1.1 Hållfasthet

Hållfasthet hos ett material kan definieras som motståndsförmågan mot mekaniska påkänningar.

Om en bit stål, till exempel en 10 mm rund stång, utsätts för en dragkraft börjar stången att förlängas något, att töjas. Om kraften är måttlig återtar stången sin ursprungliga längd, när kraften tas bort. Man kallar detta för elastisk deformation.

Eftersom man känner stångens tvärsnittsarea (S) kan man räkna om kraften (F) till en spänning (R) enligt R = F/S. R anges i MPa (Megapascal), som är lika med N/mm² (Newton per kvadratmillimeter). 1 MPa är ungefär 0,1 kg/mm² i gammal beteckning. Ofta används σ (sigma) i stället för R i nedanstående formel.

Om dragkraften på den tidigare nämnda 10 mm runda stången ökas, inträffar en plastisk deformation, det vill säga en del av töjningen kvarstår när kraften avlastas.

I Figur 10 visas några diagram där provets längdökning är avsatt på x-axeln och den erforderliga dragspänningen R är avsatt på y-axeln.

Det första diagrammet visar det elastiska förloppet, det vill säga den räta linjen C fram till det att kurvan lämnar linjen C. Om provet inte belastas högre än så, återtar det sin ursprungliga längd när lasten tas bort.

Ökas lasten så ökar förlängningen efter den krökta linjen. Stoppar man till exempel vid Q och sedan avlastar helt, så fjädrar provet tillbaka längs den streckade linjen till B, och man kan i detta fall uppmäta en kvarvarande förlängning på 0,2 %. Provet har alltså deformerats plastiskt.

Ett vanligt förlopp visas i det andra diagrammet. Här pågår längdökningen elastiskt till en punkt, där förlängningen plötsligt ökar samtidigt som spänningen sjunker något. Fortsätter man att dra, sker en längdökning utan att spänningen behöver ökas, det vill säga provet ger efter plastiskt.

Den spänning som krävs för att nå plastisk deformation, kallas sträckgräns och betecknas R_e och har enheten MPa eller N/mm².

Dras provet sedan vidare till brott, så anger man även brottgränsen, som är den högsta uppmätta spänningen strax innan provet går av. Brottgränsen betecknas R_m och har samma enhet som R_e.

I det tredje diagrammet ser man hela förloppet när man drar ett prov till brott. Som framgår kan man ange en övre respektive en undre sträckgräns.

En tredje egenskap, som hör ihop med hållfasthet, är den så kallade brottförlängningen eller förlängningen, som man vanligen säger. Den betecknas A och anges i procent av ursprunglig provsträcka enligt givna regler.

Strax före brottet uppstår en tydlig midja på provet. Genom att jämföra midjans tvärsnittsarea (S_u) med provets ursprungsarea (S_o) kan man räkna fram minskningen i procent av S_o. Denna egenskap kallas kontraktion och skrivs Z.

Alla de fyra beskrivna hållfasthetsegenskaperna brukar anges i stålnormer för de standardiserade stålsorterna och i broschyrer och annan teknisk information från ståltillverkarna. De används av konstruktörer och kunder för att dimensionera konstruktioner och välja rätt stålsort för varje behov.

I princip mäter man som nyss beskrivits, det vill säga med hjälp av särskilda dragprovningsmaskiner. För att alla ska göra på samma sätt över hela världen är dragprovningen mycket noggrant standardiserad i SS, EN och ISO standarder.

Även sättet att ta ut proven ur olika produkter är reglerat, eftersom egenskaperna kan variera inom ett stålstycke och även i olika riktningar inom detta.

Provberedningen beskrivs med ritningar och toleranser för de olika tillåtna provstavarna, se exempel i Figur 11. Figuren visar ett exempel på dragprovning. Dragprovning är ett vanligt prov, som ofta utförs på leveransfärdiga poster och vars resultat lämnas i certifikat om kunden så kräver.

