2. Materiály a jejich charakteristiky Austenitické, duplexní, feritické, martenzitické a precipitačně vytvrzené oceli. Značení, vlastnosti a použití.
Materiál Nerezové (korozivzdorné) oceli patří mezi legované oceli a mají: min. 10,5% Cr max. 1,2 % C Značení: (ČSN EN 10027 – Systémy označování ocelí, ČSN EN 10088 - Korozivzdorné oceli) legující prvky, [%]
značka:
např.
X5CrNi18-10
(původně DIN)
vysokolegovaná (> 5 % jednoho prvku)
obsah C [100 %] - zde 0,05% konkrétní ocel ve skupině
číslo materiálu: („třída oceli“)
např. tatáž ocel ocel
1.4301 korozivzdorná ocel mající ≥ 2,5 % Ni, bez Mo, Nb, Ti Skupina 44 je s molybdenem
Nerezové konstrukce
1
Z hlediska navrhování je důležité zpevnění tvarováním za studena (vede k vyšší smluvní mezi kluzu fy i vyšší mezi pevnosti fu): třída podle zpracování za studena:
CP350 až CP700 (odpovídající C700 až C1000 pro fu) zvýšená 0,2 % (smluvní) mez kluzu fy v [MPa] (Eurokód připouští běžný návrh pouze pro třídu CP350, resp. C700)
Tyto třídy zaručí výrobce (např. u trubek), nebo musí potvrdit zkušebna. Podle hlavních vlastností (ČSN EN 10088: Korozivzdorné oceli): a) Oceli odolné korozi: Chrom vytváří povlak oxidu chromu, "pasivní vrstvu" (sama se obnovuje). (Oceli 1.40, 1.41, 1.43, až 1.46: např. běžné 1.4301, 1.4401, 1.4462)
b) Oceli žáruvzdorné: Mají dobrou odolnost proti oxidaci a plynům při teplotách > 500 ºC. (Oceli 1.47, 1.48)
c) Oceli žáropevné: Mají dobrou odolnost proti deformaci při zatížení a teplotách > 500 ºC. (Oceli 1.49) Nerezové konstrukce
2
Redukční součinitele při požáru: porovnání uhlíkové a nerezové oceli Ea, / Ea
1,0 0,8
pro modul pružnosti
nerezové oceli
0,6
pro 800 ºC: pro nerezové cca 7x vyšší
0,4 0,2
uhlíková ocel
0 20º 200º
400º
1,0
uhlíková ocel
fy, / fy
pro mez kluzu
600º 800º 1000º 1200ºC T [º C]
0,8
nerez 1.4404
0,6
nerez 1.4529
0,4
nerez 1.4362 nerez 1.4003
0,2 nerez 1.4462
pro 800 ºC: pro nerezové cca 2x vyšší
0 20º 200º
400º
600º 800º 1000º 1200ºC
Nerezové konstrukce
T [º C] 3
Rozdělení podle mikrostruktury: • feritické oceli • martenzitické oceli
(C < 0,8 %, magnetické, hůře svařitelné), (C < 1,0 %, magnetické, tvrdé - na ložiska apod.,
• precipitačně vytvrzené oceli (dodatečné tepelné vytvrzení martenzitu), ________
• austenitické oceli
(Cr 17-19 %, Ni 8,5-14,5 %, Mo 2-2,5%) nemagnetické, ve stavebnictví nejběžnější, • austeniticko-feritické (duplexní) oceli (Cr 21-23 %, Ni 4,5-6,5 %, Mo 2,5-3,5 %, N 0,1-0,22 %) lepší, vyšší pevnost, větší odolnost proti korozi, dražší, mosty.
Ni [%] 20
austenitické oceli
15 austeniticko-feritické oceli precipitačně vytvrzené oceli
10 5
feritické oceli
martenzitické oceli 0
10
15
20
25
Nerezové konstrukce
30
Cr [%] 4
Příklad typických struktur:
• feritická ocel 1.4511
• martenzitická ocel 1.4313
• austenitická ocel 1.4301
• duplexní ocel 1.4462
Nerezové konstrukce
5
American Iron and Steel Institute/ American Society for Testing and Materials
Třídy obsažené v ČSN EN 1993-1-4: třída oceli
podle AISI/ASTM
Chromniklové austenitické
1.4318 1.4301 1.4306, 1.4307 1.4311 1.4541
301LN 304 304L 304LN 321
Chromniklmolybdenové austenitické
1.4401 1.4404, 1.4432, 1.4435 1.4406 1.4571 1.4439 1.4539
316 316L 316LN 316Ti 317LN 904L
Super austenitické
1.4529 1.4547
925 „6 % molybdenum“
Duplexní
1.4362 1.4462
2304 2205
Feritické
1.4003 1.4016 1.4512
„weldable 409“ 430 409
(zlepšené protikorozní vlastnosti, cca 25%Cr, 7%Ni, 3,5%Mo, N)
Nerezové konstrukce
6
Nové druhy nerezových ocelí pro stavební konstrukce (levnější): 1. Nízkolegovaná duplexní ocel („lean“ duplex grade): 1.4162
(LDX 2101, podle ASTM S32101)
složení: 0,03% C; 21 ,5 % Cr; 5% Mn; 1,5% Ni; 0,3% Mo; 0,22% N vlastnosti: • vysoká pevnost (fy ≥ 450 MPa; fu ≥ 650 MPa; ≥ 30%; KV20º C ≥ 60 J; = 0,0000135), • dobrá svařitelnost, jako u ostatních duplexních ocelí, • korozní odolnost jako u austenitických ocelí, • dobrá únosnost při únavě.
