Materiallære VG1
Industriskolen Innhold 1. Innledning materiallære.... 4 2. Metaller... 6 3. Legeringer... 7 3.1 Legeringselementenes innvirkning...8 4. Jern.... 10 5. Stål... 11 5.1 Ulegert og lavlegert stål... 12 5.2 Rustfrie stål... 14 5.3 Varmebehandling........................................ 14 6. Materialprøving... 17 6.1 Hvorfor utfører vi materialprøving?.... 17 6.2 Aktuelle destruktive prøvingsmetoder... 18 7. Aluminium vår tids metall.... 21 7.1 Materialegenskaper.... 24 7.2 Fremstilling av aluminium... 25 7.3 Legeringer... 30 7.4 Korrosjon... 30 7.5 Anvendelsesområder for aluminium... 31 8. Materiallære Tre... 33 8.1 Hva tre brukes til... 33 8.2 Treets viktigste egenskaper... 34 9. Plast... 35 9.1 Hva er plast... 35 9.2 Herdeplast.... 36 9.3 Termoplaster... 38 9.4 Fordeler med plastmaterialer... 39 9.5 Forbruk av plast.... 40 10. Kompositte materialer... 40 11. Elastomerene - gummi... 41 12. Glass... 42 3
Materiallære VG1 1. Innledning materiallære Materialer brukes for å fremstille et produkt Kunnskapen om materialenes egenskaper, muligheter for bearbeiding og bruk har gjennom århundrer vært grunnlaget for utvikling og fremstilling av forskjellige konstruksjoner og produkter. Metaller har spilt en viktig rolle for alle høykulturer som vi kjenner gjennom historien. De tidligste funnene av metaller som var klumper av gull, som stort sett ble brukt til smykker. Omkring år 2000 f.kr. lærte folk i Asia å framstille kobber og tinn til en legering som fikk navnet bronse. Derav har vi navnet bronsealderen. Bronsen ble ikke oppdaget i Norden før omkring år 1500 f.kr. År 1500 f.kr. ble det oppdaget at jern kunne smis og bearbeides slik at det ble sterkere enn bronse. Da begynte jernalderen. En stadig utvikling av materialer og ikke minst bearbeidingsprosesser, har hatt en avgjørende betydning for utviklingen i samfunnet. Eksempler på materialtyper er metaller, stål, tre, kompositt, plast, gummi, tekstil, hud, stein og glass. I dagens samfunn har vi lært oss å utnytte mange materialer, og ikke minst i bilproduksjonen har plast og lettmetaller overtatt mye av jernets plass. Men jern er fortsatt det viktigste bruksmaterialet vi har. Materialegenskaper Dette er et godt materiale eller dette var et dårlig materiale kan vi si. Men hva mener vi med det? Hva er godt, eller hvorfor er en ting dårlig? Uten at vi egentlig tenker over det eller sier det, mener vi at det aktuelle materiale har en eller flere egenskaper som passer til et bestemt formål. Et materiale er ikke godt eller dårlig i seg selv. Men det kan oppfylle et funksjonskrav mer eller mindre godt. Hvor godt eller dårlig det fyller funksjonskravene, bestemmes av de forskjellige egenskapene materialet har. Det er mange typer egenskaper vi kan være ute etter. De viktigste egenskapene for et konstruksjonsmateriale er 1. Mekaniske egenskaper, som - Strekkfasthet - Bøyefasthet - Slagfasthet - Trykkfasthet - Forlengelse - Elastisitetsmodul 4
Industriskolen - Hardhet 2. Termiske egenskaper, som - Brennbarhet - Temperaturbestandighet - Varmeledningsevne - Varmeutvidelse 3. Elektriske egenskaper 4. Kjemiske egenskaper, som - Løselighet - Permeabilitet Dette er reine materialegenskaper som er vel definerte og forholdsvis lette å måle. Verdiene for disse materialene er knyttet til materialet som sådan, og er (praktisk talt) uavhengig av produktets fasong og størrelse. En material- eller råvareleverandør vil oppgi flere eller færre av disse egenskapene, og kanskje enda andre, i sine datablad. De verdiene som er oppgitt for disse egenskapene, er såkalte korttidsverdier. Som navnet sier, gir prøveformen resultatet i løpet av kort tid. Det kan dreie seg om sekunder eller minutter. Når materialet blir brukt i en konstruksjon, spiller bruksbetingelsene en stor rolle, og da blir det også spørsmål etter en annen type egenskaper: 5. Aldringsegenskaper, som - Indre spenninger - Værbestandighet 6. Temperaturens innvirkning på andre egenskaper 7. Belastningens betydning for egenskapsforandringene 5
