Grunnleggende materiallære : stål 8256705779 [PDF]

Zitiervorschau

Grunnleggende materiallære Stål

Sl Nasjonalbibliotekei DepotbibliotekcJt

Tor Marlow Barka

Teknologisk Institutt

© Teknologisk Institutt 1990 1. opplag Statens teknologiske institutt 1984 6. opplag 1993

Høgskolen i Gjøvik BIBLIOTEKET

ISBN: 82-567-0577-9

/7 ^5; /3/, _

Forord Dette læreheftet er blitt til gjennom erfaringer fra en rekke forelesninger i teori for folk med oppgaver i forbindelse med sveising av stål.

Erfaringen viser at både sveisere, platearbeidere, formenn og ingeniører har lite kjennskap til grunnleggende materiallære. Dette gir seg utslag i mange feiloppfatninger om hva som påvirker resultatet ved sveising.

Grunnleggende materiallære setter ikke leseren i stand til å løse sveisetekniske problemer, men er ment som et utgangspunkt for å tilegne seg slike kunnskaper. Materiallære har alltid vært oppfattet som vanskelig tilgjengelig stoff, og med rette. Dette heftet er forsøkt lagt på et nivå som forhåpentligvis kan være til glede både for operatøren og ingeniøren.

Siv. ing. Tor Mar lo w Barka

Innhold 1. INNLEDNING..................................................................................

9

2. GENERELT OM STÅL....................................................................

9

3. STÅLFRAMSTILLING................................................................... 3.1. Råmaterialet................................................................................ 3.2. Legeringselementer.................................................................... 3.3. Forurensinger............................................................................. 3.4. Forenklet skisse av stålframstilling..........................................

10 10 10 H 11

4. STØRKNING.................................................................................... 4.1. Størkning — dannelse av faste krystaller................................. 4.2. Stålets oppbygning..................................................................... 4.3. Krystallstrukturer....................................................................... 4.4. Krystallmønster — Egenskaper................................................ 4.5. Størkning i stålform...................................................................

12 12 12 14 14 15

5. METALLOGRAFI............................................................................ 5.1. Mikroundersøkelser.................................................................. 5.2. Makroundersøkelser................................................................. 5.3. Bruddflateundersøkelser..........................................................

16 16 17 17

6. FORURENSNINGER...................................................................... 6.1. Forurensningstyper og skadevirkninger.................................. 6.1.1. Svovel................................................................................ 6.1.2. Fosfor............................................................................... 6.1.3. Gasser............................................................................... 6.2. Hva gjør vi med forurensningene?........................................... 6.2.1. Svovel............................................................................... 6.2.2. Fosfor................................................................................ 6.2.3. Oksygen............................................................................ 6.2.4. Nitrogen............................................................................ 6.2.5. Hydrogen..........................................................................

18 18 18 19 19 20 20 22 22 22 22

7. TETTING AV STÅL......................................................................... 23 7.1. Utettet stål................................................................................... 23 7.2. Halvtettet og tettet stål............................................................... 23

8. FORMING........................................................................................ 8.1. Støping....................................................................................... 8.2. Smiing........................................................................................ 8.3. Valsing........................................................................................ 8.1.1. Formtyper......................................................................... 8.1.2. Feil i støpestål.................................................................... 8.1.3. Etterbehandling ................................................................. 8.1.4. Ståltyper ............................................................................

25 25 26 2? 26 26 26 26

9. FEIL I VALSET STÅL..................................................................... 30 9.1. Fordeling av feil......................................................................... 50 9.2. Lagdeling (lamellering)............................................................. 33

10. STÅLETS EGENSKAPER.............................................................. 10.1. Fysikalske egenskaper............................................................. 10.1.1. Smelte/størkningstemperaturen................................ 10.1.2. Utvidelse/krymping .................................................... 10.1.3. Varmeledning.............................................................. 10.1.4. Gassløselighet........................................................ 10.1.5. Magnetisme.................................................................. 10.2. Mekaniske egenskaper............................................................ 10.2.1. Styrke............................................................................ 10.2.2. Hardhet........................................................................ 10.2.3. Forlengelse................................................................... 10.2.4. Seighet......................................................................... 10.2.5. Sprekksikkerhet.......................................................... 10.2.6. Sprekksikkerhetsteori................................................. 10.3. Kjemiske egenskaper............................................................... 10.3.1. Oksydasjon og korrosjon............................................ 10.3.2. Reduksjon av karbon i stålets overflate......................

34 34 34 35 35 36 36 37 37 37 37 37 38 39 40 40 43

11. BEDØMMING AV STÅLTYPEN................................................... 11.1. Enkel materialprøving............................................................. 11.2. Teoretisk bedømming.............................................................. 11.3. Eksakt materialprøving...........................................................

44 44 45 45

12. DESTRUKTIV MATERIALPRØVING........................................ 12.1. Hardhetsprøving...................................................................... 12.1.1. Brinellprøving.............................................................. 12.1.2. Vickersprøving............................................................ 12.1.3. Rockwellprøving......................................................... 12.2. Strekkprøving........................................................................... 12.2.1. Strekkfasthet................................................................ 12.2.2. Forlengelse................................................................... 12.2.3. Innsnøring.................................................................... 12.2.4. Flytegrense................................................................... 12.2.5. Litt strekkprøvingsteori.............................................. 12.3. Slagseighetsprøving.................................................................

46 46 46 47 47 48 48 49 49 49 50 51

12.3.1. Prøving ved forskjellige temperaturer........................ 52 12.4. Bøyeprøving.......................................................................... 53

13. SAMMENHENG HARDHET - STYRKE.................................... 55 14. VARMEBEHANDLING................................................................ 14.1. Oppvarming — avkjøling........................................................ 14.2. Oppvarmingsmetoder............................................................. 14.2.1. Ovner........................................................................... 14.2.2. Varmebelter.................................................................. 14.3. Temperaturmåling.................................................................. 14.3.1 Temperaturfarge.............................................................. 14.3.2. Anløpingsfarge............................................................ 14.3.3. Temperaturkritt........................................................... 14.3.4. Optisk pyrometer........................................................ 14.3.5. Termoelement..... ........................................................ 14.4. Avkjølingsmidler..................................................................... 14.5. Godstykkelse........................................................................... 14.6. Varmebehandlingsteori........................................................... 14.6.1. Temperaturavhengighet.............................................. 14.6.2. Oppvarmingsteori....................................................... 14.6.3. Avkjølingsteori............................................................ 14.6.4. Herdbarhet.................................................................. 14.6.5. Herdbarhetsteori......................................................... 14.7. Varmebehandlingsmetoder.................................................... 14.7.1. Normalisering............................................................. 14.7.2. Herding........................................................................ 14.7.3. Anløping...................................................................... 14.7.4. Seigherding.................................................................. 14.7.5. Gløding........................................................................

56 56 56 56 57 57 57 58 59 59 59 60 61 61 61 61 62 62 63 65 65 65 66 66 66

15. STÅLTYPER.................................................................................... 15.1. Standardisering av ståltyper.................................................... 15.2. Alminnelig konstruksjonsstål................................................ 15.2.1. Forklaring til typebetegnelse...................................... 15.2.2. Kjemisk sammensetning............................................. 15.2.3. Mekaniske egenskaper............................................... 15.3. Sammenblanding av ståltyper.................................................

68 68 70 72 72 73 73

16. BRUDD I STÅL............................................................................... 16.1. Overbelastningsbrudd............................................................ 16.2. Utmattingsbrudd...................................................................... 16.3. Sprøbrudd................................................................................ 16.4. Utrivningsbrudd......................................................................

75 75 75 76 77

9

1. Innledning En antar at jern har vært kjent helt siden 5000 år før Kristus. Sikre bevis har en først fra år 1300 f.Kr. Etter år 1000 F.kr. ble det oppdaget at jern kunne gjøres hardere ved tilsetting av karbon og etterfølgende herding.

Først i begynnelsen av vårt århundre, visste en såpass om tilsetting av forskjellige stoffer til jern og om varmebehandling, at det ble mulig å framstille stålkvaliteter til forskjellig bruk. Siden har det skjedd en rivende utvikling på dette området.

Grunnen til denne store forandring i utviklingstakten, skyldes at en fikk bedre kjennskap til teorien bak det hele. Teorien kaller vi materiallære. Materiallæren er vår viten om framstillingen, formingen og behandlin­ gen av stål.

2. Generelt om stål Det finnes i dag på markedet en rekke forskjellige ståltyper. Deres egenskaper er bestemt ved en viss kjemisk sammensetning og varmebe­ handling. En kan velge ståltyper til nær sagt alle formål. Hvilken ståltype en velger, avhenger av hvilke egenskaper som prioriteres høyest, f.eks. styrke, slitasje-, varme- eller korrosjonsbestandighet. Et krav som i de senere år har fått stor betydning er at stålet må være sveisbart. Sveising er en rimelig sammenføyningsmetode som mer og mer har overtatt der andre metoder som f.eks. bolting og klinking ble brukt før. Stålprodusentene har derfor utviklet ståltyper som er beregnet på sveising.

Gjennom standardisering av ståltypene er det blitt lettere for den som kjøper stål å velge riktig kvalitet. I standarden er det oppgitt hvilke grenser verdiene for kjemisk sammensetning og mekaniske egenskaper skal ligge innenfor.

Men dette er ikke nok. En trenger også en viss grunnleggende kjennskap til materiallære for å kunne tolke de verdiene som er oppgitt for stålet, og dermed vite hvilket stål en har foran seg. Ikke sjelden forekommer det avvik som kan få stor betydning for f.eks. sveisingen av stålet.

10

3. Stålframstilling Rent jern er for bløtt til å kunne brukes i vanlige konstruksjoner. Jernets styrke er bare halvparten sammenlignet med de mest brukte konstruksjonsstål, og tykkelsen (og tyngden) ville derfor blitt fordoblet. Styrke er bare en av de mange egenskaper som oppnås når jern tilsettes andre stoffer eller metaller. Kan du nevne andre egenskaper?

Siden disse stoffene, som vi kaller legeringselementer, ikke kan blandes med jern i fast tilstand, må vi benytte en smelteovn. Men de materialene vi smelter sammen, inneholder også en god del forurensninger som vi må fjerne til en viss grad, fordi de f.eks. gjør stålet sprøere. Prosessen som er beskrevet ovenfor, er første steg på veien til et godt stål, og kalles stålframstilling.

3.1. Råmaterialet I praksis benytter en stålprodusent seg av skrapstål til stålframstillingen. En velger da et skrapstål som i sammensetning stemmer bra med den stålkvalitet en tar sikte på. Justeringer i kjemisk sammensetning foretas underveis i smelteovnen. Det kan være fjerning av forurensninger eller tilsetting av legeringselementer.

3.2. Legeringselementer En kan få kjøpt stålkvaliteter til nær sagt alle formål. Det som skiller dem fra hverandre, er først og fremst kjemisk sammensetning, dvs. type og mengde stoffer tilsatt jern. De mest vanlige legeringselementene er:

Karbon (C) Silisium (Si) Mangan (Mn) Krom (Cr) Nikkel (Ni)

Hvilken betydning de har for stålets egenskaper skal vi komme tilbake til.

11

3.3. Forurensninger Et stål uten forurensninger er utenkelig. De vanligste forurensningene er: Svovel (S) Fosfor (P) Oksygen (O) Nitrogen (N)

I større mengder ødelegger de stålets egenskaper. Imidlertid ville det bli for dyrt og også unødvendig å fjerne disse stoffene helt. Men det er satt grenser for mengden i hver stålkvalitet. Forurensningene reduseres ved:

Fjerning i smelteovn. (Kjemisk reaksjon) Tilsetting av stoffer i stålsmelten som binder dem til uskadelige slaggpartikler ved størkning. Forurensningene kan likevel gi oss problemer senere, når vi tar stålet i bruk.

3.4. Forenklet skisse av stålframstilling 1. Smelteovnen fylles med stålskrap.

2. De strømførende elektrodene senkes ned til skrapet og lysbuene tennes. 3. Strålevarmen fra lysbuene varmer opp stålet til det blir flytende. 4. Ved hjelp av en liten øse tas en prøve av smeiten.

5. Prøven undersøkes i laboratoriet. Resultatet viser smeltens innhold av legeringselementer og forurensninger. Dette er utgangspunktet ved beregning av stoffer som må tilsettes eller fjernes. 6. Når stålsmelten etter endel behandling har fått ønsket sammensetning, tømmes den ut av ovnen og transporteres til utstøpingsformene.

12

4. Størkning Det flytende stålet tømmes i former som:

A. etter størkning har gitt stålet den endelige utforming. B. etter størkning har gitt stålet passe form og størrelse for videre bear­ beiding, slik som smiing eller valsing.

4.1. Størkning - dannelse av faste krystaller Vann fryser ved 0 °C. Stål størkner ved ca. 1500 °C. Når lufta om vinteren blir kald, avkjøles det øverste laget på vann. En tynn ishinne dannes, hvorfra iskrystallene vokser nedover i vannet. Isen blir tykkere.

Når temperaturen i stålsmelten er falt under 1500 °C, starter størkningen. Den starter først nær den kalde formveggen, der varmen ledes bort fra smeiten. Hvor hurtig størkningen skjer, er avhengig av: A. Støpeformens evne til å lede varmen bort. En stålform leder varmen bedre enn en sandform. Stål størkner derfor hurtigere i en stålform.

