Metalen
Ir. T. Luijendijk Sectie JMB Afdeling 3mE
19 September 2011
1
Metalen of Metals • Hard rock muziek 1970, agressieve ritmes , zwaar versterkte elektrische g gitaren en duistere tonen • Heavy metal • Trash metal • Power metal • Gotic metal • Doom metal • Black metal • Metallica Seek & Destroy 2
Kenmerken metalen
z z z z
z
Elektronegatief; metalen staan gemakkelijk elektronen af Elektronenwolk verantwoordelijk voor de metaalbinding Goede geleiders voor warmte en elektriciteit Vaste stof bij kamertemperatuur (behalve kwik) en meestal een hoog smeltpunt Goed pletbaar, vervormbaar bij kamertemperatuur en nog beter bij verhoogde temperatuur
3
Metalen volgens g Wikipedia p • Metaal is afkomstig van het Griekse woord "μέταλλον" – métallon, "mine, "mine quarry” (steengroeve)
4
Metalen omvatten een g grote reeks aan elementen Element
Atoomnummer Dichtheid g/cm3
Smelttemp. °C
Lithium h
3
0,534
180,54 8
Osmium
76
22,59
3033
5
Gallium kristal (Wikipedia) 6
Goudklomp (Wikipedia) 7
Metallisch glas Duitser Schroers werkzaam aan Yale Universityy De Hosson RUG Metallisch glas 3 x zo sterk als staal, Krasvaste behuizing van mobiele telefoons en horloges Verdere toepassing in de micro-elektromechanische systemen y ((chips p met bewegende g delen)) MEMS Toepassing in een airbag, chip met versnellingsmeter Microscopisch kleine pompjes voor toedienen van medicijnen en pijnstillers Metallisch glas verkeerd in een metastabiele toestand Start ontwikkeling rond 1960 Au-Si legeringen, flits gieten, afkoelsnelheid miljoen graden/seconde Ontwikkeling vanaf 1990 Metaalmengsel ; 44Zr-11Ti-10Cu-10Ni-25Be (atomen van sterk verschillende grootte) Afkoelsnelheid 10°C/s Verwerking vanaf 400 °C
8
corrosiebestendigheid edel
Goud (Au) Platina (Pt) Zilver (As) Koper (Cu) (C ) Nikkel (Ni) IJzer (Fe) Zink (Zn) Aluminium (Al) Magnesium g (Mg) ( g) Natrium (Na) Calcium (Ca) Kalium (K) onedel 9
10
Metalen • Aluminium • Titaan en zirkoon • IJzer • Koper • Nikkel
Constructiematerialen • Aluminiumlegeringen g g • Zuiver als legeringen • Staal en RVS • Zuiver koper, messing, brons • Nikkellegeringen g g
11
12
Blackbird met een snelheid van Mach 3 (USAF/Judson Brohmer)
Titaan als wandbekleding in het Guggenheim museum in Bilbao (f t Ahi (foto Ahisgett/Flickr) tt/Fli k )
13
Warmtewisselaar voor een onderzeeër uit titaan (foto Oostendorp Apparatenbouw Tiel)
14
Foto Oostendorp Tiel
15
16
Foto Oostendorp (Tiel)
Indeling g titaanlegeringen g g
• Ongelegeerd Ti met variërend O2-gehalte T k t kt 260 Treksterkte 260-620 620 MPa MP • α en near α legeringen T k Treksterkte k 425-1020 425 1020 MP MPa • α-β legeringen Treksterkte 715-1275 MPa • Metastabiele β legeringen Treksterkte 840-1240 MPa 17
Commerciëel zuiver titaan • • • • • • •
Grade G d Grade Grade G d Grade Grade Grade Grade
1 0,18 % O2 2 0 25 % O2 0,25 3 0,35 % O2 4 0 40 % O2 0,40 7 0,25 % O2 en 0,2 % Pd 11 0,18 % O2 en 0,12-0,25 % Pd 12 0,25 % O2 en 0,3 Mo+0,6-0,9 % Ni
18
Structuur zuiver titaan
19
Vergelijking g j g titaan en zirkoon Eigenschap
Titaan
Zirkoon
Atoomnummer
22
40
Dichtheid (g/cm3)
4,51
6,51
Elasticiteitsmodulus (GPa)
103
99,3
S lt Smeltpunt t (°C)
1940
1852
Uitzettingscoëfficient x10-6/°C
