Stål

Stålbro

Stålvaier

Ståler enlegeringderjernogkarboner de primære legeringselementene. En klassisk definisjon er at stål er jern-karbonlegeringer med opptil 2,1 prosent karbon.

Legeringer

Stål kan legeres til med forskjellige egenskaper avhengig av hvilke og mengden legeringselementer som stålet inneholder.

Karbonstål

Den mest lettvinte legeringen av stål er legeringer som bare inneholder karbon og jern. Legeringselementene er forholdsvis billige og blir derfor ofte brukt i et stort antall sammenhenger slik som konstruksjonsstål.

Rustfritt stål

Ettersom vanlig karbonstållegeringer er svært sensitive forkorrosjon,blir stål gjerne legert opp tilrustfritt stålmed formålet om å passivisere det. Passivisering vil si at stålet blir motstandsdyktig mot korrosjon under bestemte forhold ettersom det formes et oksidsjikt på stålets overflate, som motvirker korrosjonsprosessen. Karbonet gjør stålet sterkere ved å legge seg interstitielt, det vil si mellom jernatomene, i krystallgitteret. Dermed hindrer karbonet jernatomene i å gli fra hverandre. Karbonatomene vil også påvirke fasetransformasjonene (endringen av krystallstrukturen) i metallet, slik at stålet blir mer herdbart.Herdbarheter muligheten til å oppnå fullhardhetmed en gitt kjølingshastighet.

Legeringselementer

Andre legeringselementer kan væremangan,kromellernikkel.Når karboninnholdet i jern overstiger 2,1 prosent, blir legeringen betegnet somstøpejern.

• Karbonbrukes for å gjøre stålet sterkere, men reduserer seighet og sveisbarheten.Karbon er uten sammenlikning det som påvirker jernets egenskaper mest.
• Silisiumelleraluminiumbrukes for å unngå at smelten bobler og danner porer innvendig (engelskkilled).Videre øker silisium hardheten og herdbarheten, men mindre enn mangan.
• Nitrogen.
• Magnesiumbrukes på samme måte som karbon, men har mindre effekt. Det øker likevel hardheten i stålet.
• Niobbrukes for å øke styrken, formbarheten og duktiliteten.
• Vanadiumi små mengder øker styrken i karbonstål.
• Nikkelgir sammen med krom økt herdbarhet, høyere slagstyrke og bedre utmattingsegenskaper. Om mye nikkel brukes er det fare forhydrogensprekker.
• Kromforbedrerherdbarheten.
• Molybdenforbedrer herdbarheten mer enn krom, og brukes gjerne sammen med nikkel for å forbedre de mekaniske egenskapene.
• Titan.
• Manganøker styrken, men er ikke så virkningsfullt som karbon. Det reduserer også duktivliteten og herdbarheten.

Produksjon

I Norge produseres stål påMo i Rana.Den største stålprodusenten i USA erNucor Corporation.

Krystallstruktur

Stållegeringer har flere typer mikrostrukturer som kan fremstilles ved varmebehandling. Hvilken mikrostruktur som fremkommer avhenger av legeringsgraden av karbon og avkjølingshastighet.

For varmebehandling av stål med karbonkonsentrasjoner mellom 0,022 % og 0,76 % karbon får vi en proeutektoid struktur. Ved 0,76 % karbon får vi eutektoid struktur. For stållegeringer mellom 0,76 % og 2,1 % får vi en hyperutektoid struktur. Ved konsentrasjon høyere enn 2,1 % karbon har man støpejern.

Avhenging av hastigheten som stålet kjøles ned med fra austenittisk fase vil strukturen inneholde forskjellige faser som deles inn i Widmanstätten ferritt,martensitt,øvrebainitt,nedre bainitt,perlittogspheroditt.Hvilken fase som finnes og mengden av den enkelte fasen har svært stor innflytelse på egenskapene til stålet.

En legering av jern og karbon kan eksistere ved tokrystallstruktureri fast fase, kaltferrittogaustenitt.Hvilken struktur som er til stede avhenger av temperatur, hvilke legeringselementer som er i stålet samt deres konsentrasjon. Overgangen mellom ferritt og austenitt er svært viktig ved varmebehandling av stållegeringer, ettersom de to fasene har svært forskjellige evne til å løse opp karbon. Ved varmebehandling kan egenskapene til stålet raffineres videre til de ønskede egenskaper. Generelt inneholder ingen stål- eller støpejern-legeringer mer karbon enn 6,7 %.

Ferritt

Ved romtemperatur vil en karbon-stållegering ha en ferrittisk struktur. Ferritt har en krystallstruktur av typen BCC (Body-Centered Cubic). Den ferrittiske krystallstrukturen vil vedvare ved oppvarming frem til en temperatur på minimum (avhengig av legeringsgrad) 727 ℃, hvor ved videre oppvarming austenitt vil dannes. Ved en temperatur på over 1394 ℃ vil en ferrittisk fase igjen oppstå (avhengig av legeringsgrad) kalt deltafase.

Ferrittisk stål vil ved en legeringsgrad på over 0,022 % karbon inneholde en viss mengde cementitt. Cementitt er et svært hardt og sprøttkeramsom har stor innvirkning for styrken til legeringen.

Austenitt

Austenitt formes for karbonstål ved temperaturer på over minimum 727 ℃. Dersom denne fasen er ønsket ved lavere temperaturer (slik som austenittisk rustfritt stål) må stålet legeres videre med andre legeringselementer. Austenitt har en krystallstruktur av typen FCC (Face-Centered Cubic). Austenitt er i motsetning til ferritt ikke magnetisk.

Atmosfærisk forurenset stål

Det kreves mye uforurensetlufttil produksjon av stål. Dette har den særegne følgen at alt stål produsert etterHiroshima/Nagasakiog de over 2 000 påfølgendeatomprøvesprengningenehar spor avradioaktivitet.I spesielt følsommestrålingsmonitorer,f.eks i romskip, er man derfor helt avhengig av å ha tilgang til stål produsert før 1945.

Den viktigste kilden til slikt gammelt stål er restene av den keiserligetyskekrigsflåten,som etterførste verdenskriglå for anker iScapa FlowpåOrknøyene,og der ble senket av tyskerne selv. I de nærmeste tiårene ble store deler av flåten slept tildokkeneiFirth of Forth,men fremdeles ligger noe av det gamle høykvalitetsstålet tilbake på få meters dyp. Utstyr somApolloetterlot påmånen,den del avGalileo-sondensom rakk frem tilJupiter,ogPioneer-sonden som nå har forlatt solsystemet inneholder rester av keiserens stolte marine.