1. No category

Teräs – metalli
Teräs on raudan ja hiilen seos,
jonka hiilipi­toisuus on pienem­
pi kuin 2 %. Tätä suurem­man
hiilipitoisuuden omaavat seok­
set luoki­tellaan valuraudoiksi.
Teräkset sisältävät ta­vallisesti
myös seosaineita, jotka vaikutta­
vat teräksen ominaisuuksiin
joko suoraan tai muuttamalla
teräksen mikrorakennetta.
Kuva 1.1
Metallin kidehila.
Teräksen kiteinen rakenne
Metalli jähmettyy sulasta tilasta ki‑
teiseen muotoon. Kiteinen rakenne
muodostuu säännönmukaisista ato‑
miryhmitelmistä, jot­ka muodostavat
kidehilan (kuva 1.1). Ato­mien väliset
voimat metallikiteessä sallivat kide‑
hilan atomitasojen liukua toisiinsa
näh­den kiderakenteen rikkoutumatta.
Tähän perustuu metallien hyvä muo‑
kattavuus.
Raudalla on kaksi eri kidemuotoa,
pintakes­kinen ja tilakeskinen kuu‑
tiohila. Pintakes­kisessä hilassa rau‑
ta‑atomit sijoittuvat kuu­tion kulmien
lisäksi kuution sivutahkojen keskipis‑
teisiin, tilakeskisessä hilassa kuu­tion
keskelle (kuva 1.2). Pintakeskistä
ra­kennetta kutsutaan austeniitiksi ja
tilakes­kistä ferriitiksi.
Pintakeskinen kuutiollinen kidejärjestelmä.
Kuva 1.2 Tilakeskinen kuutiollinen kidejärjestelmä
4
Teräksen mikrorakenne
Jähmettymisessä syntyvä kideraken‑
ne ei ulotu yhtenäisenä teräskappa‑
leen läpi, vaan kiderakenne jakautuu
pienempiin osiin, joi­ta erottaa toisis‑
taan epäjärjestynyt vyöhy­ke, raeraja.
Raerajat jakavat kiderakenteen yk‑
sityisiin rakeisiin. Rakeiden koko ja
muoto vaikuttavat suuresti teräksen
ominaisuuksiin (kuva 1.3).
Hiili ja seosaineet voivat olla teräk‑
sessä jo­ko liuenneina rauta‑atomien
muodostamaan kidehilaan tai kemial‑
lisina yhdisteinä, jolloin ne muodosta‑
vat erillisiä kiteitä tai sulkeumia rakei‑
den sisään. Tällaisia hiilen ja jonkin
me­tallin muodostamia yhdisteitä kut‑
sutaan yh­teisellä nimellä karbideiksi.
Tyypillisin kar­bidi on raudan ja hiilen
muodostama semen­tiitti (Fe3C).
Seosaineet voidaan jakaa kah­teen
ryhmään, karbideja muodostaviin ja
sel­laisiin, jotka eivät muodosta karbi‑
deja. Tär­keimmät ensiksi mainittuun
ryhmään kuulu­vista seosaineista ovat
kromi, molybdeeni, vanadiini ja wolfra‑
mi. Mangaani, nikkeli, pii, alumiini ja
kupari ovat tärkeimmät jälkimmäi­seen
ryhmään kuuluvista seosaineista.
Karbidien lisäksi teräksessä esiintyy
monia muita kemiallisia yhdisteitä
erilaisina sulkeu­mina ja erkaumina.
Tällaisia ovat oksidit, sul­fidit, silikaa‑
tit ja nitridit ja niiden yhdistelmät.
Kuva 1.3 Teräksen hiottua pintaa
mik­roskoopilla katsottuna, ns. pintahiettä, joka voidaan syövyttää niin,
että raerajat korostuvat.
