Nykyisenä uusien materiaalien aikanakin teräskausi jatkuu. Teräksestä suunnitellaan kevyitä mutta vahvoja kennoja ja räätälöidään erilaisia kerrosrakenteita. Teräksen kovuus, sitkeys ja kuumankestävyys hiotaan huippuunsa säätämällä metalliseoksen mikrorakennetta.


Teräksestä suunnitellaan kevyitä mutta vahvoja kennoja ja räätälöidään
erilaisia kerrosrakenteita. Teräksen kovuus, sitkeys ja kuumankestävyys
hiotaan huippuunsa säätämällä metalliseoksen mikrorakennetta.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2006

Karkaistun teräksen leikkauskyky on tuttu jokaiselle, joka siistii leuka- tai säärikarvoitustaan perinteiseen tapaan höyläämällä. Juuri partaterien muinaisista kantamuodoista, varhaisimmista taotuista rautaveitsistä ja -miekoista, alkoi teräksen valmistustaidon historia. Tuolloin alkanutta aikaa pitäisi oikeastaan kutsua teräs- eikä rautakaudeksi, sillä kaikkea sellaista rautaa, jota voi muovailla mekaanisesti, nimitetään teräkseksi.
Raudan tekee muovailtavaksi sopiva määrä hiiltä: teräksen hiilipitoisuus on 0,05:n ja noin 2 prosentin välillä. Vähemmän hiiltä sisältävä rauta on pehmeää meltorautaa, hiilipitoisempi puolestaan kovaa mutta haurasta valurautaa. Terästä voidaan muokata takomalla ja puristamalla, ja sitä voidaan karkaista kovaksi.
Elämme teräskautta edelleen. Nykyisten terästen ominaisuuksia säädellään lisäämällä raudan kiderakenteeseen muita metalleja. Näin voidaan säädellä esimerkiksi kovuutta, sitkeyttä, magneettisuutta ja käyttäytymistä eri lämpötiloissa. Teräksen erilaisia versioita tapaat ihokarvanpoistajien lisäksi muun muassa gourmet-kattiloissa, kassakaapeissa, parvekkeissa, Volvon C70-mallissa ja Eiffel-tornin moderneissa sukulaisissa.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Kattilassa jopa seitsemän materiaalikerrosta

Koti on hyvä paikka tutustua erilaisiin teräksen sovelluksiin. Aloitetaan vaikka keittiöstä. Siellä yleisin teräskapine lienee tiskipöytä, joka ei ruostu, koska sen pinta on passivoitu seostamalla teräkseen kromia.
Keittiössä saattaa olla induktio-liesi. Se kuumentaa vain kattilaa, jonka materiaalissa on magnetoituvaa ainetta. Kaikki teräs ei ole tällaista, vaan teräksen rauta reagoi magneettikenttään vain ollessaan tietyssä kidemuodossa, jota kutsutaan ferriittiseksi. Tämä - ja toimivuus tavallisella liedellä - otetaan huomioon nykyaikaisten kattiloiden suunnittelussa.
Hienossa professional gourmet -kattilassa tai paistinpannussa voi olla viisi tai seitsemän materiaa-likerrosta, joista jokaisella on oma tehtävänsä. Teräs kuumenee, alumiini johtaa hyvin lämpöä, ja pintakerros kestää kulutusta.
Sinulla tai ehkä naapurillasi saattaa olla myös kassakaappi. Se on toinen esimerkki kerrosrakenteen voimasta. Esimerkiksi Kason uusi kassakaappi painaa 300 kiloa mutta on silti vaikeampi murtaa kuin perinteinen, joka painoi lähes tonnin. Salaisuus on kerrospanssarointi, joka koostuu teräs-, muovi- ja komposiittivyöhykkeistä.


