Herding av stål

HIN Allmenn Maskin RA 26.04.04 

Side 1 av 12 

TM04: Tema i materiallære 

Fenomener ved fasetransformasjoner 

Anvendelse på herding av stål 

I forrige tema så vi på diffusjon og dens betydning for metallurgiske prosesser i 

aluminiumlegeringer og i karbonstål. I dette tema skal vi se nærmere på tidsaspektet og 

hvordan man kan forklare noen av egenskapene til stål-legeringer. 

Kimdanning 

Vi starter med å betrakte kimdanningsfenomenet. Kimdanning forekommer alltid når et stoff 

går over fra flytende til fast fase, eller går over fra en fast fase til en annen fast fase. Kimene 

er de første anlegg til den nye fasen. 

Temperaturen i et stoff arter seg ved at partiklene (atomene/molekylene) vibrerer. Noen raskt 

og andre langsomt, og det skifter hele tida. 

Ved en gitt temperatur er det alltid en viss sannsynlighet for at en mengde partikler har 

spesiell lav energi i et kort tidsrom. Hvis dette tilsvarer en temperatur nær størknepunktet 

(eller en annen faseomvandling), vil det kunne oppstå en liten klump av fast stoff. Dette kaller 

vi et kim. 

Vi tenker oss at kimene er kuler med 

radius r. For å danne et kim, må det 

dannes overflate. Dette krever 

energi. Den er proporsjonal med 

overflaten, som er proporsjonal med 

r 2 . Når det dannes et kim avgis det 

energi. Denne er proporsjonal med 

volumet som dannes, som er 

proporsjonalt med r 3 3 

3 

2 

r 

1 

. 

2 

r 3 

r 2 

r 3 

1 

0 

1 

0 0.5 1 1.5 

Det avgis altså energi som r 3 og 

brukes energi som r 2 . Netto avgitt 

energi blir avhengig av differansen 

2 3 

r − r . Vi plotter denne kurven, . 

0 r 

1.5 Vi ser at først når kimstørrelsen har 

Figur 1 Kritisk kimdanningsradius 

kommet over en viss verdi (på 

kurven : r = 1, av en eller annen 

enhet gange noen tall for kimfasong, 

energitetthet, smeltevarme etc.), vil systemet få netto lavere energi ved at det dannes kim. Det 

finnes derfor en kritisk kimstørrelse. Kim mindre enn denne vil ikke kunne dannes. Kritisk 

kimstørrelse avhenger naturligvis av hvilken type faseomvandling og hvilke stoffer som er 

involvert.



Temperatur 

høyere lavere 

2 5 3 

4 

1 

6 

5 3 5 5 

2 5 

3 4 

4 5 

6 3 

2 

2 

6 

4 4 

3 8 1 

3 3 

2 

2 

2 2 

3 4 

2 2 

4 2 

3 5 

3 

3 

4 

3 1 

5 5 

4 

4 1 6 

Kritisk kimradius 

Figur 2 Temperaturfordelinger og kimdanning 

Det må være stor nok stoffmengde med lav nok 

temperatur før kim kan dannes. 

I statistisk termodynamikk beskriver man hvordan partiklenes energi fordeler seg tilfeldig. 

Figur 2 skal illustrere høy og lav temperatur i en samling partikler. Tallene (1-8) er et uttrykk 

for energien til hver enkelt partikkel i øyeblikket. Vi antar at når tallet blir 2 eller lavere, kan 

faseomvandlingen finne sted. Ved lavere temperatur er det større sannsynlighet for at et 

område blir stort nok til å overskride kritisk kimdanningsradius, r, et kort øyeblikk slik at 

kimet dannes. 

Resonnementet forteller oss at det må en viss underkjøling til før det kan dannes et kim. Det 

kan beregnes at denne underkjølingen må være ganske stor (50 – 100 °C) før kimdanning kan 

finne sted midt i en stoffmengde. Når dette skjer, kalles det homogen kimdanning. 

Kimdanning skjer mye lettere ved en diskontinuitet. Dette kan være en fri overflate 

(overflaten av en smelte eller en gassboble), et annet materiale (veggen i en støpeform, andre 

partikler) eller allerede dannede korn av stoffet selv. Dette kalles heterogen kimdanning. 

