GRADJEVINSKI CELICI

GRAĐEVINSKO EVINSKO - ARHITEKTON ARHITEKTONSKI SKI FAKULTET FAKULTET Katedra za metalne i drvene konstrukcije Kolegij: OSNOVE METALNIH KONSTRUKCIJA

III. GRAĐEVINSKI ČELICI – PROIZVODNJA I SVOJSTVA

III III.. Gra Građ evinski evinski č elici elici – proizvodnja proizvodnja i svojstva svojstva

1. TEMELJNI POJMOVI Čelik

legura željeza, ugljika, prate ćih i legirajućih elem elemen enat ataa

Sirovo željezo

željezo iz visoke pe ći 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 postupak kojim se u sirovom čeliku nakon pročišćavanja smanjuje prisutnost kisika

Dezoksidacija Čelični lijev

tekući metal koji se dobiva lijevanjem, a ne podvrgava se daljnjim preradama

2


1. TEMELJNI POJMOVI Proizvodnja čelika u željezarama

proizvodnja čelika prolazi kroz tri osnovne faze: - prva prva faza faza - viso visoke ke peći, - druga druga faza faza - čeličane, - treća faza faza – valjao valjaonic nice. e. Prva faza – U visoke peći ubacuje se željezna ruda, koks i vapnenac. Pri temperaturi nešto većoj od 1600 °C željezo se skuplja na dnu pe ći, 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 po čela je 1735. g.

Druga faza – Obrada sirovog željeza vrši se u čeličanama, gdje se smanjuje postotak ugljika u željezu ispod 1%. U međuproc uproces esuu se mora mora čelik osloboditi znatnih koli čina kisika (dezoksidacija). Imamo nekoliko postupaka: Thomasov, Siemens-Martin i druge. Redukcijom ugljika u sirovom željezu (ispod 1.7%) dobiva se čelik. Čelik elik su kovn kovnee slitin slitinee željeza s ugljikom obično do 1.7% (2.06%) ili nešto veći pri većem sadržaju dodatnih elemenata. vrši u valjaonicama, valjaonicama, gdje gdje se iz ingota dobivaju dobivaju Treća faza – Daljnja obrada čelika se vrši konačni valjani profili. 3

III. Građ evinski č elici – proizvodnja i svojstva

1. TEMELJNI POJMOVI Shema proizvodnje čelika: Fe 2 03 C CaC03

4Al + 30 2 → 2Al 2 03

Fe2 03 + 3C 4


2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA Bessemer – Birne postupak (1855.)

Siemens-Martin-ov postupak (1865. g.)

Thomas-ov postupak (1880. g.)

Linz-Donawitz postupak (1950. g.) Elektro peći 5


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.

6


2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA Siemens-Martin (1865. g.) Pročišćavanje sirovog željeza obavlja se u ognjištu pomo ću ostatka zraka u plamenu plina i dodatku čeličnog otpada. Dobiva se troska dobre kvalitete.

7


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 kra ća.

8


2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA Elektro peći Ograničena primjena zbog skupe proizvodnje. Primjenjuje se za dobivanje legiranih čelika, 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.

9


3. LIJEVANJE ČELIKA Čelik s niskom postotkom ugljika sadržava nakon pro čišćenja 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

10


3. LIJEVANJE ČELIKA Kokilni lijev UMIRENI čelik nastaje kad se teku ći čelik polagano hladi i prelazi u kruto stanje bez naglog razvijanja plinova u materijalu. Ovo se postiže pomo ću dezoksidacijskih sredstava, kao što su silicij i aluminij, koji vezuju plinove stvaraju ći 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 ne čistoće (kao. npr. sumpor), koje imaju štetni utjecaj na čelik pri valjanju i varenju. Umireni čelik je namijenjen za zavarene konstrukcije i konstrukcije za koje se traži ve ća žilavost čelika, npr. za konstrukcije na temperaturi ispod -30°C, kao i za elemente izložene dinamičkim i cikličkim djelovanjima.

