0.0 Kristaller

All materia är uppbyggd av atomer. Atomen kan ses som en ”tung” kärna omgiven av en ellerflera elektroner, som snurrar runt kärnan, ungefär som planeterna går runt solen.

Kärnan är uppbyggd av partiklar, kallade protoner och neutroner. Antalet protoner bestämmer kärnans elektriska laddning och därmed också vilket grundämne atomen tillhör och vilket atomnummer den har. Summan av antalet protoner och neutroner anger den ungefärliga atomvikten.

Atomerna kan bindas till varandra på olika sätt, vilket påverkar egenskaperna hos materialet. Exempel på olika bindningstyper visar metaller, keramer och plaster. Här ska vi endast tala om metaller och av dessa bara om järn.

Utmärkande för metaller är att atomerna är ordnade på ett regelbundet sätt. För järn är detta system kubiskt, det vill säga i enhetscellen sitter en järnatom i varje hörn av den tänkta kuben. Men det finns två varianter, den ena kallas rymdcentrerad, det vill säga mitt i enhetscellen finns ytterligare en järnatom. Den andra varianten kallas ytcentrerad och i det fallet finns en extra järnatom mitt på varje sida av enhetscellen.

Rent järn med temperatur under 911°C har den rymdcentrerade strukturen. Den ytcentrerade varianten har järn inom temperaturområdet 911°C –1395°C.

Enhetscellerna bygger upp ett gitter av atomer, ungefär som ett enormt Legospel. Denna mängd av atomer, som är ordnad på ett regelbundet sätt enligt enhetscellen, kallas en kristall. Järnkristallerna är så stora att man kan se dem i vanliga mikroskop. Rent järn är uppbyggt av ett stort antal kristaller, som inbördes är helt lika varandra med undantag av att kristallgittren har olika riktningar, ungefär som iskristaller på en fönsterruta.

Kristallkornens storlek och form är viktig för egenskaperna. Ju mindre kornen är desto starkare och segare blir stålet.

Kristallgittrets regelbundna rader av atomer kan ha olika störningar och fel. Några exempel visas i Figur 2. Dessa störningar och fel höjer stålets hållfasthet och är därför i många fall önskvärda.

• en atom saknas någonstans
• en främmande mindre atom har tagit en plats
• en främmande större atom har tagit en plats

Linjefel, kallas också dislokationer och kan beskrivas som ett atomplan som upphör. Dislokationer uppstår framförallt vid kallbearbetning och förklarar den hållfasthetshöjning som då uppstår, se vidare i avsnitt 1.3.

Korngränsfel: Kristallgittren är störda och oregelbundna vid kontakten med andra kristallkorn. Detta illustreras i figuren, där fyra olika korn möts. Ju mindre korn, desto fler korngränser och desto segare stål.

Fasta lösningar
Alla vet att vätskor ofta kan lösa andra ämnen, till exempel socker i vatten. Man talar då om lösningar. Men även i fast form kan man tala om lösningar, till exempel när främmande atomer kan få plats i ett kristallgitter utan att detta ändrar sin struktur. Här kommer ett par exempel:

Vid utbyteslösning intar de främmande atomerna lägen i gittret, som annars skulle vara besatta av basatomerna. Ett exempel på detta är krom (Cr) i järn och detta är möjligt eftersom atomerna är nästan lika stora. Även två av exemplen på punktfel, Figur 2, representerar utbyteslösningar.

Vid mellanrumslösning lyckas små atomer, till exempel kol (C), kväve (N) eller väte (H) att få plats mellan basatomerna. Det är lättare att hitta platser i järnets ytcentrerade gitter än i det rymdcentrerade, som ju gäller vid rumstemperaturen. Det betyder till exempel att stål som upphettas över omvandlingstemperaturen plötsligt kan lösa mer kol.

• vid högre temperatur
• vid större skillnad i koncentration av det diffunderande ämnet.