SPECIJALNI KONSTRUKCIJSKI ČELICI - fsb.unizg.hran čelik nehrđajući čelik Fe -oksidi Cr -oksid PASIVACIJA ... SMJERNICE ZA POBOLJŠANJE MEHANIČKE OTPORNOSTI PRI …

1

ZAVOD ZA MATERIJALEMATERIJALI IIMATERIJALI II

1

SPECIJALNI KONSTRUKCIJSKI ČELICI

KOROZIJSKI (KEMIJSKI) POSTOJANI ČELICI

VISOKOLEGIRANI ČELICI


2

KOROZIJA

- spontano razaranje materijala pod djelovanjem okolnog medija

- izaziva promjene na površini i/ili u nutrini koje izazivaju gubitak materijala i promjenu svojstava

VRSTE KOROZIJE

1. KEMIJSKA KOROZIJA

2. ELEKTROKEMIJSKA KOROZIJA

2


20°C oksidira na zraku

nelegirani čelici

Fe3O4 -magnetit

Fe2O3

FeO

KEMIJSKA KOROZIJA

kemijske reakcije na površini – npr. oksidacija


ELEKTROKEMIJSKA – uz prisutnost ELEKTROLITA

ELEKTROLIT → električki vodljiv medij – npr. morska voda ili vlažna atm.

elektrolitANODA KATODA

Razlika elektropotencijala.

Korodirani metal se ponaša kao ANODA

3


1. Isključivanje uzroka korozije;

2. Utjecanje na medij dodatkom stabilizatora, inhibitora i sl.;

3. Drugačije konstrukcijsko oblikovanje dijela ili sklopa;

4. Primjena materijala otpornih na koroziju;

5. Primjena zaštitnih prevlaka i platiranja -lak, bitumen, polimerne prevlake, metalne prevlake, platiranje, nemetalne prevlake (emajl ili keramika), anodna oksidacija i dr.;

NAČINI ZAŠTITE OD KOROZIJE


6. Primjena katodne ili anodne zaštite

npr. žrtvena anoda ili

inertne anode s izvorom struje.

Kod brodova, automobila, cijevi uz tramvajske pruge, spremnika u zemlji i sl.

Uz objekt se učvršćuju ploče manje plemenitog metala, od npr. Zn, koje kao anode brže korodiraju od čelika (katoda).

4


POJAVNI OBLICI KOROZIJE KOD METALA

� točkasta ili jamičasta (“pitting”), � kontaktna,� interkristalna,� napetosna (transkristalna),� korozija u rascjepu (rasporu), � razlegiravanje i dr.,

a) OPĆA

b) MJESTIMIČNA (SELEKTIVNA):


OPĆA KOROZIJA – HRĐANJE, OKSIDACIJA

stvaranje FeO, Fe2O3, Fe3O4

5


Na primjer: opći konstrukcijski čelici ili sivi lijev korodirajubrzinom do 0,30 mm/god.Al i Cu-legure do 0,15 mm/god.Ni-Cr-čelici ili Ti-legure do 0,075 mm/god.

OPĆA KOROZIJA

Stupanj

Opis otpornosti Gubitak mase,

g/m2h Smanjenje debljine

lima, mm/god.

0 potpuna < 0,1 < 0,11 1 praktički postojano 0,1...1,0 0,11...1,1 2 slabo postojano 1,0...10 1,1...11 3 nepostojano > 10 > 11


� dodatak više od 0,2 %Cu u niskougljičnim čelicima,

� izbor korozijski postojanog čelika,

� lakiranje ili plastificiranje površina,

� galvansko prevlačenje – cinčanje, kositrenje, kadmiziranje,

kromiranje ili niklovanje,

� dodavanje inhibitora u okolni medij.

NAČINI ZAŠTITE ČELIKA OD OPĆE KOROZIJE:

6


UVJETI OPĆE KOROZIJSKE POSTOJANOSTI ČELIKA

a) barem 12 %Cr i to u čvrstoj otopini (kristalu mješancu)

b) da ima homogenu monofaznu mikrostrukturu:

feritnu (F), austenitnu (A) ili martenzitnu (M)

bez karbida, oksida ili drugih intermetalnih spojeva

Ne smije biti lokaliteta (faza) različitih elektropotencijala!

običan čelik nehrđajući čelik

Fe -oksidi Cr -oksid

PASIVACIJA


VRSTE NEHRĐAJUĆIH ČELIKA

1. Cr-čelici (neki s dodacima Mo, Al i Ti):

ALAFAGENI ELEMENTI

� feritni (< 0,10 %C, 15...18 %Cr)� martenzitni i martenzitno-karbidni (0,15...1,0 %C, 13...18 %Cr),� feritno-martenzitni (0,10...0,15 %C, 13...18 %Cr).

