Materiały budowlane
Technologia metali
Wykład 2
Tematyka wykładów
Wprowadzenie. Proces wytwarzania stali. Struktura stali. Przemiany
fazowe. Obróbka cieplna stali.
Stal  skład chemiczny, właściwości fizyczne i mechaniczne stali.
Badania cech mechanicznych stali. Gatunki stali.
Procesy spawalnicze. Spawalność stali. Naprężenia własne.
Technologia wytwarzania wyrobów stalowych. Asortyment wyrobów
stalowych. Zachowanie się stali w trudnych warunkach użytkowania.
Inne metale żelazne i metale nieżelazne  właściwości i zastosowanie.
Zaliczenie.
Stal jest wytwarzana w wyniku złożonych procesów
technologicznych, które mają istotny wpływ na jej
strukturę, skład chemiczny i różnorodne właściwości.
Właściwości fizyczne stali tylko w niewielkim stopniu zależą
od jej składu chemicznego, sposobu obróbki i wytrzymałości i
można je przyjmować jako stałe.
Właściwości mechaniczne stali jako podstawowe właściwości
przy ocenie jej przydatności dla projektowanego elementu
konstrukcyjnego, są znacznie bardziej zróżnicowane. Wynikają
one z procesu technologicznego, składu chemicznego stali oraz
obróbki: mechanicznej, cieplnej i cieplno-chemicznej, a dla ich
określenia wymagane jest prowadzenie badań
wytrzymałościowych stali różnych gatunków.
Właściwości fizyczne stali
Współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga)
E = 205  210 GPa
Współczynnik sprężystości poprzecznej G = 80 GPa
Gęstość masy: � = 7850 kg/mł
Współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej:
�T = 12�10-6 1/�C
Współczynnik Poissona (zależność pomiędzy
odkształceniami poprzecznymi i podłużnymi):
� = 0,30
Właściwości mechaniczne stali
Wytrzymałość na rozciąganie określana wielkością naprężenia
odpowiadającego największej sile obciążającej, uzyskanej w czasie
przeprowadzania próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego przekroju
poprzecznego badanej próbki.
Sprężystość rozumiana jako zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnej
postaci po zaprzestaniu działania na niego sił powodujących odkształcenie. W
zakresie naprężeń sprężystych obowiązuje prawo Hooke'a. Sprężystość
materiału określa:
współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga) E, który dla stali ma wartość w
granicach od 205 do 210 GPa
współczynnik sprężystości poprzecznej G (moduł Kirchhoffa), który dla stali ma wartość
80 GPa
Granica sprężystości określa maksymalne naprężenia po ustąpieniu których
materiał wraca do swoich pierwotnych wymiarów.
Plastyczność, czyli zdolność materiału do zachowania postaci odkształconej na
skutek naprężeń od obciążeń po zaprzestaniu ich działania. Są to odkształcenia
trwałe, które powstają po przekroczeniu wartości tzw. granicy plastyczności, po
przekroczeniu której następuje znaczny przyrost wydłużenia rozciąganej próbki,
nawet bez wzrostu a często przy spadku wartości siły rozciągającej.
Umownie przyjmuje się granicę plastyczności R0,2 dla wartości naprężenia, przy
którym trwałe wydłużenie próbki wynosi 0,2%.
Właściwości mechaniczne stali
Ciągliwość  zdolność materiału pozwalająca na zachowanie jego właściwości
podczas obróbki polegającej na jego tłoczeniu, zginaniu lub prostowaniu itp.
Właściwość ta wykorzystywana jest podczas produkcji wyrobów (np. blach
trapezowych, ościeżnic itp.). Ciągliwość sprawdza się, ustalając wydłużalność
(A5 w %) oraz wykonując próbę na zginanie i spęczanie na zimno.
Kujność  właściwość pozwalająca na dowolne formowanie stali w
temperaturze białego żaru, bez szkody dla wytrzymałości. Kujność stali obniża
się wraz ze wzrostem węgla.
Udarność, czyli zdolność stali do przenoszenia obciążeń pod uderzeniem.
