GRADJEVINSKI CELICI

III. GRAĐEVINSKI ČELICI –PROIZVODNJA I

SVOJSTVA

GRAĐEVINSKO - ARHITEKTONSKI FAKULTETKatedra za metalne i drvene konstrukcijeKolegij: OSNOVE METALNIH KONSTRUKCIJA

2

III. Građevinski čelici – proizvodnja i svojstva

1. TEMELJNI POJMOVI

Čelik legura željeza, ugljika, pratećih i legirajućih elemenata

Sirovo željezo željezo iz visoke peći koje još nije dalje obrađeno

Visoka peć početak proizvodnje čelika pri temperaturi od 1600 °C dodavanjem željezne rudače, koksa i vapna

Sirovi čelik dobiven pročišćavanjem iz sirovog željeza, ali u sebi ima previše kisika

Pročišćavanje postupak kojim se obrađuje sirovo željezo da postane sirovi čelik; sagorijevanjem se ugljik i prateći elementi uklanjaju ili reduciraju

Dezoksidacija postupak kojim se u sirovom čeliku nakon pročišćavanja smanjuje prisutnost kisika

Čelični lijev tekući metal koji se dobiva lijevanjem, a ne podvrgava se daljnjim preradama

3


1. TEMELJNI POJMOVI

Proizvodnja čelika u željezarama

proizvodnja čelika prolazi kroz tri osnovne faze:- prva faza - visoke peći,- druga faza - čeličane,- treća faza – valjaonice.

Prva faza – U visoke peći ubacuje se željezna ruda, koks i vapnenac.Pri temperaturi nešto većoj od 1600 °C željezo se skuplja na dnu peći, dok većina drugih materijala izađu kao plinovi ili se skupe u obliku drozge. Sirovo željezo se lijeva u kalupe, a sadrži 3.50-4.25% ugljika. Prva industrijska proizvodnja željeza počela je 1735. g.

Druga faza – Obrada sirovog željeza vrši se u čeličanama, gdje se smanjuje postotak ugljika u željezu ispod 1%. U međuprocesu se mora čelik osloboditi znatnih količina kisika (dezoksidacija). Imamo nekoliko postupaka: Thomasov, Siemens-Martin i druge.Redukcijom ugljika u sirovom željezu (ispod 1.7%) dobiva se čelik. Čelik su kovne slitine željeza s ugljikom obično do 1.7% (2.06%) ili nešto veći pri većem sadržaju dodatnih elemenata. Treća faza – Daljnja obrada čelika se vrši u valjaonicama, gdje se iz ingota dobivaju konačni valjani profili.

4


1. TEMELJNI POJMOVI

Shema proizvodnje čelika:

2 3 3Fe 0 C CaC02 2 34Al 30 2Al 0+ →

2 3Fe 0 3C+

5


2. POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA

POSTUPCI PROIZVODNJE ČELIKA

Bessemer –Birne postupak

(1855.)Siemens-Martin-ov

postupak(1865. g.)

Thomas-ovpostupak (1880. g.)

Linz-Donawitzpostupak (1950. g.)

Elektro peći

6



Bessemer-Birne (1855. g.)

Pročišćavanje sirovog željeza obavlja se dovodom zraka pod pritiskom u kiselo ozidanoj kruškastoj peći - konverteru. Potrebna je rudača iz Švedske jer postupak zahtijeva sirovo željezo siromašno fosforom.

7



Siemens-Martin (1865. g.)

Pročišćavanje sirovog željeza obavlja se u ognjištu pomoću ostatka zraka u plamenu plina i dodatku čeličnog otpada. Dobiva se troska dobre kvalitete.

8



Thomas (1880. g.)

Kod ovog postupka upotrebljava se sirovo željezo s velikim postotkom fosfora.Sličan je Bessemer-ovom postupku osim što je konverter bazičan i što se za troškovni materijal upotrebljava vapno.

Linz-Donawitz (1950. g.)

Pročišćavanje puhanjem tehnički čistog kisika na tekuće sirovo željezo (kod temperature cca 2500 °C). Čelik siromašan ugljikom je teži i tone. Kvalitete je kao čelik dobiven Siemens-Martinovim postupkom, ali je proizvodnja 10 puta kraća.

9



Elektro peći

Ograničena primjena zbog skupe proizvodnje. Primjenjuje se za dobivanje legiranihčelika, gdje je potrebna velika čvrstoća i točnost proizvodnje.

