ČELICI Čelik je metastabilno kristalizirana Fe-C legura( 2%C), uz prisutne PRATIOCE(Si, Mn) i NEČISTOĆE(P, S i ostali), te uz eventualni dodatak jednog ili više LEGIRNIH elemenata. 1 Današnja proizvodnja materijala u svijetu Vrsta materijala Proizvodnja u 10 6 t Drvo bez ogrijevnog 1200 Beton 950 Čelici i Fe ljevovi 1130 Polimeri oko 200 Aluminij 25 Bakar 10 Cink 7 Olovo 6 2 1
Proizvodnja sirovog željeza 1870-2005 Ukupna svjetska proizvodnja čelika 1,548 milijardi tona 3 Rast potrošnje čelika Južna Koreja Tajvan Češka Republika Japan Njemačka 1157 kg 784 kg 596 kg 507 kg 480 kg Potrošnja čelika po stanovniku 2011. - svjetski prosjek: 215 kg 4 2
SISTEMATIZACIJA ČELIKA Moguća obilježja za karakterizaciju čelika: kemijski sastav mikrostruktura postupak proizvodnje oblik i stanje područje primjene konstrukcijski ili alatni svojstva 5 Prema kemijskom sastavu čelici mogu biti: zajamčenog ili nezajamčenog kemijskog sastava ugljični(nelegirani) ili legirani jednostruko ili višestruko - niskolegirani ili visokolegirani(>5% leg.elementa) - prema vrsti legirnih elemenata: Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V ili Cr-Ni, Cr-Mn, Cr-Mo, Si-Mn ili Cr-Ni-Mo, W-Cr-V čelici prema kvaliteti (masenom udjelu nečistoća -P i S): masovni, kvalitetni i plemeniti (ujednačena kvaliteta) (visoka kvaliteta) 6 3
Vrijedi samo za nelegirane i nisikolegirane čelike 7 Temeljna svojstva svakog čelika određena su: kemijskim sastavom (% C, % LE, % pratilaca i nečistoća) mikrostrukturom i stanjem - određeni su kemijskim sastavom, prethodnim postupcima oblikovanja i toplinske obrade oblikom i dimenzijama poluproizvoda - kod nekih čelika mehanička svojstva ovise o dimenzijama presjeka 8 4
Utjecaj %C na svojstva čelika: Ugljik je osnovni i najutjecajniji element u čelicima. O %C ovisi mikrostruktura čelika, a time i njegova svojstva. Kod nelegiranih čelika < 0,8 %C povišenjem %C raste tvrdoća, R e, R m, ali se smanjuje A, Zi udarni rad loma veći %Fe 3 C (tvrd i krhak). Kod čelika >0,8 %C R m opada jer je povišen %Fe 3 C" mrežasto po granicama zrna. Porastom %C pada hladna deformabilnost i zavarljivost, a raste zakaljivost. Većina konstrukcijskih čelika sadrži < 0,6 %C. 9 Utjecaj legirnih elementa na svojstva čelika Legirni elementi u čelicima mogu se pojaviti: rastvoreni u kristalima mješancima (feritu i austenitu) spojeni u karbidima (karbidotvorci) i intermetalnim spojevima karbidotvorci su: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta) kao nemetalni uključci oksidi, nitridi, sulfidi, fosfidi GAMAGENI austenitotvorci: Ni, Mn, Co, Cu ALFAGENI feritotvorci: Cr, W, Mo, V, Si, Ti, Nb, Ta, Zr, B 10 5
