duktiliteten forringes. Andre fysiske og mekaniske egenskaber vil også kunne ændres herved. Ved opvarmning til en relativt lav temperatur (ca C afhængigt af legeringstype) fjerner man de indre spændinger, uden at forringe styrken, efter en passende holdetid. Denne proces er en afspændingsglødning, men fænomene t betegnes restitution, når det er en delproces på vej til rekrystallisation som f.eks. ved opvarmning af stål, der er kolddeformeret mere end en vis kritisk deformationsgrad. Restitution fjerner eller reducerer indre spændinger Restitution anvendes i praksis bl.a. til fjedre, membraner, ekspansionsbælge o.lign., hvor man ønsker at fjerne eller reducere de indre spændinger. Processen egner sig bedst ti l emner med små dimensioner. 84

85 Ved yderligere opvarmning sker der rekrystallisation, dvs. dannelse af nye, udeformerede og spændingsfrie korn, hvis materialet er blevet deformeret mere end den kritiske deformationsgrad, som er af størrelsesordenen 5-10% afhængig t af legeringstypen. Kornstørrelsen hos de nye korn er afhængig af deformationsgraden, hvilket ses på fig Hvis der skal fremkomme en relativt finkornet struktur, må deformationsgraden være noget større end den kritiske værdi. Den temperatur, ved hvilken processen sker, kaldes rekrystallisationstemperaturen. De fleste ulegerede og lavtlegerede stål har en rekrystallisationstemperatur i intervallet C, mens denne temperatur er af størrelsesordenen 200 C større for legerede stål. Ved rekrystallisationsglødning skal der anvendes den lavest mulige temperatur for at undgå en grovkornet struktur. For ulegerede, lavkulstofholdige stål er kornstørrelserne dog de samme op til en temperatur på C. Glødningen gennemføres imidlertid normalt ved temperaturer ca. 50 C ove r rekrystallisationstemperaturen. Ved rekrystallisation dannes de r nye spændingsfrie kor n ti g. Oprindeli g kornstørrels e (ikke rekrystalliseret ) Deformationsgrad i % Fig Kornstørrelsen hos rekrystalliserede korn som funktion af deformationsgraden (Ref. 1 ) Rekrystallisationsglødning anvendes som mellemglødning i forbindelse med på hinanden følgende deformationsprocesser; f.eks. koldvalsning efterfulgt af dybtrækning. Denne varmebehandling anvendes også i nogen udstrækning hos ikke-jernmetaller. Hærdning af overflade r Til visse formål som f.eks. slidbestandighed ønsker man ku n at hærde et overfladelag i stedet for en gennemhærdning a f emnet. Dette blev allerede omtalt ved martensithærdningen, ide t man kun opnår en overfladehærdning ved martensithærdning af ulegeret stål. Overfladebehandling af stål behandle s i et selvstændigt undervisningsmodul, men de allermes t kendte processer skal ganske kort nævnes her : Flamme- og induktionshærdnin g Dette er overfladehærdninger frembragt ved en hurtig opvarmning til austenitområdet efterfulgt af en hurtig afkølin g med vand (små emner) eller luft (større emner). Der foretages normalt anløbning ved C. 85

86 Processen kaldes flammehærdning, når opvarmningen e r sket med gasbrænder og induktionshærdning, når opvarmningen er sket ved induktionsspoler. Mest velegnet til kulstofstål med Flamme- og induktionshærdning kan udføres på såvel stå l 0,3-0,8% C som støbejern, men mest velegnet er kulstofstål me d 0,3-0,8%C og ca. 0,7%Mn. Større kulstofindhold kan medføre revnedannelse ved hærdningen. Indsætningshærdnin g Indsætningshærdning er en hærdning af et indsat, d.v.s. opkullet, overfladelag på et emne. Indsætningshærdning bruges dog ofte som en fællesbetegnelse, der både dækker indsætningen og den efterfølgend e hærdning. De potentielt egnede stållegeringer har kulstofindhold i intervallet 0,1-0,25%. Indsætningen (opkulningen) kan ske som en gasindsætnin g ved hjælp af kulilte (carbonmonoxid, CO), som en saltbads - indsætning i cyanid-bade eller som en indsætning med fast indsætningsmiddel (granulat). Alle processer udføres ve d en temperatur op til ca. 920 C. Indsætningsdybder normalt under 2 mm For de 3 omtalte metoder kan der opnås indsætningsdybder op til ca. 5 mm afhængigt af bl.a. temperatur, tid, indsætningsmiljø og legeringstype. Normalt foretages der dog kun indsætning til dybder af max. ca. 2 mm. Efter indsætningen kan der udføres forskellige hærdeforløb, incl. anløbning, som ikke skal beskrives nærmere her. De re - sulterende overfladehårdheder er HV. Nitrerin g Dette er også en overfladehærdning efter indsætning, me n her foretages indsætningen med kvælstof (nitrogen) i stede t for med kulstof. De herved dannede metalnitrider skaber en glat, ikke-metallisk hård overflade. Typiske indsætningsdybder er Der kan opnås overfladehårdheder fra 600 HV (ulegered e 0,1-0,7 mm stål) til 1200 HV (legerede stål) og typiske indsætningsdybder i intervallet 0,1-0,7 mm. 86

87 Processen udføres normalt som en gasnitrering med ammoniak (NH 3) som donor for kvælstof. Der findes forskellige varianter af gasnitrering, bl.a. karbonitrering, der er en gasindsætningsproces med samtidig ind - sætning af kulstof og kvælstof, udført ved ca. 900 C. Andre typer gasnitreringer udført ved ca. 570 C benævne s Nitemper- og Nitroc-processerne. Der findes imidlertid en lang række øvrige nitreringsprocesser, som er udviklet til forskellige formål og materialer. Disse skal ikke omtales nærmere her. Reference r 1. K. Offer Andersen :»Metallurgi for ingeniører«, Akademisk Forlag, Danmark 1984, 5. udgave. 2. A. Almar-Næss :»Metalliske materialer«, Tapir, Trondheim, Norge 1969, 2. udgave. 3. John Wulff m.fl. :»The Structure and Properties of Mate - rials«vol. 1-3, John Wiley & Sons Inc., New York, USA, Brick, Gordon and Phillips :»Structure and properties of alloys«, McGraw-Hill Book Company, USA, 1965, 3.ed. 5. Borris Pedersen og Mogens Rasmussen :»Materialelære for Metalindustrien«, Erhvervsskolernes Forlag, Odense, Danmark, R.A. Higgins :»Materials for the Engineering Technician«, Hodder and Stoughton, UK, 1987, 2. ed. 7. Lawrence van Vlack:»Elements of Materials Science«, Addison-Wesley Publ. Company Inc., USA 1967, 2. ed. 8. George E. Dieter:»Mechanical Metallurgy«, McGraw- Hill Book Company, USA 1976, 2. ed. 9. Marianne Schmidt :»Højstyrkestål«, Teknologisk Insti - tut, Taastrup, Danmark L.E. Samuels :»Optical Microscopy of Carbon Steels«, American Society for Metals, USA, Erik Nygren m.fl. :»Järnets och Stålets Metallografi«1-2, Sandviken Jernverks Aktiebolag, Sandviken, Sverige, 1970, 3. og 2. oplag. 87

88 5 Fysiske og mekaniske egenskaber Definition Materialernes såkaldte egenskaber er de kvalitative mål e n konstruktør anvender, når han/hun skal foretage en analyse af, hvilket materiale der skal anvendes i en given konstruktion, hvor man i forvejen har undersøgt, hvilke påvirkninge r de(t) indgående materiale(r) udsættes for under brug. Disse påvirkninger har forskellig karakter : Mekaniske (statiske og/eller dynamiske) Termiske (varme/kulde) Korrosive Slidend e 5.1 Mekaniske egenskabe r I første omgang vil vi koncentrere os om de mekaniske på - virkninger. Generelt vil man henvise til et materiales styrke, når det drejer sig om at modstå (eller optage) ydre kræfter, men det er nødvendigt at udvide begreberne. Alle materialer og konstruktioner kan gå i stykker. Dette hænger sammen med, at materialer er opbygget af atomer, som er bundet sammen af bindinger med en endelig styrke. Er det muligt at fastholde et materiale og trækkeltrykke me d tilstrækkelig kraft, vil det gå itu. Spørgsmålet er blot, hvornår? Spændinger og tøjninger Nu er der forskel på konstruktioner og størrelsen af påvirkninger, og da det ofte er de samme materialer, som finder anvendelse i flere slags emner, er det nødvendigt at gøre de sammenlignelige størrelser for materialerne uafhængige af komponenternes endelige størrelse. Derfor taler man om, at ydre påvirkninger resulterer i spændinger i materialet, og a t materialet af denne grund påføres en tøjning. Her er spæn - ding et udtryk for kraft pr. arealenhed, og tøjningen er den relative dimensionsændring af emnet. I en kompliceret konstruktion vil der optræde spændinger af forkellig størrelse ligesom de geometriske variationer som følge af ydre belastninger vil være af forskellig størrelse afhængig af hvilken de l af konstruktionen man betragter. 88

89 Det er klart, at det for en konstruktør er interessant at vide, hvordan det færdige emne opfører sig under de forventede belastninger. Derfor må der ikke optræde spændinger so m får emnet til at gå itu ved første anvendelse ej heller må de r optræde tøjninger af en størrelsesorden, der gør anvendels e umulig. Hertil anvender man sammenligning med kendte materiale - data. Disse vil nemlig give oplysninger om, på hvilken måd e et emne reagerer på de ydre belastninger i form af tøjninger. Stål deformeres enten elastisk eller plastisk. I det første til - fælde genvinder materialet sin oprindelige form, når belastningerne fjernes, idet andet tilfælde vil belastningen bliv e fulgt af en blivende deformation. Den første vigtige mekaniske egenskab er således elasticiteten. Denne afhænger af styrken af de indbyrdes bindinge r mellem atomerne i materialet. Bindingerne kan sammenlignes med fjedre, hvor det således er fjerderkonstanten, de r.afgør elasticiteten, dvs. hvor langt atomerne kan fjernes fra hinanden ved en given kraft. Stål indeholder som bekendt væsentligst jern, hvorfor det er bindingerne mellem jernatomerne, som bestemmer stålets elasticitet. Tillegering af andre elementer ændrer ikke nævneværdigt herpå. Elasticiteten kvantificeres ved elasticitetsmodulet E. Nærme - re beskriver denne talstørrelse sammenhængen mellem p å lagt kraft og resulterende deformation i det elastiske område. Relationen er kendt som Hooke's Lo v a=e e hvor a er spændingen og e tøjningen i det betragtede tvær - snit. Elasticitetsmodulet Når belastningen af materialet bliver så stor, at enkelte a f atomplanerne i krystalgitteret begynder at kunne forskydes i forhold til hinanden, vil materialet deformeres plastisk. Den spænding, hvorved dette sker, kaldes flydespændingen. Denne varierer fra ståltype til ståltype, idet mikrostrukture n har stor indflydelse på atomplanernes evne eller rettere mu - ligheder for at flytte sig relativt til hinanden. Hvis materialet var såkaldt idealt plastisk ville belastning ti l flydegrænsen betyde, at man ved denne belastning vill e kunne påføre emnet nærmest uendelige deformationer. Imidlertid er dette ikke tilfældet, og det såkaldte slip mellem 89

90 atomplanerne, som udgør deformationsmekanismen, hindres efterhånden som flere og flere slipplaner mødes. Dett e er en forenklet beskrivelse af begrebet deformationshærdning, nærmere omtalt i kapitel 4, men effekten heraf er, at det bliver nødvendigt med øget belastning for yderligere deformation. I nogle ståltyper (f. eks. kulstofstål) vil man opleve, at det slip, som indtræffer ved den første begyndende flydning, forplanter sig ved en lavere spænding mens mate- rialet deformeres. Herved defineres den øvre og nedre fly - degrænse R eh og ReL. øvre og nedre flydegrænse 0.2-spændingen Trækstyrke Brudforlængelse Arbejdslinie Flydegrænsen er ikke lige veldefineret for alle ståltyper. Ofte ses en gradvis overgang fra elastisk til plastisk deformation. Teknologisk er flydespændingen derfor også defineret so m den spænding, ved hvilken stålet kan påføres en 0.2% bliv - ende forlængelse. Denne kaldes derfor 0.2-spændingen R0 2. Den maksimale kraft, der skal pålægges, før atombindingerne begynder at brydes, og der indtræffer plastisk instabilitet, svarer til materialets trækstyrke R mt. Deformationshærdningen betyder også sammenlignet me d det ideale tilfælde, at materialet får en maximumværdi fo r forlængelsen, den såkaldte brudforlængelse. Denne størrelse er altså et mål for materialets strækkeevne, også kaldet duktilitet. Er en høj duktilitet forbundet med høj trækstyrke, kaldes stålet sejt. De ovennævnte egenskaber fastlægges for de enkelte ståltyper ved en såkaldt trækprøvning. Her udsættes et stangformet emne for et træk i længderetningen, og ved hjælp af kraftmåleudstyr og forlængelsesmåler kan materialets så - kaldte arbejdslinie optegnes. På figur 5.1 ses en typisk arbejdslinie eller trækkurve for et stål med de enkelte kende - tegnende værdier markeret. Ud fra trækprøvningsresultatet kan man definere nogle be - greber, som ofte anvendes om stål : et duktilt materiale udviser stor forlængelse før bru d et sprødt materiale har derimod lille brudforlængels e et sejt materiale er både duktilt og har høj trækstyrke De værdier, man møder i opslagsværker for ståls mekaniske egenskaber, er typisk gældende ved 20 C. Ved forhøjet temperatur vil man opleve et fald i stålenes styrke, både flyde - 90

91 Rmt R0, 2 Rmt Re H Re L jl I~ 0,2% tøjning [Vol flydeområdet e A Fig Arbejdslinie for (A) stål uden flydeområde og (B) stål med flydeområde, f. eks. kulstofstål (Ref. 4 ) B spænding og trækstyrke. Duktiliteten vil derimod i de flest e tilfælde øges. Visse tabelværker beskæftiger sig også med materialernes styrke ved forhøjede temperaturer. Dette gælder dog specielt for de legerede ståltyper, som f.eks. anven - des i dampledninger, turbiner etc. En ofte omtalt egenskab hos stål er materialets hårdhed. Specielt når et emne udsættes for slidende påvirkninger, e r en stor hårdhed, i alt fald i emnets overflade, ønskelig. Egentlig er hårdheden ikke nogen entydig egenskab hos e t materiale, den er snarere et produkt af flere egenskaber - d e ovenfor omtalte. Hårdheden måles ligeledes på flere forskellige måder, som hver især måler forskellige kombinationer a f egenskaber, hvorfor sammenligning af hårdhedsværdier op - nået med forskellige metoder er noget, man skal være varsom med. Hårdhe d Hårdhed måles ve d ridsetest reboundtes t indtrængningstest Den første anvendes udelukkende til mineraler og skal ikk e beskrives nærmere her. Den anden metode bygger på princippet om at måle en kugles tilbagespring fra emneoverfla - 91