11


3. LIJEVANJE ČELIKA Kokilni lijev POLUUMIRENI čelik nije potpuno dezoksidirao. Upotrebljava se za glavne nosive elemente u visokogradnji (nosače, rešetke, okvire i sl.) 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.

Bezdani lijev To je moderni postupak kod kojeg se sirovi čelik u tekućem stanju kontinuirano lijeva u velike ploče koje se potom izrezuju u manje komade. 12


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 gra đevinski materijal

13


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA Ugljik

ČELIK

=

Ugljik je najvažnija komponenta čelika. Već vrlo mala promjena ugljika u sastavu čelika znatno mijenja njegova mehanička svojstva.

ŽELJEZO

OSNOVNI METAL

+

UGLJIK

+

OSTALI ELEMENTI

SMANJUJE: POŽELJNI: NEPOŽELJNI: POVEĆAVA: - mangan, - fosfor, - žilavost, - tvrdoću, - silicij. - sumpor, - granicu popuštanja, - izduženje, - kisik, - obradljivost, - vlačnu čvrstoću, - dušik, - otpornost na habanje. - izvlačenje, - vodik. - zavarljivost.

14


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA Ugljik

Ovisnost mehaničkih karakteristika čelika i količine ugljika

Dijagram f u i εu u ovisnosti o%C 15


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA Mangan Povećava čvrstoću i općenito poboljšava zavarljivost. Služi tako đer za dezoksidaciju i 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.

16


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 mogu ćnosti pojave terasastog loma.

17


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA Dušik Može biti nevezan u čeliku što je štetno, jer pove ćava 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.

18


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA 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%.

19


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA Legirajući elementi

dodaju se prema potrebi, da bi se ciljano poboljšala određena svojstva čelika.

krom nikal molibden bakar vanadij volfram aluminij 20


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA Krom Poboljšava čvrstoću, otpornost protiv korozije i habanja.

Nikal Sprečava krtost kod niskih temperatura.

Molibden Obično dolazi u kombinaciji s drugim legirajućim elementima, u konstrukcijskim čelicima sprečava smanjenje žilavosti. Javlja se u koli činama od 0.2% do 0.5%.

Bakar Povećava otpornost čelika protiv korozije tako da je obvezatno prisutan u tzv. čelicima otpornim na koroziju.

21


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA Vanadij Povećava 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.

22


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA 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%).

Građevinski čelici za nosive konstrukcije su ugljični čelici s postotkom ugljika <0.25%.

23


5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKE

24



25



26



27


5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKE Strukture čelika

28


5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKE Strukture lijeva

29


5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKE Dvofazna legura željeza FERIT PODRUČJE GRAĐEVINSKIH ČELIKA

0.10 – 0.25 % C

30


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Elastično izduženje εel

Plastično izduženje ε pl

Početak suženja (kontrakcije) poprečnog presjeka

600 500 Područ je tečenja

] a P 400 M [ σ

e 300 j n a z e r p a 200 N

Izduženje pri lomu δ

E = σε

100

δe

Izduženje prije suženja δg

0 0

5

10

15

Relativna deformacija

20

25

[%] 31


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA 430

Područ je tečenja 420

] a P 410 M [ σ

a j n a t š u p o p a c 380 i n a r g a 370 j n r o 0.4 G

e 400 j n a z e r p a 390 N

a j n a t š u p o p a c i n a r 0.9 g a j n o D

1.4

1.9

Relativna deformacija

2.4

2.9

[%]

32


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Određivanje mehaničkih i kemijskih svojstava čelika vrši se putem sljedećih metoda: a) Mehani č ka ispitivanja: • • • • • • • • •

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,

b) Ispitivanja bez ošteć enja materijala:

• • • •

Magnetsko ispitivanje, Ispitivanje ultrazvukom, Ispitivanje rendgenskim zrakama, Ispitivanje γ zrakama,

c) Ispitivanja sastava materijala:

• • • •

Kemijska analiza, Spektralna analiza, Ispitivanje iskrenja pri brušenju, Metalografski pregledi – mikroskopski.

33


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Vlačno ispitivanje Ispitivanje epruveta na vlak provodi se u skladu s EN 10002-1.

