gradjevinski celici
TRANSCRIPT
III. GRAĐEVINSKI ČELICI –PROIZVODNJA I
SVOJSTVA
GRAĐEVINSKO - ARHITEKTONSKI FAKULTETKatedra za metalne i drvene konstrukcijeKolegij: OSNOVE METALNIH KONSTRUKCIJA
2
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
1. TEMELJNI POJMOVI
Čelik legura željeza, ugljika, pratećih i legirajućih elemenata
Sirovo željezo željezo iz visoke peći koje još nije dalje obrađeno
Visoka peć početak proizvodnje čelika pri temperaturi od 1600 °C dodavanjem željezne rudače, koksa i vapna
Sirovi čelik dobiven pročišćavanjem iz sirovog željeza, ali u sebi ima previše kisika
Pročišćavanje postupak kojim se obrađuje sirovo željezo da postane sirovi čelik; sagorijevanjem se ugljik i prateći elementi uklanjaju ili reduciraju
Dezoksidacija postupak kojim se u sirovom čeliku nakon pročišćavanja smanjuje prisutnost kisika
Čelični lijev tekući metal koji se dobiva lijevanjem, a ne podvrgava se daljnjim preradama
3
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
1. TEMELJNI POJMOVI
Proizvodnja čelika u željezarama
proizvodnja čelika prolazi kroz tri osnovne faze:- prva faza - visoke peći,- druga faza - čeličane,- treća faza – valjaonice.
Prva faza – U visoke peći ubacuje se željezna ruda, koks i vapnenac.Pri temperaturi nešto većoj od 1600 °C željezo se skuplja na dnu peći, dok većina drugih materijala izađu kao plinovi ili se skupe u obliku drozge. Sirovo željezo se lijeva u kalupe, a sadrži 3.50-4.25% ugljika. Prva industrijska proizvodnja željeza počela je 1735. g.
Druga faza – Obrada sirovog željeza vrši se u čeličanama, gdje se smanjuje postotak ugljika u željezu ispod 1%. U međuprocesu se mora čelik osloboditi znatnih količina kisika (dezoksidacija). Imamo nekoliko postupaka: Thomasov, Siemens-Martin i druge.Redukcijom ugljika u sirovom željezu (ispod 1.7%) dobiva se čelik. Čelik su kovne slitine željeza s ugljikom obično do 1.7% (2.06%) ili nešto veći pri većem sadržaju dodatnih elemenata. Treća faza – Daljnja obrada čelika se vrši u valjaonicama, gdje se iz ingota dobivaju konačni valjani profili.
4
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
1. TEMELJNI POJMOVI
Shema proizvodnje čelika:
2 3 3Fe 0 C CaC02 2 34Al 30 2Al 0+ →
2 3Fe 0 3C+
5
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA
POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA
Bessemer –Birne postupak
(1855.)Siemens-Martin-ov
postupak(1865. g.)
Thomas-ovpostupak (1880. g.)
Linz-Donawitzpostupak (1950. g.)
Elektro peći
6
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA
Bessemer-Birne (1855. g.)
Pročišćavanje sirovog željeza obavlja se dovodom zraka pod pritiskom u kiselo ozidanoj kruškastoj peći - konverteru. Potrebna je rudača iz Švedske jer postupak zahtijeva sirovo željezo siromašno fosforom.
7
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA
Siemens-Martin (1865. g.)
Pročišćavanje sirovog željeza obavlja se u ognjištu pomoću ostatka zraka u plamenu plina i dodatku čeličnog otpada. Dobiva se troska dobre kvalitete.
8
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA
Thomas (1880. g.)
Kod ovog postupka upotrebljava se sirovo željezo s velikim postotkom fosfora.Sličan je Bessemer-ovom postupku osim što je konverter bazičan i što se za troškovni materijal upotrebljava vapno.
Linz-Donawitz (1950. g.)
Pročišćavanje puhanjem tehnički čistog kisika na tekuće sirovo željezo (kod temperature cca 2500 °C). Čelik siromašan ugljikom je teži i tone. Kvalitete je kao čelik dobiven Siemens-Martinovim postupkom, ali je proizvodnja 10 puta kraća.