Kuonasulkeumat
Oksideja, sulfideja ja silikaatteja kutsu‑
taan yhteisellä nimellä kuonasulkeumik‑
si. Yleen­sä ne ovat haitallisia teräksen
ominaisuuk­sia ajatellen. Erityisen haital‑
lisia ovat suu­ret oksidisulkeumat, joilla
on väsymislujuutta heikentävä vaikutus
(kuva 1.5). Kuumavals­sauksessa lit‑
teiksi nauhoiksi muovautuvat sulfidit
puolestaan heikentävät valssaustuot­
teiden poikittais‑ ja paksuussuuntaista
sit­keyttä.
Epämetalliset sulkeumat teräksessä
eivät välttämättä aina ole haitallisia.
Lastuavaa työstöä kuten sorvausta,
porausta ja jyrsin­tää on voitu tehostaa
muuntamalla teräksen valmistusvai‑
heessa sulkeumat edulliseen muotoon.
Tällöin ne ovat ikään kuin voiteluainetta
kovan teräksen ja terän välissä.
Teräksessä olevat rikki ja fosfori ovat
yleensä haitallisia epäpuhtauksia, joiden
pitoisuudet pyritään pitämään mahdol‑
lisimman pieninä. Rikki muodostaa
teräksessä rautasulfidia (FeS), mikä
aiheuttaa kuumahaurautta. Mangaani
sitoo rikin vähemmän haitallisek­si
mangaanisulfidiksi (MnS).
200 µm
Kuva 1.4 Pitkiksi venyneitä
sulfidisulkeumia teräksessä.
100 µm
Kuva 1.5 Oksidisulkeumia.
Kuva 1.6 Oksidisulkeumia tutkitaan elektronimikroskoopilla.
5
Hiili
teräksessä
Hiilellä on teräksen seosaineena eri‑
koisasema. Suuremman hiilipitoisuuden
omaavien terästen vetolujuus on kor‑
keampi, mutta sitkeys heikompi (kuva
1.8). Jos A3-lämpötilan (750...920 °C),
ks. kuva 1.14, yläpuolelle kuumennettu
teräs jäähdytetään nopeasti, se karke‑
nee eli mikrorakenne muuttuu kovaksi
martensiitiksi (kuva 1.7). Martensiitti
on sitä kovempaa, mitä suurempi on
teräksen hiilipitoisuus. Karkaistava
teräs sisältää usein kromia, nikkeliä,
wolframia, molybdeenia, vanadiinia
ja booria, jotka parantavat teräksen
karkenevuutta. Ks.Terästen lämpökä‑
sittelyt, s. 60.
Kuva 1.9 Austeniittia.
Kuva 1.10 Ferriittiä, joka on lähes
hiiletöntä rautaa.
Kuva 1.7 Martensiittia.
Kuva 1.11 Täysin perliittinen rakenne,
hiiltä 0,8%.
Vetomurtolujuus
Kuva 1.12 Perliittis-ferriittinen rakenne,
hiiltä 0,5 %.
0,4
0,8
1,2
%C
Sitkeys
Hiilipitoisuus
Kuva 1.8 Teräksen vetolujuuden ja sitkeyden
riippuvuus hiilipitoisuudesta.
6
Kuva 1.13 Raerajasementiittiä perliittisessä rakenteessa.
Rauta-hiilitasapainopiirros
Rauta‑hiili‑tasapainopiirroksesta (kuva
1.14) voidaan päätellä, millaiseksi
teräksen mikrorakenne muodostuu eri
hiilipitoisuuksilla ja eri lämpötiloissa.
Vaikka tasapainopiirros on laadittu
puhtaille rauta‑hiili-seoksille, pitää se
hyvin paikkansa vielä 5…6 % seosai‑
nepitoisuuksiin saakka.