Granični maseni udjeli elemenata koji odjeljuju nelegirane od legiranih čelika (EN 10020) Legirni element Granični maseni udio, % aluminij 0,10 bor 0,0008 krom 0,30 kobalt 0,10 bakar 0,40 rijetke zemlje lantanidi (npr. cer, neodim, erbij) 0,05 mangan 1,60 molibden 0,08 nikal 0,30 niobij 0,05 olovo 0,40 selen, telur 0,10 silicij 0,50 titan 0,05 volfram, vanadij 0,10 cirkonij 0,05 ostali (izuzevši C, P, S, N i O) 0,05 11 Primjena: KONSTRUKCIJSKI ČELICI za dijelove strojeva i uređaja koji obavljaju neku funkciju: - prenose gibanja preuzimanjem sila i momenata - spremaju i transportiraju tekućine i plinove - zatvaraju i spajaju elemente konstrukcije itd. vratila, zupčanici, nosači, opruge, vijci, zatici, poklopci, kućišta, ventili itd. 12 6
Od konstrukcijskih čelika traže se sljedeća svojstva: 1. MEHANIČKA SVOJSTVA - opći zahtjevi -visoka granica razvlačenja R e, R p0,2 - visoka istezljivost A -visoka granica puzanja pri povišenim temperaturama R DVM -dovoljno visoka čvrstoća pri povišenim temperaturama R m/ϑ - dovoljna žilavost na normalnim, sniženim i niskim temp. KU/KV -dovoljna čvrstoća pri normalnim, sniženim i niskim temp. R m -dovoljna dinamička izdržljivost R d. 13 2. OTPORNOST NA TROŠENJE- specifični zahtjevi -što manji gubitak mase 3. OTPORNOST NA KOROZIJU specijalni čelici - korozijska postojanost u atmosferi i u agresivnim medijima - otpornost na oksidaciju pri visokim temperaturama. 4. TEHNOLOŠKA SVOJSTVA specijalni čelici - rezljivost - zavarljivost - zakaljivost i prokaljivost -hladna oblikovljivost. 14 7
Podjela konstrukcijskih čelika 1. Opći konstrukcijski čelici 2. Čelici povišene čvrstoće 3. Ugljični čelici za tanke limove, trake, žicu 4. Čelici za vijke, matice i zakovice 5. Čelici za cementiranje 6. Čelici za poboljšavanje 7. Čelici za opruge 8. Čelici poboljšane rezljivosti 9. Korozijski (kemijski) postojani čelici 10. Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama 11. Čelici za rad pri niskim temperaturama 12. Visokočvrsti čelici 15 OPĆI KONSTRUKCIJSKI ČELICI 1. Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije 2. Čelici za strojogradnju Kemijski sastav: orijentacijski propisan nezajamčen -> nisu predviđeni za toplinsku obradu Mehanička svojstva: zajamčena 16 8
Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije Masovni čelici: najveća proizvodnja i potrošnja < 0,2 % FERITNO-PERLITNA MIKROSTRUKTURA 0,10 %C 0,25 %C 17 Svojstva -nosivost i sigurnost (R e, R m, R ms,ku/kv) -povoljan omjer R e /R m - plastična rezerva -velika površina ispod krivulje u F- l dijagramu (sigurnost od krhkog loma) 18 9
TEHNOLOŠKA SVOJSTVA Zavarljivost: %Mn %Cr + %Mo + %V %Ni + %Cu C e = %C + + + 0,4 4 5 10 Hladna defomabilnost oblikovljivost: (savijanje, duboko vučenje, kovanje) zbog niskog %C i velike istezljivosti i suženja presjeka. Rezljivost: 19 Udarni rad loma (žilavost) pri nižim temperaturama (do 20 C) zajamčen je za neke vrste čelika: npr. S355JRG3, S355J0G3 i S355J2G3 Da se smanji opasnost od krhkog loma treba biti: -što niži %C i nečistoća -P, S, N - što manje uključaka - npr. oksida, fosfida - čelici trebaju biti smireni ili posebno smireni Što je viši omjer Mn/C, to je veća žilavost i to posebno pri nižim temperaturama(manja sklonost krhkom lomu). Viši %Mn povisuje prokaljivost i opasnost od spontanog zakaljivanja pri zavarivanju. 20 10