8,41
5,98
Thermische geleidbaarheid (W/m.K) (W/m K)
21 9 21,9
13
Elektrische weerstand 20 °C (μΩ.cm)
42
39,7
20
Zirkoon
21
Mechanische eigenschappen g pp zirkoon
Kwaliteit
Zr 702
Zr 704
Zr 705
Zr 706
Rm (Mpa)
379
411
552
510
Re (Mpa)
207
241
379
345
Rek (%)
16
14
16
20
22
Vergelijking staal en aluminiumlegeringen
Staal • • • • • •
Rekgrens: Hardheid: Dichtheid: El ti it it Elasticiteitsmodulus: d l Smelttemperatuur : Prijsindex:
Aluminiumlegeringen 230-1100 MPa 150-600 HV 7,9 g/cm3 207 200 GPa 207-200 GP 1538-1500 °C 60-100 60 100
• • • • • •
Rekgrens: Hardheid: Dichtheid: El ti it it Elasticiteitsmodulus: d l Smelttemperatuur: Prijsindex:
50-200 MPa 40-130 HV 2,7 g/cm3 69 71 GP 69-71 GPa 660-640 °C 450-1250 450 1250
23
Voor en nadelen Al ten opzichte p van Staal Nadelen • Geringe sterkte • Zacht • Lage E-waarde • Niet te gebruiken bij hoge temperaturen • Alleen via elektrolyse te vervaardigen, dus • Hoge energiekosten • Hoge prijs • Las altijd poreus
Voordelen • Laag gewicht • Goede corrosievastheid • Uitstekend vervormbaar (extrusie)
24
eerste fietsframe van aluminium (1909) ( )
25
AA 6069 T6 Al-Mg-Si-Cu-Cr-V Sterkte 380-490 MPa Rekgrens 345-450 345 450 MPa Rek 10-22 %
P bl Probleem bij lassen: l verlies li aan sterkte t kt van 30 tot t t well 40 % in i de d WBZ 26
Algemene eigenschappen
eenvoudig vorm te geven
corrosiebestendig
27
integratie van functies • schroeven • klikken • scharnieren
bron: Comhan, Uithoorn
28
invloed van legeringselementen
anodiseerbaarheid
l b h id lasbaarheid
1xxx 3xxx
5xxx
sterkte laag
6xxx
7xxx
2xxx 7xxx
sterkte hoog
29
30
31
Sterkteverlies na lassen • Opheffen van koudvervorming in de warmtebeinvloede zone (WBZ) • Oververoudering in de WBZ • Alustar geringere sterkteverliezen door dispersieharding met TiC deeltjes (ontwikkeling Corus)
32
Vermoeiingsbreuk in zone naast de las (warmtebeinvloede zone)
33
Wat is staal • Staal is een legering van ijzer en koolstof met max. 1,9 % koolstof • Het is de koolstof die ijzer zijn sterkte geeft • Het koolstofgehalte mag niet te hoog zijn in verband met de k d koudvervormbaarheid b h id en lasbaarheid l b h id • Vandaag de dag zijn er ongeveer 2500 staalsoorten • Wereldproductie 900 106 ton (Corus IJmuiden circa 7 106 ton)
34
Staalgezegden g g
• • • • • • •
Sterk staaltje Stalen zenuwen PBS (pisbakkenstaal) Stalen tijdperk Stalen ros Stalin man van staal (Sovjetdictator Josef Djoegasvili) Draadstaal (TV-programma)
35
Winnaar Structural Steel D i Award Design A d 2011 Baanbrekend ontwerpproces, ontwerpproces detailengineering en productie Opgebouwd uit 1824 stalen hoeklijnen en bevat 548 knooppunten. Hurkende man (Lelystad)
36
Auditorium in Bilbao (Spanje)
37
Turning Torso toren in Malmö, Zweden
38
Verkeerstoren Bilbao, Spanje 39
Geschiedenis van staal 1 • Eerste staal circa 1500 v.Chr. in Klein-Azië • Productie in laagovens (geheim van het Hettitische Rijk) • IJzer werd niet g gesmolten en bevatte veel slakdeeltjes j • Via verhitten en smeden slak uitdrijven (geen constante kwaliteit))
40
Aan de p productie van staal g gaat de productie van gietijzer uit erts vooraf
