Vas és szén ♦
Anyagismeret, anyagkivála sztás
♦ ♦
Dr. Horváth László
♦ ♦
Vegyi összetétel és hatása az acél tulajdonságaira Acél szennyezıi, ötvözıi Gyártástechnológia hatása Hımérséklet, kristályszerkezet Szerkezeti acélok fajtái, összetétele, hegeszthetıségük Acél jellemzıinek megismerése Anyagválasztás
♦ Vas-karbon ötvözet
Acélok szennyezıi
Acélok ötvözıi ♦ Szilícium Si: Dezoxidáló, növeli
a melegrepedési hajlamot. Dezoxidálás Mn, Si, Al.
szilárdságot, csökkenti nyúlást és hidegalakíthatóságot.
♦ Alumínium Al:
szívósságot, növeli az öregedési hajlamot. Denitrálás Al, Ti, Nb.
♦ C < 2,14% acél, felette öntöttvas
ferritképzı, dezoxidáló, szemcsefinomító. Csökkenti az öregedési hajlamot.
♦ Hidrogén H: folyékony acélban jól
♦ Szerkezeti acélokban C < 0,2%
♦ Mangán Mn: növeli
oldódik, elridegít, hidegrepedési hajlamot növeli.
♦ Egyéb alkotók:
szilárdságot, ausztenitképzı, leköti S-t.
♦ Kén S: képlékenységet és korrózióállóságot
Egyéb alkotók: ötvözı vagy szennyezı?
♦ Nikkel Ni: növeli folyáshatárt, szívósságot javít.
csökkent, melegrepedési hajlamot növeli. S<0,03% legyen. Keresztirányú nyúlóképességet csökkenti.
♦ Foszfor P: növeli a szilárdságot, de ridegít.
♦ Réz Cu: növeli szilárdságot és 4
3
♦ Oxigén O: csökkenti szilárdságot, nyúlást, növeli ♦ Nitrogén N: növeli szilárdságot, csökkenti
♦ Alacsony széntartalom
Ferrit Cementit = vas + szén (Fe3C) kemény és szilárd Ferrit + Cementit = Perlit
2
1
Acél jellemzıi
Tiszta vas – Ferrit (Fe) lágy és nyúlékony
korrózióállóságot, vöröstörékenységi hajlamot növeli. Cu<0,2% legyen.
♦ Króm Cr, Vanádium V, Titán Ti … 5
6
1
Gyártás és kristályszerkezet
Gyártási eljárások
Hımérsékleti hatások
RO
NR
TMR Q& &T
Ausztenit - Gamma vas lapközepes kristályrács Nem mágneses
RO
NR
A3
Alfa vas – térközepes kockarács mágneses
AN
RO + AN
TMR
A1
Kritikus hımérsékletek: A1 - 695°C A3
RO – hengerlés AN - lágyítás NR – normalizáló hemgerlés TMR – thermomechanikus hengerlés Q&T – edzés és temperálás 7
Acélok tönkremeneteli módjai ♦ képlékeny / kontrakciós törésfelület
RO – hengerlés AN - lágyítás NR – normalizáló hengerlés TMR – thermomechanikus hengerlés finom szemcsék – magas szilárdság és szívósság 8
9
Acélok tönkremeneteli módjai
Rideg törés
♦ rideg / kontrakciómentes törésfelület
♦ hirtelen szakadás jön létre ♦ akár a folyáshatár alatti feszültségnél
képlékeny
rideg
Kép forrása: Wikipédia
10
11
12
2
240
Lemezvastagság és folyáshatár az EC3-1-1-ben
Tönkremenetel elkerülése
230
♦ Képlékeny tönkremenetel – méretezés 220
Folyáshatár MPa
Folyáshatár, szakító szilárdság ♦ Rideg törés – kellı szívósság
S235_EN10025
210
S235_EC3_1_10 EC3-1-1
200
190
180 0
Rideg törés - történet
Rideg törés folyamata
♦ 1938, Rüdersdorf (GE) – St52 anyagú
♦ repedés képzıdés – hosszú ideig tart
♦ 1938, Albert csatorna hídja (B) télen
feledzıdés 300 HV 10 alatt tartásával)
♦ 1943-52 Liberty hajók, óceánjárók –
(az acél rideg állapotában, energia felszabadulása esetén; megelızhetı kellıen szívós acél alkalmazásával)
törtek, repedtek
60
80
100
120
140
160
180
200
15
• Térbeli feszültségállapot • Dinamikus igénybevétel (a feszültségváltozás sebessége) • Alacsony hımérséklet (az üzemi hımérséklet csökkenése)
♦ repedés terjedés – nagyon gyors lehet
leszakadt
40
Rideg állapotot elıidézi:
(pl: a hegesztett kötés hıhatás övezetében; megelızhetı a
acélhíd -5◦C terheletlenül eltört!
