Metallernes atomare struktur og tilstandsformer

Transkript

1 Metallernes atomare struktur og tilstandsformer Metallernes struktur, opbygning og tilstandsformer For at få en forståelse af metallernes særlige måde at opføre sig på i forhold til andre materialer, er det nødvendigt, at man har et kendskab til, hvordan materialerne er opbygget, helt fra den mindste bestanddel, atomet, og op til det samlede produkt: det emne, vi skal bearbejde. Vi kan som udgangspunkt se på en stålklods og hurtigt arbejde os ned til atomet og derfra på tilbagevejen prøve at se på det, vi møder, og prøve at få et overblik og lidt orden i det, vi møder på vejen. Atomets opbygning Når vi ser på en stålklods, ser den ud som et stort samlet materiale. Det er dog ikke tilfældet. Hvis vi ser det samme materiale under et mikroskop, vil vi i den blanke overflade kunne se, at materialet er sammensat af mange små korn, eller, som det også kaldes, krystaller. Når vi ser på materialernes egenskaber, bestemmes de oftest af de elektroner, der sidder i den yderste bane eller skal, som det også kaldes, men inden vi går videre med dette, må vi nok lige se på, hvordan et atom er sammensat. Til forklaring af atomet kan vi anvende vor landsmand Niels Bohrs atommodel, der forenklet ser ud på følgende måde: Selve atomkernen består af protoner og neutroner, der har fællesbetegnelsen nucleoner. Protonen er elektrisk positiv, neutronen er elektrisk neutral. Den væsentligste del af atomets masse findes i atomkernen, antallet af protoner er det, der giver grundstoffet eller atomet sit nummer i rækken af grundstoffer, atomnummeret har betegnelsen Z. Omkring atomkernen kredser der et antal elektroner, der har en negativ ladning. Elektronernes antal svarer til det antal postitivt ladede protoner, der er i atomkernen. ma tif Metalkorn Kunne vi nu finde et mikroskop, der kunne forstørre mange flere gange, ville vi nok kunne se materialets mindste bestanddele, nemlig atomerne. ma cdr Atomkerne Det samlede atom vil derved udadtil virke elektrisk neutralt, hvis det får lov til at være upåvirket af andre atomer, der kan omdanne det til en ion, hvilket kan ske, hvis der fjernes eller tilføres en eller flere af de yderste elektroner, der også kaldes valenselektroner. ma cdr Atom 1

2 ma cdr Når antallet af elektroner i skal når otte, begynder atomet at fylde en ny skal op. Når fjerde til syvende skal fyldes, starter opfyldningen i hovedgrupperne IA og IIA med to elektroner, før den foregående skal fortsættes med opfyldningen. Det videre forløb af opfyldningen, når vi er nået til metallerne, er et større område, se derfor efterfølgende tabel over grundstofferne. Dette, at skallen fyldes op til otte elektroner, der i øvrigt synes at gøre atomet særlig stabilt, kaldes oktetreglen. Atomer med otte elektroner i yderste skal kaldes ædelgasser. Fælles for de fleste metaller er, at de har to eller færre løstsiddende elektroner i yderste skal, se senere. Når vi skal have et overblik over atomerne eller grundstofferne, kan det gøres ved at ordne dem efter stigende atomnummer. Den orden, de vil fremkomme i, kaldes det periodiske system. 2 Industriens Forlag - Ma170.fm

3 Det periodiske system For at danne sig et overblik over atomerne/ grundstofferne er det nødvendigt at sætte tingene lidt i system. Det startede man på i ca. år 1800, hvor man kendte ca. 30 grundstoffer, og til i dag, hvor man kender 110 grundstoffer. En del af de sidste, fra nr. 95 til 110, fremstilles i laboratorier og er kun stabile et kort øjeblik. Som vi omtalte under metallernes struktur, er det periodiske system ordnet efter atomnummer, det vil derfor fremstå som nedenstående model af det periodiske system. Når vi ser på modellen nederst, vil vi se, at den er inddelt med otte lodrette hovedgrupper mærket med A og 10 undergrupper mærket med B. Ser man på en hovedgruppe, svarer antallet af elektroner i den yderste skal til hovedgruppens nummer. Undtaget er He, der er stabil med to elektroner og derfor står sammen med de stabile i 8 hovedgrupper. I undergrupperne er dette desværre ikke altid tilfældet. Den vandrette inddeling sidegruppeinddelingen fortæller, hvor mange skaller atomet har. Man kan fra tabellen se, at der er maks. 7 skaller i hele atomsystemet. Ud fra det periodiske system kan vi uddrage mange forskellige oplysninger, f.eks. at vægten er stigende, hvilket kan ses af atommassen, se på jern, hvor atommassen er 55,8, og kobber med atommasse på 63,6 samt, hvis systemet indeholder en elektronnegativitetstabel, også, hvilken bindingstype der vil fremkomme ved en evt. legering. Dette er oplysninger, der har interesse ved fremstillingen af materialerne, da det har indflydelse på styrken i materialerne. Vi har nu set på, hvordan atomerne er opbygget, og i hvilken orden de er placeret, og vil nu se på, hvordan de opfører sig over for hinanden, når de binder sig sammen, og hvilken betydning det har for os, når vi skal bruge dem. Lithium (Li) og natrium (Na) har altså begge en elektron i yderste skal, og ilt (O) nr. 8 og svovl (S) nr. 16 har begge seks elektroner i den yderste skal. ma cdr Det periodiske system 3

