Sterkt som stål

Materialteknolog Ida Westermann slutter ikke å la seg fascinere av store stålkonstruksjoner, særlig ikke de slanke og lette. - Ser jeg noe slikt, kan jeg enten tenke «oi, dette er veldig bra materiale», eller «det kommer ikke til å holde».

Ida Westermann er instituttleder og professor ved Institutt for Materialteknologi ved NTNU (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet) i Trondheim. Hun forsker på hvordan metallers struktur og egenskaper påvirkes av prosessering, særlig i stål og aluminium.

- Stål er jern med karbon. Det er karbonet som gir styrken til jern og gjør det til stål, men det er egentlig ganske små mengder karbon som skal til. For konstruksjonsstål gjerne under 0,2 prosent.

Menneskene begynte å forstå hvordan vi kunne lage og bruke stål allerede for over 5000 år siden, i India og Kina. Ett av de eldste arkeologiske funnene vi har, er en jernplate fra Kheopspyramiden datert til omtrent 2500 år f.Kr. Historisk var det å fjerne karbon fra jernet den største utfordringen.

Oksygen fjernes ved å redusere jernmalmen, enten med eller uten smelting. Ved smelting med koks vil karboninnholdet være mellom to og fire prosent. Hvis du ikke smelter, og lager noe som heter jernsvamp, kan du komme ned i et karboninnhold på 0,1 til 0,7 prosent.

- Foruten jern, hva annet påvirker materialegenskapene?

- For det første er det viktig å fjerne uønskede elementer som svovel, fosfor og oksygen. Det kan gjøre stålet sprøtt eller svekke styrken. Deretter tilsettes legeringselementer for å oppnå ønskede egenskaper, som styrke, seighet, duktilitet eller motstand mot korrosjon og utmatting.

- Hvor god kunnskap har vi egentlig om egenskapene og hva som påvirker?

- Vi har opparbeidet oss kunnskap om dette gjennom hundrevis av år, og noe gammelt stål er fremdeles i bruk. Samtidig er det stadig utvikling, og det er stor forskjell på egenskapene til stål som ble produsert for eksempel på 1960-tallet og det stålet som framstilles i dag. Det gjelder både renhet og hvordan man bruker formingsmetodene for å oppnå bedre egenskaper.

- Du har jobbet med materialteknologi i mange år. Hvor startet interessen?

- Jeg vokste opp i Tønder i Danmark, en liten by ved den tyske grensen. Der har også Hydro en aluminiumsfabrikk. Da jeg gikk på videregående skole, ble jeg med i et prosjekt, hvor jeg som del av fysikkundervisningen fikk være med på laboratoriet og i produksjonen til Hydro. Jeg fant ut at dette området var kjempespennende; egenskapene til materialene og hva som påvirker dem. Dette er egentlig ganske oversett og lite formidlet i samfunnet, men det påvirker alt vi holder på med.

Jeg pleier å si at som materialteknolog er jeg egentlig en tolk, med ren kjemi og fysikk på den ene siden og brukere av materialer, som maskin og konstruksjonsteknikk på den andre siden. Vi sitter midt i, med kunnskap om fremstilling og formingsmetoder, og hvorfor materialene oppfører seg som de gjør.

- Du tok etter hvert doktorgrad i aluminium. Er det store forskjeller på aluminium og stål?

- Selv om aluminium er ganske komplekst, er det faktisk litt simplere enn stål. Stål er kjempespennende, fordi vi har ulike typer faseomvandlinger som skjer når vi går opp og ned i temperatur. Både magnetisme og struktur endres ved gitte temperaturer. Det betyr også at dersom vi kjenner både oppvarming og avkjøling - hele forløpet - så kan vi utnytte dette til å få de beste egenskapene ut av materialet.

Renhet har også stor betydning. Hvis du har urenheter som svovel eller fosfor til stede, kan det ødelegge egenskapene. Du vil kunne få noen veldig sprø eller myke partikler i stålet, som da vil bli punkt hvor du lettere får utmatting eller at materialet blir sprøtt.

