ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 10 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΜΕΤΑΛΛΑ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης
Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΣΙΔΗΡΟΣ - ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΣ ΧΑΛΥΒΑΣ (ΔΟΜΙΚΟΣ ΚΑΙ ΟΠΛΙΣΜΟΥ) ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ ΜΟΛΥΒΔΟΣ ΧΑΛΚΟΣ ΚΑΣΣΙΤΕΡΟΣ ΝΙΚΕΛΙΟ, ΧΡΩΜΙΟ, ΚΑΔΜΙΟ, ΤΙΤΑΝΙΟ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ 3
υψηλή μηχανική αντοχή, μεγάλη σκληρότητα ελαστικότητα πλαστικότητα θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα ολκιμότητα ελατότητα ευτηκτότητα συγκολλησιμότητα 4
Μέταλλο/κράμα Πυκνότητα (kg/m 3 ) Σημείο τήξης ( C) Συντ. θερμ. Διαστολής (10-6 / C) Συντ. θερμ. αγωγιμότητας (W/mK) Σίδηρος 7860 1530 12 75 Χυτοσίδηρος 7220-7720 1250-1500 10-12 35-45 Χάλυβας 7850 1500 11-13 50 Ανοξ. χάλυβας 7910 1460 18 15 Αλουμίνιο 2700 650 25 220 Μόλυβδος 11350 330 29 35 Χαλκός 8920 1080 17 380 Κασσίτερος 7300 230 22 65 Ψευδάργυρος 7150 420 29 110 Νικέλιο 8700 1450 13 85 5
Τυπικό διάγραμμα τάσης - παραμόρφωσης για μέταλλα με σαφώς καθορισμένο όριο διαρροής 6
Τυπικό διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης για μέταλλα χωρίς σαφές όριο διαρροής 7
Στάδια παραμόρφωσης μετάλλου μέχρι την αστοχία λόγω ερπυσμού σε υψηλή θερμοκρασία 8
δισθραυστότητα Θερμοκρασία: όσα η Θ μειώνεται η θερμική ενέργεια των γραμ. ατελειών φθίνει => μείωση πλαστιμότητας Tαχύτητα κρούσης: αύξηση => μείωση πλαστιμότητας - Επίδραση της Θ στη μετάβαση από την πλαστικότητα στη ψαθυρότητα Μέγεθος κόκκων: αύξηση => αύξηση της συγκέντρωσης των γραμ. ατελειών (καταναγκασμών) => αύξηση συγκέντρωσης τάσεων => ρηγμάτωση => μείωση πλαστιμότητας 9
Σίδηρος Iron
Σιδηρομεταλλεύματα αιματίτης (Fe 2 O 3 ), 60-70% σίδηρος μαγνησίτης (Fe 3 O 4 ), > 70% σίδηρος λειμωνίτης (2Fe 2 O 3 3Η 2 O), <60% Σίδηρος και σιδηρίτης (FeCO 3 ) < 50%. Κράματα Μέταλλα: μαγγάνιο, χαλκός, νικέλιο, χρώμιο Αμέταλλα: άνθρακας, πυρίτιο, φωσφόρος, θείο 11
12
Προσμίξεις: 1.5-4% άνθρακας 0.5-2% πυρίτιο 0.2-3% μαγγάνιο 0.1-1% φωσφόρος 0.1-1% θείο. Λευκός χυτοσίδηρος: απότομη ψύξη, περιέχει τον άνθρακα κυρίως ως Fe 3 C (σεμεντίτης) μεγάλη σκληρότητα και θλιπτική αντοχή, ψαθυρός, ανθεκτικότητα σε επιφανειακή φθορά. Κύρια χρήση για την παραγωγή χάλυβα 13
Τεφρός χυτοσίδηρος ("μαντέμι -GGL): βραδεία ψύξη, περιέχει τον άνθρακα κυρίως σε μορφή φυλλοειδή γραφίτη. Ικανοποιητική απόσβεση κραδασμών, στην επιφάνειά του δημιουργούνται οξείδια και ενώσεις του πυριτίου που προστατεύουν το υλικό από τη διάβρωση. Κατασκευή αγωγών ύδατος, κυλίνδρων και εμβόλων, εδράνων κτλ. Χυτοσίδηρος σφαιροειδούς γραφίτη (GGG): προέρχεται από τον φαιό, εάν πρίν τη χήτευση προστεθεί Mg. Mεγαλύτερη αντοχή, ελατός, επιδέχεται συγκόλληση, ανθεκτικότητα σε επιφανειακή φθορά και διάβρωση και δεν σχηματίζει οξείδια στην επιφάνειά του κατά τη θέρμανσή του σε υψηλές θερμοκρασίες (όπως και ο χάλυβας). Κατασκευή αγωγών ύδατος, κυλίνδρων, αντλιών, γραναζιών, γενικά εξαρτημάτων που υφίστανται κρούσεις ή εναλλασόμενες καταπονήσεις. Περιορισμένη χρήση στις κατασκευές λόγω ψαθυρότητας 14