Mierzy się pracą potrzebną do złamania znormalizowanej próbki młotem
Charpy ego. Praca ta jest miarą odporności stali na odkształcenia nagłe oraz
miarą jej kruchości. Odporność ta się zwiększa im struktura stali jest
drobniejsza i bardziej równomierna. Dlatego też walcowanie i obróbka cieplna
stali (ulepszanie) podwyższa jej udarność.
Twardość, czyli zdolność przeciwstawienia się materiału przy próbie wciskania
przedmiotów twardszych na bardzo małą powierzchnię próbki stalowej.
Twardość stali związana jest z zawartością węgla, manganu, chromu, niklu i
wolframu.
Spawalność, to cecha stali pozwalająca na wykonanie trwałych połączeń
przez spawanie.
Badania właściwości mechanicznych
Próba statyczna rozciągania stali
(wg PN-EN 10002-1+AC1)
- polega na osiowym rozciąganiu
próbek o ściśle określonych
kształtach w uchwytach specjalnych
maszyn, zwanych maszynami
wytrzymałościowymi lub
zrywarkami, pozwalającymi w
sposób ciągły zwiększać siłę od
zera do wartości, przy której
następuje zerwanie próbki.
Próba statyczna
rozciągania stali
Próbki do próby statycznej
rozciągania przed i po zerwaniu:
a) próbka okrągła z główkami,
b) próbka płaska z główkami
Zależności naprężenie  odkształcenie stali:
a) niestopowej i niskostopowej, b) o wysokiej wytrzymałości
Badania właściwości mechanicznych
Próba udarności stali
(wg PN-EN 10045-1)
- polega na złamaniu jednym uderzeniem
spadającego młota wahadłowego próbki z
karbem o znormalizowanym kształcie i
wymiarach, podpartej swobodnie na obu
końcach, i pomiarze energii zużytej na jej
złamanie (udarność KC w [J/cm2] lub praca
łamania K [J]).
Próba udarności stali
W próbkach mogą wystąpić trzy rodzaje
złomów:
a) poślizgowy  próbka zostaje zgięta, a
pęknięcie nastąpiło po przekroczeniu
granicy plastyczności, tj. po wystąpieniu
znacznych odkształceń plastycznych;
b) kruchy  próbka pękła nie ulegając
odkształceniom plastycznym;
c) z rozwarstwieniem  wskazuje to na
duży stopień anizotropii materiału
(spowodowanej np. obróbką plastyczną)
lub na obecność zanieczyszczeń.
Miejsce wycięcia próbek do badań materiałowych
STRUKTURA STALI
STALE STOPOWE
Oprócz żelaza i węgla zawiera inne składniki, dodawane
STALE W
GLOWE (NIESTOPOWE)
w celu uzyskania potrzebnych właściwości.
Głównym składnikiem obok
Stal jest stopowa, jeżeli zawartość przynajmniej
jednego z pierwiastków jest większa od:
żelaza jest węgiel
0,8% Mn, 0,4%Si, 0,3% Ni, 0,3% Cr, 0,2% Cu, 0,2% W,
0,2% Co, 0,05% V, 0,05% Ti, 0,05% Mo i 0,1% Al.
" stal wysokostopowa: Ł pierwiastków >5%
" stal wysokowęglowa: C>0,6%
" stal średniostopowa: Ł pierwiastków =1,5�5%
" stal średniowęglowa: C=0,25�0,6%
" stal niskowęglowa: C<0,25%
" stal niskostopowa: Ł pierwiastków <1,5%
Stale stosowane na konstrukcje budowlane
Wpływ składu chemicznego na właściwości stali:
W
GIEL - C jest podstawowym
składnikiem stali. Wraz ze
wzrostem zawartości węgla w stali
zwiększa się twardość, granica
plastyczności i wytrzymałość
doraz
na. Obniżają się natomiast
właściwości plastyczne stali:
udarność, wydłużenie i
przewężenie. Przy podgrzaniu stali
zwiększa się jej hartowność i
skłonność do rozrostu ziarn. Stal
na konstrukcje spawane zawiera
do 0,22% C, ale za spawalną
uważa się stal o zawartości do
0,30% C.