92 den, når dens slagenergi er kendt. Jo hårdere materialet er, jo højere er tilbagespringet. Den målte hårdhed er sålede s afhængig af materialets elasticitet og plasticitet. De samme egenskaber har indflydelse på resultatet af indtrængningstestene, hvor Brinell-, Vickers- og Rockwell-meto - derne er de mest kendte. Alle har de deres særpræg, o g sammenligning mellem resultater opnået ved de enkelte prøvninger skal man være varsom med. Der er dog lavet omsætningstabeller fra en skala til en anden, men disse er meget afhængige af materialet og må derfor ikke betragte s som generelle. For kulstofstål, som jo er overordentligt gennemarbejded e prøvningsmæssigt, er der efterhånden belæg for at bruge hårdhedsværdierne, som jo opnås ved en ganske let tilgængelig metode, som indikation for materialets trækstyrke. Tommelfingerregelen er at Brinell-hårdhedstallet (angivet i kplmm2) er 1/3 af trækstyrken (målt i Nlmm2). Hårdhedsmå - ling bruges således ofte i kvalitetskontrol i stedet for mer e ressourcekrævende trækprøvninger. Endvidere kan målingerne udføres»ikke-destruktivt«ved hjælp af transportabel t udstyr. Omsætning fra målt overfladehårdhed til trækstyrk e er dog kun relevant, når overfladens hårdhed er repræsentativ for hele materialet. De ovennævnte mekaniske egenskaber er udtryk for et materiales styrke ved kortvarig, statisk belastning. Trækprøvningsforsøget er dog af natur ikke statisk, men den hastighed, hvormed materialet strækkes, er dog så lav, at egenskaberne som måles regnes for stålets statiske egenskaber. Faktisk har den såkaldte tøjningshastighed nogen betydning for trækprøvningsresultatet, idet den ovennævnte deformationshærdning vil blive mere udtalt ved højere træk-hastighed. Man vil typisk måle større trækstyrke og mindre brudforlængelse. I det elastiske område er der ingen forskel. Ved andre belastningstyper end statiske er det nødvendigt at tage hensyn til andre mekaniske egenskaber. De deformations- og brudformer, som der her tænkes på er : Slagpåvirkninger (kortvarigt, dynamisk) Udmattelsespåvirkning (langvarig, skiftende belastning) Krybning (langvarig, statisk belastning ) 92

93 Slagpåvirkninger Ståls evne til at modstå slagpåvirkninger er en vigtig egen - skab. Imidlertid er det en kvalitativ egenskab, dvs. der kan ikke umiddelbart sættes tal på. Dette hænger sammen med, at mange faktorer har indflydelse på, hvorvidt et stål ha r tendens til sprødbrud eller ej. Det sprøde brud er karakteristisk ved forholdsvis lavt energiforbrug som følge af udeblivelsen af plastisk deformatio n samt meget hurtig revnedannelse. Derfor er det den brudtype, en konstruktør bør frygte mest, idet konsekvenserne ka n være katastrofale. Alle stål kan optræde sejt og sprødt - det afhænger blot af omstændighederne. Brudmekanismen, som blev beskreve t tidligere, det såkaldte slip, er karakteristisk for det seje brud. Forhindres slip, vil et brud foregå sprødt uden nævneværdi g deformation. Faktorer med indflydelse herpå er : lav temperatu r spændingstilstande n deformationshastighede n materialets krystalstruktur Ulegerede og lavtlegerede ståls krystalstruktur er som omtal t tidligere normalt en bcc struktur. Ved denne krystalform er brudtypen stærkt afhængig af temperaturen. Materialern e har en såkaldt omslagstemperatur, ved hvilken brudtypen skifter fra sprødt til sejt. For konstruktøren er kendskab ti l denne temperatur af afgørende betydning for valgt af de t rette materiale til et givet formål. Omslagstemperaturen e r afhængig af en række metallurgiske forhold, her skal kort nævnes kornstørrelse, indhold af legeringselementer, strukturelementer og renhed af stålet. Omslagstemperatu r Fig Kærvslagstyrkens afhængighe d af temperaturen for nogle stå l samt nikkel (FCC-struktur ) (Ref. 3 ) Temp. 93

94 Slagsejhed Ståls slagstyrke eller slagsejhed afprøves normalt ved kærv - slagprøver, hvor den nødvendige energi til at knække e t kendt prøveemne registreres. Omslagstemperaturen finde s ved at foretage prøvninger af samme materialer ved en række temperaturer over og under. frysepunktet. I tabelværke r er ofte angivet det nødvendige energiforbrug ved stuetemperatur Udmattelsespåvirkninge r Udmattelse eller metaltræthed er årsag til en meget stor de l % - af samtlige havarier i maskinkonstruktioner. Ofte er spændingsniveauet i en sådan konstruktion under flyde - grænsen, men sker belastningen pulserende, enten som træk-tryk, rotation eller vridning, kan der efter en vis tid dannes revner, som efterhånden vil vokse hurtigere og hurtigere for endelig at resultere i et brud. Den mekanisme, som er årsag til revnestarten og som alts å finder sted i det elastiske område, skal ikke beskrives nær - mere her, men den bygger på at ingen materialer er idealelastiske som følge af uundgåelig tilstedeværelse af mikro - skopiske uregelmæssigheder. Dermed fås små lokale defor - mationer, som med tiden kan vokse til revner. Udmattelsesbruddet er meget karakteristisk. Som regel indeholder brudfladen nogle årringe-lignende linier (hvilelinier), som angiver udmattelsesrevnens vækst. Ofte kan vækstretningen bestemmes, og udfra restbruddets placering kan brudstarten lokaliseres. Som regel er brudstarten deformationsfri, i hvert fald set med det blotte øje. Som ovenfor nævnt har der været deformationer på mikroniveau. Restbruddet kan være enten sejt eller sprødt. Udmattelsesgrænsen Udmattelsesegenskaberne for stål er beskrevet ved udmattelsesgrænsen. Denne bestemmes ud fra prøvninger, hvo r sammenhørende værdier af spænding i prøveemnet og be - lastninger til brud registreres. Derved fremkommer et såkaldt Wöhler-diagram. Over kurven (forøget spænding) vi l materialet havarere ved udmattelse ved et givet antal belast - ninger, under kurven vil der ikke ske brud. For lavtlegered e stål er Wöhler-kurverne forsynet med et karakteristisk knæ k mellem 10' og 10 9 belastninger. Kurven bliver herefter vand - ret, og dette niveau markerer udmattelsesgrænsen. Nogle materialer, bl. a. aluminium, har ingen udmattelsesgrænse, 94

95 R N/mm z Fig Wöhler-diagram. Pilene angiver, at prøveemnet ikke var brudt, s å prøvningen kunne have fortsa t (Ref. 3) ' Antal belastninger her angives udmattelsesstyrken som den spænding som vi l føre til brud efter 10' belastninger. En anden afbildningsform, som tjener til at få overblik ove r et materiales udmattelsesstyrke ved forkellige spændings - kombinationer er Smith-diagrammet. Heri kan aflæses, hvilken maksimal spænding et svingningsbelastet materiale ka n tåle ved forskellige middelspændinger. I et koordinatsyste m afsættes maksimum- og minimuspændingen som funktio n af middelspændingen, og gennem disse punkter trækkes t o kurver som vist. Ved at trække en linie under 45 genne m nulpunktet fremgår det, at denne for alle spændingskombinationer repræsenterer middelspændingen, hvorfra spændingsudslaget afsættes lodret op og ned. De kombinationer, som ligger inden for grænselinierne vil således ikke føre ti l udmattelsesbrud. Ydre påvirkninger har indflydelse på et materiales udmattelsesstyrke. For stål gælder bl.a., at korrosion i forbindelse med dynamiske udmattelsespåvirkninger eliminerer udmattelsesgrænsen, og den tilladelige belastning dermed vedbliver at falde, efterhånden som antallet af belastninge r øges, som tilfældet er for aluminium ved den generelle udmattelse, se figur 5.5. Som ovenfor nævnt kan udmattelsesrevner starte ved belastninger under flydegrænsen. Det skal dog fremhæves, at der her i mange tilfælde kun tages hensyn til nominelle spændinger, dvs. kraft pr. arealenhed, i konstruktioner, hvorve d overvejelser vedrørende spændingskoncentrationer udela - des. Da udmattelsesrevner i langt de fleste tilfælde starter i 95

96 Fig Konstruktion af et Smith-diagram. De viste belastningsbilleder A, B, C og D er grænseværdier, hvor materialet kan tåle et ubegrænset anta l belastninger (Ref. 3) R Rmdl. A B C D E Fig Overfladebeskaffenhedens indflydelse på udmattelsesstyrke n for konstruktionsstål. Styrkereduktionen er angivet i procent i forhold til den polerede prøve - stangs styrke (Ref. 3) polere t slebet Trækstyrke, R mt kp/mm2 96

97 overfladen, er overfladekvaliten både hvad angår geometri, forarbejdning og mikrostruktur afgørende. Der optræder spændingskoncentrationer ved alle størrelser diskontinuiteter i overfladen, hvorfor en konstruktør må være opmærksom på denne risiko. Krybning Den sidste belastningsform, som her skal omtales for at beskrive ståls egenskaber, er den langvarige, statiske belastning. Den nominelle spænding i en krybebelastet komponent er under flydegrænsen, dvs. i det elastiske område, men under indvirken af temperaturen er det muligt med ti - den at opnå plastisk deformation. Det skal fastslås, at der e r tale om høje temperaturer, typisk over 450 C. Mekanismen bag begrebet krybning er en kombination af diffusion, slip og korngrænseglidning. Den forhøjede temperatur og den meget lave tøjningshastighed betyder, at effekten af deformationshærdning udlignes. Strækningen af materialet betyder i de sidste stadier af krybning dannelse af mikroporer i materialets korngrænser. Disse vil med tiden Tabel 5. 1 Krybestyrke for 13 CrMo 44 (DIN 17175) (Ref. 3) Materiale 1% krybeforlængelse Krybebrudstyrke Temperatur N/mm z på N/mm2 for C h h h h h CrMo ,1-0,18% C ,15-0,35% Si ,4-0,7% Mn ,7-1,0% Cr ,4-0,5% Mo (570) (54) (25) (74) (34) (26) 97

98 vokse sammen til mikrorevner, hvorefter brud forholdsvis hurtigt vil indtræffe. Krybestyrke Materialernes krybestyrke bestemmes ved langtidsforsøg o g er som det fremgår temperaturafhængig. Typisk angive s styrken som funktion af temperaturen og tid til brud, f.eks eller timer, se tabel Fysiske egenskabe r Udover de mekaniske påvirkninger som et materiale ska l kunne modstå i en given konstruktion uden at havarere indenfor en acceptabel tidsramme, er det også nødvendigt a t tage hensyn til andre fysiske påvirkninger, som kan influer e på materialets formåen. Her tænkes på følgende : Varmeegenskaberne (specifik varme, varmeledningsevn e og termisk udvidelse) Elektrisk ledningsevne Magnetiske egenskabe r Specifikke varme varmeledningsevnen Varmeegenskaber Den specifikke varme eller varmefylden angiver den varmemængde som er nødvendig for at opvarme materialet 1 C. Som de to andre varmeegenskaber er den specifikke varme relateret til de enkelte atomers svingninger omkring lige - vægtstilstanden i krystalgitteret. Den specifikke varme er tilnærmelsesvis ens for de fleste stål, ca. 0.5 Jig K. Varmeledningsevnen hænger ligeledes sammen med atomernes svingninger omkring ligevægtspositionen. Dette kan forklares ved at betragte en stålstang, som opvarmes i de n ene ende. Her vil atomernes udsving blive større, og diss e vil forplantes til naboatomerne og så fremdeles. Frie elektroner vil også transportere varme ligesom elektrisk ladning. Varmeledningsevnen er følsom overfor tilstedeværelsen af urenheder i materialet, hvorfor der er en vis sammenhæng med materialekvaliteten og legeringssammensætningen. Dette gælder dog ikke for bidraget fra de fri elektroner, såle - des er der ikke stor variation fra materiale til materiale. For stål er typiske værdier mellem 30 og 50 W/m K. 98

99 Den termiske udvidelse hænger sammen med, at samtidig med at de enkelte atomer svinger med større amplitude ve d forøget temperatur, ændres deres ligevægtsposition. Det enkelte krystal vokser altså ved forøget temperatur. Den termiske udvidelse er proportional med temperaturen, hvilket de - finerer Længdeudvidelseskoefficienten. Termiske udvidels e længdeudvidelseskoefficiente n Elektriske egenskaber Elektrisk ledningsevne er ligesom varmeledningsevnen afhængig af de frie elektroner i materialet. Derudover er hø j renhed af metallet afgørende. Jern er elektrisk ledende, me n den specifikke modstand, som bruges som mål for lednings - evnen er ca. 10 gange så stor som for rent kobber. Den specifikke modstand er det reciprokke af ledningsevnen. For d e fleste stål er den specifikke modstand i størrelsesordenen S1 mm2lm. Magnetiserbarhed er en egenskab, som alle metaller besid - der, men udover nikkel og kobolt er det kun jern, som råder over en såkaldt spontan magnetisering, dvs. materialet op - træder magnetisk uden at være udsat for et magnetisk felt. Materialerne siges at være ferromagnetiske. Imidlertid op - træder magnetiseringen i f. eks. en jernstang forskelligt i for - skellige områder af stangen, hvorfor det samlede magnetiske felt er ganske svagt. Pålægges stangen et magnetisk felt, vil magnetiseringen i de enkelte områder ensrettes og hel e stangen magnetiseres Ledningsevn e Specifik modstan d Magnetiserbarhe d Magnetiseringen falder med stigende temperatur og når den såkaldte Curie-temperatur nås, forsvinder den spontan e magnetisering. For rent jern sker dette ved 769 C. 99

100 Reference r 1. J. E. Gordon: The New Science of Strong Materials, Peguin Books (1976). 2. Brick, Pense, Gordon: Structure and Properties of Engineering Materials, McGraw-Hill (1977). 3. K. Offer Andersen : Metallurgi for Ingeniører, Akademisk Forlag (1984). 4. Rostfria Stål, MNC handbok nr 4, SIS (1988). 5. Moffat et al. : The Structure and Properties of Metals, vol. 1, John Wiley & Sons (1964). 6. G. Dieter: Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill (1981). 100

101 6 Legeringstype r For stål, højstyrkestål og støbejern behandles dette emne i kompendium S1-B og for værktøjsstål i kompendium Sl-C. 101