Mange har opplevd at en brusboks har frosset i samme øyeblikk som man åpner den i sterk 

kulde. Årsaken er at væsken er underkjølt, men ikke så mye at det blir homogen kimdanning 

eller at det blir kimdanning på den innvendige overflaten. Derimot blir det kimdanning på 

boblene som dannes idet boksen åpnes. 

Ved størkning av metaller skjer kimdanningen først på formveggen. Rekrystallisering og 

transformasjoner i fast fase kimdannes først på opprinnelige korngrensehjørner, men også på 

opprinnelige korngrenser. 

Rask nedkjøling gir større underkjøling før alt har nådd å størkne (eller generelt skifte fase). 

Jo større underkjøling, jo flere steder kan det bli kimdanning. 

• Rask nedkjøling gir finkornet struktur, langsom nedkjøling gir grovkornet struktur. 

Ved fasetransformasjoner i fast fase, er korngrensene gunstige for kimdanning. I hjørner der 

flere korn møtes er det spesielt gunstig. Det betyr at hvert korn gir opphav til flere nye korn, 

og at fasetransformasjon i fast fase fører til en mer finkornet struktur.



Når temperaturen er høy, er diffusjonen kraftig. Det betyr også at stoff kan vandre fra et korn 

og over til nabokornet. En overflate representerer energi, og jo større et korn er, jo mer masse 

er det pr. korn. Volumet er avhengig av kornstørrelsen i 3. potens, mens overflaten kun er 

avhengig av kornstørrelsen i andre potens. En grov struktur er derfor energimessig det 

gunstigste, og en finkornet struktur vil forgroves ved høy temperatur. 

Et viktig eksempel på kornstørrelseendring er normalisering av stål. Ved normalisering 

varmes stålet til like over A3 temperaturen. Ved faseovergangen fra ferritt-perlitt til austenitt 

vil det bli flere austenittkorn enn det var ferrittkorn. Stålet holdes nå, typisk i 20 min for 

homogenisering. Det er viktig at temperaturen ikke er høyere enn nødvendig for å holde 

kornveksten så lav som mulig. Deretter kjøles stålet igjen. Ved faseovergangen fra austenitt 

tilbake til ferritt-perlitt, vil strukturen bli kraftig forfinet. Avkjølingen må ikke skje så fort at 

det dannes bainitt eller andre strukturformer som følger av ufullstendig diffusjon (se 

kompendium "Diffusjon"), men heller ikke så langsomt at det blir ferrittkornvekst (nær 700 

°C). 

Faseomvandlingens kinetikk 

Det må underkjøling til før det kan bli kimdanning av en ny fase. Jo større underkjølingen er, 

jo flere kim dannes det og jo raskere skjer transformasjonen. Men når temperaturen synker, 

synker også diffusjonen, og det forsinker transformasjonen. Det kan vises at det for alle 

transformasjoner er et maksimum i transformasjonshastigheten ved en bestemt temperatur. 

Blir temperaturen lavere, blir det ikke raskere kimdanning, da diffusjonen er for lav. Kommer 

vi over denne temperaturen, hjelper det ikke med raskere diffusjon, for det dannes for få kim. 

Dette kan plottes i TTT-diagrammer (tid-temperatur-transformasjon), som prinsipielt blir som 

vist under: 

T 

Tf 

T1 

β 

c 

a 

β 

b 

d 

Figur 3 Et prinsipielt TTT-diagram 

Anta at et stoff går fra en β-fase til en α-fase når temperaturen synker under 

faseomvandlingstemperaturen Tf. 

α 

log t



Dersom temperaturen holdes over faseomvandlingstemperaturen, vil det ikke skje noe, uansett 

hvor lang tid det går. Hvis temperaturen senkes til temperaturen T1, vil det gå en viss tid, så 

møter kjøleforløpet den venstre kurven i punkt a. Da starter transformasjonen. Etter en tid 

passerer kjøleforløpet den høyre kurven i punkt b, og transformasjonen er fullført, alt stoffet 

er omdannet β → α . 

