0.2 Härdningsmekanismer

Kristaller av rena ämnen, till exempel rent järn, kräver endast små krafter för att deformeras. Det beror på att dislokationer, se Figur 2, som bildas vid deformationen, kan röra sig lätt i kristallerna, ungefär som korten i en ny kortlek glider mot varandra när man sprider ut leken.

Om man kan begränsa dislokationernas rörlighet, så kan man öka motståndet mot deformation, vilket är detsamma som att höja hållfastheten eller hårdheten. Jämför med en kladdig kortlek.

Det finns fyra metoder för att försvåra dislokationernas rörelser: korngränshärdning, lösningshärdning, utskiljningshärdning och deformationshärdning.

Korngränshärdning
En dislokation, som rör sig i en kristall på grund av yttre deformation, stannar upp vid en korngräns. Kommer det fler dislokationer stockas de upp vid gränsen. För att deformationen ska gå vidare in i angränsande korn och starta nya rörliga dislokationer i detta korn, krävs en ökad pålagd kraft.

Ju mindre kornstorlek i ett material desto fler korngränser finns det, och desto kortare sträckor kan dislokationerna röra sig innan de träffar på en korngräns.

Slutsatsen blir alltså att ju finkornigare stålet är desto högre hållfasthet har det. Det är anmärkningsvärt att enda sättet att samtidigt förbättra ett visst ståls hållfasthet och seghet är att minska kornstorleken. Hur man påverkar kornstorleken tar vi upp senare, bland annat i avsnitt 2.2.3.

Lösningshärdning
Genom inlagring av främmande atomer i det ordinarie gittret uppstår det punktfel som ger spänningar i kristallen. De främmande atomerna kan vara mindre eller större än gittrets ordinarie atomer och har beskrivits tidigare, i två av skisserna i Figur 2.

En vandrande dislokation kommer att hindras av ev. främmande atomer, på grund av de omgivande spänningarna, och det krävs en ökad yttre kraft för att deformera kristallen.

Det betyder att ju fler främmande atomer, som tränger sig in i gittret, desto högre hållfasthet och hårdhet får materialet. Men inte bara antalet spelar roll utan i hög grad också skillnaden i storlek mellan värdgittrets och legeringsämnets atomer. Ju större skillnad desto större hållfasthetshöjning.

För stål finns ett mycket viktigt fall av lösningshärdning. Om kolhaltig austenit snabbkyls, hinner inte perlit att bildas, utan en övermättad, enfasig struktur uppstår, som kallas martensit. Dess kristalltyp är en slags avvikande ferrit, som inte längre är helt kubisk, utan vissa atomavstånd är längre än andra, på grund av att de fastfrusna kolatomerna hindrar järnatomerna att inta rätta avstånd. Martensiten är mycket hård och vid högre kolhalter även spröd.

Utskiljningshärdning
Vid utskiljningshärdning är det inte längre främmande atomer, som stör gittret, utan mycket små  partiklar av en annan fas eller struktur. För att dessa ska bildas eller utskiljas krävs att man först kan överföra grundmaterialet i ett enfasigt tillstånd, till exempel värma stål till austenit och sedan snabbt kyla, så att man får en övermättad lösning.

Därefter måste de lösta atomerna ges möjlighet att röra sig i kristallen för att genom utskiljning bilda en stabil fas. Denna process kallas också åldring. De bildade små partiklarna av den nya fasen verkar som hinder för dislokationernas rörelser. Ju mindre partiklar desto större hinder.

Om martensit uppvärms sönderfaller martensiten, som beskrivits ovan, till ferrit och en mycket fin järnkarbid. Detta kallas anlöpning och den anlöpta martensiten representerar ett exempel på utskiljningshärdning.

Andra exempel på utskiljningshärdning är karbonitrering av stål, mikrolegering av kolstål, och härdning av olika aluminiumlegeringar.

Deformationshärdning
Deformationshärdning innebär att hållfastheten ökar vid plastisk deformation, till exempel vid kallbearbetning. Härdningen orsakas av att dislokationerna blir så många att de hindrar varandras rörelser. Hållfasthetsökningen beror alltså på hur mycket materialet deformeras.

De tidigare behandlade härdningsmekanismerna övergår efter det första dislokationsbromsande stadiet till deformationshärdning, genom att tidigt stoppade dislokationer i sig stoppar nya dislokationer i rörelse.

Som synes kan alla hållfasthetsökande åtgärder förklaras av fenomen i kristallgittret, inte minst av dislokationernas möjligheter eller svårigheter att fritt röra sig i kristallen vid pålagda spänningar.