4 Tabel over grundstofferne er sjældne jordarters metaller. Elektronstruktur Nr. Navn Symbol Atomvægt skal 1 Hydrogen (Brint) H 1, Helium He 4,0 2 3 Lithium Li 6, Berylium Be 9, Bor B 10, Kulstof (Carbon) C Kvælstof (Nitrogen) N Ilt (Oxygen) O Fluor F Neon Ne Natrium Na Magnesium Mg 24, Aluminium Al Silicium Si Fosfor (Phosphor) P Svovl S Klor (Chlor) Cl 35, Argon A Kalium K Calcium Ca Scandium Sc Titan Ti Vanadium V Chrom Cr Mangan Mn Jern Fe 55, Kobolt Co 58, Nikkel Ni 58, Kobber Cu 63, Zink Zn Gallium Ga Germanium Ge 72, Arsen As Selen Se Brom Br Krypton Kr Rubidium Rb Strontium Sr Yttrium Y Zirkon Zr Niobium (Columbium) Nb Molybdæn Mo Tecnetium Tc Ruthenium Ru Rhodium Rh Industriens Forlag - Ma170.fm

5 Elektronstruktur Nr. Navn Symbol Atomvægt skal 46 Palladium Pd Sølv Ag Cadmium Cd Indium In Tin Sn Antimon Sb Tellur Te Iod I Xenon Xe Cæsium Cs Barium Ba Lanthan La Cerium Ce Praseodym Pr Neodym Nd Promethium Pm Samarium Sm Europium Eu Gadolinium Gd Terbium Tb Dysprosium Dy Holmium Ho Erbium Er Thulium Tm Ytterbium Yb Lutetium Lu Hafnium Hf Tantal Ta Wolfram (Tungsten) W Rhenium Re Osmium Os Iridium Ir Platin Pt Guld Au Kviksølv Hg Thallium Tl Bly Pb Wismut (Bismuth) Bi Polonium Po Astat At Radon Rn Francium Fr Radium Ra Actinium Ac Thorium Th Protactinium Pa Uran U

6 Elektronstruktur Nr. Navn Symbol Atomvægt skal 93 Neptunium Np Plutonium Pu Americium Am Curium Cm Berkelium Bk Californium Cf Einsteinium Es Fermium Fm Mendelevium Md Nobelium No Lawrencium Lr Tilstandsformer De fleste materialer og alle metaller, vi kender, kan forekomme i de tre kendte tilstandsformer: Fast form, også kaldet fast fase Flydende form, også kaldet væskefase Luft form, også kaldet damp eller gasfase Disse tre tilstandsformer gennemgår de fleste kendte metaller, når de påvirkes af forskellige temperaturer. Ser vi på et materiale, vi kender fra vor dagligdag, rent jern uden tilsætningsstoffer, vil vi se, at det har fast/flydende form indtil ca C, hvor det smelter, hvorefter det ved C, går over i gasfasen. Temperaturen, hvor ændringerne sker, kan ændres, når det atmosfæriske tryk ændres, ovenstående temperatur er f.eks. gældende ved 1 atmosfæres tryk. Ved stigende tryk falder temperaturen for faseskiftene. Denne egenskab er baggrunden for, at man i stor udstrækning benytter væske under tryk til køling af forbrændingsmotorer. Ved at hæve trykket i kølesystemet til 1,4 bar kan temperaturen hæves til 120 C, uden at systemet koger over. Fænomenet udnyttes ligeledes i trykkogere, hvor tilberedningstiden for f.eks. en portion kartofler kan reduceres ved, at man opvarmer vandet til omkring 110 C. Når et materiale er i de forskellige faser, er sammenholdet/bindingen mellem de enkelte atomer også forskellig. ma cdr Faseændring I gasfasen er der ingen eller kun svag binding mellem atomerne, hvilket vil bevirke, at materialet hurtigt spredes, hvis det ikke er i en lukket beholder. Når materialet går fra gas til flydende fase, bliver afstanden mellem atomerne mindre, og de tiltrækkes mere til hinanden, men kan dog stadig bevæge sig indbyrdes. I den faste fase er atomerne stoppet med at bevæge sig indbyrdes, men har dog stadig en vis aktivitet i elektroner. Den måde, atomerne placerer sig på ved størkningen, kaldes krystalgitre. Ethvert materiale har sit eget krystalgitter, der er en vigtig del af materialets egenskab. Når et materiale skal til at danne et krystalgitter, starter det med, at atomerne begynder at søge sammen, eller som det kaldes, at binde sig til hinanden. 6 Industriens Forlag - Ma170.fm

