Metalne konstrukcije 1 P2-1

Osnovna svojstva čelika

Metalne konstrukcije 1 P2-2

Najznačajnija svojstva materijala mogu da se

podele na:

– Fizičko-hemijska svojstva;

– Tehnološka svojstva;

– Mehanička svojstva;

Metalne konstrukcije 1 P2-3

Fizička svojstva

Najvažnija fizička svojstva materijala su:

– specifična masa (težina),

– temperatura topljenja,

– specifična toplota,

– toplota topljenja,

– provodljivost toplote,

– koeficijent termičkog širenja,

Metalne konstrukcije 1 P2-4

Fizičko-hemijska (metalurška) svojstva

Zrnasta, kristalna mikrostruktura;

Pravilno rasprostranjeni atomi gvožĎa - Fe;

Kristalna rešetka je kubna;

Ona može da bude:

– prostorno centrisana ili a-rešetka

(9 atoma),

– površinski centrisana ili g-rešetka

(14 atoma).

Metalne konstrukcije 1 P2-5

Ugljenik u čeliku

– Sadržaj ugljenika se kreće od 0,05-1,7%.

– Konsrukcioni čelici imaju manje od 0,25% C.

– Atomi C su znatno manji od atoma Fe i uglavljuju se

u kristalnu rešetku (više kod g-rešetke);

– U čeliku se C javlja i u vidu karbida gvožĎa (Fe3C) –

cementita, ili u vidu mešavine Fe i cementita koja se

naziva perlit;

Metalne konstrukcije 1 P2-6

Tehnološka svojstva čelika

Najznačajnija tehnološka svojstva čelika:

– zavarljivost,

– plastičnost,

– kovnost,

– istegljivost,

– livnost,

– otpornost na habanje,

– obradljivost...

Metalne konstrukcije 1 P2-7

Zavarljivost

Zavarljivost može biti:

– operativna,

– metalurška i

– konstruktivna.

Sposobnost materijala da se može spajati zavarivanjem

(tehnološkim postupkom spajanja metala).

[%] 15

CN

5

VMC

6

MCCEV uiorn

Ako je ekvivalent ugljenika CEV < 0,45 % - čelik je zavarljiv!

Metalne konstrukcije 1 P2-8

Mehanička svojstva čelika

Najvažnija mehanička svojstva čelika su:

– granica razvlačenja – fy

– čvrstoća pri zatezanju – fu

– modul elastičnosti – E

– Poasonov koefcijent – n

– izduženje pri lomu – d

– kontrakcija – y

– žilavost – j (CVN – Charpy V-Notch test) Is

pit

ivan

je z

atez

anje

m

Metalne konstrukcije 1 P2-9

Konstante materijala

Svi konstrukcioni čelici imaju iste vrednosti:

Modula elastičnosti: E = 210000 MPa (N/mm2)

Poasonovog koeficijenta: n = 0,3

Modula klizanja: G = E/(2(1+n)) = 81000 MPa

Specifične mase: g = 7850 kg/m3

Koeficijenta linearnog

termičkog izduženja: a = 1,2 10-5 1/oC

Metalne konstrukcije 1 P2-10

Ispitivanje svojstava materijala

Mehanička svojstva metala (čelika) se odreĎuju:

– Ispitivanjem metala pri zatezanju (ili pritisku);

– Ispitivanjem udarne žilavosti (Šarpijevo klatno);

– Ispitivanjem tvrdoće metala (po Brinelu, Vikersu…).

Metalne konstrukcije 1 P2-11

Ispitivanje metala pri zatezanju

OdreĎuju se najvažnija mehanička svojstva:

– granica elastičnsti - fe

– granica razvlačenja - fy

– čvrstoća pri zatezanju - fu

– modul elastičnosti - E

– izduženje pri lomu – d5

– kontrakcija poprečnog preska - y

Metalne konstrukcije 1 P2-12

Uzorci (epruvete) za ispitivanje

mm25za3,11

mm25za65,5

000

000

A

A

Kružni presek

Pravougaoni presek

Dužina merne baze:

Metalne konstrukcije 1 P2-13

Dijagrami s-e za različite čelike

Metalne konstrukcije 1 P2-14

OdreĎivanje tehničke (konvencionalne)

granice razvlačenja

Napon pri kojem je zaostala – plastična dilatacija 0,2%

Metalne konstrukcije 1 P2-15

Izduženje pri lomu

Izduženje pri lomu i kontrakcija poprečnog preseka su pokazatelji duktilosti materijala!

