Ovako varmistaa teräksensä lujuuden hallitsemalla tarkasti kolmea avaintekijää:

  • teräksen jäähdytys sulasta tilastaan
  • teräksen mikrorakenne
  • kemiallinen koostumus – sekä hiilen että muiden seosaineiden pitoisuus.

Teräs koostuu pääasiassa raudasta (Fe). Sulassa eli nestemäisessä tilassa, yli 1 500 °C:n lämpötiloissa, rauta-atomit pääsevät liikkumaan vapaasti. Nestemäisen metallin jäähtyessä rauta-atomien liike hidastuu. Ne alkavat pakkaantua tiiviimmin yhteen muodostaen säännöllisiä kidehiloja.

Kiteiden muodostus alkaa eri paikoissa sulaa terästä, ja kiteet kasvavat kunnes ne kohtaavat toisia, eri suuntaan kasvavia kiteitä. Tuloksena syntyvällä kiinteällä teräksellä on monikiteinen rakenne. Alueita, joissa kiteet kohtaavat, kutsutaan raerajoiksi. Yksittäiset rakeet ovat erittäin pieniä, ja niitä voidaan yleensä tarkastella vain mikroskoopilla.

Kaksi kidemuotoa

Raudan erittäin tärkeä piirre on sen kaksi eri kidemuotoa, jotka riippuvat siitä, miten atomit ovat järjestäytyneet. Pintakeskistä kuutiollista kiderakennetta kutsutaan austeniitiksi ja tilakeskistä ferriitiksi. Korkeissa lämpötiloissa rauta on austeniittisessa muodossa. Jäähtyessään kriittisen lämpötilan alapuolelle rauta muuttuu ferriittiseksi.

Hiili antaa lujuutta

Rautakiteiden muutoksella austeniitin ja ferriitin välillä on tärkeä rooli, kun rautaan lisätään hiiliatomeja teräksen lujuuden lisäämiseksi. Korkeissa lämpötiloissa austeniitti sallii hiiliatomien sijoittua helposti joihinkin rauta-atomien välisiin tiloihin, mutta kun teräs on jäähtynyt ja muuttunut ferriitiksi, rauta-atomien väliset tilat ovat pienemmät. Kun kuuma teräs karkaistaan eli jäähdytetään erittäin nopeasti, hiiliatomit jäävät puristuksiin ferriittirakenteeseen. Tällöin syntyy omanlainen kiderakenne, joka tunnetaan nimellä martensiitti. Martensiitti on erittäin kovaa, ja sen ansiosta teräksestä voidaan tehdä niin lujaa.

Miksi dislokaatiot ovat tärkeitä

Atomitasolla yhdenkään kiteen rakenne ei ole täydellinen, vaan kidehiloihin syntyy ylimääräisiä atomitason puolikkaita, eli dislokaatioita. Ne ovat kiderakenteen viivamaisia virheitä. Kun teräkseen kohdistuu rasitusta, dislokaatiot pystyvät liukumaan helposti atomirakenteessa. Ilmiötä kutsutaan plastiseksi muodonmuutokseksi.

 

Dislokaatioiden liikkeen rajoittaminen

Plastisen muodonmuutoksen ansiosta teräs on monikäyttöistä. Mutta erittäin lujan teräksen valmistaminen edellyttää dislokaatioiden liikkeen rajoittamista. Siihen on useita keinoja:

  • Pienentämällä teräksen raekokoa. Raerajat ehkäisevät tehokkaasti dislokaatioiden liikettä, joten mitä pienempi raekoko on, sitä enemmän on esteitä liikkeelle.
  • Liuottamalla metallihilaan hiiltä sisäisten, dislokaatioiden liikettä vastustavien jännitysten luomiseksi. Kyseessä on tavallaan teräksen sisäisestä kitkasta.
  • Käyttämällä seosaineita muodostamaan teräkseen pieniä erkaantuneita partikkeleita, jotka lukitsevat dislokaatiot paikoilleen. Nämä partikkelit voivat olla karbideja tai metallien välisiä yhdisteitä.

Lujan teräksen valmistaminen edellyttää siis useiden kriittisten tekijöiden, kuten jäähdytyksen, mikrorakenteen ja kemiallisen koostumuksen, tarkkaa hallintaa.