Kennoilla kevyttä mutta kestävää

Kurkistetaan seuraavaksi parvekkeelle. Nykyaikaisen talon parvekkeen lattian alla voi olla betonin sijasta tyhjää tilaa, sillä yhdistämällä terästä ja tyhjää voi säästää huimasti materiaaleja.
Pisimmilleen ontto rakenne on viety teräskennoissa, jotka muistuttavat hieman mehiläiskennoa. Teräskennoinen parveke-elementti painaa vain 20 kiloa neliömetriä kohti, kun betoniseen tarvitaan tavaraa 300 kiloa. Vastaavalla kennorakenteella kevennetään myös autoja ja teollisuuden laitteita.
- Teräsohutlevyistä hitsattu kenno on laserhitsauksen kehityksen ansiosta monesti edullisempi ja teknisesti parempi kuin nykyrakenteet, kuvailee riihimäkeläisen Kenno Techin tuotekehityspäällikkö Rami Vanninen uusia mahdollisuuksia.
Kun lähdet kotoa liikkeelle, teräs seuraa mukanasi. Teräs loi myös auton. Vähintään yhtä tärkeä kuin liukuhihnatuotannon aloittaminen oli nimittäin Henry Fordin päätös käyttää vanadiiniseostettua terästä, jolla saatiin pelleistä ohuita ja kevyitä mutta kestäviä. Ilman terästä autot muistuttaisivat panssarivaunuja.
Muovin ja alumiinin ohella terästä hyödynnetään uusimpienkin autojen kehittämisessä. Esimerkiksi Volvo kehuu, että yhtiön uusi C70-malli on erityisen turvallinen, koska kori on tehty neljästä teräs- ja yhdestä alumiinivyöhykkeestä.


Eiffel-torni syntyisi nyt kolmanneksella teräksestään

Teräs on valttia myös suurimmissa nykyrakennelmissa, kuten pilvenpiirtäjissä ja silloissa. Goottilaiset kivikatedraalit olivat pitkään ylittämättömiä valtavuuden ja solakkuuden yhdistelminä, kunnes 1800-luvulla opittiin, että teräsristikoilla saadaan aikaan jopa suurempia mutta vielä ilmavampia rakenteita.
Vuonna 1929 julkaistussa kirjassaan Nykyaikaa etsimässä Olavi Paavolainen haltoitui 40 vuotta aiem-min valmistuneesta Eiffel-tornista: "Silmä iloitsee katsellessaan, miten terästangot liittyvät kuin leik-kien toisiinsa nousten yhtä ylemmäs, uhmaten aineen lakeja voimalla, joka on syntynyt tyhjästä. - - Ja se on sittenkin niin kaunis, ei vain modernina teräskonstruktiona, vaan myös viivojensa tavattoman eleganssin vuoksi."
- Jos Eiffel-torni rakennettaisiin nyt, terästä kuluisi vain kolmasosa silloisesta, huomauttaa fysikaalisen metallurgian ja materiaalitieteen emeritusprofessori Veikko Lindroos Teknillisestä korkeakoulusta. Hän on ollut mukana teräksen kehitystyössä vuosikymmenien ajan.
- Ja energiaa kuluisi tornin teräksen tekemiseen vain kymmenesosa, täydentää Lindroosin kollega, professori Lauri Holappa, joka on keskittynyt teräksen valmistustekniikkaan.


Teräksen mikrorakenteet yhä paremmiksi
Uusia voittoja on edessä, sillä materiaalin mahdollisuuksista on käytetty vasta pieni osa.
- Ei ole mitään syytä epäillä, ettei Eiffel-trendi jatkuisi, sanoo professori Lindroos. - Frenkel laski vuonna 1926, että aineiden lujuus on vain noin tuhannesosa teoreettisesta maksimista.
Keskusteluissa metallurgiasta tulee usein vastaan venäläisen fyysikon Jakov Frenkelin (1894-1952) nimi. Hän osoitti, että todelliset materiaalit ovat satoja kertoja heikompia kuin ihanteelliset kiteet.
Professori Lindroos kertoo pitkään ja innostuneesti kidevirheistä, dislokaatioista, erkaumista ja muista metallin mikrorakenteen ilmiöistä, joita tutkijat ovat oppineet hallitsemaan yhä paremmin. Teräs näyttää tasaiselta mutta koostuu todellisuudessa pienen pienistä rakeista. Jäähdyttämällä ja kuumentamalla sekä muokkaamalla mekaanisesti ja erilaisilla lisäaineilla metallurgit luovat yhä ihanteellisempia raerakenteita.
Professori Holappa täydentää huomauttamalla, että suuria harp-pauksia on edessä myös teräksen valmistuksessa. Esimerkiksi monissa teräsrakenteissa tärkeän ohuen levyn valmistus vaati ennen yli puolen kilometrin mittaisen tuotantolinjan, mutta nyt on jo käytössä linjoja, jotka tekevät saman 60 metrin matkalla.
Terästuotannon tehostuminen vaikuttaa meidän kaikkien elämään, sillä määrät ovat valtavia. Maailma tuottaa terästä yli miljardi tonnia vuodessa. Varsinkin Kiina on kasvattanut nopeasti tuotantoaan, joka huitelee jo kolmen ja puolensadan miljoonan tonnin tietämissä. Teräskausi ei siis osoita mitään hiipumisen merkkejä, päinvastoin.


Kalevi Rantanen on teknistä luovuutta tutkiva diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Sisältö jatkuu mainoksen alla