2. Cr-Ni, Cr-Ni-Mo i Cr-Mn čelici:

GAMAGENI ELEMENTI

� austenitni� austenitno-feritni (s < 10 % δ ferita)

7


13

Cre = %Cr + 2·(%Si) + 1,5·( %Mo) + 0,5·(%V + %Nb + %Ti) + 1·(%Al)

Nie = %Ni + 30·(%C) + 0,5·(%Mn) + 0,6·(%Cu) + 20·(%N) + 0,5·(%Co)


FERITNI ČELICI

sadrže < 0,1 %C i 13-17 %Cr

8


AUSTENITNI ČELICI

< 0,15 %C (moguće 0,02 %C)>>>> 18 % Cr>>>> 8 % Ni (Mn)

moguće Mo, Ti, Nb, Ta

- nemagnetični- dobro hladno oblikovljivi- otporni na kiseline, lužine i soli- osjetljivi na plinove koji sadrže sumpor, za razliku od feritnih čelika

- ZA NISKE TEMPERATURE- ZA VISOKE TEMPERATURE – otporni na puzanje uz dodatno legiranje


� poboljšavanje: kaljenje + visokotemperaturno popuštanje � viša tvrdoća i čvrstoća te otpornost na trošenje u odnosu

na F i A čelike.

MARTENZITNI ČELICI

� povišeni %C (0,15-1,0) te > 13 %Cr;� niži %C – konstrukcijski čelici (viša korozijska otpornost)� viši % C – alatni čelici (viša otpornost na trošenje)

9


TOČKASTA ili JAMIČASTA korozija - (PITTING)

UZROK: lokalne nehomogenosti i diskontinuiteti u strukturi ili sastavu zaštitnog sloja ili unutar osnovnog materijala.OŠTEĆENJE PASIVNOG SLOJA.

Uz postojanje elektrolita → MIKROELEKTROLIZA - zbog razlike potencijala pojedinih područja u mikrostrukturi ili materijala u spoju.

Odnošenje materijala je uvijek s onog dijela koji se ponaša kao ANODA.


Otpornost čelika na jamičastu koroziju povisuje se:

- legiranjem sa Mo i uz povišen %Cr (oko 30 %)

Otpornost se procjenjuje prema vrijednosti DJELOTVORNE SUME ELEMENATA (DS):

DS = %Cr + 3,3·(%Mo) + 30·(%N)

Ako je DS > 25 otpornost je vrlo dobra, a za DS > 35 je izvrsna

10


KONTAKTNA (GALVANSKA ILI BIMETALNA) korozija

- dodir DVAJU RAZLIČITIH METALA ILI LEGURA u prisutnosti elektrolita.

- manje otporan (plemenit) metal postaje ANODA galvanskog članka i biva napadnut.

Stupanj plemenitosti (elektropotencijal) se mijenja u ovisnosti o karakteristikama medija:

- u vlažnoj atmosferi u spoju Cu i Ni te čelika, korodirat će čelik, a u spoju čelika s Zn korodirat će Zn.

neplemenitiji “plemenitiji”

ELEKTROLIT


Standardne emf serije

Galvanske serije

u morskoj vodiReakcija Eo at 25oC,

(V vs NHE)

Au-Au3+

Pt-Pt2+

Ag-Ag+

Hg-Hg22+

Cu-Cu2+

H2-H+

Ni-Ni2+

Fe-Fe2+

Cr-Cr3+

Zn-Zn2+

Al-Al3+

Mg-Mg2+

Na-Na+

+1.498

+1.2

+0.799

+0.788

+0.337

0.000

-0.250

-0.440

-0.744

-0.763

-1.662

-2.363

-2.714

↑Plemenitokatodno

Aktivno ili

anodno

↓

Platina

Zlato

Srebro

Austenitni čelik 18-8+Mo (pasivan)

Nikal (pasivan)

Cu-Ni legura (60-90 Cu, 40-10 Ni)

Bakar

Nikal (aktivan)

Austenitni čelik 18-8+Mo (aktivan)

Fe ili neleg. čelik

Al-legura (4,5 Cu, 1,5 Mg, 0.6 Mn)

Kadmij

Tehnički čisti aluminij

Zink

Magnezij i Mg-legure

11


MOGUĆNOSTI ZAŠTITE:

� katodna zaštita

� izbjegavanje spojeva metala različitih potencijala

� izoliranje elemenata u spoju

� dodavanje inhibitora u elektrolit.


