Legure i Oznake

СПЕЦИЈАЛНЕ МЕТАЛНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ - ГРАЂЕВИНАРСТВО НОВИ САД

2015

VEŽBE 2 - Legure, oznake, zavarivanje (Radna verzija) verzija) 2.1 Legure

Kao što je ranije rečeno, aluminijum se najčešće legira drugim metalima, da bi mu se poboljšala mehanička svojstva. Aluminijumske legure su podeljene u sedam grupa, ili serija, zavisno od glavnog legirajućeg elementa. Prvi cifra broja legure označava kojoj grupi legura pripada, dok ostale tri uglavnom nemaju posebno značenje. Serije se mogu navoditi kolektivno, stavljajući xxx posle prve cifre, npr. 5xxx. Ponekad se malo izmenjena verzija postojeće legure obeležava sa "A" da bi se razlikovala od originalne (npr. 5154 i 5154A). Postoji i serija 8xxx koja se ne uklapa u ostalih sedam, ali se ne koristi u građevinarstvu. 1xxx serija legura Materijali u ovoj grupi sadrže čist aluminijum u odrećenom rasponu čistoće. Treća i četvrta cifra oznake legure definišu čistoću, označavajući minimalan procenat aluminijuma preko 99%. Tako 1050 označava materijal sa najmanje 99,50% čistoće. Ove legure se biraju kada je otpornost otpornost na koroziju presudna kao npr u hemijskim fabrikama. Što je veća čistoća, veća je otpornost na koroziju, ali manja čvrstoća. Češće se zbog svoje izrazite duktilnosti koristi za folije i sl. 2xxx serija legura Osnovnlegirajući element je bakar. Tipičan primer je 2014, sa sastavom Cu (4 -4,58%), Si (0,60,9%), Mn (0,4-1,2%), Mg (0,5-0,9%), dajući tipične zatežuće čvrstoće od 460MPa. Ove legure zahtevaju termički tretman u rastvoru, ali mogu preći mehaničke osobine čelika S235. Tipične legure iz ove grupe su 2017,2024,2014 i 2011. Generalno imaju ograničenu deformabilnost i manju otpornost na koroziju od ostalih grupa. Takođe se teže zavaruju. Legure iz ove grupe su posebno korišćene za vojne svrhe i avioindustriju. 3xxx serija legura Dodavanjem 1% mangana podiže se čvrstoća za prosečno 10 -15%, u odnosu na 1200, bez većih gubitaka na duktilnosti. Termički neobrađene, ove legure generalno nalaze svrhu tamo gde je potrebna veća čvrstoća nego kod 1200 a bez većih gubitaka u korozionoj k orozionoj otpornosti. Ne mogu se termički obrađivati. Kao konačan proizvod, ove legure se najčešće sreću kao trapezasti limovi za krovove (3105,3103) i paneli za vozila (3103). 4xxx serija legura Silikon se dodaje aluminijumskim legurama u količinama dovoljnim da prouzrokuje značajno snižavanje tačke topljenja. Iz ovog razloga ove legure se koriste isključivo za dobijanje žice za zavarivanje i materijala za lemljenje, gde su potrebne niže temperature topljenja nego kod osnovnog materijala. 5xxx serija legura 1


