Frylunds Fagteori

Teori i industriteknik

Metallers egenskaber og struktur

 

Følgende er omtalt:
Korndannelse 
Krystaller
Krystalblok
Fælles atomer
Krystalgitter
Atompakning
Slip og slipplan
Gitterfejl
Punktfejl
Dislokation

Deformationshærdning 
 

BCC.jpg 

Hovedparten af alle grundstoffer er metaller, så som jern, kobber, aluminium, zink, guld, sølv, krom, og nikkel.
Det er kun en lille del af de metalliske grundstoffer der har industriel betydning.
Grunden til den udbredte brug af metallers er deres gode egenskaber hvad angår styrke og deformationsevne.

Korndannelse

De metaller vi anvender består af mange krystaller (ofte kaldt korn) som hver har sit gittermønster.
Når metal går fra flydende form til fast form dannes der mange steder i det smeltede materiale kim, kimens vokser til korn som til sidst danner krystaller.
Krystallernes størrelse afhænger af afkølingshastigheden, jo hurtigere afkøling jo mindre krystaller. Afkøles metallet i fri luft vil krystallerne blive ca. 0.1 mm. Ved en hurtig afkøling bliver metallet finkornet og krystallerne får en størrelse på mindre end 0.01 mm.
Størrelsen af krystallerne betyder meget for metallets styrke.
Metal med store krystaller (grovkornet) har mindre styrke end metaller med små krystaller (finkornet).
Dannelsen af nye krystaller i kolddeformeret stål kan delvis foregå i størknet materiale og kaldes rekrystallisering eller udglødning.
 
 


 Korndannelse

 Krystaller

Hvis man ser et stykke poleret og ætset metal under mikroskop, kan man se metallets krystaller som et uregelmæssig mønster.
Krystallerne som er vist på billedet i snit er rummelige, de har en længde en bredde og en højde.
Zonen hvor de enkelte krystaller støder sammen kaldes korngrænsen.
 

micro-02.jpg
Mikrobillede af stål med 0,2% kulstof 

Krystalblok

Krystallerne er opbygget af et stor antal atomer, atomerne er ordnede i et gitter.
Billedet viser en krystalblok med et kubisk gitter.
Elementarcellen er krystalblokkens mindste del, her vist med rødt.
Den viste kubiske gitterform har et atom i hvert hjørne, i alt 8

 gitter.jpg
Krystalblok.

Fælles atomer

Enhedscellerne i en krystalblok har fælles atomer med nabocellerne.
Som det ses på tegningen er det kun de elementarceller der er placeret i hjørnerne der har selvstændige atomer.


De grønne atomer er fælles med nabocellen. 

Krystalgitter

     
Kubisk rumcentreret gitter
Gitteret har form som en terning med et atom i hvert hjørne samt et atom i centrum. I alt 9 atomer.
Findes bl.a. i:
ren jern, krom, molidæn,wolfram og vanadium.
Kubisk fladecentreret gitter
Gitteret har form som en terning med et atom i hvert hjørne samt et atom på hver flade. I alt 14 atomer.
Findes bl.a. i:
Kobber, nikkel, sølv, guld og aluminium 
Heksagonalt gitter
Gitteret har form som to sekskanter, med et atom i hver sekskanter hjørner samt i sekskantens centrum. I midten er der yderligere 3 atomer. I alt 17 atomer.
Findes bl.a. i:
Zink og magnesium. 

Nogle metaller kan skifte fra en gitterform til en anden.
Ren jern er kubisk rumcentreret, men ved opvarmning til over 906º ændres gitterformen til kubisk fladecentreret.
Det er denne ændring i gitterformen der gør at jern kan hærdes.


Atompakning

Der er forskel på hvor tæt pakket atomerne er i de tre gitterformer.
Metallers evne til deformation afhænger bl.a. af hvor tæt atomerne er pakket.
En løs pakning er vanskeligere at deformerer end en tæt pakning.

   
Ved en løs pakning falder atomerne ned i det underliggende lag dermed kræver det mere kraft for at deformerer.  Ved en tæt pakning glider atomerne på det underliggende lag og kræver mindre kraft for at deformerer. 

kubisk-rum-pic.jpg  kubisk-flade-pic.jpg  hexagonal-pic.jpg 
Kubisk rumcentreret gitter
Løs pakning.
Kubisk fladecentreret gitter
Tæt pakning. 
Heksagonalt gitter
Tæt pakning. 

   Slip og slipplan

Når man bøjer, strækker eller stukker metaller sker en væsentlig del af
deformationen ved at atomerne forskydes langs de såkaldte slipplaner.

Slipplanet er vist på tegningerne som en grå flade. Pilene på tegningen viser slipretningen.
Der er kun vist et slipplan på hver tegning, men man kan lægge andre slipplan ind som har det samme mønster.
Den deformation der kræver mindst kraftpåvirkning sker i pilenes retning.
 


De 12 slipplan i
kubisk rumcentreret. 
     

Kubisk rumcentreret gitter
Har i alt 12 slipplan og kræver stor kraftpåvirkning.

 

Kubisk fladecentreret gitter
Har i alt 24 slipplan og kræver lille kraftpåvirkning. 

 

Heksagonalt gitter
Har kun 1 slipplan. Kan være vanskelig at deformerer da den kraftpåvirkning metallet påvirkes med ikke har store chancer for at have samme retning som slipplanet. 

Gitterfejl

Næsten alle de metaller vi bruger har uregelmæssigheder i krystalgitteret. Disse gitterfejl kan opstå under gitteropbygningen når metallet størkner, ved varmebehandling, svejsning og deformation.


Punktfejl


Perfekt krystalgitter 

 

 

 


Substitutionsatom, kan være et mindre atom fra et legeringsstof der optager en plads i gitret.

 

 


Substitutionsatom, et stor fremmedatom, optager en plads i gitteret. De omkringliggende elementarcellerne påvirkes.

 


Indskudt atom, et lille fremmedatom der ikke optager plads i gitteret.

 

 


Indskudt atom, et stor fremmedatom. De omkringliggende elementarcellerne påvirkes.

 


Vakance, der mangler et atom i gitteret. De omkringliggende elementarcellerne påvirkes.

 

 

  Dislokation

Dislokation = at bortrykke noget fra sin plads.
En dislokation er et manglende atom i et krystalgitter.
Der findes to former for dislokation, kantdislokation og skruedislokation.
En dislokationsfejl går helt igennem krystallet og kaldes også en liniefejl.


Kantdislokation


Ved deformation af metaller kan et mindre antal kantdislokationer være til hjælp, der skal mindre kraftpåvirkning til da atomerne bevæger sig lettere langs dislokationslinierne.
Mange og krydsende dislokationer hæmmer deformeringen.
I ubearbejdet materiale er der mellem 100 og 1000 dislokationer pr. cm2.
Efter deformation ved f.eks. valsning bukning eller stukning stiger antallet betydelig.
I meget stærkt deformeret materiale kan der være 1.000.000.000.000 pr. cm2. 
 

Deformationshærdning

kold-valsning.jpg  mikro-for-deformation.jpg  mikro-efter-deformation.jpg 

 Koldvalsning

 Før valsning

Efter valsning

 

Deformeres et metal ved koldeformation, valsning eller bukning, vil det kræve større kraft at deformerer det yderligere.
Metallet er blevet stærkere ved deformationen, der er sket en deformationshærdning.
Ved deformationen har metallet fået et større antal krydsende dislokationslinier.
Processen bruges til hærdning af f.eks. kobber og aluminium der ikke kan hærdes på anden måde.