7 De materialer, vi anvender i vor dagligdag, har tre primære bindingstyper, de sekundære vil ikke blive omtalt her: Ion-binding Kovalent-binding Metal-binding Lad os se på, hvordan og hvorfor de binder sig, som de gør. Som omtalt tidligere, vil atomerne, når materialerne skifter fase, begynde at nærme sig hinanden. Når dette sker, vil de positive ioner tiltrække de negative på samme måde, som når man sætter to magneter over for hinanden. Vender man magneterne, vil de frastøde hinanden. Tilsvarende vil ske, når positive og negative partikler møder hinanden. Atomerne bliver derved til positive og negative ioner, der vil tiltrække hinanden som magneterne. Ion-binding er en meget stærk bindingstype, der kan opstå mellem to grundstoffer, ofte mellem et metalatom og et ikke-metalatom, f.eks. i keramiske materialer. Materialer med overvejende ionbinding har en stor hårdhed og stivhed, dermed følger desværre også, at materialet er skørt. Årsagen skal findes i den måde, bindingen samles på, når det opbygger sit krystalgitter. Ion-gitteret holdes som omtalt sammen ved hjælp af ionernes positive og negative ladninger. Når disse bindinger overbelastes (brydes), vil de, da de ligger med negative ioner over positive, som magneterne vi omtalte tidligere, frastøde hinanden og vil ikke gendannes. Materialet er dermed brudt. Positiv ion Negativ ion ma cdr Den måde, atomerne/ionerne finder sammen på (bindingstyperne), skyldes, at grundstoffernes forskellige elektriske opbygning af atomer har forskellig elektron-negativitet. Lad os på denne baggrund se på de forskellige bindingstyper. Ion-binding Ved ion-binding forærer det ene atom en eller flere elektroner til et andet atom. ma cdr Ion-gitter ma cdr + Ion-binding Kovalent-binding Ved den kovalente binding sker der som ved ionbindingen også noget med de yderste elektroner, valenselektronerne. Ved ion-bindingen afgav eller modtog de forskellige atomer elektroner og blev dermed enten positive eller negative. Ved kovalent-binding deles man om de valenselektroner, man har, i almindeligt fælleseje, f.eks. har siliciumatomet, som kan findes i fjerde hovedgruppe i det periodiske system, fire elektroner i sin yderste skal. 7

8 Den vil kunne binde sig med andre siliciumatomer, således at oktetreglen opfyldes. Metal-binding Den bindingsform, vi oftest møder i vort daglige arbejde med vore materialer (metallerne), er naturligvis metal-binding. Ved metal-binding er der ikke som ved ion- og kovalent-binding udveksling eller deling af valenselektronerne. Metal-bindingens elektroner danner nærmest en fælles negativ elektronsky omkring metalionerne, se tegning, og vil derved holde de nu positive metalioner på plads i krystalgitteret. ma cdr Silicium (Si) Oktetreglen kan også opfyldes med f.eks. klor, der har syv valenselektroner. ma cdr Metal-binding Da elektronskyen ikke er bundet fast til et eller flere atomer, er det muligt at bevæge de enkelte atomer hen over hinanden (i slipplanerne), mens de stadig er fastholdt af elektronskyen. ma cdr Klormolekyle Kovalent-bindinger er meget stærke, men også meget sprøde. Årsagen skal også her findes i krystalgitteret, hvor vi ser, at atomerne skal rives ud af deres binding med hinanden og vil, når bindingerne er brudt, ikke gendannes. Kovalentbindinger finder vi i keramiske materialer, hvor de er bundet i krystalgitre samt i polymerer, hvor de findes i lange kæder, hvis det er termoplastiske materialer, og som et krystal, når det er hærdeplast. Materialer med metal-binding er seje og lader sig gerne bearbejde ved bukning og strækning eller presning. De materialer, vi møder i dagligdagen, er ikke rene materialer, grundstoffer, men vil indeholde forskellige tilsætningsstoffer. Dette bevirker, at vi i de fleste materialer vil finde to eller tre af de ovenstående bindinger i større eller mindre grad. 8 Industriens Forlag - Ma170.fm