B. Støpegodsets tykkelse. Tynnere gods størkner fortere enn tykkere gods.

C. Kjemisk sammensetning.

4.2. Stålets oppbygning Den minste byggestein i et metall er atomet. I fast tilstand henger ato­ mene sammen i et bestemt mønster og med visse innbyrdes avstander. Men atomene står ikke stille, de vibrerer som om de hang sammen med spiralfjærer:

13

Bilde 1: Her har vi plukket ut 7 vilkårlige atomer som ”henger sammen”. (De henger videre sammen med andre atomer). De grå er jernatomer. De andre to er f.eks. mangan- og kromatomer. Jo lavere temperaturen er, dess mindre vibrerer atomene. Ved -273 °C står de helt stille. Når temperaturen øker, øker vibrasjonen. Når tempe­ raturen er kommet opp til smeltepunktet, er vibrasjonen så stor at ”båndene” mellom atomene blir brutt, og de flyter omkring hverandre. Stålet er smeltet.

Når temperaturen synker i smeiten og en når størkningstemperaturen, begynner atomene igjen å henge sammen. Billedserien nedenfor viser hendelsesforløpet:

(Fra A. Almar Næss: ”Metalliske materialer”, Tapir.)

Bilde 1: På vilkårlige steder i smeiten begynner atomene å henge sammen. (Ett atom i hvert hjørne av firkantene.) Bilde 2 og 3: Disse små enhetene vokser i bestemte retninger (også vinkelrett på papirplanet).

Bilde 4: Etter hvert får vi hele kolonier av atomer som vokser, mens gjenværende atomer som ennå flyter fritt omkring, blir færre og færre. Bilde 5: Snart er det ikke mer smelte igjen. Men, som vi ser, passer koloniene (krystallene) ikke sammen. Bilde 6: Vi får avgrensinger mellom krystallene (kornene), som kalles korngrenser. Den uorden som vi får i korngrensene pga. at atomene ikke henger ordentlig sammen, gjor stålet svakere på dette stedet.

14

4.3. Krystallstrukturer Krystallstrukturen som ble vist i foregående avsnitt, kalles ”polyedrisk” (mangekantet). Den får vi når temperaturen er tilnærmet den samme overalt i smeiten. Men når vi har tømt smeltet stål i en kald form, starter størkningen med søylekry staller.

Bilde 1: Fra den kalde formveggen vokser krystallene innover i smeiten. De blir avlange, og vi kaller dem søylekrystaller etter formen.

4.4. Krystallmønster — egenskaper Vi har nå studert to typer krystallmønster: A. Mangekantede (polyedriske) krystaller. B. Søylekrystaller.

(Fra A. Almar-Næss. ”Metalliske materialer”, Tapir.) Bilde 1: Mangekantede krystaller

Bilde 2: Søylekrystaller

Som nevnt i avsnitt 4.2. er korngrensen strukturens svakeste del. Gene­ relt kan vi si at vi foretrekker mangekantede krystaller framfor søylekry­ staller, fordi en sprekk lettere vil løpe langs søylekrystallene. Videre foretrekker vi små krystaller framfor store. Små krystaller gir seigere stål.

15

4.5. Størkning i stålform Stålemner for videre bearbeiding (smiing eller valsing) støpes ut i blokkform.

Størkningsbildet ser slik ut:

Bildet: Fra den kalde stålformveggen vokser faste stålkrystaller side om side innover i smeiten. Vi kaller dem søylekrystaller etter utseendet. Bilde 2: Etter en tid er stålformen blitt meget varm, og leder derfor ikke varmen så hurtig bort som før. Veksten av søylekrystallene går derfor saktere. I det gjenværende smeltebadet er temperaturen nå kommet ned i ca. 1500 °C over alt, og små mangekantede krystaller dannes i sentrum av blokken. Bilde 3: Når krystallene er blitt så store at de støter sammen, er det ikke smelte igjen, og blokken er gjennomstørknet.

16

5. Metallografi Noen ganger er krystallene så store at vi kan se dem med det blotte øye. F.eks. i en bruddflate. I de alminnelige konstruksjonsstål som er i hande­ len, er krystallene så små at vi må bruke mikroskop for å se dem.

Det er ikke bare krystallenes størrelse og form vi vil undersøke. Vi kan også bestemme typen krystaller, forurensninger i stålet og årsaken til et brudd.

5.1. Mikroundersøkelser Et lysmikroskop kan forstørre opptil 1000 ganger. Men for å kunne se krystallene, må vi først gjøre en del forarbeid. Stålbiten må først slipes og poleres. Deretter etses løst materiale bort. Svakeste del av strukturen er som før nevnt korngrensene. Disse etses fram som fordypninger mellom de flatslipte krystallene.

Bilde 1: Når lyset faller på prøveoverflaten, får vi skygge i gropene mellom krystallene.

Bilde 2: Korngrensene kommer da til syne som mørke linjer. Bildet blir forstørret med linser før det når øyet. På denne maten lår en også øye pa slaggpartiklene.

17

5.2. Makroundersøkelser Makroundersøkelser brukes når en vil studere forurensningenes forde­ ling i stålet og evt. slaggpartikler. Stålet eller sveisen kappes, slipes, poleres og etses. Flaten betraktes med det blotte øye eller ved svak forstørrelse.

Bilde 1: Ved makroundersøkelse får vi fram at stålet i dette tilfellet er mer forurenset i midten enn i overflaten. Bilde 2: Her får vi fram hvordan sveisen er bygd opp med strenger, slagg mellom strengene og varmepåvirket sone i grunnmaterialet ved sveisen.

5.3. Bruddflateundersøkelser Bruddet kan undersøkes med det blotte øye, eller med stereomikroskop med svak forstørrelse.

Bilde 1: Utmattingsbrudd med seigt restbrudd. Undersøkelsen bringer fram bruddårsaken.

18

6. Forurensninger Som nevnt inneholder stål uønskede stoffer kalt forurensninger. En stor del er renset bort i smelteovnen, men ikke alt. Vi skal nå se på hvilke stoffer det dreier seg om og hvilken skade de kan forårsake.

6.1. Forurensningstyper og skadevirkninger De vanligste forurensningene er: Svovel (S) Fosfor (P) Gasser

6.1.1. Svovel Det er tillatt at ulegert stål får inneholde opptil 0.05% svovel. (Dette tilsvarer 0.5 kg svovel pr. tonn stål). I smeltet stål vil svovel kunne bevege seg fritt. I størknet stål vil svovel være bundet til jern. Det nye produktet som er dannet kalles jernsulfid. Størkningstemperaturen er 1200 °C. Jernsulfid er sprøtt.

jern + svovel = jernsulfid (Fe) (S) (FeS)

Stål størkner ved 1500 °C. Jernsulfid størkner ved 1200 °C. Hvilken slutning kan vi trekke av dette? Jo, jernsulfid er det siste som størkner i en stålsmelte. Hvor størkner stålet sist i en stålsmelte? Jo, i midten.

19

Bilde 1: Svovel skyves innover mot sentrum av blokken ettersom stålet størkner. Når temperaturen har sunket til 1200 °C, størkner jernsulfidet i sentrum av blokken. Jemsulfid størkner også som en tynn film mellom de enkelte krystallene. Dette kan føre til at krystallene sprekker fra hverandre når stålet krym­ per ved avkjøling (varmsprekk).

6.1.2. Fosfor Det er tillatt at ulegert stål får inneholde opptil 0.05 % fosfor. Fosfor binder seg til jern og danner et produkt som gjør stålet sprøtt, slik som jemsulfid. Produktet samler seg der stålet størkner sist, fordi størkningstemperaturen er lavere enn stålets.

6.1.3. Gasser Når du åpner en flaske mineralvann, strømmer det gass ut av væsken. Du så ikke at det var gass oppløst i mineralvannet før flaskekapselen ble fjernet.

Stål kan også inneholde oppløst gass. I smeltet tilstand mye mer enn i fast tilstand. Når stål størkner, blir det derfor et gassoverskudd som oppfører seg som gassen i mineralvannet når flasken blir åpnet. Gassen bobler ut. Aktuelle gasser er:

Oksygen (O) Nitrogen (N) Hydrogen (H) Disse gassene kommer inn i smeltebadet fra omgivelsene. Oksygen og nitrogen er hovedbestanddeler i luft, mens hydrogen kommer fra vann når det blir sterkt opphetet, f.eks. i kontakt med smeltet stål.

Gassenes skadevirkning kommer i første rekke til syne når stålet størkner.

20

Bilde 3: Størkningen er startet og temperaturen synker i smeiten. Gassblærer dannes.

Bilde 4: Gassutviklingen er stor. Mye overskuddsgass vil ut av smeiten.

Bilde 5: Blokken er størknet tvers gjennom. En god del gassblærer er innefrosset i stålblokken.

Gassen består hovedsakelig av en forbindelse mellom oksygen og kar­ bon, kalt karbonoksyd. Karbon er en av bestanddelene i stål og binder seg lett med oksygen.

6.2. Hva gjør vi med forurensningene? Mesteparten av forurensningene fjernes i smelteovnen ved at stålsmelten renses av slaggen som flyter oppå smeltebadet. Men en del blir igjen i smeiten. Vi har nettopp sett hvilken skade de kan påføre stålet om de får herje fritt. Som botemiddel tilsetter vi andre stoffer til stålsmelten slik at det dannes mindre skadelige slaggpartikler i stålet ved størkning. I det følgende skal vi se hva som kan gjøres.

6.2.1. Svovel Hva skjer når en stålblokk størkner og svovel får binde seg til jern? (Se avsnitt 5.1.1.) Når mangan (Mn) tilsettes stål, vil svovel heller binde seg til mangan enn til jern.

21

Bilde 1: Mangan ikke til stede. Svovel (S) velger jern (Fe). Bilde 2: Mangan til stede. Svovel (S) velger mangan (Mn). Hvorfor ønsker vi mangansulfid (MnS) framfor jernsulfid (FeS)? Det er to årsaker:

1. MnS størkner ved 1500 °C, slik som stål. 2. MnS er et seigt produkt.

Bilde 3: Mens stålet størkner, størkner MnS som slaggpartikler jevnt fordelt i det størknede materialet. Bilde 4: I motsetning til FeS som samlet seg i sentrum av blokken pga. lavere størkningstemperatur, er MnS jevnt fordelt over hele blokken, og har ikke forringet materialets seighet nevneverdig.

22

6.2.2. Fosfor Fosfor fjernes i smelteovnen ved at det opptas av slaggen som flyter oppå smeltebadet, og fjernes med den. Fosfor kan ikke fjernes eller uskadelig­ gjøres på annen måte.

6.2.3. Oksygen Størsteparten av gassen som utvikles når stålet størkner, er karbonoksyd (CO). Egentlig er det oksygen (O) som er årsaken. Det er oksygen som er oppløst i smeiten. Men når den ved størkningen blir i overskudd, binder den seg til karbon, som finnes i stålet, og bobler ut som CO-gass.

Denne gassutviklingen kan stoppes på følgende måte: Til stålsmelten kan tilsettes Silisium (Si) Mangan (Mn) Aluminium (Al)

Siden oksygen heller binder seg til disse stoffene enn til karbon, vil vi i stedet for gassutvikling få dannet oksyder:

Silisiumdioksyd (SiO2) Manganoksyd (MnO) Aluminiumoksyd (A12O3) som blir værende i stålet som finfordelte, faste slaggpartikler. Mest brukt til dette er silisium. Produktet som kalles silisiumdioksyd, er det samme som steinsorten kvarts. Normalt vil en tilsetting på over 0.15% Si stoppe gassutviklingen helt.

6:2.4 Nitrogen Ulegert stål får inneholde opptil 0.007% nitrogen. Men når små mengder aluminium (Al) er tilsatt (ca. 0.02% Al), tillates inntil 0.009% nitrogen. Årsaken er at aluminium binder nitrogen, og det dannes utallige små slaggpartikler, kalt aluminiumnitrider (A1N). Disse mikroskopiske små slaggene gjør at stålets krystaller blir mindre. Vi sier at stålet er finkornbehandlet. Dette øker stålets seighet. 6.2.5. Hydrogen Når vann (fuktighet, vanndamp) kommer nær en elektrisk lysbue, dan­ nes hydrogen som kommer inn i smeltebadet. Vi har ingen legeringsstoffer som kan tilsettes smeiten for å uskadeliggjøre hydrogen.

Hydrogen fryktes av både stålprodusenten og sveiseingeniøren. Årsaken er at de små hydrogenporene som dannes kan sprenge hele stålet. Det kan skje like etter avkjøling. Men det kan også skje dager eller uker senere. Hydrogen kan fjernes fra stålet ved at vi varmer stålet opp til 500-600 °C med holdetid 2-4 timer (tynt gods - kortere tid).

23

7. Tetting av stål Som nevnt i avsnitt 5.1.3., kan stål inneholde mer gass i smeltet tilstand enn i fast. Derfor vil gassen boble ut av stålet når det størkner. Resultatet er et stål med en mengde innefrosne gassblærer i sentrum av godset. Vi sier at stålet er utettet.

Det er oksygen som er årsaken til gasskokingen. Gasskokingen kan hindres ved at vi tilsetter silisium (Si), mangan (Mn) eller aluminium (Al) til stålsmelten. Disse stoffene binder oksygen slik at vi får oksyder (slaggpartikler) i stedet for fri gass.

7.1. Utettet stål Utettet stål blir ikke benyttet når det stilles krav til god sveisbarhet eller bruddsikkerhet. Årsaken er at gasskokingen drar med seg forurensnin­ gene inn i sentrum av godset, og sammen med innestengt gass påvirker sveisens kvalitet i negativ retning. Men nettopp dette at forurensningene samles i sentrum av godset og gir godset et forholdsvis rent yttersjikt, kan være en fordel i andre tilfeller. F.eks. ved dyptrekking, når bilkarosseri blir formet ut av en tynnplate, eller ved trådtrekking.

7.2. Halvtettet og tettet stål I ulegert stål er det hovedsaklig silisium (Si) som tilsettes for å binde oksygengassen. Gasskokingen reduseres i den grad Si tilsettes. Erfaringen viser at:

utettet stål inneholder opptil 0.03% Si halvtettet stål inneholder fra 0.03 til 0.1% Si tettet stål inneholder over 0.15% Si I hvilken grad stålet er tettet, kan vi også se når stålet størkner. Normalt vil stål få mindre volum (krymper) når det størkner. Men når gassutvik­ lingen blir stor nok, vil volumet ved størkning (pga. gassblærene) bli større. Dette er illustrert nedenfor.

