stål, fællesbetegnelse for meget forskellige legeringer, hvori jern indgår som et væsentligt element. Langt det meste stål fremstilles ved smeltning, udstøbning og viderebehandling, men der fremstilles i dag også stål ved pulver- og sprøjtemetallurgiske metoder.
Betydningen af ordene stål og jern har varieret gennem tiderne og med den sammenhæng, ordene optræder i. Jern er det rene grundstof; det har ikke nogen særlig teknisk betydning. Jern er desuden en samlebetegnelse for produkter, hvor jern udgør 95% af legeringen eller mere. Undertiden mener man med jern støbejern, fx et kloakdæksel eller en kakkelovn fremstillet på et jernstøberi, undertiden mener man råjern, højovnens hovedprodukt. Før ca. 1860 var jern også det 99,8% rene jern, der markedsførtes som smedejern, svejsejern og puddeljern. Stål derimod var det samme jern, der var blevet opkullet til et kulstofindhold på 0,4-0,9%, hvorved det var blevet gjort hærdbart. Jern og stål indeholdt indtil omkring 1880 ingen andre legeringselementer end kulstof og fosfor.
Siden Bessemer-, Siemens-Martin- og Thomas-processerne tog fart sidst i 1800-t., er alle færdigvarer som profiler, plader, rør og tråd blevet kaldt stål. Det karakteristiske ved materialer fremstillet efter den tid er, at de er lavet ud fra tonstunge smelter, der ved 1600-1700 °C er blevet udstøbt i blokke eller blevet strengstøbt for derefter at blive valset eller smedet til diverse produkter. Sådant stål er homogent og slaggefattigt. Af hensyn til støbeligheden er der oftest tilsat 0,3-1% silicium og mangan samt lidt aluminium.
I denne moderne sammenhæng hentyder stål ikke til kulstofindholdet. Fx indeholder hovedparten af det stål, der fremstilles på Det Danske Stålvalseværk i Frederiksværk, kun 0,1-0,2% C (kulstof), og disse ståltyper kan ikke hærdes. De er til gengæld velegnede som konstruktionsstål, der skal samles ved svejsning (se også stålkonstruktioner). Svejsbare stål indeholder i regelen mindre end 0,25% C. I udlandet fremstilles der stål med lave kulstofindhold (< 0,05%) til specielle formål, fx karosseriplader, fortinnet blik og blomstertråd. Ligeledes fremstilles der rustfri stål med lave kulstofindhold, men med så store legeringstilsatser af chrom og nikkel, at jernandelen kan falde til 50%. Et stål beskrives ved sit legeringsindhold, sin renhed og sin struktur. Legeringsindholdet bestemmer ståltypen og er bestemmende for mange brugsegenskaber som svejselighed, hærdelighed samt korrosions- og varmebehandlingsegenskaber. Renheden, stålets kvalitet, er et udtryk for, hvor meget der er gjort for at fjerne uønskede legeringselementer og slaggeindeslutninger, og hvor snævre tolerancer der er for indholdet af de ønskede legeringselementer. Slaggeindeslutningerne har betydning for egenskaber som polerbarhed og udmattelsesstyrke. De snævre grænser for legeringsindhold giver mulighed for bedre optimering af ønskede brugsegenskaber, fx korrosionsbestandighed af rustfri stål, polerbarhed af stål til plastforme eller slidstyrke af værktøjsstål. Renheden betyder mere for stålets pris end legeringsindholdet. Stålets struktur er afgørende for stålets mekaniske egenskaber som flydespænding, hårdhed og deformationsevne samt i nogen grad for egenskaberne ved høje og lave anvendelsestemperaturer og er derfor af primær interesse. Konstruktionsstål vil normalt blive brugt med den struktur, de har fra stålværket, dog med lokale variationer, bl.a. ved svejsninger. Maskinstål og værktøjsstål vil normalt få strukturen ændret flere gange under emnefremstillingen, og det færdige produkt får ofte en nøje specificeret struktur ved kolddeformation, hærdning, sejhærdning eller anden varmebehandling, evt. suppleret med specielle overfladebehandlinger. Strukturen bedømmes ved udskæring af en lille prøve, hvoraf der fremstilles et metallografisk slib. Slibet undersøges og fotograferes ved 50-1000 gange forstørrelse i et mikroskop, og hårdheden måles som Brinell-, Rockwell- eller Vickers-hårdheden. Ligevægtsstrukturer Stål, som efter udstøbning og valsning køler af ved almindelig varmeudveksling med den omgivende luft, ender ved stuetemperatur i nogenlunde ligevægt, så strukturen kan bedømmes vha. jern-kulstof-diagrammet. Ved almindeligt