1 - wydłużenie
2 - przewężenie
3 - udarność
 MANGAN  Mn w stali węglowej jest wprowadzany głównie
w celu związania siarki (siarczki manganu) oraz tlenu. W stali
niskostopowej mangan, przy ilości > niż 0,8%, działa
podobnie jak węgiel, tzn. zwiększa wytrzymałość,
hartowność i skłonność do rozrostu ziarn, ale też przy ilości
do 2% zwiększa udarność. Wysokostopowa stal manganowa
jest odporna na ścieranie. Dopuszczalną zawartość
manganu ustala się w stali w zależności od ilości węgla,
gdyż ma to wpływ na spawalność stali.
 KRZEM  Si w stali węglowej pełni funkcję odtleniacza.
Krzem zwiększa twardość, wytrzymałość na rozciąganie, a
zwłaszcza sprężystość stali, wpływa natomiast
niekorzystnie na jej wydłużenie, przewężenie, udarność i
spawalność. Jednak niewielka zawartość Si zwiększa
wytrzymałość na rozciąganie i granice plastyczności, tylko
nieznacznie pogarszając ciągliwość.
ALUMINIUM  Al działa odtleniająco, wiążąc gazy
(zwłaszcza tlen i azot), zmniejsza w ten sposób tendencję
stali do starzenia się. Dodatek aluminium 0,02% hamuje
rozrost ziarn austenitu oraz gwarantuje wysoki stopień
uspokojenia stali, zapewniając wysoką jej udarność oraz
odporność na kruche pękanie w obniżonej temperaturze.
 CHROM  Cr, podobnie jak Mn, zwiększa twardość stali,
jej wytrzymałość na rozciąganie oraz granicę plastyczności
i sprężystości, obniżając nieznacznie wydłużenie i
przewężenie. Chrom tworzy z węglem trwałe węgliki, przez
co zwiększa odporność stali na ścieranie. Większe ilości
chromu powodują odporność stali na utlenianie (tworzą się
wówczas na powierzchni elementu szczelne warstewki
tlenków).
NIKIEL  Ni, podobnie jak Cr, opóz
nia rozrost ziarn
austenitu, zwiększa hartowność, twardość i wytrzymałość
stali, a także wpływa dodatnio na jej ciągliwość i udarność
w niskiej temperaturze.
NIOB  Nb polepsza spawalność stali
TYTAN  Ti zwiększa wytrzymałość stali
 WANAD  V tworzy bardzo trwałe i liczne węgliki, które
rozmieszczone w płynnej stali działają jako ośrodki
krystalizacji i nadają jej drobnoziarnistą strukturę. Dzięki
twardym węglikom zwiększa się odporność na ścieranie.
Ponadto już przy małych ilościach (0,15  0,30%) wywiera
dodatni wpływ na właściwości mechaniczne stali, wybitnie
zwiększając jej sprężystość, wytrzymałość i udarność, a
zachowując przy tym dobrą jej ciągliwość. Zwiększa też
odporność stali na korozję.
MIEDy
 Cu dostaje się do stali ze złomu i znajduje się
prawie w każdej stali w ilości 0,1  0,2%. Większa ilość
miedzi zwiększa odporność stali na korozję, a ponadto z
dodatkiem Cr i Ni podwyższa jej wytrzymałość na
rozciąganie i granice plastyczności.
MOLIBDEN  Mo dodawany do stali w ilości 0,2-0,3%
powoduje zwiększenie jej hartowności i wytrzymałości oraz
granic plastyczności i sprężystości. Ponadto zwiększa
wytrzymałość stali na pełzanie.
 FOSFOR - P składnik szkodliwy, dostaje się do stali z surówki oraz ze
złomu. Trudno go usunąć, gdyż wiąże się z żelazem, tworząc grube
żyły fosforków na granicach ziarn. Fosfor nieznacznie zwiększa
wytrzymałość stali, ale silnie obniża jej plastyczność i udarność,
powoduje też kruchość na zimno. Zawartość fosforu ogranicza się w
stalach spawalnych do 0,05%, a w stalach jakościowych od 0,03 do
0,04%.
