Effekt av legeringselementer på metallers mekaniske egenskaper
Rene metaller brukes sjelden direkte i tekniske applikasjoner som krever høy styrke, slitestyrke eller seighet under ekstreme forhold. Rent aluminium er for eksempel lett og korrosjonsbestandig, men relativt mykt. Rent jern er formbart, men styrken er begrenset. Derfor bruker industrien nesten alltid metalllegeringer, som er basismetaller blandet med andre elementer i spesifikke proporsjoner for å oppnå en overlegen kombinasjon av egenskaper. Disse tilsatte elementene kalles legeringselementer, og deres innflytelse på mekaniske egenskaper – som strekkfasthet, hardhet, duktilitet, seighet, utmattingsmotstand og slitestyrke – er betydelig.
Grunnleggende konsept: hvorfor endrer legeringselementer mekaniske egenskaper?
Metallers mekaniske egenskaper bestemmes av deres mikrostruktur: kornstørrelse, type og antall faser, fordeling av utfellinger og tilstedeværelsen av krystalldefekter som forskyvninger. Legeringselementer påvirker disse egenskapene gjennom flere viktige mekanismer:
1. Forsterkning av fast løsning
Legeringselementatomer kan erstatte basismetallatomer (substitusjon) eller fylle mellomrom mellom atomer (interstitielt). Forskjeller i atomstørrelse og kjemisk binding skaper gitterforvrengninger som hemmer dislokasjonsbevegelse. Dette resulterer i økt styrke og hardhet, men redusert duktilitet.
2. Nedbørsherding (aldersherding)
I visse legeringer produserer varmebehandling finkornede bunnfallspartikler (f.eks. Al-Cu eller Al-Mg-Si). Disse bunnfallene fungerer som en "barriere" mot dislokasjoner, og øker styrken dramatisk.
3. Styrking gjennom dannelse av harde faser (f.eks. karbider, nitrider, intermetalliske forbindelser)
Elementer som Cr, V, W og Mo har en tendens til å danne harde karbider i stål. Disse harde fasene øker hardheten og slitestyrken, men kan redusere seigheten hvis de er tilstede i overskudd eller dårlig fordelt.
4. Kornforedling
Visse elementer eller metallurgiske prosesser påvirket av legeringselementer kan produsere finere korn. Finere korn øker generelt flytegrense og seighet.
5. Endringer i fasediagram og varmebehandlingsevne
Legeringselementer kan stabilisere visse faser, endre transformasjonstemperaturen og øke herdbarheten. I stål, for eksempel, tillater tilsetning av visse elementer dannelse av martensitt selv om avkjølingen ikke er veldig rask.
Effekten av legeringselementer på stål: de mest omfattende eksemplene
Stål er det vanligste legeringssystemet, først og fremst fordi små endringer i elementinnholdet kan gi store variasjoner i mekaniske egenskaper.
1. Karbon (C)
Karbon er det viktigste legeringselementet i stål. Det øker styrke og hardhet gjennom dannelsen av sementitt (Fe₃C) og evnen til å danne martensitt etter herding.
– Styrke og hardhet: øker med økende C-innhold.
– Seighet og styrke: har en tendens til å avta når C er for høy.
– Slitasjemotstand: økt på grunn av hardere fase.
Lavkarbonstål er mer duktilt og lettere å sveise, mens høykarbonstål er hardere, men mer sprøtt.
2. Mangan (Mn)
Mangan øker styrken gjennom fast løsning og hjelper til med å binde svovel for å danne MnS (reduserer varm korthet).
– Styrke og herdbarhet: økt.
– Seighet: kan øke ved moderate nivåer, men ved høye nivåer kreves mikrostrukturell kontroll.
3. Krom (Cr)
Krom er mest kjent i rustfritt stål, men er også mye brukt for sin styrke og slitestyrke.
– Slitasjestyrke og hardhet: økt gjennom dannelsen av harde Cr-karbider.
– Herdbarhet: økt, noe som tillater herding av tykkere tverrsnitt.
– Korrosjonsbestandighet: øker når den er høy nok (generelt ≥ ~10,5 % i rustfritt stål) på grunn av dannelsen av et passivt lag av Cr₂O₃.
– Risiko: For mye karbid kan redusere seigheten.
4. Nikkel (Ni)
Nikkel er en utmerket seighetsforsterker, spesielt ved lave temperaturer.
– Seighet og duktilitet: økt, bidrar til å forhindre sprøbrudd.
– Styrke: økt samtidig som god seighet opprettholdes.
– Bruksområde: Ni-legert stål for skip, kryogene tanker og komponenter som krever høy seighet.