Ωστενίτης ή σίδηρος-γ: εδροκεντρωμένο κυβικό σύστημα (fcc)/μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες Φερρίτης ή σίδηρος-α: ουσιαστικά καθαρός σίδηρος, χωροκεντρωμένο κυβικό σύστημα (bcc) μεγάλη πλαστιμότητα/μικρή αντοχή (π.χ. 50 MPa) Σεμεντίτης (Fe 3 C): Ορθορομβικό πολύ σκληρός/ μεγάλη αντοχή/ψαθυρός Διάγραμμα κατάστασης χάλυβα (% C < 2%) Περλίτης: μίγμα φερρίτη και σεμεντίτη σε αναλογία περίπου 7:1 ενδιάμεση αντοχή και πλαστιμότητα. 15
αντοχή/σκληρότητα %C=> πλαστιμότητα, δυσθραυστότητα, συγκολλησιμότητα χάλυβας μικρής περιεκτικότητας άνθρακα (ή πολύ μαλακός), με C έως 0.15%, μαλακός ή κοινός χάλυβας, που έχει την ευρύτερη χρήση στη δόμηση, με C μεταξύ 0.15-0.30% χάλυβας μέτριας περιεκτικότητας σε άνθρακα (ή σκληρός), με C μεταξύ 0.30-0.60%, χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (ή πολύ σκληρός), με C μεταξύ 0.6-2%. 16
Στοιχείο Επίδραση Άζωτο (Ν) Άνθρακας (C) Αργίλιο (Al) Βανάδιο (V) Θείο (S) Μαγγάνιο (Mn) Μόλυβδος (Pb) Νικέλιο (Ni) Πυρίτιο (Si) Τιτάνιο (Ti) Φώσφορος (P) Χαλκός (Cu) Χρώμιο (Cr) Αύξηση αντοχής και σκληρότητας. μείωση πλαστιμότητας, δυσθραυστότητας. Γήρανση Αύξηση αντοχής και σκληρότητας (εμβαπτότητα), μείωση πλαστιμότητας, δυσθραυστότητας και συγκολλησιμότητας. Αφαίρεση οξειδίων από λυωμένο χάλυβα, μείωση μεγέθους κόκκων, αύξηση αντοχής και δυσθραυστότητας. Μικρές ποσότητες (π.χ. 0.1-0.3%) αυξάνουν την αντοχή. Θεωρείται γενικά ανεπιθύμητο. Μείωση πλαστιμότητας, δυσθραυστότητας και συγκολλησιμότητας. Αύξηση αντοχής χωρίς τη μείωση συγκολλησιμότητας (C) και δέσμευση S (FeS, ψαθυροποίηση) Αύξηση αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες. Αύξηση αντοχής και δυσθραυστότητας. Αύξηση αντοχής. Αφαίρεση οξειδίων από λυωμένο χάλυβα. Αύξηση σκληρότητας και αντοχής σε ερπυσμό. Αύξηση αντοχής και σκληρότητας, μείωση πλαστιμότητας και δυσθραυστότητας. Αύξηση αντοχής, σκληρότητας και κυρίως ανθεκτικότητας σε διάβρωση. Αύξηση αντοχής, σημαντική βελτίωση ανθεκτικότητας σε διάβρωση. 17
Θερμή κατεργασία (1000 C) / Ψυχρή κατεργασία (Θ, δωματίου) Στόχος: η αύξηση της αντοχής (μείωση κόκκων, αύξηση πυκνότητας). Κατά τη ψυχρή, καλύτερος έλεγχος ιδιοτήτων και χαρ/κων Έλαση (θερμή/ψυχρή) - χάλυβας οπλισμού 900-1200 C αντίρροπα περιστρεφόμενοι κύλινδροι διατομής τύπου I Θερμή: δομικοί χάλυβες Ψυχρή: ελάσματα, πτυχωτά χαλυβδόφυλλα ίδια εφελκυστική αντοχή και όριο διαρροής σε κάθε διεύθυνση μειωμένη παραμόρφωση θραύσης-πλαστιμότητα κάθετα στη διεύθυνση 18