20
14
13
♦ 1951, St Maurice hídja (CAN) télen leszakadt
♦ 1969, Répcelak (H), szénsavtartály télen felrobbant 16
17
18
3
Acélok tönkremenetele
Vizsgálata: Charpy V-próba
Acélok jelölésrendszere
♦ Feszültségállapot
♦ Az ütımunka vizsgálat modellezi:
♦ MSZ EN 10027-1 szerint
♦ Hımérséklet ♦ Terhelési sebesség
-a térbeli feszültségállapotot (a V-bemetszéssel) -a dinamikus igénybevételt (az ingával végrehajtott ütve hajlítással) -az üzemi hımérsékletet (a meghatározott hımérsékleten elvégzett vizsgálattal)
Állapottényezık
Szívós (képlékeny viselkedés)
Rideg törés
19
MSZ EN 1002510025-2:2005 ötvözetlen acélok S355 J2
S + folyáshatár [MPa] + kiegészítı jelek + (C / W) t ≤ 16 mm
szívósságra utal
speciális tulajdonság
♦ MSZ EN 10027-2 szerint
„Anyagszám” Pl. 1.0037 S235JR 20
Összetétel adagpróba alapján
21
Összetétel termékpróba alapján
♦ Szilárdsági osztályok 235,275,355 ♦ Szívósság
♦ Utókezelés:
dezoxidáció módja:
csillapítatlan acél nem lehet (JR, J0) teljesen csillapított acél (J2)
szállítási feltételek: +AR
( +N) 22
23
24
4
MSZ EN 1002510025-4:2005 Finomszemcsés
MSZ EN 1002510025-3:2005 Finomszemcsés acél, normalizáló hengerléssel elıállítva ♦ Szilárdsági osztályok 275,355, 420,460
♦ Szilárdsági osztályok 275,355, 420,460
♦ Szívósság
♦ Szívósság
♦ Példa:
Finomszemcsés normalizált acélok összetétele
acél, termomechanikus hengerléssel elıállítva
♦ Példa:
S 355 NL
♦ C ≤ 0,2%
Mn = 0,5- 1,8% Cr ≤ 0,3% ♦ Ni ≤ 0,3-0,8% Mo ≤ 0,1% Cu ≤ 0,7% ♦ + mikroötvözık Al, V, Nb, Ti, Zr, N, Ce, Ta, Ca, La, Y, B ♦ Normalizáló hengerlés: finom szemcseszerkezet az újrakristályosodási hımérsékleten végzett készrehengerléssel
S 355 ML
25
26
Finomszemcsés termomechanikus acélok összetétele
Acélfajta kiválasztása
♦ C ≤ 0,13-0,16% Mn = 1 - 1,8% ♦ Cr + Mo + Cu ≤ 0,6% ♦ + mikroötvözık Nb ≤ 0,03-0,05 % ♦ Termomechanikus hengerlés:
Szilárdsági csoport választása
♦ Szilárdsági csoport (grade) ♦ Acélminıség (szívóssági
♦ Tartószerkezeti szempontok – Nagyobb szilárdság – kisebb méretek – kis önsúly – Ha elsısorban szilárdsági tönkremenetel várható – OK! – Stabilitásveszély esetén – a „jobb” néha „rosszabb” (ε; karcsúságok anyagfüggısége) ! – Használhatósági határállapot – minimális tartóméretek megkövetelendık!
osztály, subgrade) ♦ Mikor kell dönteni róla? – –
rendkívül finom szemcseszerkezet az újrakristályosodás megakadályozásával, gyors hőtéssel -> max. 580 °C, tartósan e felett elveszti kedvezı tulajdonságait! 28
27
Szil. csoport: tervezés kezdetén Szívósság: ha a szerkezet méretei és konstrukciója már adott (legnagyobb lemezvastagságok, szerkezeti kialakítás)
♦ Gazdaságosság – Magasabb szil. csop: csak ha kihasználható! – „járatos” szilárdsági csoport legyen 29
30
5
Szilárdsági csoport választása ♦ Magasépítési acélszerkezeteknél – S235 vagy S355 – Kivételesen S275
A ridegtörés ellen: szívós acélt !
Gazdaságosabban !