SIARKA  S składnik szkodliwy, dostaje się do stali z surówki i ze
złomu i nie można jej całkowicie usunąć. Siarka w jeszcze większym
stopniu niż fosfor wykazuje dużą skłonność do segregacji, rozdzielając
się nierównomiernie w różnych częściach wlewka. Siarka tworzy z
żelazem siarczek żelaza, powodujący kruchość stali na gorąco, co
objawia się powstawaniem pęknięć w czasie obróbki plastycznej na
gorąco. W stalach zawartość siarki ogranicza się do 0,03-0,06%, gdyż
przy ilości 0,1% w czasie spawania powstają w spoinach pęcherze
wskutek reakcji z wodorem (zawartym w otulinie elektrod).
AZOT  N zwiększa wprawdzie wytrzymałość stali, ale równocześnie
zmniejsza jej ciągliwość; wspólnie z tlenem powoduje starzenie stali
TLEN  0 wspólnie z azotem powoduje starzenie stali; powoduje
wyraz
ne obniżenie się udarności stali po uprzednim jej obciążeniu
powyżej granicy plastyczności (np. przez zginanie na zimno), bez
wyraz
nej zmiany wytrzymałości i wydłużenia)
Wpływ składu chemicznego stali
na spawalność metalurgiczną:
Równoważnik węgla:
Ce= C +Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
Ce<0,42% - stal jest łatwo spawalna,
Ce=0,42-0,60% - stal jest średnio spawalna, dla grubszych
elementów (>30mm), wymagane jest ich podgrzewanie do
ok.200�C przed spawaniem,
Ce>0,60% - stal jest trudno spawalna
System oznaczania stali (wg PN-EN 10027-1)
Symbole dodatkowe oznaczania stali
Grupa 1: Oznaczenie grup jakościowych
Grupa 2: Cechy gatunku stali:
C  stal do formowania na zimno,
H  stal na kształtowniki zamknięte,
L  stal do stosowania w niskich temperaturach,
M  stal walcowana termomechanicznie,
N  stal normalizowana lub walcowana normalizująco
Q  stal do ulepszania cieplnego
W  stal odporna na korozję atmosferyczną
Symbole dodatkowe wyrobu stalowego
+Z15  wyrób o podwyższonych właściwościach
plastycznych w kierunku prostopadłym do powierzchni
wyrobu: minimalne przewężenie wynosi 15%;
+Z25  wyrób o podwyższonych właściwościach
plastycznych w kierunku prostopadłym do powierzchni
wyrobu: minimalne przewężenie wynosi 25%;
+Z35  wyrób o podwyższonych właściwościach
plastycznych w kierunku prostopadłym do powierzchni
wyrobu: minimalne przewężenie wynosi 35%;
Gatunki stali
konstrukcyjnych
PN-EN 10025
PN-EN 10210-1 PN-EN 10219-1
Wyroby walcowane
Stale do kształtowników Stale do kształtowników
zamkniętych (rur) zamkniętych (rur)
na gorąco ze stali
walcowanych na gorąco giętych na zimno
konstrukcyjnych
Gatunki stali konstrukcyjnych
wg PN-EN 10025
Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych
Część 1  Ogólne warunki dostawy stali konstrukcyjnych
Część 2  Stale konstrukcyjne niestopowe
Część 3  Stale konstrukcyjne drobnoziarniste po
normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym
Część 4  Stale konstrukcyjne drobnoziarniste po
walcowaniu termomechanicznym
Część 5  Stale konstrukcyjne trudnordzewiejące
Część 6  Stale o podwyższonej granicy
plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie
PN-EN 10025-2  Stale konstrukcyjne niestopowe
" Mogą być dostarczane jako gatunki: S235, S275, S355, S450.
