David Brennhaugen

David tar en doktorgrad ved Institutt for materialteknologi. Tema for doktorgradsarbeidet er magnetiske og magneto-optiske egenskaper i jernbaserte metalliske glass.

Ansattprofil med kontaktinformasjon

Hva skjer med jern når det smis?
        
26
  26. mai, 2016
        


Oppvarming, nedkjøling, hardhendt behandling: Ulike måter å behandle et materiale på gjør at dets egenskaper forandres. Hvorfor det? Vi ser på smiing av jern som eksempel.

Smiekunsten er den eldste kjente teknikken for å bearbeide jern. Det finnes tegn på jernproduksjon i Europa fra så mye som 3500 år siden. Enda lengre tilbake kunne man finne naturlig metallisk jern i form av meteoritter, som også ble brukt til produksjon av svært sjeldne og verdifulle våpen og redskaper.

I vesten hadde man ikke teknologien til å smelte og støpe jern før på 1600-tallet. Smiing, som ikke krever like høy temperatur, var derfor den eneste måten å utnytte metallet på i flere tusen år. Dette er altså en prosess med svært lange tradisjoner. Men hva er det egentlig som foregår når vi smir?

Foto: Per Henning / NTNU

Foto: Per Henning / NTNU

 

Atomene bestemmer
For å forstå hva som skjer, må vi først se på hvordan jern er satt sammen – atom for atom. Et atom består av en atomkjerne – protoner og nøytroner – og elektroner som spinner i bane rundt kjernen.

For å danne faste stoffer, må store mengder atomer binde seg sammen og holdes på plass. Det som binder dem er fordelingen av elektroner mellom dem. I et salt vil par av ulike atomer henholdsvis avgi og oppta elektroner, og dermed blir de veldig tett knyttet sammen.

I et metall derimot, vil alle atomene gå sammen og bidra til en felles sky av elektroner som kan bevege seg fritt mellom atomene. Dette gjør at metaller blir smidige og formbare, fordi atomene ikke er avhengige av å være knyttet til noen fast partner, og kan flyttes rundt på. Til sammenligning er salter sprø, fordi atomene er avhengige av å beholde sine faste plasser.

Struktur
Selv om metallatomer kan flyttes rundt på, vil de likevel legge seg i et regelmessig mønster – en krystallstruktur. Dette gjør at atomene, som tiltrekkes av hverandre på grunn av elektrondelingen, kan pakkes tettest mulig sammen. En slik krystall, kalt et korn, kan strekke seg over alt fra bare noen nanometer til flere centimeter. Vanlige metallgjenstander kan altså være satt sammen av tusenvis av korn.

Fordi denne krystallstrukturen er så gunstig vil atomene gjerne beholde den, til og med hvis de skyves og flyttes på. Dermed skjer forming av et metall vanligvis ved at atomer sklir fra én plass til den neste i krystallen, og så videre. Hvis nok atomer gjør dette samtidig, kan de til sammen endre form på et stort stykke metall. I en krystall er det noen retninger der det er lettere å flytte atomer enn andre, fordi atomene ligger tettere og mer symmetrisk. Slike retninger kalles slippsystem.

Tegning av krystallstruktur med markerte eksempler på plan der atomene har lett for å bevege seg.

Tegning av krystallstruktur med markerte eksempler på plan der atomene har lett for å bevege seg.

Tvinger atomene til å bevege seg
Det kreves energi for å bevege atomer i et slippsystem, og det er nettopp det vi tilfører når vi varmer opp metallet. Slippsystemene er termisk aktiverte, som vil si at de blir tilgjengelige ved ulike temperaturer. Ved å varme opp metallet, aktiverer vi dermed flere og flere slippsystemer samtidig som de blir lettere å bruke, og formbarheten øker. Ved høy nok temperatur er det mulig å bruke en hammer til enkelt å forme metallet slik vi ønsker.

Når vi hamrer på et jernstykke, og tvinger atomene til å bevege seg i slippsystemet, er det alltid noen atomer som blir presset ut av den riktige plassen sin. Dette gir feil i krystallstrukturen kalt dislokasjoner. Det dannes blere dislokasjoner jo mer man bearbeider emnet. Dannes det nok dislokasjoner, blir metallet veldig hardt fordi de låser hverandre fast og hindrer bevegelse i slippsystemet. Dermed fører smiing faktisk til at jernet blir hardere og tåler mer, noe som gjør det til en veldig attraktiv prosess for krevende produkter – for eksempel en kniv som må holde seg skarp lenge.

Ønskede egenskaper
En annen måte å gjøre jern sterkere på er å legge til legeringselementer. Da blander man andre stoffer sammen med jernet for å oppnå akkurat den egenskapen man ønsker seg. Viktigst er tilsetningen av karbon, som kan styre om metallet er hardt men sprøtt – egnet for en knivegg – eller seigt og slitesterkt – som i et hammerhode. Temperaturen på jernet avgjør også hvordan karbonet fordeler seg i metallet.

Når det er varmt legger karbonatomene seg jevnt mellom jernatomene, mens de ved romtemperatur samler seg i små kolonier i kornstrukturen. Ved å bråkjøle fra høy temperatur kan vi tvinge karbonet til å fortsatt være finfordelt i jernet, og vi får et svært hardt materiale. Det er dette vi gjør når vi dypper glødende jern i vann for å kjøle den. Vil vi senere gjøre gjenstanden seigere slik at den ikke sprekker under bruk, kan vi varme den i kortere perioder på lavere temperatur til vi finner akkurat den balansen vi ønsker oss.

Mikroskopbilde av strukturen i jern. De lyse kornene er rent jern, mens de mørke har høyt karboninnhold.

Mikroskopbilde av strukturen i jern. De lyse kornene er rent jern, mens de mørke har høyt karboninnhold.


Samme prinsipper som for mange tusen år siden

Siden den industrielle revolusjon har måten vi smir på endret seg dramatisk. Fra å være et håndtverk der en smed lagde enkeltgjenstander for hånd, har smiekunsten utviklet seg til en masseproduksjon.

I dag brukes det maskinhammere og presser som kan lage alt fra et øksehode til en turbinaksling for dampturbiner. Samtidig anvendes store ruller og valser, som er i stand til å forme mange meter stålplater i sekundet. Prinsippene om legering, varming, forming og kjøling er likevel fortsatt de samme.

 

Innlegget er skrevet av David Eide Brennhaugen og Trygve Schanche