Materiallære VG1 2. Metaller Fra gammelt av har man delt grunnstoffene i metaller og ikke-metaller. Av ca. 110 grunnstoffer er ca. 80 metaller, men grensen mellom metaller og ikke-metaller er ikke skarp Både i fast og flytende tilstand har alle rene metaller en karakteristisk metallglans. De er grå eller sølvhvite med unntak av kobber som er rødbrunt, og gull som er gult. Karakteristisk for metaller er også at de er ugjennomsiktige. De fleste metallene er seige og lar seg hamre eller valse til tynne plater og trekke ut til tynne tråder. (kilde: Store Norske Leksikon) Metaller leder varme og elektrisitet, både i fast og flytende tilstand. Dette skyldes at atomene holdes sammen av sterke krefter. Årsaken er at de har mistet elektroner som svever fritt i mellom atomene. I en metallisk binding har atomene mistet elektroner og blir positivt elektrisk ladet. Egentlig vil derfor atomene frastøte hverandre som to like magnetpoler. Men de negative elektronene svever omkring og binder det hele sammen som «lim».kreftene som holder atomene sammen er så sterke at tråd på tykkelse med lillefi ngeren din kan holde en last på 15 tonn. Vi kan lage legeringer som klarer både mer og mindre. Det er på grunn av de frie elektronene at metaller leder elektrisk strøm. Setter vi et elektrisk spenningstrykk over en metallstav eller kabel, vil de frie elektronene løpe mot positiv pol. Rene metaller brukes sjelden alene, men blandes ofte med flere typer av metalliske grunnstoffer i såkalte metallblandinger/ legeringer. Årsaken til dette er behovet for å oppnå bestemte egenskaper i sluttmetallet.i grove trekk kan en si at en legering er en blanding av metaller (to eller flere stoffer der ett er et metallisk stoff). Legeringen får andre egenskaper enn de opprinnelige metallene hver for seg. 6
Industriskolen 3. Legeringer Ved å legere ulike grunnstoffer vil en få frem metaller med ulike strukturer og egenskaper. Ved avkjøling fra smeltet tilstand stivner metaller ved at de danner krystaller eller korn. Kornene er oppbygd av mer eller mindre regelmessige arrangementer av atomer, der den minste strukturen kalles en enhetscelle. Rene metaller har et skarpt smelte / størkningspunkt, mens legeringer vanligvis har et smelteområde. Dette beskrives i såkalte fasediagrammer (tilstandsdiagrammer). Den øverste linjen, likviduslinjen, beskriver temperaturen og sammensetningen der alt er smeltet, den nederste, soliduslinjen, der alt er stivnet. Smelteområdet for en legering er ofte lavere enn smeltepunktet for de rene enkelt-metallene. Ved hjelp av legeringsteknologi, kan de mekaniske egenskapene endres. Styrke og andre mekaniske egenskaper kan være betydelig høyere enn for enkeltmetallene. I noen tilfeller skjer det faseomvandlinger i den stivnede legeringen, altså under soliduslinjen. Dette kalles fasttilstand omvandlinger. Disse egenskapene benytter en til å modifisere egenskapene til den faste legeringen eller gjenstanden etter at fremstillingen er ferdig. Eksempler på slike prosesser er herding, homogenisering, rekrystallisering. Slike omvandlinger skjer fortest ved høyere temperaturer, men uten at metallet smelter. 7
Materiallære VG1 Kjente legeringer Ferdige legering Hovedmetall Tilsatte stoffer Bronse Kobber (Cu) Tinn (Sn) 5-20 % Messing Kobber (Cu) Sink (Zn) Stål Jern (Fe) Karbon (C) Rustfritt stål Jern (Fe) Nikkel (Ni)/Krom (Cr) Sølvgjenstander Sølv (Ag) 83 % = 830S Kobber (Cu) Gullgjenstander Gull (Au) 58,5 % = 14K Sølv (Ag)/Kobber (Cu) Kobber og tinn er forholdsvis myke og bøyelige hver for seg, men blandes de, danner de en sterk legering som kalles bronse. Messing er en hard og motstandsdyktig legering av kobber og sink. Aluminiumslegering er både lette og sterke, og benyttes derfor i flyindustrien. Magnesium er det letteste av metallene. Kaldherding og rekrystallisering Ved å forme et metall/legering plastisk, kan de mekaniske egenskapene endres. Produksjon av tråd er et eksempel på dette. Styrken øker og duktiliteten synker. Prosessen medfører at tråden kaldherdes. For å få tilbake opprinnelig struktur i materialet utfører vi en såkalt