5. Molybden (Mo)
Molybden er mye brukt til høytemperaturapplikasjoner og for å motstå mykgjøring.
– Styrke ved høye temperaturer: økt (bedre krypemotstand).
– Herdbarhet: økt.
– Motstand mot anløpssprøhet: Mo kan bidra til å redusere tendensen til sprøhet etter anløping ved visse temperaturområder.
6. Vanadium (V), niob (Nb), titan (Ti)
Disse mikrolegeringselementene er effektive selv ved lave konsentrasjoner. De danner fine karbider/nitrider og forfiner kornet.
– Flyttegrense: betydelig økt gjennom fine utfellinger og kornforfining.
– Motstandskraft: kan forbli god hvis prosesskontrollen er passende.
– Bruksområde: HSLA (høystyrke lavlegert) stål for konstruksjoner.
7. Silisium (Si)
Silisium er et generelt deoksidasjonsmiddel og styrker også faste løsninger.
– Styrke: økt.
– Motstand mot oksidasjon: økt under visse forhold.
– Merk: Høyt Si-innhold kan påvirke duktilitet og formingsevne.
Effekten av legeringselementer på aluminiumslegeringer
Aluminium reagerer svært godt på utfellingsforsterkning. Derfor er det primære legeringselementet, Al, utformet for å danne fine utfellinger gjennom løsningsbehandling og aldring.
– Kobber (Cu): øker høy styrke (2xxx-serien) gjennom utfelling, men korrosjonsmotstanden kan reduseres.
– Magnesium (Mg): øker styrke og korrosjonsmotstand; sammen med Si danner det Mg₂Si (6xxx-serien) som balanserer styrke og bearbeidbarhet.
– Sink (Zn) + Mg (og ofte Cu): produserer svært sterke legeringer (7xxx-serien), populære innen luftfart, men noen sammensetninger er utsatt for spenningskorrosjonssprekker (SCC) og krever varmekontroll og beskyttelse.
– Silisium (Si): hjelper støpeevnen og støtter sammen med Mg utfelling.
I aluminium blir økt styrke ofte «betalt» av redusert duktilitet, samt følsomhet for korrosjon i visse elementkombinasjoner.
Effekten av legeringselementer på kobber- og titanlegeringer (i korte trekk)
I kobberlegeringer øker tilsetningen av Zn (messing) styrken og bearbeidbarheten, mens Sn (bronse) øker slitestyrken og noe korrosjonsmotstand. Imidlertid reduserer høyere legeringselementer generelt elektrisk/termisk ledningsevne – et betydelig kompromiss i elektriske komponenter.
I titanlegeringer stabiliserer elementer som Al alfafasen, mens V og Mo stabiliserer betafasen. Alfa-beta-legeringer (f.eks. Ti-6Al-4V) tilbyr en kombinasjon av høy styrke, seighet og korrosjonsbestandighet, med lav spesifikk vekt. De mekaniske egenskapene til titan avhenger i stor grad av fasene som dannes og varmebehandlingen.
Forholdet mellom legeringselementer og de viktigste mekaniske egenskapene
Her er en oppsummering av ofte forekommende forhold:
– Strekkfasthet / flytegrense: øker vanligvis med fast løsning, utfelling, fine korn og harde faser.
– Hardhet: øker med martensitt (i stål), utfellinger og karbider/nitrider.
– Seighet: avtar ofte når styrken/hardheten øker, men elementer som Ni kan opprettholde seigheten.
– Slagseighet: påvirket av kornstørrelse, hardfasefordeling og tilstedeværelsen av inneslutninger; Ni og kornforfining pleier å hjelpe.
– Utmattingsmotstand: øker med homogen mikrostruktur, små inneslutninger og økt styrke; grove utfellinger/mikrosprekker kan imidlertid forverres.
– Slitasjemotstand: økt med harde karbider, martensitt og god overflatehardhet.
Lukking
Legeringselementer er viktige «ingeniørverktøy» innen metallurgi for å skreddersy de mekaniske egenskapene til metaller til bruksområder. Ved å velge type og konsentrasjon av elementer, og deretter kontrollere prosesser som varmebehandling, bråkjøling og mikrostrukturkontroll, kan ingeniører produsere materialer som er lette, men likevel sterke, harde, men likevel seige, eller slitesterke og yter ved høye temperaturer. Imidlertid kommer enhver forbedring av egenskaper vanligvis med avveininger: økt styrke kan redusere duktilitet, utfellingsforsterkning kan øke risikoen for visse typer korrosjon, og herdingsfaser kan redusere seighet hvis de ikke kontrolleres. Derfor er legeringsdesign alltid en balanse mellom sammensetning, prosess og krav til feltytelse.