102 7 Prøvning I et eller andet omfang udføres der i de fleste virksomheder prøvning af : Indkøbte materiale r Halvfabrikata (f.eks. overfladebehandlede emner) Færdige produkter (f.eks. underleverancer ) Egne produkte r Prevning og kvalitetskontrol Der kan ikke siges noget generelt om behovet for kvalitets - kontrol og omfanget heraf. For den enkelte virksomhed vil det nemlig være bestemt af, hvordan man praktisk og rentabelt sikrer produkternes ensartethed og standard. Mange ord for prøvning Prøvning, som i daglig tale også benævnes kontrol, verifikation, dokumentation eller test, er relevant på flere niveauer i virksomheden. F.eks. i konstruktion og udvikling når et ny t produkts egenskaber eller ydeevne ønskes dokumenteret. Prøvning er dog mest kendt i tilknytning til produktionen. F.eks. ved kontrol af underleverancer, hvor prøvning f.eks. udføres : som rutinekontrol, når underleverandøren er ny, når underleverandøren ikke har et certificeret kvalitets - styringssystem. Prøvning kendes også i produktionen som kontrol af egne produkter for at sikre at produktspecifikationerne er overholdt. I dette kapitel findes en kort beskrivelse af de almindeligst e prøvningsmetoder. For de fleste prøvningers vedkommende er der tale om standardiserede metoder med udbredt anvendelse til kontrol af metalliske materialer og overfladebehandlinger. Der er tale om elementære prøvningsmetoder som enkeltvist, i kombination eller lettere modificeret indgår i produkt - standardernes beskrivelse af, hvordan produkters ydeevn e kan bestemmes. 102

103 I kompendierne»materialekendskab - stål, højstyrkestål o g støbejern«og»materialekendskab - værktøjsstål«indeholder kapitlet om prøvning nogle praktiske eksempler på udvalgt e prøvningsmetoders anvendelse. Faktorer der påvirker et provningsresultat Det er vigtigt, at alle, der har brug for at dokumentere egen - skaber, kvalitet, sikkerhed og anvendelighed af et produk t eller et materiale, benytter kvalificerede prøvningsfaciliteter Kravet til prøvningsresultaternes nøjagtighed er f.eks. afhængig af det valgte kvalitetsniveau og i et vist omfang a f konkurrencepolitikken. Fig Hertil kommer en række andre faktorer, som påvirker prøvningsresultatet nøjagtighed, som illustreret i fig 7.1. Det e r måleudstyr, måleobjekt, personen, målemiljøet og målemetoden. Mange faktorer påvirker prøvningsresultatet 103

104 Troværdighed Det er vigtigt at være opmærksom på alle disse forhold, nå r der ønskes troværdighed til prøvningsresultaterne, hvilket f.eks. kan være af afgørende betydning overfor myndighederne, i kontraktforhold, ved eksport, i tilfælde af tvistighe - der etc. Dette betyder ikke, at nøjagtigheden altid skal være stor, men at nøjagtigheden skal kendes, uanset om prøvninge n udføres i virksomheden eller hos et prøvningslaboratorium. Autoriseret prøvning Når prøvning udføres på et eksternt prøvningslaboratorium, er det væsentlig at være opmærksom på at STP (Statens Tekniske Prøvenævn) har opbygget og administrerer en autorisationsordning for prøvningslaboratorier i Danmark. Heri indgår laboratorier, hvis kvalifikationer, uvildighed og ressourcer er godkendt inden for de områder, som autorisationen omfatter. For prøvningslaboratorier er der i 1989 udgivet en variant af EN (ISO 9000), som specifikt beskriver krav til prøvningslaboratoriers kvalitetsstyringssystem. Kvalitetsstyringsstandard for prøvning Akkrediteret prøvning Det er standarden EN 45001:1989»Generelle kriterier fo r prøvningslaboratoriers arbejde«. Certificering efter denne standard vil i fremtiden være forudsætningen for, at resulta - ter fra et prøvningslaboratorium vil blive alment og interna - tionalt anerkendt. Ovennævnte autorisationsordning vil således blive afløst af EN certificering. Foreløbig har Industriministeriet ve d lov bemyndiget Industri og Handelsstyrelsens organ, DAO (Dansk Akkrediterings Ordning) til at akkreditere efter den - ne standard, - som afløsning for de tidligere autorisatione r under STP. Akkrediteringen administreres i praksis af DFM (Dansk Institut for Fundamental Metrologi). I fremtiden vil en virsomheds vurdering af et prøvningslaboratorium derfor ske på samme måde som vurdering af en hvilken som helst anden underleverandør nemlig ved vurdering af kvalitetsstyringssystemet. 104

105 Prøvningsforskrifter 7. 2 Nationale - og internationale normer, standarder og tekniske regler er dokumenter, som ofte anvendes som grundlag for planlægning og gennemførelse af prøvning. For det første fordi dokumenterne er alment anerkendte. For Normer, standarder og teknisk e det andet fordi prøvningen er entydigt beskrevet. For det regle r tredje er normer, standarder og tekniske regler velegned e som udgangspunkt for arbejdsbeskrivelser d.v.s en beskrivelse af, hvordan man praktisk gennemfører en prøvning, således at forløbet senere kan gentages. Alternativet til normer, standarder og tekniske regler er, at virksomheden selv udformer prøvningsforskrifter. Det e r f.eks. nødvendigt, når der ikke er udarbejdet egnede elle r tilfredsstillende dokumenter. Dette forekommer f.eks. i forbindelse med forskning og udvikling, hvor standardiserings - arbejdet endnu ikke er indledt f.eks. på området prøvning af nye typer samlinger. I disse tilfælde må virksomheden sikre, at prøvningen er beskrevet og dokumenteret på en sådan måde, at den kan reproduceres. I modsat fald er resultaternes værdi yderst be - grænset. Prøvningsresultater skal kunn e reproducere s Ved planlægning af kvalitetskontrol rejser der sig følgend e spørgsmål: Hvilke prøvningsforskrifter findes der? Spørgsmålet kan være helt åbent, hvis virksomheden ønsker e t overblik over eksisterende prøvningsforskrifter. Spørgsmålet kan også være specifikt, hvis virksomheden f.eks. p.g.a. eksport foretrækker dokumenter fra et bestemt land f.eks Canada eller en bestemt standardiseringsorganisation f.eks. CEN. I forlængelse heraf er det væsentligt at vide, hvilken udgav e der er den nyeste (gyldige) udgave, og om dokumentet e r under revision, eller om der arbejdes på nye dokumenter. Udover planlægningsfasen er nævnte spørgsmål også mege t aktuelle ved ajourføring af anvendte metoder. Det er alment kendt at søge ovennævnte spørgsmål besvare t ved hjælp af kataloger udgivet af standardiseringsorganisationerne. Information om normer, standarder og tekniske regle r 105

106 Som en anden og nyere mulighed kan nævnes søgning af information i online-databaser eller på CD-ROM. Fordelen ved disse medier er, at de indeholder opdateret in - formation, er hurtige at arbejde med, og at det er muligt a t overvåge eventuelle ændringer. I kompendiet»materialevalg - metalliske materialer«er søg - ning af normer og standarder med elektroniske medier beskrevet nærmere. 7.3 Destruktiv prøvning og ikke-destruktiv prøvning Definition, mekanisk prøvning Mekaniske provningsmetoder en oversigt Prøvningsmetoder opdeles i destruktive og ikke-destruktiv e prøvningsmetoder. Betegnelsen er selvforklarende og refererer til det materiale eller det produkt, som testes. Nogle prøvningsmetoder er dog vanskelige at placere i denne op - deling. F.eks. hårdhedsprøvning som både kan være destruktiv og ikke-destruktiv. Ved mekanisk prøvning tilvejebringes der resultater, der be - skriver materialets egenskaber (reaktion) ved statisk, dynamisk eller slagagtig belastning. De mekaniske prøvningsmetoder er for de fleste metoder s vedkommende destruktive prøvningsmetoder, hvor man udtager en materialeprøve og tildanner et prøveemne i overensstemmelse med en prøvningsforskrift. I de følgende afsnit gennemgås en række gængse mekanisk e prøvningsmetoder. Det er : Trækprøvning Slagsejhedsprøvning Udmattelsesprøvning (dynamisk prøvning ) Hårdhedsmåling Brudmekanisk prøvning Mange standardiserede prøv- ningsmetoder Der findes mange flere standardiserede metoder end d e ovenfor nævnte, og det kan tilrådes, at man i hvert enkelt til - fælde orienterer sig herom. Flere af disse metoder er nemlig knyttet til materialets form. 106

107 Som eksempler herpå kan nævnes : Dornudvidelsesprøvning og trykprøvning af rør, hvor for - målet bl.a. er at teste rørets sammenføjning. Torsionsprøvning og nedbøjningsprøvning af profiler, hvor formålet er at bestemme stivheden. Bøjeprøvning og forskydningsprøvning som udføres p å samlinger for bestemmelse af samlingens styrke/kvalitet. Figur 7. 2 Bøjeprøvning er en obligatoris k del af de fleste svejseprocedure - prøvninger. Prøven bukkes ove r en dorn og overfladen undersøges for revner. Hertil kommer en række prøvningsmetoder for pladematerialer, hvis formål er at beskrive materialets formgivningsegenskaber. Prøvningsmetoder for plademateriale r I et plademateriale er krystalkornenes orientering bestemmende for, hvordan formbarheden varierer i pladens for - skellige retninger. Denne variation kaldes materialets anisotropi og værdisæt - tes ved hjælp af r-værdien. Værdien bestemmes ved trækprøvning og defineres som forholdet mellem trækprøvestangens deformationsændring i bredde- og tykkelsesretningen. r-værdiens størrelse er afhængig af den retning, trækprøve - emnet er udtaget af pladen i forhold til pladens valseretning. I praksis bestemmer man r-værdien i tre retninger : valseretningen, under 45 grd. i forhold til valseretningen og vinkelret på valseretningen. Disse tre værdier samles i de t o størrelser : den normale anisotropi og den plane anisotropi. Anisotropien beskrives ve d hjælp af r-værdie n Den normale anisotropi og den plane anisotrop i 107

108 Den normale anisotropi er f.eks. et udtryk for det opnåelig e trækforhold i en dybtrækningsproces og den plane anisotro - pi et udtryk for materialets tendens til øredannelse. Strækformgivningsegenskaber Et plademateriales evne til strækformgivning kan under - undersøges ved Erichsen-test søges ved den såkaldte Erichsen-test, som er beskrevet i DIN (09.79) og DIN (09.79). I korthed går prøvninge n ud på at trykke en kugle ned i pladematerialet indtil brud opstår, og at måle dybden af den bule der herved er frem - bragt. 7.4 Trækprøvning Ved trækprøvning fås resultater, der beskriver et metals mekaniske egenskaber ved enakset, statisk belastning. D.v.s. sammenhænge mellem metallets forlængelse og kraften de r skal til at opnå denne forlængelse (= modstanden i træk - prøveemnet). Hermed giver trækprøvningen vigtige materialedata som : Flydegrænse/Flydespænding/0,2-spænding (Re IR0,2 ), Trækstyrke (Rmt), Brudforlængelse (A), Arealreduktionikontraktionlindsnøring (Z). Prøveemne r Trækprøvning udføres på trækprøvestænger, hvis tværsni t er cylindrisk eller rektangulært i det område, hvor forlængelsen ønskes. Fig Figur 7. 3 Trækprøvestang med cirkulært og rektangulært tværsnit. Lo = målelængden, Lk = kroglængden. L. Lk L. Lk For at sikre sammenlignelighed af brudforlængelsen benyttes bestemte forhold mellem målelængden (L o) og trækprøvestangens tværsnitsareal (So). For cylindriske trækprøve - 108

109 Figur 7. 4 Standardiserede trækprøvestænger i støbejern (øverst), stålplad e med svejsning (midten), konstruktionsstål (nederst). stænger vælges oftest en målelængde, som er 5 eller 10 gan - ge diameteren. Brudforlængelsen benævnes da A5 eller A ))), hvor A io < A 5. For trækprøvestænger med tværsnit, som ikke er cylindriske beregnes målelængden som : Lo = 5,65 \So (A S) eller Lo = 11,3 JSo (A 11) ) Fremgangsmåd e Stangens endestykker kaldes indspændingshoveder. Trækprøvestangen spændes op i trækprøvemaskinen og blive r belastet til brud. Kraft-forlængelses-diagrammet (arbejdskurven) optegnes automatisk på trækprøvemaskinen unde r prøvningen. For metaller med flydespænding (Rehi/R, L ) kan denne værd i aflæses på arbejdskurven efter anvisninger i prøvningsstandarden. For metaller uden udtalt flydespænding kan 0,2-spændingen bestemmes ved at montere et forlængelses - måleapparat på trækprøvestangen og gennemføre et anta l be- og aflastninger indtil en blivende deformation på 0,2% er opnået. Alternativt kan trækprøvemaskinen styres på et elektrisk signal fra et extensometer (elektrisk forlængelsesmåleapparat), som er monteret på trækprøvestangen (se forklaring ved foto 7.8). Kraft- forlængelses- diagrammet Flydespændin g 0,2-spændinge n 109

110 Trækstyrken Trækstyrken bestemmes som den maksimale kraft (F mt), der skal til at bryde materialet i forhold til udgangsarealet (S 0). Fm~ Rmt = So [Nlmmz l Brudforlængelse og kontraktion På den brudte prøve bestemmes brudforlængelsen i % i for - hold til den oprindelige målelængde og kontraktionen af tværsnitsarealet i % af udgangsarealet. L - Lo A= L o % S - S o Z = S o Prøvningsparametre Resultatet af trækprøvningen er bestemt af følgende faktorer : Omgivelsernes temperatu r Deformationshastigheden Trækprøveemnets overfladekvalitet og udformnin g (kærve). I standarderne er disse værdier specificeret, hvorfor ma n som hovedregel kan sammenligne data for forskellige metaller, som er fremkommet ved standardiseret prøvning. Ovennævnte beskrivelse af trækprøvning er alment gælden - de for metalliske råmaterialer som plader, profiler, rør m.v. Trækprøvning også beskrevet i For kæder, kroge, ringe, skruer/bolte, wire, svejste/nittede/li - produktstandarder mede samlinger m.v. findes der specielle beskrivelser. Hvis man derfor ønsker at bestemme mekaniske egenskaber eller brudlaster for komponenter, bør man altid orientere sig o m eventuelle produktstandarder. Anvendelseseksemple r 1. Bestemmelse af stålkvalitet Standardiserede metalliske materialer defineres typis k ved krav til materialets kemiske sammensætning og til de mekaniske egenskaber : flydespænding, trækstyrke, forlængelse og kontraktion og i nogle tilfælde til hårdhed, slagsejhed m.v. Trækprøvning er derfor en obligatoris k prøvning i forbindelse med klassificering af et stål. 110