Kol har ett starkt inflytande på hållfastheten. I varmvalsat tillstånd ökar Re från min 220 MPa vid C cirka 0,18 % till min 340 MPa vid C cirka 0,55 %. De flesta övriga legeringsämnen höjer också hållfastheten och i kombination med värmebehandling kan ökningen bli betydande.

Några ämnen har ett mycket starkt inflytande även vid små tillsatser. Dit hör aluminium (Al), vanadin (V), niobium (Nb) och titan (Ti), som tillsammans med kväve (N) bildar ytterst små partiklar. Dessa verkar alla bromsande på korntillväxten och ger ett finkornigare stål och en upp till 50 % högre sträckgräns med mycket god slagseghet i normaliserat tillstånd.

Allmänt sjunker R_e och R_m med stigande temperatur. Det är viktigt att veta när man dimensionerar byggnader i stål med tanke på rasrisken vid brand. R_e kan sjunka till under hälften vid 500°C. R_m för olegerade stål får ett maximum vid cirka 200°C för att sedan snabbt sjunka.

Ett särskilt fenomen är krypning. Det innebär att om stål utsätts för en tillräckligt hög spänning under lång tid sker en gradvis plastisk töjning eller förlängning. På olegerade stål märks detta först över cirka 350°C.

Krypningen tilltar både med temperaturen och med den pålagda spänningen. Krypningsförloppet delas in i tre faser, och om fas 3 uppnås, leder belastningen slutligen till brott.

Krypningsbenägenheten provas i dragprovningsmaskiner, där provstycket kan hållas vid konstant temperatur och last i upp till 10000 timmar.

Rostfria stål är mindre krypbenägna än låglegerade. Metaller typ Inconel, med höga halter av nickel (Ni) och kobolt (Co), ger bland de högsta kryphållfastheterna och används bland annat som turbinskovlar i jetmotorer.

Värmebehandling av stål har ett mycket stort inflytande på egenskaperna. Vid all värmebehandling av olegerade och låglegerade stål har man stor användning av järnkoldiagrammet. I diagrammet i Figur 12 har de olika aktuella temperaturområdena lagts in.

Avspänningsglödgning
Ett stål, som utsatts för kallbearbetning eller som avkylts hastigt och ojämnt från hög temperatur, har ”inre spänningar”. Det betyder att det finns dragspänningar och tryckspänningar i olika delar av materialet. Sådana spänningar kan också uppstå vid svetsning och kan bland annat leda till krokighet och skevhet. Vid uppvärmning till 500-600°C under några timmar och långsam svalning reduceras dessa spänningar.

Rekristallisationsglödgning
Material, som kallvalsats eller djuppressats, hårdnar på grund av att strukturkornen deformerats och en mängd dislokationer, som låser varandra, har uppstått. Om man denna gång väljer en något högre temperatur, så kommer kornen att rekristalliseras, det vill säga nya, deformationsfria korn växer fram, se foton. Därvid återtar materialet sin tidigare låga hårdhet och goda formbarhet.

Mjukglödgning
Perlit är en hård och spröd struktur. Ett stål med hög halt perlit är därför svårt att bearbeta, till exempel att svarva, borra eller att kallforma genom till exempel pressning. En mjukglödgning motverkar dessa svårigheter.

Stål med kol under 0,90 % upphettas till en temperatur strax under A1 under flera timmar, se diagrammet ovan. Cementiten (Fe₃C) i perliten övergår från skivor till rundade korn, som kommer att ligga i den mjuka ferriten.

Stål med kol över 0,90 % uppvärms till en temperatur strax över A₁. Därvid övergår perliten till austenit, men samtidigt finns korn av cementit kvar i austeniten, eftersom temperaturen ligger under A_cm, se Figur 13.

Efter bara cirka en timme kan man sänka temperaturen långsamt, 15-30°C per timme, genom A₁. Därvid diffunderar kolatomer till de små kvarvarande cementitkornen, som växer genom att cementit nybildas på ytan. Vid cirka 650°C har allt kol bundits som cementitkorn i en grundmassa av mjuk ferrit utan att perlit har bildats. Denna sfäroidiserade struktur har i stort ferritens egenskaper.

