ΧΑΛΥΒΑΣ ΚΑΙ ΑΛΛΑ ΜΕΤΑΛΑ ΜΕΡΟΣ Α. ΣΙΔΗΡΟΣ-ΧΑΛΥΒΕΣ

Transcript

1 Φ. Καραντώνη ΧΑΛΥΒΑΣ ΚΑΙ ΑΛΛΑ ΜΕΤΑΛΑ ΜΕΡΟΣ Α. ΣΙΔΗΡΟΣ-ΧΑΛΥΒΕΣ Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 1 χυτοσίδηρος, iron Severn bridge (30,5m) Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 2 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 1

2 χάλυβας, 300m, Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 3 CCTV, Πεκίνο, 2008 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 4 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 2

3 Χάλυβας οπλισμών Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 5 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 7 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 3

4 άτομα (Β) A. κρυσταλλικό πλέγμα B. κυψελίδα πλέγματος (Α) Η µάζα ενός µεταλλικού τεµαχίου αποτελείται από πολλούς κρυστάλλους, τους «κόκκους» Σε κάθε κόκκο, τα άτοµα είναι διατεταγµένα µε µία γεωµετρική µορφή Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 8 Σε μια δομή μετάλλου έχουμε: Τους κόκκους του µετάλλου µε την κανονική κρυσταλλική δοµή τους Τις επιφάνειες που ενώνονται οι κόκκοι µεταξύ τους, οι οποίες αποτελούν περιοχές ακαταστασίας της κρυσταλλικής δοµής. Όσο µικρότεροι είναι οι κόκκοι ενός µεταλλικού τεµαχίου, τόσο καλύτερες είναι οι µηχανικές του ιδιότητες Κράματα ανάμειξη μετάλλων ώστε να επιτευχθούν καλύτερες ιδιότητες Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 9 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 4

5 1. Ιδιότητες μετάλλων υψηλή μηχανική αντοχή μεγάλη σκληρότητα ευτηκτότητα σε υψηλά σημεία τήξης ελαστικότητα και πλαστιμότητα καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού καλοί αγωγοί της θερμότητας είναι όλκιμα, δηλαδή μπορούν να δώσουν σύρματα είναι ελατά, δηλαδή μπορούν να δώσουν ελάσματα συγκολλητικότητα Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη Μονοαξονική φόρτιση Δοκιμή εφελκυσμού η περισσότερο κοινή δοκιμή στα μέταλλα φορτίο-μετακίνηση ή φορτίο-επιμήκυνση. Σχεδόν πάντοτε το φορτίο μετατρέπεται σε τάση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη Μικροί κόκκοι 12 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 5

6 Ελαστική παραµόρφωση 1. αρχική 2. μικρό φορτίο 3. αποφόρτιση bonds stretch επιµήκυνση δεσµών δ F ελαστική σηµαίνει αναστρέψιµη F Linear- γραµµική elastic ελαστική return επιστροφή to initial στην αρχική θέση δ Non-Linearelastic µη γραµµική ελαστική 15 Πλαστική Παραµόρφωση (µετάλλων) 1. αρχική 2. µεγάλο φορτίο 3. αποφόρτιση επιµήκυνση δεσµών και διάτµηση επιπέδων τα επίπεδα παραµένουν παραµορφω- µενα πλαστική σηµαίνει µόνιµη. δελαστική + πλαστική F F γραμμική ελαστική δπλαστικη δ πλαστική γραμμική ελαστική δ 17 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 6

7 πραγματική τάση θραύσης όριο αναλογίας όριο ελαστικότητας οριακή αντοχή Όριο θραύσης τάση θραύσης (αστοχία) τάση διαρροής ελαστική περιοχή διαρροή κράτυνση περιοχή στένωσης (δημιουργία λαιμού) ελαστική συμπεριφορά πλαστική συμπεριφορά σ=f/a Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 18 Μηχανικά χαρακτηριστικά δομικού χάλυβα Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 19 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 7

8 Στη διεύθυνση strstr.htm μπορείτε να κάνετε online πείραμα εφελκυσμού m Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 20 οριακή αντοχή μέτρο κράτυνσης φ μέτρο ελαστικότητας tanϕ = Ε = Ε 1 σ/ε=ε Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 23 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 8

9 χωρίς σαφές όριο διαρροής (κράμα αλουμινίου) f 0,2 y: yield h:hardening u:ultimate f u Πλαστική παραμόρφωση 0,2% f y ε u /ε y =μ 100 ε h /ε y 5 15 σε θλίψη, δεν παρατηρείται στένωση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 1.2 Ερπυσμός Ανάπτυξη και πρόοδος παραμορφώσεων υπό σταθερή τάση Παραμόρφωση χρόνος Αρχικός ερπυσμός µ έσος ρυθµ όςερπυσµού dε dt τελικός ερπυσμός Ολίσθηση των κόκκων σταθερός ερπυσμός Κίνηση ατόμων μετάλλου λόγω διάχυσης και εξουδετέρωσης των καταναγκασμών Παραμόρφωση χρόνος Αλληλεμπλοκή καταναγκασμών κρυστάλλων Ιξώδης ερπυσμός=σταθερή αύξηση της επιμήκυνσης υπό σταθερή τάση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 25 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 9

10 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 26 Επίδραση θερμοκρασίας και χρόνου στον ερπυσμό αμελητέα σε χαμηλές θερμοκρασίες σημαντική σε Θ >40% ΘΤ σε Κ Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 27 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 10

11 Η κλίμακα Κέλβιν δεν έχει αρνητικές τιμές. Το κέλβιν είναι η βασική μονάδα μέτρησης θερμοκρασιών σε προβλήματα που έχουν σχέση με τη θερμοδυναμική, τη ρευστομηχανική κ.ά. Διαφορά θερμοκρασίας κατά 1Κ ισοδυναμεί με διαφορά θερμοκρασίας ενός βαθμού Κελσίου. Η κλίμακα Κέλβιν μετράει την λεγόμενη απόλυτη θερμοκρασία. Η διαφορά της με την κλίμακα Κελσίου είναι 273,15 βαθμοί, δηλαδή Τ k = T c + 273,15. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 28 χαλάρωση Χαλάρωση τάσεων μια σταθερά επιβαλλόμενη επιμήκυνση ε ο με την πάροδο του χρόνου έχει αποτέλεσμα μείωση των τάσεων σ(t) Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 29 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 11

12 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 30 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 31 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 12

13 1.3 Αντοχή σε κρούση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη Αντοχή σε κρούση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 33 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 13

15 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 36 Η αντοχή σε κρούση: επηρεάζεται από τη δυσθραυστότητα, τη θερμοκρασία, την ταχύτητα κρούσης και το μέγεθος των κόκκων στην κρυσταλλική δομή μείωση θερμοκρασίας μειώνει τη δυσθραυστότητα και αντοχή σε κρούση (κοινός χάλυβας: σε χαμηλές θερμοκρασίες (0-50 o C ) μειώνεται η δυσθραυστότητα και το μέταλλο μετατρέπεται από πλάστιμο σε ψαθυρό) αυξάνεται με την ταχύτητα κρούσης μειώνεται όσο αυξάνεται το μέγεθος των κόκκων Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 37 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 15

16 1.4 Κόπωση (fatigue) Η πτώση της αντοχής μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης ή ανακυκλιζόμενης φόρτισης Ο λόγος της μέγιστης εφελκυστικής τάσης προς τη μέγιστη θλιπτική είναι σημαντικός στη συμπεριφορά σε κόπωση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 38 Δοκιμή κόπωσης Test Data Stress, σ (ksi) Number of Cycles to Failure, N Data from R. B. Englund, 2/5/93 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 16

17 Είδη εναλλασόμενης φόρτισης: σ σ a m σ σ max σ = = min 2 2 σ max + σ = min 2 = μέση τάση ορισμοί: = εύρος εναλλασσόμενης τάσης εύρος εναλλασσόμενης τάσης σ R= σ min max R = 0, εναλλασόμενη ή επαναλαμβανόμενη χωρίς αλλαγή προσήμου (σ min =0) R =-1, πλήρως ανακυκλιζόμενη R=1 στατική φόρτιση Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 17

18 1.Εναλασσόµενη ή ανακυκλιζόµενη τάση R = σ σ min max = 1 Η µέση τιµή της τάσης είναι µηδέν Εφελκυστική τάση/μ.τ εφελκυστική Case 1: σ σ a m = = σ σ max max σ 2 + σ 2 min min Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 18

19 Case 2: μερικώς εναλλασόμενη / μ. τ. εφελκυστική σ σ a m = = σ σ max max σ 2 + σ 2 min min σ max εφελκυστική και σ min θλιπτική μερικώς εναλλασόμενη/ μ.τ θλιπτική Case 3: σ σ a m = = σ σ max max σ 2 + σ 2 min min σ max εφελκυστική και σ min θλιπτική Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 19

20 Case 4: θλιπτική τάση/μ.τ. θλιπτική Case 4 σ σ a m = = σ σ max max σ 2 + σ 2 min min σ max και σ min θλιπτικές µονοσήµαντα εναλλασσόµενη Case 5: Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 20

21 Παράδειγμα της επίδρασης του λόγου τάσεων R στην αντοχή σε κόπωση Mott, Fig. 5-11, Pg. 180 η αντοχή σε κόπωση αυξάνεται: με αύξηση εφελκυστικής αντοχής με μείωση θερμοκρασίας ελάττωση ατελειών μείωση κόκκων ύπαρξη θλιπτικών τάσεων έναντι εφελκυστικών μπορεί να μηδενιστεί η επίδραση υπό χαμηλές τάσεις (πχ 40% f t για κοινό χάλυβα) Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 50 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 21

22 Toughness δυσθραυστότητα ενέργεια για τη θραύση μοναδιαίου ογκου Προσεγγίζεται από το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη τάσηςπαραμόρφωσης smaller toughness Engineering tensile stress, σ (ceramics) larger toughness (metals, Polymer Matrix Composites ) smaller toughness (unreinforced Polymers) Engineering tensile strain, ε 21 Παραγωγή σιδήρου. πολύ διαδεδοµένος µε τη µορφή των µεταλλευµάτων του, όπου βρίσκεται ενωµένος µε άλλα στοιχεία. Τα σηµαντικότερα µεταλλεύµατα του σιδήρου: µαγνητίτης, (Fe2O4) >70% αιµατίτης, (Fe2O3) 60-70% λειµονίτης (Fe2O3.3H2O) <60% σιδηρίτης (Fe CO3) <50% Στο εμπόριο, ο σίδηρος ως: χυτοσίδηρος σφυρήλατος σίδηρος χάλυβας μαντέμι 1,5-4% άνθρακας 0,12-0,25% άνθρακας 0,25% <άνθρακας<2% Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 52 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 22

23 Τεφρός χυτοσίδηρος Χάλυβας άνθρακα Κράμα χάλυβα Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 53 Σιδηρομετάλλευμα+κωκ+ συλλίπασμα (CaCO 3 ) Αέρια καύσης Σπογγώδης μεταλλικός σίδηρος FeO + CΟ YFe + CΟ 2 Fe 3 O 4 + CΟ Y 3FeO + CΟ 2 3Fe 2 O 3 + CΟ Y 2Fe 3 O 4 + CΟ 2 CΟ 2 + C Y 2CO C + Ο 2 YCO 2 Θερμός αέρας FeO + C σκουριά χυτοσίδηρος Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 54 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 23

24 φερίτης δ- φερίτης Περιοχή καθαρού σιδήρου: π(c) < 0.008%. Περιοχή χαλύβων: π(c) 2.11% (στην πράξη σπανίως χρησιµοποιείται π(c) > 1%). Περιοχή χυτοσιδήρων: 2.11 < π(c) 6.67% (στην πράξη εφαρµόζεται π(c) 4.5%). περλίτης σεμεντίτης Φερίτης: μέχρι τη θερµοκρασία των 910 ο Χαρακτηρίζεται ως Fe-α και κρυσταλλώνεται στο εδροκεντρωμένο κυβικό σύστηµα bcc. ωστενίτης στη θερµοκρασιακή περιοχή (910 ο, 1400 ο ): Χαρακτηρίζεται ως Fe-γ και κρυσταλλώνεται στο χωροκεντρικό σύστηµα fcc. δ-φερίτης Στην θερµοκρασιακή περιοχή (1400 ο, 1539 o ): Χαρακτηρίζεται ως Fe-δ και κρυσταλλώνεται στο σύστηµα bcc. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 55 Ευτηκτοειδής χάλυβας C=0,8% ευτηκτική θερμοκρασία η xαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία στην οποίαν λιώνει ένα κράμα Υποευτηκτοειδής χάλυβας Υπερευτηκτοειδής χάλυβας Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 56 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 24

25 Σεµεντίτης (Fe 3 C) Μεσοµεταλλική ένωση του C στον Fe, µε π(c)=6.67%. Κρυσταλλικό πλέγµα: ορθοροµβικό. (i) πρωτογενής (εµφανίζεται σε θερµοκρασίες > της ευτηκτικής) (ii) δευτερογενής (εµφανίζεται σε θερµοκρασίες µεταξύ ευτηκτοειδούς και ευτηκτικής) 940 ο C (iii) τριτογενής (εµφανίζεται σε θερµοκρασίες < της ευτηκτοειδούς) η σύνθετη ευτηκτοειδής δοµή περλίτης αποτελείται από µίγµα φερρίτη και σεµεντίτη (µε τη µορφή εναλλασσόµενων πλακών) 88.5% φερρίτης 11.5% σεµεντίτης. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 57 Ευτηκτοειδής χάλυβας C=0,8% Περλιτική δομή Οι άσπρες λωρίδες είναι φερίτης ενώ Οι μαύρες είναι σεμεντίτης Σχηματική αναπαράσταση μικροδομών χάλυβα με ευτηκτοειδή σύσταση Φωτογραφία ευτηκτοειδούς χάλυβα (x 500) Φωτογραφία ευτηκτοειδούς χάλυβα ( x 350) Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 25

27 Ο ΣΙΔΗΡΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ Ο σίδηρος πολύ σπάνια χρησιμοποιείται στη χημικά καθαρή του μορφή και είναι αναμεμειγμένος με άλλα στοιχεία. άνθρακα μαγγάνιο, νικέλιο, χρώμιο, πυρίτιο, κ.α. Αναλόγως των ιδιοτήτων και του τρόπου παρασκευής τους, διακρίνονται οι εξής γενικές κατηγορίες κραμάτων σιδήρου: I. Κοινός χυτοσίδηρος II. Χυτοσίδηρος χυτηρίου III. Χάλυβες άνθρακα IV. Κράματα χάλυβα Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη Ο όρος χάλυβας στην ουσία προσδιορίζει μία κατηγορία υλικών, που είναι όλα κράματα του σιδήρου με άνθρακα Ι. Ακατέργαστος (κοινός) χυτοσίδηρος. Προέρχεται απ ευθείας από την υψικάμινο υπό μορφή ακατέργαστων κομματιών διαφόρων σχημάτων. Δεν χρησιμοποιείται υπό τη μορφή αυτή γιατί δεν είναι εύκολη η κατεργασία του, και δεν έχει τις κατάλληλες μηχανικές ιδιότητες. Οι περιεκτικότητες του χυτοσιδήρου, σίδηρος (Fe) 92-97%, άνθρακας (C) %, μαγγάνιο (Mn) %, πυρίτιο (Si) 0.5-4%, θείο (S) % φώσφορος (P) %. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 63 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 27

28 II. Χυτοσίδηρος χυτηρίου (μαντέμι) Ο ακατέργαστος (κοινός) χυτοσίδηρος της υψικαμίνου για να γίνει υλικό κατάλληλο για χύτευση, υφίσταται διάφορες θερμικές κατεργασίες σε ρευστή κατάσταση και προστίθενται και διάφορα άλλα μέταλλα για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του. Τα συνηθισμένα στοιχεία που προστίθενται στο κράμα είναι νικέλιο (Ni) 2.5-6%, και σε χυτοσιδήρους μεγάλης αντοχής έως 20%, χρώμιο (Cr) 0.5-4% Αλουμίνιο μολυβδένιο (Mo) χαλκός (Cu), κ.α. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή χυτών αντικειμένων, τα οποία δεν πρόκειται να υποβληθούν σε μεγάλες μηχανικές καταπονήσεις Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 64 Ο σφυρήλατος σίδηρος είναι σχετικά καθαρός σίδηρος. Περιέχει 0,12-0,25% άνθρακα λιγότερο από 0,5% συνολικά από τις υπόλοιπες προσμίξεις. Τήκεται στους 1500 ο C, αλλά είναι σχετικά μαλακός και μπορεί να υποβληθεί με ευχέρεια σε μηχανική κατεργασία. Έτσι, βρίσκει εφαρμογή στην κατασκευή αλυσίδων, συρμάτων, κ.λ.π. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 65 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 28

29 Ανάλογα µε την ταχύτητα απόψυξης, αλλά και τη θερµοκρασία στο κάτω τµήµα της υψικάµινου λαµβάνεται Λευκός χυτοσίδηρος (γρήγορη ψύξη) Ο άνθρακας ενώνεται με το σίδηρο υπό μορφή καρβιδίου, οπότε ο χυτοσίδηρος τείνει να πάρει χρώμα προς το άσπρο, είναι εξαιρετικά σκληρός, κατεργάζεται δύσκολα, είναι εύθραυστος και εµφανίζει υψηλή αντοχή σε µηχανική φθορά Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 66 ΜΑΛΑΚΤΟΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΙ Το μέγιστο μέρος της παραγωγής λευκού χυτοσιδήρου μετατρέπεται σε μαλακτό χυτοσίδηρο. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 67 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 29

30 Τεφρός χυτοσίδηρος (αργή ψύξη) Ο άνθρακας είναι υπό μορφή σφαιροειδούς (GGG) ή φυλλοειδούς (GGl) γραφίτη οπότε ο χυτοσίδηρος έχει το χρώμα της στάχτης (τεφρό). Είναι µαλακός, µε µικρή αντοχή σε εφελκυσµό, κατεργάζεται εύκολα και είναι κατάλληλος για χύτευση. Ενδιάμεση κατάσταση αποτελεί ο διάστικτος χυτοσίδηρος Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 68 ΕΛΑΤΟΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΙ Η ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΙ ΣΦΑΙΡΟΕΙΔΟΥΣ ΓΡΑΦΙΤΗ Το μέγιστο μέρος της παραγωγής φαιού χυτοσιδήρου μετατρέπεται σε ελατό χυτοσίδηρο Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 69 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 30

31 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 70 επίδραση του ποσοστού του άνθρακα * Τα διαγράμματα αναφέρονται σε χάλυβα Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 71 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 31

32 Χρήσεις του σιδήρου υπενθύμιση Στο εμπόριο, ο σίδηρος ως: χυτοσίδηρος μαντέμι 1,5-4% άνθρακας σφυρήλατος σίδηρος 0,12-0,25% άνθρακας χάλυβας 0,25% <άνθρακας<2% Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 72 χυτοσίδηρος Λόγω μεγάλης ψαθυρότητας περιορισμένη χρήση χυτοσίδηρος σφυρήλατος σίδηρος Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 73 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 32

33 σφυρήλατος σίδηρος χυτοσίδηρος (μαντέμι) χυτοσίδηρος (μαντέμι) χάλυβας Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 74 III. Χάλυβες άνθρακα. Ο χάλυβας παράγεται από το χυτοσίδηρο µε µείωση της περιεκτικότητάς του σε άνθρακα, αλλά και σε άλλα στοιχεία μέσω αντιδράσεων του άνθρακα με άλλα στοιχεία. Η επεξεργασία αυτή γίνεται κυρίως µε τις µεθόδους Bessemer και Thomas Βασικής καμίνου οξυγόνου Siemens-Martin, (Y χάλυβας καλής ποιότητας) ηλεκτρική µέθοδο Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 75 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 33

34 Ανάλογα με την περιεκτικότητα του χυτοσιδήρου σε φώσφορο, επενδύεται και ο μετατροπέας με όξινη ή βασική επένδυση. Bessemer :Πυρίμαχες πλάκες όξινου χαρακτήρα Thomas: πυρίμαχες πλάκες βασικού χαρακτήρα Bessemer Thomas 30-60min Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη ώρες Siemens-Martin, 3 ώρες Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 77 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 34

35 Οι χάλυβες του τύπου αυτού περιέχουν κυρίως σίδηρο και άνθρακα σε ποσοστά που ποικίλουν από %. Αναλόγως της περιεκτικότητας του χάλυβα σε άνθρακα μεταβάλλονται και οι μηχανικές ιδιότητές του. μεγάλη περιεκτικότητα σε άνθρακα συνεπάγεται: μεγαλύτερο σημείο θραύσεως Μεγαλύτερη σκληρότητα, μικρότερη αντοχή σε κρουστικά φορτία μικρότερη πλαστιμότητα Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 78 επίδραση του ποσοστού του άνθρακα Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 79 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 35

36 IV. Κράματα χάλυβα. 1. Χάλυβες Μαγγανίου. 2. Χάλυβες Νικελίου. 3. Χάλυβες Νικελίου-Χρωμίου-Μολυβδενίου-Βαναδίου. 4. Χάλυβες Χρωμίου. 5. Χάλυβες Μολυβδενίου. 6. Χάλυβες Χρωμίου-Μολυβδενίου. 7. Ανοξείδωτοι Χάλυβες. χρώμιο 4-22%. Και Νικέλιο 0-26% 18/8 περιέχει 18% χρώμιο και 8% νικέλιο. Οι χάλυβες αυτοί παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή στην οξείδωση, και μετά από ακριβή θερμική κατεργασία, σημαντική αντοχή, ολκιμότητα και αντοχή σε κρούση. 8. Χάλυβες Πυριτίου. 9. Ταχυχάλυβες ( αυξημένο βολφράμιο κοβάλτιο, για κοπτικά εργαλεία) Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 80 Μηχανικές κατεργασίες χαλύβων Τα τεμάχια χάλυβα από την παραγωγή ονομάζονται χελώνες ή μπιγέτες (ανάλογα το σχήμα) Οι θερμές χελώνες αποκτούν μια μορφή σχετική με τη μελλοντική χρήση με έλαση Στα χαλυβουργεία αποκτούν σχήμα μέσω: Ολκής (αγγλ., drawing) Έλασης (αγγλ., rolling) Συμπίεσης ή διέλασης (αγγλ., extrusion) Σφυρηλάτησης (αγγλ., forging) Χύτευσης (αγγλ., casting) Είτε εν θερμώ είτε εν ψυχρώ (η χύτευση μόνο εν θερμώ) Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 81 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 36

37 ολκή Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 82 έλαση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 83 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 37

38 Hot rolling (after recrystallization new fine grains) T t A0 Af Cold rolling (elongated grains) Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 84 Συμπίεση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 85 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 38

39 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 86 σφυρηλάτηση Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 87 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 39

40 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 88 θερμικές κατεργασίες των χαλύβων Γίνονται για τη βελτίωση των ιδιοτήτων. 1. Θέρμανση και σταδιακή ψύξη 2. Θέρμανση και απότομη ψύξη (βαφή) δεν βάφονται: Χάλυβες με χαμηλά ποσοστά C Χυτοσίδηρος Παχειές διατομές μπορούν να βαφούν μόνο εξωτερικά Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 89 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 40

41 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη Ανόπτηση ( annealing) Η κατεργασία αυτή συνίσταται στη θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασίες ανώτερες της κρίσιμης στην ωστενιτική περιοχή και στην αργή ψύξη, σε κατάλληλη κάμινο Κρίσιμη θερμοκρασία, εκείνη που αλλάζει η χημική σύσταση πχ γινεται περλίτης, σεμεντίτης κλπ RT = Room Temperature LC = Lower Critical Temperature UC = Upper Critical Temperature Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 91 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 41

42 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 93 Η θερμική αυτή κατεργασία εφαρμόζεται συνήθως σε χάλυβες με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη. από 0.35% και έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση του ορίου θραύσης και ελαστικότητας με αντίστοιχη αύξηση της ολκιμότητας του υλικού. Η τελική μικροδομή αποτελείται από χονδρόκοκκο περλίτη Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 94 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 42

43 2. Κανονικοποίηση ή εξομάλυνση (normalizing) Εχει σαν στόχο την ομογενοποίηση των κραματικών στοιχείων για τον όσο το δυνατόν ομοιογενή μετασχηματισμό του ωστενίτη κατά την ψύξη. Περιλαμβάνει θέρμανση στην ωστενιτική περιοχή, σε θερμοκρασίες υψηλότερες από αυτές που πραγματοποιείται η πλήρης ανόπτηση. Η ψύξη πραγματοποιείται στον αέρα Η τελική μικροδομή αποτελείται από λεπτόκοκκο περλίτη Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη Βαφή( quenching) Πρόκειται για την κλασική θερμική κατεργασία για την σκλήρυνση των χαλύβων. Για την επιτυχία της κατεργασίας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η εμβαπτότητα του χάλυβα σε σχέση με το μέσο βαφής (νερό, λάδι, αέρα) και το μέγεθος του μηχανολογικού στοιχείου για την αποφυγή ρηγματώσεων βαφής καθώς και στρεβλώσεων. Η βαφή ακολουθείται από επαναφορά για την βελτίωση της ολκιμότητας Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 96 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 43

44 4. Επαναφορά βαφή επαναφορά Γίνεται μετά τη βαφή για τη μείωση των εσωτερικών τάσεων και αύξηση της πλαστιμότητας και δυσθραυστότητας RT = Room Temperature LC = Lower Critical Temperature UC = Upper Critical Temperature Η επαναφορά συνίσταται στη θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασίες κατώτερες της κρίσιμης και στη συνέχεια στην ψύξη του στον αέρα.. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη Ανακούφιση τάσεων Για τη μείωση τάσεων λόγω συγκολλήσεων ή βαφής κλπ και γίνεται μέσω θέρμανσης στους ο C. RT = Room Temperature LC = Lower Critical Temperature UC = Upper Critical Temperature Σε χάλυβες γίνονται και επιφανειακές θερμοχημικές κατεργασίες αλλά δεν ενδιαφέρουν τον πολιτικό μηχανικό. Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 98 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 44

45 Δομικά Υλικά- Χάλυβας και άλλα μέταλλα- Καραντώνη 99 Δομικά Υλικά Χάλυβας και άλλα Μέταλλα μέρος 1 Καραντώνη 45