111 2. Pladematerialers egenthed til formgivnin g Trækprøvning benyttes f.eks. til bestemmelse af et plademateriales evne til plastisk deformation. F.eks. bestemmelse af et plademateriales retningsbestemte egenskaber (anisotropibestemmelse). Som et andet eksempel kan nævnes, at pladematerialer, som har et udpræget flydeområde, ikke kan anvendes ti l mange pladeformgivningsprocesser. Ved trækprøvning er det muligt at konstatere om materialet har et sådant flyde - område. 3. Bestemmelse af materialedat a Trækprøvning anvendes til fremskaffelse af materialedat a og til bestemmelse af brudlaster på komplicerede emner (produktprøvning). 4. Dokumentation af metallurgiske ændringe r Trækprøvning kan benyttes til dokumentation af ældning. Figur 7. 5 Den viste trækprøvestang e r udtaget af et plademateriale. Forholdet mellem pladetykkelsen og prøveemnets bred - de er foreskrevet i prøvnings - standarden. Overfladen e r malet med blæk, hvori de r ridses et antal streger med 1 cm. mellemrum (anvendes ti l bestemmelse af A) 111

112 Figur 7. 6 Prøveemnet er omhyggelig t mærket i begge ender. Trækprøvemaskinen, der skal anven - des til trækprøvning af ovenfo r viste trækprøvestang, er en lill e maskine indtil 10 ton. Valg af trækprøvemaskine foretages i hvert enkelt tilfælde på bag - grund af en overslagsberegnin g af den kraft, der skal til at trække emnet over. Figur 7. 7 Forud for trækprøvningen kontrolleres prøvemaskinens kalibreringstal, og prøven spændes o p ' i trækprøvemaskinens kæber. Figur 7. 8 Billedet viser trækprøvestange n set fra siden. På trækprøvestangens målelængde er der monteret et extensometer, der er et fintfølende instrument, som måler forlængelsen. Extensometeret anvendes til at styre maskinens tøjningshastighed således, at det foreskrevne krav i prøvningsstandarden er overholdt, og således at 0,2-spændinge n kan bestemmes ved aflæsning på arbejdskurven. 112

113 Slagsejhedsprøvnin g 7.5 Slagsejhedsprøvning udføres på stål, stålstøbegods og svejs - ninger for kontrol af materialets sejhed ved slagpåvirkning. Slagsejhedsprøvning er en meget anvendt kontrolmetode, fordi metoden er simpel. Der findes flere forskellige slagsejhedsprøvninger. Den primære forskel på disse metoder er udformningen af prøve - emnets kærv. Den mest udbredte metode er Charpy slagsejhedsprøvning (ISO V-kærv), som vi her skal begrænse os til. Man skal være opmærksom på, at prøvningsresultatet ku n har værdi i forhold til produktstandardernes minimumkra v for slagsejheden og til sammenligning af forskellige materia - lers sprødbrudrisiko. Flere forskellige slagsejhedsprøvninge r Slagsejhed er ikke en design - værd i Fremgangsmåd e Ved slagsejhedsprøvning efter Charpy bliver kærvede prøver anbragt i en slagprøvemaskine (fig. 7.9) og bragt til brud ved et slag (tøjningshastighed ca. 10' s ') og den energi de r medgår til at bryde prøven måles. Fremgangsmåden, udstyret og forløbet er beskrevet i fig Spredningen på måleresultaterne er stor, og derfor fore - skriver produktstandarderne som minimum 3 prøvninger ved hver temperatur. Stor spredning på brudenergie n Figur 7. 9 Prøveemnet er en firkante t stang med standardmålen e 10x10x55 mm der midt på de n ene side er forsynet med en 2 mm. dyb kærv. Hvis det af praktiske grunde ikke er muligt at fremstille prøvemener me d bredden 10 mm vælges 7,5 m m eller 5 mm. 113

114 Definition, omslagstemperatu r Efter prøvningsstandarden for ISO V-kærv defineres omslagstemperaturen, som den temperatur, hvor brudenergien er 27 J. Undersøgelse af brudfladen I forbindelse med prøvningen undersøges brudfladen oft e for bestemmelse af om bruddet er fibrøst (sejt), krystallins k (sprødt) eller en blanding heraf. De forskellige typer brud er lette at genkende, og den procentvise fordeling af brudfladetypen kan estimeres. På den måde kan man vurdere, hvor tæt man er på omslagstemperaturen. Figur Eksempel på to prøveemner me d forskellige bredde. Materialet har været meget sejt ved prøvningstemperaturen på 20 C og er derfor ikke slået over. Kontraktion Det er også muligt at måle den procentvise kontraktion af prøven ved kærven (analogt med kontraktionen på en træk - prøvestang). Værdien udtrykker materialets deformationsegenskaber ved store deformationshastigheder, og er lig e som kontraktionen for trækprøvestænger et middel til vurdering af materialets formbarhed (duktilitet). Denne måling er ikke standardiseret og kun meget sjældent benyttet. Prøvningsparametre Voksende slaghastighed, prøvestørrelse, prøvebredde, kærv - skarphed og kærvdybde forskyder omslagstemperaturen mod højere temperaturer. 114

115 Anvendelseseksemple r 1. Bestemmelse af materialekvalite t Slagsejhedsprøvning anvendes til klassifikation af stål, idet de mange stålkvaliteter er kendetegnet ved minimumkrav til slagsejheden ved en given temperatur. F.eks. er forskellen på Fe 430 C og Fe 430 D1 kravet til slagsejheden (DIN/EN ). For Fe 430 C forskrives minimumkravet på 27 J ved 0 C, og for Fe 430 Dl foreskrive s det tilsvarende krav ved -20 C. 2. Kontrol af svejsninge r Slagsejhedsprøvning anvendes f.eks. til kontrol af svejsningers kvalitet. Udtagning af prøveemner og prøvnings - temperatur foreskrives f.eks. i klassifikationsselskaberne s bestemmelser. 3. Slagsejhedsprøvning som kvalitetskontro l Slagsejhedsprøvning anvendes f.eks. til sammenlignin g af forskellige materialers sprødbrudrisiko f.eks. efter over - fladebehandling, varmebehandling og lign. Figur Prøvemaskine til slagsejhedsprøvning af pendultypen. På bil - ledet ses faldhammeren og de n skala hvor brudenergien aflæses. Faldhammerens slagenerg i bestemmes ved hjælp af lodder. Standardenergierne er 150 J o g 300 J. 115

116 Figur Før prøvningen udløses faldhammeren, og det kontrolleres at der ikke er friktion eller anden fejl ved apparatet. Ved afprøvningen lægges prøveemnet løst i afprøvningsapparaturet.prøveemnet placeres omhyggeligt, og ved hjælp af et stop sikres det, at faldhammeren præcist rammer emnet modsat kærven. Figur Faldhammeren udløses, og efte r at have slået prøven over aflæses den forbrugte energi direkte på maskinen Udmattelsesbelastningen Udmattelsesprøvning (dynamisk prøvning ) Standardiseret udmattelsesprøvning for bestemmelse af e t materiales udmattelsesstyrke eller udmattelsesgrænse anvendes primært i konstruktion og udvikling til sammenlig - ning af forskellige metallegeringers egenskaber. Udmattelsesbelastningen kan være træk (tryk), torsion o g bøjning. Til undersøgelse af materialernes udmattelsesstyrk e er der bygget en lang række forskellige prøvemaskiner. En ofte anvendt type er en maskine, som ved roterende bøjning belaster polerede prøveemner med ren svingningsbe - 116

117 lastning. Denne prøvning er f.eks. beskrevet i DIN (03.82). Forsøget udføres med et passende antal stænger o g resultaterne benyttes til konstruktion af Wöhler-diagramme t (kapitel 5). Ikke standardiserede udmattelsesprøvninge r Udmattelsesprøvning (= dynamisk belastningsprøvning ) udføres også som produktprøvning. Det kan f.eks. være som led i materiale- og procesvalg elle r som eftervisning af et produkts levetid/sikkerhed mod udmattelsesbrud. Som eksempel på anvendelse af udmattelseprøvning i materiale- og procesvalg kan nævnes valg af materiale til e n tryklufthammers mejsel. Valget af materiale inbefatter her materialetype, hærdning og fastlæggelse af overfladekvalite - ten. Eksempel, materiale- og proces - val g Fremgangsmåden var som følger. Med straingauge måling blev praktisk forekommende driftsbelastninger på skaftet a f en prototype bestemt. Forskellige kombinationer af materialer, hærdninger og overflader blev herefter testet i en prøve - maskine, som simulerede belastningerne under drift. Ved prøvningen bestemtes antallet af belastninger til brud, o g datamaterialet indgik herefter i det endelige materialevalg. Udviklingen går i retning af lettere (materialebesparende) konstruktioner. En af følgerne kan være, at man må betragte konstruktionen som udmattelsesbelastet, i stedet for statis k belastet. Styrkeberegninger, som tager hensyn til dynamiske belastninger, er omfattende og resultatet er ofte behæftet med e n stor usikkerhed, fordi det kun er muligt at regne på simplifi - cerede modeller. Derfor kan dokumentation af konstruktioners sikkerhe d mod udmattelsesbrud med fordel udføres som produktprøvning, der f.eks. simulerer en»worst case» eller en typis k driftsbelastning. Afhængig af opgavens type kan prøvningen f.eks udføres p å enkelte dele eller på hele produktet. 117

118 7.7 Definition, hårdhed Hårdhedsmålin g Et metals tekniske hårdhed defineres som dets modstand mod indtryk af et andet hårdere legeme. Denne definition er entydig ved angivelse af indtryklegemets form og dimension, prøvekraftens størrelse og varig - hed og retningslinier for den geometriske opmåling af ind - trykket. Standardiserede metoder For metalliske materialer er de mest anvendte hårdhedsmå - lemetoder : Brinel l Vickers Rockwell Disse tre metoder er alle standardiseret. En sammenligning af deres indbyrdes hårdhedsområder fremgår af fig Figur Sammenlignende oversigt ove r måleområderne for Brinell (HB), Vickers (HV) og Rockwell (HR). VDINDE 2616, Entwurf _ i I I I I I I I III I I II III ~. I + i ~~ I II ill + ' I I I I I -, HV HR HR..N HR..T H B Belastningsgra d C A B F ,5 1,

119 I standarderne er prøvningernes princip, prøvningsapparaturet og prøvningens udførelse beskrevet. Herunder er der bl.a. fastlagt krav til følgende faktorer, som alle er af betyd - ning for prøvningens udfald : Prøvningsparametre Omgivelsernes temperatu r Overfladens kvalitet (planhed og ruhed ) Prøvens tykkelse Afstanden mellem to indtryk Afstanden mellem et indtryk og prøvens kan t Hårdhedsmåling er en hyppigt anvendt metode ved kvalitetskontrol, fordi prøvningen er hurtig og enkel at udføre. Måling af hårdheder efter de forskellige metoder kan ikke umiddelbart sammenlignes, og ved angivelse af et hårdhedsmåleresultat er det væsentlig at anføre metode og prøvningsparametrene, som beskrevet i de følgende afsnit. For konstruktionsstål og aluminium er der dog udarbejdet nogl e lister, der sammenholder hårdheden målt ved forskellig e metoder, og som kan anvendes til overslagsmæssige vurderinger. Hårdheder målt ved forskellig e metoder kan ikke umiddelbart sammenligne s Spredningen på måleresultaterne er så stor, at det som mini - mum anbefales at udføre 3 målinger dog helst 5 for bestemmelse af et materiales hårdhed. Anvendelseseksemple r Kontrol af varmebehandlede emners hærdedybde og over - fladehårdhed. Kontrol af hårdheder i henhold til leveringsbetingelser. Kontrol af svejsningers kvalitet (specielt hårdheden i svejs - ningens varmepåvirkede zone). Kontrol af et metals trækstyrke, hvis det er umuligt at udfør e trækprøvning (indirekte metode med stor unøjagtighed). Kontrol af støbejerns kvaliteter (støbejern kan både specificeres med udgangspunkt i styrkekrav og hårdhedskrav). Kontrol af overfladebelægningers hårdhed. Hårdhedsprøvning efter Vickers Ved Vickers hårdhedsmåling anvendes en diamantpyramide som med en kraft F (kp) trykkes ind i prøvemnet. Efter af- 119

120 lastning måles indtrykkets diagonaler (d). Den aritmetiske middelværdi udregnes og hårdheden bestemmes som forholdet mellem kraften og indtrykkets overfladeareal (0) : HV = ~= 1,8544 d2 [kp/mmz] Hårdheden rapporteres herefter som : Kraften i kp Figur Indtrykslegemet er en pyramideformet diamant. Kravet til diamantens dimensioner er beskrevet i prøvningsstandarderne. De t kontrolleres regelmæssigt at diamanten er fri for revner og overfladefejl. Hårdhedsværd i Forkortelse for metoden F.eks. 800 HV Holdetid, hvis t # s Vickers hårdhedsmåling er den mest alsidige hårdhedsmålemetode. Det er muligt selv på de mindste overflader og de tyndeste overfladelag (s = lagtykkelse i mm) at bestemme hårdheden, idet kraften da udregnes som : s 2 xhv F= C2 (1`= C2 ) Afhængig af belastningen taler man om : Makro(Vickers)hårdhed, når F > 0,2 kp og mikro(vickers)hårdhed, når F < 0,2 kp Figur Eksempel på hårdhedsindtry k HV1 i tværsnit på stålhagl. Be - lastningen 1 kg blev valgt for a t give mulighed for flere indtryk i samme stålhagl. 120

121 Figur Eksempel på hårdhedsindtryk i et enkelt jernkorn. Denne definition er ikke alment anerkendt, og i de forskelli - ge landes prøvningsstandarder opereres med forskellige op - delinger. Den danske standard DS (11.66) for hårdhedsprøvning efter Vickers (makro) gælder for F > 1 kp. For stål kan kun hårdheder i belastningsområdet F > 5 kp regnes for uafhængige af belastningen og derfor sammenlignes. For stål er Vickers hårdheder indtil 300 HV praktisk tage t overensstemmende med Brinell værdien og trækstyrke n (Nlmm 2) er ca. 3,3 x HV. Figur Apparat til måling af Vicker s hårdhed med belastninger stør - re end 1 kg. Standardbelastningen for Vickers hårdhedsmåling i makroområdet er 30 kg, alternativt benyttes belastningerne 20, 50 eller 100 kg. 121

122 Figur Indtrykkets diagonaler måles på en matskærm Hårdhedsprovning efter Brinel l Indtrykslegemet er en kugle af stål eller hårdmetal med en diameter D på 2,5, 5 eller 10 mm. Kuglen bliver med en kraft F = C x D2 trykket ind i overfladen og indtrykkets diamete r d måles i to på hinanden vinkelrette retninger. Konstanten C er afpasset metallet og vælges med udgangspunkt i prøvningsstandarden anvisninger. Figur Indtrykslegemet er en stålkugle. De standardiserede diametre a f kuglerne er ,5 mm. Førhårdhedsprøvningen kontrolleres det, at kuglen er poleret, fri for overfladefejl og de - formationer. 122