2015

Ova serija se najviše koristi u konstrukcijama od termički netretiranih legura. Termički se ne obrađuju. Osnovni legirajući element je magnezijum, čiji sadržaj varira između 1 i 5%. Često se dodaje i mangan. Otpornost na koroziju je uglavnom odlična, iako je moguće da snažnije verzije pate od abnormalne korozije kada se nalaze u toplim okruženjima. Ove legure se uglavnom pojavljuju u pločama ili limovima. U opsegu nižih čvrstoća unutar serije, poseduju dobru obradljivost i koriste se za limove. Na suprotnoj strani, (najjače legure u seriji), koriste se za zavarene ploče. Moguće čvrstoće na zatezanje prelaze 300N/mm2. Ipak, ove legure se malo koriste za ekstrudiranje, koje je moguće samo za O i F stanje, sa veoma malim čvrstoćama. Takođe, za ovu svrhu su značajno inferiornije od serije 6. Dobro su zavarljive, ali kada Mg pređe 3% postoji tendencija za naponsku koroziju, zavisno od temperature rada i temperaturnog tretmana. 6xxx serija Ove legure se mogu termički obrađivati. Koriste kombinaciju legirajućih elemenata : magnezijum-slicijum. Tipični predstavnici su 6061,6063 i 6082 koji se koriste za konstrukcije viskogradnje. Od termički obradivih, imaju najveću proizvodnju u tonama. Kombinuju umerene čvrstoće sa dobrom dobrom korozionom otoprnošću otoprnošću i odličnom mogućnošću ekstrudiranja. ekstrudiranja. Lako se zavaruju, ali postoji značajno opadanje mehaničkih osobina u zoni uticaja toplote - ZUT. Ugrubo se legure mogu podeliti na jači i slabiji tip. Jači tip materijala 6xxx u T6 stanju se ponekad naziva mekim čelikom aluminijuma, zbog toga što je prirodan izbor za konstrukcijske elemente. Zapravo, ovaj materijal je slabiji od čelika S235, sa sličnom granicom tečenja (250N/mm2), ali značajno manjom čvrstoćom na zatezanje zatezanje (300N/mm2). (300N/mm2). Takođe je manje duktilan. Slabiji tip 6xxx legura, koji se uglavnom ne nudi u obliku limova i ploča, je više nego odličan za ekstrudiranje. On je pogodniji za ekstrudirane tankozidne i komplikovane preseke od bilo koje druge legure, i logičan je izbor za elemente u kojima se ne javljaju veliki naponi, posebno kada se traži dobra površinska obrada. Tipični primeri su kada je dizajn uslovljen upotrebljivošću (pre nego nosivošću) kao što je slučaj sa mnogim arhitektonskim elementima, ili kada je zamor kritičan, kao što je slučaj kod vagona. 7xxx serija Ove legure kao legirajuće elemente prvenstveno sadrže zink i magnezijum. Kao i serija 6xxx, mogu biti u jačeg i slabijeg tipa. Jači tip sadrži najjače aluminijumske legure, sa zateznom čvrstoćom u T6 stanju i do 550 N/mm2. Upotreba ovih legura zbog komplikovanog dobijanja je uglavnom u avioindustriji. Imaju malu korozionu otpornost, loši su za ekstrudiranje i nepogodni za zavarivanje. Slabiji tip ovih legura je veoma razlišit od navedenog i u konstrukcijama je validna alternativa jačem tipu 6xxx materijala, posebno za zavarene konstrukcije. Ima bolje mehaničke osobine od 6xxx materijala, materijala, i ZUT omekšavanje kod šavova je manje ozbiljno. Ali korozivna otpornost, iako značajno bolja nego kod jačeg tipa 7xxx legura, nije jednako dobra kao kod 6xxx legura. Takođe postoji opasnost od naponske korozije. 2


3

2015


4

2015


2015

Uobičajeno je da posle brojnog simbola oznake legure stoji simbol koji označava metalurški stepen obrade. On se sastoji od slova i brojeva. Slova označavaju sledeće: F - grub stepen fabrikacije Ne postoji specijalna kontrola termičkih uslova niti je korišćeno ojačanje deformacijom. Mehaničke osobine ne mogu biti definisane ni garantovane za ovako obrađene elemente. - žaren Ovo je najduktilnije stanje. Stoga i sa najmanjom čvrstoćom. H - hladno obrađen Ovim postupkom može značajno da se poveća granica tečenja materijala, bez veće promene čvrstoće. Hx8 su materijali pune čvrstoće "full temper". Drugi broj, u ovom slučaju 8, govori koliko osmina pune čvrstoće je postignuto. Priv broj govori da li je bilo nekog termičkog tretmana (1-bez tretmana, 2 -žaren, 3-stabilizovan). W - očvrsnulo nestabilizovano stanje Nestabilno stanje čvrstoće materijala koji su spontano starili na sobnoj temperaturi posle termičkog tretmana. T - termički tretman Predstavlja one produkte koji su termički obraćeni, sa ili bez dodatnog hladnog ojačanja. Praćeno je brojem. Za građevinsku praksu od interesa su tri stanja: T4 zagrevano do čvrstog rastvora, praćeno prirodnim starenjem; T5 gašeno vazduhom, praćeno veštačkim starenjem (primenjivo samo za neke 6xxx legure); T6 zagrevano do čvrstog rastvora, praćeno veštačkim starenjem. 