forekommende tryk kan jern findes i to krystalformer, austenit, der er kubisk fladecentreret, og ferrit, der er kubisk rumcentreret. Da varmvalsning normalt gennemføres ved 900-1300 °C, viser diagrammet, at stålet under valsningen foreligger i austenitstruktur. Denne æltes og omkrystalliserer mange gange under valsningen. Ved afkølingen bliver den sidst dannede austenit ustabil og dekomponerer til ferrit og cementit. Hvordan slutstrukturen bliver, afgøres især af kulstofindholdet og afkølingshastigheden. Ved moderat afkølingshastighed bliver kulstoffattige stål med mindre end 0,02% C rent ferritiske og bløde. Eutektoide stål, dvs. stål med 0,76% C, dekomponerer til ferrit og cementit, der danner en lamellar struktur, som kaldes perlit. Undereutektoide stål, dvs. stål med mindre end 0,76% C, danner både ferrit og perlit; jo mere ferrit, jo længere man kommer fra det eutektoide punkt. Overeutektoide stål, stål med mere end 0,76% C (men mindre end 2,1%), danner både cementit og perlit, jo mindre cementit, jo nærmere man kommer det eutektoide punkt. Ferrit er blødt, omkring 100 HV (Vickers-hårdhed), mens cementit er meget hårdt, omkring 1000 HV. Ferrittens kornstørrelse er 10-100 μm, cementitlamellernes tykkelse 0,4-2 μm. Strukturelementernes blandingsforhold, form og dimensioner er afgørende for stålets mekaniske egenskaber. Hertil kommer, at man kan påvirke dem yderligere ved legering med nikkel og chrom eller med silicium og mangan ud over den ene procent, der normalt vil være til stede. Ca. 75% af verdens samlede stålproduktion er konstruktionsstål, dvs. undereutektoide stål med 0,10-0,25% C, også kaldet blødt stål (mild steel). Strukturen af blødt stål består af 65-85% ferrit og 15-35% perlit. Da der er en næsten lineær sammenhæng mellem hårdhed og trækstyrke, giver strukturundersøgelsen og hårdheden, som er nem at måle, et fingerpeg om stålets øvrige egenskaber. Dette gælder dog kun, så længe der er tale om homogene produkter. Men moderne stål er langt mere homogene end tidligere tiders friskede og pudlede stål. Uligevægtsstrukturer De vigtigste strukturer af denne art optræder i stål, der køler hurtigt ned fra austenitstrukturen. Ved den hurtige køling undertrykkes kulstofatomernes diffusion, så de ikke får lejlighed til at fordele sig mellem kulstoffri ferrit og kulstofrig cementit. I stedet fastlåses de, hvor de tilfældigvis befandt sig i austenitten, så denne på kompliceret måde omdannes til martensit eller til ekstremt finkornede blandinger af ferrit og perlit, den såkaldte bainit. Strukturer og hårdheder for en lang række almindelige ståltyper som funktion af afkølingsprocedure findes publiceret i CCT- og TTT-diagrammer. Martensittens struktur og hårdhed afhænger af kulstofindholdet. Stål får forøget hårdhed ved bratkøling, men bratkølingen introducerer desværre en vis skørhed. Dette medfører, at de hærdede stål normalt straks underkastes en anløbning. Derved mister de noget af hårdheden, men restspændinger fjernes, og skørheden mindskes tilstrækkeligt til, at stålet kan anvendes som værktøj, fjedre, kuglelejer m.m. Da martensitdannelsen kræver stor afkølingshastighed, kan man kun forvente, at overfladen bliver hård. Der er den også af størst betydning, idet det er på overfladen, sliddet sker. Martensitdannelsen sker under volumenudvidelse, hvorfor der opstår trykspændinger i overfladen, der kan medvirke til at øge emnets udmattelsesstyrke (se udmattelse). Vil man sikre sig, at et større emne bliver hærdet til kernen, må stålet legeres. Legeret stål Jern, der legeres, får ændrede kemiske, fysiske og mekaniske egenskaber. Selv små mængder kulstof ændrer på afgørende måde jernets struktur og hårdhed. Med mere end ca. 2,5% C får man støbejern. Små mængder bor, kvælstof, fosfor og vanadium øver også betydelig indflydelse. Fx har jern med 0,2-0,3% fosfor bedre korrosionsbestandighed end rent jern. Andre grundstoffer som nikkel, chrom og mangan må normalt tilsættes i noget større mængder for at skabe nye ståltyper. Der er mange gode grunde til at legere jern. Mens det simple jern-kulstof-stål kun lader sig gennemhærde i kniv- eller skruetrækkerstørrelse, kan større genstande gøres gennemhærdede ved legering med nogle få procent chrom, nikkel, vanadium