24

o* o

o

Bilde 1: Utettet stål. Gassblærene forårsaker utvidelse ved størkning, i stedet for krymping.

Bilde 2: Halvtettet stål. Gassutviklingen er like stor som krympingen og stålblokken blir flat på toppen.

Bilde 3: Tettet stål. Ingen gassutvikling. Krympingen ved størkning medfører sugetrakt på toppen av stålblokken.

25

8. Forming Formingsmetodene kan deles i to hovedgrupper:

A. Støping til ferdig utformet produkt. B. Utforming ved mekanisk bearbeiding. Om den ene eller den andre metoden må brukes, avhenger av ønsket utforming eller materialets kjemiske sammensetning.

8.1. Støping Når utformingen er komplisert eller ståltypen vanskelig lar seg forme mekanisk, støpes produktet til sin endelige form. Formen kan være laget av sand tilsatt bindemiddel, eller av andre materialer.

Støpingen foregår ved at smeltet stål fylles i formen og ledes via et rørsystem fram til hulrommet i formen der det størkner. (1)

(2)

Bildet viser ferdig støpt gods (skravert) med innløpssystem (1) og mater (2) som skal tilføre mer stålsmelte ettersom godset krymper ved størkningen. Innløpssystem eller mater brennes eller sages av når godset er tatt ut av formen.

26 Ulemper ved støpt gods:

Siden formen er innelukket, kan vi ikke fylle i stålsmelte som avgir gass ved størking (utettet stål). Vi kan bare benytte stål som er tettet med silisium og aluminium.

8.1.1. Formtyper Det finnes flere typer støpeformer, for eksempel sandform, furanform og skallform. Det er formveggens materiale som er avgjørende, nærmere bestemt hvilket bindemiddel som er brukt for å holde sandkornene sammen. Når formen lages, brukes en modell som er akkurat lik det ønskede stålgods. Modellen kan være laget i tre, metall eller andre materialer. Modellens overflateruhet og type bindemiddel er avgjørende for stålgodsets overflatefinish. Av de tre nevnte støpeformtyper gir skallformen finest overflatefinish fordi modellen i dette tilfellet er laget av metall. Formen brukes til små, ofte kompliserte støpestykker. Mest vanlig er sandformen, som brukes til både store og små støpestykker. Modellen er av tre og formveggen mer porøs, noe som gir stålgodset større overfla­ teruhet. 8.1.2. Feil i støpestål Støpestål kan inneholde sandpartikler som er revet løs fra formveggen. Dessuten kan gassen som avgis fra bindemiddelet, forårsake porer i stålet. Stålsmelten størkner langsomt i formen, idet formmaterialet vir­ ker varmeisolerende. Krystallene blir derfor mye større enn i valset stål, og stålet blir sprøere. 8.1.3. Etterbehandling Ved etterfølgende varmebehandling blir krystallene mindre og stålet blir betraktelig seigere. Når det gjelder seighet kan støpestål som blir spesialbehandlet, godt konkurrere med tilsvarende ståltyper i valset tilstand. Siste ledd i prosessen er maskinering av de delene av støpegodset som skal ha fin overflatefinish og nøyaktige mål.

8.1.4. Ståltyper I dag får en kjøpt støpestål i stort sett de samme ståltyper som er finner i valset tilstand.

8.2. Smiing Når smeden vil lage seg en konstruksjonsdel, varmer han stålet først i glohaugen før han smir det ut. Stålet lar seg lettere bearbeide og sprekker ikke så lett når det formes varmt. Det samme gjør en når maskinelle smi- eller pressformingsprosesser benyttes. Formingstemperaturen er fra 900 til 1200 °C alt etter stålets kjemiske sammensetning. (Høyere smitemperatur ved lavere karboninn­ hold.) Ved smiing kan vi gi stålet forskjellige utfominger, om enn ikke altfor kompliserte. Ved å endre formen på smistedet, kan vi smi krankarmer eller til og med ringer.

27

8.3. Valsing Det stålet som er mest vanlig i sveiste konstruksjoner er formet ved valsing. Vi kan nevne stålplater, flattstål, rør og rundtstål. Felles for dem er at profilen er den samme i lengderetningen. Dette har sammenheng med formingsprosessen.

Stålet kan formes på to måter:

A. Varmvalsing B. Varmvalsing og kaldvalsing Det er stor forskjell på stål som er levert i varmvalset og i kaldvalset tilstand. Ikke bare er de mekaniske egenskaper forskjellig, men også sveiseegenskapene.

8.3.1. Varmvalsing Som nevnt under avsnitt 8.2., er stål mye lettere å forme i varm tilstand enn i kald. Når en tykk stålblokk skal formes til en lang tynn stålstang, er det kun varmvalsing som derfor er aktuelt. Før valsingen starter, varmes emnet til 900 — 1200 °C i ovn. Reduksjonen av emnets tverrsnitt og formingen til ønsket profil skjer trinnvis fra valsestikk til valsestikk.

Bilde 1: Det oppvarmede emnet føres inn i første valsestol. Tverrsnittet reduseres samtidig som emnet blir lenger.

Bilde 2: I neste valsestikk reduseres tverrsnittet ytterligere.

Bilde 3: Godset har nå fått sin endelige tykkelse og form. I dette tilfellet er tverrsnittet redusert til 1/6 av emnets. Et emne på 1 m vil derfor etter valsingen ha blitt 6 m. Normalt er det flere valsestikk i en valsestol, og antall valsestikk som skal til for å oppnå ønsket tykkelse og profil kan like gjerne være 20.

Det som kan være interessant å se på, er hva som skjer inni stålet ved valsing. La oss derfor studere hva som skjer når emnet går gjennom et valsestikk.

28

Bilde 4: Etter oppvarming er stålets krystaller blitt mer runde i formen.1; (Hvorfor krystallene forandrer form ved oppvarming skal vi komme tilbake til under avsnittet om varmebehandling.) Årsaken til at stålet ikke sprekker når det blir sammenklemt mellom valsene, er at krystallene ved valsetemperatur er blitt så myke at de lar seg trykke flate.

Bilde 5: Kort tid etter at krystallene er blitt flatklemte, dannes nye krystaller som er mindre enn de som stålet hadde før det gikk gjennom dette valsestikket. Dette er av det gode, fordi stålet nå er blitt seigere.

Når stålet etter siste valsestikk er avkjølt i luft, sier vi det er i varmvalset tilstand. 8.5.2. Kaldvalsing Forut for en kaldvalsing foregår alltid en varmvalsing. Varmvalset stål vil alltid ha overflaten dekket med et ”glødeskall”, som er en forbindelse mellom jern og oksygen og som dannes når stålet er på høy temperatur. Dette belegget må alltid fjernes før stålet kan kaldvalses, ellers blir det trykket inn i overflaten som stygge sår. Belegget kan fjernes maskinelt.

Når overflaten er rengjort, kan det gjennomløpe kaldvalsprosessen. I kald tilstand er stålet lite formbart i forhold til når det er varmt. Dessuten blir stålet hardere ved kaldvalsing. Dersom stålet må gjennom flere valsestikk for å få ønsket tykkelse, må det varmes opp til ca. 600 °C (og blir dermed bløtt igjen) før kaldvalsingen fortsetter. Ellers risikerer en at stålet sprekker. I avsnitt 7.1. ble det nevnt at utettet stål ofte ble benyttet ved kaldtrekking. Årsaken er at utettet stål har en ren, bløt overflate som deformeres lett og ikke sprekker.

Men hva skjer inni stålet ved kaldvalsing?

Bilde 1: Utgangsmaterialet er stål med små, runde krystaller. Når stålet klemmes mellom valsene, trykkes krystallene sammen, mest på over­ flaten av stålet.

Bilde 2: På grunn av at stålet er kaldt, dannes det ikke nye runde krystaller. De forblir flatklemte. Resultatet er et materiale med storre hardhet.

29

Kaldvalset materiale er ok når det brukes med fornuft. Dersom kaldvalset stål på veien til ferdig produkt utsettes for en temperatur på 300 — 400 °C, blir det meget sprøtt. Dette fenomenet kaller vi deformasjonseldning. Kaldvalset materiale må derfor ikke sveises, fordi varmen fra smeltebadet vil føre stålet ved siden av sveisen opp i 300 — 400 °C. Dersom stålet varmes opp til ca. 600 °C, vil denne sprøhet forsvinne. Men da vil også hardheten vi oppnådde ved kaldvalsing forsvinne. Generelt kan vi si at kaldforming av stål gjøres for å: justere stålets tykkelse når toleransene er små. øke hardheten i overflaten. gi tynnplaten en nøyaktig utforming uten at overflaten får glødeskall som vi ville fått ved varmforming, (f.eks. ved dyptrekking av bilkarosseri).

30

9. Feil i valset stål Vi har tidligere vært inne på at stål kan inneholde feil i form av slagg, porer eller sprekker. Noen feil kommer ved utstøpingen og andre ved bearbeidingen etterpå. Noen feil er ufarlige mens andre er farlige - det avhenger av hva stålet skal brukes til, og hvordan det blir behandlet, f.eks. om det skal sveises. Grovt sagt går det ut på om disse feilene vil medføre at stålet sprekker under den videre behandling, eller i bruk. Vi skal nå se litt på feil som forekommer i valset stål. Når en stålblokk som er emnet ved valsing størkner, blir forurensnin­ gene liggende igjen inni stålet som slagger eller porer, avsnitt 5. Hvilken betydning disse feil har, avhenger av om stålet er tettet eller utettet, avsnitt 6. Under valsingen blir slaggene klemt sammen på samme måte som krystallene. Porene derimot, sveises sammen.

9.1. Fordeling av feil I tettet stål vil forurensningene (svovel og oksygen) være bundet som slagger (MnS og SiO2) som ligger jevnt fordelt i godset.

Bilde 1: Slaggene er valset ut i lengde som stålet, og er en av årsakene til at stålet får fibrig struktur.

Disse langstrakte slaggene gjør at stålet lettere vil kunne sprekke i valseretningen (på langs) enn på tvers av den. Dette kan enkelt demon­ streres ved følgende eksempel med en trestokk:

31

Bilde 2: Kløving av trestokken på langs av fiberstrukturen er en enkel operasjon. Her bruker vi øks. _

Bilde 3: Knekking på tvers av fiberstrukturen går ikke så lett. Her må vi bruke sag.

Dette bør en ta hensyn til ved sveiste konstruksjoner. En forsøker da å plassere sveisen slik at en unngår strekk-spenninger (krefter) som virker på tvers av valseretningen. Når en sveis kjølner, krymper materialet mest på tvers av sveisens lengde. Hvilken veg bør derfor sveisefugen legges når en kjenner valse­ retningen? (Valseretningen er den veg godset er lengst.)

Bilde 4: Når sveisen legges på tvers av valseretningen, er sikkerheten mot sprekker best. I et utettet stål vil forurensningene være annerledes fordelt enn i tettet stål.

32

Bilde 5:1 utettet stål er forurensningene samlet i sentrum av stålet. Ved valsing klemmes de sammen, men befinner seg fremdeles i sentrum.

Bilde 6: Fordeling i sentrum av plate.

Bilde 7: Fordeling i sentrum av rundt stål.

Porer som ofte finnes i utettet stål vil bli sveiset sammen under valsingen. Siden forurensningene er konsentrert i sentrum av godset, vil dette medføre en dårlig sveis. Forurensningene får ofte smeltebadet i sveisen til å koke, eller medfører varmsprekk (sprekk langsetter og midt i sveisen) når sveisen størkner, avkjøles og dermed krymper (bilde 8).

33

9.2. Lagdeling (lamellering) En sjelden gang opplever en at en plate splitter seg i to nøyaktig i midten av tverrsnittet. Eller en får øye på en brunsvart stripe i enden av plata, midt på. Denne feilen kalles lagdeling eller lamellering. En sveiser må da regne med at godset ikke egner seg for sveising.

Lagdeling kan vi finne i både tettet og utettet stål, men årsakene er forskjellige. Tettet stål:

Bilde 1: I tettet stål vil det dannes en sugetrakt på toppen, fordi stålet krymper ved størkning. Toppen av blokken kappes av før den går videre til valsing, for å fjerne sugetrakten. Enkelte ganger vil sugetrakten være så dyp at den ikke blir helt fjernet ved kappingen.

Bilde 2: Stålblokken valses.

Bilde 3: Valsingen sveiser ikke den åpne sprekken sammen, fordi den har vært i kontakt med luften og har derfor oksyd og glødeskall på sprekkflatene. Vi får lagdeling.

Utettet stål:

Bilde 4: I utettet stål er forurensningene samlet i sentrum av godset. I spesielle tilfeller når forurensningsmengden er stor, får vi dårlig metallisk binding i midten av godset. Dette resulterer i lagdeling og eventuell oppsprekking.

34

10. Stålets egenskaper Utsagn som ”stålet krymper/utvider seg, er magnetisk/umagnetisk, sterkt/bløtt eller seigt/sprøtt” er uttrykk for stålets egenskaper.

10.1 Fysikalske egenskaper 10.1.1. Smelte/størkningstemperaturen Rent jern størkner ved en bestemt temperatur, 1536 °C. Når jern tilsettes karbon (C), skjer følgende:

A. Størkningstemperaturen synker med økende karbonmengde.

B. Med økende karbonmengde øker avstanden mellom størkningens start og fullbyrdelse (størkningsintervallet).

Karboninnhold %

0,20 0,45 2,00

Størkningstemperatur °C

1530 1500 1370

Størkningsintervall °C 1530 til 1490. Differanse: 40 1500 til 1450. Differanse: 50 1370 til 1150. Differanse: 220

Jo større avstand det er mellom begynnende og avsluttet størkningstemperatur, dess lettere opptrer varmsprekk i stålet når det størkner, avkjø­ les og krymper.

