uz prisutne PRATIOCE (Si, Mn) i - fsb.unizg.hr · PDF filePotrošnja čelika po...

ZAVOD ZA MATERIJALE MATERIJALI II

1

ČELICI

Čelik je metastabilno kristalizirana legura Fe-C (≤2%C),

uz prisutne PRATIOCE (Si, Mn) i

NEČISTOĆE (P, S i ostali)

i uz eventualni dodatak

jednog ili više LEGIRNIH elemenata.

ČELICI


4

Potrošnja čelika po stanovniku 2011.

- svjetski prosjek: 215 kg

Ukupna svjetska proizvodnja čelika (2012.): 1,548 milijardi tona


5

POTROŠNJA ČELIKA PO STANOVNIKU


6

SISTEMATIZACIJA ČELIKA

Moguća obilježja za opis materijala:

kemijski sastav

mikrostruktura

postupak proizvodnje

oblik i stanje

područje primjene – konstrukcijski ili alatni

svojstva


7

a) Prema kemijskom sastavu čelici mogu biti:

zajamčenog ili nezajamčenog kemijskog sastava

ugljični (nelegirani) ili legirani – jednostruko ili

višestruko

niskolegirani ili visokolegirani ( 5% leg.elemenata)

prema vrsti legirnih elemenata: Cr, Ni, Mn, Si, W,

Mo, V ili Cr-Ni, Cr-Mn, Cr-Mo, Si-Mn ili Cr-Ni-Mo,

W-Cr-V čelici

prema kvaliteti (maseni udjeli P i S): masovni,

kvalitetni (ujednačena kvaliteta) i plemeniti

(visoka kvaliteta)


8

Vrijedi samo za nelegirane i nisikolegirane čelike


9

O %C ovisi mikrostruktura čelika, a time i njegova

svojstva.

Kod nelegiranih čelika < 0,8 %C povišenjem %C

raste tvrdoća, Re, Rm, ali se smanjuje A, Z i udarni

rad loma → veći %Fe3C (tvrd i krhak).

Kod čelika 0,8 %C Rm opada jer je povišen

%Fe3C" → mrežasto po granicama zrna.

Porastom %C pada hladna deformabilnost i

zavarljivost, a raste zakaljivost.

Većina konstrukcijskih čelika sadrži 0,6 %C.

UTJECAJ %C NA SVOJSTVA ČELIKA:

Ugljik je osnovni i najutjecajniji element u čelicima.


10

LEGIRNI ELEMENTI

1. U kristalima mješancima (u feritu i austenitu)

2. U karbidima (karbidotvorci) i intermetalnim spojevima

(karbidotvorci: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta)

3. Kao nemetalni uključci – oksidi, nitridi, sulfidi, fosfidi

GAMAGENI – AUSTENITOTVORCI

(Ni, Mn, Co, Cu)

ALFAGENI – FERITOTVORCI

(Cr, W, Mo, V, Si, Ti, Nb, Ta, Zr, B)


11

Legirni element Granični maseni

udio, %

aluminij 0,10

bor 0,0008

krom 0,30

kobalt 0,10

bakar 0,40

rijetke zemlje – lantanidi (npr. cer, neodim, erbij)

0,05

mangan 1,60

molibden 0,08

nikal 0,30

niobij 0,05

olovo 0,40

selen, telur 0,10

silicij 0,50

titan 0,05

volfram, vanadij 0,10

cirkonij 0,05

ostali (izuzevši C, P, S, N i O) 0,05

Granični maseni udjeli elemenata koji odjeljuju nelegirane od legiranih čelika (EN 10020)


16

KONSTRUKCIJSKI ČELICI

Primjena

- dijelovi strojeva i uređaja koji obavljaju neku funkciju:

vratila, zupčanici, nosači, opruge, vijci, zatici, poklopci,

kućišta, ventili itd.