9
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA
Elektro peći
Ograničena primjena zbog skupe proizvodnje. Primjenjuje se za dobivanje legiranihčelika, gdje je potrebna velika čvrstoća i točnost proizvodnje.
Dupleksni postupak
Kombinacija dva procesa proizvodnje čelika naziva se dupleksni postupak. Tako, na primjer, kombinacija Bessemer i Siemens-Martinovog postupka polučuje uštedu goriva, produžava vijek peći, ali su potrebni i veliki investicijski troškovi.
10
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
3. LIJEVANJE ČELIKAČelik s niskom postotkom ugljika sadržava nakon pročišćenja previše kisika. Budući da postoji opasnost tzv. crvenog loma, takav se čelik mora dezoksidirati. Stoga se pri kraju pročišćavanja u konverter dodaje feromangan.
Radi skrućivanja sirovi se čelik lijeva prema jednom od dvaju mogućih načina:
• blokovima u kokilni lijev• kontinuirani u bezdani lijev
11
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
3. LIJEVANJE ČELIKA
UMIRENI čelik nastaje kad se tekući čelik polagano hladi i prelazi u kruto stanje bez naglog razvijanja plinova u materijalu. Ovo se postiže pomoću dezoksidacijskihsredstava, kao što su silicij i aluminij, koji vezuju plinove stvarajući šljaku. Ukoliko se kao dezoksidacijsko sredstvo koristi silicij dobiva se umireni čelik, a ukoliko se koristi aluminij dobiva se dvostruko umireni čelik. Ovako se smanjuje mogućnost formiranja plinovitih mjehurića u čeliku, oko kojih se mogu koncentrirati nečistoće (kao. npr. sumpor), koje imaju štetni utjecaj na čelik pri valjanju i varenju.
Kokilni lijev
Umireni čelik je namijenjen za zavarene konstrukcije i konstrukcije za koje se traži veća žilavost čelika, npr. za konstrukcije na temperaturi ispod -30°C, kao i za elemente izložene dinamičkim i cikličkim djelovanjima.
12
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
3. LIJEVANJE ČELIKAKokilni lijev
Ukoliko se skrućivanje u posudi kokili događa tako da čelik kipi, dobiva se čelik za koji se kaže da je NEUMIREN. Ovaj čelik može se upotrebljavati za elemente koji se ne zavaruju.
POLUUMIRENI čelik nije potpuno dezoksidirao. Upotrebljava se za glavne nosive elemente u visokogradnji (nosače, rešetke, okvire i sl.)
Bezdani lijevTo je moderni postupak kod kojeg se sirovi čelik u tekućem stanju kontinuirano lijeva u velike ploče koje se potom izrezuju u manje komade.
13
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Čelik legura željeza, ugljika, pratećih i legirajućih elemenata
Željezo osnovni metal, vrlo mekan i ne može služiti kao građevinski materijal
14
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
- fosfor,- sumpor,- kisik,- dušik,- vodik.
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Ugljik Ugljik je najvažnija komponenta čelika. Već vrlo mala promjena ugljika u sastavu čelika znatno mijenja njegova mehanička svojstva.
- tvrdoću,- granicu popuštanja,- vlačnu čvrstoću,- otpornost na habanje.
- žilavost,- izduženje,- obradljivost,- izvlačenje,- zavarljivost.
ČELIK = ŽELJEZO + UGLJIK + OSTALI ELEMENTI
OSNOVNIMETAL
POVEĆAVA: SMANJUJE: POŽELJNI: NEPOŽELJNI:- mangan,- silicij.
15
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Ugljik
Ovisnost mehaničkih karakteristika čelika i količine ugljika
Dijagram fu i εu u ovisnostio % C
16
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Mangan
Povećava čvrstoću i općenito poboljšava zavarljivost. Služi također za dezoksidacijui veže nepoželjni sumpor u MnS.
Silicij
Povećava tvrdoću, vlačnu čvrstoću i granicu popuštanja. Međutim, silicij smanjuje relativno izduženje i sposobnost hladnog oblikovanja. Količina iznad 0.5% smanjuje zavarljivost.
17
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Fosfor Sklon je segregaciji u pojedinim dijelovima čeličnog profila. Osjetno snižava žilavost, ali povećava postojanost na koroziju.