35

10.1.2. Utvidelse/krymping Når et metallisk materiale oppvarmes, utvides det i volum. Kjente eks­ empler er ”solslyng” på jernbaneskinner og deformasjoner ved sveising. Når tykt stålgods på denne måten bøyes, forstår vi at det må være store krefter som er ute og går. Når en stålstang på 1 m oppvarmes 300 °C, får den en lengdeutvidelse på 3,4 mm.

temp = 0 °C 7/7?

temp = 300 °C ‘

Den ovenfor angitte varmeutvidelse representerer ulegert stål. Legert umagnetisk stål har større varmeutvidelse. Ved avkjøling vil stålet krympe tilsvarende utvidelsen.

10.1.3. Varmeledning Begrepet varmeledningsevne innebærer hvor raskt varmen brer seg i et metall. En stållegering med god varmeledningsevne vil avkjøles raskere etter oppvarming enn en stållegering med dårlig varmeledningsevne. Jo større legeringsinnhold stålet har, dess dårligere er varmeledningsevnen. Dårligst ledningsevne har rustfritt, umagnetisk stål. I figuren nedenfor er kurvene for ulegert og rustfritt stål inntegnet.

Andre legerte stål vil ha kurver som ligger mellom de to på figuren. Ved sveising (der stålet varmes opp og avkjøles) får dette den praktiske betydning at ulegert stål avkjøles raskere enn rustfritt stål. Dette er viktig for godt resultat.

36

10.1.4. Gassløselighet I smeltet tilstand løser stål mye mer gass enn i størknet tilstand. Dette medfører, som før nevnt, at det dannes gassblærer når stålet størkner. Ved stålframstilling kan gassinnholdet reduseres enten i smelteovnen, eller ved at det tilsettes stoffer som binder gassen når stålet størkner. Begge deler gjøres.

Men selv om stålet skulle være i forskriftsmessig stand, må sveiseren være oppmerksom på at smeltebadet i sveisen vil kunne oppta gass. Dette vil kunne medføre porer og slagg, men også det som er verre, sprekker. Aktuelle gasser er de som finnes i lufta, nemlig oksygen og nitrogen, men også hydrogen som kommer fra fuktighet, olje eller fett. Oksygen og nitrogen kan som nevnt uskadeliggjøres ved tilsetting av stoffer som binder dem. Verre er det med hydrogen. I smeltet tilstand kan stål inneholde opptil 27 ml hydrogen pr. 100g stål. I fast tilstand, bare 1/3. Gassen som utvikles må slippes ut av stålet, f.eks. ved en oppvarming til ca. 600 °C, ellers kan den føre til at stålet sprekker. Faren kan unngås ved å unngå fuktighet eller olje.

10.1.5. Magnetisme Som de fleste kjenner til har metaller forskjellig evne til å tiltrekkes en magnet. En magnet henger godt fast på et ulegert stål, men henger ikke på enkelte rustfrie stål. I enkelte tilfeller kan en magnet brukes til å skille stålkva­ liteter fra hverandre.Magnetisme blir også brukt i forbindelse med sprekkundersøkelse av sveiser. Betingelsen er at materialet er ferromagnetisk, dvs. materialer som magneten henger på. Ulegerte stål er ferromagnetiske. Men ved oppvarming til over 770 °C mister det sine magnetiske egenskaper.

37

10.2. Mekaniske egenskaper Det som gir stålet utallige bruksegenskaper, er de store mulighetene vi har til å endre den kjemiske sammensetningen.

Vi har tidligere sett hvordan forurensinger gjør stålet sprøere. På samme måte som vi kan øke seigheten i stål ved tilsetting av legeringsstoffer, kan vi også øke styrken og hardheten.

10.2.1. Styrke I ulegert stål øker vi styrken ved tilsetting av karbon (C). F.eks. vil en økning i karboninnholdet fra 0.05% til 0.25% fordoble styrken.

Mangan (Mn) og Silisium (Si) er også med på å øke styrken, men er spesielt beregnet på å uskadeliggjøre henholdsvis svovel og oksygen. I ulegert stål finner en også ”ledsagerelementer” som krom, molybden, nikkel osv. Disse stoffene bidrar sterkt til styrkeøkning, og er uønsket i ulegert stål fordi de kan skape problemer i forbindelse med sveising (herdesprekker).

10.2.2. Hardhet Praktiske forsøk viser at styrke og hardhet går hånd i hånd. Med andre ord økes hardheten i stål med samme virkemidler som styrken. Generelt kan vi si at stor hardhet i ulegert stål betyr at materialet er sprøtt.

10.2.3. Forlengelse Forlengelsen er et uttrykk for hvor mye stålet tøyes i lengde før det ryker av under belastningen. Bløtt stål kan tøyes mye før det ryker. Hardt stål kan tøyes lite før det ryker. Dette har stor betydning i forbindelse med krymping, f.eks. etter svei­ sing. Da er det nemlig heller spørsmål om hvor langt stålet kan tøye seg enn hvor store krefter som må til. Hvorfor? (Avsnitt 10.1.2.: Krympekreftene blir alltids store nok )

10.2.4. Seighet Forlengelsen er ikke noe entydig uttrykk for hvor seigt stålet er. En bedre indikasjon er hvor mye stålet er innsnørt langs randen av bruddet.

38

Bilde 1: Typisk utseende av brudd i sprøtt stål.

Bilde 2: Typisk utseende av brudd i seigt stål. Innsnøringen langs kanten av bruddet viser at stålet er seigt. Glass er et sprøtt materiale. Det er sterkt og hardt, men det skal ikke store slaget til før det slås i stykker. Tenk deg en konstruksjon bygget av glass. Den ville være svært upålitelig, i og med at et hammerslag ville medføre at den falt sammen. Ved uheldig behandling kan stål bli sprøtt som glass. Det er derfor av stor betydning at vi kjenner materialets seighet, og dets evne til å bli hardt. I praksis måles stålets seighet ved slagseighetsprøving. Vi måler altså stålets evne til å motstå slagpåkjenninger. Ved bygging av større konstruksjoner er dette en vesentlig prøvemetode, både for å prøve materialets seighet og sveisens seighet.

Bortsett fra umagnetiske stål, vil alle stål bli sprøere ved lavere tempera­ tur. Et stål som ved slagpåkjenning oppfører seg seigt ved 20 °C (god bruddinnsnøring) vil altså kunne oppføre seg sprøtt ved — 10 °C (ingen bruddinnsnøring). Ved å finne den temperatur der stålet går over fra seigt til sprøtt brudd, kan forskjellige ståltyper sammenlignes med hensyn til seighet.

10.2.5 Sprekksikkerhet Det er vanskelig, for ikke å si umulig, å finne stål uten en eller annen form for feil. Det være seg kjerver i form av ujevn overflate, slagg, skarpe profiloverganger, småsprekker osv. Spesielt i forbindelse med sveising kan en introdusere slike feil.

Bærende konstruksjoner er ofte utsatt for vibrerende belastning. Dette kan medføre sprekkvekst (utmattingssprekker) innover i godset fra de nevnte kjerver. Når en slik sprekk har nådd en viss størrelse, kan det , ved en plutselig større belastning, ende med at konstruksjonen bryter sammen.

39

Derfor hører en ofte om at oppdagede sprekker i en konstruksjon måles, og at en tar stilling til om de skal sveises sammen eller skiftes ut.

10.2.6 Sprekksikkerhetsteori I denne forbindelse tales ofte om stålets kaldsprekksikkerhet. For bereg­ ning av den brukes ofte karbonekviv alens.

Ec = % C + — Mn 6

% Cr + % Mo + %V+ % Ni 4- % Cu 5 15

Ved å sette inn verdier for den kjemiske sammensetning, fås en verdi for Ec som er et uttrykk for kaldsprekksikkerheten. Den gjelder kun for ulegerte stål der C og Mn er legeringselementer. De andre stoffene er kun forurensninger som evt. måtte følge med stålet. Alt etter hva stålet skal brukes til, foreskriver en at verdien for Ec ikke skal overstige 0,40 eller 0,45. Jo lavere verdi en får for Ec, dess større er sprekksikkerheten.

Vi ser at en økning i legeringsinnhold øker Ec, og at økning av karbon­ innholdet gjør størst utslag. To stål med forskjellig legeringsinnhold, men med samme verdi for Ec, har tilnærmet samme kaldsprekksikkerhet.

Vi skal se på to eksempler:

Stål A: % C = 0,25,

% Mn = 0,9

Ec = 0,25 +

= 0,40 6

Stål B: % C = 0,15,

% Mn = 1,5

Ec = 0,15-1- -il = 0,40

Stålene har tilnærmet samme kaldsprekksikkerhet. Det vil si at faren for at en sprekk skal forplante seg fra mulige feil i godset i kald tilstand, er lik for begge stål.

Høgskolen i Gjøvik BIBLIOTEKET

40

10.3. Kjemiske egenskaper Ut i fra det faktum at en velger stålkvalitet etter hvilket miljø stålet skal brukes i, kan vi trekke den slutning at legeringsinnholdet har innflytelse på stålets kjemiske egenskaper. 10.5.1. Oksydasjon og korrosjon Begrepet oksydasjon brukes i forbindelse med at stålet blir oppvarmet til flere hundre grader. Når oksygen fra lufta binder seg med jern, får vi et grå-svart belegg på stålets overflate som kalles oksyd. På ulegert stål øker dette skiktet en god del allerede ved oppvarming til 200 °C. Fra 500 °C og oppover begynner det å flasse av. Vi sier at ulegert stål har en skallingstemperatur på 500 °C.

Når stål legeres med krom (Cr) heves skallingstemperaturen. 10% Cr i stålet gir skalling først ved 750 °C mens 22% Cr gir skalling ved 1000°C. Begrepet korrosjon forbindes med situasjoner der metallet tæres bort på grunn av det omgivende miljø. Rustdannelse på en ståloverflate (atmos­ færisk korrosjon/våtkorrosjon) eller tæring av det minst edle metallet når vanlig stål og rustfritt stål blir knyttet sammen (galvanisk korrosjon), er nok velkjent.

Bilde 1: atmosfærisk korrosjon Det er også allment kjent at miljøet stålet befinner seg i er bestemmende for om det skal bli tæring eller hvor fort metallet tæres bort (korrosjons­ hastigheten). Stålet tæres raskere i en syre enn i saltvann, og raskere i saltvann enn i ferskvann. Videre kan vi slå fast at stålets kjemiske sammensetning spiller en stor rolle. Rustfritt stål står mye bedre mot korrosjonsangrep enn vanlig stål. Vi sier at stålet er rustfritt når krominnholdet er over 12 %. Årsaken er at det på stålovcrflaten dannes en tett, fastsittende kromosydhinnc som er en dårlig elektronstrømleder.

Korrosjon er et stort problem. Det antas at det i Norge ruster bort verdier for 3-7 milliarder kroner pr. år og at 25-50 " av skadene skyldes mang­ lende viten om korrosjon og beskyttelsestiltak. Vi skal na se pa noen situasjoner som medfører korrosjonsangrep.

41

Belegg Rust på ståloverflaten er det samme som oksydert jern (oppløst jern). Konklusjon: oksygen (luft) må være tilstede dersom stålet skal bli an­ grepet.

Rust dannes ikke på tørre flater når luftfuktigheten er mindre enn 60%. Konklusjon: Vann må være tilstede, eller luftfuktigheten må være over 60 % for at stålet skal bli angrepet. En stålflate vil ofte være dekket av forurensninger (tynt eller tykt belegg). Belegget kan bestå av støv, slam, organisk materiale fra planter og trær eller tidligere rustdannelse. Dette belegget holder lengre på fuktigheten enn tilfellet er med blank overflate. Belegget vil også kunne oppta fuktig­ het fra lufta. Sammenholder vi dette med det vi nettopp har sagt om korrosjonsbetingelser, blir konklusjonen at belegget både øker korrosjonsfaren og korrosjonshastigheten. Dette siste er vesentlig fordi skaden øker med angrepets størrelse. I tilfeller der saltvann (kystatmosfære) eller syrer (byatmosfære) også er innblandet, øker korrosjonshastigheten sterkt.

Vi kan konkludere med at betingelsen for å redusere korrosjonsangrep på ubehandlet stål er å: — holde overflaten ren — holde overflaten tørr — holde luftfuktigheten under 60 %.

Disse betingelsene kan stort sett overholdes i et stållager eller en kon­ struksjon innendørs. Verre er det når konstruksjonen står utendørs. Overflaten må da beskyttes med for eksempel maling eller galvanisering (sinkbelegging). Det er også viktig, uansett, å lage konstruksjonen slik at en unngår oppsamlingsplasser for vann eller skittbelegg.

42

Vanndråper Når ståloverflaten er flekket av rust, har angrepet sannsynligvis vært forårsaket av vanndråper. Vanndråper skader mer enn jevnt vannlag over hele ståloverflaten.

Når to metaller, det ene mer edelt enn det andre, settes sammen, vil det minst edle tæres bort når forurenset vann er til stede.

Den samme virkningen har vi på en metalloverflate når oksygenkonsentrasjonen (oksygenmengden pr. volumenhet) er forskjellig fra sted til sted.

Når en vanndråpe ligger oppå ståloverflaten, er oksygenkonsentrasjonen i vanndråpen mindre enn i lufta nær ståloverflaten ved siden av dråpen. Dermed setter dette ekstra fart i korrosjonen av stålet under dråpen. Dette er også den viktigste årsak til tæringen under et belegg på stålet.

Partikler Store eller små partikler på ståloverflaten vil forårsake kraftig korrosjonsangrep.