[%] 100-

A

AAoy

Kontrakcija poprečnog preseka

100-

o

o

d

Metalne konstrukcije 1 P2-16

][J/cm 2

oA

Aj

A energija udara [J]

Ao površina [cm2].

Energija udara pri lomu [J] predstavlja meru žilavosti metala.

Opit se sprovodi na različitim temperaturama (+20, 0, -20, -30,…

-60oC), a rezultati definišu podkvalitet čelika.

Ispitivanje udarne žilavosti - Šarpijev test

(Charpy V-notch test - CVN)

Metalne konstrukcije 1 P2-17

Vrste konstrukcionih čelika

Prema sadržaju ugljenika ugljenični čelici se dele na:

– niskougljenične (0,05 C 0,25 %),

– srednjeugljenične (0,25 < C 0,60 %) i

– visokougljenične (0,60 < C 1,70 %).

Ugljenični čelici su čelici kod kojih je ugljenik jedini legirajući element.

Konstrukcioni čelici mogu da budu:

− Nelegirani konstrukcioni čelici,

− Normalizovano valjani zavarljivi sitnozrni čelici,

− Termomehanički valjani zavarljivi sitnozrni čelici,

− Čelici sa poboljšanom otpornošću na atmosfersku koroziju,

− Čelici visoke čvrstoće dobijani kaljenjem i otpuštanjem.

Uticaj sadržaja ugljenika na svojstva čelika

− Ugljenik je najznačajniji legirajući element kod

konstrukcionih (ugljeničnih) čelika!

− Sadržaj ugljenika u konstrukcionim čelicima je veoma

mali (0,16-0,22%), ali veoma bitno utiče na njihova

svojstva!

− Sa porastom sadržaja ugljenika

• povećavaju se granica razvlačenja i čvrstoća pri

zatezanju (+),

• smanjuju duktilnost i žilavost (-),

• pogoršava se i zavarljivost (-)

(CEV > 0,45 → čelik nije zavarljiv)!

Metalne konstrukcije 1 P2-18

Metalne konstrukcije 1 P2-19

Prateći elementi u čeliku

Samo silicijum (Si) i mangan (Mn) imaju pozitivne osobine (dezoksidanti).

Nepoželjni elementi su:

– Sumpor (S) uzrokuje smanjenje žilavosti

– Fosfor (P) još više smanjuje žilavost i dovodi do krupnozrne

strukture;

– Azot (N) povećava tvrdoću, ali i opasnost od krtog loma i

starenja.

– Kiseonik (O) smanjuje žilavost.

Ovi elementi moraju se zadržati u propisanim granicama;

Pored ugljenika u čeliku se uvek nalaze i neki prateći elementi koji

potiču iz procesa dobijanja čelika: Si, Mn, S, P, N, O, H.

Metalne konstrukcije 1 P2-20

Označavanje čelika

Metalne konstrukcije 1 P2-21

Označavanje čelika

Označavanje čelika je visoko standardizovano.

U Srbiji je usvojen Evropski sistem označavanja.

SRPS EN 10027-1:2003 Sistem za označavanje čelika – Deo 1:

Označavanje, osnovne oznake;

SRPS EN 10027-2:2003 Sistem za označavanje čelika – Deo 2:

Brojčani sistem;

SRPS CR 10260:2003 Sistem za označavanje čelika – Dodatne

oznake;

Metalne konstrukcije 1 P2-22

Alfanumerički sistem označavanja

(SRPS EN 10027-1)

Prema ovom sistemu razlikuju se dve osnovne grupe

čelika:

Grupa 1: Čelici koji se označavaju na osnovu njihove

primene i mehaničkih svojstava,

Grupa 2: Čelici koji se označavaju na osnovu

hemijskog sastava.