Av kurvene ser vi at ved en bestemt temperatur, skjer transformasjonen raskest, jfr. 

resonnementet over. 

I praksis bruker vi to typer TTT-diagrammer. Den ene typen er et IT-diagram, dvs. isotermtransformasjon 

diagrammet. Vi tar da en meget liten stoffmengde i varm tilstand og kjøler den 

hurtig ned til den ønskede temperaturen. Så følger vi med og etter en viss tid registrerer vi 

begynnende transformasjon, og merker av et punkt på den første linja (1% transformasjon). 

Etter en tid ser vi at transformasjonen blir fullført, og vi merker av et punkt på den andre linja 

(99% transformasjon). Når dette gjøres for mange temperaturer, kan vi til slutt tegne ITdiagrammet. 

På denne måten kan vi sette av punktene a og b i diagrammet. Punktene a og b 

ligger på en horisontal linje. 

Figur 4 IT-diagram for eutektoid stål /1/ 

Den andre typen er CT-diagrammet, eller continous transformation diagrammet. Da lar vi en 

stoffmengde kjøles av med en bestemt avkjølingshastighet (°C pr sek.). Vi gjør de samme 

observasjoner, men punktene vil ligge på en krum linje, punkt c og d. Det er mye mer 

tidkrevende å lage et CT-diagram, men de er til gjengjeld mer anvendbare i praksis, da man 

ved avkjølinger etter varmebehandlinger alltid må regne med gradvis nedkjøling. Man kan



ikke plutselig senke temperaturen, slik man gjør med et lite prøvestykke i laboratoriet når man 

lager IT-kurver. 

Et IT-diagram og et CT-diagram vil selvsagt ikke se like ut, da transformasjonen kommer på 

forskjellige tider pga. forskjellige diffusjonsforhold. Hovedtrekkene er dog de samme, med en 

linje for transformasjonstemperaturen og linjer som viser transformasjonen etter en viss tid, 

avhengig av temperaturen. CT-kurver må ha inntegnet krumme linjer som viser forskjellige 

avkjølingshastigheter. 

TTT-diagrammer kan brukes f.eks. til å vise transformasjoner av stål eller av 

aluminiumlegeringer som gir utfellinger. 

TTT-diagrammer og seigherding av stål. 

Vi skal se på IT-diagrammer for eutektoid stål (0,8% C), Figur 4, og for undereutektoid stål 

(< 0,8% C). 

For eutektoid stål, blir IT-diagrammet omtrent som omtalt over. Vi kan føye til at 

transformasjoner ved temperaturer over 500 °C gir perlitt og transformasjoner under denne 

temperaturen gir bainitt. Men det kommer et viktig tillegg. Ved temperatur under 280°C vil 

austenitten gå over til martensitt, uavhengig av tida. Martensittdannelsen skjer øyeblikkelig, 

linja går derfor helt til venstre, til tid = 0. Ved temperatur M start (ca 200 °C) er det 1% 

martensitt. Dette betegnes med en linje (martensite start). Ved 110 °C er martensittdannelsen 

fullstendig, betegnet ved linja Mf (martensite finish). Se Figur 4. 

Vi har lært at vi må få martensitt, for å kunne seigherde stål. Det betyr at vi må kjøle så raskt 

at vi unngår perlitt-nesa. Den martensitten som er dannet, er transformert, og vil ikke bli til 

perlitt (eller bainitt). Evt. restaustenitt vil kun transformere etter svært lang tid (100-1000 

timer eller mer). 

A1 

A3 

0,4 

0,8 

% C 

γ 

γ 

γ 

martensitt 

ferritt + γ 

ferritt + perlitt 

bainitt 

Mstart 

Mfinish 

log(tid) 

Figur 5. IT diagram for undereutektoid stål (0,4% C). Fasediagrammet er skissert til 

venstre



Ved oppvarming til anløping, går martensitten over til austenitt igjen, som da transformerer til 

perlitt-sammensetning, dvs. ferritt med karbid-patikler (anløpt martensitt, som ikke er det 

samme som lammelær perlitt, selv om den kjemiske sammensetningen er den samme). 