Sumpor Još je više od fosfora sklon segregaciji; smanjuje sposobnost zavarivanja i žilavost.
Kisik Oksidi i silikati, koji nastaju tijekom dezoksidacije, mogu stvoriti vlaknastu strukturu u čeliku, sličnu strukturi drva, koja djeluje štetno zbog mogućnosti pojave terasastog loma.
18
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Dušik Može biti nevezan u čeliku što je štetno, jer povećava mogućnost pojave krtog loma i sklonost starenju (snižava se žilavost). Ukoliko je dušik kemijski vezan u obliku aluminijskog nitrata onda djeluje povoljno. Kemijskom analizom se ne može utvrditi da li je dušik u čeliku prisutan u vezanom ili nevezanom obliku.
Vodik Snižava žilavost i dovodi do krtosti materijala. Ima nepovoljan utjecaj na sposobnost zavarivanja.
19
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
Postotak nepoželjnih elemenata u čeliku ograničen je za:
• sumpor (S) < 0.05 do 0.06%,• fosfor (P) <0.05 do 0.06%,• dušik (N) <0.008 do 0.012%.
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
20
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Legirajućielementi
dodaju se prema potrebi, da bi se ciljano poboljšala određena svojstva čelika.
kromnikal
molibdenbakar
vanadijvolframaluminij
21
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Krom Poboljšava čvrstoću, otpornost protiv korozije i habanja.
Nikal Sprečava krtost kod niskih temperatura.
MolibdenObično dolazi u kombinaciji s drugim legirajućim elementima, u konstrukcijskim čelicima sprečava smanjenje žilavosti. Javlja se u količinama od 0.2% do 0.5%.
Bakar Povećava otpornost čelika protiv korozije tako da je obvezatno prisutan u tzv. čelicima otpornim na koroziju.
22
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
VanadijPovećava otpornost prema starenju.
Volfram Povećava čvrstoću na običnoj i povišenoj temperaturi, tvrdoću i otpornost prema habanju, uz neznatno smanjenje izduženja kod loma.
Aluminij Služi za dezoksidaciju kod proizvodnje umirenog čelika. Veže slobodni dušik i stvara Al-nitrite. Ovi spojevi stvaraju sitnozrnatu strukturu koja daje poboljšanu žilavost, otpornost na starenje i dobru zavarljivost.
23
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
Ovisno o postotku legirajućih elemenata čelike dijelimo na:
• obične ugljične (postotak legura mali; to su svi tzv. građevinski čelici),• niskolegirajuće (postotak legura <5%),• visokolegirajuće (postotak legura >5%).
4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA
Građevinski čelici za nosive konstrukcije su ugljični čelici s postotkom ugljika <0.25%.
28
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKE
Strukture čelika
29
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKE
Strukture lijeva
30
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKEDvofazna legura željeza
FERIT
PODRUČJE GRAĐEVINSKIH ČELIKA0.10 – 0.25 % C
31
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20 25
Relativna deformacija ε [%]
Nap
reza
nje σ
[MPa
]
Područje tečenja
εσ=E
Početak suženja (kontrakcije) poprečnog presjeka
Izduženje prije suženja δg δe
Elastično izduženje εel Plastično izduženje εpl
Izduženje pri lomu δ
32
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
370
380
390
400
410
420
430
0.4 0.9 1.4 1.9 2.4 2.9
Relativna deformacija ε [%]
Nap
reza
nje σ
[MPa
]
Gor
nja
gran
ica
popu
štan
ja
Don
ja g
rani
ca p
opuš
tanj
a
Područje tečenja
33
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
• Vlačno ispitivanje,• Ispitivanje savijanjem,• Tlačno ispitivanje,• Ispitivanje udarom po Charpy-u,• Ispitivanje trajne statičke čvrstoće,• Ispitivanje dinamičke čvrstoće,• Ispitivanje tvrdoće po Brinell-u,• Ispitivanje tvrdoće po Vickers-u,• Ispitivanje tvrdoće po Rockwell-u,
Određivanje mehaničkih i kemijskih svojstava čelika vrši se putem sljedećih metoda:a) Mehanička ispitivanja:
• Magnetsko ispitivanje,• Ispitivanje ultrazvukom,• Ispitivanje rendgenskim zrakama,• Ispitivanje γ zrakama,
b) Ispitivanja bez oštećenja materijala:
• Kemijska analiza,• Spektralna analiza,• Ispitivanje iskrenja pri brušenju,• Metalografski pregledi – mikroskopski.
c) Ispitivanja sastava materijala:
34
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Vlačno ispitivanje
Ispitivanje epruveta na vlak provodi se u skladu s EN 10002-1.