Under en partikkel vil det oftest samle seg skitt og fuktighet eller vann. Situasjonen er den samme som når det er vanndråper på ståloverflaten. Oksygenkonsentrasjonen er mindre under partikkelen enn ved siden og vi får korrosjonsangrep.

Dersom partikkelen er av et edlere metall, lår vi i tillegg galvanisk korrosjon. Det skyldes at stålet, som er mindre edelt, tæres bort.

43

Trange spalter Ikke sjelden forekommer trange spalter i en konstruksjon. Trange spal­ ter dannes når to metallstykker ligger mot hverandre slik at vann kan trenge inn mellom dem.

Situasjonen ligner på de to foregående. Stålet tæres inne i spalten fordi oksygenkonsentrasjonen er mindre der enn ved spalteåpningen. Trang spalte får vi også mellom stålprofiler som ligger lagret.

Lageret er det stedet der stålet oppholder seg lengst tid på en bedrift. Vi må derfor sørge for at: — stålet er tørt når det legges på lager — luftfuktigheten på lageret er under 60 % — temperaturen er noenlunde konstant. Ved temperatursvingninger kan vi få kondens.

10.3.2. Reduksjon av karbon i stålets overflate For mange ståltyper er det karbon som gir stålet hardhet og styrke. Men karbonatomet er så lite at det kan bevege seg mellom jernatomene og ut til stålets overflate og forlater stålet. Denne prosessen skjer ved romtem­ peratur og effekten økes når temperaturen øker. Dermed vil stål alt etter tid og behandling få redusert sin hardhet i overflaten. Dette er vesentlig å kjenne til når stålets hardhet skal måles. Hvorfor?

44

11. Bedømming av ståltypen Nå har vi studert stålets egenskaper, de fysikalske, de mekaniske og de kjemiske. Når den kjemiske sammensetningen har så stor innflytelse på stålets kvalitet, må vi trekke den konklusjon at det er av største betyd­ ning at vi vet hvilken ståltype vi har foran oss. I praksis finner vi dette ved å studere stålets kjemiske sammensetning sammen med de meka­ niske egenskaper.

Den mest nøyaktige måten er å måle dem i et laboratorium. Men har en ikke slikt utstyr, kommer en et godt stykke på vei med det verktøy en har for hånden.

11.1. Enkel materialprøving Den enkleste metoden som kan si litt om stålets hardhet er filing. Har en for hånden et stål en kjenner noenlunde hardheten på, kan dette nyttes som sammenligning. Men husk å slipe stålets overflate på begge stål før fileprøven foretas. Hvorfor?

Når vi sliper forskjellige stålsorter med smergelskive, oppstår det ulike gnistformer. Ved hjelp av gnistformene kan vi skjelne ståltypene fra hverandre mht. karboninnhold. Siden det er karbon som gjør stålet sterkt, hardt og sprøtt vil denne såkalte gnistprøven være en god indikasjon på hvor sprekkfarlig stål er. Det er vesentlig å vite.

Bildene nedenfor viser ca. karboninnhold ved forskjellige gnistformer.

45

En går fram på følgende måte: 1. Bruk en skarp, middels hard og middels grov smergelskive som er ren for stålpartikler som er satt seg fast. (Hvorfor det siste?) 2. Hold prøvestykket mot skiva. Press ikke for hardt. 3. Sammenlign gnistbanene med gnistformene på bildene og angi stålets karboninnhold. 4. Før ny prøve må skiva renses for stålpartikler som har satt seg fast.

11.2. Teoretisk bedømming Som før nevnt, er stålets evne til å bli hardt nøye knyttet til den kjemiske sammensetning. Men hvordan kan vi få vite hvilken kjemisk sammen­ setning stålet har? 1. Vi kan kappe en bit av stålet og få det analysert ved et laboratorium. Vi får da vite det nøyaktige innhold av de forskjellige tilsettingsstoffer.

2. Kjenner vi ståltypens navn, kan vi oppspore den kjemiske sammenset­ ning via stålstandarder.

3. Med stålet følger det ofte papirer på kjemisk sammensetning, det være seg materialsertifikat eller analysesertifikat. Men hva skal vi bruke disse opplysningene til? I avsnitt 10.2.6. så vi på et begrep som kalles karbonekvivalenten. Det er en formel der vi kan sette inn verdiene for de enkelte tilsettingsstoffene og regne dette ut. Verdien vi får for Ec er et uttrykk for stålets kaldsprekksikkerhet. Når det gjelder sveising, kan vi generelt si at når Ec er mindre enn 0.40 kan stålet sveises uten spesielle forholdsregler. Herav nytteverdien.

11.3. Eksakt materialprøving Hittil har vi bare studert metoder som kan gi oss en viss informasjon om stålets mekaniske egenskaper. Men det finnes nøyaktigere metoder til å klarlegge dette. De viktigste er strekkprøving og slagseighetsprøving, hvorved de mekaniske egenskapene kan måles. Men materialet eller deler av det må skjæres i stykker for å framstille prøvebiter. Herav kommer navnet destruktiv prøving (ødeleggende prø­ ving).

46

12. Destruktiv materialprøving 12.1. Hardhetsprøving Dette er den enkleste og minst ødeleggende metoden. Prøvingen foretas ved at et hardt og spisst legeme av en eller annen utforming trykkes inn i ståloverflaten med en viss belastning.

12.1.1. Brinellprøving Denne metoden brukes mest for ulegert stål, dvs. bløtere ståltyper. Inntrykkslegemet er en stålkule med diameter lOmm, belastning 3 tonn. Ved hardere stål brukes hardmetallkuler med størrelse 5 eller 2.5mm og belastning henholdsvis 750 og 187.5 kg.

Bilde 1: Det forutsettes at stålets overflate er slipt og polert der målingen skal foretas. Hvorfor? Kula trykkes inn i stålet. Hvorfor må vi ikke bruke stålkule ved hardhetsmåling av hardt stål? Bilde 2: Etter at belastningen har vart i 30 sek., avlaster vi og diameteren, d, av hullet som kula har etterlatt i stålet, måles. Via omregningstabell finnes hardhetsverdien ved innsetting av den målte diameter.

belast­ ning

kule anlegg

Brinellapparat

47

12.1.2. Vickersprøving For Vickersprøving nytter vi tilsvarende utstyr som for Brinellprøving. Hovedforskjellen ligger i at inntrykkslegemet er en diamantpyramide.

Bilde 1: Diamanten trykkes inn i stålet med en valgt belastning. Bilde 2: Diamant-pyramiden etterlater seg et firkantet, spisst hull i stålet. Vi måler diagonalene, finner gjennomsnittet, og finner hardhetsverdien via omregningstabell.

Vickersprøving er mest brukt for harde stål. I forbindelse med måling av hardhet ved en sveis, brukes micro-vickers. Dette gir inntrykk som er så små at verdiene må avleses med mikroskop. Fordelen er at vi kan plassere flere inntrykk pr. mm.

12.1.3. Rockwellprøving Vi har to typer Rockwellprøving. For bløte stål er inntrykkslegemet en stålkule med diameter 1/16” og belastning 100 kg. Denne metoden kalles Rockwell B (Rb). For harde stål benyttes en diamantkjegle og belastning 150 kg. Denne metoden kalles Rockwell C (Rc).

Bilde 1: Bildet viser Rc med diamantkjeglen inntrykket i stålet. Bilde 2: For denne metoden måler vi inntrykkets dybde h mens kjeglen ennå er inni materialet. Avlesningen skjer med klokke som står på Rockwellapparatet.

Også når inntrykkslegemet er en stålkule, leses hardhetsverdien direkte av på apparatet.

48

12.2. Strekkprøving Vi kan måle stålets styrke, flytegrense og forlengelse ved å strekke en stavformet prøve til den ryker av. Prøvestavens form og størrelse er angitt under.

Lo er målelengden, avmerket med to kjørnemerker eller tusjstreker. Do er stavens diameter.

Målelengden Lo er avmerket forat vi etter brudd kan måle stavens forlengelse. 12.2.1. Strekkfasthet Den strekkspenning som må til for at staven skal ryke av, kalles strekkfastheten. _ . . . Strekkraft Strekkspenning =------------------------------Stavens tverrsnittsareal

Dersom det må til en strekkraft tilsvarende 16 tonn belastning i strekk, gir dette stålet en strekkfasthet på 510 N/mm2 (51kp/mm2), fordi strekkstavens tverrsnittsareal er 314 mm2.

Årsaken til at vi opererer med spenning i stedet for kraft er følgende: Ved sammenligning av to stål vil den målte kraften som skal til for å dra det ene stålet fra hverandre ikke være sammenlignbar med det andre. Hvor stor kraft som skal til, avhenger ikke bare av stålets egenstyrke, men også av tykkelsen på prøvestaven. Når tykkelsen på prøvestaven varierer, vil kraften som skal til for å dra den av også variere. Spenningen, derimot, er den samme uansett hvor tykk prøvestaven er. I eksempelet over brukte vi 16 tonns kraft for å dra av staven med tverrsnitt 314 mm2. Dersom staven er dobbelt så tykk, altså 628 mm2, må det en kraft på 32 tonn til. Forskjellig kraft, men samme spenning: . Strekkspenning =

kraft tverrsnitt

16 000 kp , = ----------- — = 51 kp/mnr ~ 510 N/mnr 314 mm2 32 000 kp- = 51 kp/mnro — 510 t-m ni / =----------N/mnr 628 mm’

Vi må regne om fra kp (kilopund) til N (newton) fordi newton er den nye måleenheten for kraft (1 kp = 9,8 N). Ett kilopund er den kraften et lodd på 1 kg drar med i ei snor (pga. tyngdekraften).

49

12.2.2. Forlengelse Ved å sette prøvestaven sammen igjen etter brudd, kan vi måle avstan­ den mellom kjørnemerkene igjen. Staven er blitt lengre. Forlengelsen er forskjellen mellom stavens lengde etter brudd og opprinnelig lengde.

Forlengelsen måles i prosent av opprinnelig lengde.

Forlengelsen blir da: L1 ~ L.o • 100% Lo 120 - 100 .100o/o = 2qo/o 100

12.2.3. Innsnøring Innsnøringen er et mål for stålets seighet. Stor innsnøring betyr seigt stål. Innsnøringen er et uttrykk for stålets renhet (forurensninger).

Ao - opprinnelig prøve tverrsnitt. A = prøvetverrsnitt på bruddstedet.

Innsnøringen regnes i prosent av opprinnelig tverrsnitt etter følgende formel: A... a • 100% Ao

12.2.4. Flytegrense Et materiale som blir utsatt for strekkbelastning, vil som nevnt bli forlen­ get. Ved avlastning kan følgende skje: 1. Materialet går tilbake til sin opprinnelige lengde. 2. Materialet blir varig forlenget.

I tilfelle 1 har materialet oppført seg elastisk. I tilfelle 2 har materialet oppført seg plastisk. I tilfelle 2 er det brukt større strekkraft enn i 1. Vi kan si at stålet er blitt belastet over sin elastiske tøyelighet. Den strekkspenning hvormed dette skjer, kaller vi stålets flytegrense. Den merkes under strekkprøving ved at stålet ikke lenger motsetter seg strekking som før, og er en målbar verdi. Flytegrensen er den største spenning materialet tåler uten å bli varig forlenget.

50

12.2.5. Litt strekkprøvingsteori Når stål strekkes, forlenges det på samme måten som en strikk. Dette kan illustreres i et diagram:

En strekkspenning på R (N/mm2) gir en forlengelse av stålet på A (%). Ved avlastning, blir størrelsene R og A lik null. Stigningen av kurven i diagrammet kaller vi elastitetsmodulen, E.

_ strekkspenningen A forlengelsen r

Dersom E er liten (slak kurve), betyr det at det skal lite kraft til for å tøye stålet.

Eksempel: En bjelke vil bøyes mer ned når E har liten verdi.

Ved økende belastning, vil strekkstaven tøyes mer enn før pr. belast­ ningsøkning. Med andre ord, materialet begynner å oppføre seg plastisk. Kurven i diagrammet vil gå over fra å være en rett til en krummet kurve, som diagrammet viser:

Da strekkspenningen var lik Re, begynte stålet å oppføre seg plastisk. Re kalles flytegrensen. Ettersom strekkspenningen øker videre, oppnås snart den høyeste strekkspenningen Rm, som kalles strekkfastheten. Da begynner stålet å snøre seg inn på midten av strekkstaven. Rm represen­ terer forlengelsen etter brudd. Et hardt stål har ikke så markert flytegrense som ovenfor. Hardt stål forlenger seg dessuten lite og får en stålkurve som nedenfor:

51

I dette tilfellet uten markert flytegrense, bruker vi den strekkspenningsverdi vi har for 0,2% forlengelse av stålet, som flytegrense. Strekkfastheten Rm faller sammen med strekkspenningen i bruddøyeblikket. Flytnin­ gen minimal.

12.3. Slagseighetsprøving Selv om andre prøvemetoder også gir en viss pekepinn om stålets seighet, har vi for å få et mål for seigheten, utviklet en prøvemetode som kalles slagseighetsprøving.

Prøvingen foregår i en slagprøvemaskin som ser slik ut i prinsippet:

Bilde 1: Slaghammeren utløses i posisjon A, knekker prøven i B og svinger opp i stilling C før den faller tilbake. Bilde 2: Sett ovenfra ser tilfellet i posisjon B ut som til høyre.

Stålets slagseighet måles ved at en slepeviser dras med pendelen oppover skalaen på apparatet. I posisjon C har pendelen sitt største oppsving etter at prøven er knekket. Den verdi som avleses på skalaen i posisjon C angir stålets seighetsverdi. Jo høyere pendelen svinger opp, dess mindre seighetsverdi. Vi kan for eksempel tenke oss hvor mye lettere det er å knekke en glasstav enn en gummistav av samme dimensjon. Skulle dette overføres til slagseighetsprøvingen, kan vi slutte at utslaget C etter knekking ville være større for glasstaven enn for gummistaven. Slik er det også for stål. Seigt stål gir mindre utslag etter knekking enn sprøtt stål.