17

Zahtijevana svojstva

1. MEHANIČKA SVOJSTVA - OPĆI ZAHTJEVI

- visoka granica razvlačenja – Re, Rp0,2

- visoka istezljivost – A

- dovoljno visoka granica puzanja pri povišenim temperaturama - RDVM

- dovoljno visoka čvrstoća pri povišenim temperaturama – Rm/

- dovoljna žilavost normalnim, sniženim i niskim temperaturama – KU/KV

- dovoljna čvrstoća pri normalnim, sniženim i niskim temperaturama - Rm

- dovoljna dinamička izdržljivost – Rd.

2. OTPORNOST NA TROŠENJE (specifični zahtjevi): što manji gubitak mase.

3. OTPORNOST NA KOROZIJU (specijalni čelici)

- korozijska postojanost u atmosferi ili općenito kemijska u agresivnim tekućinama;

- otpornost na oksidaciju pri visokim temperaturama.

4. TEHNOLOŠKA SVOJSTVA

- rezljivost;

- zavarljivost;

- zakaljivost i prokaljivost

- hladna oblikovljivost.


18

Podjela konstrukcijskih čelika

1. Opći konstrukcijski čelici

2. Čelici povišene čvrstoće

3. Ugljični čelici za tanke limove, trake, žicu

4. Čelici za vijke, matice i zakovice

5. Čelici za cementiranje

6. Čelici za poboljšavanje

7. Čelici za opruge

8. Čelici poboljšane rezljivosti

9. Korozijski (kemijski) postojani čelici

10. Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

11. Čelici za rad pri niskim temperaturama

12. Visokočvrsti čelici


19

OPĆI KONSTRUKCIJSKI ČELICI

1. Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije

2. Čelici za strojogradnju

Kemijski sastav - orijentacijski propisan (nezajamčen)

Zajamčena mehanička svojstva


20

OPĆI KONSTRUKCIJSKI ČELICI ZA NOSIVE KONSTRUKCIJE

Masovni čelici: najveća proizvodnja i potrošnja

< 0,2 % FERITNO-PERLITNA MIKROSTRUKTURA

0,10 %C 0,25 %C


21

Svojstva

- nosivost i sigurnost (Re, Rm, KU/KV)

- povoljan omjer Re/Rm - plastična rezerva

- velika površina ispod krivulje u F- l dijagramu

(sigurnost od krhkog loma)


22

0,4e

%Mn %Cr + %Mo + %V %Ni + %CuZAVARLJIVOST: C = %C + + +

4 5 10

Hladna defomabilnost - oblikovljivost

(savijanje, duboko vučenje, kovanje) → zbog niskog

%C i velike istezljivosti i suženja presjeka.

TEHNOLOŠKA SVOJSTVA


23

Udarni rad loma (žilavost) pri nižim temperaturama

(do –20 °C) je zajamčen za neke vrste čelika: npr.

S355JRG3 (Č0561), S355J0G3 (Č0562) i S355J2G3

(Č0563) OPASNOST OD KRHKOG LOMA

TREBA BITI ŠTO NIŽI %C I NEČISTOĆA - P, S, N

UKLJUČAKA - npr. oksidi, fosfidi

SMIRENI ILI POSEBNO SMIRENI ČELICI

Što je viši omjer Mn/C, to je veća žilavost i to

posebno pri nižim temperaturama (manja sklonost

krhkom lomu).

Viši %Mn povisuje prokaljivost i opasnost od

spontanog zakaljivanja pri zavarivanju.


24

LIBERTY BRODOVI U SAD je izgrađeno 2711

brodova od 1941. do1945.

Zavarene konstrukcije.

Došlo do lomova na velikom

broju brodova i to pri niskim

temperaturama.

KRHKI LOM


25

Mehanička svojstva

Re = 190...370 N/mm2;

Rm = 330...700 N/mm2;

A = 10...28 %;

KV = 23...27 J

Temperatura uporabe:

40 do +50 ºC.


26

Različite čelične konstrukcije

Spremnici


27

Dizalice Mostovi

Brodovi


28


29

ČELICI ZA STROJOGRADNJU

Kemijski sastav

0,3-0,5 %C – slabija zavarljivost.