IT-diagrammet for undereutektoid stål har følgende viktige forskjeller, se Figur 5: 

Det blir en egen linje for proeutektoid ferritt. Denne kommer før perlitt-linja. Ms og Mf linjene 

befinner seg ved høyere temperatur. Se pilene på Figur 5. 

Perlittnesen ligger lenger til venstre, dvs. vi har ennå kortere tid til bråkjøling dersom vi skal 

ha martensitt. 

T 

γ 

γ 

bainitt 

ferritt perlitt 

log t 

Figur 6. Prinsipielt IT-diagram for legert stål 

(Mo + Cr) 

Figur 7 Jominy-prøving /2/ 

De diagrammene vi har betraktet så langt 

gjelder for rent jern/karbon. I stål er det også 

andre elementer til stede. Det er da særlig de 

metalliske legeringstilsatser som Mn og evt. 

andre som gir virkning. Alle 

legeringselementer gir imidlertid en 

forskyving av perlittnesen mot høyre. Det 

skyldes at diffusjonen går langsommere jo 

mer legeringselement som er tilsatt. 

Dersom det stålet er tilsatt krom eller 

molybden, viser det seg at det oppstår en 

egen bainitt nese (Figur 6). Det blir da mulig 

å kjøle slik at alt forvandles til bainitt. Med 

den rette sammensetningen kan man oppnå 

et svært godt stål med bainittisk struktur 

(bainittisk stål). 

Når perlitt- og bainittnesene ligger langt mot høyre, er det 

mulig å seigherde også kraftige dimensjoner, som det jo er 

umulig å bråkjøle. Slike stål kalles seigherdingsstål 

(grovere aksler, verktøy eller spesielle rørkomponenter). 

Vanlig karbonstål kan kun seigherdes i meget tynne deler 

(kniver, barberblad, evt. overflateherding så som 

induksjonsherding). 

For å måle herdbarheten til et stål kan man bruke en såkalt 

Jominy-prøve. Se figuren. En prøvestykke formet som en 

bolt austenittiseres og homogeniseres. Så sprøytes det 

vann under høyt trykk på enden av bolten, slit at overflaten 

blir bråkjølt. Videre opp langs bolten har vi da hatt 

avtagende avkjølingshastigheter. Ved forskning har man 

funnet disse avkjølingshastighetene, se Figur 8. 

Deretter måles hardheten langs siden av bolten. Et stål med god herdbarhet vil da vise høy 

hardhet langt fra spissen, mens et stål med liten herdbarhet kun er hardt på enden av bolten. 

Figur 10 viser et eksempel på hardhetsmålinger på en jominy-stav.



Man kan ut fra stålets varmeledningsevne beregne hvor hurtig forskjellige dimensjoner av 

rundstål kan avkjøles. Ved hjelp av en Jominyprøve av det aktuelle stål, kan man da beregne 

hvor dypt man kan få gjennomherding. 

Nå viser det seg at det er mer praktisk å anvende Dqe – målet (distance from quenched end – 

avstand fra bråkjølt ende) enn å bruke avkjølingshastigheten. Se Figur 8. 

Figur 8 Sammenhengen mellom avkjølingshastighet 

og Dqe /2/. 

Alle karbon- og lavlegerte 

stål har samme 

varmeledningsevne. Man kan 

derfor bruke de samme 

verdier for sammenhengen 

mellom avkjølingshastighet 

og avstand under overflaten 

på rundstål. Se Figur 9. 

Ut fra jominy-prøver av 

forskjellige stål, kan man nå 

beregne herdevirkningen. 

Eksempel 

Hvor tykke aksler av stålene AISI 1040 og AISI 4140 kan man gjennomherde (HRC > 50) i 

vann? 

Løsning: På Figur 11 ser vi at HRC > 50 oppnås opp til Dqe = 3 mm. På Figur 9 (a) ser vi 

av C- (center) kurven at dette kun kan oppnås i rundstål opp til 10 mmØ i 

omrørt vann (agitated water). 

De samme avlesningene gir Dqe = 18 mm for AISI 4140, tilsvarende rundstål opp til 60 mmØ. 

