Stál er nafnið á efni þar sem frumefnið járn (Fe) er uppistaðan. Stál er unnið með
bræðslu járnríkra bergefna, og kolinnihald stáls er almennt lægra en 1,8 % þyngdar
(samkvæmt skilgreiningu aldrei hærra en 2%) en alltaf hærra heldur en 0,008 %.
Hugtakið járn á við um frumefnið Fe, en einnig efni þar sem frumefnið er uppistaðan;
yfirleitt sambönd með háu kolefnisinnihaldi, venjulega 2-4 % þyngdar, t.d. pottjárn.
Orðið járn verður hér notað um sambönd þar sem frumefnið Fe er uppistaðan, nema
þegar hugtakið stál á sérstaklega við.
Stál er langmikilvægasti málmurinn í byggingariðnaði og við flytjum inn stál frá
nokkrum mismunandi löndum.
Járn er um 4,5% jarðskorpunnar, en finnst aðeins í mjög litlum mæli sem hreint efni
(einungis í loftsteinum sem náð hafa til jarðar). Efnasambönd sem innihalda málm eru
margvísleg, en t.d. í Svíþjóð er stál nú eingöngu unnið úr samböndunum \(Fe_2O_3\) og \(Fe_3O_4\).
Málmgrýtið (e. iron ore) er malað og sett í háofna (e. blast furnace, s. masugn), um 30 m á hæð, ásamt slaggmyndandi
efni, oftast kalksteini (e. limestone), og koksi (kol sem hafa verið hituð þannig að rokgjörn efni eru
fjarlægð og eftir stendur létt efni með mjög hátt brunagildi. Umbreyting kola í koks, og
annarra hliðstæðra ferla, er á ensku nefnd pyrolysis). Ofninn er mataður ofanfrá en heitu
lofti blásið inn í hann neðanfrá undir miklum þrýstingi, súrefni binst kalki og rýkur upp
sem gas, slaggið sem myndast er nauðsynlegt sem efnahvati og flýtur ofan á járnbráðinni
og ver hana. Slaggi er tappað reglulega af ofninum, efnið er notað í sementsframleiðslu
(slaggsement) og spunnið í þræði fyrir einangrun. Járni er einnig tappað af reglulega, en
vinnslan í heild er í stöðugum gangi.
Teikningin sýnir háofn, hæð
um 30 metrar og hitastig á
mismunandi stöðum í
ofninum.
Ofnarnir eru fóðraðir og fóðringin bindur eitthvað af óæskilegum efnum, en járnbráðin
sem kemur úr ofninum er mjög rík á kolefni, mangan og kísil og hentar því ekki í
byggingarvörur (t.d. framleiðslu á bitum eða plötum).
Blandan er því hreinsuð (megnið af kolefninu, mangan og kísilsamböndunum ásamt
fosfór og brennisteinssamböndum er fjarlægt, brennt burtu) í sérstökum ofnum þar sem
lofti (í Kaldo-aðferðinni súrefni) er blásið í gegnum bráðina. Ofnarnir geta tekið 5 – 25
tonn í hvern blástur, sem stendur yfir í um 30 mínútur. Ofnarnir eru fóðraðir, áður
einungis með súrri fóðringu (kvarts) og nefndist aðferðin þá Bessemer. Með súrri
fóðringu næst að binda kolefni, kísil og mangan. Síðar var þróuð basísk fóðring, þar næst
að binda fleiri gerðir af óæskilegum efnum, þessi aðferð er nefnd eftir Thomas.
Venjulegt byggingarstál inniheldur auk járns, kolefni, kísil, mangan, fosfór og
brennistein.
Kolefni er langmikilvægasta hlutefnið.
Kolefni í járni er á þrennu formi; laust,
sementít (\(Fe_3C\)) eða sem grafít, megnið af
kolefni í stáli er bundið sem sementít.
Járn hefur nokkra mismunandi fasa og
leysni kols er mismunandi eftir þeim,
eiginleikar eru jafnframt mjög breytilegir
eftir kolefnisinnihaldi og því hvaða fasi er
ráðandi – sjá línurit.
Fasalínurit eru notuð til að sýna mögulegar samsetningar tveggja eða fleiri fasa, þau eru
undirstaða margskonar umræðu um m.a. stál.