Alhaisilla hiilipitoisuuksilla rauta on
huoneenlämpötilassa aina ferriitin
muodossa (kuva 1.10). Ferriitti on
pehmeää, sitkeää ja muovautuvaa. Kun
hiilipitoisuus ylittää 0,05 % C, alkaa
rakenteessa esiintyä ferriitin rinnalla
ferriitistä ja sementiitistä (Fe3C) muo‑
dostuva rakenneosa, jota kutsutaan
perliitiksi (kuva 1.12). Perliitillä on
hyvä vetolujuus, mutta se ei ole yhtä
muovautuvaa kuin ferriitti.
Austeniitin hajautuessa syntyy alle 0,8
% hiilipitoisuuksilla ferriittis‑perliittinen
mikrorakenne, jossa perliitin osuus
lisääntyy hiilipitoisuuden kasvaessa.
Hiilipitoisuuden ollessa 0,8 % C, on
mikrorakenne kokonaan perliittistä
(kuva 1.11). Hiilipitoisuuden ollessa
yli 0,8 %, sementiittiä esiintyy paitsi
perliittisessä perusrakenteessa myös
raerajoilla raerajasementiittinä (kuva
1.13). Raerajasementiitti on kovaa ja
erittäin haurasta. Tällaisessa tilassa
teräs on haurasta ja se on lämpökäsi‑
teltävä ennen käyttöä.
Kun puhdasta rautaa kuumennetaan
yli 911 ºC:n, kidemuoto muuttuu aus‑
teniitiksi (kuva 1.9). Toisin kuin fer‑
riitti voi austeniitti liuottaa itseensä
huomattavan määrän hiiltä. Samalla
austeniitin pysyvyysalue siirtyy alempiin
lämpötiloihin päin.
Kuva 1.14 Rauta-hiilitasapainopiirros, (osa).
Lämpötila °C
1200
100
Acm
800
A3
A1
600
400
Hiilipitoisuus %
1
2
3
4
5
7
Terästen luokitus ja
standardisointi
Tavallisesti teräkset luokitellaan
käyttötar­koituksen mukaan. Tällaisia
luokkia ovat mm. yleiset rakenneteräk‑
set, koneenraken­nusteräkset, työkalu‑
teräkset ja ruostumat­tomat teräkset.
Useimmat teräslajit on standardisoitu,
eli niiden koostumuksesta ja tuoteomi‑
naisuuksista on laadittu ja vahvistettu
standardi. Tällöin teräksen valmistaja ja
käyttäjä tietävät aina, mistä teräksestä
ja minkälaisista ominaisuuk­sista on
kysymys, kun tiettyyn terässtandar­diin
viitataan.
Standardeja on alunperin laadittu
kansallisel­ta pohjalta, esimerkik‑
si suomalaiset SFS‑ ja saksalaiset
DIN‑standardit.
Kansalliset standardit on kor vattu
1990-luvulta lähtien eurooppalaisilla
EN-standardeilla. Ne laatii Euroopan
standardisointijärjestö CEN, jonka jäse‑
niä ovat kaikki EU-maat sekä muutamia
muita maita, mm. Norja.
Ominaisuuksien säätely
Teräkseen voidaan saada erilaisia
erityiso­minaisuuksia lisäämällä siihen
seosaineita. Sopivilla seostuksilla
voidaan vaikuttaa niuk­kaseosteisten
terästen sitkeyteen, lujuu­teen, kuumalu‑
juuteen, työstettävyyteen ja myös mui‑
hin käyttöominaisuuksiin. Seostuksen
lisäksi teräksen ominaisuuksiin voidaan
•
•
•
•
•
vaikuttaa erilaisilla käsittelyillä. Täl­laisia
ovat mm.:
sulan teräksen käsittely ennen valua
kuumavalssaus
lämpökäsittely
kylmämuokkaus
pintakäsittelyt
Kuva 1.15 Induktiokarkaisussa kuumennetaan teräskappaleen pinta
muutaman millimetrin syvyydeltä ja karkaistaan välittömästi vesisuihkuilla.
8