9 Krystalstrukturer Atomer, der samler sig i ideale og fejlfrie metaller, vil danne bestemte mønstre, krystalgitre, der vil være ens i alle retninger i det enkelte krystalkorn. Vi vil til dette anvende nogle modeller, hvor atomerne optræder som lige store kugler. Materialer, der samler sig i faste mønstre, kaldes krystallinske. Materialer, der samler sig uden bestemte mønstre, kaldes amorfe (uden form), dette kan f.eks. være visse plast- og keramiske materialer. Simpel kubisk Kubisk fladecentreret Kubisk rumcentreret Metalmaterialernes krystallinske opbygning Simpel tetragonal Rumcentreret tetragonal Hexagonal Simpel ortorombisk Rumcentreret ortorombisk Grundcentreret ortorombisk Fladecentreret ortorombisk ma cdr Metallerne ordner sig i gitterform Formen af gitteret og materialets renhed har stor betydning for de egenskaber, sejhed m.m., materialet får, når det skal anvendes. Den form eller gitterstruktur, materialerne har, ser vi bedst ved at se på den mindste del af mønsteret, der f.eks. kan have form som en terning, eller, som det kaldes, enhedscellen. Enhedscellen er det mindste antal atomer, der danner krystallets symmetri, f.eks. en terning eller en kubus, som det også kaldes. Enhedscellen er for metallerne en meget enkel opbygning. Rombehedralsk ma cdr Simpel monoklinsk Grundcentreret monoklinsk De syv krystalsystemer Triklinsk Hexagonal gitterstruktur Den hexagonale enhedscelle vil se ud som nedenstående tegning. Cellen har i alt 17 atomer, hvoraf den deler de 14 med nabocellerne, numrene 4 til 17, når cellen sidder i sin gitterstruktur. Der findes syv krystalsystemer med i alt 14 enhedsceller, se efterfølgende tegning. Vi har inden for metallerne normalt kun brug for fire af enhedscellerne: Hexagonal gitterstruktur Tetragonal gitterstruktur Kubisk rumcentreret gitterstruktur Kubisk fladecentreret gitterstruktur Vi ser på gitterstrukturerne en ad gangen, hvordan de er bygget op, og i hvilke materialer de kan findes. ma cdr Hexagonal kuglepakning 9

10 Af de mest almindelige metaller med denne struktur kan nævnes zink, magnesium, titan og kobolt. Tetragonal gitterstruktur Den tetragonale gitterstruktur har facon som en lidt fladtrykt eller langstrakt terning. Cellen har i sin simpleste grundform otte hjørneatomer, som den deler med nabocellerne i gitterstrukturen. Den fladecentrerede enhedscelle er tættere pakket end den rumcentrerede, hvilket bl.a. er en af årsagerne til, at jern over 910 C som austenit er lettere at strække og bøje. ma cdr Fladecentreret kuglepakning Af materialer med denne struktur kan nævnes jern over 910 til C, nikkel, aluminium, kobber, bly, guld, sølv og mange andre metaller. ma cdr Tetragonal kuglepakning Den tetragonale struktur findes i tin, bor, radium og hærdet stål. Kubisk rumcentreret gitterstruktur Den kubiske rumcentrerede enhedscelle har facon som en almindelig terning, hvor der er et atom i hvert hjørne samt et atom i midten. Når vi her har set tæt på, hvordan enhedscellerne og gitterstrukturen er i de forskellige materialer, skyldes det, at nogle af metallernes egenskaber er knyttet til disse opbygninger. En vigtig del af egenskaberne er materialernes evne til at lade sig forme ved tryk eller træk, også kaldet den plastiske deformationsevne, hvis årsag bl.a. skal findes i enhedscellernes slipplaner. Slipplaner eller atomplanglidning ma cdr Rumcentreret kuglepakning Denne enhedscelle findes i jern op til 910 C og fra C til smelte, endvidere findes den hos molybdæn, wolfram og chrom. Kubisk fladecentreret gitterstruktur Den kubiske fladecentrerede enhedscelle har også facon som en terning med et atom i hvert hjørne, men har endvidere et atom på hver flade. Dette giver otte hjørneatomer og seks fladeatomer, i alt 14 atomer, se tegning, som alle deles med nabocellerne. Trækker eller trykker man i et materiale med en ikke for stor kraft, vil alle materialer være elastiske. Elasticiteten vil vare, indtil atombindingerne brydes, og der ved hårde materialer med primære kovalent-bindinger, f.eks. glas og keramiske materialer, sker brud, eller som ved metaller, hvor der vil ske atomplanglidninger i slipplanerne, hvorved metallet får en plastisk deformation. En jernstang, der bøjes, får en plastisk deformation med både træk og trykspændinger. Den kraft, der skal til at forme forskellige metaller, er afhængig af den tæthed, der er i gitterstrukturens kuglepakning. Er kuglepakningen meget tæt, vil kuglerne kunne glide let mellem hinanden og skal ikke bruge stor kraft til at løfte de modstående atomlag fra hinanden. Det modsatte er tilfældet, når kuglepakningen er løs. 10 Industriens Forlag - Ma170.fm