Dupleksni postupak

Kombinacija dva procesa proizvodnje čelika naziva se dupleksni postupak. Tako, na primjer, kombinacija Bessemer i Siemens-Martinovog postupka polučuje uštedu goriva, produžava vijek peći, ali su potrebni i veliki investicijski troškovi.

10


3. LIJEVANJE ČELIKAČelik s niskom postotkom ugljika sadržava nakon pročišćenja previše kisika. Budući da postoji opasnost tzv. crvenog loma, takav se čelik mora dezoksidirati. Stoga se pri kraju pročišćavanja u konverter dodaje feromangan.

Radi skrućivanja sirovi se čelik lijeva prema jednom od dvaju mogućih načina:

• blokovima u kokilni lijev• kontinuirani u bezdani lijev

11


3. LIJEVANJE ČELIKA

UMIRENI čelik nastaje kad se tekući čelik polagano hladi i prelazi u kruto stanje bez naglog razvijanja plinova u materijalu. Ovo se postiže pomoću dezoksidacijskihsredstava, kao što su silicij i aluminij, koji vezuju plinove stvarajući šljaku. Ukoliko se kao dezoksidacijsko sredstvo koristi silicij dobiva se umireni čelik, a ukoliko se koristi aluminij dobiva se dvostruko umireni čelik. Ovako se smanjuje mogućnost formiranja plinovitih mjehurića u čeliku, oko kojih se mogu koncentrirati nečistoće (kao. npr. sumpor), koje imaju štetni utjecaj na čelik pri valjanju i varenju.

Kokilni lijev

Umireni čelik je namijenjen za zavarene konstrukcije i konstrukcije za koje se traži veća žilavost čelika, npr. za konstrukcije na temperaturi ispod -30°C, kao i za elemente izložene dinamičkim i cikličkim djelovanjima.

12


3. LIJEVANJE ČELIKAKokilni lijev

Ukoliko se skrućivanje u posudi kokili događa tako da čelik kipi, dobiva se čelik za koji se kaže da je NEUMIREN. Ovaj čelik može se upotrebljavati za elemente koji se ne zavaruju.

POLUUMIRENI čelik nije potpuno dezoksidirao. Upotrebljava se za glavne nosive elemente u visokogradnji (nosače, rešetke, okvire i sl.)

Bezdani lijevTo je moderni postupak kod kojeg se sirovi čelik u tekućem stanju kontinuirano lijeva u velike ploče koje se potom izrezuju u manje komade.

13


4. UTJECAJ PRATEĆIH I LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA OSOBINE ČELIKA

Čelik legura željeza, ugljika, pratećih i legirajućih elemenata

Željezo osnovni metal, vrlo mekan i ne može služiti kao građevinski materijal

14


- fosfor,- sumpor,- kisik,- dušik,- vodik.


Ugljik Ugljik je najvažnija komponenta čelika. Već vrlo mala promjena ugljika u sastavu čelika znatno mijenja njegova mehanička svojstva.

- tvrdoću,- granicu popuštanja,- vlačnu čvrstoću,- otpornost na habanje.

- žilavost,- izduženje,- obradljivost,- izvlačenje,- zavarljivost.

ČELIK = ŽELJEZO + UGLJIK + OSTALI ELEMENTI

OSNOVNIMETAL

POVEĆAVA: SMANJUJE: POŽELJNI: NEPOŽELJNI:- mangan,- silicij.

15



Ugljik

Ovisnost mehaničkih karakteristika čelika i količine ugljika

Dijagram fu i εu u ovisnostio % C

16



Mangan

Povećava čvrstoću i općenito poboljšava zavarljivost. Služi također za dezoksidacijui veže nepoželjni sumpor u MnS.

Silicij

Povećava tvrdoću, vlačnu čvrstoću i granicu popuštanja. Međutim, silicij smanjuje relativno izduženje i sposobnost hladnog oblikovanja. Količina iznad 0.5% smanjuje zavarljivost.

17



Fosfor Sklon je segregaciji u pojedinim dijelovima čeličnog profila. Osjetno snižava žilavost, ali povećava postojanost na koroziju.

Sumpor Još je više od fosfora sklon segregaciji; smanjuje sposobnost zavarivanja i žilavost.

Kisik Oksidi i silikati, koji nastaju tijekom dezoksidacije, mogu stvoriti vlaknastu strukturu u čeliku, sličnu strukturi drva, koja djeluje štetno zbog mogućnosti pojave terasastog loma.