LIBERTY BRODOVI U SAD je izgrađeno 2711 brodova od 1941. do1945. Zavarene konstrukcije. Došlo do lomova na velikom broju brodova i to pri niskim temperaturama. KRHKI LOM 21 Mehanička svojstva R e = 190...370 N/mm 2 ; R m = 330...700 N/mm 2 ; A= 10...28 %; KV = 23...27 J Temperatura uporabe: 40 do +50 C 22 11
Spremnici Različite čelične konstrukcije 23 Dizalice Mostovi Brodovi 24 12
25 Čelici za strojogradnju Kemijski sastav 0,3-0,5 %C slabija zavarljivost. Svojstva -viša R m ali niža A 5 od općih konstr. čelika za nosive konstrukcije - veća otpornost na trošenje. Primjena - dijelovi koji se gibaju: osovine, vretena, zupčanici; -dijelovi koji prenose sile i momente: klinovi, zatici, vijci, ručice, poluge. 26 13
ČELICI POVIŠENE ČVRSTOĆE Razvoj ovih čelika proizišao je iz potrebe smanjenja nosivih presjeka i mase konstrukcije. 27 MEHANIZMI OČVRSNUĆA spriječavanje gibanja dislokacija stvaranjem prepreka 1. Očvrsnuće kristalima mješancima - povišenje %C, dodatak N i legiranje. 2. Očvrsnuće martenzitnom transformacijom - kaljenje(martenzitna struktura). 3. Očvrsnuće hladnom deformacijom - veća gustoća dislokacija. 4. Očvrsnuće granicama zrna, odnosno usitnjenjem zrna - zapreke gibanju dislokacija su velikokutne granice zrna. 5. Očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom) i disperzijom faza - izdvojene faze nelegiranih ili legiranih karbida ili intermetalnih spojeva. 28 14
Podjela: 1. Normaliziranisitnozrnati čelici povišene čvrstoće: 360 < R p0,2 <500 N/mm 2 2. Poboljšani sitnozrnati čelici: R p0,2 500 N/mm 2 Normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće HSLA (High Strength Low Alloyed) mikrolegiraničelici povišene čvrstoće- male količine disperzoidnih elemenata (< 0,1%) 29 Mikrostruktura sitnozrnatog čelika Ferit + Perlit Mehanička svojstva - nisu osjetljivi na krhki lom; - dobra zavarljivost (<0,2 %C; C e < 0,4) R p0,2 = 250...500 N/mm 2 ; R m = 360...770 N/mm 2. Vrsteza: - normalne temperature - povišene temperature - snižene temperature 30 15
Primjena - spremnici za plinove; - rezervoari za transport tekućih plinova; - nosive konstrukcije mostova i hangara; - postolja vagona; -dijelovi građevinskih strojeva. Cadillac ATS 31 ČELICI ZA CEMENTIRANJE Niskougljični (< 0,25 %C), nelegirani ili niskoleg. čelici zajamčenog sastava. Cementiranje = pougljičavanje + kaljenje + nisko popuštanje PougljičavanjempriT a,obogaćujuserubnislojevi0,8do0,9%ci postajuzakaljivinamaks.tvrdoću 61do64HRC. Jezgra ostaje niskougljična i mekša. Nakon cementiranja: -površinski slojevi su tvrdi i otporni na trošenje(visokougljični M), -sredina presjeka ostaje F/P (nepotpuno prokaljivanje), ili niskougljična-martenzitna(potpuno prokaljivanje) otporna na dinamička i udarna opterećenja tj. žilava 32 16