- Hva forsker dere mest på?

- Her på instituttet legger vi stor vekt på ferromangan og ferrosilisium. Det er produkter som brukes i stålindustrien rundt omkring i hele verden. Selv om Norge ikke har noen stor produksjon av konstruksjonsstål, er vi en viktig leverandør av legeringselementer som brukes i stålproduksjon internasjonalt. Det er faktisk blant Norges største eksportindustrier. Mye av det vi forsker på akkurat nå, dreier seg om å få ned CO2-avtrykket fra disse prosessene. Vi forsker blant annet på å bruke hydrogen eller plasma som reduksjonsmiddel – til erstatning for vanlig reduksjon med koks, som frigjør karbon. 

- Hvis du hadde hatt ubegrensede ressurser og full frihet, hva slags eksperiment eller forskningsprosjekter ville du sette i gang da?

- Da handler det om å se det store bildet. Det forskes nå mye på framstilling, altså innenfor prosessdelen av metallurgi. Mitt forskningsområde er mer på bruk av stål. Og det er viktig å se koblinger. For eksempel, hvis vi nå begynner å bruke hydrogen som reduksjonsmiddel, er det sikkert mange som også vil tenke at faren for hydrogenssprøhet øker. Hvis jeg hadde hatt midler til rådighet, ville jeg kanskje sett litt på framtidens materialer, altså hvordan vi kan optimalisere og gjøre stålet enda bedre. Mer robust, mer holdbart.  Kanskje er det mulig å kjemisk endre egenskapene? Ofte er det slik at om du endrer litt ett sted, så kan du få negative konsekvenser et annet sted. Du fikser ikke et problem, du bare flytter det.

- Hva skjer med stålkonstruksjoner når de står i havet i tiår etter tiår?

- Spesielt to ting skjer. Det ene er korrosjon. Der finnes det ganske gode metoder for overvåking, blant annet ved offeranoder. Det andre som skjer, og som er mer skummelt og vanskeligere å overvåke, er knyttet til utmatting. Det er krefter i sving her, som bevegelser og bølger, som i seg selv ikke så farlige, men over tid kan dette føre til utmatting. Dette forskes det også veldig mye på, spesielt innenfor konstruksjonsteknologi og marine konstruksjoner. Du må ha kontroll på utmattingen. Men igjen er noe av det viktigste at man har gode og rene stålmaterialer. At man har kontroll på sveis og så videre. Og tar de rette valgene ved design og bygging.

- Kan vi ta med oss kunnskapen om stål – og erfaringene fra petroleumsvirksomheten - inn i nye næringer, for eksempel havvind?

- Havvind er ett av de mest spennende områdene nå. Skal vi klare å produsere så mye vindenergi som det legges opp til i 2035, slik politikerne ønsker, må vi få opp farten - spesielt på produksjonssiden. Det er mange spennende utfordringer, langt ut over materialteknologi. Det handler også om sveisemetoder, logistikk, omstilling og så videre. Kort sagt helhetlig utnyttelse av all den kunnskapen og erfaringen vi har innenfor olje og gass.

- Som metallurg, når du går forbi en stor stålbru eller fundament for en plattform, hva ser du da?

- Aller mest synes jeg det er utrolig fascinerende. Og det tror jeg også folk flest synes. Jeg tror de fleste skjønner at dette er ganske komplekst å få til. Som fagperson ser jeg kanskje litt mer på utfordringer knyttet til sveising og sånn, og legger merke til hvis noe er ekstraordinært. Jeg tenker kanskje «hva har de gjort for å få til det, er det gunstig, eller hvordan vil materialene oppføre seg?». Igjen er det dette med at stålet er bedre nå enn før, fordi vi har klart å optimalisere egenskapene. Dermed kan det i dag lages slankere og lettere konstruksjoner. Ser jeg noe slikt, kan jeg enten tenke «oi, dette er veldig bra materiale», eller «det kommer ikke til å holde». Høyst sannsynlig er materialet blitt så mye bedre at du får til mer på en sikker måte, men marginene kan også bli mindre.