Svojstva

Viša Rm ali niža A5 od općih konstr. čelika za nosive konstrukcije.

Veća otpornost na trošenje.

Primjena

- dijelovi koji se gibaju: osovine, vretena, zupčanici;

- dijelovi koji prenose sile i momente: klinovi, zatici, vijci,

ručice, poluge.


30

ČELICI POVIŠENE ČVRSTOĆE

Razvoj proizišao zbog potrebe smanjenja nosivih presjeka i mase konstrukcije:


31

1. Očvrsnuće kristalima mješancima

- povišenje %C, dodatak N i legiranje.

2. Očvrsnuće martenzitnom transformacijom

- kaljenje (martenzitna struktura).

3. Očvrsnuće hladnom deformacijom

- veća gustoća dislokacija.

4. Očvrsnuće granicama zrna, odnosno usitnjenjem zrna

- zapreke gibanju dislokacija su velikokutne granice zrna.

5. Očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom) i disperzijom faza

- izdvojene faze nelegiranih ili legiranih karbida ili intermetalnih

spojeva.

MEHANIZMI OČVRSNUĆA SPRIJEČAVANJE

GIBANJA DISLOKACIJA STVARANJEM PREPREKA


32

Podjela:

1. Normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće:

360 < Rp0,2 500 N/mm2 ;

2. Poboljšani sitnozrnati čelici: Rp0,2 ≥ 500 N/mm2 .

Normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće

HSLA (High Strength Low Alloyed) – mikrolegirani čelici povišene

čvrstoće - male količine disperzoidnih elemenata (< 0,1 %)


33

Mehanička svojstva

- nisu osjetljivi na krhki lom;

- dobra zavarljivost

(<0,2 %C; Ce< 0,4).

Rp0,2 = 250...500 N/mm2;

Rm = 360...770 N/mm2.

Mikrostruktura sitnozrnatog čelika

Ferit + Perlit

VRSTE ZA:

- NORMALNE TEMPERATURE

- POVIŠENE TEMPERATURE

- SNIŽENE TEMPERATURE


34

Primjena

- spremnici za plinove;

- rezervoari za transport tekućih plinova;

- nosive konstrukcije mostova i hangara;

- postolja vagona;

- dijelovi građevinskih strojeva.


35

ČELICI ZA CEMENTIRANJE

Niskougljični (< 0,25 %C), nelegirani ili niskoleg. čelici

zajamčenog sastava.

Cementiranje = pougljičavanje + kaljenje + nisko pop.

Pougljičavanjem pri Ta, obogaćuju se rubni slojevi 0,8

do 0,9 %C i postaju zakaljivi na maks. tvrdoću – 61do

64 HRC.

Jezgra ostaje niskougljična i mekša.

Nakon cementiranja površinski slojevi su tvrdi

(visokougljični martenzit) i otporni na trošenje,

dok sredina presjeka ostaje F/P (nepotpuno prokaljivanje),

ili niskougljična-martenzitna (potpuno prokaljivanje) →

otporna na dinamička i udarna opterećenja – tj. žilava


36

niskougljični

martenzit

visokougljični

martenzit


37


38

Svojstva

Dijelovi koji moraju istovremeno biti otporni na trošenje

(površina) i podnositi dinamička opterećenja (sredina dijela).

IZBOR VRSTE ČELIKA: otpornost na trošenje

cementiranog površinskog sloja približno jednaka za

sve čelike (maksimalna tvrdoća), pa su za izbor čelika

odlučujuća mehanička svojstva sredine presjeka.

Za veće dimenzije i viša mehanička opterećenja radi

potrebe za što potpunijim prokaljivanjem dolaze u

obzir jače legirani čelici (bolje prokaljivi).


39


40

Podjela čelika i primjena

Nelegirani čelici: npr. C10 (Č1120), C10E (Č1121) ili C15 (Č1220), C15E (Č1221).

