osnovna svojstva celika

Metalne konstrukcije 1 P2-1

Osnovna svojstva čelika


Prednosti čeličnih konstrukcija

• Visoke vrednosti mehaničkih karakteristika,• Male dimenzije i težine elemenata,• Industrijalizovana proizvodnja – visok kvalitet,• Laka manipulacija, transport i montaža,• Lakše i jeftinije fundiranje,• Manja osetljivost na seizmičke uticaje,• Fleksibilnost i adaptibilnost,• Mogućnost demontaže i trajna vrednost,• Laka i jednostana sanacija i rekonstrukcija.


Nedostaci čeličnih konstrukcija

Osetljivost na dejstvo korozije.Osetljivost na dejstvo požara.Potreba za kvalifikovanijom radnom snagom.


Dobijanje čelika

• Čelik je legura gvožđa (Fe) i ugljenika (C).• Sadržaj ugljenika bitno utiče na svojstva čelika.• Gvožđe se u prirodi nalazi u vidu ruda kao što su:

magnetit (FeMg3O4), hematit (Fe2O3), siderit(FeCO3), i pirit (FeS2).

• Sirovo gvožđe se dobija u visokim pećimapreradom rude gvožđa na visokim temperaturama.

• Daljom preradom u čeličanama od sirovog gvožđadobija se čelik.


Osobine sirovog gvožđa

• Specifična masa gvožđa je 7870 kg/m3

• Tačka topljenja gvožđa je 1528 oC. • Sadrži oko 5% C.• Zbog visokog sadržaja C sirovo gvožđe je krto i

nije pogodno za upotrebu u konstrukcijama.


Šematski prikaz tehnologije proizvodnje čelika


Postupci za dobijanje čelika1. Postuci produvavanja:Tomsov postupak - Produvavanje vazduhom• Visok procenat azota (čelik je krt i podložan starenju);LD postupak - Produvavanje kiseonikom• Sadržaj azota je znatno manji (čelik je boljeg kvaliteta);• Kapacitet peći je veći (420 t), a vreme odlivanja manje;2. Postupci u plamenim pećima:Simens-Martinov postupak - oksidacioni plamen• Veliki utrošak energije (mešavina zemnog gasa i vazduha);• Manji sadržaj azota, veće vreme odlivanja;Postupak u elektro pećima - električni luk (T=3500 oC)• Postupak je skup i koristi se za dobijanje kvalitetnih i

visokolegiranih čelika.• Kapacitet peći je 200t, a vreme odlivanja je 1,5 sat;


Izlivanje tečnog sirovog čelika u kalupe

Kontinualno livenje

Livenje u kalupe


Oblici osnovnih proizvoda čeličana

Proizvodi čeličana se ne koriste kao gotovi proizvodi za izradučeličnih konstrukcija.

Oni su u stvari poluproizvodi koji se dodato prerađuju(najčešće deformacijom).


Prerada čelika deformacijom

Postupci obrade su:• valjanje,• kovanje,• presovanje i • izvlačenje.

Najviše se primenjuje valjanje (90%).

Valjanje može biti:• u vrućem stanju - vruće valjani proizvodi,• u hladnom stanju - hladno valjani (oblikovani) proizvodi.


Valjanje u vrućem stanju

• Valjanje u vrućem stanju (vruće valjanje) se najčešče primenjuje.

• Poluproizvodi se zagrevaju na 1200-1300 oC –testasto stanje.

• Zagrejani element (polufabrikat) se propušta krozseriju valjaka (i preko 70).

• Valjci mogu da budu ravni ili profilisani.• Vrućim valjanjem se pobljšava kvalitet čelika

(usitnjavaju se zrna njegove strukture).


Valjci za vruće valjanje


Šematki prikaz dobijanjavruće valjanih proizvoda


Standardni vruće valjani proizodi

Mogu da se podele na četiri grupe:

• Štapasti proizvodi,

• Limovi,

• Profilisani nosači,

• Šuplji profili.


Štapasti proizvodi

Jednakokraki ugaonici Raznokraki ugaonici

T- profili Z- profili

Pljošti čelik Široki pljošti čelik

Okrugli čelik Kvadratni čelik


Limovi

Prema debljini se dele na:• fine limove t < 3 mm• srednje limove i 3 < t < 4,75 mm• grube limove t > 4,75 mm.

Prema obradi površine dele se na:• glatke (ravne),• rebraste,• bradavičaste i• perforirane.


Rebrasti limovi

U obliku romba U obliku suze


Profilisani nosači

1. U profili2. I profili sa uskim nožicama: • I (IPN) i • IPE profili.3. I profili sa širokim nožicama:• HEA• HEB• HEM• HD


U profili i I profili sa uskim nožicama

U-profili U-profili sa paralelnim nožicama

I-profili IPE-profili


I profili saširokim

nožicama

HEA- profili HEB-profili

HEM-profili HD- profili


Šuplji profili

Kružni Kvadratni Pravougaoni


Hladno oblikovani proizvodi

Dobijaju se:

• hladnim valjanjem ravne trake

• previjanjem ravne trake pritiskom (u posebnim alatima)

Dele se na:

• hladno oblikovane profile (otvorenog ili zatvorenog preseka)

• hladno oblikovane profilisane limove


a) hladno oblikovani profili (HOP) otvorenog preseka;

b) hladno oblikovani profili zatvorenog preseka;

c) hladno oblikovani profilisani limovi;


Ostali proizvodi

• Automatski zavareni profili;• Saćasti i olakšani nosači;• Užad i kablovi• Rešetkasta gazišta (“rost”)• Istegnuti metal


Automatski zavareni profili


Saćasti i olakšani nosači


Saćasti nosači


Užad i kablovi


Istegnuti metal i rešetkasta gazišta


Materijal za spajanje


Osnovna svojstva čelika

- Fizičko-hemijska svojstva- Mehanička svojstva- Tehnološka svojstva


Fizička svojstva

Najvažnija fizička svojstva materijala su:• specifična masa (težina),• temperatura topljenja,• specifična toplota,• toplota topljenja,• provodljivost toplote,• koeficijent termičkog širenja,


Fizičko-hemijska svojstva

Zrnasta, kristalna mikrostruktura;Pravilno rasprostranjeni atomi gvožđa;Kristalna rešetka je kubna;Ona može da bude:• prostorno centrisana ili α-rešetka,• površinski centrisana ili γ-rešetka.


Ugljenik u čeliku

• Sadržaj ugljenika se kreće od 0,05-1,7%.• Konsrukcioni čelici imaju manje od 0,25% C.• Atomi C su znatno manji od atoma Fe i uglavljuju se

u kristalnu rešetku (više kod γ-rešetke);• U čeliku se C javlja i u vidu karbida gvožđa (Fe3C) –

cementita ili u vidu mešavine Fe i cementita koja se naziva perlit;


Mehaničke karakteristike čelika

Najvažnije karakteristike za proračun konstrukcija;• granica razvlačenja – fy

• čvrstoća na zatezanje – fu

• modul elastičnosti – E• Puasonov koefcijent – ν• izduženje pri lomu – δ• kontrakcija (žilavost) – ψ• zapreminska masa – γ


Neke bitne konstante materijala

E = 210000 MPa (21000 kN/cm2) ν = 0,3G = E/(2(1+ν)) = 81000 MPa (8100 kN/cm2)γ = 7850 kg/m3

α = 1,2 10-5 1/oC


Tehnološka svojstva čelika

Najznačajnija tehnološka svojstva čelika:• zavarljivost,• plastičnost,• kovnost,• istegljivost,• livnost,• otpornost na habanje,• obradljivost...


Zavarljivost

Zavarljivost može biti• operativna• metalurška i• Konstruktivna

Sposobnost materijala da se može spajati zavarivanjem(tehnološkim postupkom spajanja metala).

[%] 15

CN5

VMC6

MCCE uiorn ++

++++=

Ako je ekvivalent ugljenika CE < 0,45 % - čelik je zavarljiv!


Ispitivanje svojstava materijala

Određivanje mehaničkih karakteristika:• Ispitivanje metala na zatezanje ili pritisak• Ispitivanje udarne žilavosti• Ispitivanje tvrdoće metala


Ispitivanje metala na zatezanje

Određuju se najvažnije mehaničke karakeristike:• granica elastičnsti - fe

• granica razvlačenja - fy

• čvrstoća na zatezanje - fu

• modul elastičnosti - E• izduženje pri lomu – δ5

• kontrakcija poprečnog preska - ψ


Uzorci (epruvete) za ispitivanje

mm25za3,11mm25za65,5

000

000

<⋅=≥⋅=

ll

ll

AA


Dijagrami σ−ε za različite čelike


Određivanje granice razvlačenja

Opšti konstrukcioni čelik Visokovredni čelik


Izduženje pri lomu

Izduženje pri lomu i kontrakcija poprečnogpreseka su pokazatelji duktilosti materijala!

[%] 100⋅−

=A

AAoψ

Kontrakcija poprečnog preseka

100⋅−

=o

o

l

llδ


Ispitivanje udarne žilavosti - Šarpijev test

][J/cm 2

oAA

=ϕ

A energija udara,

Ao površina.

Energija udara pri lomu [J] predstavlja meru žilavosti metala.

Opit se sprovodi na različitim temperaturama, a rezultati definišukvalitet čelika.


Vrste konstrukcionih čelika

Pored ugljenika u čeliku se uvek nalaze i neki prateći elementikoji potiču iz procesa dobijanja čelika.Najčešće su to: Si, Mn, S, P, N, O, H.

Prema sadržaju ugljenika ugljenični čelici se dele na:

• niskougljenične (0,05 ≤ C ≤ 0,25 %),

• srednjeugljenične (0,25 < C ≤ 0,60 %) i

• visokougljenične (0,60 < C ≤ 1,70 %).

Ugljenični čelici su čelici kod kojih je ugljenik jedini legirajućielement.


Prateći elementi u čeliku

Samo silicijum (Si) i mangan (Mn) imaju pozitivne osobine(dezoksidanti).

Nepoželjni elementi su:• Sumpor (S) uzrokuje smanjenje žilavosti• Fosfor (P) još više smanjuje žilavost i dovodi do

krupnozrne strukture;• Azot (N) povećava tvrdoću, ali i opasnost od krtog loma i

starenja.• Kiseonik (O) smanjuje žilavost.Ovi elementi moraju se zadržati u propisanim granicama;

osnovna svojstva celika

Documents