Ting vi bør vite om stål

Stålet er vårt absolutt viktigste konstruksjonsmateriale. Vi lever i en stålalder og ikke i en atomalder. Vår nåværende sivilisasjon, levestandard og kultur er utenkelig uten stål og jern. Alternativer som aluminium, magnesium, plast, glassfiber, karbonfiber, keramikk o.a. overtar for stål på mange områder. Dette må ikke nødvendigvis betraktes som noe nederlag for stål. At stålet har vært erstatning for så ulike materialer som aluminium, plast og keramikk, viser nettopp stålets allsidighet. Innenfor et anvendelsesfelt med så ulike produkter som knappe-nåler, klokkefjær, bilmotorer og supertankere, ville det være merkelig at andre materialer av og til ikke skulle være bedre egnet.

Bruddgrense

Varierer fra 33 - 200 Kp/mm². En bruddgrense på f.eks. 37 Kp/mm² (vanlig konstruksjonsstål) vil si at det kan henge 10 folkevogner (ca. 7400 Kp) i et stål tverrsnitt på 200 mm². (Voksen manns lillefinger).

Flytegrense

Er viktig fordi den angir når stålet vil begynne å få deformasjoner. I praksis kan stålet ikke utnyttes utover flytegrensen fordi konstruksjonen da deformerer seg slik at den blir ubrukelig. Høy flytegrense er viktigere enn høy bruddgrense.

Duktilitet

Eller seighet, er stålets evne til å deformere seg uten å få brudd. Hvis en stålkonstruksjon får en ujevn, høy belastning, vil litt lokal flyting sørge for å omfordele påkjenningen slik at den blir mer jevn. Seighet er også helt avgjørende for å kunne smi, valse og dyptrekke stål. Seigheten er derfor viktig både under framstillingen av et stålprodukt og under anvendelse av det.

Hardhet

Er stålets evne til å motstå ytre slitasje. Så lenge stålet ikke blir sprøtt, øker slitasjemotstanden med økende hardhet. Typisk slitegods som f.eks. plogskjær skal derfor ha stor overflatehardhet. Den beste kombinasjonen er stor hardhet i overflaten kombinert med en seig, ikke herdet, kjerne.

Kontroll av fysikalske egenskaper

Ideelt sett ønskes et stål med høy fasthet, hardhet og seighet. Da fasthet og seighet delvis utelukker hverandre, må stål produsentene foreta et valg. For de forskjellige formål eksisterer ulike egnede kombinasjoner av fasthet og seighet. Stålprodusentene lager da forskjellige spesialstål som er direkte tilpasset en særpregen anvendelse. De midler produsentene råder over er hovedsakelig legerings tilsetninger, varm- og kaldformings- metoder.

Legeringstilsetninger

Er vanligvis karbon (kull), mangan, silisium, krom, nikkel, aluminium, molybden, vanadium og wolfram. Uønskede legeringsbestanddeler er fosfor, svovel og nitrogen.

• For å lese mer om legerings elementenes egenskaper, les filen: "Hvordan virker de forskjellige legeringselementer inn på stålets egenskaper ".

Å legere stål skulle da være å anvende en rekke elementer som stort sett bare gir gunstige effekter. Problemet er at disse bestanddelene er meget dyre.

For vanlige stålkvaliteter til armering, skip og generelle stålkonstruksjoner, blir kun silisium med maks ca. 0,6% og mangan med maks 1,5% anvendt. Det tilsettes ofte litt aluminium, mens krom, nikkel, etc. er for dyrt. Fosfor, svovel og nitrogen er uønsket, men følger med som "nissen" på lasset". - Fosfor og svovel kommer med malmen og koksen. Nitrogen kommer gjennom ferskingen (blåsingen) hvis det blåses med luft (79% nitrogen). Denne metoden er i dag forlatt. Ved ren surstoff blåsing kan dette unngås. Blikk som skal trekkes, må kunne deformeres (flyte) uten å bli sprøtt. Dette kan oppnås ved lavt innhold av karbon og nitrogen.

