Stål består främst av grundämnet järn (Fe). I smält eller flytande tillstånd, vid temperaturer över 1 500 grader, rör sig järnatomerna fritt. När den flytande metallen svalnar rör sig atomerna allt långsammare. De börjar samlas i regelbundna formationer och bildar kristaller.

Dessa kristaller börjar på flera platser i smältan och växer därefter tills de möter andra kristaller som växer åt olika håll. Det resulterande fasta stålet har en polykristallin struktur. Platserna där kristallerna möts kallas för korngränser. Dessa korn är mycket små och endast synliga i mikroskop.

Två kristallformer

En viktig egenskap hos järn är att det förekommer i två kristallformer beroende på hur atomerna är arrangerade – kubiskt ytcentrerat (Face Centered Cubic, FCC), som kallas för austenit samt kubiskt rymdcentrerat (Body Centered Cubic, BCC), som kallas för ferrit. Vid höga temperaturer förekommer järn som austenit. När det svalnar under en kritisk temperatur omvandlas det till ferrit.

Kol ger hållfasthet

rnkristallernas omvandling från austenit till ferrit spelar en avgörande roll då vi tillsätter kolatomer för att skapa hållfast stål. I austenit finns vid höga temperaturer gott om plats för kolatomer i utrymmet mellan järnatomerna, men efter kylning och omvandling till ferrit är utrymmet mellan järnatomerna mindre. Vid härdning av varmt stål, det vill säga då stålet kyls snabbt, fångas kolatomerna i ferritstrukturen. Då skapas en deformerad kristallstruktur som kallas martensit. Martensit har en mycket hög hårdhet och är orsaken till att man kan tillverka så starkt stål.

Varför dislokationer är viktiga

På atomnivå har ingen kristall en perfekt struktur. I stället förekommer extra halvplan av atomer som ger upphov till dislokationer. De skapar linjefel i kristallstrukturen. När stålet utsätts för krafter kan dislokationerna enkelt röra sig i atomstrukturen, vilket leder till plastisk deformation.

Att förhindra dislokationsrörelser

Plastisk deformation gör stålet mångsidigt och användbart, men för att skapa mer hållfast stål måste vi hindra dislokationsrörelser. Det kan göras på flera sätt:

  • Genom att minska stålets kornstorlek eftersom korngränser är en effektiv barriär för dislokationsrörelser. Mindre korn innebär fler barriärer.
  • Genom att tillsätta kol i fast lösning för att skapa interna spänningar för att hindra dislokationsrörelser. Man kan tänka på det som intern friktion i stålet.
  • Genom att använda andra legeringsämnen för att bilda små utskiljda partiklar i stålet som kan stoppa dislokationer. Dessa partiklar kan vara karbider eller intermetalliska föreningar.

Det är så här stålet blir hållfast – genom noggrann kontroll över ett flertal kritiska faktorer, bland annat kylning, mikrostruktur och kemisk sammansättning.