11 Slipplan Slipretning ma cdr Deformationen sker trinvis ved relativ glidning mellem to atomanlæg Om kuglepakningen er tæt eller løs, samt hvilke retninger (slipplaner) atomerne kan glide i, kan vi se af enhedscellernes opbygning. Slipplanerne ligger i de planer i elementarcellerne, hvor kuglepakningen er tættest. Slipplanerne i de tre mest forekommende enhedsceller er her tegnet. Den hexagonale enhedscelle har tre slipretninger, der alle ligger i samme slipplan. Deformation af hexagonale materialer kan dog være vanskelig trods den tætte kuglepakning. Dette skyldes, at det kan være vanskeligt at ramme et enkelt slipplan med kraftpåvirkningen. Slipplan ma cdr Kubisk fladecentreret gitter Den kubisk rumcentrerede enhedscelle har 12 ikke parallelle slipplaner og en løsere kuglepakning, der vil kræve en større kraftpåvirkning end den fladecentrerede, når der skal deformeres materiale med denne struktur, jf. tidligere. At glideplaner har stor indflydelse på, hvor meget og hvor lidt et materiale kan deformeres, kan vi se af, at magnesium med hexagonalt gitter skal anvende ca. 100 N/mm 2 for at lave den maks. forlængelse, materialet har på ca. 10 til 15%. Aluminium med kubisk fladecentreret gitter skal derimod bruge 25 N/mm 2 for at få sin maks. forlængelse på ca. 50%. De slipplaner, vi har set indtil nu, har været i perfekte krystalgitre. I virkeligheden vil de fleste af de materialer, vi anvender, indeholde forskellige former for fejl, som vi skal se i følgende afsnit. Slipretning Slipplan Slipretning ma cdr Hexagonalt gitter Den kubisk fladecentrerede enhedscelle er med sine 24 ikke parallelle slipplaner den letteste at deformere. Dette skyldes, at cellen har en tæt kuglepakning, der sammen med de mange slipplaner gør, at den kraft, der skal anvendes, får mange muligheder for at ramme et slipplans retning. ma cdr Kubisk rumcentreret gitter Gitterfejl Gitterfejl De mest almindelige former for fejl i atomgitteret er punktfejl og liniefejl. Fejlene opstår, når materialerne starter med gitteropbygningen, ved overgangen fra flydende til fast form, ved tilsætning af legeringsmaterialer eller ved en senere deformation, varmebehandling, svejsning, hærdning m.m. Fejlene har betydning for materialernes egenskaber, hvilket vi kan se af følgende. 11

12 Punktfejl De oftest forekommende punktfejl er: Små eller store fremmede atomer fra legeringsmaterialer, der optager et af grundmetallets atomers plads i gitteret. Disse kaldes substitutionsatomer Små atomer kan til tider finde plads mellem atomerne i gitterstrukturen uden at optage pladsen fra et af grundmaterialets atomer. Disse kaldes indskudsatomer Der kan også opstå den fejl, at der mangler et atom i gitteropbygningen. Det vil bringe forstyrrelse i det omkringliggende gitter, men kan dog også være til hjælp, når der sker diffusion mellem atomerne i materialet. Denne fejltype kaldes vakance Liniefejl Liniefejl, også kaldet dislokationer, er en fejl i gitterstrukturen, der går gennem (hele) krystallet. Dislokationen optræder som et ekstra atomplan i en ellers perfekt gitterstruktur. ma cdr Krystaller kan have gitterfejl som f.eks. indskudsatomer eller dislokationer ma cdr Punktfejl i metalgitteret Dislokationer er til stor hjælp ved deformation af materialer. Kantdislokation, som vi omtaler her, vil let kunne bevæge sig gennem atommønsteret i slipplanerne ved en kraftpåvirkning udefra, f.eks. træk eller tryk. Den»tomme«plads vil løbe som en bølge gennem krystallet, til den når kanten af krystallet eller korngrænsen, se tegningen, hvorefter dislokationen vil ophøre. I et udeformeret materiale er der op til ca dislokationer pr. cm 2. Når et materiale er blevet deformeret, f.eks. bukket, vil der opstå en del nye dislokationer, helt op til gange så mange som fra begyndelsen. Da en del af de nu opstående dislokationer krydser hinanden, vil de låse hinandens bevægelser, og materialet bliver stift. Dette vil man kunne mærke, når man forsøger at rette en bøjet metalstang til lige igen. Ser vi på de to første gitterfejl, vil de være en hindring for de slip, der kan foretages på slipplanerne. Der skal anvendes større kraft for at deformere materialer med denne fejltype. Tilsætning af substitutionsatomer foretages ofte i metaller som legeringsmaterialer, da de giver grundmaterialet nye og anderledes egenskaber, styrke m.m. Den tredje fejl må anses for at være en fordel for deformation, da den letter atomerne, når de skal bytte plads, f.eks. ved bukning, varmebehandling m.m. ma cdr Dislokationsvandring ved deformation Der er på denne måde sket en deformationshærdning, som øger styrken i metallet. Deformationshærdning anvendes til at forbedre styrken i f.eks. kobber og aluminium, der ikke kan hærdes på anden vis, samt til øgning af almindeligt billigt stål som armeringsjern til betonkonstruktioner, tentorstål m.m. 12 Industriens Forlag - Ma170.fm