Metalne konstrukcije 1 P2-23

Označavanje čelika - Grupa 1

Osnovna oznaka definiše vrstu, odnosno kvalitet čelika i sadrži podatke o njegovoj uobičajenoj primeni (slovni simbol) i najvažnijim mehaničkim svojstvima;

Dodatne oznake definišu podkvalitet čelika (žilavost), ili način termičke obrade;

Dopunska oznaka (opciona) definiše specijalne zahteve u pogledu lamelarnog cepanja, ili vrste prevlake (kod tankih limova), ili naknadne obrade (kaljenje, žarenje, normalizaciju...)

Metalne konstrukcije 1 P2-24

Osnovna oznaka

Pored slovne oznake na prvom mestu sadrži i numeričku

oznaku u vidu trocifrenog ili četvorocifrenog arapskog

broja, koja predstavlja vrednost referentnog mehaničkog

svojstva u MPa (N/mm2).

To je uglavnom nazivna (nominalna) minimalna granica

razvlačenja čelika (fy ili ReH), ili reĎe (npr. za čelike za

prednaprezanje) čvrstoća pri zatezanju (fu ili Rm).

Metalne konstrukcije 1 P2-25

Slovni simbol na prvom mestu osnovne oznake

Primena Primer

S Konstrukcioni čelici (Structural steel) S 235

P Oprema pod pritiskom (Pressure purpose) P 355

L Cevovodi (Line pipe) L 360

E Mehaničke konstrukcije (Engineering) E 295

B Armatura - betonski čelici (Reinforcing steel) B 500

Y Prednaprezanje (Presteressing steel) Y 1770

R Šine (Rail) R 380

H Čelici visoke čvrstoće za hladno valjanje

(High strength Cold rolled) H 400

D Pljošti proizvodi za hladno oblikovanje

(Flat product for cold forming) D C03

T Ambalaža (Tinmill products) T H52

M Čelici za elektrotehniku (Electrical steel) M 140

Metalne konstrukcije 1 P2-26

Metalne konstrukcije 1 P2-27

Označavanje čelika prema hemijskom sastavu

(Grupa 2)

Čelici koji se označavaju prema hemijskom sastavu (grupa 2)

mogu da se podele u tri podgrupe:

1. Nelegirani (ugljenični) čelici sa sadržajem mangana < 1 %

(npr. C45E);

2. Nelegirani čelici sa sadržajem mangana ≥ 1 %

(npr. 18MnMo4-5);

3. Legirani čelici, kod kojih je sadržaj legirajućeg elementa 5%

(npr. X4CrNi18-12).

Složene alfanumeričke oznake kod legiranih čelika!

X1CrNiMoN25-22-2 1.4468 (Numerička oznaka).

Metalne konstrukcije 1 P2-28

Numeričko označavanje čelika

Oznaka Vrsta čelika

Ugljenični čelici

1.00XX Konstrukcioni čelici - osnovni čelici (Basic Steel)

1.01XX Konstrukcioni čelici - kvalitetni čelici sa Rm < 500 N/mm2 (Quallity Steel)

1.02XX Ostali konstrukcioni čelici sa Rm < 500 N/mm2 koji nisu za termičku obradu

1.03XX Čelici sa C < 012 % ili Rm < 400 N/mm2

1.04XX Čelici sa 0,12 < C < 0,25 % ili Rm 500 N/mm2

1.05XX Čelici sa 0,25 < C < 0,55 % ili 500 Rm < 700 N/mm2

1.06XX Čelici sa C > 0,55 % ili Rm 700 N/mm2

Specijalni ugljenični čelici

1.10XX Čelici sa posebnim fizičkim svojstvima

1.11XX Čelici za sudove pod pritiskom i mehanički čelici sa C < 0,5 %

1.12XX Čelici za sudove pod pritiskom i mehanički čelici sa C 0,5 %

1.13XX Čelici za sudove pod pritiskom i mehanički čelici sa posebnim zahtevima

Legirani čelici

1.2XXX Alatni čelici

1.3XXX Raznovrsni čelici (miscellaneous steel)

1.4XXX NerĎajući i vatrootporni čelici

Legenda: XX = (00-99) i XXX = (000-999)