Varmebehandlingsmetoder

Som herding med etterfølgende anløping kan anvendes for å bringe  opp fastheten. Ved at stålet varmes opp, vanligvis til noe over 700°C, skjer en omkrystallisasjon... Ved så å bråkjøle stålet kan man avhengig av legerings- bestandelene og nedkjølings hastigheten, bestemme hvilke krystalltyper som oppstår. På denne måten kan det foretas valg mellom fasthet og seighet. Nedkjøing alene gir sjelden den ønskede effekt, da stålet blir for sprøtt. En etterfølgende oppvarming i området 150-400°C, den såkalte anløping øker, øker seigheten igjen.

Kaldvalsing og Kaldtrekking

Som begge tilsvarer en deformasjon i kald tilstand, øker også fastheten. Effekten av kalddeformasjon er igjen avhengig av legeringsinnholdet. En del stål får kun 50% fasthets-økning ved kaldbearbeiding, mens andre kan få 2-300% fasthets-økning. Kaldvalsing og kaldtrekking anvendes i særlig grad til å framstille høyfaste stål til armering og stål tau. Selv med lavt legerte stål typer kan bruddfasthet opp til 200 Kp/mm² oppnås ved kombinert herding og kaldbearbeiding.

Profilfasonger

De enkelte profiler har ulike fasonger. Anvendelsesmåte og belastningsart bestemmer hvilken fasong som er mest hensiktsmessig. Bortsett fra tråd som trekkes og sveiste profiler, valses alle profiler.  Valseprosessen setter grenser for hvilke fasonger som er mulige. For strekkpåkjenninger spiller kun tverrsnittets størrelse noen rolle. Da er ofte et rundt tverrsnitt mest hensiktsmessig. Armeringsstål som tar opp strekk i betongkonstruksjoner er et typisk eksempel. Ved konstruksjoner som er utsatt for bøyningspåkjenning, bestemmer det såkalte motstands momentet, bæreevnen.

Anvendelse av høyfast stål

Når en konstruksjon av stål belastes, oppstår det spenninger i konstruksjonen. Høyfast stål tåler høyerer spenninger enn stål med lav fasthet. For å spare på mengden stål ville de fleste tro at det er hensiktsmessig å anvende stål med høyest mulig fasthet hvis fasthetene stiger hurtigere enn prisen på stålet. De egenskaper som betyr noe for en konstruksjons bæreevne og deformasjon, er brudd og flyte-fasthetene, tverrsnitt, motstandsmoment, treghetsmoment og elastisitetsmodul.

Elastisitetsmodulen vil si forholdet mellom påkjenning og deformasjon. Ved en påkjenning på 2,1 Kp/mm² forlenger en stål stav seg en promille. For rent strekkpåkjente konstruksjoner er deformasjon avhengig av påkjenning og konstruksjonens lengde. Dvs. hvis en 10 m. lang stav med en last P har x forlengelse, vil en 20 m. lang stav med samme lasten P ha 2x i forlengelse.

For en stav som er påkjent på bøyning øker nedbøyningen med lengden i tredje potens. Dvs. 10 m. lang bjelke med lasten P har et svai (nedheng) på x, vil en 20 m. lang bjelke med samme last ha en svai lik x*2³, 2 fordi denne bjelken er dobbelt så lang som den første.

Selve bøyningspåkjenningen vil bare forandre seg med lengdeforholdet i annen potens.

Da deformasjonen øker fortere enn spenningene ved en økning av spennvidden, er høyfaste stål såkalt deformasjons utsatte. Ofte kan den høye spenningen slett ikke nyttes fordi deformasjonene blir for store. Problemer er særlig aktuelle ved kranbaner med store spennvidder. Ved trykkpåkjente konstruksjoner er den såkalte knekningsspenning dvs. den spenning som medfører at staven knekker, av elastisitetsmodulene, av stavens lengde og av stavens treghets moment. I noe mindre grad er kneknings spenningen avhengig av stålets flytespenning. Elastisitetsmodulen er den samme for alle typer stål. 2 100 000 Kp/cm². Det er et sterkt ønske innenfor stålindustrien å prøve å heve elastisitetsmodulen.