Prokaljivost: slaba (do Φ10 mm).

Primjena: dijelovi manjih presjeka koji nisu jače udarno opterećeni: male osovinice

i zupčanici, poluge, svornjaci, čahure.

Cr-čelici: npr. 15Cr2 (Č4120).

Primjena: poluosovine, manje zupčanike, bregaste osovine, osovinice klipa,

osovine kotača vozila.

Mn-Cr čelici: npr. 16MnCr5 (Č4320) ili 20MnCr5 (Č4321).

Primjena: dijelovi srednjih dimenzija kao što su: zupčanici, vretena i osovine alatnih

strojeva, bregaste osovine i stapajice motora.

Cr-Mo i Mo-Cr čelici: npr. 20CrMo5 (Č4721) ili 20MoCr4 (Č7420).

Primjena: bregaste i koljenaste osovine, zupčanike mjenjačkih kutija, kardanske

zglobove.

Ni-Cr čelici: npr. 14CrNi6 (Č5420) ili 18CrNi8 (Č5421). Prokaljivost: vrlo dobra.

Primjena: za izradu dijelova najvećih dimenzija: visokoopterećeni zupčanici i

vratila, koljenaste osovine, osovine u zrakoplovima i kamionima.


41

ČELICI ZA POBOLJŠAVANJE

Svojstva i primjena

- za dijelove koji u radu moraju postići kombinaciju Rp0,2, Rm, A, KU i Rd.

- osnovni preduvjet za postizavanje željenih svojstava je prokaljenost

0,2...0,6 %C; nelegirani i niskolegirani zajamčenog sastava

Poboljšavanje = kaljenje + visokotemperaturno popuštanje

Visokopopušteni martenzit


42

Prokaljenost - jednoličnost svojstava po presjeku

određuju:

a) PROKALJIVOST primijenjene vrste čelika

↑ %C i stupanj legiranosti,

b) DIMENZIJE dijela i

c) UVJETI GAŠENJA pri kaljenju.

Mjera prokaljenosti je stupanj zakaljenosti (stupanj

prokaljenosti) – Sk

kalj

k

maks

HS = 0,72...1,0

H

Sk 0,72 → 50 %M

Sk 1,0 → 100 %M


44

POJASEVI ZAJAMČENE PROKALJIVOSTI ČELIKA

JOMINY KRIVULJE


45

Što su veće dimenzije i blaži uvjeti hlađenja za jedan te

isti čelik, to možemo očekivati slabiju prokaljenost.

Za velike dimenzije treba birati više legirane čelike –

bolja prokaljivost (krivulje pretvorbi u TTT dij. pomaknute

su u desno)

Izbor vrste čelika za poboljšavanje:

na temelju zadanih dimenzija i visine opterećenja,

odnosno na temelju traženih vrijednosti mehaničkih

svojstava na kritičnom mjestu presjeka.


46

IZBOR TEMPERATURE POPUŠTANJA


47

Tipični primjeri primjene

C22 (Č1330), C45 (Č1530) Zbog male prokaljivosti primjenjuju se do promjera (debljine presjeka) od 40 mm, iznimno do 100 mm za slabije opterećene dijelove, često i u normaliziranom stanju. Primjena za osovine, vijke, vretena, veće zupčanike u paru, klipnjače itd.

34Cr4 (Č4130) Veća prokaljivost omogućava primjenu do promjera od 100 mm dinamički opterećenih dijelova - koljenaste osovine, poluosovine automobila, osovine u mjenjaču...

42CrMo4 (Č4732) Primjena za veće dimenzije i veća radna opterećenja. Najekonomičniji je za promjere do 100 mm dijelova vozila i zrakoplova: osovine, klipnjače, koljenaste osovine, poluosovine automobila, kardanske osovine, zupčanici...

36CrNiMo4 (Č5430) Čelik najbolje prokaljivosti pa je najekonomičniji u primjeni za dijelove velikih dimenzija (preko 150 mm promjera) od kojih se traži visoka granica razvlačenja i udarni rad loma. Najskuplji od svih čelika za poboljšavanje zbog legiranja s Ni. Primjeri primjene: osovine turbogeneratora, ekscentar osovine za preše, veliki zupčanici...


