Teräs metalli Teräs on raudan ja hiilen seos, jonka hiilipi toisuus on pienempi kuin 2 %. Tätä suurem man hiilipitoisuuden omaavat seokset luoki tellaan valuraudoiksi. Teräkset sisältävät ta vallisesti myös seosaineita, jotka vaikuttavat teräksen ominaisuuksiin joko suoraan tai muuttamalla teräksen mikrorakennetta. Kuva 1.1 Metallin kidehila. Teräksen kiteinen rakenne Metalli jähmettyy sulasta tilasta kiteiseen muotoon. Kiteinen rakenne muodostuu säännönmukaisista atomiryhmitelmistä, jot ka muodostavat kidehilan (kuva 1.1). Ato mien väliset voimat metallikiteessä sallivat kidehilan atomitasojen liukua toisiinsa näh den kiderakenteen rikkoutumatta. Tähän perustuu metallien hyvä muokattavuus. Raudalla on kaksi eri kidemuotoa, pintakes kinen ja tilakeskinen kuutiohila. Pintakes kisessä hilassa rauta atomit sijoittuvat kuu tion kulmien lisäksi kuution sivutahkojen keskipisteisiin, tilakeskisessä hilassa kuu tion keskelle (kuva 1.2). Pintakeskistä ra kennetta kutsutaan austeniitiksi ja tilakes kistä ferriitiksi. Pintakeskinen kuutiollinen kidejärjestelmä. Kuva 1.2 Tilakeskinen kuutiollinen kidejärjestelmä 4
Teräksen mikrorakenne Jähmettymisessä syntyvä kiderakenne ei ulotu yhtenäisenä teräskappaleen läpi, vaan kiderakenne jakautuu pienempiin osiin, joi ta erottaa toisistaan epäjärjestynyt vyöhy ke, raeraja. Raerajat jakavat kiderakenteen yksityisiin rakeisiin. Rakeiden koko ja muoto vaikuttavat suuresti teräksen ominaisuuksiin (kuva 1.3). Hiili ja seosaineet voivat olla teräksessä jo ko liuenneina rauta atomien muodostamaan kidehilaan tai kemiallisina yhdisteinä, jolloin ne muodostavat erillisiä kiteitä tai sulkeumia rakeiden sisään. Tällaisia hiilen ja jonkin me tallin muodostamia yhdisteitä kutsutaan yh teisellä nimellä karbideiksi. Tyypillisin kar bidi on raudan ja hiilen muodostama semen tiitti (Fe3C). Seosaineet voidaan jakaa kah teen ryhmään, karbideja muodostaviin ja sel laisiin, jotka eivät muodosta karbideja. Tär keimmät ensiksi mainittuun ryhmään kuulu vista seosaineista ovat kromi, molybdeeni, vanadiini ja wolframi. Mangaani, nikkeli, pii, alumiini ja kupari ovat tärkeimmät jälkimmäi seen ryhmään kuuluvista seosaineista. Karbidien lisäksi teräksessä esiintyy monia muita kemiallisia yhdisteitä erilaisina sulkeu mina ja erkaumina. Tällaisia ovat oksidit, sul fidit, silikaatit ja nitridit ja niiden yhdistelmät. Kuva 1.3 Teräksen hiottua pintaa mik roskoopilla katsottuna, ns. pintahiettä, joka voidaan syövyttää niin, että raerajat korostuvat. Kuonasulkeumat Oksideja, sulfideja ja silikaatteja kutsutaan yhteisellä nimellä kuonasulkeumiksi. Yleen sä ne ovat haitallisia teräksen ominaisuuk sia ajatellen. Erityisen haitallisia ovat suu ret oksidisulkeumat, joilla on väsymislujuutta heikentävä vaikutus (kuva 1.5). Kuumavals sauksessa litteiksi nauhoiksi muovautuvat sulfidit puolestaan heikentävät valssaustuotteiden poikittais ja paksuussuuntaista sit keyttä. Epämetalliset sulkeumat teräksessä eivät välttämättä aina ole haitallisia. Lastuavaa työstöä kuten sorvausta, porausta ja jyrsin tää on voitu tehostaa muuntamalla teräksen valmistusvaiheessa sulkeumat edulliseen muotoon. Tällöin ne ovat ikään kuin voiteluainetta kovan teräksen ja terän välissä. Teräksessä olevat rikki ja fosfori ovat yleensä haitallisia epäpuhtauksia, joiden pitoisuudet pyritään pitämään mahdollisimman pieninä. Rikki muodostaa teräksessä rautasulfidia (FeS), mikä aiheuttaa kuumahaurautta. Mangaani sitoo rikin vähemmän haitallisek si mangaanisulfidiksi (MnS). 200 µm Kuva 1.4 Pitkiksi venyneitä sulfidisulkeumia teräksessä. 100 µm Kuva 1.5 Oksidisulkeumia. Kuva 1.6 Oksidisulkeumia tutkitaan elektronimikroskoopilla. 5
Hiili teräksessä Hiilellä on teräksen seosaineena eri koisasema. Suuremman hiilipitoisuuden omaavien terästen vetolujuus on kor keampi, mutta sitkeys heikompi (kuva 1.8). Jos A3-lämpötilan (750...920 C), ks. kuva 1.14, yläpuolelle kuumennettu teräs jäähdytetään nopeasti, se karke nee eli mikrorakenne muuttuu kovaksi martensiitiksi (kuva 1.7). Martensiitti on sitä kovempaa, mitä suurempi on teräksen hiilipitoisuus. Karkaistava teräs sisältää usein kromia, nikkeliä, wolframia, molybdeenia, vanadiinia ja booria, jotka parantavat teräksen karkenevuutta. Ks.Terästen lämpökä sittelyt, s. 60. Kuva 1.9 Austeniittia. Kuva 1.10 Ferriittiä, joka on lähes hiiletöntä rautaa. Kuva 1.7 Martensiittia. Kuva 1.11 Täysin perliittinen rakenne, hiiltä 0,8%. Vetomurtolujuus Kuva 1.12 Perliittis-ferriittinen rakenne, hiiltä 0,5 %. 0,4 0,8 1,2 %C Sitkeys Hiilipitoisuus Kuva 1.8 Teräksen vetolujuuden ja sitkeyden riippuvuus hiilipitoisuudesta. 6 Kuva 1.13 Raerajasementiittiä perliittisessä rakenteessa.