Eksempel: Hvilken overflatehardhet kan oppnås for et rundstål 60 mmØ, av AISI 1060 

ved herding i omrørt olje? 

Løsning: Figur 9, S-kurven (surface) gir Dqe = 10 mm. Avlesning på Figur 11 for Dqe = 

10 mm gir HRC = 33. 

På Figur 11 er det også vist analysene for de nevnte AISI-stålene. Nummeret 10xx betyr at vi 

har et ulegert karbonstål med 0,xx % karbon. Et 4yxx-stål er legert med Cr og har 0,xx % 

karbon.



Figur 9. Avkjølingshastigheter for rundstål /2/. 

Figur 10 Eksempel på hardhetsmålinger i en jominy-stav /2/. 

Eksempel: Hvilken overflatehardhet kan oppnås for et rundstål 60 mmØ, av AISI 1060 

ved herding i omrørt olje? 

Løsning: Figur 9, S-kurven (surface) gir Dqe = 10 mm. Avlesning på Figur 11 for Dqe = 

10 mm gir HRC = 33.



På Figur 11 er det også vist analysene for de nevnte AISI-stålene. Nummeret 10xx betyr at vi 

har et ulegert karbonstål med 0,xx % karbon. Et 4yxx-stål er legert med Cr og har 0,xx % 

karbon. 

Figur 11. Resultatet av jominy-prøver for noen amerikanske stål /2/. 

1000-serie stålene har lav herdbarhet, mens 4000-stålene har god herdbarhet (dyptherdende). 

Eksempel: Hvorfor kan AISI 1060 under gunstige betingelser herdes til høyere hardhet 

enn AISI 4140? 

Svar: Fordi AISI 1060 inneholder 0,6 % C, mens AISI 4140 kun inneholder 0,40 % 

C. Karboninnholdet påvirker hardheten i martensitten (når og hvis den dannes).



Eksempel: 

Hvor stor godstykkelse kan ved akselerert avkjøling i olje omvandles til bainitt i stålet som 

vises i Figur 12? 

Svar: 

Ved avkjøling på 0,33 °C vil det akkurat ikke dannes ferritt, dvs. alt blir til bainitt. Figur 8 

viser at 0,33 °C tilsvarer Dqe >> 50 mm. Figur 9 viser at Dqe = 25 kan oppnås i senteret (Ckurven) 

av 75 mmØ rundstål. Vi kan altså oppnå bainitt i meget grove dimensjoner i det 

nevnte stålet. Eller sagt på en annen måte, det vil neppe være nødvendig å bruke olje. Vi kan 

bruke luft, eller frivillig avkjøling. 

Strukturen i legerte stål. 

Figur 12. CT-diagram for et seigherdingsstål 

0,42% C, 0,78% Mn, 1,79% Ni, 0,8% Cr og 0,33% Mo /3/. 

Eksempel: 

Hvilken avkjølingshastighet må vi ha ved normaliseringa av stålet i Figur 12? 

Av de gjennomgåtte 

eksempler forstår vi at 

strukturen i legerte stål 

vil avhenge av 

varmebehandlingsmetod 

en. 

I tillegg påvirker 

legereringselementene 

det eutektoide punktet, 

se Figur 13. 

Eksempel: 

Hva er A1 temperaturen 

for stålet i Figur 12? 

Løsning: 

Det er litt Cr og Mo i 

stålet. Figur 13 viser at 

Cr og Mo trekker den 

eutektoide temperaturen 

kraftig opp. Det er noe 

mer av Ni og Mn til 

sammen. Disse 

elementene trekker den 

eutektoide temperaturen 

litt ned. Vurdering: A1 

temperaturen er ikke 

vesentlig endret. 

Løsning: Figur 12 viser at vi må kjøle meget langsomt, 0,0062 °C for å få ferritt/perlitt.



Eksempel: 

Hvor stor andel perlitt er det i stålet i Figur 12? 

Løsning: Fra Figur 13 gjør vi følgende grovregning: Mo senker den eutektoide 

konsentrasjonen med 0,15% (fra 0,8 til 0,65). Mn senker den med 0,05 % mens 

Cr og Ni gir ubetydelige senkninger. 

