8
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
8.1 8.2 8.3
Vervaardiging van staalproducten Verschil warm- en koudwalsen Vermoeiing
8.1
De vervaardiging van staalproducten
Bij paragraaf 8.2.3 in het boek. Bij de vervaardiging van staalproducten hebben in de laatste jaren belangrijke ontwikkelingen plaatsgevonden. Dit betreft zowel de verbetering van de efficiëntie van de staalproductie (via wijzigingen in het convertorproces) als de ontwikkeling van het continugietproces voor plaat/bandstaal, staal voor blokken, profielen en dergelijke Corus geeft aan dat op de locatie IJmuiden in 1993 met 25 000 medewerkers een productie van 4 × 106 ton staal werd behaald terwijl in 2003 een productie van 6,5 × 106 ton staal wordt gerealiseerd met 9500 medewerkers. Bij de omzetting van ruwijzer tot staal is een groot aantal verfijningen aangebracht waardoor minder milieubelasting wordt veroorzaakt en een stabielere staalsamenstelling. Figuur A8.1 geeft een overzicht van een moderne staalconvertor.
Vertaling: top blowing lance slag formers oxygen or side tuyere hydro carbon
top lang slakvormers zuurstof of naar zijn tuyere koolwaterstofgas
Figuur A8.1 De productie van staal uit ruwijzer Bij de modernere processen worden via afzuiging de rookgassen verzameld waarbij het afgezogen CO weer gebruikt kan worden voor elektriciteitsopwekking. Het inblazen van inerte gassen zorgt voor een goede menging van alle producten en daardoor voor een efficiënte koolstofafname in het ruwwijzer. Het staal wordt met grote staalpannen naar de continugietinstallatie gebracht waar met een continugietproces knuppels dan wel platen worden vervaardigd. Zie figuur A8.2. Deze halffabriekaten worden in de knuppelwalserij en de Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
1
warmbandwalserij verder verwerkt, zie figuur A8.3. Deze producten kunnen vervolgens verder bewerkt of bekleed worden, zie figuur A8.4.
Figuur A8.2 De productie van staal uit schroot en ruwijzer en de vervaardiging van knuppels en plakken via het continugietproces (Bron: TU-Delft Integraal, 2004)
Figuur A8.3 De productie van staven en bandstaal via de knuppelwalserij en de warmbandwalserij (Bron: TU-Delft Integraal, 2004)
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
2
Figuur 8.4 Het verder verwerken van het bandstaal op de koudbandwalserij en de bekeledings- dan wel dompelverzinklijn Corus in IJmuiden heeft zich gespecialiseerd in de productie van bandstaal, zie de rechterkolom van figuur A8.2 t/m A8.4.
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
3
8.2
Het verschil tussen warmwalsen en koudwalsen
Bij paragraaf 8.2.6 in het boek. Metalen worden versterkt via verschillende maatregelen, zoals legeren, warmtebe-handelingen, wapenen met sterke vezels enzovoort. Een veelgebruikte methode is die van koudvervormen. Hierbij verstrekt men het metaal tot voorbij zijn elasticiteitsgrens waardoor het plastisch (blijvend) vervormd wordt. Dit verstrekkings- dan wel walsproces gebeurt bij kamertemperatuur, vandaar de benaming koudwalsen. Het resultaat is een plastisch vervormd metaal met hogere sterkte en kleinere breukrek dan het oorspronkelijke metaal. Bij de vervaardiging van staalproducten zal uiteraard uitgegaan moeten worden van het vloeibare staal dat uit de staalconvertor wordt afgetapt. In de continugietmachine stolt dit materiaal en onmiddellijk daarop wordt het bij hoge temperatuur gewalst. Het staal is dan rood-geelgloeiend op een temperatuur van ruwweg 900 oC en heeft de austeniet-kristalstructuur, dus de vlakkengecenterde kubische structuur. Men noemt dit ook wel γ-ijzerstructuur. Zie figuur 8.3a in het boek. Bij deze temperatuur hoeft men relatief niet zo’n grote belasting aan te brengen om plastisch te vervormen. Dit walsproces heet warmwalsen. Het in de gewenste vorm gewalste staal heeft na afkoeling het σ-ε-diagram heeft zoals weergegeven in figuur 8.21 in het boek. Voor de goede orde, dit diagram is bepaald bij kamertemperatuur en niet bij 900 oC. Als men bij 900 o C het σ-ε-diagram zou hebben bepaald, had men iets gevonden zoals in figuur A8.5b. σ
σ
ε a diagram bepaald bij 20 oC, dus staal bestaat uit ferriet + perliet
ε b diagram bepaald bij 900 oC, dus staal bestaat uit austeniet
Figuur A8.5 De σ-ε-diagrammen van staal bepaald bij verschillende temperaturen Er wordt in figuur A8.5a een vloeigrens aangetroffen die kernmerkend is voor warmgewalst staal. Gaat men nu het staal van figuur A8.5a bij kamertemperatuur walsen tot voorbij de vloeigrens, bijvoorbeeld punt B in figuur A8.6 of figuur 8.21 in het boek, dan wordt het staal blijvend langer én dunner. Zie figuur A8.6. De lijn vanaf punt B naar de horizontale as loopt evenwijdig aan de lijn vanuit de oorsprong. De helling van de lijn geeft de elasticiteitsmodulus E. Stel dat het uitgangsmateriaal (dus het warmgewalste staal) een doorsnede had van A0 (mm2). Stel dat door het koudwalsproces het staal nu een doorsnede heeft van Anieuw 0 (mm2) dan zal in ieder geval (omdat we het staal tot een grotere lengte hebben gewalst) moeten gelden: Anieuw 0 < A0. Verder geldt: Lnieuw
koudgewalst staal
> L0 warmgewalst staal
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
4
kracht K (N)
kromme 1: warmgewalst staal kromme 2: koudgewalst staal
B
O
verlenging ∆L (mm)
O’
blijvende verlenging bij koud walsen
Figuur A8.6 Het kracht-verlengingsdiagram van warmgewalst staal (kromme 1) en van koud gewalst staal (kromme 2) Nu is figuur A8.6 het kracht-verlengingsdiagram (eveneens bepaald bij kamertemperatuur) en het is duidelijk dat als men het staal na het koudwalsen opnieuw gaat belasten, de gestippelde curve ontstaat (kromme 2 in de figuur). De lijnt volgt uiteraard gewoon weer het oorspronkelijke krachtvervormingsdiagram (het staal weet immers niet dat ergens bij B even de kracht verwijderd is). Voor het gemak is het startpunt van de koudgewalste kromme geplaatst in punt O’. De uitkomst van kracht-verlengingsdiagrammen hangt af van de vorm van het proefstuk. Vandaar dat om een vergelijking mogelijk te maken de te meten parameters worden 'genormaliseerd'. Zo transformeert men kracht K (N) naar spanning σ (N/mm2) en verlenging L (mm) naar rek γ = L/L0 (mm/mm). Voor het begrip spanning wordt de 'engineering stress' σ gebruikt en deze is gedefineerd als: σ=
kracht K oorspronkelijk oppervlak A0
N 2 mm
De rek γ noemt men de engineering strain. Nu is bij het koudwalsen de doorsnede verkleind van de warmgewalste doorsnede A0 naar Anieuw 0. Uitgaande van figuur A8.6 voor het krachtverlengingsdiagram en de definitie van de engineering stress vindt men dus figuur A8.7 voor de twee σ-ε-diagrammen.
σ
kromme 1: warmgewalst staal kromme 2: koudgewalst staal
ε Figuur A8.7 De σ-ε-diagrammen van warm- en koudgewalst staal
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
5
Figuur 8.24 in het boek geeft eveneens het σ-ε-diagram van koud gewalst staal. In vergelijking met bovenstaande figuur A8.6 valt meteen het grote verschil in breukrek op. De verklaring is de mate van koude deformatie. In figuur 8.24 is veel verder doorgewalst dan bij figuur A8.6. Het kenmerkende verschil tussen het σ-ε-diagram van warmgewalst staal en dat van koudgewalst staal is het ontbreken van de vloeigrens bij koudgewalst staal. Bij het koudwalsen is immers belast tot voorbij de vloeigrens. In plaats van de vloeigrens wordt een 'knikpunt’ in de curve gevonden en in plaats van de vloeigrens σvloei definieert men bij koudgewalst staal de 0,2% rekgrens σ0,2. Dit is het spanningsniveau waarbij een blijvende vervorming van 0,2% wordt bereikt. De meeste metaallegeringen (inclusief koudgewalst staal) hebben geen vloeigrens maar een knikpunt in de curve, dus kromme 2 in figuur A8.6. Zoals in het boek reeds is uitgelegd ontstaat de plastische deformatie bij metalen doordat de roosters niet perfect zijn maar vele roosterfouten bezitten. Een voorbeeld is gegeven in figuur A8.8, de zogenoemde randdislocatie.
Figuur A8.8 Voorbeeld van een randdislocatie Men moet wel bedenken dat er een onvoorstelbaar groot aantal dislocaties in metalen aanwezig zijn, en dat de dislocatiedichtheid toeneemt naarmate er meer gedeformeerd wordt. Bij warmgewalst staal zullen niet alle koolstofatomen onder de 723 oC in het cementiet Fe3C (ijzercarbide) gebonden worden (bij hogere temperaturen ontbindt het cementiet in Fe en C en dan zullen de koolstofatomen in het nieuw gevormde austenietrooster een plaats vinden als vaste oplossing). Bij kamertemperatuur zullen de niet gebonden koolstofatomen tezamen met andere kleinere atomen zoals stikstof dus een plaatsje moeten vinden in het αijzerrooster (ferriet = kubisch ruimtelijk gecenterd) maar daar passen deze atomen nu net niet in. Dit betekent dat ze toegedreven worden naar plekjes in het rooster waar nog wel ruimte is voor ze en dat is onder een randdislocatie. Daar hopen ze op en vormen een zogenoemde Cottrell-wolk. Zie figuur A8.9. Door de aanwezigheid van de Cottrell-wolk wordt de dislocatie als het ware 'vastgepind' en kan hij niet verschuiven bij het belastingniveau waar hij zou zijn gaan verschuiven als de atoomwolk niet aanwezig was geweest. Pas bij een hogere belasting gaan de vastgepinde dislocaties verplaatsen, en dat is dan de vloeigrens σvloei.
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
6
FiguurA8.9 De Cottrell-wolk onder een randdislocatie in staal Bij koudgewalst staal heeft men over de vloeigrens belast dus zijn de dislocaties reeds losgetrokken van de Cottrell-wolk. Bij opnieuw belasten vindt men geen vloeigrens meer.
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
7
8.3
Vermoeiing
Bij paragraaf 8.2.6 in het boek Materialen die belast worden door fluctuerende belastingen in de tijd raken op de lange duur 'vermoeid' en kunnen dan via scheurgroei uiteindelijk bezwijken. Men moet dus inzicht hebben in het gedrag van materialen onder wisselbelastingen. Uiteraard hangt het moment van bezwijken af van een groot aantal parameters: de grootte van de belastingamplitude, of het een echte wisselbelasting is (trekamplitude even groot als drukamplitude) of het een rimpelbelasting is (drukniveau niet even groot als trekniveau), de frequentie van de belastingwisselingen, de temperatuur en het milieu (schone lucht dan wel zure regen) enzovoort. Test men staal op een wisselbelasting dan vindt men de vermoeiingscurve in figuur A8.10. Men noemt dit de Wöhler-curve. spanningsamplitude van de wisselbelasting gebied van breuk
vermoeiingssterkte geen breuk
log n Figuur A8.10 De Wöhlercurve van staal n = aantalbelastingwisselingen Als de maximale amplitude maar onder de horizontale lijn in figuur A8.10 blijft (de lijn van de vermoeiingssterkte) dan zal het staal nooit bezwijken. Komt in de loop van de gebruikstijd van het staal een aantal keren toevallig de spanning boven de dikke zwarte lijn, dan zal in het gunstige geval de constructie nog kunnen waarschuwen doordat scheurgroei zichtbaar is. Het hangt dus van de taaiheid van het staal af of er nog stabiele scheurgroei optreedt dan wel plotselinge brosse breuk. Vele metaallegeringen bezitten echter niet zo’n mooie vermoeiingssterkte als staal; men krijgt dan iets zoals figuur A8.11. spanningsamplitude van de wisselbelasting gebied van breuk
geen breuk log n
Figuur A8.11 Het vermoeiingsdiagram van een constructieve aluminiumlegering Figuur A8.11 laat zien dat men bij dergelijke materialen moet ontwerpen en construeren op het aantal belastingwisselingen dat men wil toestaan gedurende de gebruikslevensduur. Men zal dus bij vliegtuigen bijvoorbeeld een veel lager belastingniveau toestaan dan wanneer men dezelfde aluminiumlegering volledig statisch (dus zonder belastingwisselingen) zou hebben belast.
Aanvulling Hoofdstuk 8 Metalen
8