Metalne konstrukcije 1 P2-29

Veze starih i novih oznaka opštih konstrukcionih čelika

Evropski sistem označavanja čelika

Stari sistem označavanja čelika

JUS C.B0.002:1986 Alfanumeričke oznake

SRPS EN 10027-1

Brojčane oznake

SRPS EN 10027-2

S 235 JR 1.0037 Č0370

S 235 JRG1 1.0036 Č0371

S 235 JRG2 1.0038 Č0361

S 235 J0 1.0114 Č0362

S 235 J2G3 1.0116 Č0363

S 275 JR 1.0044 Č0451

S 275 J0 1.0143 Č0452

S 275 J2G3 1.0144 Č0453

S 355 JR 1.0045 Č0561

S 355 J0 1.0553 Č0562

S 355 J2G3 1.0570 Č0563

Metalne konstrukcije 1 P2-30

Čelici za graĎevinske konstrukcije

1. Nelegirani konstrukcioni čelici (SRPS EN 10025-2);

2. Normalizovano valjani sitnozrni čelici - sa dodatnom oznakom N i NL (SRPS EN 10025-3);

3. Termomehanički valjani sitnozrni čelici - sa dodatnom oznakom M i ML (SRPS EN 10025-4);

4. Čelici sa poboljšanom otpornošću na atmosfersku koroziju- sa dodatnom oznakom W (EN 10025-5);

5. Konstrukcioni čelici visoke čvrstoće, dobijeni kaljenjem i otpuštanjem - sa dodatnom oznakom Q i QL (EN 10025-6);

Metalne konstrukcije 1 P2-31

Tehnički uslovi isporuke čelika

U okviru tehničkih uslova isporuke se definišu:

– mehanička svojstva

– hemijski sastav šarže i proizvoda,

– način dezoksidacije,

– postupak termičke obrade (ako je predviĎen),

– tehnološka svojstva,

– specijalni zahtevi,

– način porudžbine materijala,

– postupak kontrole kvaliteta (ispitivanje i mesta uzimanja uzoraka),

– obeležavanje proizvoda.

Metalne konstrukcije 1 P2-32

Nelegirani konstrukcioni čelici (SRPS EN 10025-2) - hemijski sastav proizvoda

Metalne konstrukcije 1 P2-33

Nelegirani konstrukcioni čelici (SRPS EN 10025-2)

nominalne granice razvlačenja proizvoda ReH

Mehanička svojstva čelika prema EC3

Metalne konstrukcije 1 P2-34

Nazivne (nominalne) vrednosti

granice razvlačenja fy i čvrstoće

pri zatezanju fu za konstrukcione

čelike treba da budu odreĎene:

•usvajanjem vrednosti fy = ReH i fu

= Rm direktno iz standarda za

proizvode,

•korišćenjem uopštenih vrednosti

datih u SRPS EN 1993-1-1 (videti

tabelu).

Metalne konstrukcije 1 P2-35

Izbor vrste i kvaliteta čelika kao osnovnog

materijala za noseću konstrukciju

Na izbor utiče više faktora:

– tip i značaj konstrukcije,

– vrsta naprezanja i priroda opterećenja,

– način proizvodnje i oblikovanja konstrukcije - detalji,

– minimalna radna temperatura,

– ekonomski pokazatelji.

Parametri koji utiču na izbor kvaliteta osnovnog materijala:

– otpornost na krti lom i zamor materijala

– otpornost na lamelarno cepanje.

Posebno važno za: zavarene elemente, dinamički opterećene

konstrukcije, niske radne temperature i napone zatezanja!