13 Vi har nu set, hvordan atomerne er opbygget, og hvordan de samler sig i mere eller mindre perfekte systemer. Vi vil nu se på, hvordan metallerne samler sig fra flydende til størknet materiale. Mikrostrukturer Når metaller går fra smeltet til fast materiale, vil det ved normal afkølingshastighed størkne som en mængde uregelmæssige metalkorn. Korndannelsen vil starte mange steder i det smeltede materiale ved opbygning af enhedsceller, der vil danne en gitterstruktur, som under rolige forhold vil udvikle sig i alle retninger i det smeltende materiale. De forskellige gitre vil under udviklingen mødes, men vil ikke kunne samles til et hele, da gitrene mødes fra forskellige retninger. Det sted, gitrene mødes, vil til slut danne korngrænserne. Kornstørrelsen har betydning for materialets styrke, således at finkornet materiale har større styrke end grovkornet. Det er muligt at være medbestemmende på kornenes størrelse ved afkølingen af materialet. Køles materialet hurtigt, vil det blive finkornet, dvs. at kornene bliver mindre end ca. 0,01 mm i udstrækning. Ved almindelig, rolig afkøling i fri luft bliver kornstørrelsen i stål normalt ca. 0,10 mm. Den her omtalte korndannelse fra smeltet til størknet materiale kan delvis også foregå i udelukkende størknet materiale og kaldes rekrystallisation. Rekrystallisation anvendes, når et materiale er blevet deformationshærdet. Ved rekrystallisationsglødning søger man at gengive materialet sine oprindelige egenskaber ved at fjerne det store antal dislokationer, der er opstået ved kolddeformationen. For at opnå et godt resultat ved rekrystallisationsglødningen skal materialet have en deformationsgrad på mere end 20 til 25% varierende for forskellige metaller. Er deformationsgraden mindre, kan materialet blive grovkornet i stedet. Rekrystallisationstemperaturen og holdetider omtales under varmebehandling. Tilstandsdiagrammer Vi ved nu, at materialer kan forekomme i forskellige tilstande, fast, flydende og gasform. Endvidere kan der inden for samme tilstandsform forekomme forskellige strukturer (faser), som f.eks. jern over 910 C med kubisk fladecentreret krystalgitter og under med kubisk rumcentreret gitter. Ved at blande, legere, materialer vil man ofte kunne opnå nye egenskaber, f.eks. større styrke m.m. ma cdr Skematisk fremstilling af en krystallisation For let at kunne overskue, hvordan et blandet materiale vil opføre sig ved forskellige temperaturer, kan man opbygge et fase- eller tilstandsdiagram. Et meget brugt fasediagram er jernkulstofdiagrammet, som vi skal se på senere, men først lidt om, hvordan et fasediagram bliver opbygget. 13

14 Udarbejdselsen af fasediagrammer foregår ved hjælp af smeltepunkter eller smelteintervaller og afkølingskurver. Som vi husker fra naturlæren, vil et diagram for f.eks. vand se ud som denne tegning. I legerede materialer er der intet smeltepunkt, men et smelteinterval, hvor der forekommer smeltet materiale og fast materiale på en gang, selv om der fortsat tilføres energi. C Afkøling ma cdr Opvarmningskurve for H 2 O ma cdr Størkning/smelte Størknings/ smelteinterval Fast materiale Begyndende størkning kaldet liquidus = L Størkningen afsluttet kaldet solidus = S Opvarmnings/afkølingskurve for 30% nikkel og 70% kobber Energi Som vi må huske, er der i rene materialer et smeltepunkt, altså ingen temperaturstigning i materialet, før alt er omdannet til den nye tilstandsform, selv om der fortsættes med tilførsel af energi. Ved at udarbejde et større antal forskellige kurver med forskelligt indhold af de ønskede legeringsmaterialer (her Ni og Cu) kan man fremstille et fasediagram, der dækker et helt område for de ønskede legeringer. 14 Industriens Forlag - Ma170.fm

