Konstrukcje Metalowe - Laboratorium

1. PRODUKCJA STALI ŻELAZO (Fe) - pierwiastek chemiczny, w stanie czystym miękki i plastyczny metal o niezbyt dużej wytrzymałości. STAL - stop żelaza z węglem obrabialny plastycznie na zimno i gorąco do 2 % węgla (C). Stal stosowana na konstrukcje budowlane zawiera 0.2 0.3% węgla. Masowa produkcja stali polega na dwustopniowym przerobie rud żelaza: - produkcja surówki w procesie wielkopiecowym, - utlenianie surówki (świerzenie). 1.1 PROCES WIELKOPIECOWY Rudy: - magnetyty Fe 3 O 4 72 % Fe - hematyty Fe 2 O 3 52 66 % Fe - limonity 2Fe 2 O 3 x 3H 2 O 53 % Fe - syderyty FeCO 3 25 % Fe Przygotowanie rud do przetapiania: rozdrabnianie, prażenie, aglomerowanie i wzbogacanie. Koks: dostarcza ciepło i redukuje tlenki. Koks jest stosowany ponieważ węgiel pęcznieje i spieka się przy rozgrzewaniu. Topniki: dodatki pozwalające na usunięcie domieszek rud i skały płonnej pod postacią żużli. -1-

Konstrukcje Metalowe - Laboratorium 1.2 ŚWIERZENIE SURÓWKI A) Procesy konwertorowe Konwertor zbiornik stalowy wyłożony wewnątrz cegłą ogniotrwałą: konwertor Bessemera, Thomasa, metoda Lintz - Donawitz. Doprowadzenie tlenu (ew. powietrza) powoduje spalanie krzemu, manganu i węgla. Spalanie powstaje pośrednio, najpierw powstaje tlenek żelaza. B) Piec martenowski metoda Simensa - Martina Piec ogrzewany gazem, metody: surówka 75% + 25% rudy żelaza, surówka 25% + 75% złomu + ew. dodatek rudy żelaza. C) Piece elektryczne Ciepło uzyskuje się z energii łuku elektrycznego lub indukcyjnie. Brak spalin, nie ma strat ciepła stąd możliwość uzyskiwania b. wysokich temperatur (do 3500 C). Niezbędny do świerzenia tlen wprowadza się do wsadu poprzez rudy bogate w tlen. Możliwość uzyskania stali o b. małym stopniu zanieczyszczeń. Proces kosztowny. -2

1.3 ODTLENIANIE I USPOKAJANIE STALI Płynna stal po procesie świerzenia zawiera pewną ilość rozpuszczonego tlenku żelaza (FeO), który powinien być usunięty, aby stal skrzepła w postaci czystego wlewka i nie wykazywała wad spowodowanych obecnością tlenu. Uzyskuje się przez dodanie do ciekłej stali odtleniaczy. W zależności od stopnia odtlenienia rozróżnia się: A) Stal nieuspokojona Stal odtleniona tylko manganem. Krzepnie we wlewku niespokojnie z krzepnącego wlewka wydzielają się gazy (zjawisko wrzenia). Wewnętrzne pęcherze rekompensują skurcz przy krzepnięciu. Następuje segregacja strefowa (zwiększenie zawartości C, Si i P) w pewnych częściach wlewka. Zalety: wysoka wydajność. Wady: silna segregacja, występowanie pęcherzy gazowych, skłonność do starzenia się. B) Stal uspokojona Stal odtleniona krzemem i częściowo glinem. Przy krzepnięciu wlewka nie zachodzą żadne reakcje z wydzielaniem się gazów. Wlewki wolne są od wad, poza częścią górną sąsiadującą z jamą usadową, którą się obcina i odrzuca przy obróbce plastycznej (ok. 15 24% masy wlewka). Zalety: nieznaczna segregacja, brak wyraźnego starzenia się stali, lepsze własności plastyczne. Wady: mniejsza wydajność. C) Stal półuspokojona Stal odtleniona manganem i niewielką ilością krzemu. Wlewek krzepnie bez wrzenia, lecz wydzielają się pęcherze wewnętrzne, które kompensują częściowo skurcz i ograniczają tworzenie się jamy usadowej. Zalety: w miarę duży uzysk (odpad 8 15 %). Wady: Pośredni stopień segregacji i ilości pęcherzy. -3-

Konstrukcje Metalowe - Laboratorium PROCES CIĄGŁEGO ODLEWANIA STALI Zalety: - możliwość regulacji wielkości wlewków - minimalna segregacja strefowa - struktura stali drobnoziarnista w całym przekroju poprzecznym - brak jamy usadowej - zalety ekonomiczne -4

1.4 OGÓLNA KLASYFIKACJA STALI Stale węglowe - takie, w których najmniejsza wymagana zawartość poszczególnych pierwiastków nie osiąga wartości określonych w PN-57/H-01000: Mn - 0.8%, Si - 0.4%, Ni -0.3%, Cr - 0.3%, Cu - 0.2%, Al -0.1%. Siarka i fosfor nie powinny przekraczać zawartości określonej w normach (bardzo małej, rzędu 0.03 0.07 %) gdyż powodują kruchość stali. Stale stopowe - stal, która oprócz żelaza i węgla zawiera inne składniki dodawane w celu uzyskania potrzebnych właściwości. Do najczęściej stosowanych składników stopowych należą: mangan, krzem, nikiel, chrom, wolfram, molibden, wanad i kobalt. Stale stopowe są zawsze stalami uspokojonymi. STALE WĘGLOWE STALE STOPOWE KONSTRUK- CYJNE NARZĘDZIOWE O SZCZEGÓLNYCH WŁASNOŚCIACH KONSTRUK- CYJNE NARZĘDZIOWE O SZCZEGÓLNYCH WŁASNOŚCIACH Zwykłej jakości Wyższej jakości Ogólnego przeznaczenia O określonym Na rury, dla przeznaczeniu kolejnictwa, na drut, liny Ogólnego przeznaczenia O określonym j. w. przeznaczeniu Na drut, liny Najwyższej jakości Płytko i głębokohartujące się, Zgrzewalne Magnetycznie miękkie, łatwo obrabialne (automatowe) Niskostopowe Sprężynowe Do nawęglania Do ulepszania cieplnego Do azotowania Na łożyska toczne Do pracy na zimno, do pracy na gorąco, szybkotnące Do pracy przy podwyższonych temperaturach Na rury Na blachy kotłowe Śruby i ściągi kotłów Odkuwki do kotłów Odporne na korozję Żaroodporne O szczególnych własnościach magnetycznych O szczególnych własnościach fizycznych -5-

2. BUDOWA I STRUKTURA STALI 2.1 STRUKTURA KRYSTALICZNA Stal spełnia dobrze założenia teorii wytrzymałości materiałów ma własności sprężyste i izotropowe) ale nie jest materiałem jednorodnym w swej strukturze czy też continuum materialnym. Stal jest ciałem polikrystalicznym (zbudowanym z dużej liczby kryształów), z których każdy pojedynczy kryształ ma własności anizotropowe. Poszczególne ziarna mają różną orientację przestrzenną poszczególne sieci zawiązują się wokół zarodka (zanieczyszczenie bądź domieszka) i rozbudowują się przestrzennie tworząc kryształy, aż do zetknięcia się z sąsiadem. Schematyczny układ ziaren w metalu Przy szybkim krzepnięciu metalu czy stopu i pewnej zawartości domieszek powstaje duża liczba niewielkich kryształków, przy wolnym chłodzeniu i mniejszej zawartości domieszek kryształy będą duże, lecz ich liczba mniejsza. Substancje o niższej temperaturze topliwości, a są to zwykle zanieczyszczenia i domieszki, krzepnąc wraz z atomami żelaza niewykrystalizowanymi w regularnej siatce wypełniają przestrzenie między ziarnami. Drobne ziarno powoduje równomierny rozkład zanieczyszczeń lepszą izotropię. Grubsze ziarno jest pożądane rzadziej. -6-

2.2 UKŁAD ŻELAZO- WĘGIEL. STRUKTURY STALI W celu otrzymania stopu konieczne jest zmieszanie składników w stanie ciekłym i doprowadzenie do skrzepnięcia. Jeśli rozpuszczalność składników zachowuje się również w stanie stałym wówczas metale tworzą ze sobą tzw. roztwór stały. Na podstawie układu żelazo węgiel można określać przebieg krzepnięcia stopów żelaza z węglem, zmiany zachodzące w ich stopach przy powolnym studzeniu oraz ich strukturę po ostudzeniu. Ferryt roztwór stały węgla w żelazie, o zawartości węgla do 0.025%, miękki i plastyczny. Austenit roztwór stały węgla w żelazie, występuje w zasadzie w podwyższonych temperaturach, bardzo plastyczny. Cementyt węglik żelaza Fe 3 C, bardzo twardy i kruchy, zawiera 6.67 % C. Perlit mieszanina ferrytu i cementytu, zawierająca ok. 0.8%C. Zwykle ziarno perlitu składa się z ułożonych na przemian pasemek cementytu i ferrytu. Ledeburyt mieszanina austenitu i cementytu lub cementytu i perlitu. Twardy i kruchy. Struktura ferrytyczno-perlityczna stali (powiększenie 400x) -7-

2.3 OBRÓBKA CIEPLNA Własności stali w sposób bardzo istotny można zmieniać w pożądanym kierunku ( lub i nie) przez obróbkę cieplną. Obróbka cieplna zmienia w stanie stałym strukturę stopów a tym samym ich właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne. T [ C] Parametry: - szybkość ogrzewania, - czas wygrzewania, - szybkość chłodzenia, - temperatura wygrzewania. t [s] t 1 t 2 t 3 Rodzaje obróbki cieplnej: Wyżarzanie charakteryzuje się w miarę powolnym stygnięciem - zupełne efektem jego jest rozdrobnienie ziaren stali, uzyskanie jednorodności struktury i usunięcie naprężeń własnych, - rekrystalizujące odbudowa struktury stali zniszczonej przez zgniot (obróbkę plastyczną na zimno), - odprężające zmniejszenie naprężeń własnych w stali, bez wyraźnej zmiany struktury. Hartowanie szybkie oziębienie stali o strukturze austenitycznej. Celem hartowania jest uzyskanie struktury martenzytycznej, która zapewnia dużą twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie ale przy zmniejszonych cechach plastycznych jak wydłużalność i udarność. Odpuszczanie zabieg stosowany do stali zahartowanych polepszający własności plastyczne. Przesycanie i starzenie T, 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 0 0,5 1 1,5 2 C, % Temperatury obróbki cieplnej stali -8-