Ολκή ή Διέλκυση: παρασκευή συρμάτων (d< 5 mm), σωλήνες χωρίς ραφές κ.τ.λ. Συμπίεση: εφαρμογή πίεσης μέσω πρεσσών-μητρών είτε εν θερμώ (γύρω στους 1000 C) είτε εν ψυχρώ μείωση μεγέθους κόκκων αύξηση της αντοχής και της πλαστιμότητας. Σφυρηλάτηση, χύτευση: παρασκευή μηχανολογικών εξαρτημάτων 19
ταυτόχρονα ή μετά τη μηχανική κατεργασία Βαφή: θέρμανση (900 C) - παραμονή (ωστενιτική φάση) - απότομη ψύξη με εμβάπτιση (νερό ή λάδι) ασταθή δομή ωστενίτη (μαρτενσίτης) αύξηση σκληρότητας/αντοχής μείωση πλαστιμότητας/δυσθραυστότητας Δυνατοί μετασχηματισμοί χαλύβων κατά την απόψυξη του ωστενίτη (Χρυσουλάκης Ι., Παντελής Δ.) 20
Υπέρθεση διαφόρων καμπυλών απόψυξης του χάλυβα 4340 στο διάγραμμα CCT (Χρυσουλάκης Ι., Παντελής Δ.) 21
Ανόπτηση (κατεργασίας): θέρμανση (600-800 C)/πολύ αργή ψύξη στο φούρνο μείωση μεγέθους κόκκων άρση εσωτερικών τάσεων μείωση της σκληρότητας αύξηση της πλαστιμότητας /δυσθραυστότητας 22
Κανονικοποίηση (ανόπτηση εξομάλυνσης): θέρμανση (900 C)-αργή ψύξη στον αέρα μείωση μεγέθους κόκκων αύξηση αντοχής Αύξηση πλαστιμότητας/δυσθραυστότητας Επαναφορά (ανόπτηση αποκατάστασης): θέρμανση (450-650 C) - παραμονή - αργή ψύξη. μερική άρση εσωτερικών τάσεων αύξηση πλαστιμότητας/δυσθραυστότητας μικρή μείωση αντοχής /σκληρότητας καμία αλλαγή δομής χάλυβα 23
Ανακούφιση τάσεων (αποτατική ανόπτηση): θέρμανση (580-650 C) αργή ψύξη (Θ<θερμοκρασία επαναφοράς). Ανακούφιση τάσεων λόγω: συγκολλήσεων/κανονικοποίησης/μηχανικής κατεργασίας/κοπής/βαφής καμία αλλαγή δομής χάλυβα 24
Συνηθισμένες διατομές στοιχείων δομικού χάλυβα Χαρακτηριστικές τιμές ορίου διαρροής f y και εφελκυστικής αντοχής f u δομικού χάλυβα θερμής έλασης (ΜPa) Πρότυπο και κατηγορία Ονομαστικό πάχος στοιχείων (mm) t 40 40<t 80 ΕΝ 10025-2 fy fu fy fu S235 235 360 215 340 S275 275 430 255 410 S355 355 510 335 470 S450 440 550 410 550 25
Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για δομικό χάλυβα 26
Επίδραση ταχύτητας φόρτισης στο όριο διαρροής και στην εφελκυστική αντοχή του χάλυβα 27
Σχέση τάσης-παραμόρφωσης για ανακυκλιζόμενη φόρτιση και φαινόμενο Bauschinger 28
Επίδραση υψηλών θερμοκρασιών: (α) στο όριο διαρροής (β) στην εφελκυστική αντοχή (γ) στο μέτρο ελαστικότητας του χάλυβα. 29
Ερπυσμός και υψηλές θερμοκρασίες: Χαμηλότερη τάση αστοχίας και συντομότερα, όσο αυξάνει η θερμοκρασία Δυσθραυστότητα Επίδραση θερμοκρασίας στη δυσθραυστότητα (μετρούμενη με τη δοκιμή Charpy 30
υλικό που ψύχεται τελευταίο: εφελκυστικές τάσεις υλικό που ψύχεται πρώτο: θλιπτικές τάσεις Παραμένουσες τάσεις σε συμμετρική συγκόλληση Παραμόρφωση λόγω παραμενουσών τάσεων σε ασύμμετρη συγκόλληση 31
Επίδραση φόρτισης μετά τη διαρροή 32