52

Prøvestaver I hovedsaken benyttes to typer prøvestaver: Bilde 1: Charpy-V prøvestav, størrelse 10 x 10 x 55 mm med V-formet skår, dybde 2 mm, og bunnradius 0,25 mm.

Bilde 2: Charpy-U prøvestav, størrelse 10 x 10 x 55 mm med U-formet skår, dybde 5 mm, og bunnradius 1,0 mm. Prøving med Charpy-V og U gir forskjellige resultater. Derfor kan en bare stole på de verdier som også angir prøvetype. De to prøvetypene kan selvsagt ikke sammenliknes. Ved slagseighetsprøving av sveiser benyttes V-skår, Charpy-V prøven er mer følsom overfor temperaturen. Økende slagseighet

12.3.1 Prøving ved forskjellige temperaturer I avsnitt 9.2.4. ble det nevnt at stål blir sprøere ved lavere temperatur. Dette kan vi bestemme for den enkelte ståltype ved knekking av prøve­ staver som er avkjølt til forskjellige temperaturer.

Resultatet av målingen (som alltid er gjennomsnittet av 3 prøver), kan føres opp i et diagram:

Økende prøvetemperatur T1

T2

T3

T4

T5

T6

I avsnitt 9.2.4. ble et seigt brudd forklart med en bruddflate som så opprevet ut, mens et sprøtt brudd så ut som en knekket sukkerbit.

Nedenfor er prøvestavens bruddutseende ved de forskjellige temperatu­ rer ?! til T6 skissert:

2 mm frest Charpy-V skår seigt, opprevet bruddflate sprøtt, sukkerbitlignende bruddflate

Jo større andel av bruddflaten som har sprøtt utseende, dess sprøere er bruddet.

53

Som en ser, kan vi fastslå at overgangen fra seigt til helt sprøtt brudd skjer ved temperatur T2. Slagseighetens (slagarbeidets) verdi er da målt til ca. 27,5 joule (tidligere benevnt 2,8 kpm). Denne verdien er derfor ofte brukt som grenseverdi. Den prøvetemperatur som tilhører slagseighetsverdien på 27,5 joule, kalles stålets ”omslagstemperatur” fra seigt til sprøtt brudd. Omslagstemperaturen varierer fra ståltype til ståltype. Dette er vist ned­ enfor:

Omslagstemperaturen for stål I finner vi ved - 20 °C. For stål II er tilsvarende temperatur + 10 °C. Med andre ord, er stål I seigere enn stål II. Merk: Slagseighetsverdiene må ikke brukes ukritisk. Denne prøvingen viser en av årsakene til at stål oppfører seg sprøtt. Vi kan ikke uten videre si at stål II er for sprøtt til å kunne brukes ved temperaturforhold under + 10 °C. I hovedsaken brukes slagseighetsverdien til å sammenligne stålenes seighet.

12.4. Bøyeprøving Bøyeprøving kan foretas dersom en ønsker å få et bilde av materialets formbarhét. Med andre ord et bilde av materialets seighet og styrke.

Det vanligste er kaldbøyeprøven. Det er en prøvestav med tverrsnitt ca. 20 x 25 mm som bøyes over en sylinder med diameter vanligvis 1,5 ganger stavens tykkelse.

54

Bløtt stål skal tåle 120° bøying uten å sprekke. Ved bøyingen vil ev. slagger og porer i materialets strekkside komme til syne. Bøyeprøven brukes ofte i forbindelse med prøving av sveiser.

55

13. Sammenheng hardhet — styrke Som tidligere nevnt viser praktiske forsøk at styrke og hardhet går hånd i hånd. Nedenfor vises en tabell som viser samsvarende verdier ved for­ skjellige metoder for hardhetsprøving, og dessuten hvilken strekkfasthet hardheten tilsvarer. Brinell 10 mm 0,3000 kg Diam. av Hardkuleinntr. hetsnr. mm

2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 •2.60 2.70 2.80 2.90 3.00 3.10 3.20 3.30 3.40 3.50 3.60 3.70 3.80 3.90 4.00 4.10 4.20 4.30 4.40 4.50 4.60 4.70 4.80 4.90 5.00 5.10 5.20 5.30 5.40 5.50 5.60

825 773 705 654 595 560 512 469 443 409 390 362 341 321 302 285 269 255 241 229 217 207 196 187 179 170 163 156 149 143 137 131 126 121 116 112

HARDHETSTABELL Strekk­ Rockwell fasthet Diamant C N/mm2 150 kg

2205 2009 1891 1725 1578 1490 1372 1313 1215 1147 1078 1019 960 911 862 813 774 735 696 666 637 617 598 578 559 529 510 490 461 451 431 412 392

70 67 63 60 57 55 52 49 47 44 42 39 37 34 32 30 28 25 23 21

Vickers

Hv 5—100 kg 1025 900 772 697 633 595 544 498 471 434 412 382 360 339 319 301 284 269 253 241 228 218 206 196 187 178 170 163 155 149 142 136 130 125 120 115

56

14. Varmebehandling Når et stål forlater smelteovnen, er dets muligheter og begrensninger bestemt. Stålet er gitt en bestemt kjemisk sammensetning med tanke på et bestemt formål.

Om stålet oppnår de ønskede egenskaper, er avhengig av den behand­ ling vi gir det på veien til det ferdige produkt, f.eks. en stålprofil eller et verktøy. Et viktig ledd i prosessen er varmebehandling. Et herdbart stål har fått sitt navn fordi stålet ved varmebehandling kan gjøres hardt. Men ved en annen varmebehandling kan vi gjøre samme stål bløtt. Hemmeligheten bak dette har vært kjent i praksis fra før vår tidsregning. Men det er først i vårt århundre at vi har fått teoretisk kjennskap til dette, slik at vi kan nytte stålets egenskaper fullt ut. I det følgende skal vi avdekke noen av hemmelighetene.

14.1. Oppvarming — avkjøling Varmebehandling av stål skjer ved: Oppvarming til en bestemt temperatur. Avkjøling med en viss hastighet.

For å kunne gjøre dette, trenger vi følgende utstyr og midler: Til oppvarming: Ovn, varmebelter eller brenner. Til avkjøling: Ovn, luft, olje eller vann.

14.2. Oppvarmingsmetoder 14.2.1. Ovner I dag har ovner med elektrisk oppvarming mer og mer erstattet tidligere gass- eller oljefyrte ovner. Årsaken er at en med elektrisk oppvarming får bedre kontroll med temperaturen og bedre renslighet.

57

I prinsippet ser ovnen slik ut:

Når en skal varmebehandle større konstruksjoner, må det ofte bygges opp en ovn omkring konstruksjonen.

14.2.2. Varmebelter I tilfeller der en kan nøye seg med å varmebehandle deler av en kon­ struksjon, kan en nøye seg med varmebelter. Dette gjøres ofte ved sveising.

14.3. Temperaturmåling Ved varmebehandling er det meget viktig at en passer på at temperaturen er korrekt. Ellers kan resultatet bli langt fra det det en ønsker. Til dette kreves temperaturmålingsutstyr. Valg av utstyr avhenger av hvor nøyak­ tig måling som kreves. 14.3.1. Temperaturfarge Når stålet blir oppvarmet til 500 °C, begynner det å sende ut stråling som kan oppfattes av det blotte øye. Fargen skifter med temperaturen.

58

Følgende temperatur-fargeskala finnes:

°c

Temperaturfarge (Stråling)

1300 1200 1100 1000 950 900 850 800 750 700 650 600

hvit gul — hvit lys gul gul lys gul — rød gul — rød lys rød lys kirsebærrød kirsebærrød mørk kirsebærrød mørk rød rødbrun

Denne fargeskalaen er beregnet for temperaturbestemmelse i mørkt rom. Lysforholdene vil derfor spille en stor rolle i nøyaktigheten av bestem­ melsen. Metoden er derfor ikke pålitelig, men kan gi en pekepinn, om det er tilstrekkelig. 14.3.2. Anløpningsfarge (oksydfarge) På en glattslipt ståloverflate vil det i temperaturområdet 200 - 360 °C dannes et tynt oksydlag som har forskjellig farge alt etter tykkelsen, dvs. temperaturen. Fargen framkommer altså av samme årsak som oljefilm på vann, dvs. ved lysbrytning.

For ulegert stål, finnes følgende temperatur- oksydfarge skala:

°c 360 340 320 300 280 260 240 220 200

Temperaturfarge (Oksyd) grå blå — grå lys — blå mørk blå fiolett rød gul — brun gul meget blek — gul

Denne fargeskalaen benyttes ennå i noen tilfeller ved varmebehandling av verktøystål. (Rustfrie stål får et tynnere oksydlag, og vil derfor være varmere enn de ser ut til).

59

14.3.3. Temperaturkritt Ved å sette en strek med temperaturkritt på stålets overflate, kan stålets temperatur bedømmes. Det finnes to typer temperaturkritt:

termokromstifter tempilstifter Termokromstifter finnes i 12 varianter. En for hver temperatur.Hvis streken skifter farge i løpet av 1-2 sek., er temperaturen lik den som er angitt for stiften. Skjer fargeomslaget raskere, er temperaturen for høy. Skjer det langsommere, er temperaturen for lav. Streken må settes etter at stålet er varmet opp. Stiftene leveres for temperaturer fra 75 til 670 °C.

Tempilstifter Disse stiftene får ikke fargeomslag, men streken på stålet smelter når temperaturen som stiften representerer, er nådd. Streken må settes på stålet før oppvarmingen. Stiftene leveres for temperaturer fra 50 til 1350 °C. 14.3.4. Optisk pyrometer Når stålet blir oppvarmet til over 500 °C, begynner det å sende ut stråling som er synlig med det blotte øye. Utstrålingsintensiteten øker med tem­ peraturen.

Med et optisk pyrometer kan stålets overflatetemperatur måles. En retter pyrometeret mot stålet og sammenligner fargen med stålets temperaturfarge. Avlesningen skjer direkte på pyrometerets skala. Nøyaktighet: 1.5% dvs. ved 1000 °C er nøyaktigheten 15 °C.

14.3.5. Termoelement Den mest nøyaktige metoden for måling av stålets temperatur, får vi ved bruk av termoelement. Det er oppbygd av to metalltråder med forskjellig varmeledningsevne. De er sveiset sammen i ene enden og koblet til et millivoltmeter (spenningsmåler) i andre enden.

Termopar

Millivoltmeter

Den sammensveiste enden av trådene festes direkte på stålets overflate ved sveising eller klemming. Sveising gir best kontakt og mest nøyaktig måling.

60

Apparatoppstillingen kan se slik ut:

Stålgods

Dette utstyret benyttes ved varmebehandling i forbindelse med sveising.

Merk: Dersom det ved varmebehandling i forbindelse med sveising er fare for at termoelementet, som er festet til stålet, skal falle av, bør de to tråden­ dene ikke vikles/sveises sammen. Ved et brudd vil nemlig temperaturkontrollen stadig registrere for lav temperatur, og temperaturen stiger ukontrollert. I dette tilfellet er det bedre å feste trådenden på termoelementet med et par millimeters avstand. Målefeilen som dermed introduseres, er som regel ubetydelig.

14.4. Avkjølingsmidler Som nevnt under avsnitt 13.1., består varmebehandlingen av oppvar­ ming og avkjøling. Hittil har vi sett på utstyr for oppvarming og temperaturmåling. Det viktigste ved oppvarmingen er hvilken temperatur vi varmer stålet opp til.

Det viktigste ved avkjølingen er hvor hurtig eller hvor langsom den er. Dette kan reguleres ved å benytte forskjellige avkjølingsmidler. De vanligste avkjølingsmidler er: vann olje blåsende luft stille luft ovn Midlenes avkjølingsgrad er minkende nedover i rekken. Hvilket avkjolingsmiddel en vil bruke i det enkelte tilfelle, avhenger av ståltype og ønsket hardhet.

61

14.5. Godstykkelse Når stålet oppvarmes eller avkjøles, skjer det en transport av varme til eller fra ståloverflaten. Det foregår også en varmetransport inni stålet, dvs. fra godsoverflaten til det indre ved oppvarming, og motsatt ved avkjøling. Varmetransport tar tid. Jo tykkere godset er, dess lenger blir oppvarmingstiden.

14.6. Varmebehandlingsteori 14.6.1. Temperaturavhengighet Et stål som varmes opp til ca. 700 °C eller mindre, vil ikke kunne bli hardere enn det var før oppvarmingen. Men varmer vi stålet til over denne temperatur, er det mulig å gjøre det hardere. Det er dette vi benytter oss av ved varmebehandling av stål.

14.6.2. Oppvarmingsteori Nedenfor er vist et diagram som angir temperaturområder som gjelder for ulegert stål.

Felt I: Oppvarming til en temperatur i dette området, gjør stålet mykere enn det var før oppvarming. Jo høyere temperatur, dess bløtere blir det. Med andre ord: 650°C gir bløtere stål enn 550°C. Stål som fra før er bløtt, vil forbli bløtt. Felt II: Avhengig av stålets karboninnhold vil oppvarming til en tempe­ ratur i dette området legge mulighetene til rette for å øke stålets hardhet.