3. WPŁYW PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH NA WŁASNOŚCI STALI W klasycznej wytrzymałości materiałów rozpatruje się modele obliczeniowe elementów w założeniu ich idealnych kształtów, jednorodnych i najczęściej izotropowych własności mechanicznych i beznaprężeniowego stanu przekrojów przed momentem przyłożenia obciążęnia. Jednakże takie elementy w rzeczywistości nie istnieją, a wpływ niedoskonałości początkowych zwanych imperfekcjami często jest istotny dla oceny nośności i stateczności konstrukcji. Imperfekcje w konstrukcjach są nieuniknione, gdyż powstają w procesach produkcji wyrobów hutniczych i wyrobów elementów konstrukcji. Znajomość ich wpływu pozwala na wybór odpowiedniej technologii wykonania lub takiego ukształtowania elementu aby ograniczyć ich skutek. 3.1 IMPERFEKCJE STRUKTURALNE Jest to niejednorodny rozkład właściwości mechanicznych i składu chemicznego w obszarze przekroju poprzecznego elementu oraz anizotropia materiału. Najważniejszymi procesami wytwórczymi w których powstają imperfekcje strukturalne, są (bez spawania): Wytapianie stali Zróżnicowanie składu chemicznego oraz nierównomierność rozmieszczenia domieszek zależy od sposobu odtleniania: - stale nieuspokojone, - stale półuspokojone, - stale uspokojone. Z powodu segregacji strefowej i pęcherzy zakres stosowania stali nieuspokojonej jest ograniczony co do grubości elementu i temperatur eksploatacji. Walcowanie na gorąco Szkodliwe domieszki tworzą segregacje w częściach środkowych wyrobów. Strefy segregacji z uwagi na większą zawartość fosforu i siarki mają mniejszą spawalność. Szczególnie w stalach nieuspokojonych należy unikać układania spoin w tych obszarach. -9-

Podczas walcowania następuje odkształcenie i ukierunkowanie pierwotnych kryształów w włókna w prętach i płytki w blachach, z takiego ukształtowania makrostruktury wynika anizotropia własności mechanicznych. Tworzą się także zawalcowania i zgrzanie pęcherzy gazowych oraz pęknięć międzykrystalicznych: Najlepsze własności mechaniczne występują w kierunku największej przeróbki plastycznej, największe obniżenie własności mechanicznych występuje w kierunku grubości elementu. Wytrzymałość na rozciąganie blachy o grubości 40 mm, stal St3S R m [MPa] 500 400 300 200 100 0 W kierunku walcowania W kierunku poprzecznym W kierunku grubości Kierunek zasadniczego obciążenia elementu powinien pokrywać się z kierunkiem włókien (walcowania). -10-

Zróżnicowana wielkość odkształceń plastycznych przy powstawaniu środnika i półek kształtownika a także różna szybkość chłodzenia po walcowaniu powodują zróżnicowanie rozkładu właściwości mechanicznych kształtowników na ich przekrojach poprzecznych: 3.2 IMPERFEKCJE GEOMETRYCZNE Są to różnice pomiędzy geometrią nominalną (idealną) a kształtem i wymiarami rzeczywistymi. Konstrukcje stalowe składają się z elementów produkowanych w wytworni, scalanych na placu budowy i tam ustawianych. Ich dopasowanie do siebie i nie nastręczające trudności wykonanie połączeń montażowych było jedną z przyczyn ustanowienia przepisów określających wymagania maksymalnych odchyłek od kształtu elementu, ich głównych wymiarów i wzajemnego położenia. Drugą przesłanką było żądanie, aby kształty rzeczywiste nie różniły się od nominalnych nadmiernie. Dopuszczalne odchyłki wymiarów pola przekroju poprzecznego kształtowników walcowanych na gorąco podają normy przedmiotowe, np.: "PN-59/H93407 Stal walcowana. Dwuteowniki". Dopuszczalne odchyłki od wymiarów liniowych, kształty przekrojów złożonych i całości układu geometrycznego konstrukcji zawiera norma: "PN-77/B-06200. Konstrukcje stalowe budowlane. Wymagania i badania". -11-

3.3 IMPERFEKCJE TECHNOLOGICZNE Przejawiają się przede wszystkim jako naprężenia wstępne, działające w obszarze przekroju poprzecznego elementu i na jego długości jeszcze przed przejęciem przez element jakichkolwiek oddziaływań. Walcowanie na gorąco naprężenia powstają na wskutek różnej szybkości chłodzenia poszczególnych ścianek (półki, środnik) kształtownika. -12-