Treghetsmomentet og lengden er geometriske størrelser og har intet med materialet å gjøre. For korte staver spiller flytegrensen en viss rolle. Når det gjelder bæreevne er derfor høyfaste stål meget interessante når de får strekk. Det anvendes derfor høyfaste og høy-høyfaste stål til spenntau, ståltau, armering o.a. typiske strekkled. Ved trykk har de normalt relativ liten interesse. De anvendes en del ved bøyning. Høyfast stål kan med fordel brukes når slitasje er aktuelt. Dette på grunn av hardhet og slitasjemotstandsevne, og ikke på grunn av flytegrense.

Sprøbrudd

Sprøbrudd står for alle konstruktører med god grunn som noe fryktet. Plutselig, uten forvarsel, sier det bang! Og konstruksjonen ligger der sprukket, ubrukelig og i tillegg kanskje personer skadet.

De mest kjente sprøbrudd skjedde under krigen da et stort antall liberty skip (frakteskip som ble bygget under den andre verdenskrig) brakk og sank. De første, store sprøbrudd var belgiske broer. Forenklet kan sprøbrudd forklares slik:

• I alle konstruksjoner er det små sprekker. Når konstruksjonen har spenninger, vil bunnen av en sprekk (sprekkspissen) spenningene være ekstra høye, og sprekken vil gjerne utvide seg. Hvis materialet er seigt, er det arbeid som er nødvendig for å utvide sprekken så stort at sprekken ikke går videre. Er materialet derimot sprøtt, vil sprekken utvide seg. Sprøbrudd skjer helst ved lave temperaturer. Et materiale som er seigt ved f.eks. 100°C, kan være sprøtt ved -20°C. Sprøbrudd forhindres ved riktig materiale. Særlig finkornede stål har stor motstandsevne mot sprøbrudd.

Lamellering og Lemellar tearing

Lamellering og lemellar tearing vil begge føre til at stålplater sprekker hvis de får belastninger på plateplanet. Lamellering og lemellar tearing er ikke samme sak.

• Lamellering kan betraktes som en utstørnings- og valsefeil og skyldes normalt en såkalt suge-pipe fra kokillen. Under valsing binder ikke stålet ordentlig der suge-pipen er. Platen rives derfor opp hvis siden blir tverrbelastet ved suge-pipen.
• Lemellar tearing skyldes såkalte slagstriper. I en del av høyfaste plater med diverse legeringselementer danner det seg ofte slaggstriper eller slaggbånd. Platene får da en rekke lag hvor slaggbåndene danner tynne mellomsjik med lav fasthet. Ved tverrbelastning ryker da platen i slaggbåndet. Problemet er spesielt aktuelt i forbindelse med boreplattformer. I de store rørpunktene på tvers av plattformen plan.

Problemet unngås ved å holde svovelinnholdet svært lavt. Dette er ikke enkelt fordi svovel kommer inn som en del av koksen og malmen.

Konklusjon

Stål som konstruksjonsmateriale er meget allsidig. Det er sterkt og formbart. De gamle problemer med korrosjon kan i dag beherskes. Utviklingen mot stadig mer høy-fast stål vil fortsette, men naturgitte forhold som fasthets-uavhengig elastisitetsmodul begrenser den økonomiske anvendelse.

Innenfor produktområder hvor vekt og vedlikehold betyr mye, vil stål tape terreng i forhold til aluminium. Ved en del forbruksartikler vil stål tape terreng i forhold til plast. Og andre materialer vil også komme til som vil konkurrere med stål, men selv om så skjer - vil stålet alikevel i lang tid fremover fortsatt være vårt viktigste industrimateriale.

"Verksposten" er kilden til disse opplysninger.

Forbehold: Alt ovenfor av standarder, retningslinjer m.m. er gitt med basis av alminnelig kjente tekniske håndbøker, allmenn informasjon, og etter beste overbevisning og i god tro, og uten ansvar for mulige feil.
For utfyllende data, henvises det til de respektive standarder. De kan fås (kjøpes) hos www.standard.no