Hér verður fyrst tekið dæmi af vatni og hafssalti (NaCl), sjá línurit (línuritin tvö og
dæmið tekið úr Burström, 2001)
Ath: “saltlake” = saltpækill þ.e. vatn + salt í upplausn
Línuritið sýnir fjóra fasa;
saltpækill
saltpækill með ískristöllum
saltpækill með saltkristöllum
salt og ískristallar
Dæmi
Blanda sem samanstendur af (þyngdarhlutföll); 10 % \(NaCl\) og 90 % vatn.
Hvaða fasar eru til staðar við \(-10^{\circ}C\)
Hve stórt er hlutfall ískristalla við \(-10^{\circ}C\)
Svar:
lárétt lína dregin við \(-10^{\circ}C\) og lóðrétt við 10 % \(NaCl\)—skurðpunktur í fasa “saltlake + iskristaller” (saltpækill með ískristöllum).
Notum jafnvægisregluna; \(n_1\) = hlutfall ískristalla, \(n_2\) hlutfall saltpækils; almennt gildir þá fyrir hlutföll eftir láréttu línunni;
Í byggingarstáli er kolefnisinnihaldið almennt lægra en 0,30% (verkfærastál hefur hærra
kolefnisinnihald), iðulega er öðrum málmum blandað í stálið; nickel, króm (e.
chromium), molybdenum og mangan en til samans er þessi íblöndun almennt undir 8%. Kolefni eykur styrk og hörku (e. strength and hardness),
það gerir stálið stökkara (e. brittle) og gerir það erfiðara að sjóða stálið.
Fasalínurit fyrir \(Fe-Fe_3C\) – sjá einnig næstu mynd
10.3.1. Fasar og eiginleikar – samantekt (byggt á Callister)
Ferrite (\(\alpha\) iron) BCC
General: May be made magnetic at \(\vartheta\) < 786 \(^{\circ}\textrm{C}\), \(\rho\) = 7.88 \(\textrm{g/cm}^3\)
Mech. Properties: Soft and ductile.
Austenite (\(\gamma\) iron) FCC
General: Non-magnetic, not stable at \(\vartheta\) < 727 \(^{\circ}\textrm{C}\)
Snöggkæling getur viðhaldið fösum í efninu sem myndu hvarfast burt ef kælingin gerðist hægar, t.d. austinite verður að martensite.
Efnabreytingin sem á sér stað við jafnstorkumarkið (e. eutectoid temperature) þegar austenít (\(\gamma\)) umbreytist í ferrit
(\(\alpha\)) og sementít (\(Fe_3C\)) er hæg og hitastigið getur verið komið niður fyrir jarfnstorkumarkið áður en öll breytingin er um garð gengin. Þegar þetta gerist þá er efnið ekki
stöðugt (ekki í jafnvægi, e. equilibrium). Slíku ferli er almennt lýst með svo kölluðu
TTT línuriti (e. time- temperature-transformation diagram), línuritið sýnir hvaða tíma
efnabreytingin krefst við stöðugt hitastig undir eutectoid hitanum og jafnframt hvaða
innri uppbyggingu stálið fær (pearlite, bainite, martinsite), háð hitastigi og tíma.
Uppbygging …
Bainite
aðeins í stálblöndum (e: alloy steels)
Pearlite
sjá línurit
Spheroidite
myndað með hitun á bainite eða pearlite upp í hita strax undir
eutectoid hitanum (og hitastiginu haldið stöðugu í nokkurn
tíma)
Martinsite
fengið með hraðri kælingu á austenite niður í fremur lágan hita
… og eiginleikar
Pearlite
með vaxandi hluta af cementide fæst harðara og stökkara efni.
Grófgert perlite er seigara heldur en fíngert perlite
Bainite
sterkara og harðara heldur en pearlite, eftirsóknarverð blanda
af styrk og seigju
Spheroidite
minni harka heldur en í pearlite, mikil brotorka
Martinsite
harðasta og sterkasta stálið, en jafnframt það stökkasta (það er
hægt að breyta þessu með hitun)
Í reynd er eiginleikum stálsins stýrt með því hvernig efnið er kælt niður (ekki með því að
halda hitastigi þess stöðugu sbr. TTT línuritið) – sjá línurit hér að neðan.
(Í reynd eru línuritin nátengd eins og sést á strikuðu línunum hér að neðan og samanburði
við TTT línuritið).