Den eutektoide konsentrasjonen er da 8,8 - (0,15 + 0,05) = 0,6 % C. Stålet har 0,42% C. Det 

0, 

42 

vil da være ca ⋅ 100 = 70% 

perlitt. 

0, 

6 

Høylegerte stål. Rustfrie stål 

Det første "rustfrie stålet" ble oppdaget under arbeidet med å utvikle seige stål. Det ble 

oppdaget ved en tilfeldighet at stål med høye innhold av Cr ikke rustet, men holdt seg blankt. 

Ved et Cr-innhold over ca 13% oppstår det et tett oksidsjikt på overflaten (en passivhinne). 

Tilsetting av Ni øker korrosjonsmotstanden samtidig som stålet da får andre gunstige 

egenskaper. De rustfrie stålene er sveisbare med unntak av de tradisjonelle martensittiske (13- 

Cr). Rustfrie stål for de mest korrosjonsutsatte anvendelser er tilsatt molybden. 

Strukturforholdene bestemmes av legeringsinnholdet. Elementene Cr, Mo og C fremmer 

ferrittstrukturen mens bla. Ni og N fremmer austenittstrukturen. 

Et stål som inneholder 12% Cr og 8 % Ni samt lite (< 0,1%) C, vil kun meget vanskelig 

kimdanne ferritt. Ved lavere temperaturer er diffusjonen helt ubetydelig. Et slikt stål kan 

derfor eksistere i lang tid (i praksis ”evig”) i ulikevekt, dvs. uten at austenitten transformerer 

til ferritt. 

Slike stål kalles austenittiske rustfrie stål. Typiske eksempler er 12% Cr 8% Ni (12-8 stål, 

"304-stål"). Et annet eksempel er det samme stålet tilsatt 2% Mo. Det har ennå bedre 

korrosjonsmotstand ("316-stål", ofte omtalt som ”syrefast”). Det finnes også stål med 6% Mo. 

De er meget korrosjonsfaste. Det er tilsatt noe N for å oppnå austenittisk struktur. 

Austenittiske stål er duktile og meget egnet til plastisk bearbeiding. De arbeidsherder kraftig, 

og det utnyttes for å oppnå høy fasthet. Austenittiske stål er umagnetiske 1 . 

Austenittiske rustfrie stål tåler ikke kloridholdig vann sammen med høye strekkspenninger og 

høy temperatur (> 60°C). Til trykkbeholdere for varmt vann brukes ferrittisk rustfritt stål. 

(Eks. 16,5% Cr og 0,08% C, "430-stål"). 

Ved raskere avkjøling og et visst innhold av karbon fås martensittiske rustfrie stål. De brukes 

til kniver og verktøy og høyfaste komponenter. (13% Cr, 0,3% C). De er dog ikke av de aller 

mest korrosjonsfaste stålene. Disse stålene er ikke sveisbare, men i de senere årene er det 

utviklet og tatt i bruk sveisbare13-Cr stål med martensittisk struktur og karboninnhold på 

0,08% /4/. 

1 evt. meget svakt magnetiske så som 304-typene, da det er meget små mengder ferritt tilstede. 316-typene er 

absolutt umagnetiske.



Det er også laget stål som har to strukturer, både austenittisk og ferrittisk ("duplex"). Dette 

oppnås ved å avpasse legeringsinnholdet til avkjølingshastighetene. 

Ferrittiske, martensittiske og duplekse stål er magnetiske. 

Referanser 

Figur 13. Endringen av det eutektoide punkt som følge av 

legeringselementer /3/. 

1 Gustafsson, B.A.: Materialteknikk. NKI forlaget 1987 

2 Van Vlack, L.H.: Elements of Materials Science and Engineering, Addison-Wesley, 1984. 

3 Almar-Næss, A.: Metalliske materialer. Tapir Forlag 1989. 

4 Van der Winden, H. et al.: Past, present and future of weldable supermartensitic alloys. Stainless Steel World, 

www.stainless-steel-world.net.

Herding av stål

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?