• China rond het begin van de jaartelling • In Europa u opa in de d middeleeuwen dd u • Vraag aan een expert op dit gebied hoe dit in zijn werk ging
41
Geschiedenis van staal 2 • • • • • • •
1784 uitvinding van de puddeloven door Henry Cort Productie op industriële schaal, maar nog steeds geen staal met een homogene structuur B Bessemerproces ((patent van H Henry K Kelly ll in i 1851) Thomasconverter (Sidney Gilchrist Thomas 1878) Eiffeltoren (1890) uit thomasstaal Siemens-Martinoven (1864); gebruikt tot 1950 Elektrostaalprocessen circa 1890 (vlamboogoven) Oxystaalproces vanaf 1940 1949 LD converter (Linz-Donavitz) 1958 Hoogovens H IJ IJmuiden id 42
Principe p Bessemerproces
Bessemer convertor te Sheffield 43 (bron Wikipedia)
44
ferriet
45
Phases in steel
Microstructuur
- samenstelling fasen en chemische samenstelling -
dislocatiedichtheid en structuur afmetingen en verdeling precipitaten korrelgrootte en vorm orientatieverdeling kristallen (textuur)
46
Ontwikkeling g Hoge g Sterkte Stalen (HSS) • Constructiestaal met verhoogde rekgrens > 235 MPa • Staal met een hogere rekgrens met behoud van de taaiheid of zelfs met een betere taaiheid • Specifieke p constructiestalen zoals de Quenched Q en Tempered soorten (QT) • Dual Phase staal • TRIP staal (Transformation Induced Plasticity)
47
Definitie hoge g rekgrens g staal afhankelijk van toepassing • Gastransportleidingen • Scheepsbouw Onderzeeboten • Staalconstructiebouw • Beweegbare bruggen • Drukvatenindustrie
R0,2 ≧ 480 MPa (X70) R0,2 0 2 ≦ 550 MPa (X80) R0,2 ≧ 420 MPa R0,2 0 2 ≈1100 MPa R0,2 ≧ 460 MPa R0,2 0 2 ≧ 690 MPa R0,2 ≦ 480 MPa (X70)
48
Hoge sterkte staal opgenomen in NEN-EN 10025 nov. 2004 (Hot (H t rolled ll d products d t off structural t t l steels t l Deel 1 Deel 2 Deel 3 D l4 Deel Deel 5 Deel 6
Algemene technische leveringsvoorwaarden Technische leveringsvoorwaarden voor ongelegeerd constructiestaal Technische leveringsvoorwaarden voor normaalgegloeid en normaliserend gewalst fijnkorrelig constructiestaal T h i h leveringsvoorwaarden Technische l i d voor lasbaar l b thermomechanisch gewalste fijnkorrelige constructiestaalsoorten Technische leveringsvoorwaarden van weersbestendig constructiestaal Technische leveringsvoorwaarden voor platte producten met hoge vloeigrens in veredelde toestand
49
Metallurgische g realisatie van HSS Taaiheid↑
Lasbaarheid ↑ Fijne korrel
CE ↓
Veiligheid constructie ↑
Rekgrens g ↑ door microlegeren 50
0,2 % C 0,2 % Si 0,15 % V 0,15 % N Normaal gegloeid op 900 °C
51
Technieken om een fijne j korrel te verkrijgen 1. Normaalgloeien na warmwalsen 2. Warmwalsen laag in het tweefasen austeniet/ferrietgebied (einddeformaties bij relatief lage walstemperaturen) ook wel normaliserend walsen genoemd 3 Toevoegen van micro 3. micro-legeringselementen legeringselementen als V V, Nb Nb, Ti en een verhoogd Al gehalte in combinatie met een bepaald stikstofgehalte (microgelegeerd) HSLA (High Strength Low Alloy) 4 Combinatie 4. C bi ti van 2 en 3 (TMCP=Thermo (TMCP Th Mechanical M h i l Controlled C t ll d Processing ook wel TM-staal genoemd) 5. Q Quenched en tempered p staalsoorten met extra toevoegingen g g van Cr, Mo, Ni, Cu voor een betere doorharding 52
Walsprocessen voor hoge sterkte staal
A
y recr.