visokougljični martenzit niskougljični martenzit 33 34 17
Svojstva Dijelovi koji moraju istovremeno biti otporni na trošenje (površina) i podnositi dinamička opterećenja(sredinadijela). Izbor vrste čelika: otpornost na trošenje cementiranog površinskog sloja približno je jednaka za sve čelike (maksimalna tvrdoća), pa su za izbor čelika odlučujuća mehanička svojstva sredine presjeka. Za veće dimenzije i viša mehanička opterećenja, radi potrebe za što potpunijim prokaljivanjem, dolaze u obzir jače legirani čelici (bolje su prokaljivi). 35 36 18
Podjela i primjena čelika za cementiranje Nelegirani čelici: C10(Č1120), C10E(Č1121) ili C15(Č1220), C15E(Č1221) - slaba prokaljivost (do Φ10 mm) - dijelovi manjih presjeka koji nisu jače udarno opterećeni: male osovinice i zupčanici, poluge, svornjaci, čahure Cr-čelici: 15Cr2(Č4120) -poluosovine, manji zupčanici, bregaste i osovine kotača vozila, osovinice klipa, Mn-Cr čelici: 16MnCr5(Č4320) ili 20MnCr5(Č4321) - dijelovi srednjih dimenzija kao što su: zupčanici, vretena i osovine alatnih strojeva, bregaste osovine i stapajice motora Cr-Mo i Mo-Cr čelici: 20CrMo5(Č4721) ili 20MoCr4(Č7420) - bregaste i koljenaste osovine, zupčanici mjenjačkih kutija, kardanski zglobovi Ni-Cr čelici: 14CrNi6(Č5420) ili 18CrNi8(Č5421) - vrlo dobra prokaljivost - za izradu dijelova najvećih dimenzija: visokoopterećeni zupčanici i vratila, koljenaste osovine, osovine u zrakoplovima i kamionima. 37 ČELICI ZA POBOLJŠAVANJE 0,2...0,6 % C; nelegirani i niskolegirani zajamčenog sastava Poboljšavanje = kaljenje + visokotemperaturno popuštanje Mikrostruktura: visokopopušteni martenzit Svojstva i primjena -za dijelove koji u radu morajupostići kombinaciju R p0,2, R m, A, KU i R d. -osnovni preduvjet za postizavanje željenih svojstava je prokaljenost 38 19
Prokaljenost- jednoličnost svojstava po presjeku određuju: a)prokaljivost primijenjene vrste čelika %C i stupanj legiranosti, b) DIMENZIJE dijela i c) UVJETI GAŠENJA pri kaljenju. Mjera prokaljenosti je stupanj zakaljenosti (prokaljenosti) S k H kalj S k = = 0,72...1,0 H maks S k 0,72 50 %M S k 1,0 100 %M 39 40 20
POJASEVI ZAJAMČENE PROKALJIVOSTI ČELIKA Jominy krivulje 41 Što su veće dimenzije i blaži uvjeti hlađenja za jedan te isti čelik, to možemo očekivati slabiju prokaljenost. Za velike dimenzije treba birativiše legirane čelike bolja prokaljivost (krivulje pretvorbi u TTT dij. pomaknute su u desno) Izbor vrste čelika za poboljšavanje: na temelju zadanih dimenzija i visine opterećenja, odnosno na temelju traženih vrijednosti mehaničkih svojstava na kritičnom mjestu presjeka. 42 21
