Materiały konstrukcyjne

Stal Stal jest to materiał zawierający (masowo): więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka; o zawartości węgla w zasadzie mniej niż 2%; zawierający również inne pierwiastki. Pewna ograniczona liczba stali chromowych może zawierać więcej niż 2% C; lecz wspomniane 2% jest ogólnie przyjętą graniczną wielkością, dla odróżnienia stali od żeliwa.

Klasyfikacja stali Klasyfikacja stali wg. PN-EN 10020:2003 Nie obowiązują stare oznaczenia stali przed 2004 rokiem!

Klasyfikacja stali opiera się na zawartości pierwiastków w analizie wytopowej (norma lub warunki dostawy) i zależy od ich minimalnej zawartości. W przypadku, gdy norma podaje tylko max. wartości, to do klasyfikacji stali przyjmuje się tylko 70% tej wielkości

Graniczne wartości zawartości pierwiastków dla określenia granicy miedzy stalami stopowymi i niestopowymi wg. analizy wytopowej. Wartości w [%] udziału masowego. Symbol Pierwiastek Udział [%] Symbol Pierwiastek Udział [%] Al aluminium 0,30 Ni nikiel 0,30 B bor 0,0008 Pb ołów 0,40 Bi bizmut 0,10 Se selen 0,10 Co kobalt 0,30 Si krzem 0,60 Cr chrom 0,3 Te telur 0,10 Cu miedź 0,4 Ti tytan 0,05 La lantanowce (każdy) 0,1 V wanad 0,10 Mn mangan 1,65* W wolfram 0,30 Mo molibden 0,08 Zr cyrkon 0,05 Nb niob 0,06 Inne (poza węglem, fosfo-rem, siarką i azotem) -każdy *) max 1.8% 0,10

Oznaczenia stali wg. PN-EN 10027-1 Klasyfikacja znaków stali. Klasyfikacja znaków stali: Znaki wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne własności stali Znaki wskazujące na skład chemiczny stali

PN-EN 10027-2

Ważniejsze znaki wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne własności stali. Oznaczenie literowe S - stale konstrukcyjne P pracujące pod ciśnieniem L na rury przewodowe E stale maszynowe Oznaczenie cyfrowe Liczba równa min. granicy plastyczności [N/mm 2 ] dla najmniejszej grubości wyrobu B - stale do zbrojenia betonu Charakterystyczna granica plastyczności N/mm 2 ] Y - stale do betonu sprężonego Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm 2 ] R stal na szyny lub w postaci szyn Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm 2 ] H - wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości do kształtowania na zimno Minimalna granica plastyczności [N/mm 2 ] T j.w. Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm 2 ] D - wyroby ze stali miękkich do kształtowania na zimno (poza tymi ze znakiem H) M stale elektrotechniczne

Oznaczenia stali konstrukcyjnych.

Np. S185 stal konstrukcyjna o Re=185 [MN/m2] (N/mm22); S 355JR- stal konstrukcyjna o Re=355 [MN/m2] (N/mm22), o udarności w temp. +20oC w wysokości min. 27 [J]. S 355N- stal konstrukcyjna o Re=355 [MN/m2] (N/mm22), normalizowana.

Stale konstrukcyjne niestopowe ogólnego przeznaczenia (mild steel) Ozn. Wytrz. na Rozc. USA ISO Rm [MPa] ASTM St0S 320-570 ~A366 S185 St3S 380-520 ~1015 S235 St4S 440-580 ------ S275 14

Żeliwa (cast iron) Ozn. Wytrz. na Rozc. USA ISO Rm [MPa] ASTM 250 250 40B 250 450-10 450 ~65-45-12 450-10 P 50-05 500 340M2 P 50-05 16

Oznaczenia stali wg. składu chemicznego: Stale niestopowe (bez stali automatowej) o średniej zawartości manganu Mn<1% (podgrupa 2.1). C50 cyfra oznacza średnią zawartość węgla [%] x100 (w tym przypadku zaw. węgla = 0.5%).

c.d. Stale o średniej zawartości manganu 1% i stale stopowe, bez szybkotnących o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5% (podgrupa 2.2). Ccc sssssssssss nn-nn-nn-nn-nn Gdzie : ccc liczba = 100xśrednia zawartość węgla [%]; ssss symbole pierwiastków chemicznych składników stopowych stali uporządkowane wg. malejącej zawartości, a gdy dwa mają taką samą zawartość to wg. kolejności alfabetycznej; nn- liczby odpowiadające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych (średnio)x współczynniki z tab. 8.(zaokrąglone do najbliższej liczby całkowitej) oddzielone od siebie kreską poziomą. Przykładem może być stal według nowej normy: C9MnCu6-10

c.d. Stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające co najmniej 1 pierwiastek stopowy w ilości 5% (podgrupa 2.3): X Ccc ssssssss nn-nn-nn-nn-nn Gdzie : X symbol grupy stali ccc liczba = 100xśrednia zawartość węgla [%]; ssss symbole pierwiastków chemicznych składników stopowych stali uporządkowane wg. malejącej zawartości, a gdy dwa mają taką samą zawartość to wg. kolejności alfabetycznej; nn- liczby odpowiadające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych (średnio)x współczynniki z tab. 8.(zaokrąglone do najbliższej liczby całkowitej). Przykładem może być stal X2Cr-Ni18-10 o zawartości węgla średnio 0.05% (max. 0.07 %), chromu średnio 18%, niklu średnio 10%. Oznaczenie znakowe 1.4301, AISI 304

Stale konstrukcyjne niestopowe wyższej jakości (mild steel) Ozn. Wytrz. na Rozc. USA ISO Rm [MPa] ASTM 10 335 ~1010 C10 40 570 ~1040 C40 55 690 1055 C55 20

Stale konstrukcyjne niestopowe wyższej jakości o podwyższonej zaw. Mn (mild steel) Ozn. Wytrz. na Rozc. USA ISO Rm [MPa] ASTM 20G 450 ~1022 ---- 45G 620 ~1046 ~C45 E4 60G 700 ~1064 C60 E4 21

Stale konstrukcyjne stopowe (mild steel) Ozn. Wytrz. na Rozc. USA ISO Rm [Mpa] ASTM 18G2 460 ~A 765 (IV) --- 60SG 1570 ~9260 60 Si 7 (EU) 20H 780 ~5120 ~20Cr4 22

Stale stopowe

Szybkość korozji (mm/rok) Dlaczego stale wysokostopowe? Pasywacja stali stopowych. 0.2 0.1 0 0 5 10 % Chrom 26

Stale wysokostopowe pasywność. Warunki pasywności Minimalna zawartość 10,5% Cr Maksymalna zawartość węgla 1,2% C Pasywność się poprawia gdy: zawartość chromu wynosi ~17% Większość stali wysokostopowych zawiera 17-19% Cr Odporność korozyjna zależy od obecności warstwy pasywnej Możliwa optymalizacja do eksploatacji w różnych środowiskach dzięki dodatkom stopowych np. Ni, Mo, N, Cu... 27

Podział stali odpornych na korozję. Stale odporne na korozję: według zawartości niklu: Ni<2.5 % Ni >2.5 % nierdzewne żaroodporne żarowytrzymałe

Rodzina stali wysokostowych Podział stali wysokostopowych Ferrytyczne Austenityczne Martenzytyczne Martenzytyczno-austenityczne Ferrytyczno-austenityczne Różnice występują w strukturze 29

Forma Metale są kryształami Żelazo może być stabilne w 3 formach krystalograficznych: Ferryt Austenit Martenzyt Są stabilne w zależności od temperatury i składu chemicznego 30

Transformacje fazowe żelaza Austenit Ferryt Martenzyt Żelazo stabilne jest kiedy: austenit ponad 914 C ferryt poniżej 914 C. Martenzyt i ferryt poniżej 550 C 31