♦ Elıírt üzemi
♦ Anyagkiválasztó eljárások
hımérsékleten mérhetı fajlagos ütı-hajlító munka (Charpy-próba)
♦ Hídszerkezetek – S235 alárendelt elemeknél – S355 a leggyakoribb fıtartószerkezetnél – S420; S460 – ahol nem kifejezetten a stabilitás a mértékadó
♦ Hagyományos: • MI 15024 - 3:85 • DASt-Ri 009:1973
♦ Törésmechanikai alapon: • • • •
KV min. 27 J/cm2
31
32
Anyagkiválasztás szempontjai
σEd számítása
♦ Acél anyagjellemzıi
♦ Teherkombináció: – – – –
♦ Üzemi hımérséklet +10 °C - 50°C ♦ Egyéb szempontok – Hidegalakítás foka % – Alakváltozások sebessége rendkívüli terhek esetén
Feszültségszintek:
rendkívüli teher a hımérsékletváltozás (szerelés és üzem) állandó hatások ΣGk kiemelt esetleges hatás gyakori értéke Ψ1QK1 többi esetleges hatás kváziállandó értéke Σ Ψ2,iQKi
♦σEd számítása – Névleges feszültség a repedés várható megjelenési helyén – Fenti teherkombináció szerint számítandó – Várhatóan kisebb lesz, mint a folyáshatár 75%-a
34
33
MSZ EN 1993-1-10:2005
MSZ EN1993-1-10
Ed= E{ A(TEd) „+” ΣGk „+” Ψ1QK1 „+” Σ Ψ2,iQKi}
– Folyáshatár a lemezvastagság függvényében fy(t ) – Szívósság a Charpy-érték szerint (T27J vagy T40J)
MSZ ENV 1993-1-1:1995 (EC 3) C. melléklet ENV 1993-2:1997 (EC3 Hidak) C. Melléklet DASt Ri009:1998 (Tervezet) MSZ EN 1993-1-10:2005
♦ Magas:
σEd = 0,75 fy (t)
♦ Közepes:
σEd = 0,50 fy (t)
♦ Alacsony:
σEd = 0,25 fy (t)
fy (t) = fy,nom – 0,25 t vagy: a vonatkozó szabványból 35
36
6
MSZ EN 1993-1-10:2005
Ridegtörés elkerülésére
Gazdaságos anyagkiválasztás
♦ Szerkezeti részletek gondos
♦ Megfelelı szilárdsági csoportot – akár
megtervezése és kivitelezése a kezdeti repedés veszélyének csökkentésére ♦ Kellı szívósságú acélminıség választása a repedésterjedés ellen ♦ Lehetıleg anyagkiválasztó eljárással – üzemi hımérséklet, – feszültségszint, – legnagyobb lemezvastagság. 37
Acélok hegeszthetısége
szerkezeti elemenként eltérıt is lehet! ♦ Szívóssági osztály: alkalmas, de lehetıség szerint a legolcsóbb legyen – Szerkezeti elemenként lehet eltérı – Legnagyobb lemezvastagság homlok- ill. talplemezeknél adódik – ezekre célszerő külön vizsgálat alapján a szükséges szívóssági osztályt elıírni! 38
Acélok hegeszthetısége
Hıbefolyásolt zóna felkeményedése
♦ Szén és egyéb ötvözık mennyisége Szénegyenérték (IIW ajánlás) CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15 ♦ Lemezvastagság, hıbevitel, CE alapján
39
♦ A hidegrepedés elkerülése a felkeményedés
korlátozásával ♦ Hıhatásövezet max. keménysége 300-350
HV
-> szükség esetén elımelegítés
♦ Lehőlési idı 850-500 °C között > kritikus idı
CE ≤ 0,45 % nem kell elımelegíteni CE ≤ 0,45 – 0,6 % 100-250 °C CE > 0,6 % 250 – 350 °C
♦ Megfelelı lehőlési folyamat kialakítása:
ne legyen se túl gyors se túl lassú
nem kell elımelegíteni t ≤ 20 mm -ig M : termomechanikus, 40
N: normalizáló 41
42
7
Acélok hegeszthetısége
Anyagösszetétel megállapítása
♦ Minden acél hegeszthetı!!!
♦ Megrendelés mőbizonylat kérésével
♦ Csak az a kérdés, hogyan?
♦ Utólagos vizsgálat kivett próbán
♦ Megfelelı hegesztéstechnológiával!
♦ Bizonylattípusok: MSZ EN 10204 szerint NEM TÉTELES • 2.1 megfelelıségi nyilatkozat • 2.2 minıségazonossági bizonyítvány TÉTELES: • 3.1 szakértıi minıségi bizonyítvány • 3.2 szakértıi minıségi tanúsítvány
• Elıkészítés, elımelegítés • Hegesztési eljárás, sorrendterv, hıbevitel • Utókezelés – lehőlési sebesség kontrollja
43
44
45
8