PRIMJER KONTAKTNE KOROZIJE ALUMINIJSKOG TRUPA BRODA

12


Kip sove na državnom arhivu -BAKAR NA ČELIČNOM nosaču


Napreduje nevidljivo uzduž granica kristalita (zrna) gdje seizlučuju nečistoće i spojevi (npr. karbidi ili oksidi) različitogelektropotencijala od okolnih zrna (čvrste otopine).

Razaranje metalne veze među kristalitima i konačno raspadcijelog dijela uz prisutnost elektrolita.

INTERKRISTALNA KOROZIJA

Podložni su austenitni Cr-Ni čelici i Cr feritni čelici, dok martenzitni nisu.

13


Duljim držanjem pri 550-800 ºC dolazi do SENZIBILIZACIJE, tj. do stvaranja uvjeta za formiranje Cr23C6 po granicama zrna prilikom sporog ohlađivanjaiz tog temperaturnog intervala.

Ako je %C previsok, a brzina ohlađivanja premala, tada se stvaraju i izlučuju Cr-karbidi, a istovremeno se osiromašuju područja uz granice zrna na Cr, pa više ne ispunjavaju nužne uvjete otpornosti na koroziju.


14


b) Odabir STABILIZIRANOG ČELIKA s dodatkom Ti, Nb ili Ta (jači karbidotvorci od Cr), čime nastaju njihovi karbidi, a ne opasni Cr23C6 koji bi osiromašio područja uz granice zrna na Cr.

a) Ako je već došlo do izlučivanja Cr-karbida po granicamazrna, dio treba ugrijati na 1050-1150 °C i gasiti u vodi.Time se karbidi na granicama zrna ponovo otapaju u A ili Fpa su Cr i C nestali s granica i A ili F je ponovo stabiliziran.

SPRJEČAVANJE INTERKRISTALNE KOROZIJE

c) Izbor čelika sa što nižim %C


a) Senzibilizirana struktura Cr-Ni čelikab) Stabilizirana struktura nakon gašenjac) Struktura čelika stabiliziranog titanom

15


NAPETOSNA (TRANSKRISTALNA) KOROZIJA

Posljedica statičkog ili dinamičkog VLAČNOG NAPREZANJA u agresivnoj sredini.

Nastupa na mjestima ZAOSTALIH NAPREZANJA - hladno deformirani lokaliteti, ili oko zavara.

Podložni A i M čelici, dok F nisu.

Legiranje ne utječe na otpornost.

Žariti za smanjenje zaostalih naprezanja: 850-900 °C.


IZGLED NAPETOSNE KOROZIJE

16


ČELICI ZA RAD PRI POVIŠENIM I VISOKIMTEMPERATURAMA

KRITERIJ POVIŠENIH TEMPERATURA ZA ČELIKE:

- normalne temperature: < 180 ºC

- povišene temperature: 180 ºC do 450 ºC

- visoke: > 450 ºC

VISINA TEMPERATURE TALIŠTA KOD POJEDINIH MATERIJALA

ODREĐUJE KADA SE SVOJSTVA POČINJU BITNO MIJENJATI.


MEHANIČKA SVOJSTVA PRI RADNOJ TEMPERATURI

Rp0,2/T – vrijednost konvencionalne granice razvlačenja

Rm/T – vrijednost vlačne čvrstoće

ET – vrijednost modula elastičnosti

AT – vrijednost istezljivosti

17


PUZANJE - temperatura početka puzanja ovisi o visini temperature tališta


Rp1/t/T – granica puzanja pri nekoj temperaturi (T) za definiranovrijeme ispitivanja (t): 1 000, 10 000, 100 000 sati.

SVOJSTVA OTPORNOSTI NA PUZANJE

Naprezanje koje nakon definiranog vremena djelovanja (t) na nekoj temperaturi (T) izaziva lom.

Naprezanje koje nakon djelovanja u definiranom trajanju pri definiranoj temperaturi izaziva trajnu deformaciju od 1 %.

Npr. Rp1/100000/500 = 80 N/mm2

Rm/t/T – statička izdržljivost pri definiranoj temp. za određenovrijeme ispitivanja: 10 000, 100 000 ili 200 000 sati.

Npr. Rm/100000/500 = 90 N/mm2

18


Ovisnost karakteristika mehaničke otpornosti o temperaturi za dvije vrste čelika


STRUKTURA

� austenitna mikrostruktura s gusto složenom FCC rešetkom daje manju pokretljivost atoma nego feritna (BCC) pa je veći otpor sklizanju atoma i otežan proces difuzije (koeficijent difuzije manji za FCC rešetku);

� krupnije zrno (manje graničnih površina).