Dodatki stopowe. Wpływ dodatków stopowych: Poprawa stabilności austenitu w niskich temperaturach. Temp. Zwiększanie intensywności formowania się martenzytu poprzez ograniczanie transformacji w ferryt. Niestabilny Austenit Austenit Ferryt Martenzyt Effect dodatków stopowych Czas 32

Dodatki stopowe Dodatki stopowe zmianiają zarówno odporność korozyjną jak i mikrostrukturę. Dodatki stopowe mogą stabilizować austenit jak i ferryt. Stabilność faz zależy od zawartość składników Obróbka termiczna ma wpływ na mikrostrukturę 33

Ekwiwalent Niklu Diagram Schaeffler-Delong Martenzytyczno-Austenityczne 316 304 904 Austenityczne Ferrytyczno-Austenityczne 2507 410 Martenzytyczne 430 2304 2205 Ferrytyczne Ekwiwalent Chromiumu Ekwiwalent chromu = %Cr + 1.5%Si + %Mo Ekwiwalent Niklu = %Ni + 30(%C + %N) + 0.5(%Mn + %Cu + %Co) 34

Dlaczego skład fazowy jest tak bardzo istotny Ferryt, austenit i martenzyt ma bardzo różne właściwości z uwagę na formę krystalograficzną. Na przykład: Ferromagnetyzm, Rozszerzalność cieplna, Przewodnictwo cieplne, Odporność. Mechaniczne właściwości. 35

Naprężenie (MPa) Stale wysokostopowe. Odporność na naprężenia i właściwości plastyczne. Martenzytyczne 1000 750 500 Martenzytyczno-Austenityczne Ferrytyczno-Austenityczne 250 Ferrytyczne Austenityczne 0 0 10 20 30 40 50 60 Odkształcenie (%) 36

Wtrącenia. Stale wysokostopowe nie są odporne na wysokie temperatury: Węgliki i azotki (550 C - 800 C). Dyfuzja do wszystkich faz. Obniżają odporność korozyjną i udarność. Szybkie chłodzenie obniża wartość azotków i węglików Wtrącenia międzymetaliczne (700 C - 900 C). Ferryt i austenit (>17% Cr & Mo). Obniżają odporność korozyjną i udarność. Szybko chłodzić 475 C Kruchość (350 C - 550 C). ferryt i martenzyt (>15% Cr). Obniża udarność. Rzadko występuje. Należy unikać tych temperatur! 37

Stale ferrytyczne. 38

Typowy skład: 15-30%Cr, < 0.1%C, < 1%Mo Stale ferrytyczne. Dobra odporność korozyjna. również w środowiskach zawierających jony chlorkowe Wytrzymałość na naprężenia słaba do średniej. Średnia udarność Średnia wytrzymałość Średnia formowalność. Słaba do średniej spawalność. Średni koszt 39

Zastosowanie stali ferrytycznych Rury, wymienniki ciepła, zbiorniki. Przemysł spożywczy, chemiczny, papierniczy. Środowiska zaw. jony chlorkowe Wysokie temperatury, zw. siarki 40

Stale martenzytyczne 41

Typowy skład: 12-17%Cr, 0.1-1%C Stale martenzytyczne. Wysoka wytrzymałość. Średnia odporność korozyjna. Średnia odporność na utlenianie Średnia udarność Wysoka wytrzymałość Średnia formowalność. Słaba do średniej spawalność. Zwiększając zawartość węgla rośnie wytrzymałość, ale spada udarność, formowalność, spawalność 42

Zastosowanie stali martenzytycznych. 0.1%C Przemysł chemiczny, turbiny, sprężarki 0.3%C Skrzynie biegów, przekładnie. 0.6%C żyletki. 1%C Stale martenzytycznoaustenityczne posiadają podobne zastosowania (większa udarność) Instrumenty medyczne, konstrukcje pracujące w wysokich temperaturach 43