123 Hårdhedsværdien fremkommer som forholdet mellem kraften F og arealet af indtrykket og udregnes efter følgende for - mel : HB = F 2F _ 0 7r x D(D-V-D z -d 2 ) (N/mm2 ) I praksis udnyttes tabellen ISO/R 410 til bestemmelse af hårdheden for kendt prøvningsbelastning, kuglediameter og indtrykdiameter. Enheden for Brinell-hårdheden er d a kp/mm2. Hårdhedsværdien rapporteres herefter som : Hårdhedsværd i Forkortelse for metode n F.eks. 185 HB 5/750/30 Kuglediameter i m m Prøvekraft i kp Holdetid i s, hvi s t * s Figur Før hver prøvningsserie kontrol - leres (verificeres) apparatets stand ved måling af hårdhede n på en standardblok med kend t hårdhed. Ved almindelige kulstofstål og lavt legerede stål, kan ma n regne med, at trækstyrken (N/mm2) på det nærmeste er li g 3,6 x HB, hvor enheden for HB er kp/mm2. Anvendelse Alle metallegeringer undtagen hårde legeringer som f.eks. hærdet stål. I praksis måles støbejerns hårdhed altid efte r Brinell. Figur Indtrykkets diameter måles i to retninger, der står vinkelret p å hinanden, og middeltallet af d e to målte diametre bruges til bestemmelse af Brinellhårdheden. Billedet viser matskærmen, hvo r det cirkulære indtryk ses. 123

124 7.7.3 Rockwell hårdhedsmaling Ved Rockwell hårdhedsmåling anvendes en kegleformet diamant eller en stålkugle. Indtrykslegemet bliver forbelastet med en kraft F0 og herefter med en tillægskraft F l til total - kraften F. Den blivende forøgelse af indtryksdybden ved for - belastningen efter at tillægsbelastningen er fjernet måles (e), hvorefter Rockwell hårdheden fremkommer som : HR = C - e, hvor C er en konstant Hårdheden aflæses direkte på apparaturet. Afhængig af indtrykslegemet og prøvningskræfterne skelnes der melle m en række forskellige Rockwell-skalaer, som vist i tabel 7.1. I europa anvendes skalaerne B og C og i sjældnere tilfælde A, HRN og HRT. Figur Indtrykslegemet til Rockwell C måling er en diamantkegle. Anvendels e Rockwell C er især kendt og anvendt til måling af hærded e ståls hårdhed. Figur Prøvningens princip (HRC) på skitseform, DS 10412, nov v 0 L ~ + T LL LL C m C c c a Emnets overflad e Måleurets udqanqsstillin q Figur Diamanten placeres over det sted, hvor hårdheden ønskes målt. Kraften påføres og hård - heden aflæses direkte på den viste skala (her HRC=49). 124

125 Tabel 7.1 Rockwell-skalaer (ASTM E 18) Betegnelse Indtrykslegeme Forbelastning Belastning Anvendelse kg kg HRA Kegle Hårdmetal, overfladehærded e dele, tyndplade (> 0,4 mm ) HRB 1/16" kugle Ikke jernmetaller og konstruk - tionsstå l HRC Kegle Hærdede stål HRD Kegle Overfladehærdede del e HRE 118" kugle Støbejern, aluminium og mag - nesiumlegeringer, lejemeta l HRF 1116" kugle Kobber, tyndplade (> 0,6 mm ) HRG 1116" kugle Fosforbronze, berylliumkobber, tempergods med moderat hård - hed HRH 1/8" kugle Aluminium, zink, bl y HRK 1/8" kugle Letmetal og andre metaller me d lille hårdhe d HRL 1/4" kugle Som HRK samt gummi (hårdt ) HRM 1/4" kugle Som HRK og HRL HRN Kegle 3 15 (N15) Som HRA, HRC og HRD me n 30 (N 30) for særligt tynde hærdedybder 45 (N 45) (indtil 0,25 mm ) HRP 1/4" kugle HRR 112" kugle Som HRK, HRL og HRM HRS 112" kugle HRT 1/16" kugle 3 15 (T 15) ' Som for skala B, F og G, men fo r 30 (T 30) tynde plader (indtil 0,25 mm ) 45 (T 45 ) HRV 1/2" kugle Som skala K, L, M, P, R og S HRW 1/8" kugle 3 15 (W 15 ) 30 (W 30 ) 45 (W 45) For metaller med meget lille HRX 1/4" kugle 3 15 (X 15) hårdhed f.eks. tynde lejemetal - 30 (X 30) belægninger. Skala X og Y for 45 (X 45) sintrede metaller isæ r HRY 112" kugle 3 15 (Y 15 ) 30 (Y 30 ) 30 (Y 45) 125

126 7. 8 Brudmekanisk prøvnin g Formål Der findes forskellige varianter af de såkaldte brudmekaniske prøvningsmetoder. Metoderne er kendetegnet ved, at et prøveemn e med en skarp revne eller kærv belastes til brud, og at kraften herti l måles. Formålet med prøvningerne er at bestemme et materiale s modstand mod sprødbrud ved revnelignende defekter. COD-prøvning er den hyppigst anvendte prøvning blandt de brud - mekaniske prøvningsmetoder. COD-prøvning er en nyere prøvningsmetode og udføres kun på et begrænset antal laboratorier. Figur COD-prøvning udføres f.eks. p å såkaldte compact-tension emne r (CT-emner). Figur Eksempler på brudflader på CTemner. 126

127 COD-prøvning er en forkortelse af»crack opening displacement«. COD-prøvning anvendes f.eks. ved prøvning af svejsninger i plade - materiale over 55 mm. jvf. britisk standard. Prøvningen finder endvidere anvendelse ved karakterisering af materialers brudmekanisk e egenskaber (sikkerhed mod sprødbrud). Anvendelse r Den hyppigste anvendelse af prøvningen er dog : Vurdering af om kendte eller formodede revner er kritiske. Bestemmelse af kritiske revnestørrelser. Vurdering af kendte eller formodede revner er f.eks. aktuelt hvor det er svært eller kostbart at udskifte komponenten (f. eks. nedgraved e trykbelastede rør). Kendskab til den kritiske revnestørrelse anvendes f.eks. som kassationskriterium ved NDT- kontrol (kraftværkskomponenter, udmattelses - belastede konstruktioner m.v.). Prøvningens fremgangsmåde er vist i fig Figur COD-prøvning kan udføres p å forskelligt udformede prøveem - ner, hvori der anbringes en skarp revne. Fotoet viser et bøjeprøve - emne med kvadratisk tværsni t og med sidekærve. I midten af emnet er der bearbejdet en dy b kærv, og inden den egentlig e COD-prøvning er der fremstillet en udmattelsesrevne på fler e mm længde fra denne krærv. Under bøjningsbelastningen måles kraften og udvidelsen a f kræven med en nøjagtighed, som er bedre end 0,001 mm. Emnet på fotoet er monteret med ledninger til måling af revnevæksten. 127

128 Figur I prøvemaskinen lægges prøveemnet ovenpå to ruller således, at kærven er midt mellem ruller - ne. På emnets underside sidde r COD-transduceren tværs ove r kærvåbningen. På siden af em - net sidder en temperaturføle r fastholdt med en magnet. '4! Figur Emnets overside belastets via e n enkelt rulle modsat kærven. Belastningen udføres først, nå r prøveemnet har opnået den ønskede temperatur. Dette kan tage flere timer afhængig af prøveemnets dimensioner. Figur På brudfladen erkendes tydelig t de to sidekærve, COD-kærven, udmattelsesrevnen og restbrud - det. Fotoet viser et skørt rest - brud. Ved højere temperatu r kan det samme materiale få et restbrud med store deformationer. På brudfladerne opmåle s dybden af kærven og af udmattelsesrevnen i flere positione r over bredden af prøveemnet. 128

129 Ikke destruktive provningsmetoder Tabel 7.2 giver en oversigt over de almindeligste ikke-destruktive prøvningsmetoder til identifikation af revner o g fremstillings- eller driftsbetingede fejl. I litteraturen og i daglig tale kaldes prøvningsmetodern e NDT- prøvning eller NDE-prøvning for henholdsvis»non Destructive Testing«og»Non Destructive Evaluation. «Sammenlignet med destruktive prøvningsmetoder er fordelene ved NDT-metoder umiddelbare, og der gøres derfor e n stor indsats for at udvikle nye og forbedrede metoder. Udviklingen sigter dels på forbedring af eksisterende udsty r f.eks. sænkning af detektionsgrænsen på materialefejl dels på udvikling af nye metoder til kontrol af materialerne ve d selve fremstillingen. 7.9 Identifikation af revner o g fremstillings- eller driftsbetingede fej l Nye og forbedrede metode r Lagtykkelsesmåling af overfladebelægninger er en mege t anvendt kvalitetskontrol, og udføres hvor det er muligt so m ikke-destruktiv prøvning. Måleprincippet afhænger af belægningens og grundmateria - lets type. Standarden DS/ISO 3882 (09.86)»Metalliske og andre ikke - organiske belægninger, oversigt over metoder til måling a f tykkelse«anbefaler forskellige instrumentelle metoder ti l måling af lagtykkelsen på stål, aluminium, kobber, nikkel, titan, zink m.v. 129

130 Tabel 7. 2 Metode Princip Anvendelse Fordele Begrænsninger Kapillarvæske Kapillarvæske trække s ind i overfladedefekter ved hårrørsvirkningen. Synlig eller flourescent farve fremkalder fejlene. Magnetpulver- Diskontinuieter forvrænprøvning ger det pålagte magnetiske felt. Ultralyd Fejl reflekterer lydbølger, som sendes ind i materialet. Den medgåede tid før ekkoet registreres udnyttes til at lokalisere fej - len. Overfladerevner, po- Billig, transportabel. Mege t røsositeter, laminering følsom. Uafhængig af mate - etc. som ligger i over- rialets magnetiske og elektfladen riske egenskaber. Revner, inklusioner og Billig. Velegnet til store im - andre diskontinuiteter mobile genstande. på eller nær overfladen, idet disse områder tiltrækker jernpulver på overfladen. Revner, laminering, bindefejl og lign. med det primære plan vin - kelret på lydkilden. Viser fejlens dybde i materialet. Inspektion fra en side. Ingen stråling. Øjeblikkelige resultater. Udstyr hvortil der er knyttet en computer ka n producere billeder af fejlen (C-skan). Defekterne skal ligge i overfladen. Ikke velegnet til porøse og ru overflader. Væsken skal væde overfladen Følsomheden er stærkt afhængig af fejlenes dybde og eventuel coatning. Det er ofte nødvendigt at udføre prøvningen i flere retninger. Tolkning af resultater kræver erfaring/træning Kan kun udføres af uddannet personale. Fejl som ligger parallelt me d lydkilden kan ikke detekteres. Det er nødvendigt med referencestandarter. Radiografi Metallet absorberer røntgenstråling og gammastråling. Fejl og tynd e tværsnit absorbere r mindre, hvorfor mere stråling optages på filmen. Fejl ses som mørk e skygger. Støbte materialer, komponenter o g svejsninger med store fejl og revner med det primære plan parallelt med strålingen. Permanente optagelser som dokumenterer korrekt fremgangsmåde. Påviser fejl i al - le dybder. Forudsætter uddannede teknikere i prøvningsmetoden og i radioaktiv stråling. De tilstødende områder skal afskærmes mod stråling. Tykkelsen er bestemt af den radioaktive kildes styrke. Kostbart udstyr og gennemførelse. Revner vinkelret på strålin - gen kan være umulige at påvise.

131 Metode Hvirvelstrøm Princi p En spole introducerer strøm i metallet. Samm e spole detekterer strømme som er bestemt af materialets/konstruktionen s elektriske egenskaber. Anvendelse Fordele Begrænsninge r Ledende materialer Meget følsom. Ingen kon- Giver respons på alle ændringer i med konstant tvær- takt med den undersøgte relation til elektrisk og magnetiske snitsareal. F.eks. ved del. Hurtig nok til kontinu- egenskaber. Fejlindikation kan rørinspektion. Kan på- ert on-line inspektion. Me- drukne i disse. vise variationer i me- tallet behøver ikke nødven - taltype, mikrostruktur digvis at være ferromagne - samt andre typer fejl tisk. Akustisk Materialer udsender aku - emission stisk energi ved revnevækst og plastisk deformation. Sensorer registrerer lydene under belastning. Replica Metallografisk metode. Der tages et aftryk af materialets overfladestruktur. Endoskopi Visuel inspektion af indre flader ved hjælp af optisk instrument som kan være stift eller fleksibelt. Trykbeholdere. Fly- Prøvningen udføres under Plastisk deformation opstået ved konstruktioner. Svejs- drift. Fejl opdages før hava- prøvning er ireversibel, prøven ka n vinger. ri. Alle belastede arealer te- derfor ikke gentages. Lydkilden ka n stes uafhængigt af sensorer- ikke lokaliseres præcist. nes placering. Materialemikrostruktur Undersøgelser muliggøres Kan kun anvendes på ydre overfla - i overflade, revnetype- på vanskelig tilgængelige der. Fortolkning af replica kræve r bestemmelse. Doku- steder. Mikrostrukturen do- erfaring. mentation af slidspor, kumenteres. topografi, overvalsning, bindingsfejl m.v. Bestemmelse af revne- Inspektionen foretages uden Følsomt udstyr. Tåler ikke høje tem - dannelse, korrosion- ressourcekrævende adskil- peraturer og kraftige mekaniske på - sangreb, forureninger, lelse. Kan foretages under virkninger. mekaniske beskadigel- vand. Enkel at anvende. ser, læsegenstande etc. i afstande op til 30 m. fra inspektionshullet. Tabel 7.2 fortsættes

132 Metode Princip Anvendelse Fordele Begrænsninger Spektralanalyse! Ved hjælp af en spæn- Kvalitativ og semikva- Med transportabelt udstyr Bestemmelse af stålets kemisk e emission- dingsforsyning trækkes litativ metode til be- som f.eks. Metascopet kan sammensætning sker med større spektroskopi en gnist mellem en wolf- stemmelse af ståls bestemmelsen udføres mo- usikkerhed end de stationære udramelektrode og emnets kemiske sammensæt- bilt uden udtagning af styr. Kulstofbestemmelsen er re t overflade. Udstyret ind- ning. prøver. usikker. stilles på et bølgelængde område, hvor sammenligning med spektrallinier for en kendt referenc e foretages.