Metalne konstrukcije 1 P2-36

Tehnička regulativa za izbor kvaliteta čelika

SRPS EN 1993-1-10: “Izbor osnovnog materijala u pogledu

otpornosti na krti lom i lamelarno cepanje”

Dvosmeran pristup:

– izbor maksimalne debljine elementa (lima) za zadate uslove, ili

– izbor kvaliteta čelika za zahtevanu debljinu lima, pri zadatim

uslovima;

Metalne konstrukcije 1 P2-37

Maksimalna debljina elementa tz obzirom na krti lom

Referentna temperatura TEd [C] Šarpijeva energija

CVN 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 10 0 -10 -20 -30 -40 -50

Kvalit

et

čelik

a

Pod-

kvalit

et

čelik

a

T

[C] Jmin sEd = 0,75 fy (t) sEd = 0,50 fy (t) sEd = 0,25 fy (t)

JR 20 27 60 50 40 35 30 25 20 90 75 65 55 45 40 35 135 115 100 85 75 65 60

JO 0 27 90 75 60 50 40 35 30 125 105 90 75 65 55 45 175 155 135 115 100 85 75

S235

J2 -20 27 125 105 90 75 60 50 40 170 145 125 105 90 75 65 200 200 175 155 135 115 100

JR 20 27 55 45 35 30 25 20 15 80 70 55 50 40 35 30 125 110 95 80 70 60 55

JO 0 27 75 65 55 45 35 30 25 115 95 80 70 55 50 40 165 145 125 110 95 80 70

J2 -20 27 110 95 75 65 55 45 35 155 130 115 95 80 70 55 200 190 165 145 125 110 95

M,N -20 40 135 110 95 75 65 55 45 180 155 130 115 95 80 70 200 200 190 165 145 125 110

S275

ML,NL -50 27 185 160 135 110 95 75 65 200 200 180 155 130 115 95 230 200 200 200 190 165 145

JR 20 27 40 35 25 20 15 15 10 65 55 45 40 30 25 25 110 95 80 70 60 55 45

JO 0 27 60 50 40 35 25 20 15 95 80 65 55 45 40 30 150 130 110 95 80 70 60

J2 -20 27 90 75 60 50 40 35 25 135 110 95 80 65 55 45 200 175 150 130 110 95 80

K2,M,N -20 40 110 90 75 60 50 40 35 155 135 110 95 80 65 55 200 200 175 150 130 110 95

S355

ML,NL -50 27 155 130 110 90 75 60 50 200 180 155 135 110 95 80 210 200 200 200 175 150 130

M,N -20 40 95 80 65 55 45 35 30 140 120 100 85 70 60 50 200 185 160 140 120 100 85 S420

ML,NL -50 27 135 115 95 80 65 55 45 190 165 140 120 100 85 70 200 200 200 185 160 140 120

Q -20 30 70 60 50 40 30 25 20 110 95 75 65 55 45 35 175 155 130 115 95 80 70

M,N -20 40 90 70 60 50 40 30 25 130 110 95 75 65 55 45 200 175 155 130 115 95 80

QL -40 30 105 90 70 60 50 40 30 155 130 110 95 75 65 55 200 200 175 155 130 115 95

ML,NL -50 27 125 105 90 70 60 50 40 180 155 130 110 95 75 65 200 200 200 175 155 130 115

S460

QL1 -60 30 150 125 105 90 70 60 50 200 180 155 130 110 95 75 215 200 200 200 175 155 130

Q 0 40 40 30 25 20 15 10 10 65 55 45 35 30 20 20 120 100 85 75 60 50 45

Q -20 30 50 40 30 25 20 15 10 80 65 55 45 35 30 20 140 120 100 85 75 60 50

QL -20 40 60 50 40 30 25 20 15 95 80 65 55 45 35 30 165 140 120 100 85 75 60

QL -40 30 75 60 50 40 30 25 20 115 95 80 65 55 45 35 190 165 140 120 100 85 75

QL1 -40 40 90 75 60 50 40 30 25 135 115 95 80 65 55 45 200 190 165 140 120 100 85

S690

QL1 -60 30 110 90 75 60 50 40 30 160 135 115 95 80 65 55 200 200 190 165 140 120 100

Metalne konstrukcije 1 P2-38

Izbor kvalieta materijala u pogledu lamelarnog cepanja

Parametar Z zavisi od:

– debljine šavova,

– oblika i položaja šavova,

– efekata debljine šavova...

Potrebna

vrednost Z Zgrade Mostovi

Seizmičko

opterećenje

<10 - - Z15

11 do 20 - Z15 Z25

21 do 30 Z15 Z25 Z35

>30 Z25 Z35 Z45

dcba ZZZZZ