• •

•

Temperaturni tretman se sastoji od zagrevanja materijala na 500⁰C, što dovodi do prelaska materijala u oblik čvrstog rastvora, a potom kaljenja. Odmah po kaljenju legirajući materijali ostaju rastvoreni, ali sa prolaskom vremena oni se taložu u grozdaste strukture, koje ometaju dislokaciju usled napona, time povećavajući čvrstoću materijala. Ovaj proces se naziva očvršćavanje. Očvršćavanje može biti prirodno, na sobnoj temperaturi tokom nekoliko dana, ili može biti veštačko, koje se odvija grejanjem na temperature 150 -180⁰C. Prednost veštačkog je da materijal na kraju postane jači (ali manje duktilan), i potrebno je manje vremena da bi se dobio. T6 je potpuno termički obrađeno stanje (najveća čvrstoća). T4 je duktilnije i bira se kada je obradljivost faktor. T5 se može zahtevati za veoma tanke ekstrudirane preseke, koji bi se veoma distorzirali ako bi se gasili vodom. Inače, kod legura serije 6 temperatura vode pri gašenju nije kritična, tako da se one mogu gasiti (hladiti, brzo) i sprejom. Kod nekih legura ove serije čak je moguće gašenje vazduhom, bez spreja, i opet dobiti korisne osobine.

5


2015

2.2 Zavarivanje

Tokom proteklih 30ak godina, zavarivanje je postalo uobičajen način spajanja aluminijumskih elemenata. Zavarivanje elektrodom se pokazalo beskorisnim kod aluminijuma, tako da se koristi zavarivanje pod zaštitom gasa. Dva postupka postupka su dostupna: MIG (metalni inertni gas) i TIG (Tungsten inertni gas) - MIG je rasprostranjeniji, posebno za veće konstrukcije, gde su geometrija šavova i priprema slični onima za konstrukcijski čelik. TIG se koristi za male šavove kod tankozidnih profila, i kod popravljanja MIG šavova. Standardni gas je argon, koji služi da zaštiti luk i istoljeni materijal od vazduha i tako spreči oksidaciju. Kod zavarivanja na gradilištu, potrebno je obezbediti šator ili kabinu da bi se zažtitilo oduvavanje gasa vetrom. Ovi tipovi zavarivanja zavarivanja se mogu koristiti koristiti kod većine vrsta aluminijuma, uključujući 1xxx,3xxx,5xxx i 6xxx seriju materijala. Nije dobro za legure 2xxx zbog prslina, niti za jaču vrstu 7xxx serije. Slabija vrsta 7xxx legura su zavarljive, ali zadovoljavajući rezultati zavise veoma od tehnike i iskustva.

6


2015

MIG zavarivanje je postupak sa jednosmernom strujom, gde je elektroda pozitivna. Slično je zavarivanju čelika pod CO2. Elektroda je u obliku žice, obično 1,5mm prečnika. Snabdeva se automtski kroz pištolj pištolj do luka dok dok se zavaruje. Gorionik, koji koji je hladjen vodom je dosta dosta komplikovan s obzirom da treba da dovede 4 stvari simultano: električnu struju, žicu, argon i vodu. MIG se koristi za limove deblje od 4 ili 5 mm. Sa druge strane gorionik je "poluatomatski", to jest pri udaljavanju od materijala, smanjuje se stepen sagorevanja, tako da se održava tačna dužina luka automatski. Ovo čini ovu vrstu zavarivanja relativno lakom.