Γήρανση παραμόρφωσης 33
Στρωματική απόσχιση σε κόμβους λόγω συστολής συγκολλήσεων σε παχειές πλάκες με μεγάλο βαθμό παρεμπόδισης της εγκάρσιας παραμόρφωσης Μόρφωση λεπτομερειών συγκόλλησης για την αποφυγή στρωματικής απόσχισης 34
Παλαία πρότυπα: ΕΛΟΤ 959 και ΕΛΟΤ 971 S 400 s Ισχύοντα πρότυπα: ΕΝ 10080, ΕΛΟΤ 1421-2, ΕΛΟΤ 1421-3 Β 500 C
(Κ.Τ.Χ. 2008), πέντε (5) τύποι, σύμφωνα με: τη μέθοδο παραγωγής τη μορφή της επιφάνειας την πλαστιμότητα (ολκιμότητα) τη συγκολλησιμότητα την αντοχή τους σε διάβρωση 36
Διάταξη νευρώσεων χάλυβα κατηγορίας Β500Α Διάταξη νευρώσεων χάλυβα κατηγορίας Β500C Παράδειγμα σήμανσης για την αναγνώριση της χώρας και της μονάδας παραγωγής χάλυβα κατηγορίας Β500Α Παράδειγμα σήμανσης για την αναγνώριση της χώρας και της μονάδας παραγωγής χάλυβα κατηγορίας Β500C Ελλάδα-Κύπρος: 8 γραμμές 37
Μέτρο Ελαστικότητας, Εs 200 GPa Μέτρο διάτμησης, G 80 GPa Μέτρο διόγκωσης, K 165 GPa Λόγος Poisson, ν 0.3 Διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων χάλυβα Β500C 38
Όρια μηχανικών ιδιοτήτων χαλύβων σε εφελκυσμό κατά ΕΛΟΤ 1421-2 και ΕΛΟΤ 1421-3 (Χαρακτηριστικές τιμές, Xk) Ιδιότητα Τεχνική κατηγορία ποιότητας Β500Α Β500C Όριο διαρροής, fy (MPa) 500 500 Λόγος της πραγματικής προς την ονομαστική τιμή του ορίου διαρροής, fy,act/fy,nom Λόγος της εφελκυστικής αντοχής προς το όριο διαρροής, ft/fy Συνολική ανηγμένη παραμόρφωση (επιμήκυνση) στο μέγιστο φορτίο εu (%) 1,05 ( 1,03 για d<6mm) 2,5 ( 2 για d<6mm) 1,25 1,15 1,35 7,5 39
Κάθετη στο διαμήκη άξονα τομή ράβδου χάλυβα μετά από εμβάπτιση σε Nital 40
Ηλεκτροσυγκόλληση ράβδων οπλισμού κατά παράθεση με τεχνικές τόξου. 1. έναρξη ραφής, 2. ραφή, 3. απόληξη ραφής. F m A f y,nom (f t /f y ) και f y,act f y,nom F m : μέγιστο φορτίο A: Ονομαστική διατομή της ράβδου f y,nom : χαρακτηριστική τιμή του ορίου διαρροής (500 ΜPa, για B500C) f t /f y : ελάχιστη τιμή του λόγου της εφελκυστικής αντοχής προς το όριο διαρροής (1.15 για B500C) f y,act : πραγματικό όριο διαρροής 41
Συντελεστής θερμικής διαστολής Cp 12x10-6 / C (<200 C) Cp 15x10-6 / C (>200 C), θερμική ασυμβατότητα με το σκυρόδεμα => ρηγμάτωση Μέτρο ελαστικότητας Για Θ> 150 C, μέιωση κατά 15% περίπου για κάθε 100 C Επίδραση τη Θερμοκρασίας (γενικά) μέχρι 500-550 C, t<2 h, ήρεμη ψύξη => καμία ουσιαστική μεταβολή στις αρχικές μηχανικές ιδιότητες 42
Ανηγμένη μάζα και διατομή Εφελκυσμός 0.70 m Θέσεις στις οποίες μετράται η παραμόρφωση θραύσης Ελάχιστες τιμές των ιδιοτήτων σε εφελκυσμό μεμονωμένου δοκιμίου για την κατηγορίας B500C Ιδιότητα Απόλυτο ελάχιστο Απόλυτο μέγιστο f y, (ΜPa) 485 - f y,act /f y,nom - 1.27 f t /f y 1.13 1.37 ε u (%) 7-43