Proporcionalna okrugla epruveta 51050
dL
0
0 ==
Lc=55425 4 25
Lo=50R10
12φ 10
φ
35
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Vlačno ispitivanje
36
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
Strain
Stress[MPa]
0 1 20
100
200
300
400
500S4
Static test, 16 MPa/sFE 510 S1
S2S3
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Vlačno ispitivanje
37
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje žilavosti
Ispitivanje udarom po Charpy-u provodi se u skladu s EN 10045-1, a služi za određivanje žilavosti materijala.
Ukoliko ne može doći do pojave tečenja materijala postoji opasnost da dođe do loma bez plastične deformacije. U tom slučaju granica popuštanja fy poklapa se sa čvrstoćom materijala fu. Ova pojava naziva se krti lom.
Svojstvo da materijal zadrži plastična svojstva i pod nepovoljnim uvjetima zove se Ž I L A V O S T.
38
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje žilavosti
h2
h1 α1
α2
r
( )1 2E G h h= ⋅ −Udarni rad bata:
k 2z
E JaA cm
⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦
Žilavost izmjerena na Chapy-evom uređaju:
ak – nije definirana fizikalna veličina nego samo mjera za određivanje sklonosti krtom lomu
39
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje žilavosti
Epruveta za ispitivanje po Charpy-u
40
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje tvrdoće
Ispitivanje tvrdoće čelika obavlja se utiskivanjem čelične kuglice ili dijamantne piramide u uzorak.
Postupci za određivanje tvrdoće čelika:• Brinell,• Vickers,• Rockwell,• Poldy.
41
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje tvrdoće po BRINELL-u (ROCKWELL-u)Ispitivanje tvrdoće čelika po Brinell-u obavlja se utiskivanjem čelične kuglice promjera D (mm) određenom silom F (N), dok se za ispitivanje po Rockvell-u koristi stožac ili kuglica.
( )22 dDDD2F102.0
AF102.0HB
−−π⋅⋅=
⋅=
Mjera Brinell-ove tvrdoće:
42
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje tvrdoće po BRINELL-u (ROCKWELL-u)
43
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje tvrdoće po VICKERS-uIspitivanje tvrdoće čelika po Vickers-u obavlja se utiskivanjem dijamantne piramide (s kutom 136°) određenom silom F (N).
44
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje tvrdoće po VICKERS-u
45
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje tvrdoće po POLDY-u
Ispitivanje tvrdoće čelika po Poldy-u obavlja se utiskivanjem zakaljene čelične kuglice udarom čekića u etalon i materijal koji se ispituje.
46
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Magnetsko ispitivanjeMagnetsko ispitivanje služi da se otkriju eventualne pukotine u strukturi čelika.
47
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Ispitivanje ultrazvukomIspitivanje ultrazvukom služi nam za otkrivanje pukotina u materijalu i to najčešće u dodatnom materijalu (zavaru).
48
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA
Metalografski pregledi – mikroskopski
49
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
σ- ε dijagram pri visokim temperaturama
Redukcija granice popuštanja pri visokim temperaturama
Redukcija modula elastičnosti pri visokim temperaturama
Ponašanje čelika pri visokim temperaturama
61
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
7. UMARANJE PRI KONSTANTNIM AMPLITUDAMA
NAPREZANJE → VIJEK TRAJANJA (LOM)
64
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
7. UMARANJE PRI VARIJABILNIM AMPLITUDAMA
NAPREZANJE → HIPOTEZA AKUMULACIJE OŠTEĆENJA →VIJEK TRAJANJA (LOM)
69
III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva
8. VRSTE GRAĐEVINSKIH ČELIKA
Standardne kvalitete