15 Nikkel/kobber-diagrammet er et meget enkelt diagram, hvor der kun findes få faser. Der er fuldstænding opløselighed mellem Ni- og Cukrystallerne, de er blandingskrystaller. Et noget mere kompliceret diagram er jern-kulstofdiagrammet. I dette diagram forekommer der nemlig flere faser, både blandingskrystaller og krystaller, der er opbygget af den kovalente forbindelse, (Fe 3 C) samt flydende og faste faser. Opbygningen af dette diagram foretages også for bestemmelse af fasernes beliggenhed ved hjælp af afkølingskurver. Kendskab til jern-kulstofdiagrammet har stor betydning i vort fagområde, både til hærdning og ved svejsning m.m. Vi skal derfor prøve at se på opbygningen af dette fasediagram. Anvendelse af diagrammet til varmebehandling omtales under afsnittet»varmebehandling«. Til at belyse jern-kulstofdiagrammet vil vi tage udgangspunkt tre steder (0,0% C, 1,0% C og 3,5% C) i det store jern-kulstofdiagram. Dette dækker området fra 0 til 7% C, selv om jern med mere end 5% C er uanvendeligt. Det lille jernkulstofdiagram går fra 0,0 til 2,05% C og dækker det område, vi kender fra ulegeret stål. Ved afkøling af jern med 0,0% C fra C vil vi få følgende faser: Ved området fra til C vil det rene jern være flydende og uden fast gitterstruktur. Fra og til C vil jernet have dannet krystalgitter med en kubisk rumcentreret enhedscelle, jernet kaldes her deltajern. Ved og til 912 C omdannes det omtalte delta-jern til gamma-jern eller austenit, som det også kaldes, med en kubisk fladecentreret enhedscelle. Fra 912 C og til 0,0 C har jern igen en kubisk rumcentreret enhedscelle, jernet kaldes nu alphajern. Det rene jern har altså mange forskellige faser, disse har endvidere forskellige egenskaber. En af de vigtigste egenskaber er fasernes evne til at optage f.eks. kulstof ved forskellige temperaturer. Starter vi med at se på delta-jern, kan det højst have 0,08% C opløst ved C, se pkt. A. Gamma-jern kan højst have en opløsning på 2,05% C ved C, se pkt. E. Alpha-jern kan højst have 0,025% C ved 723 C, se pkt. C. Med disse opløsningsprocenter må en rest kulstof blive omdannet til noget andet. Lad os prøve at tage et jernmateriale med 1,0% C og samme temperaturforløb og se, hvilke ændringer der sker med materialet. 15

16 Jern med 1,0% C vil ved C være flydende ned til C. Som man kan se, vil kulstofindholdet bevirke, at der sker en sænkning af temperaturen, hvor jernet begynder at størkne. Fra og til C vil jernet bestå af austenitkrystaller og smeltet materiale. Ved C vil jernet være størknet og have austenitisk krystalstruktur. Denne struktur vil jernet have, til det kommer lidt under S-E linien ved 790 C. Fra 790 og ned til 723 C vil der i austenit-korngrænserne dannes en ny struktur, kaldet cementit. Denne krystalstruktur er ortorombisk og er altså en ny krystalstruktur. Cementit er jernkarbid med kovalent binding, der er meget hård og sprød. Den kemiske sammensætning er Fe 3 C, der skal altså anvendes tre jernatomer og et kulstofatom for at danne denne struktur. Cementitten har ved alle temperaturer, hvor den forekommer, et bestemt kulstofindhold på 6,68% C. Man kan se, at det netop bliver denne kulstofprocent ved følgende regnestykke. Fra den kemiske sammensætning så vi, at cementit bestod af tre jernatomer og et kulstofatom. Finder vi atommassen i grundstoftabellen (Det periodiske system), ser vi, at jern Fe har atommassen 55,8 og kulstof C har atommassen 12,00. Den samlede atommasse bliver derved for 3 stk. Fe og 1 stk. C: 3 55,8 + 12,00 = 179,4. Ved almindelig procentregning ser vi, at kulstoffet udgør: 12, , 4 = 6,688% af den samlede atommasse. Ved passagen af linien C-K og ned vil den austenit, der ikke er omdannet til cementit, have et kulstofindhold på 0,8% C. Jern med dette kulstofindhold vil, når det kommer under 723 C, omdannes til en ny struktur, der kaldes perlit. Perlitten har på grund af sin struktur, der skiftevis i lagene er det meget bløde Fe og meget hårde og skøre Fe 3 C, en god trækstyrke, men en lille sejhed. Et stål, som vi her ser på med 1% C, vil derfor være vanskeligt at bearbejde. Da perlitiske stål dog har mange gode egenskaber, leveres de ofte i en anden struktur fra stålværkerne, strukturen kaldes sfærodiseret. Varmebehandlingen til denne struktur omtales under varmebehandling. Det sidste materiale, vi ser på i dette tilstandsdiagram, er jern med 3,5% C og er altså et materiale uden for det lille jern-kulstofdiagram, der kun går op til ca. 2,05% C. Jern fra 2,05 og op til 5% C kaldes støbejern. Vi vil igen starte ved C og gå ned til stuetemperatur. Materialet vil fra og til C være i flydende form, her er der virkelig sket en sænkning af størkningspunktet, som kan ses. Når vi passerer linien ved de C, begynder jernet at størkne. Det smeltede materiale vil begynde at udskille austenitkrystaller, som indeholder maks. 2,05% C. Den overskydende mængde kulstof vil blive mere og mere koncentreret i den resterende mængde smeltet materiale. Ved overskridelse af E-F-linien er alt materialet størknet, dels som austenitkrystaller, af hvilket der vil være flest, og dels som en blanding af cementit- og austenitkrystaller. Ved fortsat afkøling vil austenitten omdannes til perlit og cementit. Som vi tidligere har set, var cementitten hård og skør, og perlitten var også hård og dårlig at bearbejde med almindeligt værktøjsstål. Vi må derfor antage, at materiale med 3,5% C er vanskeligt at bearbejde ved almindelig skærende bearbejdning og bearbejdes da også oftest kun ved slibning. Materialet kan dog ændres ved specielle varmebehandlinger, så bearbejdningen gøres lettere. Dette ser vi på i afsnittet om varmebehandling. Perlitten består af Fe og Fe 3 C. Perlitstrukturen er en lagdelt struktur, således at forstå, at den danner plader skiftevis af Fe og Fe 3 C. Ser man på en perlitstruktur under et mikroskop, kan strukturen ligne et fingeraftryk, hvor stregerne skiftevis er Fe- og Fe 3 C-lameller. 16 Industriens Forlag - Ma170.fm