Y-ásinn nær niður í 0 \(^{\circ}\textrm{C}\), það vantar tölurnar 100 og 200 \(^{\circ}\textrm{C}\) !
Enska orðið “quenching” táknar að heitu stálinu er dýft í vökva; hraðasta kælingin fæst ef
vökvinn er vatn (e: water quenching) en oftar er þó notuð olía.
Stýra eiginleikum enn frekar með endurupphitun (lægri hiti en við glæðingu) og hægri kælingu (þó hraðar en við glæðingu)
Hefur áhrif á hörku og seigju.
Áhrif mismunandi hitaherslu á stál eru sýnd á línuriti (Burström, 2001). Sænska hugtakið
“anlöpt vid 400 \(^{\circ}\textrm{C}\)” táknar að stálið var hitað upp í 400 \(^{\circ}\textrm{C}\) áður en það var kælt.
Hitastig í upphituninni skiptir miklu máli fyrir endanlega eiginleika, lágt hitastig hefur
lítil áhrif. Hert stál er hægt að gera seigara með því að hita það upp í 400 \(^{\circ}\textrm{C}\) og svo
kælt niður á ný, þá er talað um seigherslu og er þetta nú algeng framleiðsluaðferð á
bendistáli.
Rafsuða er algeng samsetning á stáli, og óhjákvæmilega hitnar stálið, amk.
staðbundið við suðuna. Hitunin getur augljóslega haft neikvæð áhrif á efniseiginleikana,
og með hugtakinu “suðuhæft stál” er því átt við stál sem má sjóða án þess að gripið sé til
sérstakra ráðstafana.
S fremst þýðir byggingastál (e. structural steel)
Talan á eftir táknar flotspennuna, fy
Stafir fyrir aftan:
N : normalíseruð völsun
L : höggþolseiginleikar við -50°C
H : hol þversnið
Þegar stál er steypt inn í steypu þá eru í upphafi aðallega um efnafræðilega bindinga að
ræða, en þessir bindingar eru sjaldnast sterkar. Til að bæta tengingu stáls og steypu eru
stangirnar því “prófíleraðar”, t.d. valsaðir kambar í járnið. Því sterkara sem stálið er, því
þéttara er á milli kambanna.
Í Evrópu er nú samkomulag um eftirfarandi merkingar;
Síðan kemur oft lítið s, sem táknar flotmörk (eða 0,2 % mörkin) og þá kröfugildi fyrir
flotmörkin í MPa.
Stórt S á eftir flotspennugildinu táknar að stálið er suðuhæft (nánast allt bendistál sem er
heitvalsað er suðuhæft).
Kröfur til bendistáls er að finna í staðlinum ÍST 16, sem aftur vísar í Norska staðla (sem
byggja á FS ENV 10080:1995). Stál er flokkað í þrjá flokka eftir (mest)
seigjueiginleikum; A, B og C (staðallinn fjallar bara um B500 seríuna; B500A, B500B,
B500C), A hefur minnsta seigju og C mesta. Hérlendis er almennt miðað við að nota
alltaf stál í flokki C (sama verð, og óheppilegt að blanda saman mismunandi flokkum á
sama byggingarstað).
Stórt T aftarlega í heitinu táknar að stálið er seighert (sjá að framan).
Dæmi um stálflokka (Burström, 2001)
Aðgát
stálið heitir ekki Ps500/700, Burström notar sömu mynd fyrir tvo gæðaflokka, þ.e. Ps500 og Ps700.
Áður (og heyrist enn!) var slétt stál alltaf kallað St 37 (stál 37, flotspennan í kg/mm2
) í
kerfinu hér að ofan heitir slíkt stál þá væntanlega Ss370S.
P. G. Burström (2001) Byggnadsmaterial – uppbyggnad, tillverkning och egenskaper,
Studentlitteratur, Lund, Sverige
Pétur Sigurðsson, 1993, Smíðamálmar, Pétur Sigurðsson, Reykjavík
FS ENV 120080:1995 Steel for reinforcement of concrete weldable ribbed reinforcing steel B 500
– technical delivery conditions for bars, coils and welded fabric.
W.D. Callister,Jr (2003) Materials Science and Engineering – an introduction, Wiley
International edition, John Wiley & Sons, Inc