Lo=50

R 1 0

2 1

0 1 φ 25

4

Lc=55

Proporcionalna okrugla epruveta

φ

4

25

L 0 50 = =5 d 0 10

34


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Vlačno ispitivanje

35


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Vlačno ispitivanje Static test, 16 MPa/s FE 510

S1 S2 S3 S4

500

400 ] a P M [300 s s e r t S 200

100

0 0

1

Strain

2

36


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 plasti čne deformacije. U tom slu čaju granica popuštanja f y poklapa se sa čvrstoćom materijala f u. Ova pojava naziva se krti lom. Svojstvo da materijal zadr ži plastična svojstva i pod nepovoljnim uvjetima zove se Ž I L A V O S T.

37


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Ispitivanje žilavosti r

Udarni rad bata: h1

E = G ⋅ ( h1 − h2 )

α1

α2

h2

Žilavost izmjerena na Chapy-evom uređaju: ak

=

E Az

⎡ J ⎤ ⎢⎣ cm2 ⎥⎦

ak – nije definirana fizikalna veličina nego samo mjera za određivanje sklonosti krtom lomu 38


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Ispitivanje žilavosti

Epruveta za ispitivanje po Charpy-u 39


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.

40


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.

Mjera Brinell-ove tvrdoće: HB =

0.102 ⋅ F 2 = 0.102 ⋅ F ⋅ A πD D − D 2 − d 2

(

) 41


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Ispitivanje tvrdoće po BRINELL-u (ROCKWELL-u)

42


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Ispitivanje tvrdoće po VICKERS-u Ispitivanje tvrdoće čelika po Vickers-u obavlja se utiskivanjem dijamantne piramide (s kutom 136°) određenom silom F (N).

43


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Ispitivanje tvrdoće po VICKERS-u

44


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.

45


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Magnetsko ispitivanje Magnetsko ispitivanje služi da se otkriju eventualne pukotine u strukturi čelika.

46


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Ispitivanje ultrazvukom Ispitivanje ultrazvukom služi nam za otkrivanje pukotina u materijalu i to naj češće u dodatnom materijalu (zavaru).

47


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA Metalografski pregledi – mikroskopski

48


Ponašanje čelika pri visokim temperaturama

- dijagram pri visokim temperaturama

Redukcija granice popuštanja pri visokim temperaturama

Redukcija modula elastičnosti pri visokim temperaturama

49


Starenje čelika

50


51


Utjecaj brzine prirasta optere ćenja

52


7. UMORNOST MATERIJALA

53



54



55


7. UMORNOST UMORNOST MATERIJALA MATERIJALA – WÖHLEROVA WÖHLEROVA LINIJA LINIJA

56


7. UMORNOST MATERIJALA – WÖHLEROVA LINIJA

57



58



59


7. UMARANJE PRI KONSTANTNIM AMPLITUDAMA

60


7. UMARANJE PRI KONSTANTNIM AMPLITUDAMA

NAPREZANJE → VIJEK TRAJANJA (LOM) 61


7. UMARANJE PRI VARIJABILNIM AMPLITUDAMA

62



63



NAPREZANJE → HIPOTEZA AKUMULACIJE OŠTEĆENJA → VIJEK TRAJANJA (LOM)

64


7.1 SIGURNOST PRI UMORU

65



66



67



68


8. VRSTE GRAĐEVINSKIH ČELIKA Standardne kvalitete

69


8. VRSTE GRAĐEVINSKIH ČELIKA

70



71



72



73



74



75



76



77



78



79



80


III. KONSTRUKCIJE IZ ALUMINIJSKIH LEGURA UVOD

81


REZERVE SIROVINA

82


PODRUČJE PRIMJENE

83


OSNOVNI MATERIJAL

84


PROIZVODNJA ALUMINIJA

85


MEHANIČKE OSOBINE

86


III. OSTALI METALI U GRAĐEVINARSTVU OLOVO

87


BAKAR

88


CINK

89


BRONZA

90

GRADJEVINSKI CELICI

Recommend Documents