Normalisering
Vid varmbearbetning och särskilt vid smide får man ofta en strukturförgrovning, det vill säga oönskat stora korn. Delar av svetsfogar kan också innehålla alltför varierande kornstorlekar. Genom normalisering, som innebär en uppvärmning till austenitisering vid drygt 50 °C över A₁ (800-900°C), se Figur 12, och därefter kylning i luft, erhåller man en finkornig och homogen ferrit-perlitisk struktur.

Exempel på en struktur före och efter normalisering ges i Figur 13. Där visas också ett diagram över hur R_e och R_m påverkas av kolhalten vid mjukglödgat respektive normaliserat kolstål. Normalisering innebär också en tydlig förbättring av slagsegheten beroende på kornförminskningen.

Etappglödgning
Etappglödgning är ett samlingsnamn på glödgningar, där man efter uppvärmning och omvandling till austenit, låter materialet svalna i luft till en temperatur mellan 550 och 700°C och sedan tar in det i en ugn med konstant temperatur för att få bästa struktur. Flera tillämpningar finns, bland annat för att få en bra ferrit-perlitisk struktur i sätthärdningsstål.

En snabbare variant kan alternativt vara att bygga en hållugn direkt efter valsverket och, när den varmvalsade produkten fått rätt temperatur, föra in den i hållugnen för omvandling vid konstant temperatur.

Patentering
Patentering är en värmebehandling, som avser att ge stålet, särskilt kolstålstråd, en mycket finkornig perlit. Efter austenitisering (cirka 850°C) kyls materialet blixtsnabbt i blybad till cirka 500°C, där det omvandlas, se till exempel Figur 6. Man får en hög brottgräns, en god seghet och bra bearbetbarhet vid efterföljande dragning.

Vattenkylning, direkt efter trådvalsning, ger resultat som motsvarar patentering.

Bearbetningen vid varmvalsning eller smidning påverkar egenskaperna. Prov uttagna parallellt med respektive vinkelrät mot valsningsriktningen kan ge olika hållfasthetsvärden. Ju större bearbetningen är från gjutet stadium till färdigbearbetad produkt, desto mer homogena blir egenskaperna.

Genom att avsluta varmvalsningen vid relativt låg temperatur kan hållfastheten förbättras för lågkolhaltiga och mikrolegerade stål. Detta utnyttjas främst vid valsning av platta produkter varvid två varianter förekommer.

Vid normaliserande valsning väntar man med de sista sticken tills temperaturen når ungefär den, som används vid normalisering. Därvid erhålles nästan samma egenskaper som efter en normalisering, men till betydligt lägre kostnad och på kortare tid.

Vid termomekanisk valsning görs slutdeformationen vid en ännu lägre temperatur, cirka 800°C. Hållfastheten blir då högre än efter en normalisering. Denna behandling kan kombineras med direkthärdning efter valsningen och efter en följande anlöpning erhålls ”seghärdade” egenskaper.

Kallbearbetning sker normalt vid rumstemperatur och definitionsmässigt under rekristallisationstemperaturen, det vill säga de deformerade kornen förblir oförändrade efter valsningen. Vid kallbearbetning är det främst ferritkornen, som deformeras, se Figur 12. Därvid tilltar hårdheten och hållfastheten, se Figur 14, och formbarheten avtar.

Kallbearbetning används också när man vill ha bättre toleranser än vid varmvalsning, eller då produkten är så klen att den inte går att ekonomiskt varmbearbeta.

Om ett kallbearbetat material värms till allt högre temperaturer, kommer hållfastheten, mätt efteråt vid rumstemperatur, att till en början öka något och sedan sjunka. Den är högst efter värmning till cirka 300°C, och detta fenomen kallas deformationsåldring.

Efter värmning till 400-600 °C har hållfasthetsegenskaperna gått tillbaka till ungefär samma nivå som efter kallbearbetningen, medan de inre spänningarna, som fanns efter kallformningen, har minskat eller försvunnit.

Om temperaturen höjs till cirka 650°C inträffar rekristallisation av ferritkornen. Det har behandlats tidigare i detta avsnitt, se Figur 12.