rekrystallisering eller en såkalt varmebehandling. Den kaldformede strukturen utsettes for varme slik at krystallstrukturen går tilbake til den opprinnelige. Styrken synker og duktiliteten øker. 3.1 Legeringselementenes innvirkning Karbon (C) Er bestemmende for stålets egenskaper for ulegert, lavlegert og slitestål. I rustfrie/syrefaste stål er karbon uønsket på grunn av karbiddannelser som nedsetter korrosjonsmotstanden til stålet. Silisium (Si) Silisium er et desoksidasjonselement og brukes for å fjerne oksygen fra smelta. Dette gjøres for å sikre tett stål ved størkning. Silisium øker flytbarheten og kan være ønskelig opp til 1 % i støpestål. Mangan (Mn) Mangan er et desoksidasjonselement og brukes for å fjerne oksygen fra smelta. I tillegg virker mangan nøytraliserende på svovel ved at det dannes mangansulfider som er mindre skadelig for stålet. Mangan øker også fastheten og herdbarheten, og sammen med krom øker mangan løseligheten av nitrogen i høylegert stål. 8
Industriskolen Svovel (S) Svovel er generelt uønsket fordi det samles på korngrensene og gjør stålet sprøtt. For spesielle ståltyper tilsettes små mengder svovel sammen med mangan for å bedre maskinerbarheten. Mangansulfidene som dannes har en sponbrytende effekt. Fosfor (P) Fosfor gjør stålet sprøtt og er alltid uønsket. Krom (Cr) Krom øker fastheten, varmfastheten og glødeskallbestandigheten. Krom øker motstanden mot korrosjon ved at det dannes et kraftig kromoksidsjikt, som er selvreparerende ved tilgang på oksygen. Nikkel (Ni) Nikkel øker herdedybden, slagseigheten ved lave temperaturer, sigefastheten, glødeskallbestandigheten og korrosjonsmotstanden. Nikkel øker i liten grad fastheten. Molybden (Mo) Molybden øker varmebestandigheten og i mindre grad fastheten. Molybden er viktig i syrefaste stål siden det øker korrosjonsmotstanden kraftig, - spesielt mot såkalt pitting og spenningskorrosjon. Aluminium (Al) Aluminium er et kraftig desoksidasjonselement, som sikrer tett stål ved størkning. I motsetning til silisium nedsetter aluminium flytbarheten til stålet (vanskeligere å støpe). Aluminium reduserer seigheten, spesielt sammen med nitrogen i lavlegerte seigherdingsstål. Magnesium (MA) Magnesium er et hvitt materiale, og er det letteste av alle metallene. Legert med aluminium, mangan og sink gir det et materiale med bra fasthetsegenskaper. Brukes i forbindelse med bygging av fly og andre produkter som har behov for å være lette. Oksygen (O) og Hydrogen (H) Begge elementene er alltid uønsket fordi de danner slagger og fri gass, som fører til sprekker og porer. Sveisbarheten reduseres også. Nitrogen (N) Nitrogen er uønsket i ulegerte og lavlegerte stål siden det sammen med aluminium kan føre til sprøbrudd. I tillegg gjør det også stålet utsatt for deformasjonselding. I høylegerte austenittiske og dupleksstål er nitrogen ønsket fordi det øker fastheten og korrosjonsmotstanden. Stål er en smibar legering av jern og karbon, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning. Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler tilstede. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt. 9
Materiallære VG1 Støpestål er stål som egner seg for en endelig forming ved støping. Det anvendes til formål hvor styrke og duktilitet hos støpejernet ikke er tilstrekkelig. Samtidig kan det sveises og maskineres. Støpejern er ikke smibare støpelegeringer av jern med et karboninnhold på 2,0-5,0 %, og med et vekslende Si-innhold. Ved å regulere innholdet av karbon i støpejernet oppnår en ulike struktur med tilhørende egenskaper. Omtrent 90 % av verdens stålprodukter går til de ulegerte stålene. 4. Jern Rent jern er sølvhvitt, relativt mykt og lar seg lett både smi og trekke ved vanlige temperaturer. Densiteten (tettheten) er 7,85 g/cm3. Det er forholdsvis korrosjonsbestandig i tørr luft og i karbondioksydfritt vann. I fuktig luft og vann ruster jernet. Bare en liten del av jernet som blir produsert, er rent metall i den forstand at det inneholder mer enn 99,9 % Fe. Resten av produksjonen gir såkalt råjern. Dette er jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer, og er utgangsmaterialet for videreforedling til stål og støpejern. Omtrent 4,7 % av jordskorpen består av jern. Jern foreligger ikke i ren form, men i form av oksider, som må behandles for å få rent jern. I de påfølgende leksjoner er målet å gi en kort forklaring på hvordan jern fremstilles. Det alt vesentligste av jernet som produseres i verden, fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Fremstilling av jern foregår bl.a. i store masovner, hvor jern produseres etter det såkalt motstrømsprinsippet. En fyller da malm, koks samt slaggdannede oksider inn på toppen av masovnen. I bunnen av ovnen blåses det inn luft (oksygen) som beveger seg i motsatt retning oppover i ovnen. Temperaturen øker fra 250 o C til 1500 o C jo lenger ned en kommer i ovnen. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover, hvor det gradvis foregår en kjemisk reduksjon (reduksjonsmiddelet er CO-gassen), hvor sluttproduktet er råjern som tappes ut flytende. I masovn utvikles varmen ved forbrenning av karbon. Ovnen kan alternativt varmes elektrisk (f.eks ved lysbuemetoder), og i slike ovner er karbonets funksjon begrenset til å være et reduksjonsmiddel. Jern som tappes fra en råjernsovn har et karboninnhold fra 3 til 4%. I denne formen er jernet hardt og sprøtt. For å kunne omdanne dette til stål og et materiale som kan bearbeides, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2%. 10
Industriskolen Stål har fra 0 til 2 % C (karbon) mens jern normalt inneholder fra 2 til 5 % C. Den kjemiske prosessen i en masovn blir da: Fe2 O3 + 3CO omdannes til 2Fe + 3CO2, dvs. at karbonet i koksen forbruker oksygenet i jernmalmen, og frigjør dermed rent jern. Det jernet man får fra masovnen kalles råjern, og inneholder fra 3 til 4 % karbon og større mengder av uønskede stoffer. Dette gjør at råjern er uegnet til direkte bruk og må derfor videreforedles. For å kunne omdanne dette til stål og et materiale som kan bearbeides, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2 %. Dette gjøres i konvertere hvor oksygen blåses ned mot det smeltede råjernet, derved stiger temperaturen i ovnen og karbonet og andre fremmedbestanddeler oksideres og blir forslagget. Ved å tilsette aktuelle legeringselementer får en frem forskjellige kvaliteter av stål/stållegeringer. Bare en liten del av jernet som blir produsert, er rent metall. Storparten fremstilles i form av såkalt råjern. Dette er jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer, og er utgangsmaterialet for videreforedling til stål og støpejern. 5. Stål Stål er en smibar legering av jern og karbon, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning. Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler tilstede. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt. Støpestål er stål som egner seg for en endelig forming ved støping. Det anvendes til formål hvor styrke og duktilitet hos støpejernet ikke er tilstrekkelig. Samtidig kan det sveises og maskineres. Støpejern er ikke smibare støpelegeringer av jern med et karboninnhold på 2,0-5,0 %, og med et vekslende Si-innhold. Ved å regulere innholdet av karbon i støpejernet oppnår en ulike struktur med tilhørende egenskaper. Omtrent 90 % av verdens stålprodukter går til de ulegerte stålene. 11
Materiallære VG1 5.1 Ulegert og lavlegert stål Hovedgrupper Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler tilstede. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt. Støpestål: er stål som egner seg for en endelig forming ved støping. Lavlegert stål inneholder mer mangan eller silisium en det som går med til deoksydasjonsprosessen. Utenom jern inneholder stålet 2-4 % andre legeringselementer. Dette stålet vil inneholde hovedlegeringselementer som nikkel, krom eller molybden og små mengder med vanadium, kobber og bor. Materialet har større seighet, bedre motstandsevne mot atmosfærisk korrosjon, tåler større utmatting og slitasje og er lettere å sveise i forhold til ulegert støpestål. Lavlegert støpestål brukes typisk i offshorekonstruksjoner, stempeltopper, sylinderdeksel, slitedeler, beltesko og gravemaskintenner. I karbonstål er det kun karboninnholdet som bevisst er avpasset og kontrollert for å oppnå den økende fasthet. Imidlertid er både mangan og silisium tilstede da disse brukes bl.a. til å fjerne oksygenet i stålet under fremstillingsprosessen. I tillegg er det vanligvis små mengder med forurensninger av svovel og fosfor. Resirkulert skrap kan gi ulike mengder av kobber, krom og nikkel. Poenget med å ha karbon tilstede i jernet er at styrken og hardheten øker. Dette på bekostning av duktilitet og slagseighet. Mye karbonstål er brukt i konstruksjoner hvor sveising er påkrevet. Sveisbare kvaliteter kan maksimalt inneholde 0,25 % karbon. Mest vanlig er at karboninnholdet er under 0,18 %. I karbonmanganstål er styrken økt ved å øke manganinnholdet. Mangan øker ikke styrken så effektivt som karbon, men det har ikke så stor negativ innvirkning på sveisbarheten. Ved å øke manganinnholdet fra 0,8 % til 1,6 % forbedres flytegrensen fra 250 Mpa til 350 Mpa. Dette viser at det er mulig å få sveisbart stål med høyere fasthet enn karbonstål. De fleste anvendelser av stål er basert på en gunstig kombinasjon av dets styrke, formbarhet, sveisbarhet og pris. Ved vurdering av anvendelsesområder er det naturlig å skille mellom tre forskjellige grader av deoksidering (tetting). Ved tetting tilsetter man elementer for å binde oksygenet og dermed bedre materialkvaliteten. Noen typiske anvendelsesområder for ulegerte støpestål med middels C-innhold er til maskiner, redskaper og utstyr for møller, valser og bygningskonstruksjoner. Materialer med høyt C-innhold brukes mye i metallindustrien i verktøy hvor metall skal formes. Maskinverktøy av forskjellige støpeprodukter som skal ha høy hardhet, høy stivhet og motstand mot avvirkning produseres av denne type materialer. 12
Industriskolen Lavlegert stål Stål og støpestål under denne gruppen inneholder mindre mengder med legeringstilsetninger. Tilsetningene varierer etter hvilke egenskaper som en ønsker å fremheve i produktene. Begrepet seigherdingsstål dekker stål med til sammen 2-4 % legeringstilsetning, der fastheten blir oppnådd etter herding og anløpning ved høy temperatur. Nedenfor listes opp noen typer lavlegert stål: Kromstål har høy herdbarhet og styrke. De er lettere å bearbeide enn nikkelstål av tilsvarende styrke. Kromstål brukes når det er behov for høy hardhet, for eksempel i senker, kulelager, sikkerhetsskap, valseruller, filer og verktøy. Kromstål har for øvrig bedre høytemperaturstyrke sammenlignet med ulegert stål. Nikkelstål Nikkel øker fastheten og reduserer duktiliteten og seigheten forholdsvis lite. Herdbarheten forbedres slik at lengre avkjølingshastighet kan brukes, med tilhørende bedre kontroll av herdingen og av stabile dimensjoner. Skråslagheten, især ved lave temperaturer, forbedres. Ulempen er at nikkel er kostbart og at legeringer basert på krom og mangan ofte er like konkurransedyktig. Legeringer med opptil 6 % nikkel (0,1-0,5 % karbon <0,8 % mangan) brukes bl.a. til veivakslinger, veivstenger, akslinger m.v. Med 20-30 % nikkel blir legeringene umagnetiske og seige, med lav termisk utvidelseskoeffisient, slik at disse kan brukes i motorer og turbinblader. Nikkelkrom stål kombinerer fordelene både med krom og nikkel i legeringen. De er karakterisert ved høy styrke, god herdbarhet og de har god slipebestandighet. De brukes bl.a. til verktøy og kulelager. Dybden på herdingen økes i forhold til nikkel - eller kromstål. Luftherding er mulig, i enkelte tilfeller ved bestemte legeringer. Krommolybden stål gir til sammen både god duktilitet og seighet, og tillater sponskjærende bearbeiding. Molybden utvider arbeidstemperaturen i forhold til krom, både mht. styrke og seigbestandighet. Typiske sammensetninger er av størrelsesorden 1 % krom, 0,5 % molybden. Kromvanadium stål har bedre seigbestandighet og bedre utmattingsegenskaper enn rene kromstål. Typiske anvendelser ellers er til akslinger, smigods til lokomotiver m.v. Hurtigstål / verktøystål med rundt 0,6-0,8 % C, 12-18 % W, 3-4 % Cr og mindre mengder andre legeringselementer, som vanadium og molybden. Noen typer har også et forholdsvis høyt innhold av kobolt (10 % og mer). Hurtigstålene beholder sin fasthet og hardhet til forholdsvis høye temperaturer på grunn av en utskilling av stabile karbider. Verktøystål har vanligvis høyt karboninnhold. De kan være både ulegert, legert og noen også meget høyt legerte. Sammensetningen av verktøystål varierer for å dekke ulike bruksområder. Karboninnhold opptil ca. 0,7-0,9 % gir grunnlag for dannelse av martensittisk struktur. Men når mer karbon brukes, blir overskytende mengde tilgjengelig til å danne karbider av krom, wolfram, molybden og vanadium. Slike karbider er meget harde. Wolfram- og molybdenkarbider er også meget temperaturbestandige og benyttes i hurtigstål, som kan operere selv når de er rødglødende. 13
Materiallære VG1 Høylegerte støpestål Det er naturlig å dele høylegert støpestål inn i tre grupper: Varmefaste, rustfrie og slitestål. Varmefaste støpestål har god seighet, høy strekkfasthet, god motstand mot skalling og dannelse av grafittflak. Noen typiske anvendelsesområder er varmebehandlingsovner, røsteovner og digler. Stålene anvendes også i miljøer hvor det settes krav til god motstand mot oksidasjon, temperaturpåvirkning og svovelholdige gasser. 8.9 Rustfrie støpestål har stor fasthet og seighet, samt gode korrosjonsegenskaper. Støpte slitestål: Dette materialet er svært slitesterkt, har god seighet, utmattingsegenskaper og herdbarhet. 5.2 Rustfrie stål En begrensning for de ulegerte og lavlegerte stålene er at de reagerer med omgivelsene. De korroderer i vann og fuktig miljø, og det dannes glødeskall ved påvirkning av høy temperatur. Ved innlegering av større mengder krom blir det imidlertid dannet en film av kromoksid på stålet, som senker korrosjons- og oksidasjonsreaksjonene. De enkle rustfrie stålene inneholder ca. 12 % krom. Kvaliteter med bedre korrosjonsbestandighet har nærmere 20 % krom og er legert med nikkel, molybden o.l. Definisjonen på et rustfritt stål er at det inneholder minimum 12 % krom (Cr). Ingen stål er i realiteten rustfrie, men motstanden mot korrosjon og rustangrep er bedre for de høylegerte enn for lavlegerte stål. 5.3 Varmebehandling Innledning Stål er et materiale der materialegenskapene i veldig stor grad kan påvirkes og endres ved hjelp av varmebehandling. Alt etter arbeidsstykkets form og bruksområde kan det benyttes flere herdemetoder. En varmebehandling kan være en herdeprosess der materialet får økt hardhet og styrke, eller det kan være en glødeprosess for å forbedre formbarheten og oppnå lavere hardhet. Dersom et karbonstål blir kjølt ned raskt, for eksempel ved nedkjøling i vann, rekker ikke karbonatomene å diffundere. Det vil si at stålet blir fryst i en grovstrukturert form, og vil være blitt svært hardt. Det har oppstått en herding. Det vil oppstå store indre spenninger. Herdeprosessen Et stål herdes for at det skal få bedre hardhets-, styrke- og slitasjeegenskaper. Når et stål herdes, varmes det først opp til en viss temperatur, som først og fremst er avhengig av karboninnholdet, men også andre legeringselementer spiller inn. 14
Industriskolen Deretter bråkjøles stålet. Det blir da dannet en herdestruktur som kalles martensitt. Denne er ofte veldig sprø, slik at det etter bråkjølingen er nødvendig å varme stålet opp på nytt til en temperatur som er en del lavere enn herdetemperaturen. Stålet vil da oppnå den nødvendige seigheten. Dette kalles anløping. Viktig informasjon ved herding For å kunne foreta en riktig herding av et stål, må en vite følgende: 1. Herdetemperatur? 2. Hvor lang tid vil oppvarmingen ta? 3. Hvor lang tid skal delen holdes på temperatur? 4. Hva skal delen kjøles i? 5. Anløpingstemperatur? Det er denne som er avgjørende for de materialegenskapene du oppnår etter herdeprosessen. 6. Hvor lang tid tar oppvarmingen til anløping? 7. Hvor lang tid skal delen anløpes? 