SMJERNICE ZA POBOLJŠANJE MEHANIČKE OTPORNOSTI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA

LEGIRANJE

� leg. elementi u kristalu mješancu koče pokretljivost atoma – npr. Mo i Co;

� legiranje elementima (Cr, Mo, W, V, Ti) koji tvore teško topive stabilne spojeve – karbide, nitride i intermetalne faze → u obliku sitno disperziranih čestica otežavaju gibanje dislokacija;

19


1. UGLJIČNI (NELEGIRANI) ČELICI –

ČELICI ZA KOTLOVSKE LIMOVE I CIJEVI

Tr ≤≤≤≤ 450 °C

- dobro zavarljivi (0,2 %C)

- puzanje nije izraženo

Primjer vrsta čelika: P235GH (Č1202); P265GH (Č1204)

VRSTE ČELIKA MEHANIČKI OTPORNIH PRI POVIŠENIM TEMP.

2. NISKOLEGIRANI ČELICI – Cr, Mo i (V) ČELICI ZA DIJELOVE TERMOENERGETSKIH POSTROJENJA

Tr = 450-580 °C- dobra zavarljivost (< 0,25 %C)- dobra otpornost puzanju (karbidi: Mo2C, Cr7C3)

Čelici: 15Mo3 (Č7100); 13CrMo4-5 (Č7400); 24CrMoV5-5 (Č7432)


- povišena mehanička otpornost pri povišenim temp.

(karbidi u martenzitu)

- visoka postojanost na opću koroziju.

Primjer vrste čelika: X20CrMoV12-1

3. VISOKOLEGIRANI ČELICI – SUPER 12 %Cr

MARTENZITNI ČELICI (+ Mo, V)

Tr = 550- 600 °C

20


39

4. AUSTENITNI Cr-Ni (+ Mo, W, V, Ti, Nb…) ČELICI

Tr = 600-750 °C

- vrlo dobra kemijska postojanost

- vrlo dobra vatrootpornost.

- imaju visoku mehaničku otpornost pri visokim temp. i otpornost puzanju,

- FCC rešetka,- legiranje s Mo, W, V, Ti i Nb → izlučivanje karbida te toplinski

postojanih intermetalnih spojeva (nakon precipitacijskog očvršćivanja)

Primjer vrsta čelika: X12CrNiWTi 16-13; X6NiCrMoTi 28-15


Tražena svojstva:

- otpornost visokotemepraturnoj oksidaciji – ljuskanju

(> 550 °C), u vrućem zraku, vodenoj pari, agresivnim plinovima, plamenu …

Kod nelegiranih čelika na površini nastaju:→FeO, Fe3O4 i Fe2O3

Čelici legirani s Cr, Si, Al, Mo: veći afinitet prema kisiku nego FeNa površini nastaju:→ kompaktni oksidi Cr2O3, Al2O3, SiO2 ili MoO2

VATROOTPORNI ČELICI

21


Vrste vatrootpornih čelika:

- FERITNI

- AUSTENITNI

Nemaju mikrostrukturnih pretvorbi!


Sniženjem temperature:

- pada: istezljivost (duktilnost), suženje, žilavost,

toplinska rastezljivost, toplinska vodljivost

- raste: tvrdoća, vlačna čvrstoća, granica razvlačenja,

osjetljivost na urezno djelovanje.

� Osnovni zahtjev:

Dovoljna žilavost tj. neosjetljivost na krhki lomhladno žilav čelik: –40 ºC = 27J

ČELICI ZA RAD PRI NISKIM TEMPERATURAMA

22


Udarni rad loma – žilavost (KV – ISO-V) tipičnih vrsta čelika za rad pri niskim temperaturama


� Niskolegirani (mikrolegirani) sitnozrnati čelici

- normalizirano stanje: –50 ºC

- poboljšano stanje: –80 ºC

� Čelici legirani s Ni (1,5...9%) za poboljšavanje:

–85 do –200 ºC

� Cr-Ni i Cr-Ni-N (Nb,Ti), Cr-Ni-Mo-N i Cr-Mn-Ni-N austenitni čelici:

do oko –270 ºC

VRSTE ČELIKA S OBZIROM NA SNIŽENU TEMPERATURU PRIMJENE

Documents

SPECIJALNI KONSTRUKCIJSKI ČELICI - fsb.unizg.hran čelik nehrđajući čelik Fe -oksidi Cr -oksid PASIVACIJA ... SMJERNICE ZA POBOLJŠANJE MEHANIČKE OTPORNOSTI PRI …