" Gatunki S235 i S275 mogą wystąpić jako grupy jakościowe JR, J0, J2;
" Gatunek S355 jako grupa jakościowa JR, J0, J2, K2;
" Gatunek S450 jako grupa jakościowa J0;
" Stale dostarczane są jako półuspokojone lub uspokojone;
" Kształtowniki i blachy mogą być dostarczone jako:
- walcowane (bez jakichkolwiek wymagań co do warunków walcowania
i obróbki cieplnej) +AR ;
- normalizowane +N;
- kształtowane termomechanicznie +M
Przykłady: S235JR+AR, S355K2C+N
PN-EN 10025-3  Stale konstrukcyjne drobnoziarniste
po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym
" Mogą być dostarczane jako gatunki: S275, S355, S420 i S460.
" Wszystkie gatunki mogą należeć do grupy jakościowej N (z określoną minimalną
wartością pracy łamania w temp. nie niższej niż -20�C) lub grupy jakościowej NL (z
określoną minimalną wartością pracy łamania w temp. nie niższej niż -50�C) ;
" Gatunki stali S275 i S355 są w tym przypadku niestopowymi stalami jakościowymi;
" Gatunki stali S420 i S460 są stopowymi stalami specjalnymi (niewielki dodatek Nb,
V, Ni, Cr)
" Wyroby mogą być dostarczone w stanie znormalizowanym (lub jako walcowany z
normalizowaniem), a dodatek aluminium zapewnia całkowite uspokojenie tych stali
Przykłady: S275N, S420NL+Z35
Oznaczenie Minimalne wartości pracy łamania [J] w badaniu udarności na próbkach wzdłużnych z
karbem V dla stali normalizowanych w temperaturze badania [�C]
+20 0 -10 -20 -30 -40 -50
N 55 47 43 40* - - -
NL 63 55 51 47 40 31 27
* Wartość odpowiadającą 27J w temp. -30�C
PN-EN 10025-4  Stale konstrukcyjne drobnoziarniste
spawalne po walcowaniu termomechanicznym
" Mogą być dostarczane jako gatunki: S275, S355, S420 i S460.
" Wszystkie gatunki mogą należeć do grupy jakościowej M (z określoną
minimalną wartością pracy łamania w temp. nie niższej niż -20�C) lub grupy
jakościowej ML (z określoną minimalną wartością pracy łamania w temp. nie
niższej niż -50�C) ;
" Wszystkie stale w tej grupie są stalami uspokojonymi
" Wyroby mogą być dostarczone po walcowaniu termodynamicznym (nie
mogą podlegać póz
niejszemu kształtowaniu na gorąco)
Przykłady: S355M, S460ML+Z25
Oznaczenie Minimalne wartości pracy łamania [J] w badaniu udarności na próbkach wzdłużnych z karbem
V dla stali walcowanych termomechanicznie w temperaturze badania [�C]
+20 0 -10 -20 -30 -40 -50
M 55 47 43 40* - - -
ML 63 55 51 47 40 31 27
* Wartość odpowiadającą 27J w temp. -30�C
PN-EN 10025-5  Stale trudnordzewiejące
" Mogą być dostarczane jako gatunki: S235, S355.
" Gatunki te mogą wystąpić jako grupy jakościowe J0, J2 i K2;
" Gatunek S355 podzielono na klasy W i WP, które różnią się głównie zawartością
węgla i fosforu oraz możliwościami dostawy;
" Stale S355J0WP i S355J2WP są dostarczane w przypadku płaskich wyrobów tylko
do gr. 12mm, a w przypadku kształtowników do nominalnej grubości nie większej od
40mm;
" Pozostałe stale w tej grupie są dostępne w większym zakresie grubości wyrobów;
" Stale trudnordzewiejące mają podwyższoną odporność na korozję atmosferyczną,
uzyskaną przez dodatek takich pierwiastków stopowych jak P, Cu, Cr, Ni, Mo lub in.