133 Metallografiske provningsmetoder Ved metallografiske prøvningsmetoder forstås prøvninger, der giver informationer om metallets metallurgiske tilstand. F.eks. om metallets : Informationer om metallets metallurgiske tilstan d Kornstruktur (kornstørrelse, krystalorientering ) Mikrostrukturer (art, størrelse, form, fordeling ) Slaggeindeslutninger (art, størrelse, form, fordeling ) Overfladebelægning (lagtykkelse, karakterisering ) Metallografiske prøvninger baserer sig enten på undersøgel - se af et metallografisk prøveemne eller på ioniserende strå - ling (primært røntgen-stråling). De hyppigst anvendte metallografiske prøvningsmetoder e r undersøgelse af et metallografisk prøvernne i mikroskop. Et metallografisk prøveemne (slib) fremstilles ved slibning og polering af det materiale som ønskes undersøgt. Efter den sidste polering, f.eks. med 1 my diamantpasta, ætse s prøven for at fremkalde metallets mikrostruktur. Fremstilling af sli b Til de metallografiske prøvningsmetoder hører f.eks. neden - stående metoder, som alle er standardiseret efter ISO, DIN eller ASTM. Kornstørrelsesmålin g Kornstørrelsesmåling udføres hyppigst efter ASTM E112-88, hvor kornstørrelsen angives som et tal mellem 0 og 14, hvo r 0 svarer til en gennemsnitlig kornstørrelse på 0,51 mm og 1 4 til 2,8 µm. Mikrostrukturbeskrivelse af støbejer n Klassifikation af den udskilte grafits form, størrelse og fordeling. F.eks. efter DS (01.70). Slaggeindeslutninge r Beskrivelse af art, fordeling og mængde. F.eks. DS/ISO (02.77). Bestemmelse af hærdedybd e Bestemmelse af hærdedybden ved flammehærdning og indsatshærdning samt bestemmelse af nitreringsdybden. Metoden baserer sig på hårdhedsmåling HV1 i et tværsnit vinkel - ret på overfladen. Anvendes f.eks. til bestemmelse af opkul - 133

134 ningsdybden på tandhjul. Fremgangsmåderne er f.eks be - skrevet i DIN Teil 1-3 (11.78)/(03.79)1(03.79). Bestemmelse af afkulningsdybd e Bestemmelse af afkulningsdybden på stål kan enten bestem - mes ved hårdhedsmåling eller ved visuel vurdering. En metode er f.eks. beskrevet i DS/ISO 3887 (12.77). Lagtykkelsesmålin g Bestemmelse af belægningers lagtykkelse ved måling på et tværsnit i mikroskop. Nøjagtighed +10,8 µm. Metoden an - vendes især på små eller geometrisk komplicerede emner o g er f.eks. beskrevet i DS/ISO 1463 (11.83) Kemiske analysemetoder Kendskab til et metals kemiske sammensætning er af fundamental betydning, og metoder til bestemmelse af metallers kemiske sammensætning er derfor industrielt vigtige. Nedenfor findes de tre hyppigst anvendte metoder til bestemmelse af et metals kemiske sammensætning beskrevet. Det er : Spektralanalys e EDXRF EDX Måling af spektrallinier Spektralanalyse (optisk emissionsspektral analyse) OES Denne analyseform omhandler normalt måling af de spektrallinier, som et stof vil udsende efter at være anslået p å passende måde, idet vi her kun betragter gnistudladning. I praksis sker der følgende : Mellem en wolframelektrode og prøven, som ønskes analyseret, etableres en gnist, der får en lille del af prøven til a t smelte og fordampe. Lyset fra gnisten spredes i spektrallinier og lysintensitete n opsummeres for hver af de valgte spektrallinier og via computer foretages en omsætning til procentvis koncentratio n for de programmerede elementer. Analysen udføres altid efter en forudgående planslibning a f 134

135 prøveoverfladen. Da det er en»lille del«af prøven der analyseres kræves det, at denne er homogen. Hvis dette ikke er tilfældet foretages en omsmeltning før analyse. Prøvens sammensætning ska l være homoge n Spektralanalyse er en relativ analysemetode, der kræver kendte prøver til opstilling af analysekurver. Relativ analysemetode Prøvestørrrelse ca. 20 mm. Spektralanalyser kan udføres på jern, stål og alle arter af Jern, stål og alle arter af metal - metaller og deres legeringer. ler og deres legeringe r Koncentrationsområde : ca. 0,001% - 30%. EDXRF (Energy Dispersive X-Ray Flourescens) EDXRF er en overfladeanalyse teknik, hvor det analyserede overfladelag har en tykkelse af størrelsesordenen nogle få µm Overfladeanalys e Til analyse af metallers sammensætning kan man med forde l anvende kalibrering på kendte standardblandinger. Der haves standardlegeringer på alm. stål, rustfrit stål, inconel, messing, aluminium og silumin, bronze m.m. Resultaterne opgives normalt i vægtprocent med angivelse af en vurderet, konservativt bedømt analyseusikkerhed. Resultat i vægtprocent EDXRF kan ikke give oplysning om kulstofindhold og sm å mængder af svovl og fosfor vil ligeledes være uden for rækkevidde. Alle grundstoffer med atomnummer større end 10 kan detekteres med detektionsgrænse på 0,05% til 0,5% for de vanskeligst detekterbare. De bedste analyser opnåes på plane, slebne metaloverflader med diameter d > 30 mm. Mindre emner kan også analyse - res, men med stigende usikkerhed. En enkelt spån kan bestemmes med ret godt resultat. Kun grundstoffer med atom - nummer større end 1 0 Krav, prøveemne r Beregninger af legeringers kemiske sammensætning udføres Analyser uden standard - også uden standarder (mindre nøjagtighed) fortrinsvis på blandinger legeringer, hvor standardblandingerne ikke dækker. 135

136 Anvendelser til stål og støbejern Begrænset anvendelse til stål I sammenligning med spektralanalyse anvendes metoden kun sjældent til stål og støbejern, da et analyseresultat uden oplysning om kulstofindholdet kun har begrænset interesse. Når metoden udnyttes til stålanalyse er det f.eks. for at sandsynliggøre om to eller flere stål kan være fra samm e charge, idet en sådan vurdering baseres på sammenligning af materialernes indhold af sporstoffer og legeringselementer. Analyse af slibestøv EDXRF udnyttes også til stålanalyser, når det ikke er muligt at udtage et prøveemne til spektralanalyse. I sådanne tilfælde kan man vælge at overføre lidt materiale på diamantpræpareret papir ved slibning og analysere slibestøvet Overfladeanalyse Kun grundstoffer med atomnummer større end 10 Lille analyseareal EDX (EDX = Energy Dispersive X-ray) Ved EDX-analyse bestråles prøvens overflade med elektrone r i et scanning-elektronmikroskop (SEM). EDX er en overfladeanalyse teknik, hvor det analysered e overfladelag har en tykkelse af størrelsesordenen nogle f å og som giver mulighed for at måle grundstoffer me d atomnumre større end 10, i specialopstillinger dog ned til bor (atomnummer 5). Følsomheden varierer for de forskellige grundstoffer med ty - piske værdier omkring %. Analysearealet variere r typisk fra nogle få mm til nogle få my. Anvendelser til stål og støbejer n Begrænset anvendelse til stål Ligesom EDXRF anvendes EDX kun sjældent til stål og støbejern, da analysen ikke omfatter kulstof. I praksis anvende s metoden defor kun i forbindelse med skades- og havariundersøgelser f.eks til bestemmelse af slaggers kemiske sammensætning og lign. Referencer Jørgen G. Blom,»Sporbare kalibreringer«, Metallurgisk Procesteknologi, Miljøaspekter - Kvalitetsaspekter Fremtidsaspekter, Dansk Metallurgisk Selskab Vintermødet 1991, Helsinge. 136

137 Dokumentation (certifikater) 8 For stål, højstyrkestål og støbejern behandles dette emne i kompendium Sl-B og for værktøjsstål i kompendium Sl-C. 137

138 9 Fordele/ulemper Når der skal vælges materialer til en konstruktion, gøres det - te naturligvis ud fra nogle overvejelser af, hvilke påvirkninger, emnet vil blive udsat for i sin forventede levetid. I dette afsnit behandles nogle grundelementer i materialevalgsprocessen, men emnet behandles grundlæggende i kursusmodul S6. Det bedste valg fås, hvis der anvendes en vis systematik, f.eks. bestående af de på figur 9.1 viste delprocesser. Figur 9. 1 Systematisk materialevalg Funktionsanalyse Kravprofi l Egenskabsprofil Justering a f egenskabsprofi I Er alle rav og rele - vante egenskaber ed i informaionerne, Materialevalg t Prøvning af detaljer Test af prototyp e Produktio n Anvendels e Skade r Kravprofil. For alle komponenter startes med en funktionsanalyse med en nøje gennemgang af den samlede konstruktion og de enkeltdele, som indgår deri. Analysen skal føre til opstilling af en række krav - en kravprofil -, som kan karakteriseres som summen af ønskerne til det færdige produkt. 138

139 Kravene kan stamme fra funktionsmiljøet, såvel mekanisk, kemisk, biologisk, bestrålingsmæssigt som elektrisk/magnetisk, og der kan indgå ønsker vedrørende design, produktionsteknikker, levetid og pris. Endelig må konsekvenserne a f et eventuelt havari overvejes. Krav fra mekanisk, kemisk og bi - ologisk milj ø Egenskabsprofil. De egenskaber, som er nødvendige for a t opfylde kravene, (f.eks. styrke, hårdhed og bearbejdelighe d i relation til det mekaniske miljø), må herefter udregnes/fremskaffes og listes. Når baggrundsoplysningerne e r tilstrækkelige, kan materialerne til konstruktionen vælges, og detaljer og/eller prototyper testes med eventuel efterfølgende revision af krav- eller egenskabsprofil. Nu kan delene produceres, og konstruktionen tages i anvendelse. En vigtig opfølgning er, at de skader, som måtte opstå, ana - lyseres, og at resultaterne af havariundersøgelsen bruges ti l ændring af konstruktion, materialevalg, fremstillingsteknik eller anvendelsesmåde afhængigt af den fundne årsag. Ud over de elementer, som direkte indgår i diagrammet (fig. 9.1), må der også fokuseres på følgende punkter : Virksomhedens teknik. Er der vilje til at indføre nye teknikker eller gå til underleverandører, hvis materialevalget inde - bærer dette? Produktionsmiljø. Bestræbelser i retning af at bedre produktionsmiljøet kan f.eks. påvirke beslutninger angående overfladebehandling, lodning/svejsning. Genanvendelighed. Pris alene bør ikke styre et materialevalg. Energiforbrug ved produktion og ved genanvendelse a f et metal er faktorer, som af mere overordnede globale årsager også må tages i betragtning. Ressourcer og strategiske forhold er begge forhold, som p å kort tid kan medføre drastiske prisændringer. Når konstruktioner trods grundige overvejelser alligevel havarerer, kan årsagerne være mange forskellige. 139

140 9.1 Overbelastningsbru d En skarp opdeling med udgangspunkt i brudtyper, mekanismer eller årsager er vanskelig, men för oversigtens skyld omtales først overbelastningsbrud (seje, kløvning og inter - krystallinske) som en gruppe Sejt overbelastningsbrud Hvis et metal deformeres (strækkes ud over flydespændingen), før brud indtræffer, opstår sejt overbelastningsbrud, som på grund af den plastiske deformation kræver betydelig energi for at dannes og forplante sig. De fleste ståltyper har et sejt og et sprødt brudområde, primært bestemt af temperaturen, men med indflydelse fra en række andre faktorer (se pkt ). Hvis temperaturen er over omslagstemperaturen, og deformationshastigheden er relativt lav, vil der være mulighed for sejt brud, særligt hvis spændingstilstanden er forholdsvis ukompliceret. For at sejt overbelastningsbrud kan fremkomme, skal konstruktionens kritiske tværsnitsareal belastes ud over materia - lets flydespænding og trækstyrke. Derfor vil havariårsagern e typisk være en af følgende : uventede driftsbetingelser, som f.eks. pludseligt start/stop, frost, overtryk eller temperaturgradienter. materialeforveksling underdimensionering uheldig orientering af valseretning i emnet restspændinger fra fremstillingsprocesser. reparationsfej l monteringsfej l Sejt overbelastningsbrud sker ef- Da stålet deformeres før brud, vil denne skadetype ofte ken - ter deformation des på, at der er deformation i skadezonen. Her skal man dog være opmærksom på muligheden for fejlkonkludering i tilfælde, hvor det seje brud er restbrud for havarier startet med f.eks. udmattelses- eller spændingskorrosionsrevner. Et ' Mat, mørk brudflade andet kendetegn er brudfladens mørkegrå udseende me d en mat, fløjlsagtig karakter. 140

141 Ved undersøgelse i scanning elektronmikroskop kan iagttage s»dimples«, skålformede fordybninger, som er dele af de mikrohul - rum, som opstår under den plastiske deformation, se fig Orienteringen af disse dimples på de sammenhørende brudflader kan i havariudredningen benyttes til fastlæggelse af belastningssituationen før brud, se fig. 9.3 (Ref. 1). Figur 9. 2 Skematisk fremstilling af dimp - les-dannels e a. Ligeaksiede dimples (træk) 5300 x b. Aflange dimples (forskydning) Detail B øvre brudflade ova l dimple 5400 x c. Aflange dimples (tensile tearing ) 6500 x timax ti max Fotos optaget i transmissionselektronmikrosko p Figur 9. 3 Orientering af dimples ved sejt overbelastningsbrud ved forskellig e spændingstilstande. 141

142 9.1.2 Kløvningsbrud Endnu mere uforudseeligt end det seje brud er det sprød e kløvningsbrud, som kan opstå i de fleste ståltyper. Tendensen til kløvningsbrud påvirkes af : temperatur deformationshastighe d spændingskoncentration (kærv) kemisk sammensætning forbehandling (deformation, bearbejdning o g varmebehandling ) mikrostruktur De fleste stål har en omslagstemperatur (fig. 9.4), over hvilken slagsejheden ligger på eet niveau. Omkring omslagstemperaturen falder slagsejheden brat (ved afkøling) til e t meget lavere niveau. Figur 9.4 Slagsejhed som funktion af prøvningstemperatur a L Nrn ~ Omslagskurve for I Omslags- I Sejt bru d varmvalset uberoliget områd e kulstofstål. I Sprødt bru d I C Temperatu r Kløvningsbrud sker uden deformation Ved sprøde brud (altså også kløvningsbrud) er der ingen advarsel før brud i form af deformation eller Begyndende rev - nedannelse. Revnevæksthastigheden er ekstremt høj, og energiforbruget meget lavt, dvs relativt små mekaniske påvirkninger kan udløse store brud. Ved konstruktioner, der skal fungere i frysehuse eller unde r arktiske forhold, er det nærliggende at vælge et materiale med garanteret slagsejhedsværdi ved eller under anvendelsestemperaturen, men mange andre dele kan få sprødbrud 142