TIG je proces sa dvosmernom strujom. Gorionik koji se opet hladi vodom ima netrošivu elektrodu tungstena, tungstena, i kao kod MIGa obezbeđuje obezbeđuje protok argona. argona. Međutim, kod ovog procesa procesa žica se drži u drugoj ruci i dodaje zasebno. Ovaj postupak zahteva više veštine nego MIG, da bi se istovremeno mogli kontrolisati luk i dodavati žica (dodatni materijal). Koristi se za debljine limova do 6mm. Dodatni materijal treba da izabere projektant, a ne da se ta odluka prepusti proizviđaču. Njegov izbor najviše zavisi od vrste osnovnog materijala. Ponekad u obzir dolazi više legura za dodatni materijal, pa izbor zavisi od toga koji od sledećih faktora je najvažniji: čvrstoća šava, otpornost na koroziju ili prevencija prslina. Moguće legure za ispunu delimo u četiri tipa, označene da odgovaraju seriji kojoj p ripadaju: Tip 1 - čist aluminijum Tip 3 - Al-Mn Tip 4 - Al-Si Tip 5 - Al-Mg Kod izbora tipa 1 treba uskladiti čistoću aluminijuma sa osnovnim osnovnim materijalom. Prednost tipa 4, kada se koristi za zavarivanje serija 1xxx,3xxx ili 6xxx je njegova sposobnost da spreči prsline. Uglavnom preferirani izbor je 4043A (oko 5% Si). Za još bolju kontrolu prislina može se umesto ove koristiti 4047A (oko 12% Si), ali se gubi na otpornosti na koroziju. Tip 4 ne pruža nikakvu otpornost na prsline ako se koristi sa osnovnim materijalom koji sadrži više od 2% Mg, pa su stoga nepoželjne za upotrebu kod 5xxx i 7xxx materijala. Kada su spojevi između 7xxx legura ili jače forme 5xxx (recimo 5083), a primarni zahtev je jačina šava, najbolji materijal za ispunu je 5556A (ili ekvivalentan). Za druge 5xxx osnovne materijale, precizan izbor legure za ispunu nije toliko kritičan. Kao opšte pravilo, sastav legure za ispunu bi trebao da otprilike odgovara (podudara se) onom od osnovnog materijala. Manji procenti Mg će dati slabije šavove, a veoma legiran materijal za ispunu će dovesti do problema u potencijalno korozivnim sredinama. Kontrola šavova i zahtevani njihov stepen zavisi od kvaliteta šava koji projektant želi da postigne. Postoje tri kvaliteta:

7


2015

1. Minimalni kvalitet (on je dozvoljen kada iskorišćenost preseka na mestu nastavka nije već a od 1/3 i kada zamor nije faktor. 2. Normalni kvalitet se zahteva kada nema opasnosti od zamora mateijala, a sila koja se prenosi je prevelika za minimalni kvalitet. Može se koristiti i kod nastavaka opterećenih na zamor, ako je klasa zamora 20 ili ispod. 3. Najviši kvalitet se koristi kada je zamor faktor pri proračunu, a zahtevana klasa otpornosti na zamor je 24 ili viša. Tipovi inspekcije šavova su več poznati, isti su onima za čelik. To su : 1) Vizuelna kontrola pre zavarivanja (stanje površina, priprema, naleganje,itd.) 2) Vizuelna kontrola posle zavarivanja (geometrija šava, diskontinuiteti, ravnanje, itd.) 3) Nedestruktivne metode ispitivanja penetrantska metoda ultrazvučna radiografska 4) Destruktivne metode - uzimanje uzoraka iz posebnih komada za testiranje, koji su šavareni u isto vreme i reprezentuju tehniku i uslove u originalnom šavu. • • •