og molybdæn. Hærdbarheden bedømmes vha. Jominy-prøven. Ulegeret jern og stål mister sejheden i kulde. Under den såkaldte omslagstemperatur (se slagsejhed) er stål ret skørt og tåler dårligt slagagtige påvirkninger. Ved legering med især nikkel opnås sejere stål. Af stål med 9% nikkel kan således konstrueres beholdere, der tåler −160 °C. Forbedret styrke ved forhøjet temperatur kan opnås ved fremstilling af finkornsstål eller lavt legerede konstruktionsstål, også kaldet HSLA-stål (high strength low alloy). Her benyttes en hel vifte af legeringsstoffer, mangan, chrom, nikkel, molybdæn, vanadium og niobium, der hver for sig kun indgår med nogle tiendedele procent. Det anslås (1998), at forbruget af niobium ligger på 100-900 g pr. ton stål, og at den årlige produktion af HSLA-stål er omkring 65 mio. t eller 8% af verdens totale stålproduktion. Stål, der skal anvendes ved endnu højere temperatur, i ildsteder, jetmotorer etc., er kraftigt legerede (se også superlegeringer). Ildbestandige stål ligner de rustfri stål og bygger på høje tilskud af chrom, nikkel og molybdæn. En vis forbedring af korrosionsegenskaberne opnås allerede ved nogle tiendedele procent legering med kobber, fosfor, chrom m.m., se cortenstål. Væsentlige forbedringer kræver mere end 12% chrom, hvorved man får den meget vigtige gruppe af rustfri stål (se nedenfor). Slidstyrke opnås i regelen ved at lade cementit indgå som en væsentlig bestanddel. Ved legering med chrom, molybdæn og wolfram dannes stærke og seje carbider, der også tåler en vis varmepåvirkning, i hurtigstål op til 500-600 °C. Slidstyrke i kæbeknusere og entreprenørmateriel kan opnås ved legering med 11-14% mangan (Hadfield-stål, se R.A. Hadfield). For at lette spåntagning af blødt stål tilsættes 0,15-0,3% svovl eller 0,1-0,6% bly, hvorved man får de såkaldte automatstål. Disse leveres i regelen i stangform, der egner sig til massefabrikation af små emner vha. automatiske bore- og fræsemaskiner. Udmattelsesstyrken kan forbedres ved legering med chrom og nikkel. Her er stålets slaggerenhed tillige en væsentlig faktor. Da man ved, at udmattelsesrevner ofte udgår fra mikroskopiske slaggepartikler, forsøger man ved smeltningen at nedbringe slaggeindholdet til et minimum. Da hovedparten af slaggerne flyder oven på stålsmelten, kan man opnå en forbedring ved at tømme diglen gennem et hul i bunden i stedet for at hælde den. Slaggefattige stål lader sig polere til en fin overfladefinish. Stål er som nævnt i princippet sammensat af tre stabile faser, ferrit, cementit og austenit, samt den metastabile martensit. Legeringselementerne fordeler sig mellem faserne. Helt ulegeret ren ferrit, som den kan træffes i frisket jern fra 1700-t., er blød, 70-75 HV. Ferrit legeres imidlertid let med fosfor, silicium og mangan, hvorved hårdheden stiger markant. Selv ulegerede, bløde kulstofstål indeholder omkring 0,3% silicium og 0,3% mangan, så hårdheden af moderne stål er sjældent mindre end 100-110 HV. Grundstoffer, som især samler sig i austenitten, er kulstof, nikkel og mangan. Ren austenit er ikke stabil ved stuetemperatur, men den kan blive det ved at øge nikkel- og manganindholdet. De almindelige austenitiske rustfri stål indeholder mindst 18% chrom og 8% nikkel. Ren cementit er Fe3C, men i legeret stål træffes tillige carbiderne Cr23C6, TiC, VC, W2C mfl. Fælles for carbiderne er deres store hårdhed, 1000-3000 HV, hvorfor de er nødvendige i værktøjsstål og slidstærke stål. Carbiderne bør foreligge som jævnt fordelte partikler med en størrelse af ca. 1 μm. Dette opnås lettest ved pulvermetallurgiske metoder, hvorimod støbning og smedning har tendens til at fremme en ujævn fordeling af store brokker og små partikler. Stålets legeringsmuligheder synes uudtømmelige, og nye legeringer og varemærker dukker stadig op. For overskuelighedens skyld opdeler man ofte stålene i ulegerede med mindre end 1%, lavt legerede med 1-5% og højt legerede med mere end 5% legeringselementer. I den sidste kategori findes alle rustfri stål og de fleste værktøjsstål. Generelt kan man sige, at jo højere legeret stålet er, des vanskeligere er det at svejse. Kilde: http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Kemi/Jern_og_st%C3%A5l/st%C3%A5l