Stale austenityczne. 44

Typowy skład: 18%Cr, >8%Ni, <0.1%C Stale austenityczne Znakomita odporność korozyjna. Oprócz środowisk zawierających jony chlorkowe Dobra odporność na utlenianie. Wysoka udarność. Wytrzymałość na naprężenia słaba do średniej. Dobra formowalność. Dobra spawalność. Wysoki koszt. Mała zawartość węgla lub dodatek tytanu przeciwdziała uczuleniu Molibden poprawia odporność korozyjną, jednak wymaga stosowania większej ilość niklu do stabilizacji austenitu 45

Zastosowanie stali austenitycznych. Szeroki zakres zastosowania. Rury, wymienniki ciepła, zbiorniki kontakt z żywnością, przemysł chemiczny, farmaceutyczny, przemysł papierniczy, naftowy. Większa zawartość stopowych dla bardziej agresywnych środowisk. Dobra odporność na pełzanie i utlenianie w wysokich temperaturach Nie ma właściwości magnetycznych 46

Stale typu Duplex Ferryt Austenit 47

Stale ferrytyczno-austenityczne Typowy skład: 22%Cr, 5%Ni, 0.03%C, 0.08%N (Duplex) Znakomita odporność korozyjna. W środowiskach zawierających chlorki Wysoka udarność Wytrzymałość średnia do wysokiej. Dobra formowalność. Wysoki koszt Wytrzymałość około 2 x lepsza niż stale austenityczne przy porównywalnej odporności 48

Zastosowanie stali typu Duplex Zamiennik stali austenitycznych praca w większych obciążeniach. Wysoka wytrzymałość obniża wagę i koszt Rury, zbiorniki, pompy w środowiskach chlorków. Przemysł naftowy, papierniczy, Konstrukcje wymagającej dużej odporności na korozję zmęczeniową Elementy maszyny papierniczej Pompy wody morskiej platformy wiertnicze 49

Mosiądze (bronze) Ozn. Wytrz. na Rozc. USA ISO Rm [Mpa] ASTM CuZn5 235 C21000 CuZn5 CuZn20 260 C24000 CuZn20 CuZN37 300 C27400 CuZn37 50

miedź + cyna (lub inne pierwiastki = brązy 51

Stopy aluminium 52

Stopy aluminium do obróbki plastycznej: 2XXX Al-Cu oraz Al-Li 3XXX Al-Mn-Mg 5XXX Al-Mg 6XXX Al-Si 7XXX Al-Zn-Mg 53

Techniczne aluminium 99,5% Al, (AISI 80 1050A) 60 s / MPa 40 20 0 54

s / MPa Stop Al-Mg (AISI AA5251) PA2 2,1%Mg, 0,5%Fe, 0,4%Si, 0,3%Mn, 0,15%Cu 200 150 100 50 0 55

Stop Al-Mg (AISI AA5019) PA20 5,0%Mg, 0,5%Fe, 0,4%Si, 0,5%Mn, 0,1%Cu 300 250 s / MPa 200 150 100 50 0 56

Stop Al-Mg-Zn (AISI AA7075) PA9 1,5%Cu, 2,6%Mg, 5,5%Zn, 0,5%Fe, 0,4%Si, 0,3%Mn s / MPa 700 600 500 400 300 200 100 0 57

Wykres fazowy Al-Cu 58

Fragmenty wykresów fazowych 59

Wtrącenia anodowe 63

Wtrącenia inertne Al-Si 64

Stopy tytanu Głównymi dodatkami stopowymi tytanu są: Al, Sn, Mo, V, Mn, Fe, Cr, przy czym aluminium występuje prawie zawsze w ilości 3-6 /o. Pierwia stki stopowe, rozpuszczając się w tytanie, zwiększają jego wytrzymałość, przy czym największy efekt umacniający dają Fe, Cr i Al. Wpływają również na położenie temperatury przemiany alotropowej. 74

Stopy tytanu Niektóre, np. Cr, Mn, Fe, Al, wykazują ograniczoną rozpuszczalność i tworzą związki międzymetaliczne, umożliwiając utwardzanie wydzieleniowe stopu, jednak efekt jest niewielki. 75