8. Hvordan skal delen kjøles ned etter anløping? Hvordan får vi tak i disse opplysningene? Finne det rette databladet for det aktuelle stålet. Her kan det stå ganske mye, men selvfølgelig ikke alt. Det skal selvfølgelig også en del kunnskaper og erfaringer til for å kunne foreta en riktig herding av et stål. Glødeprosessen Stål glødes for å gjøre det mykt, og for å gi det en god struktur etter støping, sveising eller bearbeiding. Det finnes mange ulike glødeprosesser. Vi skal nevne de tre viktigste: Mykgløding Etter at stål er herdet er de ofte for harde for bearbeiding med skjærende verktøy dersom de blir avkjølt i luft etter smiing eller valsing. For å redusere hardheten foretar man en mykgløding. De fleste stål varmer man til en temperatur over A1 og holder stålet ved denne temperatur. Deretter kjøles stålet meget langsomt, vanligvis 10 20 o C i timen ned til 650 600 o C, hvorpå kjølingen kan gå raskere. Noen stål mykglødes ved temperaturer like under omvandlingslinjen. Stålet må da holdes på denne temperaturen i lang tid og avkjøles langsomt til 650 600 o C. Temperaturforløpet for mykgløding over omvandlingen ser man av figuren som vises på skissen. Ved mykgløding er det viktig av holdetiden ved glødetemperaturen blir tilstrekkelig lang. Normalisering Normalisering foretas for å gjøre stålets struktur normal Dersom et material etter smiing eller sveising har blitt grovkornet, og vi ønsker en finkornet struktur, kan dette oppnås ved å foreta en normalisering. Dette innebærer at stålet varmes opp til herdetemperatur, men i stedet for å bråkjøle i vann eller olje, kjøles det av sakte i luft. 15
Materiallære VG1 Mykgløding foretas for å gjøre stålet ekstra mykt og lett å bearbeide. Operasjonen er tidkrevende. Stålet varmes opp til en temperatur som er noe lavere enn herdetemperaturen, og holdes på denne temperaturen lengere tid (avhengig av kjemisk sammensetning). Avkjøling fra mykglødingstemperaturen må foregå sakte. Spenningsgløding foretas for å redusere de indre spenningene i stålet. Slike spenninger kan opp stå på grunn av kaldbearbeiding eller sveising. Spenningsgløding går ut på å varme stålet opp til 550-650 C, og kjøle det sakte av i ovnen til under 500 C. Deretter kan avkjølingen foregå i luft. Normalisering er en varmebehandling som spesielt anvendes ved ulegert og lavlegert konstruksjonsstål for å gi materialet en finkornet og homogen struktur. Ved denne varmebehandlingen får stålet en omvandling så vel ved oppvarming som avkjøling. Derved oppnås en finkornet struktur med gode mekaniske egenskaper og bra bearbeidbarhet. Spenningsgløding Spenningsgløding foretas i enkelte tilfelle på kompliserte verktøy og konstruksjonsdeler hvor det tillates lite kast. Stålet varmes opp til ca. 600 650 o C og holdes ved denne temperaturen til det er gjennomvarmt. Kjølingen ned til 500 o C må foregå meget langsomt, hvoretter avkjølingen kan skje raskere. Ved denne varmebehandling inntrer ingen strukturomvandling, men det utløser og fjerner mekaniske spenninger som kan stå igjen i materialet fra tidligere bearbeidingsprosesser. Risikoen for deformasjoner i forbindelse med videre bearbeidinger eller herdinger vil da minske. 16
Industriskolen 6. Materialprøving 6.1 Hvorfor utfører vi materialprøving? Som vi alle kjenner til er dagens konstruksjoner utsatt for belastninger. Tar vi eksempler fra offshoresektoren vet vi at kravene til styrke og sikkerhet er enorme. For å være sikker på at aktuelle konstruksjoner tåler de påkjenninger de blir utsatt for, må konstruksjonen eller deler av denne testes/prøves i så realistiske situasjoner som mulig. Før vi setter i gang å produsere en plattform må alle sveiseforbindelser prosedyrebeskrives, dvs. en må klarlegge hvilket materiale, elektroder, osv. en skal bruke i de ulike deler. Det samme gjelder for de støperier som leverer gods til offshoresektoren. En utfører en såkalt siteteste av de ulike sveiseforbindelser. Dette for å se om de rammer som er bestemt tilfredsstiller aktuelle krav. Til dette brukes ulike former for materialprøving. Materialprøving blir foretatt for at en skal kunne beskrive stålets egenskaper slik at en kan vite hvordan det egner seg til ulike formål. Styrke, hardhet og seighet vil i de fleste tilfellene være avgjørende for hva materialet egner seg til. En skiller mellom destruktive og ikke destruktive prøvemetoder. 17