18



Dušik Može biti nevezan u čeliku što je štetno, jer povećava mogućnost pojave krtog loma i sklonost starenju (snižava se žilavost). Ukoliko je dušik kemijski vezan u obliku aluminijskog nitrata onda djeluje povoljno. Kemijskom analizom se ne može utvrditi da li je dušik u čeliku prisutan u vezanom ili nevezanom obliku.

Vodik Snižava žilavost i dovodi do krtosti materijala. Ima nepovoljan utjecaj na sposobnost zavarivanja.

19


Postotak nepoželjnih elemenata u čeliku ograničen je za:

• sumpor (S) < 0.05 do 0.06%,• fosfor (P) <0.05 do 0.06%,• dušik (N) <0.008 do 0.012%.


20



Legirajućielementi

dodaju se prema potrebi, da bi se ciljano poboljšala određena svojstva čelika.

kromnikal

molibdenbakar

vanadijvolframaluminij

21



Krom Poboljšava čvrstoću, otpornost protiv korozije i habanja.

Nikal Sprečava krtost kod niskih temperatura.

MolibdenObično dolazi u kombinaciji s drugim legirajućim elementima, u konstrukcijskim čelicima sprečava smanjenje žilavosti. Javlja se u količinama od 0.2% do 0.5%.

Bakar Povećava otpornost čelika protiv korozije tako da je obvezatno prisutan u tzv. čelicima otpornim na koroziju.

22



VanadijPovećava otpornost prema starenju.

Volfram Povećava čvrstoću na običnoj i povišenoj temperaturi, tvrdoću i otpornost prema habanju, uz neznatno smanjenje izduženja kod loma.

Aluminij Služi za dezoksidaciju kod proizvodnje umirenog čelika. Veže slobodni dušik i stvara Al-nitrite. Ovi spojevi stvaraju sitnozrnatu strukturu koja daje poboljšanu žilavost, otpornost na starenje i dobru zavarljivost.

23


Ovisno o postotku legirajućih elemenata čelike dijelimo na:

• obične ugljične (postotak legura mali; to su svi tzv. građevinski čelici),• niskolegirajuće (postotak legura <5%),• visokolegirajuće (postotak legura >5%).


Građevinski čelici za nosive konstrukcije su ugljični čelici s postotkom ugljika <0.25%.

24


5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKE

25



26



27



28



Strukture čelika

29



Strukture lijeva

30


5. METALOGRAFSKE KARAKTERISTIKEDvofazna legura željeza

FERIT

PODRUČJE GRAĐEVINSKIH ČELIKA0.10 – 0.25 % C

31


6. KARAKTERISTIČNE VELIČINE I DEFINICIJE OSNOVNIH SVOJSTAVA

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25

Relativna deformacija ε [%]

Nap

reza

nje σ

[MPa

]

Područje tečenja

εσ=E

Početak suženja (kontrakcije) poprečnog presjeka

Izduženje prije suženja δg δe

Elastično izduženje εel Plastično izduženje εpl

Izduženje pri lomu δ

32



370

380

390

400

410

420

430

0.4 0.9 1.4 1.9 2.4 2.9

Relativna deformacija ε [%]

Nap

reza

nje σ

[MPa

]

Gor

nja

gran

ica

popu

štan

ja

Don

ja g

rani

ca p

opuš

tanj

a

Područje tečenja

33



• Vlačno ispitivanje,• Ispitivanje savijanjem,• Tlačno ispitivanje,• Ispitivanje udarom po Charpy-u,• Ispitivanje trajne statičke čvrstoće,• Ispitivanje dinamičke čvrstoće,• Ispitivanje tvrdoće po Brinell-u,• Ispitivanje tvrdoće po Vickers-u,• Ispitivanje tvrdoće po Rockwell-u,

Određivanje mehaničkih i kemijskih svojstava čelika vrši se putem sljedećih metoda:a) Mehanička ispitivanja:

• Magnetsko ispitivanje,• Ispitivanje ultrazvukom,• Ispitivanje rendgenskim zrakama,• Ispitivanje γ zrakama,

b) Ispitivanja bez oštećenja materijala:

• Kemijska analiza,• Spektralna analiza,• Ispitivanje iskrenja pri brušenju,• Metalografski pregledi – mikroskopski.

c) Ispitivanja sastava materijala:

34



Vlačno ispitivanje

Ispitivanje epruveta na vlak provodi se u skladu s EN 10002-1.