Ordliste

Konstruksjonsstål: Stål som brukes i byggverk, broer, offshorekonstruksjoner og annen bærende infrastruktur. Har lavt karboninnhold (ofte under 0,2 prosent) og er utviklet for styrke, seighet og formbarhet.

Rustfritt stål: En type stål som inneholder minst 10,5 prosent krom, som gir god motstand mot korrosjon. Brukes i alt fra kjøkkenutstyr til offshore og medisinsk utstyr.

Legeringselementer: Metaller som tilsettes stål for å endre egenskaper, som styrke, korrosjonsmotstand eller seighet. Eksempler: mangan, silisium, krom og nikkel.

Spesialstål: Stål utviklet for spesifikke formål med ekstra krav til egenskaper som varmebestandighet, slitestyrke, magnetisme eller kjemisk motstand.

Jernsvamp: Porøst jern med lavt karboninnhold, fremstilt uten smelting. Brukes som råmateriale i stålproduksjon.

Utmatting: Materialsvikt som oppstår over tid ved gjentatt belastning, selv om belastningen i seg selv ikke er stor. Viktig i offshore og marine konstruksjoner.

Korrosjon: Nedbrytning av metall ved kjemisk reaksjon med omgivelsene, ofte vann og oksygen. Kan motvirkes med rustfritt stål, belegg eller offeranoder.

Duktilitet: Evnen et materiale har til å deformeres plastisk uten å brekke. Et duktilt materiale kan strekkes, bøyes eller formes uten å sprekke. Høy duktilitet er viktig i konstruksjoner som skal tåle belastning over tid, og gir økt sikkerhet mot plutselig brudd.

Legeringselementer

Ferromangan (FeMn): Jernlegering med mangan, brukt som tilsetning i stålproduksjon for å forbedre styrke og hardhet.

Ferrosilisium (FeSi): Jernlegering med silisium, brukt for å forbedre stålets egenskaper og som reduksjonsmiddel i produksjonen.

Krom (Cr): Gir korrosjonsmotstand, særlig viktig i rustfritt stål.

Nikkel (Ni): Øker seighet og duktilitet, stabiliserer austenitt og forbedrer korrosjonsmotstand.

Molbyden (Mo): Øker styrke ved høye temperaturer og forbedrer motstand mot gropkorrosjon.

Vanadium (V): Øker styrke og slitestyrke, brukes ofte i verktøystål.

Titan (Ti): Binder uønskede elementer som nitrogen og karbon, og forbedrer korrosjonsmotstand.

Kobber (Cu): Gir moderat korrosjonsmotstand og forbedrer formbarhet.

Viktige mikrostrukturer i stål

Austenitt: En struktur som dannes ved høy temperatur. Ikke-magnetisk, med god formbarhet. Austenitt er stabil i rustfritt stål med høyt innhold av nikkel og krom, og gir god korrosjonsmotstand.

Martensitt: En hard og sprø struktur som oppstår når austenitt avkjøles raskt (herding). Gir høy styrke og hardhet, men lav duktilitet. Brukes i verktøystål og komponenter med krav til slitestyrke.

Ferritt: En myk og seig struktur som finnes i vanlig karbonstål ved romtemperatur. Den er magnetisk og har lavt karboninnhold. Gir god formbarhet, men lavere styrke enn martensitt.

Bainitt: En struktur som dannes ved moderat avkjøling av austenitt – mellom hastighetene som gir perlit og martensitt. Kombinerer styrke og seighet, og brukes i stål med krav til slitestyrke og utmattingsegenskaper.

Les flere saker fra Diaog nr. 2 - 2025: