Posebni metalni materijali

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Posebni metalni materijali"

Σάρρα Κεδίκογλου
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 prof.dr.sc. Vera Rede Posebni metalni materijali Akademska godina: 2015/ Čelici istaknute čvrstoće 2. Materijali otporni na trošenje 2 1

2 Statička čvrstoća: - otpornost na deformacije ili lom pri djelovanju kratkotrajnog mehan. opt. Čvrstoća (vlačna, tlačna, savojna i smična) Istezljivost i suženje presjeka (duktilnost) Modul elastičnosti Granica razvlačenja Konvencionalna granica razvlačenja Za žilave (duktilne) gnječene metalne materijale vlačna i tlačna čvrstoća su gotovo jednake. Krhki materijali otporniji su na tlačno opterećenje pa se za njih navode vlačna, tlačna i savojna čvrstoća. 3 Za konstrukcijske proračune vrijednost granice razvlačenja je važnija od vlačne čvrstoće. Prema vrijednostima vlačne čvrstoće i granice razvlačenja, metalni se materijali mogu svrstati u četiri skupine: Metali niske čvrstoće: R p0,2 < 250 N/mm 2 Metali srednje čvrstoće: R p0,2 = N/mm 2 Metali visoke čvrstoće: R p0,2 = N/mm 2 Metali vrlo visoke čvrstoće ultračvrsti metali: R p0,2 > 1500 N/mm 2 4 2

3 Čelici posebne čvrstoće 360< Rp 0,2 500 N/mm 2 Čelici visoke čvrstoće 500< Rp 0, N/mm 2 Čelici ultra čvrstoće Rp 0,2 > 1000 N/mm 2 1. ČELICI ISTAKNUTE ČVRSTOĆE To su oni čelici koji se biraju prvenstveno zbog njihove čvrstoće, što ne znači da nemaju i druga povoljna svojstva. Cilj razvoja ovih čelika je postignuće više granice razvlačenja R e i više vlačne čvrstoće R m, a time i višeg dopuštenog naprezanjaσ dop u radu. Primjenom ovih čelika smanjuju se nosivi presjeci kod jednakih opterećenja, odnosno smanjuje se masa i volumen konstrukcije, što dovodi do sniženja ukupnih troškova materijala. 6 3

4 σ dop = ( ); ( R ) Re p0, 2 f S Koeficjent (faktor) sigurnosti: f S > 1 Više vrijednosti R e i R p0,2 daju i veći σ dop pa je zato i razumljiva težnja za njihovim povećanjem! Više vrijednosti σ dop omogućit će sniženje mase (lakše) konstrukcije! σ = F N dop, mm 2 A F 2 A =, mm σ dop 7 Prednosti: 1. Smanjenje mase konstrukcije 2. Manji trošak za materijal (iako je materijal nešto skuplji, puno je manja masa!) 3. Sniženje troškova obrade (rezanjem, oblikovanjem, itd.) 4. Smanjenje transportnih troškova 5. Omogućenje većih raspona (mostova dizalica, )jer je manja vlastita masa 8 4

5 6. Smanjenje nekorisnog (mrtvog) tereta vozila, dizalice povećanje kapaciteta 7. Smanjenje inercijskih sila pokretanja i zaustavljanja 8. Olakšanje zavarivanja (lakše je zavariti lim od 10 mm nego od 30 mm!!!) 9. Manja zaostala naprezanja konstrukcije (manja debljina) i manja vjerojatnost pojave krhkog loma. 9 Nedostaci (ograničenja): 1. Povećanjem R p0,2 modul E ostaje isti! To za posljedicu ima da primjenom čelika viših vrijednosti R e nastaje smanjenje krutosti konstrukcije 2. Tanje stjenke izazivaju bržu pojavu vlastite frekvencije titranja raste buka 10 5

6 3. Veći Rp 0,2 znači veću osjetljivost na zareze (defekte općenito) - osobito dolazi kod izražaja kod R d Slika 2. Ovisnost R d o R m Veća R p0,2 u pravilu niža vrijednost intezivnosti naprezanja (lomna žilavost) K IC Ako se neka početna pukotina i pojavi u strojnom dijelu, iz bilo kojeg razloga (trošenje, korozija, gomilanje dislokacija), a više se ne širi ili se širi vrlo sporo ona neće izazvati potpuni lom za vrijeme predviđene trajnosti dijela te prema tome ne trebamo zamijeniti dio. Takav rast pukotine nazivamo podkritični (spori) tj. neopasni rast. K I = σ M a K Lomna žilavost Slika 3.Utjecaj K I na brzinu širenja pukotine = σ M IC a C Faktor oblika pukotine Kritična širina (dubina) pukotine Širina (dubina) pukotine a < a C prihvatljivo a > a C Opasno!!! 6

7 Opasno je to što za većinu ovih čelika vrijedi da K IC pada s porastom čvrstoće!!! Izuzetak je TRIP čelik!!! Slika 4. Ovisnost K IC o Rp 0,2 kod ČIĆ Zahtjevnije zavarivanje Zavarljivost čelika se često ocjenjuje prema formuli za ugljični ekvivalent - C e Mn Cr + Mo + V Ni + Cu C e = C + + +, % Iskustveno se preporuča da se čelici koji imaju C e 0,4 prije zavarivanja predgriju. Važna je i debljina lima i čvrstoća: R p0,2 N/mm 2 Debljina lima mm 50 > 50 Da 500 > 12 Da Predgrijavanje 14 7

8 Ovisnost debljine Slika 5 prikazuje promjenu debljine stjenke ovisno o Re na dijelu valjkastog spremnika vanjskog promjera 2500 mm i visine 2500 mm s jednim aksijalnim i jednim obodnim zavarom. OKČ StE 700 StE 900 Slika 5. Prikaz promjene troškova s porastom R e na primjeru 15 dijela valjkastog spremnika Iako bi bilo za očekivati da će se s uporabom kvalitetnijih čelika (smanjenje debljine stjenke-veći R e )a time i skupljih čelika doći do povećanja troškova to se nije dogodilo. Zašto? Zato jer je ušteda na masi čelika značajno pokrila veće cijene kvalitetnijih čelika. Trošak, O.K.Č. StE 900 Materijal Predgrijavanje Elektrode Zavarivači Ispitivanje

9 1.1 Sitnozrnati čelici (SZČ) (mikrolegirani i High Strenght Low Alloyed- HSLA) Razvoj čelika povišene čvrstoće počeo je u prvoj polovici XX stoljeća. Metalurzi su uočili da smirivanje (dezoksidacija) čelika dodavanjem Al utječe na veličinu zrna. Slika 6. Utjecaj Al na veličinu zrna 17 Sitnije zrno znači veći udio granica zrna a to znači povećanje čvrstoće jer su granice prepreke gibanju dislokacija. Svi mehanizmi očvrsnuća se temelje na ometanju gibanja dislokacija! Mehanizmi očvrsnuća: 1. R e Sz Usitnjenje zrna 2. R e L Legiranje 3. R e Pr Precipitacija 4. R e D Umnažanjem dislokacija (plast.defor, kaljenje, kombinacija) 5. R e P Povećanje udjela P 18 9

10 Važno je djelovanje mehanizma očvrsnuća na prijelaznu temperaturu, zbg opasnosti od krhkog loma. Krhki lom bez makroplastične deformacije. Suprotno duktilni lom. Samo za BCC legure (F+P). T r >T p T r < T p opasno Poželjno što niža T p T p 19 Kako djeluju mehanizmi očvrsnuća na T p? T p + R e P Negativno djelovanje R e L (osim Ni i Mn) R e D R e Pr R e, mm N 2 R e L (Ni i Mn) Pozitivno djelovanje - R e Sz najbolje i najjeftinije 20 10

250 < Rp 0,2 500 N/mm 2 Poboljšavanje Poboljšani SZČ 500 < Rp 0,2 1000 N/mm 2 21 Normalizirani SZČ StE opća kvaliteta,

11 Iz općeg konstrukcijskog čelika smirenog s Al razvile su se dvije grupe sitnozrnatih (mikrolegiranih, HSLA) čelika S355 (St 52) + Al Mikrolegiranje (Nb, V, Ti) Legiranje (Cr, Ni, Mo) Mikrolegiranje (V, Ti, Zr, B) Normalizirani SZČ 250 < Rp 0,2 500 N/mm 2 Poboljšavanje Poboljšani SZČ 500 < Rp 0, N/mm 2 21 Normalizirani SZČ StE opća kvaliteta, WStE do 400 O C, TStE do -50 O C, EStE do -60 O C Viša kvaliteta postiže se većom čistoćom čelika (P i S) vidi tablicu 22 11

12 Karakteristike kemijskog sastava normaliziranih SZČ: 1. C do 0,2%, radi zavarljivosti 2. Mn* Rp 0,2 T p Jeftin *Ne preko 1,7% radi zavarljivosti (C e ) 3. Al 0,025%, radi sitnozrnatosti 4. Za Rp 0,2 treba veći broj i udio legirnih elemenata Dominantni mehanizmi očvrsnuća: 1. Sitnozrnatost 2. Legiranjem (Mn a i Ni za R e ) 3. Preticipiranjem (AlN i mikrolegirni elementi) 4. Deformiranjem 23 Shematski prikaz zbivanja pri kontinuiranom valjanju mikrolegiranih čelika C C < C C 24 12

13 Nakon početnog valjanja ( npr. od 1300 do C ) pri kojoj se temperaturi otapaju NbC i NbN u austenitu, čelik se prestaje dalje valjati dok mu temperatura ne padne do oko C ili nešto niže, a onda se završno valja do oko C uz deformaciju od e = 0,5-0,7 u nekoliko prolaza od po najmanje 15%. Na taj način se čelik završno valja u austenitnoj ili austenitno-feritnoj strukturi. Takav postupak snižavanja završne temperature valjanja zajedno s djelovanjem Nb i V nitrida i karbida sprečava brzu rekristalizaciju austenita pa austenitno zrno ostaje onako sitno ( ali i usmjereno ) kakvo je bilo između valjaka. Rezultat toga je vrlo sitno feritno - perlitno zrno usmjereno u smjeru valjanja. Ako se nije kontrolirano valjalo do dovoljno niske temperature mikro struktura se može popraviti normalizacijskim žarenjem. 25 Primjena normaliziranih SZČ Dijelovi cestovnih i željezničkih vozila Mostovi, hangari, vijadukti Kuglasti i cilindrični spremnici za tekuća goriva i ukapljene plinove Dijelovi građevinskih strojeva Visokotlačni cjevovodi (reverzibilna HE Velebit ex Obrovac) 26 13

14 Brodske dizalice Off shore platforme (naša prva Labin) 27 Poboljšani SZČ Isporučuju se u poboljšanom stanju Niskougljični martenzit: najpogodnija mikrostruktura za postizanje izvanredne čvrstoće i žilavosti. Oznaka % mase Rp 0,2 A 5 C ekv DIN C Mn Cr Ni Mo Ostalo N/mm 2 % StE 550 0,2 0,8 0,7 0,2 Zr ,5 StE 890 0,18 0,7 0,6 1,7 0,3 V ,

15 Karakteristike kemijskog sastava 1. Do 0,2%C radi zavarljivosti (inače čelici za poboljšavanje 0,3%C) 2. Višestruko legiranje (bolji efekt više leg. elementa sa malim udjelima, bolje nego 1 ili 2 s velikim udjelima). Manje od 5% legirnih elemenata ukupno (HSLA) 3. Sitnozrnatost osigurana i disperzoidnim elementima (V, Zr, Ti, B) 4. Legirni dodaci (Cr, Ni, Mo, B) takvi da se omogući djelomična zakaljivost hlađenjem na zraku (kod zavarivanja) a da se izbjegne stvaranje ferita. Cilj: Pibližno jednaka svojstva ZUT-a i osnovnog materijala. 29 Dominanti mehanizmi očvrsnuća: 1. Legiranje višestruko 2. Precipitacija (karbidi i nitridi koje tvore leg. elementi 3. Sitnozrnatost (V, Zr, Ti, B) 4. Deformacija povećanje gustoće dislokacija: Normalizirani č mm/mm 3 Hladno deformirani č mm/mm 3 Kaljeni č mm/mm

16 Primjena poboljšani SZČ: Za slične konstrukcije kao i normalizirani SZČ, ali gdje se traži još veća redukcija mase: 1. Teška vozila 2. Jarboli teretnih brodova 3. Pokretni mostovi i brane (Nizozemska) 4. Oklopi pramca (oplate) ledolomaca (HRVATSKA ČIGRA Mladen Šutej,dipl.ing.stroj.) 31 16

Σχετικά έγγραφα

3.1 Granična vrednost funkcije u tački

3.1 Granična vrednost funkcije u tački 3 Granična vrednost i neprekidnost funkcija 2 3 Granična vrednost i neprekidnost funkcija 3. Granična vrednost funkcije u tački Neka je funkcija f(x) definisana u tačkama x za koje je 0 < x x 0 < r, ili