Fagartikkel

Perlitt

Atomstrukturen i stål kan ha mange ulike faser og strukturer. En av disse strukturfasene kalles perlitt.

Bilde som viser ulike atomstrukturer med varierende størrelse og farge. Foto. — Perlittisk struktur i stål forstørret 500 ganger. Bilde: Melancholia~itwiki / CC BY-SA 4.0

Hva er perlitt?

Perlitt er en struktur av stål og andre legeringer, og den består av lag av ferritt og sementitt. Den er dannet ved langsom avkjøling av stål fra austenittens omvandlingstemperatur og utmerker seg ved de fine lamellene av ferritt og sementitt.

Perlitt har en balanse mellom styrke og seighet og er derfor egnet for bruksområder som krever mekaniske egenskaper som styrke og deformasjonsmotstand. Den dannes vanligvis gjennom perlittisk omvandling og spiller en viktig rolle i materialteknikk, spesielt i produksjon av konstruksjonsmaterialer og komponenter der både styrke og duktilitet (tøyelighet) er viktig.

Ulike typer perlittstål
Ståltype	Egenskaper
Konstruksjonsstål	Disse stålene inneholder vanligvis opptil 0,25 % karbon og har en blanding av ferritt og opptil 30 % perlitt. Disse ståltypene brukes i bygninger og broer på grunn av styrken og seigheten.
Jernbaneskinner	Laget av stål med 0,7 % karbon og 1 % mangan som gir dem en høy strekkfasthet på 800 MPa. Perlitt gir skinnegangene den nødvendige styrken og holdbarheten.
Pianotråd	Denne tråden er laget av stål med veldig tynn perlittisk struktur, noe som gjør den veldig sterk. Den brukes i musikkinstrumenter, fjærer, ståltau og sykkeleiker. For eksempel har tråd for heiswire en strekkfasthet på 1400 MPa, og tråd for kutting av solcelleskiver er så tynn som 40 mikrometer.

Støpejern kan også ha en mikrostruktur av enten ferritt eller perlitt. Perlittisk støpejern er sterkere enn ferrittisk støpejern. Noen spesielle typer støpejern, kalt hvite støpejern, inneholder alltid perlitt med mindre de er høylegerte.

Struktur

Perlitt er en mikrostruktur som består av vekslende lag av to faser: ferritt (jern med veldig lite karbon) og sementitt (jernkarbid, Fe₃C). Denne lamellære strukturen gir perlitt unike mekaniske egenskaper.

Perlittstruktur

Ferritt (α-fase)

Krystallstruktur: kroppssentrert kubisk (BCC)

Karboninnhold: svært lavt, typisk mindre enn 0,02 % karbon

Egenskaper: Ferritt er myk og duktil (tøyelig), noe som betyr at den kan deformeres uten å brekke.

Sementitt (Fe₃C)

Kubisk struktur der ingen av aksene har lik lengde. Illustrasjon. — I en ortorombisk struktur har ingen av sidene lik lengde, men er koplet til hverandre i rette vinkler. Bilde: Daniel Mayer / CC BY-SA 4.0

Krystallstruktur: ortorombisk

Karboninnhold: høy, 6,67 % karbon (i forhold til vekt)

Egenskaper: Sementitt er hard og sprø og bidrar til perlittens styrke.

Lamellær struktur

Dannelsesmåte: Ved langsom nedkjøling av austenitt med 0,76 % karbon ved den eutektoide temperaturen (727 °C) transformeres austenitt til vekslende lag av ferritt og sementitt.

Utseende

Når vi ser på perlitt under et mikroskop, ser den ut som tynne, parallelle striper eller skiver. Disse stripene er vekslende lag av ferritt og sementitt.

Hvordan dannes perlitt?

Perlitt dannes når stål avkjøles sakte fra høy temperatur. Når stålet er varmt, er det i en fase som kalles austenitt. Når temperaturen synker til rundt 727 °C, omdannes austenitten til perlitt. For at dette skal skje, må stålet inneholde omtrent 0,76 prosent karbon.

Dannelsen av perlitt

1. Oppvarming til austenittområdet

Først må stålet varmes opp til en høy temperatur for å få mikrostrukturen til å bli austenitt. Dette skjer vanligvis mellom 800 og 1000 °C, avhengig av stålsammensetninga. Ved denne temperaturen har jernet en FCC (Face-Centered Cubic) krystallstruktur, og karbonatomene er jevnt fordelt i jernmatrisen.

2. Langsom nedkjøling

Deretter avkjøles stålet sakte. Når temperaturen synker til rundt 727 °C, skjer det ei eutektoid omvandling. Dette er en kjemisk reaksjon hvor en fase (austenitt) transformeres til to forskjellige faser (ferritt og sementitt) samtidig.

3. Eutektoid omvandling

Ved 727 °C og med 0,76 vektprosent karbon skjer den eutektoide omvandlinga. Austenitt omdannes til ei blanding av ferritt og sementitt gjennom følgende reaksjon:

austenitt(γ)→ferritt(α)+sementitt(Fe₃C)

En eutektoid omvandling er en type faseovergang i metallurgi hvor en enkelt fast fase (som austenitt) omdannes til to forskjellige faste faser (som ferritt og sementitt) ved en bestemt temperatur og sammensetning. Dette skjer uten at materialet går gjennom en flytende fase.

4. Dannelsen av lamellær struktur

Denne omvandlinga skjer på en måte som resulterer i en lamellær struktur, hvor tynne skiver av ferritt og sementitt ligger vekselvis. Denne strukturen kalles perlitt. Ferritt er relativt myk og duktil, mens sementitt er hard og sprø. Kombinasjonen av disse to gir perlitt dens karakteristiske egenskaper.

5. Kontroll av kjølehastighet

For å sikre dannelsen av perlitt må nedkjølinga være langsom nok til at karbonatomene kan diffundere (bevege seg) til bestemte steder og danne sementittfasen. Hvis nedkjølinga er for rask, vil ikke karbonatomene ha tid til å bevege seg, og dette kan resultere i dannelse av andre mikrostrukturer som bainitt eller martensitt.

Fordeler

Perlitt har en balanse mellom styrke og seighet, og den er mer duktil enn martensitt. Dette gjør den egnet for bruksområder der styrke og seighet er viktige.

Ulemper

Perlitt har ikke like høy hardhet som martensitt, så den kan være mindre egnet for bruksområder der hardhet er avgjørende.

Kilde

Solberg, J. K. (2023, 11. januar). Perlitt (metallurgi). I Store norske leksikon. https://snl.no/perlitt_-_metallurgi