Materiallære VG1 6.2 Aktuelle destruktive prøvingsmetoder Vi skal se på følgende prøvingsmetoder: 1. Strekkprøving 2. Hardhetsprøving (Brinell, Rockwell C og Vickers) 3. Skårslagprøving 4. Bøyeprøving Strekkprøving Portabelt apparat for måling av hardhet. Strekkprøving er en av de viktigste og mest brukte materialprøvingsmetodene. Den gir oss opplysninger om materialets strekkfasthet, flytegrense, forlengelse og innsnevring. Strekkprøvemaskin. Oppspenning av prøvestaven mellom bakker. Strekkprøver klare til bruk Hardhetsprøving Hardhetsmåling er basert på inntrenging av et objekt (kule, pyramide eller kjegle) i prøvematerialets overflate. De mest vanlige hardhetsprøvemetodene er: Brinell, Rockwell og Vickers. Vi kan si at prinsippet er å trykke et legeme mot et materiale, og avlese avtrykket i forhold til tabellmål. Det finnes også prøvemetoder hvor en måler refleksen av et objekt som faller ned mot prøveflaten. Denne metoden etterlater ingen merker på Maskin for måling av hardhet. 18
Industriskolen prøveobjektet. Hardheten av et materiale kan defineres som motstand mot plastisk deformasjon. Brinell hardhetsprøving En kule av herdet stål eller hardmetall med diameter D presses inn i metallet under belastning F. Etter at belastningen er fjernet, måles diameteren d av inntrykket i prøvestykkets overflate. Stålkulen benyttes for materialer med brinellhardhet mindre enn eller lik 350. Hardmetallkulen benyttes for materialer med brinellhardhet mindre enn eller lik 650. Brinellhardheten er proporsjonal med forholdet mellom belastningen og arealet av inntrykket. Enkelt kan en si at brinellmetoden egner seg best for myke materialer, og er utvilsomt den metoden som er sikrest og gir minst mulighet for feil. Ved hardheter over 550 HB begynner metoden å bli noe usikker. Prinsippet for brinellprøving. Vickersmetoden (HV) Ved Vickersprøving er det en diamantpyramide med kvadratisk grunnplan og en toppvinkel på 136º som presses inn i prøvestykket med en kraft som kan variere fra noen få gram til 30 Kp (294,3 N). Metoden brukes for prøving på harde metaller. Dersom en hadde brukt brinellmetoden på et hardt materiale og med høyt kuletrykk, ville selve prøvekulen som skal trenge ned i metallet gå i stykker. Et materialers hardhet er deres evne til å motstå inntrykk av et annet hardere Bildet viser prinsippet med vickersmetoden for hardhetsmåling. 19
Materiallære VG1 materiale. Er et materiale mykt, blir inntrykket stort, mens på et hardt materiale blir inntrykte lite. Charpy - skårslagsprøving Prøvingen består i å slå av en prøvestav med ett enkelt slag av en pendel, ved betingelser som er spesifisert i aktuell standard. Prøvestaven har et skår på midten, og skal være opplagret i begge ender. Den absorberte energien som bestemmes i joule, er et mål for materialets slagseighet. Prøvestykket på anlegg slagprøving Bøyeprøving Prøvemetoden brukes, bl.a. i forbindelse med godkjenning av prosedyrer for skip- og offshorebransjen. Bøyeprøving benyttes for å kartlegge et materiale, en sveiseforbindelse eller et varmepåvirket områdes formbarhet. Bøyeprøvingen utføres i prøvemaskiner eller presser med følgende innretninger: bøyeutstyr med to opplagre og en dor bøyeutstyr med en V-blokk og en dor bøyeutstyr med spennbakker og dor bøyeutstyr med mothold, medbringer og dor. Bildet viser at prøvestaven bøyes. Dette gjøres for å prøve om aktuelle materialer tåler før det ryker av. Det er ingen oppvarmingsmuligheter i konverteren. Når oksidasjonsmidlet, som er rent oksygen, blåses ned mot det smeltede materialet gjennom en lanse, oppstår det en kraftig reaksjon som frigjør store mengder varme. Det som skjer er at oksygenet forbinder seg med forurensningene (brenner dem opp). Disse blir omdannet til gass som unnviker, dels til slagg som flyter opp. Prosessen kaller fersking. 20