Proporcionalna okrugla epruveta 51050

dL

0

0 ==

Lc=55425 4 25

Lo=50R10

12φ 10

φ

35



Vlačno ispitivanje

36


Strain

Stress[MPa]

0 1 20

100

200

300

400

500S4

Static test, 16 MPa/sFE 510 S1

S2S3


Vlačno ispitivanje

37



Ispitivanje žilavosti

Ispitivanje udarom po Charpy-u provodi se u skladu s EN 10045-1, a služi za određivanje žilavosti materijala.

Ukoliko ne može doći do pojave tečenja materijala postoji opasnost da dođe do loma bez plastične deformacije. U tom slučaju granica popuštanja fy poklapa se sa čvrstoćom materijala fu. Ova pojava naziva se krti lom.

Svojstvo da materijal zadrži plastična svojstva i pod nepovoljnim uvjetima zove se Ž I L A V O S T.

38




h2

h1 α1

α2

r

( )1 2E G h h= ⋅ −Udarni rad bata:

k 2z

E JaA cm

⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

Žilavost izmjerena na Chapy-evom uređaju:

ak – nije definirana fizikalna veličina nego samo mjera za određivanje sklonosti krtom lomu

39




Epruveta za ispitivanje po Charpy-u

40



Ispitivanje tvrdoće

Ispitivanje tvrdoće čelika obavlja se utiskivanjem čelične kuglice ili dijamantne piramide u uzorak.

Postupci za određivanje tvrdoće čelika:• Brinell,• Vickers,• Rockwell,• Poldy.

41



Ispitivanje tvrdoće po BRINELL-u (ROCKWELL-u)Ispitivanje tvrdoće čelika po Brinell-u obavlja se utiskivanjem čelične kuglice promjera D (mm) određenom silom F (N), dok se za ispitivanje po Rockvell-u koristi stožac ili kuglica.

( )22 dDDD2F102.0

AF102.0HB

−−π⋅⋅=

⋅=

Mjera Brinell-ove tvrdoće:

42



Ispitivanje tvrdoće po BRINELL-u (ROCKWELL-u)

43



Ispitivanje tvrdoće po VICKERS-uIspitivanje tvrdoće čelika po Vickers-u obavlja se utiskivanjem dijamantne piramide (s kutom 136°) određenom silom F (N).

44



Ispitivanje tvrdoće po VICKERS-u

45



Ispitivanje tvrdoće po POLDY-u

Ispitivanje tvrdoće čelika po Poldy-u obavlja se utiskivanjem zakaljene čelične kuglice udarom čekića u etalon i materijal koji se ispituje.

46



Magnetsko ispitivanjeMagnetsko ispitivanje služi da se otkriju eventualne pukotine u strukturi čelika.

47



Ispitivanje ultrazvukomIspitivanje ultrazvukom služi nam za otkrivanje pukotina u materijalu i to najčešće u dodatnom materijalu (zavaru).

48



Metalografski pregledi – mikroskopski

49


σ- ε dijagram pri visokim temperaturama

Redukcija granice popuštanja pri visokim temperaturama

Redukcija modula elastičnosti pri visokim temperaturama

Ponašanje čelika pri visokim temperaturama

50


Starenje čelika

51


52


Utjecaj brzine prirasta opterećenja

53


7. UMORNOST MATERIJALA

54



55



56


7. UMORNOST MATERIJALA – WÖHLEROVA LINIJA

57



58



59



60


7. UMARANJE PRI KONSTANTNIM AMPLITUDAMA

61


7. UMARANJE PRI KONSTANTNIM AMPLITUDAMA

NAPREZANJE → VIJEK TRAJANJA (LOM)

62


7. UMARANJE PRI VARIJABILNIM AMPLITUDAMA

63



64



NAPREZANJE → HIPOTEZA AKUMULACIJE OŠTEĆENJA →VIJEK TRAJANJA (LOM)

65


7.1 SIGURNOST PRI UMORU

66



67



68



69


8. VRSTE GRAĐEVINSKIH ČELIKA

Standardne kvalitete

70



71



72



73



74



75



76



77



78



79



80



81


III. KONSTRUKCIJE IZ ALUMINIJSKIH LEGURA

UVOD

82


REZERVE SIROVINA

83


PODRUČJE PRIMJENE

84


OSNOVNI MATERIJAL

85


PROIZVODNJA ALUMINIJA

86


MEHANIČKE OSOBINE

87


III. OSTALI METALI U GRAĐEVINARSTVU

OLOVO

88


BAKAR

89


CINK

90


BRONZA

91


MJED (MESING)

Documents

GRADJEVINSKI CELICI