Działanie tych składników stopowych objawia się tworzeniem na powierzchni stali
ochronnej warstwy tlenków, zabezpieczającej przed dalszym postępem korozji;
" Kształtowniki i blachy mogą być dostarczone jako:
- walcowane +AR ;
- normalizowane +N;
Przykłady: S235J0W+AR, S355K2W+N Z25
PN-EN 10025-6  Stale o podwyższonej granicy
plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie
" Mogą być dostarczane jako gatunki: S460, S500, S550, S620, S690, S890 i S960.
" Wszystkie gatunki mogą stanowić grupę jakościową Q bez dodatkowego
oznaczenia literowego (z określoną minimalną wartością pracy łamania w temp. nie
niższych niż -20�C), grupę QL (z określoną minimalną wartością pracy łamania w
temp. nie niższej niż -40�C) lub grupy jakościowej QL1  oprócz gatunku S960 (z
określoną minimalną wartością pracy łamania w temp. nie niższej niż -60�C);
" Wszystkie stale w tej grupie są stalami uspokojonymi;
" Stale o podwyższonej granicy plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie
poddawane są obróbce składającej się z hartowania i odpuszczania;
" Są to stale z dodatkami stopowymi (Nb, V, Ti)
Przykłady: S460Q, S460QL1
Oznaczenie Minimalne wartości pracy łamania [J] w badaniu udarności na próbkach
wzdłużnych z karbem V dla stali ulepszonych cieplnie w temperaturze
badania [�C]
0 -20 -40 -60
Q 40 30 - -
QL 50 40 30 -
QL1 60 50 40 30
PN-EN 10210-1  Stale do kształtowników zamkniętych
(rur) walcowanych na gorąco
" Walcowane na gorąco kształtowniki zamknięte (rury o przekroju okrągłym,
kwadratowym, prostokątnym i eliptycznym) wykonuje się ze stali niestopowych oraz
ze stali drobnoziarnistych po normalizowaniu (lub walcowaniu normalizującym);
" Gatunki, grupy jakościowe i symbolika oznaczania tych stali są zbliżone do stali
opisywanych normą PN-EN 10025-2, ale w oznaczeniach na końcu umieszczana
jest litera H, wskazująca na zastosowanie rury;
" Skład chemiczny jest jednak nieco inny niż w stalach wg PN-EN 10025-2, co wpływa
na niewielkie różnice we właściwościach mechanicznych.
Przykłady: S275JRH, S355J2H
PN-EN 10219-1  Stale do kształtowników zamkniętych
(rur) walcowanych na zimno
" Kształtowniki zamknięte wykonywane w procesie gięcia na zimno, ze szwem,
wykonywane są ze stali niestopowych, stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych po
normalizowaniu (lub walcowaniu normalizującym) i ze stali drobnoziarnistych po
walcowaniu termomechanicznym;
" Gatunki, grupy jakościowe i symbolika oznaczania tych stali są zbliżone do stali
opisywanych normą PN-EN 10025-2, PN-EN 10025-3 i PN-EN 10025-4, ale w
oznaczeniach na końcu umieszczana jest litera H, wskazująca na zastosowanie rury;
" Kształtowniki zamknięte, gięte na zimno, mają grubości ścianek do 30mm.
Przykłady: S275NH, S355MLH
Granica plastyczności fy i wytrzymałość
Równoważnik węgla Ce (CEV)
na rozciąganie fu dla wybranych zakresów
dla wybranych zakresów grubości elementów
grubości elementów
Porównanie
właściwości
mechanicznych
różnych gatunków
stali


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
CHEMIA materiały dodatkowe
Analiza samobójstw w materiale sekcyjnym Zakładu Medycyny Sądowej AMB w latach 1990 2003
1 Materiały tymczasowe
Materiały pomocnicze Krzysztof Żywicki
MaterialyWyklad6,7Geologia
materials
notatek pl dr in Jaros aw Chmiel, Nauka o materia ?h, Przemiany podczas odpuszczania
Nauka o materiałach 2 VI
12 Wykonywanie sterylizacji instrumentów, materiałów
exams materials?emstr tb05
material
materialy?
us intelligence exploitation of enemy material 2006
WDIS Materialy 4
Ćwiczenie laboratoryjne nr 6 materiały

więcej podobnych podstron