Eksempler: 1. Et stål med herding ved 2. Et stål med herding ved

0,2%C må oppvarmes til ca. 880 °C for å kunne oppnå avkjøling. 0,4%C må oppvarmes til ca. 820 °C for å kunne oppnå avkjøling. temp,

62

Det som til nå er sagt, er funnet ved praktiske forsøk. I varmebehandlingsteorien forklares dette på følgende måte:

Når temperaturen kommer over 723 °C, begynner stålet å danne nye krystaller. Når temperaturen har ligget innenfor felt II i ca. en halv time, vil de gamle krystallene være utskiftet med nye som har andre egenska­ per. Dette kan betraktes i et mikroskop. Vi sier at stålet har forandret krystallstruktur. Uten at dette skjer, kan stålet ikke bli hardere ved avkjøling. Med andre ord vil stål som er oppvarmet til under 723 °C ikke få ny krystallstruktur, og dermed heller ikke ha muligheten til å bli hardere ved avkjøling. 14.6.3. Avkjølingsteori For å rydde av veien eventuelle misforståelser: Stålet blir ikke hardere ved oppvarming. Men muligheten for å gjøre stålet hardere er lagt til rette når stålet er oppvarmet til en temperatur i felt II. Om denne muligheten for herding blir utnyttet eller ikke, avhenger av hvor fort stålet avkjøles til romtemperatur.

Hvilke muligheter har vi til å regulere avkjølingshastigheten? Eksempel: Et stål med 0,2% karbon vil bli bløtt ved avkjøling i luft. Ved avkjøling i vann vil det bli hardt. Ved avkjøling i olje vil det bli halvhardt. 14.6.4. Herdbarhet Stålets herdbarhet er uttrykk for hvor lett det kan gjøres hardt. Stålet har: meget stor herdbarhet dersom luft gir herding. stor herdbarhet dersom olje gir herding. liten herdbarhet dersom vann gir herding. dårlig herdbarhet dersom vannavkjøling gir herding bare i tynne godstykkelser.

Faktorer som øker herdbarheten:

økning av karboninnholdet. tilsetting av andre legeringsstoffer. Praktisk konsekvens Et ulegert stål må kjøles i vann for å bli hardt. Et høylegert stål blir hardt selv ved luftavkjøling.

63

14.6.5. Herdbarhetsteori Skjematisk kan en grov inndeling av kjølemidlenes kjøleevne settes opp

Et stål som er oppvarmet til 880 °C bruker lengre tid på å bli avkjølt til 20 °C jo mindre kjøleevne middelet har:

i vannbad er avkjølingstiden tj sekunder i oljebad er avkjølingstiden t2 sekunder i luft er avkjølingstiden t3 sekunder Avkjølingshastigheten kan variere fra noen få sekunder (i vann) til et par timer (i luft).

Ved laboratorieforsøk har en laget diagrammer som beskriver det som skjer når et stål med høyt legeringsinnhold herdes i luft. Et stål med lavt legeringsinnhold må kjøles i vann for å bli hardt.

Ulegert stål

Konklusjon: Bare vannavkjøling kan herde ulegert stål.

Kurven som har hel strek representerer stålet.

Når avkjølingskurven skjærer gjennom den buede del av stålets kurve, blir stålet bløtt. Jo høyere oppe gjennomskjæringen kommer, dess bløtere blir stålet. Jo lavere, dess hardere. Derfor vil avkjøling i luft gi bløtere stål enn avkjø­ ling i olje.

Når avkjølingskurven skjærer gjennom den vannrette delen av stålets kurve, blir stålet hardt (herdet).

64

Nedenfor er vist typisk avkjølingsdiagram for ulegert stål. Innringede tall i enden av hver avkjølingskurve viser hardheten (vickers) som oppnås:

CCT-diagram C

Si

Mn

P

S

Al

*2

-

0,17

0,51

1,39

0,025

0,029

0,059

0,005

-

-

-

-

-

Temperatur

Kjemisk sammensetning i %

Høylegert stål

Kurven som har hel strek representerer stålet. Dette stålet er sa hoyt legert at det herdes til og med ved luftavkjøling. Høylegert stål herdes ved luft- eller oljeavkjøling. Vannkjøling kan medføre at stålet sprekker (herdesprekk). (Merk: En del hoylegerte rustfrie stål kan ikke herdes. Det er de umagnetiske.)

65

14.7. Varmebehandlingsmetoder Vi skal nå se på de vanligste varmebehandlingsmetodene som brukes til å gi stålet ønskede egenskaper:

Normalisering Herding Anløping Seigherding Gløding 14.7.1. Normalisering Brukes for: Grovkornet stål (store krystaller) som fåes når stålet tidligere er blitt oppvarmet til for høy temperatur (over 1000 °C). Støpestål (pga. høy temperatur og langsom avkjøling som medfører store krystaller). Mykgjøring av kaldvalset stål. Varmvalset stål. Sveist stål.

Hensikten: Gjøre stålet seigere.

Utførelsen: Varm stålet til normaliseringstemperatur, 800-900 °C (avsnitt 14.6.2.). La stålet bli gjennomvarmt. Avkjøl i stille luft. 14.7.2. Herding

Brukes for: Stål som skal seigherdes. Verktøystål.

Hensikten: Oppnå stor hardhet.

Utførelsen: Varm stålet til herdetemperatur, 800-900 °C (se avsnitt 13.6.2.). La stålet bli gjennomvarmt. Hold stålet på herdetemperatur en viss tid. (Ulegert stål ca. 1/2 time pr. tomme godstykkelse. Legert stål 1/2-1 time pr. tomme godstykkelse.) Avkjøl raskt. (Ulegert stål i vann. Legert stål i olje eller luft.) Merk: Stålet bør være glødet før herdingen om en er redd for herdesprekker. For høyt legerte og komplisert utformede stål bør oppvarmingshastigheten ikke være for stor. Avpass kjølemidlet etter stålets kjemiske sammensetning.

66

14.7.3. Anløping Brukes for: Seigherdingsstål og verktøystål.

Hensikten: Gjøre herdet stål seigere. Redusere hardheten i herdet stål. Stålet blir bløtere jo høyere anløpingstemperaturen er.

Utførelsen: Varm stålet til anløpingstemperatur, vanligvis ca. 400-700 °C. La stålet bli gjennomvarmt. Hold stålet i ovnen i 1/2 time eller mer. Avkjøl i stille luft. Merk: Anløping bør skje like etter herding. For verktøystål som er herdet, anløper vi på temperaturer fra ca. 100 °C og oppover.

14.7.4. Seigherding Brukes for: Seigherdingsstål og verktøystål.

Hensikten: Oppnå stor hardhet kombinert med god seighet.

Utførelsen: Herding og anløping. 14.7.5. Gløding Det finnes flere typer gløding, alt etter hvilken ståltype en har med å gjøre, og hva en ønsker å oppnå. Vi skal se på følgende glødebehandlinger:

spenningsgløding mykgløding diffusjonsgløding austenittgløding Spenningsgløding Brukes for: Smidd, valset, rettet, maskinert eller sveist gods.

Hensikten: Fjerne spenninger som er kommet ved bearbeiding, maskinering eller sveising.

67

Utførelsen: Varm stålet til 500-650 °C. La stålet bli gjennomvarmt. Hold stålet på temperatur i 1/2-4 timer. Avkjøl langsomt i ovn. Mykgløding

Brukes for: Karbonstål/verktøystål med over 0,8% karbon (C). Hensikten: Gjøre stålet lettere å maskinere.

Utførelsen: Varm stålet til 700-800 °C. La stålet bli gjennomvarmt. Hold stålet på temperatur i 4-24 timer. Avkjøl 10-20 °C pr. time til 600 °C i ovn og deretter evt. i stille luft. Diffusjonsgløding Har en mistanke om hydrogeninnhold i herdbart gods, f.eks. etter svei­ sing, bør stålet varmes opp til 600-650 °C, for å fjerne sprekkfaren. Spenningsgløding vil ha samme virkning.

Austenittgløding

Brukes for: Umagnetiske stål (rustfrie og andre med austenittstruktur). Hensikt: Gjøre stålet bedre korrosjonsbestandig. Gjøre stålet seigere.

Utførelsen: Varm stålet til 950-1150 °C, alt etter kjemisk sammensetning. Hold stålet på temperatur i 1/2-1 time. Avkjøl i vann. (Dette stålet herder ikke.)

Merk: Dette stålet blir sprøtt ved opphold i temperaturområdet 450-850 °C.

68

15. Ståltyper Vi har nå gjort oss kjent med stålets kjemiske sammensetning, egenska­ per og varmebehandling på en generell måte hva ståltype angår. Når vi snakker om ståltype, mener vi et bestemt stål med beskrevet kjemisk sammensetning og mekaniske egenskaper. Mange ståltyper er beskrevet i standarder og har foruten krav til kjemisk analyse og mekaniske egenskaper fått et bestemt navn og nummer.

15.1. Standardisering av ståltyper De fleste industriland har sine egne standarder. I tillegg har hver enkelt stålprodusent sin egen ståltype-standard. Dette fører til store problemer for den som kjøper stål.

I Norge vil det være naturlig at stålbrukeren gjør seg kjent med Norsk Standard (NS), utgitt av Norges Standardiseringsforbund, og bruker den som referanse når en kjøper stål. Med stålet følger et sertifikat som angir stålets kjemiske sammensetning og kanskje også mekaniske egenskaper. Stålbrukeren kan derved finne en tilsvarende standardisert ståltype i NS, og dermed også finne ut f.eks. om stålet kan sveises, eller om spesielle forholdsregler bør tas.

69

Oppbygging av NS Nedenfor vises et utdrag av NS med hensyn på de vanligste stål en støter på.

Hovedgrupper:

NS NS NS NS

llxxx: 12xxx: 13xxx: 14xxx:

Støpejern og støpestål. Ulegerte og legerte stål. Ulegerte og legerte stål. Rustfrie og andre høylegerte stål.

Undergrupper:

NS lllxx: NS 112xx: NS 113xx: NS 114xx: NS 115xx: NS 116xx: NS 117xx: NS 118xx: NS 120xx: NS 121xx: NS 122xx: NS 123xx: NS 125xx: NS 126xx: NS 127xx: NS 128xx — 12819: NS 12820—12889: NS 129xx: NS 130xx: NS 131xx: NS 132xx— 134xx: NS 135xx: NS 136xx: NS 137xx: NS 138xx: NS 129xx: NS 140xx— 144xx: NS 145xx— 149xx:

Støpejern. Legert støpejern. Kulegrafittjern. Legert kulegrafittjern Aducerjem. Ulegert støpestål. Legert støpestål. Rustfrie støpestål. Reservert til armeringsstål. Alminnelige konstruksjonsstål. Reservert. Trykkbeholderstål. Høyfaste sveisbare stål. Reservert. Reservert. Kjettingstål. Stål for tynnplater og kaldvalsede bånd. Reservert. Automatstål. Settherdingsstål. Seigherdingsstål. Induksjons-, flammeherdings- og nitrerstål. Fjærstål. Reservert. Verktøystål. Reservert. Rustfrie stål. Reservert for andre høylegerte stål.

Tilstandsbetegnelser (varmebehandling). Stål. NS Ixxxx —00: NS Ixxxx —01: NS Ixxxx — 02:

Varmformet (ubehandlet). Normalisert. Glødet.

70

15.2. Alminnelige konstruksjonsstål NS har gitt denne undergruppen nr. NS 121xx. Dette er de vanligste konstruksjonsstål en sveiser. Nedenfor vises en oversikt (NS 12101) over ståltyper i denne undergruppen i to tabeller: 1. Krav til kjemisk sammensetning. 2. Krav til mekaniske egenskaper.

I den første er typenavn og standardnr. anført. I den siste er i tillegg varmebehandlingstilstanden tatt med i standardnummeret.

NORSK STANDARD

NS 12101 1. utg. mai 1972

Utarbeidet av NORSK VER KSTEDS INDUSTRIS ST A N D A R D ISE R IN GSSE NT R A L (NVS)

UD K 669.14.018.291

Structura! steels. Synopsis

Erstatter sammen med NS 13 205, NS 724, 1. utg. april 1964.

Alminnelige konstruksjonsstål Oversikt

Standarden gir en oversikt over alminnelige konstruksjonsstål i Norsk Standard. Opplys­ ningene gitt under pkt. 3 og 4 er orienterende.

For alminnelige konstruksjonsstål ikke beregnet for sveiste konstruksjoner, se oversikt NS 13 205.

1.

Analysekrav

Tabell 1

Verdier i %

Stykkanalyse maks.

Chargeanalyse maks. Type

St 33-1 USt 37-1 USt 37-2 RSt 37-2 RSt 42-2 St 52-3

Standard

NS NS NS NS NS NS

12 12 12 12 12 12

110 121 122 123 132 153

C

Si

0,20 0,182’ 0,17 0,23 0,203) 0,55

Mn

P

S

n‘>

C

p

S

N*>

1,50

0,07 0,050 0,050 0,050 0,045

0,050 0,050 0,050 0,050 0,045

0,007 0,007 0,007 0,009

0,25 0,222) 0,19 0,25 0,223)

0,090 0,063 0,055 0,055 0,050

0,063 0,063 0,055 0,055 0,050

0,009 0,008 0,008 0,010

’ Ved elektrostål er det tillatt med nitrogen 0,012 % maks. i chargeanalysen. ’ Ved tykkelser over 16 mm er det tillatt med karbon 0,20% maks. i chargeanalysen og karbon

0,25 % maks. i stykkanalysen. ' For plater over 16 mm tykkelse og for bånd og bredflatstål av alle tykkelser kan det ikke reklameres på karbon 0,22 % i chargeanalysen og karbon 0,24 % i stykkanalysen.

71

NS 12 101 Side 2 Mekaniske egenskaper

2.

Tabell 2 Desoksydasjon

Type

Til­ stand

Betegnelse

St33—1

NS 12110-00

USt37—1

NS 12121-00

Utettet

USt37—2

NS 12122-00

Utettet

RSt37-2

NS 12123-00

RSt42—2

NS 12132-00

St52—3U

NS 12153-00

St52—3N

NS 12153-01

Halvtet­ tet eller tettet Halvtet­ tet eller tettet Tettet og finkornbehandlet Tettet og finkornbehandlet

Flyte­ grense aF04’ kp/mm2 (N/mm2) min.