2. Feritické oceli: 1.4509
(podle ASTM 441) - X2CrTINb18 legury zlepšují svařitelnost a tvárnost
1.4521
(podle ASTM 444) - X2CrMoTi18-2 legury zlepšují odolnost proti korozi
Nerezové konstrukce
7
Mechanické vlastnosti nerezových ocelí: nelineární pracovní diagram
jiné vlastnosti příčně, podélně, v tlaku, v tahu
(Ramberg-Osgoodův model)
[MPa]
[MPa]
korozivzdorné oceli
tlak - příčně tah - příčně tlak - podélně tah - podélně
uhlíkové oceli
Pozn.: Eurokód dovoluje počítat s jednotnými návrhovými hodnotami, stanovenými pro podélný tah. Nerezové konstrukce
8
Běžné výpočty podle ČSN EN 1993-1-4: • E = 200 000 MPa
(G = 77 000 MPa)
• fy (smluvní mez kluzu) a fu (mez pevnosti) podle tříd a tloušťky t: např. nejběžnější oceli, pro t ≤ 6 mm (resp. ≤ 75 mm): 1.4301 (austenitická) fy = 230 (210) MPa
fu = 540 (520) MPa
1.4401 (austenitická) fy = 240 (220) MPa
fu = 530 (520) MPa
1.4462 (duplexní)
fu = 660 (640) MPa
fy = 480 (460) MPa
• tažnost vysoká (40 ÷ 60 %), • velká tepelná roztažnost ( = 0,000 017, běžná ocel 0,000 012), • křehkolomové vlastnosti výborné až do - 40º C.
Nerezové konstrukce
9
Náročnější výpočty (v souladu s ČSN EN 1993-1-4): R-O parametr
Ramberg-Osgoodův model:
= + 0.002 E fy
E0,2
EE
o,e
e
0.2 = 0.002 a)
max max
fx fe
fufmax 0.2 = ffyp
E
o,e
fmax = f
E E11
EE e
b)
p 0,2
o,x
max a)
umax
deformace nad smluvní mezí kluzu (pro f ) doporučuje Eurokód vhodnější vztah, platný Pro fmax y fv0,2souladu s experimenty až do ≤ 10 %: f 0,2 f0,1 m
fy = 0.002 u E E fy
fy f f u y
0 .2
m 1 3 .5
u 1
E 0,001 0,002
0.2
= fyfe
n
Běžný model:
c)
0,002 Nerezové konstrukce
o,max d)
fy
fy
fu
fu
max
10
Výběr korozivzdorní oceli pro konstrukce (v souladu s ČSN EN 1993-1-4): Typ prostředí a korozní kategorie Třída oceli
N
S
V
N
S
V
N
S
V
N
S
V
1.4006 1.4016
uvnitř lze
-
-
uvnitř lze
-
-
-
-
-
-
-
-
1.4301 1.4311 1.4541 1.4318
ano
ano
ano
ano
ano
nejlépe
nejlépe
často čistit
-
nejlépe
často čistit
ano
nejlépe
často čistit
-
nejlépe
často čistit
1.4362 1.4401 1.4404 1.4406 1.4571
lze
lze
lze
lze
1.4439 1.4462 1.4529 1.4539
lze
lze
lze
lze
Venkovské
Městské
Průmyslové
Přímořské
nejlépe
ano
ano
ano
ano
ano
nejlépe
nejlépe
nejlépe
často čistit
ano
nejlépe
nejlépe
nejlépe
často čistit
lze
lze
lze
lze
ano
lze
lze
ano
nejlépe
nejlépe
N – nízká korozní agresivita (nízká vlhkost a teploty), S – střední (typická) korozní agresivita, V – vysoká korozní agresivita (vysoká vlhkost, teplota znečistění). Nerezové konstrukce
11
Příklady použití korozivzdorných ocelí na stavební konstrukce:
• Austenitické oceli (nižší fy, ≈ 0.000 016 ÷ 0,000 018): 1.4301 (X5CrNi18-10)
- malé protikorozní nároky (levnější), [v USA 304]
1.4401 (X5CrNiMo17-12-2)
- vyšší korozní odolnost, plechy a profily s pískovanými a elektroleštěnými povrchy [316], - vyšší korozní odolnost, střešní plechy, táhla na mostech [316 L], - lisované profily se saténovou úpravou, pavoukové držáky skleněných tabulí apod.
1.4404 (X2CrNiMo17-12-2) 1.4432 (X5CrNiMo17-12-3)
• Austeniticko-feritické (duplexní) oceli (vysoké fy, ≈ 0.000 013): 1.4362 (X2CrNiN23-4)
- exponované nosné části konstrukcí,
1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3)
- vysoká korozní odolnost (též vůči chloridům, SO2 , ...) exponované nosné části mostů.
spec. (X2CrNiMoCu22-6-3-2) - vysoká smluvní mez kluzu (fy = 500 MPa), použitá na La Grande Arche, ≈ 0.000 014, 1.4435 (X2CrNiMo18-4-3)
- vysoká korozní odolnost, použita na zábradlí mostů.
Nerezové konstrukce
12