143 med alvorlige konsekvenser, eksempelvis anhængertræk, krandele og beholdere. Styrkeforøgelse vil ofte være knyttet til stigning i omslagstemperatur. Dette gælder ved forøgelse af kulstofindhol d (både opløst og i form af perlit), deformationshærdning o g udskillelseshærdning. Forbedrede slagsejhedsegenskaber (lavere omslagstemperatur) fås ved kornforfining og tillege - ring af mangan og nikkel. Brududseendet ved rene (eller overvejende) kløvningsbru d er ofte glinsende. Det glinsende skyldes lysreflektion fra d e plane kløvningsflader, som dannes, når revnen løber gen - nem de enkelte korn (transkrystallinsk). Glinsende brud ved kløvnin g Makroskopisk ses ofte et pilmønster, såkaldt»chevron«- mønster, o g i scanning elektronmikroskop ses de enkelte krystalplaner med så - kaldt flodliniemønster (fig. 9.5), som fremkommer, fordi kløvninge n sker i flere parallelle planer. Sammenløbet af de forskellige fronte r danner steps af varierende højde. Både flodlinie- og chevronmønster kan benyttes til fastlæggelse a f revnevækstretning. Figur 9. 5 Kløvningsbrud fotograferet i scanning elektronmikroskop, 1000 x 143

144 Meget ofte ses flere brudtyper repræsenteret på samm e brudflade, og sejt/kløvning ses hyppigt i kombination Kornet bru d Interkrystallinsk brud Både kløvningsbrud og sejt overbelastningsbrud er transkrystallinsk, dvs revnerne forløber gennem det enkelte korn i krystalstrukturen. I modsætning hertil følger interkrystallinske revner korn - grænserne i metallets mikrostruktur, og årsagen hertil ka n enten være knyttet til strukturen (f.eks. sprøde udskillelser i korngrænser) eller en følge af udefra kommende påvirkninger som korrosion, brint eller flydende-metal-indtrængning. Efter overbelastning ses denne brudtype ofte i hærdede stål enten på grund af karbidudskillelser eller generelt svager e korngrænser. Hærderevner opstår på grund af for høje lokale spændinger under eller efter bratkøling, hvor austeni t martensit-omdannelsen sker under volumenforøgelse, og d e er ofte interkrystallinske. Forebyggelse kan være designændring, så spændingskoncentration undgås eller begrænses. Andre eksempler på korngrænseudskillelser, som kan medføre ned - sat styrke/duktilitet og interkrystallinsk revneforløb, er : tertiær cementit i kulstoffattige stå l sekundær (proeutektoid) cementit i overeutektoide stå l oxyde r sigma-fase i rust- og varmfaste stål Fremkomsten af tertiær og proeutektoid cementit er forklaret i af - snit Sigma-fase er en hård, sprød jern-krom-forbindelse, so m kan opstå i visse rustfaste stål i forbindelse med varmebehandling, svejsning eller høj drifttemperatur. 9.2 Udmattelsesbrud er knyttet til pulserende belastning Udmattelsesbru d Erfaringerne viser, at over 80% af de brud, som konstateres i. maskinkomponenter, skyldes udmattelse, dvs revnedannel - sen er forårsaget af pulserende belastninger. Af disse er det kun omkring 5%, der kan tilskrives materialefejl som primær årsag. 144

145 Konstatering af, at et brud skyldes udmattelse, er ikke en forklaring af årsagen til bruddet, men blot en fastlæggelse a f brudtypen. Dette faktum alene kan ikke bruges til forebyggelse af lignende skader, men ved en undersøgelse af brud - dets forskellige karakteristika kan indhentes oplysninger o m revnestartsted, graden af kærvvirkning i startområdet, be - lastningens art og relative størrelse. Udmattelsesstyrken hænger mere eller mindre direkte sammen med trækstyrken, men påvirkes i høj grad af overflade - tilstanden. For varmvalset stål i maskinbearbejdet tilstand er udmattelsesgrænsen ca. 40% af trækstyrken, mens rå valsede elle r smedede prøver vil have lavere styrker på grund af afkulning, stor ruhed eller andre overfladedefekter, som giver lokal spændingskoncentration. Derfor er det ved konstruktion af emner, der udsættes fo r pulserende belastninger, vigtigt at fastlægge, i hvilket områ - de af delen de største spændinger findes, så de ved bearbejdning, design med videre kan bringes ned på et passen - de niveau. For hærdede stål er der kun en sammenhæng, som den ovenfor nævnte op til en vis styrke, hvorefte r spredningen i udmattelsesgrænse bliver meget stor, se fig N/mm c Figur 9. 6 Udmattelsesgrænse som funktion af hårdhed og kulstofindhol d i sejhærdningsstål. Ref AISI betegnelse 4140 J Rockwell C hårdhed

146 Figur 9. 7 S-N-kurver for sejhærdet bol t uden og med ruining af gevindet N/mm 2 50 B 40 bolte, ø 16m m Gevind rullet efte r varmebehandling Ri a Antal svingninger før brud i millioner Udmattelsesstyrken afhænger også af mikrostrukturen. Styrken fal - der med faldende martensitandel (for samme hårdhed), og en sfæroidiseret struktur giver bedre udmattelsesegenskaber end en perlitisk (ved samme trækstyrkeniveau). Udmattelsesrevner vokser kun, hvis den pulserende spæn - ding ligger i trækområdet i en del af eller hele sin spændings - cyklus. Derfor kan udmattelsesstyrken øges, hvis der kan introduceres trykspændinger i overfladen, hvor revnen jo of - test initieres. Hvis der indbygges en»forspænding«i trykområdet, nedsættes størrelsen af den pulserende trækspænding og dermed risikoen for initiering af udmattelsesrevner. Metoder til dette er f.eks. indsatshærdning, nitrering, shot - peening, rulning og deformation, og fig. 9.7 viser et eksempel i form af sejhærdede bolte med og uden rulning. Hensigtsmæssigt design ka n hindre initiering af udmattelsesrevner Hyppigste årsag til udmattelsesrevners initiering er no k uhensigtsmæssig kontruktiv udformning med deraf følgen - de spændingskoncentration, som der ikke er taget højde for i beregningerne. Typiske eksempler er dimensionsovergange, skarpe hjørner, huller, noter, overgang mellem hoved og skaft på bolte sam t gevind. 146

147 Forste gevindbund i en udformning som vist på fig. 9.8, b giver lige så stor spændingskoncentration som enkeltkærve n a, hvor en udformning som c er langt bedre. Endnu bedre er det at udforme bolten med et glat skaft me d mindre diameter end gevindets, men effekten er betinget a f glat og stor rundingsradius. Brududseendet på et udmattelsesbrud kan, som nævnt, give en række informationer. Fig. 9.9 viser, hvorledes spændingskoncentration, spændings - niveau og belastningsart giver varierende brududseende. Figur 9. 8 Spændingskoncentration ve d gevind. Ref. 3 (C) Høj nominel spændin g Ingen spændings- Svag spændings- Stor spændings - koncentration koncentration koncentration Ingen spændingskoncentration Lav nominel spændin g Svag spændings- koncentration Stor spændings - koncentratio n erende bøjning Momentant opstået restbru d G~ Kærv med spændingskoncentratio n Figur 9. 9 Skematisk præsentation af brududseende for udmattelsesbrud. Ref

148 Glat brudflade ofte med liniemønster Udmattelsesdelen af brudfladen er ofte glattere end rest- bruddet, og der ses hvilelinier, hvis spændingsniveauet ha r varieret. Hvilelinierne svarer til brudfronter på forskellige tidspunkter, se fig Figur Udmattelsesbrud I scanning elektronmikroskop ses parallelle linier, såkaldte striations - linier, hvis indbyrdes afstand svarer til revnevæksten under een pulsationscyklus, se fig Figur Udmattelsesbrud fotograferet i scanning elektronmikroskop, 3000 x 1.48

149 Sprødhedsformer 9. 3 En af de mest kendte sprødhedstyper er brintskørhed. Skør - heden resulterer i nedsat duktilitet (brudforlængelse) og forsinket brud ved statisk belastning. Forekomsten er knyttet til diffunderende brint stammend e fra f.eks. overfladebehandling eller korrosionsprocesser, o g skaderne opstår under spænding, som kan være restspændinger eller pålagt belastning. Revnerne starter ofte fra punkter under overfladen. Følsomhed har stål med styrker over et vist niveau. Ved trækstyrke under 700 N/mme optræder fænomenet yderst sjældent, ved styrker over N/mme praktisk taget altid. Hvor brintkilden er kendt, kan sprødheden undgås ved e n varmebehandling umiddelbart efter den behandling, so m giver mulighed for brintoptagelse. Blandt de rustfrie stål er kun de austenitiske kvaliteter uføl - somme. Bruddet er ofte interkrystallinsk, men kan også være transkrystallinsk kløvning eller blandet. Andre sprødhedsformer, der er knyttet til diffusion i stålet, er : anløbningssprødhed, som fremkommer ved varmebehandling ved C i Mn-, Cr-, Cr-Mn- og Cr-Ni- legerede stål. blåskørhed, som opstår, når stål deformeres i temperaturområdet C. deformationsældning, som forekommer i uberoliget stål efter deformation og opvarmning til C. Et sprødhedsfænomen i en gruppe for sig selv er LME (liquid-me - tal-embrittlement), flydende-metal-indtrængning, som forårsage r nedsat styrke og sejhed. Mekanismen er knyttet til kontakt melle m specifikke metaller og metalsmelter. Stål er følsomt overfor messing, aluminiumbronze, kobber, zink, bly - 149

150 tinlod og cadmium, mens andre metalliske konstruktionsmateriale r er følsomme over for andre specifikke flydende metaller. Voldsomme konsekvenser ses f.eks. ved afbrændte lejer på krumtapaksler, hvor det varme lejemetal kan trænge flere mm ind i stålet. E n renovering fjerner måske kun et par tiendedele, og det svækked e område danner hurtigt udgangspunkt for udmattelsesrevner. En så - dan skade kunne forebygges ved revneundersøgelse med magnetoflux efter renoveringsslibningen. 9.4 Krybnin g Ved forhøjet drifttemperatur kan levetiden af et metal, so m belastes pulserende eller statisk, være begrænset, selv om spændingen er under flydespændingen for metallet. Spænding sammen med forhøjet temperatur kan resultere i en kontinuert deformation i materialet, dvs krybning. Efter en tidsperiode kan krybningen resultere i brud (krybebrud). Krybning kan forventes ved temperaturer lidt over legeringen s rekrystall isationstemperatur De kombinationer af betingelser, der er nødvendige for at krybning sker, afhænger af legeringstypen, men generelt kan man forvente krybning ved temperaturer lidt over legeringens rekrystallisationstemperatur. Forhøjet temperatur kan for aluminium begynde ved 200 C, for lavt legeret stål ved 370 C og for nikkel- eller kobolt-baserede højtemperaturlegeringer ved 650 C. Det er altså nødvendigt før materialevalget at have nøj e kendskab til de betingelser, der vil herske i drift med forhøj - et temperatur, også selv om belastningerne umiddelbart ser ud til at være meget små. Et brud opstået ved krybning kan være sejt med dimples, men der er også mulighed for interkrystallinsk eller kløvningsbrud, så ved brudanalyse vil det være nødvendigt at s e på andre forhold end de rent mikrofraktografiske. I øvrigt kan der være andre medvirkende faktorer ved krybebrud, nemlig pulserende belastning, oxydation, korrosion og erosion. 150

151 Slid 9. 5 En måde at opdele slid efter er gruppering efter slidbetingelser, dvs. efter arten af det medium, metallet er i kontakt med, se fig Metal i Bevægelse Omgivelser Eksempel Figur Slidbetingelser og eksemple r kontakt med Vådsands - Våd t Glidende transportø r Ikke-meta l eller Tørt Plovskær slidmateriale Rullende Vådt Kuglemøll e Tørt Knusevalse r Slagagtig Vådt Tørt Graveudsty r Sandblæsning Metal Glidende Smurt Ikke smurt Smurt Aksel i lej e Bremse Rullelej e Rullende Ikke smurt Hjul p å jernbanespo r Væske eller damp Våddamp Forbrændingsgas Turbine Gasturbin e ventil En anden måde er at opdele efter slidtype, hvor følgende e r de almindeligste : abrasivt sli d adhæsivt slid pittin g fretting Abrasivt slid forekommer oftest ved betingelser, hvor meta l er i kontakt med ikke-metal. Ved abrasivt slid ridses metallet eller mikrospåntages, og stå - lets hårdhed er derfor afgørende for slidhastigheden. Ogs å Abrasivt slid er mikrospåntagning 151

152 mikrostrukturen spiller en rolle; således er perlit mere slid - bestandigt end bainit og anløbet martensit, når der sammenlignes prøver med samme hårdhed og kulstofindhold. Imidlertid er martensit anløbet ved lave temperaturer (me d deraf følgende stor hårdhed) de øvrige strukturer overlegen. Hårde indeslutninger i stålet f.eks. karbider øger slidstyr - ken, men virkningen er afhængig af form, størrelse og for - deling af karbiderne, ligesom matrixens hårdhed er vigtig. Abrasivt slid kan også forekomme ved metal-metal-kontakt unde r smurte betingelser og er så oftest forårsaget af urenheder, slidmateriale eller f.eks. kernesand. Sliddet fører til matte eller ridsede over - flader. Hvis den ene metalflade kan optage slidpartiklerne (f.eks. lejemetal), kan dette begrænse sliddet. Figur 9.13 viser relativ slidbestandighed af en række stål og støbejern testet ved rubber-wheelabrasion-test. Figur 9.13 cm 3 Slidbestandighed af forskellig e materialer sammenlignet ved 1. 0»rubber-wheel-abrasion test«~ Y cw E - -o - ö L 0. 1 ~ - ö tn Y ~ Ø L L c U -o ~ - - N N - c E 'w _ o c E - - v - m - _ v - ~ -2-2 rn - La c -ö r W =7a -E L Ü 'Ö V _ E 0 _.m to a, ~ L lö.n ' L L Q N O Ö ~ d _ å Ta c v m l7 ~ m rn J ~ V > Stigende slidbestandighed Y e N ~ ~ c w V 2 V N V ~ V ~ V m U = Adhæsivt slid skyldes sammen- svejsning af mikrozoner Adhæsivt slid skyldes lokal kontakt mellem de to metalfla - der, som i mikrozoner trykker sig ind i hinanden, så de nær- mest svejser sammen. Når de rives fra hinanden igen, flyttes materiale, og denne slidtype kan føre til meget hurtig nedslidning. Hvis materialerne er meget forskellige og uopløselige i hinanden, mindskes tendensen til sammensvejsning. 152