Strekk­ fasthet5 > V1 kp/mm2 (N/mm2)

Forleng­ else7 I 558) % min.

18*0)(14)

3a

25

(18)

1a

25

(18)

Varm­ formet Varm­ formet Varm­ formet Varm formet

1910) (186) 24 (235) 24 (235) 24 (235)

33-50 (324-490) 37-45 (363-441) 37-45 (363-441) 37-45 (363-441)

25

(18)

Varm­ formet

26 (255)

42-50 22 (412-490)

Varm­ formet

36 (353)

Normal­ isert

36 (353)

Slagseighet KV kpm ved min.

°C

2,8*1 > (27,5) 2,8 (27,5)

20

1a

10l2)

1a

(16)

2,8 (27,5)

20

2a

52-62 22 (510-608)

(16)

2,8 (27,5)

0

2a13)

52-62 22 (510-608)

(16)

2,8 (27,5)

-20

2a13’

Ved omregning av verdiene for flytegrense og strekkfasthet fra kp/mm2 til N/mm2 er det avrundet til nærmeste hele tall. 1 kp = 9,806 65 N. 1 kpm = 9,806 65 J (joule). 4)

'Verdiene gjelder for godstykkelse under 16 mm. For godstykkelser mellom 16 og 40 mm er verdiene 1 kp/mm2 (10 N/mm2) lavere og for godstykkelser mellom 40 og 100 mm 2 kp/mm2 (20 N/mm2) lavere. For NS 12 1 53 er tilsvarende intervall i godstykkelse 16 mm, 16 til 30 mm

og 30 til 50 mm; For større godstykkelser må verdiene avtales. 5» Verdiene gjelder for godstykkelser opp til 100 mm. For større tykkelser blir bare nedre grense garantert. Grenseverdiene kan over- eller underskrides med 2 kp/mm2 (20 N/mm2). For NS 12 110 må imidlertid den øvre grense overholdes. b) For varmvalset bånd under 3 mm tykkelse kan den øvre grense for strekkfastheten overskrides med 10 % av den angitte nedre grense for strekkfastheten. 7) Verdiene gjelder for lengdeprøver på produkter opp til 100 mm tykkelse (50 mm for NS 12 153).

Ved plater, bredflatstål og bånd over 3 mm tykkelse kan verdiene for tverrprøver underskride de oppførte verdier med 2 enheter for normalisert og 4 enheter for varmformet tilstand. Over 100 mm (50 mm for NS 12 153) er verdiene gjenstand for avtale. 8) Verdien i parentes gjelder for varmvalset bånd med tykkelse større eller lik 3 mm. For mindre 9\

' 10) 1 1' 12’ 13>

Dordiameter ved bøyeprøvning •)

tykkelser reduseres verdien med 2 enheter for hver mm. o a = tykkelse på prøven, bøyevinkel 180 . Verdiene garanteres bare for godstykkelser opp til 25 mm. Verdien garanteres bare for tykkelser opp til 16 mm. Gjelder for godstykkelse under 30 mm. For større godstykkelse er prøvningstemperaturen 20 C. Verdien gjelder for prøver inntil 16 mm tykkelse. For tykkelser over 16 t.o.m. 50 mm er bøyeradien 3a, for større tykkelser er den gjenstand for avtale.

Utdrag av Norsk Standard 12101 er gjengitt med tillatelse fra Norges Standardiseringsforbund.

Dette er kun oversikt over undergruppen. I tillegg kommer for hver ståltype egne standardblad som forteller om f.eks. sveising, tilsatsmateriale, evt. forvarming, varmebehandling og sammenlikning med og avvik fra andre standarder.

72

15.2.1. Forklaring til typebetegnelse Eksempel:

USt37-l U = desoksydasjonstilstand = utettet St = Stål 37 = Strekkfasthet = minimum 37 kp/mm2 - 1 = kvalitetsgruppe = ingen krav til seighet

For de andre ståltypene: Desoksydasjonstilstand: U = utettet R = halvtettet/tettet ingen = tettet og finkornbehandlet. (St 33-1 faller utenfor dette systemet). Stål: St Strekkfasthet: Angitt minimum styrke i kp/mm2.

Dagens benevning for strekkspenning er N/mm2. F.eks. vil 37 kp/mm2 være lik 363 N/mm2. Kvalitetsgruppe: - 1 = Ingen krav til seighet - 2 = Krav til minimumseighet ved temperaturer over 0 °C. - 3 = Minimumseighet: -3U = ved 0 °C. -3N = ved -20 °C.

15.2.2. Kjemisk sammensetning For hver ståltype (unntatt St 33-1) er angitt maksimumsverdier for: C Si Mn P S N

= = = = =

karbon silisium mangan fosfor svovel Nitrogen

Videre er det angitt to forskjellige kjemiske analyser: Chargeanalyse = Sammensetning av stålsmelten. Stykkanalyse = Sammensetning av en bit av stålet.

Grunnen til at det tillates høyere innhold av legeringsstoffer og forurensingsstoffer i stykkanalysen er følgende: Ved smelteanalyse får vi en gjennomsnittsmåling idet stoffene er godt blandet i stålet.

Ved stykkanalyse får vi varierende verdier idet stoffene er ujevnt fordelt i stålet.

73

Merk: Det er ikke satt noen maksimumsgrense for Si og Mn. I hvilken grad disse stoffene likevel må være til stede, avhenger av krav til tetting (Si) og krav til styrke/seighet (Mn). 15.2.3. Mekaniske egenskaper (NS-tabell 2) Ved sammenlikning mellom verdiene for ståltypers mekaniske egenska­ per (NS-tabell 2) og kjemisk analyse (NS-tabell 1 og avsnitt 14.2.2.) får vi følgende diskusjon:

Flytegrense og strekkfasthet øker med økende verdier av C og Mn. Forlengelsen minker med økende styrke.

Slagseigheten øker med minkende innhold av forurensinger (S og P) og ved at C til en viss grad erstattes med Mn. Eksempel på det siste: St 52-3 har lavere omslagstemperatur enn RSt 42-2. Dette forklares ved at: innholdet av S og P er lavere i St 52-3. St 52-3 har lavere C-innhold og et høyere Mn-innhold enn RSt 42-2 og er derfor seigere.

Slagseigheten blir bedre for normaliserte stål i motsetning til varmformet (ubehandlet) stål. Eksempel: St 52-3U: Varmformet: Omslagstemperatur 0 °C. St 52-3N: Normalisert: Omslagstemperatur -20 °C.

15.3. Sammenblanding av ståltyper I mange bedrifter er maskineringsavdeling og sveiseavdeling plassert like i nærheten av hverandre. Konstruksjonsmaterialene (stålplater, stenger, profiler, rør) er ofte lagret sammen og avkappene samlet på et felles sted. Det mange ikke er oppmerksomme på, er at maskineringsstålet ofte ikke er beregnet på sveising. Ved dårlig lagerhygiene og merking, kan maskineringsstålene like gjerne havne i sveiseavd., med sveisefeil (herdesprekker) som følge. I verste fall kan dette medføre at konstruksjonen bryter sammen. I beste fall blir det ekstraomkostninger for bedriften. Har en først blandet ståltypene sammen, får en problemer med å skille dem. Maskineringsstålene har etter NS typenavu 31 50, St 60 og St 70. I hardhet og styrke ligger de fra St 52-3 og oppover. Karboninnholdet er høyt, fra 0,3 til 0,5 %. Maskineringsstålene kan skilles ut ved:

gnistformprøving (se avsnitt 10.lj. hardhetsmåling. kjemisk analyse ved et laboratorium.

74 De to siste er de beste, men også de dyreste.

Nedenfor er vist fargemerking av de omtalte ståltyper:

For å unngå forveksling vil det ofte være behov for merking av stål. Slik merking finnes i de nasjonale standarder og hos klassifikasjonsselskapene. Norske stålgrossister har utarbeidet egne retningslinjer til bruk ved gros­ sistenes lagre. Vi skiller mellom kvalitetsmerking etter fasthetsklasse og såkalt mottakermerking som skal foretas ved verkene for at grossistene skal kunne identifisere sine varer ved lossing. Kvalitetsmerkingen i forskriftene gjel­ der bare for de vanligste kvaliteter som forekommer i stålhandelen.

Stang- og profilmaterialer:

I begge butte ender av lengdene.

Plater:

På snittflatene i minst ett hjørne (ca. 10 cm innover snittflatene fra hjørne på platenes kort- og langside.

Varmvalset stål (unntatt armeringsstål, kfr. NS 481) St. 33 - umerket (lagerføres ikke av stålgrossistene) St. 37 - 1 - umerket (RAL 3000 eller norsk nr. St. 37 - 2 - røde ender eller hjørner St. 42 - 2 - grønne ender eller hjørner (RAL 6010 eller norsk nr. St. 52-3 - aluminium ender eller hjørner (RAL 9006) St. 50 - 2 - blå ender eller hjørner (RAL 5009 eller norsk nr. St. 60 - 2 - lilla ender eller hjørner (RAL 4001 eller norsk nr. St. 70 - 2 - brune ender eller hjørner (RAL 8003 eller norsk nr. Kjelkval. - hvit ender eller hjørner (RAL 9002 eller norsk nr.

307) 202) 204) 105)

Blank stål Vanlig blankt stål St. 37K Automatstål, svovellegert Automatstål, blylegert Skruestål

102) 105) 104) 101)

-

Røde ender Hvite ender Grønne ender Gule ender

(RAL 3000/norsk (RAL 9002/norsk (RAL 6010/norsk (RAL 1012/norsk

nr. nr. nr. nr.

102) 104)

Fargene er etter DIN 1599/RAL - FS og Norsk Standard NS 4054. For andre aktuelle kvaliteter forutsettes det at merkingen skjer slik at den ikke medfører forveksling med de kvalitetene som er spesifisert over.

Dersom man ønsker merking etter spesielle systemer og krav, må det alltid oppgis ved bestilling. NB. Vær oppmerksom på at det finnes flere fargemerkingssystemer. Det er derfor viktig å forsikre seg om hvilket system som er brukt i det enkelte tilfelle.

75

16. Brudd i stål 16.1. Overbelastningsbrudd Dersom en del av en stålkonstruksjon blir utsatt for en strekkraft større enn sin strekkfasthet multiplisert med tverrsnittet, vil den rives av. Brud­ det er skjedd ved overbelastning, derav navnet. Normalt vil bruddet kjennetegnes ved at en kan se deformasjon (innsnøring) langs randen av bruddet.

16.2. Utmattingsbrudd I konstruksjoner som er utsatt for stadig vekslende belastning eller vibrasjon, vil det være muligheter for å få denne typen brudd. Jo mer voldsom belastningen/vibrasjonen er, dess mer øker faren. Det lumske med denne bruddtypen er at størrelsen på belastningene kan ligge under stålets flytegrense. Bruddet starter i en eller annen kjerv i stålet, slik som: riss i overflaten inneslutning (slagg i stålet) skarp overgang (som ved uheldig konstruksjon, brå overgang ved sveiseråk, kantsår, ufullstendig gjennomsveis)

I en slik feil, eller sprekkspiss, vil belastningen bli større enn i resten av godset. Derfor vil sprekken åpne seg videre for hver ny påkjenning. Når sprekken har redusert materialtverrsnittet tilstrekkelig, vil den siste påkjenningen rive restmaterialet av. Vi skal se på noen eksempler:

/?/ss / stang

76

Restbruddet kan være et overbelastningsbrudd med deformasjon eller et sprøbrudd. Tilleggsfaktorer som korrosjon, spenninger i materialet f.eks. i forbin­ delse med sveising, vil øke faren for utmatting ytterligere.

Høyere strekkfasthet gir bedre utmattingsfasthet.

16.3. Sprøbrudd Gjennom slagseighetsprøving får en klarlagt et materiales tendens til sprøbrudd.

Ved å foreta prøvingen ved forskjellige temperaturer, får vi en kurve som viser synkende seighet ved synkende temperatur. Når slagseighetsverdiene kommer under en viss grense, kaller vi bruddet sprøtt.

Skårslagsprøving kan ikke uten videre benyttes som målestokk for sprøbrudd, idet mange sprøbrudd skjer under forhold der slagbelastning ikke har vært til stede. Faktorer som er medvirkende til sprøbrudd er: materialkvalitet (omslagstemperatur, valseretning) temperatur bruddanvisninger belastningshastighet og belastningsstørrelse materialtykkelse

Økende fare for sprøbrudd får vi ved: materialkvalitet med høy omslagstemperatur. (Dvs. den temperatur da en ved skårslagprøving har satt min. slagarbeid til 27,5 joule.)

valseretning på tvers av belastningsretning (dvs. langs bruddforplantningsretningen). stor godstykkelse (mer materiale som holder igjen rundt den kritiske sonen).

ugunstig innspenning. overflatefeil (dybde og skarphet av skår, riper og sprekker).

stor belastningshastighet. Helning

for bruddforplantning

Bruddutseende: Finkornet, ofte med mønster som fiskeben.

77

16.4. Utrivningsbrudd Ved alle formeprosesser vil forurensinger og slagg i materialet bli lig­ gende i en viss retning, f.eks. valseretningen. Stålet vil derfor være svakere for påkjenning på tvers av valseretningen.

. Valseretning

Når sveisen avkjøles, krymper den og belaster materialet lokalt. Det sprekker der belastningen kommer på tvers av valseretningen. (Kon­ struksjonen må forandres.)

78

Litteratur Ame Baggerud: Elektrisk buesveising E. C. Rollason: Metallurgy for engineers C. Weissman, AWS: Welding handbook vol. 1 MVL/Universitetsforlaget: Varmebehandling av stål (utgått) A. Almar-Næss: Metalliske materialer. Tapir Norges Standardiseringsforbund: NS 12101

Høgskolen i Gjøvik BIBLIOTEKET