48

16...40 40...100 100...160 160...250

1100

50CrV4 30CrMoV9

36CrNiMo4 30CrNiMo8

34CrMo4 50CrV4 30CrMoV9

18CrNi18 36CrNiMo4 30CrNiMo8

25CrMo4

15CrNi6 34CrMo4 50CrV4

20CrMo4

20MoCr4 18CrNi18 34CrNiMo6

20MnCr5

25CrMn4

34Cr4 15CrNi6

20CrMo4

16MnCr5 20MoCr4

20MnCr5

28Mn6

34Cr4

16MnCr5

Ck35

15Cr3

C15

C10

34CrNiMo6

R p0,2, N/mm2 Promjer, mm

< 16

1000

34CrNiMo618CrNi18

30CrMoV9

30CrMoV9

30CrNiMo836CrNiMo4

42CrMo4

34CrNiMo6

30CrNiMo8

900

50CrV4

34CrNiMo6

700

25CrMo4

34Cr4

20CrMo4

20MnCr4

80034CrMo4

36CrNiMo4

28Mn6

15CrNi6

16MnCr 5

600

500 25CrMo4

400

Ck3528Mn6

Ck4534Cr4

Ck45 34Cr4

Ck60

Ck45

15Cr3

34CrMo4

300 C10 Ck35 34Cr4

34CrMo4

Ck3534CrMo4

C15

34CrMo4

IZBOR ČELIKA NA TEMELJU

DIMENZIJA I GRANICE

RAZVLAČENJA


49

ČELICI ZA OPRUGE

Za visokonapregnute dijelove nakon rasterećenja elastični povrat.


50

– DIJAGRAM OPĆEG KONSTRUKCIJSKOG ČELIKA

ZA NOSIVE KONSTR. I ČELIKA ZA OPRUGE


51

visoku dinamičku izdržljivost (Rd) – otpornost na lom od umora;

Traži se visoka kvaliteta površine i mikrostruktura bez uključaka,

što znači da se trebaju izbjegavati oštećenja pri oblikovanju i montaži opruga, pukotine pri kaljenju i razugljičenje površine.

ZAHTJEVI – TRAŽENA SVOJSTVA:

visoka granica razvlačenja ili granica elastičnosti: Re, Rp0,1, i RE Spadaju u visokočvrste čelike

visoka Rm – sigurnost od loma

sigurnost od krhkog loma A 6 %

otpornost na udarno opterećenje dovoljan udarni rad loma – K

dovoljnu rezervu plastičnosti (povoljan omjer Rp0,1/Rm)

modul elastičnosti (E)→ tražena elastična deformacija

Kod svih čelika je jednak


52

Tipični primjeri primjene:

- lisnate i zavojne opruge za vagone: 45Si7(Č2131), 50Si7(Č2132)

- za najjače napregnute opruge (zavojne, tanjuraste, torzijske)

cestovnih vozila: 55Cr3 (Č4232), 50CrV4 (Č4830)

POBOLJŠAVANJE = KALJENJE + SREDNJETEMP. POPUŠTANJE

ILI IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE (manji presjeci)

HLADNO DEFORMIRANJE - NIŽE VRIJEDNOSTI MEH.

SVOJSTAVA

PATENTIRANJE = KOMBINACIJA IZOTERMIČKOG

POBOLJŠAVANJA I HLADNE DEFORMACIJE

POSTIZAVANJE MEHANIČKIH SVOJSTAVA OPRUGA:

LEGIRANJE: Si, Mn, Cr, V

uz prisutne PRATIOCE (Si, Mn) i - fsb.unizg.hr · PDF filePotrošnja čelika po...

Documents

Transcript of uz prisutne PRATIOCE (Si, Mn) i - fsb.unizg.hr · PDF filePotrošnja čelika po...