Rauta-hiilitasapainopiirros Rauta hiili tasapainopiirroksesta (kuva 1.14) voidaan päätellä, millaiseksi teräksen mikrorakenne muodostuu eri hiilipitoisuuksilla ja eri lämpötiloissa. Vaikka tasapainopiirros on laadittu puhtaille rauta hiili-seoksille, pitää se hyvin paikkansa vielä 5 6 % seosainepitoisuuksiin saakka. Alhaisilla hiilipitoisuuksilla rauta on huoneenlämpötilassa aina ferriitin muodossa (kuva 1.10). Ferriitti on pehmeää, sitkeää ja muovautuvaa. Kun hiilipitoisuus ylittää 0,05 % C, alkaa rakenteessa esiintyä ferriitin rinnalla ferriitistä ja sementiitistä (Fe 3 C) muodostuva rakenneosa, jota kutsutaan perliitiksi (kuva 1.12). Perliitillä on hyvä vetolujuus, mutta se ei ole yhtä muovautuvaa kuin ferriitti. Kun puhdasta rautaa kuumennetaan yli 911 ºC:n, kidemuoto muuttuu austeniitiksi (kuva 1.9). Toisin kuin ferriitti voi austeniitti liuottaa itseensä huomattavan määrän hiiltä. Samalla austeniitin pysyvyysalue siirtyy alempiin lämpötiloihin päin. Austeniitin hajautuessa syntyy alle 0,8 % hiilipitoisuuksilla ferriittis perliittinen mikrorakenne, jossa perliitin osuus lisääntyy hiilipitoisuuden kasvaessa. Hiilipitoisuuden ollessa 0,8 % C, on mikrorakenne kokonaan perliittistä (kuva 1.11). Hiilipitoisuuden ollessa yli 0,8 %, sementiittiä esiintyy paitsi perliittisessä perusrakenteessa myös raerajoilla raerajasementiittinä (kuva 1.13). Raerajasementiitti on kovaa ja erittäin haurasta. Tällaisessa tilassa teräs on haurasta ja se on lämpökäsiteltävä ennen käyttöä. Lämpötila C Kuva 1.14 Rauta-hiilitasapainopiirros, (osa). 1200 100 A cm 800 A 3 A 1 600 400 Hiilipitoisuus % 1 2 3 4 5 7
Terästen luokitus ja standardisointi Tavallisesti teräkset luokitellaan käyttötar koituksen mukaan. Tällaisia luokkia ovat mm. yleiset rakenneteräkset, koneenraken nusteräkset, työkaluteräkset ja ruostumat tomat teräkset. Useimmat teräslajit on standardisoitu, eli niiden koostumuksesta ja tuoteominaisuuksista on laadittu ja vahvistettu standardi. Tällöin teräksen valmistaja ja käyttäjä tietävät aina, mistä teräksestä ja minkälaisista ominaisuuk sista on kysymys, kun tiettyyn terässtandar diin viitataan. Standardeja on alunperin laadittu kansallisel ta pohjalta, esimerkiksi suomalaiset SFS ja saksalaiset DIN standardit. Kansalliset standardit on korvattu 1990-luvulta lähtien eurooppalaisilla EN-standardeilla. Ne laatii Euroopan standardisointijärjestö CEN, jonka jäseniä ovat kaikki EU-maat sekä muutamia muita maita, mm. Norja. Ominaisuuksien säätely Teräkseen voidaan saada erilaisia erityiso minaisuuksia lisäämällä siihen seosaineita. Sopivilla seostuksilla voidaan vaikuttaa niuk kaseosteisten terästen sitkeyteen, lujuu teen, kuumalujuuteen, työstettävyyteen ja myös muihin käyttöominaisuuksiin. Seostuksen lisäksi teräksen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa erilaisilla käsittelyillä. Täl laisia ovat mm.: sulan teräksen käsittely ennen valua kuumavalssaus lämpökäsittely kylmämuokkaus pintakäsittelyt Kuva 1.15 Induktiokarkaisussa kuumennetaan teräskappaleen pinta muutaman millimetrin syvyydeltä ja karkaistaan välittömästi vesisuihkuilla. 8