Bez posebnog zadržavanja pomenuće se još jedna sve rasprostranjenija metoda zavarivanja, koja ipak ima svoja ograničenja, ali i prednosti.To je zavarivanje trenjem (friction -stir welding). Smišljeno je Smišljeno je tek 1991 u Velikoj Britaniji. Nastavci dobijeni ovim tipom zavarivanja su ravni sa obe obe strane i po sebi imaju karakterističnu šemu brazdi ("kolutovi luka - onion ring" strukturu). Proces je uspešno korišćen na pločama debljina od 3 do 12mm. Treba još naglasiti da iz skromnih dosadašnjih testova ovog načina zavarivanja, može se konstatovati da su njegove prednosti višestruke kada se radi o izgledu, jačini šava, otpornosti na zamor, veličini zrna, količini utrošene energije, pripremi, kao i činjenici da nije potreban odabir dodatnog materijala, jer on kod ovog zavarivanja i ne postoji. Osnovna mana je konstrukcija mašine, tj njena cena, kao i činjenica da ostaju rupe sa dve strane na mestima gde je obrtna glava ušla i izašla iz materijala. Spajanje aluminijumskih ploča ploča je moguće i lepljenjem, ali pošto ono ne spada u zavarivanje, zavarivanje, a i ne postoji odgovarajuća tehničke regulativa, ovde neće biti dalje pominjano.

8


2015

2.3 ZUT

Već je pomenuto da da aluminijumske legure imaju značajan značajan pad mehaničkih osobina u blizini šavova, usled povećanja temperature u materijalu tokom zavarivanja. Ovaj pad zavisi od termičke obrade materijala i stanja u kom se nalazi. Tako, za legure u stanju O ili F, nema pada proračunske čvrstoće. Ta svrhe proračuna se pretpostavlja da su mehaničke osobine umanjene jednako po ZUT. Čak i mali šavovi koji služe da vežu male dodatke elementu mogu značajno umanjiti otpornost celog preseka, usled prisustva ZUT. U dimenzionisanju grede često je blagotvorno locirati šavove blizu neutralne ose preseka, ili daleko od regiona sa velikim momentima savijanja. Prema EC9 efekti ZUTa se uvode u proračun umanjenjem umanjenjem čvrstoće i granice tečenja faktorima ρo,HAZ, i ρu,HAZ, (HAZ - heat affected zone = ZUT). Umanjenje granice tečenja je procentualno veće nego umanjenje zatezne čvrstoće. Zahvaćeni region se proteže svuda oko samog šava, dok izvan tog regiona se osobine čvrstoća brzo vraćaju na njihovu punu vrednost. Materijal vremenom usled prirodnog starenja vraća odrećeni deo čvrstoće, i vrednosti ρ o,HAZ, i ρu,HAZ se odnose na materijal nakon minimum 3 dana nakon zavarivanja za seriju 6xxx i 30 dana za seriju 7xxx. U Evrokodu se koristi metod efektivne debljine lima, što znači da će ć e se efekti omekšavanja u ZUT uračunati srazmernim smanjenjem debljine ploče za svrhe proračuna. Postavlja se pitanje kolika je dimenzija koja je zahvaćena ovim efektima. Ranije je važilo pravilo jednog inča, tj uzimalo se da je 2,5cm od šava u svim pravcima materijal izgubio svoja prvobitna svojstva, međutim ovo se pokazalo kao nesigurno. Tabela ispod pokazuje dužine prostiranja prema EC, a slika načina na koji se ove mere. Postoje specijalni uslovi kada se uzima veća dimenzija, što je navedeno u EC 9


2015

1991-1-1. Tako recimo ako se šav nalazi na manje od bHAZ od ivice konzolnog dela preseka, uzima se da se proteže celom dužinom konzolnog dela. Ovo se objašnjava slabijim prostiranjem toplote kroz materijal usled date geometrije. Takođe, temperatura u osnovnom materijalu između prolaza kod zavarivanja bi trebala da padne do ispod 60 stepeni Celzijusa, što je kod većih šavova diskutabilno, diskutabilno, a teško proverljivo. Kod TIG šavova će ova zona zona biti šira zbog većeg unosa toplote. Ako se ZUT dva šava preklapaju, usvaja se jedinstvena zona koja se proteže preko oba šava.

10

Legure i Oznake

Recommend Documents