Αναδίπλωση Δοκίμια 0.70 m D κυλ = 3d, d < 16 mm D κυλ = 6d, d >16 mm Επιτυχής έλεγχος όταν δεν προκληθεί θραύση ή όταν δεν εμφανιστούν ρωγμές στην εφελκυόμενη πλευρά του δοκιμίου. Χημική σύσταση Περιεκτικότητα σε C, S, Ρ, Ν, μέγιστη ισοδύναμη τιμή σε άνθρακα C eq Διάβρωση Περιεκτικότητα σε οξείδια του Fe 44
Αλουμίνιο και άλλα μέταλλα Aluminum and other metals
Ορυκτό: βωξίτης (Αl 2 O 3 2Η 2 O) Προσμίξεις Fe 2 O 3, ΤiO 2 και SiO 2 Περιεκτικότητα σε Αl 2 O 3 55-65%. Επίδραση διαφόρων κραματικών στοιχείων στις ιδιότητες κραμάτων αλουμινίου Ιδιότητα Αύξηση λόγου αντοχής προς βάρος Βελτίωση μηχανικών ιδιοτήτων γενικά Βελτίωση ανθεκτικότητας σε διάβρωση Μείωση σημείου τήξης Βελτίωση πλαστιμότητας Αύξηση αντοχής σε θλίψη και κόπωση Βελτίωση ηλ. αγωγιμότητας Πρόσμιξη Zn και Mg Zn, Mg και Cu Mn Mn, Si, Mg Si Si Sn, Ni, Ti Cu 46
Επίδραση των κραματικών στοιχείων στην αντοχή των κραμάτων αλουμινίου Συμβολισμός Κραματικά στοιχεία Mn Mg Si Cu Zn Εφελκυστική αντοχή (MPa) Αl 70 Αl Mn 0.8-1.5 100 Αl Mg 3 0.0-0.4 2.6-3.3 180 Αl Mg 5 0.0-0.6 4.3-5.5 240 Αl Mg Mn 0.5-1.5 1.6-2.5 180 Αl Mg Si 1 0.0-1.0 0.6-1.4 0.6-1.6 320 Al Cu Mg 2 0.3-1.1 1.2-1.8 3.8-4.9 440 Al Zn Mg Cu 1.5 0.0-0.3 2.1-2.9 0.0-0.5 1.2-2.0 5.1-6.1 520 47
Προσθήκη Zn και Mg Zn, Mg και Cu => Αύξηση αντοχής Προσθήκη Si => αύξηση αντοχής / πλαστιμότητας Καθαρό Αl => χαμηλή αντοχή / μεγάλη πλαστιμότητα Καμπύλες τάσεων-παραμορφώσεων για διάφορα κράματα αλουμινίου. 48
Τυπικό διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης για μέταλλα χωρίς σαφές όριο διαρροής 49
Διάβρωση Corossion
Χημική (ΟΞΕΙΔΩΣΗ) Δημιουργία επιφανειακής (προστατευτικής) στρώσης οξειδίων παθητικοποίηση π.χ. Αl 2 Ο 3 (Αλουμίνιο), Fe 2 O 3 (χάλυβας οπλισμού) Μπορεί να συμβεί χωρίς παρουσία H 2 O - επιταχύνεται παρουσία H 2 O Ηλεκτρολυτική (ΔΙΑΒΡΩΣΗ) π.χ. διάβρωση οπλισμού σκυροδέματος Σε υδατικά διαλύματα (απαραίτητη η παρουσία υγρασίας) 51
Γαλβανική διάβρωση Μεταξύ διαφορετικών μετάλλων Συνθήκες: παρουσία ηλεκτρικού ρεύματος (γαλβανικό στοιχείο)/ηλεκτρική διασύνδεση μεταξύ μετάλλων, ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού Διάβρωση υπό μηχανική φόρτιση (υπό τάση) χημική ή ηλεκτροχημική ταυτόχρονη φόρτιση ρηγμάτωση της επιφανειακής στρώσης των οξειδίων του μετάλλου => επιτάχυνση της διάβρωσης οξείδιο μετάλλου- διαφορετικές μηχ. ιδιότητες (π.χ. αύξηση ψαθυρότητας) 52
Αντιδιαβρωτικοί Χάλυβες Παθητική προστασία: π.χ. σχηματισμός οξειδίου του σιδήρου (Fe 2 O 3 ) Ανοξείδωτοι χάλυβες Επιμετάλλωση Βαφή Επιμετάλλωση με φωσφορικά άλατα Εβάπτιση σε τηγμένα μέταλλα Ηλεκτρόλυση. Ψεκασμός 53
Επικάλυψη Πυριτική επικάλυψη Εκτοξευόμενο τσιμεντοκονίαμα Ασφαλτικές επικαλύψεις Εποξειδική επικάλυψη Επίχριση Καθοδική Προστασία Σύνδεση χάλυβα με άνοδο από λιγότερο ευγενές μέταλλο (π.χ. αλουμίνιο, ψευδάργυρος) 54
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.