Izbor temperature popuštanja 43 Tipični primjeri primjene C22 (Č1330), C45 (Č1530) Zbog male prokaljivosti primjenjuju se do promjera (debljine presjeka) od 40 mm, iznimno do 100 mm za slabije opterećene dijelove, često i u normaliziranom stanju. Primjena za osovine, vijke, vretena, veće zupčanike u paru, klipnjače itd. 34Cr4 (Č4130) Većaprokaljivost omogućava primjenu do promjera od 100 mm dinamički opterećenih dijelova -koljenaste osovine, poluosovine automobila, osovine u mjenjaču... 42CrMo4 (Č4732) Primjena za veće dimenzije i veća radna opterećenja. Najekonomičniji je za promjere do 100 mm dijelova vozila i zrakoplova: osovine, klipnjače, koljenaste osovine, poluosovine automobila, kardanske osovine, zupčanici... 36CrNiMo4 (Č5430) Čelik najbolje prokaljivosti pa je najekonomičniji u primjeni za dijelove velikih dimenzija (preko 150 mm promjera) od kojih se traži visoka granica razvlačenja i udarni rad loma. Najskuplji od svih čelika za poboljšavanje zbog legiranja s Ni. Primjeri primjene: osovine turbogeneratora, ekscentar osovine za preše, veliki zupčanici... 44 22
R p0,2, N/mm 2 1100 1000 900 800 700 600 < 16 34CrNiMo6 36CrNiMo4 42CrMo4 18CrNi18 30CrMoV9 30CrNiMo8 16...40 40...100 100...160 160...250 50CrV4 36CrNiMo4 30CrMoV9 30CrNiMo8 34CrMo4 50CrV4 34CrNiMo6 30CrMoV9 18CrNi18 36CrNiMo4 30CrNiMo8 25CrMo4 15CrNi6 34CrMo4 50CrV4 20CrMo4 36CrNiMo4 20MoCr4 18CrNi18 34CrNiMo6 20MnCr5 25CrMn4 Ck60 34Cr4 15CrNi6 500 Ck45 20CrMo4 25CrMo4 15Cr3 16MnCr5 20MoCr4 400 50CrV4 34CrMo4 25CrMo4 34Cr4 20CrMo4 20MnCr4 28Mn6 15CrNi6 16MnCr 5 Ck35 Ck35 C15 34CrNiMo6 28Mn6 Ck45 Ck35 15Cr3 Promjer, mm 30CrMoV9 30CrNiMo8 34CrNiMo6 20MnCr5 28Mn6 34Cr4 16MnCr5 Ck45 34Cr4 34Cr4 C15 300 C10 Ck35 34Cr4 C10 34CrMo4 34CrMo4 34CrMo4 34CrMo4 IZBOR ČELIKA NA TEMELJU DIMENZIJA I GRANICE RAZVLAČENJA 45 ČELICI ZA OPRUGE za visokonapregnute dijelove nakon rasterećenja elastični povrat 46 23
σ εdijagram općeg konstrukcijskog čelika za nosive konstrukcije i čelika za opruge 47 ZAHTJEVI TRAŽENA SVOJSTVA modul elastičnosti (E) tražena elastična deformacija isti kod svih čelika visoka granica razvlačenja ili granica elastičnosti: R e, R p0,1, i R E -visokočvrsti čelici visoka vlačna čvrstoća (R m ) -sigurnost od loma dovoljna rezervu plastičnosti(povoljan omjer R p0,1 /R m ) otpornost na udarno opterećenje dovoljan udarni rad loma - KU visoka dinamička izdržljivost (R d ) otpornost na lom od umora; Traži se visoka kvaliteta površine i mikrostruktura bez uključaka -treba izbjeći oštećenja pri oblikovanju i montaži opruga, pukotine pri kaljenju i razugljičenje površine. 48 24
KAKO SE POSTIŽU TRAŽENA MEHANIČKA SVOJSTAVA OPRUGA? LEGIRANJEM: Si, Mn, Cr, V POBOLJŠAVANJEM = kaljenje + srednjetemp. popuštanje ili IZOTERMIČKIM POBOLJŠAVANJEM (za manje presjeke) HLADNIM DEFORMIRANJEM -niže vrijednosti meh. svojstava PATENTIRANJEM = kombinacija izoterm. poboljšavanja i hladne deform. Tipični primjeri primjene: - lisnate i zavojne opruge za vagone: 45Si7(Č2131), 50Si7(Č2132) - za najjače napregnute opruge (zavojne, tanjuraste, torzijske) cestovnih vozila: 55Cr3 (Č4232), 50CrV4 (Č4830) 49 25