153 Pitting er overfladeudmattelse, hvor forskydnings- eller trækspændinger initierer revner ved overfladen eller unde r denne, som kan medføre udfald af metalstykker. Skadetypen ses ofte i tandhjul og kan skyldes fejl i tandudformning, finish eller opretning, som giver for højt lokalt tandtryk og mulighed for gennembrydning af den oliefilm, som skal holde fladerne adskilte. Fretting opstår, når to sammenpressede overflader udsætte s for vibrationer og en deraf følgende lille relativ bevægelse. Slidmaterialet oxyderer, og fænomenet kaldes derfor også pasningsrust. Det ses i boltesamlinger, ved påkrymped e kuglelejer og kraftoverføring generelt, og en konsekvens a f fretting kan være udmattelsesrevner. Forebyggelse er fjernelse af relativ bevægelse (ved fjernelse af vibrationerne elle r ændring af overfladekvalitet ved overfladebehandling) elle r smøring. Pitting er lokal overfladeudmattels e Fretting skyldes vibrationer o g lille relativ bevægelse Ved slid under smurte betingelser (metal mod metal) er det faktorer som hårdhed, mikrostruktur, styrke, sejhed og overfladens ruhed, der er afgørende for levetiden. Overfladekvaliteten er vigtig, fordi den afgør, hvor tykt et olielag, der ska l til for at holde fladerne adskilte uden lokal kontakt. Korrosionsformer 9. 6 Et korrosionsangreb kan ske ved meget forskelligartede mekanismer, og korrosionsbilledet kan være så karakteristisk, at det afslører årsagen til angrebet. Fladetærin g Et ensartet angreb viser, at de korrosive delprocesse r (katode- og anodeprocesserne) foregår på alle dele af over - fladen, og denne korrosionsform ses på metaller, som ikk e let passiveres (danner beskyttende oxydoverfladelag). Grubetæring (pitting ) Gruber opstår, når en beskyttelse (f.eks. fornikling eller passivering) er utilstrækkelig, eller omkring ædlere urenheder i mindre ædle metaller. Ses ofte på rustfrit stål i kloridholdigt miljø. 153

154 Interkrystallinsk korrosio n Angreb i metallets korngrænser kan skyldes udskillelser i disse, som det f.eks. er tilfældet i rustfrit stål, hvor en uhensigtsmæssig opvarmning kan give kromkarbidudskillelser, som nedsætter bestandigheden af metallet umiddelbart op til korngrænserne. Selektiv korrosio n Hvis strukturbestanddelene i en legering angribes med forskellig hastighed, kan korrosionsangreb medføre, at de n mest bestandige fase står tilbage, så delen ikke har ændret geometri. Ses i form af afzinkning i messing og grafitering af støbejern, hvor grafitten står tilbage. Spændingskorrosio n Ved specifikke kombinationer af legering og korrosivt medium kan der, hvis der samtidig er trækspænding i emnet, op - stå revnedannelse, som enten kan være trans-eller interkrystallinsk. Forekommer i rustfrit stål under påvirkning af klorid unde r inddampning og i blødt stål i koncentreret lud. Tildækningskorrosio n Hvis der på grund af aflejringer af slam eller spalter i konstruktionen ved samlinger kan dannes koncentrationselementer i den væske, der dækker metallet, vil angrebshastigheden øges ekstremt i det tildækkede areal. Galvanisk tærin g Hvis forskellige metaller (eller forskellige passiveringstilstande af samme metal), som er elektrisk forbundne, neddyppe s i en fælles elektrolyt, vil det mindst ædle metal blive angre - bet kraftigere, end hvis det havde været i væsken alene, mens det mest ædle metal vil angribes mindre end forventet. Desto større forskel, der er i metallernes ædelhed (potentiale i given væske), jo større vil det galvaniske angreb være. 154

155 Spændingsrækken i havvand er : Uædel ende Magnesiu m Zink Aluminiu m Cadmiu m Blødt stål Støbejer n Ni-resist (støbejern ) Ferritisk rustfrit stål (aktivt ) Loddeti n Austenitisk rustfrit stål (aktivt ) Bly, tin Messinglegeringe r Nikkel (aktivt ) Messinglegeringer, kobbe r Nikkel (passivt) Mone l Rustfrit stål (passivt ) Sølv Titan Grafit Guld Ædel ende Platin Udover arealforholdet mellem de to metaller, som er i kon - takt med hinanden, influerer også metallets evne til at pas - sivere på angrebshastigheden. Referencer 1. Metals Handbook, vol. 9, 8th edition, ASM Metals Handbook, vol. 1, 8th edition, ASM Metalliske materialer, fejl og skader, årsaker og botemidler, Det Norske Veritas 155

156 10 Leveringsforme r For stål, højstyrkestål og støbejern behandles dette emne i kompendium Sl-B og for værktøjsstål i kompendium S1-C. 156

157 Prisforhold 1 1 For stål, højstyrkestål og støbejern behandles dette emne i kompendium Sl-B og for værktøjsstål i kompendium S1-C. 157

158 Stikord 0,2-spændingen 90, 109 Bøjeprøvning 107 Erstatningsatomer 30 Abrasivt slid 151 CCT-diagram 71 Etapehærdning 83 Adhæsivt slid 151, 152 Cementit 41 Eutektisk reaktion 38 Afbrand 23 Charpy slagsejheds - Eutektisk diagramtype 3 9 Afkulningsdybden 134 prøvning 113 Eutektiske punkt 37 Afkølingslinie 71 Chevron-mønster 143 Eutektoid reaktion 41 Afslagning 22 Curle-temperatur 99 Fasediagram 31 Afspændingsglødning 84 Deformationshærdning Faseudskillelse 59 Aggregat 59 60, 90 Fast opløsning 29 Allotropi 27 Deformations- FCC-gitter 2 6 Aluminium (Al) 53 ældning 61, 149 Ferrit 42, 43 Anisotropi 107 Dendritstruktur 24 Ferromagnetisk 9 9 Anløbning 81 Desoxidationsmiddel 53 Ferskning 2 1 Anløbningssprødhed 149 Desoxideret 52 Finperlit 68 Arbejdskurven 109 Diffusion 32, 97 Fladetæring 153 Arbejdslinie 90 Dimples 141 Flammehærdning 85, 86 Argoninjektion 23 Dislokationer 31 Flammehøvl 2 4 Argonspuling 23 Dispersion 59 Flodliniemønster 143 Austenit 43, 45 Dispersionshærdning 63 Flydende-metal-indtræng- Austenitisering 67 Dobbeltberoliget 22 ning 144, 14 9 Autorisationsordning 104 Dokumentation 102 Flydespænding 55, 89, 109 Bainithærdning 78 Dornudvidelses - Forlængelse 5 5 Bake-hardening 62 prøvning 107 Forskydningsprøvning 107 BCC-gitter 26 DP-stål (Dual Phase Fosfor (P) 5 1 Beroliget stål 22, 51, 52 steel) 66 Fretting 151, 153 Bessemer-pære 12 Duktilitet 90 Galvanisk tæring 15 4 Binær 29 Dybtræksevne 55 Gangarter 18 Binære tilstands - EDX-analyse 135 Gasindsætning 86 diagrammer 32 EDXRF (Energy Dispersive Gasnitrering 87 Blandingslegering 3 3 Blokstøbning 14 Blødglødning 7 7 Blåskørhed 149 Bor(B) 54 Bratkøling 80 Brinell-metoden 92, 122 Brint (H) 5 2 Brintskørhed 52, 149 Brudforlængelsen 90, 108, 110 X-Ray Flourescens) 13 5 Egenskabsprofil 13 9 Elasticiteten 8 9 Elasticitetsmodul 89 Elastisk deformation 90 Elektrisk ledningsevne 9 8 Elektroovn 20 EN 45001: Energy Dispersive X-Ray 13 6 Erichsen-test Gigtgas 2 0 Gitterfejl 30, 3 1 Glødeskalsbestandighed 5 5 Grafit 41 Grovperlit 68 Grubetæring 153 Hak 60 HCP-gitter 2 6 Hexagonalt tæt pakket gitter (HCP) 2 6 Homogen legering 33

159 Homogenitet 23 Kolddeformationsgrad 6 1 Martensit 57, 68, 80 Hooke's Lov 89 Koldskørhed 55 Martensit-sluttempera - Hvilelinier 14 8 Kontrol 10 2 turen M f 65 Hypereutektoide stål 42 Konverterstål 20 Martensit-start tempera - Hypoeutektoide stål 4 2 Kornforfining 62 turen Ms 65 Hærdbarhed 55, 81 Korngrænse 31 Martensithærdning 79 Hærdedybde 13 3 Korngrænseglidning 97 Materialevalg 138 Hærderevner 80 Korngrænseudskillelse 144 Mekanisk egenskab 88 Hærdet stål 81 Kornstørrelsesmåling 133 Mekanisk prøvning 106 Hærdetemperatur 6 9 Korrosionsbestandighed 5 5 Metalbindinger 2 6 Hærdning 79 Korrosionsformer 153 Metallernes ædelhed 15 4 Højovn 11,19 Kravprofil 138 Metallografiske prøvnings - Højtlegeret stål 4 9 Kritisk afkølings - metoder 13 3 Hårdhed 55, 91, 118 hastighed 55, 80 Metaltræthed 94 Idealt plastisk 8 9 Kritisk deformationsgrad 85 Mikroporer 97 Mikrolegeret stål 4 9 Ikke-destruktive prøvnings - metoder 129 Krom (Cr) 5 3 Mikrorevner 9 8 Ilt (0) 52 Krybebrud 150 Modningshærdning 63 Indskudsatomer 3 0 Indsætning 86 Indsætningsdybde 85, 8 6 Indsætningshærdning 86 Krybning 92, 97, 15 0 Krystalgitter 26 Kubisk fladecentreret gitter (FCC) 26 Molybdæn (Mo) 53 Monotektisk e diagrammer 40 Nedbøjningsprøvning 107 Indtrængningstest 91 Kubisk rumcentreret Nedre bainit 68, 6 9 Induktionshærdning 85, 86 gitter (BCC) 26 Nedre flydegrænse 90 Induktionsovn 14 Kulstof (C) 52 Nikkel (Ni) 53 Induktiv omrører 24 Kvælstof (N) 51 Nitemper-proces 87 Interkrystallinsk brud 144 Kærvslagprøve 94 Nitroc-proces 87 Interkrystallinsk Kærvslagstyrke 55 Normalisering 78 korrosion 154 Kærvvirkning 145 Normer 10 5 Intermediære forbin - Køleskrot 23 Omslagsdelser 29 Lagdeling 24 temperatur 93, 140, 14 2 ISO V-kærv 113 Lagtykkelsesmåling 129 Opkulningsdybde 133 Isoterm omdannelse 67 Lavtlegeret stål 49 Opløsningshærdning 5 7 Jern-cementitdiagram 42 LD-konverter 20 Overbelastningsbrud 14 0 Jern- og stålproduktion 11 Legeringer 29 Overfladeudmattelse 15 3 Jernkarbid 41 Legeringselementer 51 Oxygenblæsning 13 Jernmalm 18 Ligevægtsdiagram 34 Pasningsrust 15 3 Karbonitrering 87 Liquiduslinie 35 Patentering 78 Kastninger 80 LME 149 Pendulglødning 78 Kemiske sammen - Lunker 15 Peritektisk diagramtype 40 sætning 134 Lysbueovn 14 Peritektisk reaktion 40 Kløvningsbrud 142 Magnetiserbarhed 99 Peritektoid reaktion 4 1 Kobber (Cu) 53 Magnetiske egenskaber 98 Perlit 42, 69 Kobolt (Co) 54 Mangan (Mn) 52 Pitting 151, 15 3 Kolddeformation 55 Martempering 83 Plastisk deformation

160 Proeutektoid cementit 70 Proeutektoid ferrit 47, 70 Prøvningsforskrifter 105 Prøvningslaboratorier 104 Prøvningsresultater 103 Pseudobinære diagram 4 1 Pulserende belastninger 144 Pulvermetallurgiske stål 23 Reboundtest 91 Reduceringsproces 1 9 Rekrystallisation 84 Rekrystallisationsglødning 77 Rekrystallisationstemperatur 85 Restaustenit 69 Restbrud 94,140, 148 Restitution 84 Restspændinger 67, 80 Revner 2 4 Ridsetest 91 Rockwell hårdheds - måling 124 Rockwell-metoden 92, 124 Rustfast 53 Rustfri 53 Rød- og varmeskørhed 55 Rødskørhed 5 1 Råjern 12 Saltbadsindsætning 86 Sejhærdet stål 81 Sejring 24 Sejt overbelastnings- Brud 140 Sekundær cementit 47, 144 Sekvensstøbning 24 Selektiv korrosion 15 4 Sfæroidisering 77 Sfæroidit 60 Shotpeening 14 6 Siemens-Marti n processen 14 Sigma-fase 14 4 Silicium (Si) 52 Sinterproces 18 Skemetallurgi 23 Skrot 14 Slagge 24 Slaggepotte 2 1 Slagpåvirkning 92 Slagsejhedsprøvning 113 Slid 151 Slidbetingelser 15 1 Slip 89,97 Slipplaner 26 Smedelighed 5 5 Smith-diagram 95 Soliduslinie 35 Specifik modstand 9 9 Specifik varme 9 8 Spontan magnetisering 99 Sprøde brud 93,142 Sprødhedsformer 149 Spænding 88 Spændingsfriglødning 8 4 Spændingskoncentration 142, 145, 147 Spændingskorrosion 15 4 Spændingsrækken 15 5 Standarder 105 STP (Statens Tekniske Prøvenævn) 104 Strengstøbning 14 Striationslinier 148 Støbepulver 24 Stål 1 2 Substitution 3 0 Sugning 24 Svejsbarhed 52, 5 5 Svovl (S) 51 T-gitter 2 6 Tekniske regler 105 Termalhærdning 8 3 Termisk udvidelse 98 Termo-mekaniske processer 67 Ternær 2 9 Tertiær cementit 46,144 Test 102 Tetragonale gitre (T) 26 Thomaskonverter 12 Tildækningskorrosion 15 4 Tilstandsdiagram 31 Torsionsprøvning 105 Transkrystallinsk 14 3 Trekantsdiagram 41 Tringlødning 78 Trinhærdning 69, 83 Trinnormalisering 78 Tripelpunkt 32 Trykprøvning 107 Trykspændinger i overfladen 146 Trækprøvestænger 108 Trækprøvning 90, 108 Trækstyrke 55, 90, 110 TTT-diagrammer 67 Tøjning 8 8 Tøjningshastighed 92 Uberoliget stål 52 Udmattelsesbrud 144 Udmattelsesgrænse 94 Udmattelsespåvirkning 92, 116 Udmattelsesstyrke 5 5 Udmattelsestræthed 94 Udskillelseshærdning 63 Ulegeret stål 4 9 Urenheder 51 Vacuumbehandling 23 Vakance 3 1 Valseværk 15 Vanadium (V) 54 Varmebestandighed 55 Varmefylden 9 8 Varmeledningsevne 98 Varmlagring 22 Verifikation 102 Vickers hårdheds - måling 11 9 Vickers-metoden 9 2 Vægtstangsregel 36 Wolfram (W) 54 Wöhler-diagram

161 Ældningstilbøjelighed 5 1 Øvre bainit 68, 69 Øvre flydegrænse

162