17 Data for enkelte grundstoffer Navn Krystalgitter Symbol Smeltepunkt C Kogepunkt C Massefylde g/cm 3 Atomdiameter Å Aluminium Al Kubisk fladecentreret ,7 2,86 Antimon Sb Rombohedralsk 630, ,68 2,92 Barium Ba Kubisk rumcentreret ,5 4,35 Berylium Be Hexagonal ,82 2,23 Bly Pb Kubisk fladecentreret ,34 3,50 Bor B Tetragonal ,6 1,98 Brint (hydrogen) H Hexagonal ~ 0,92 Cadmium Cd Hexagonal ,65 2,98 Calcium Ca Kubisk fladecentreret ,55 3,94 Cerium Ce Kubisk fladecentreret ,77 Fosfor (phosphor) P Rombohedralsk ,83 2,88 Guld Au Kubisk fladecentreret ,3 1,32 Ilt (oxygen) O ~ ~ 2,71 Iridium Ir Kubisk fladecentreret ,5 2,48 Jern Fe Kubisk rumcentreret (kubisk ,87 2,55 fladecentreret) Kobber Cu Kubisk fladecentreret ,96 2,52 Kobolt (cobolt) Co Kubisk fladecentreret og ,9 1,82 hexagonal Chrom Cr Kubisk rumcentreret ,19 2,50 Kulstof (diamant) C Kubisk ,51 1,54 Kulstof (grafit) C Hexagonal ~ ~ 2,20 1,54 Kviksølv Hg Rombohedralsk ,55 3,00 Kvælstof (nitrogen) N ~ ~ 1,42 Magnesium Mg Hexagonal ,74 3,20 Mangan Mn Kubisk ,43 3,20 Molybdæn Mo Kubisk rumcentreret ,2 2,72 Nikkel Ni Kubisk fladecentreret ,90 2,44 Niobium (columbium) Nb Kubisk rumcentreret ,57 ~ Platin Pt Kubisk fladecentreret ,45 2,77 Silicium Si Kubisk ,33 2,35 Svovl S Rombohedralsk ,05 2,85 Sølv Ag Kubisk fladecentreret ,5 2,88 Tantal Ta Kubisk rumcentreret ,6 2,86 Tellur Te Hexagonal ,24 2,74 Tin Sn Tetragonal ,30 3,02 Titan Ti Kubisk rumcentreret og ,51 2,94 hexagonal Uran U Ortorombisk ,76 Vanadium V Kubisk rumcentreret ,63 Wismut (bismuth) Bi Rombohedralsk ,8 3,11 Wolfram (tungsten) W Kubisk rumcentreret ,3 2,74 Zink Zn Hexagonal 419, ,14 2,66 17