y not recr.
conventional B rolling TN
C
D
E
F
G
air MLE
Ac 3 Ac3
water Ar3
a+y
ACC
M
a "as rolled“ + (("U") U )
N
+
Ar1 A s
Q
+
T
TM (y)
TM (a+y )
TM+ACC TM + DQ QST Q
Time 53
Microstructuur van HSS
N
Normalized
TMa
TM (air)
Q
Q+T
TMb TM (ACC)
54
Bron: Dillinger Hütte GTS
Korrelgrootte afhankelijk van warmtetraject en chemische samenstelling materiaal
55
Invloed afmetingen en volumefractie precipitaten op sterkteverhoging
56
Soorten micro-gelegeerd staal
• • • • • • • •
V microgelegeerd Nb microgelegeerd Nb-Mo microgelegeerd V-Nb V Nb (+N) microgelegeerd V-N microgelegeerd Ti microgelegeerd Nb-Ti microgelegeerd V-Ti microgelegeerd
Voor hogere sterkte gelegeerd met tienden van % Cr Mo Cu Ni
57
Invloed fabrikant op p eigenschappen g pp •
•
•
•
Hoge walstemperatuur • Lage walskrachten en grotere materiaaldiktes • Grotere korrel door korrelgroei tijdens walsen Lage walstemperatuur • Hogere H walskrachten l k ht en kleinere kl i materiaaldiktes t i ldikt • Kleinere korrel door beperken korrelgroei Keuze microlegeringselementen g g • Optimale sterkte en acceptabele taaiheid • Optimale taaiheid met acceptabele sterkte • Combinatie van goede mechanische eigenschappen met goede verwerkbaarheid en lasbaarheid Verhogen van de afkoelsnelheid ter beïnvloeding van het precipitatiegedrag i it ti d 58
Ti-Nb microgelegeerd g g • Titaan versterkt de korrelverfijning door Nb • Toevoeging van 0,04 0 04 Ti aan met Nb microgelegeerd staal geeft een verhoging van de rekgrens van 100 MPa bij een oproltemperatuur (coiling) van 675 °C • Regrenzen tot 550 MPa • Met V en Mo toevoegingen g g tot 690 MPa
59
Microgelegeerd g g staal met Vanadium • Toegepast als • Warmgewalste toestand (HR) • Gecontroleerd gewalst (TM) • Normaal gegloeid (N) • Afgeschrikt en ontlaten (QT) • Sterkteverhoging door vorming van V(CN) in de ferriet tijdens de afkoeling na het walsen • Grote invloed van afkoelsnelheid op de sterkteverhoging • Sterkteverhoging 5 tot 15 MPa per 0,01 % V • Voor korrelverfijning V combineren met Ti 60
Invloed Mn en V op de 0,2 % rekgrens
0,2 % rrekgren ns (MPa a)
600
1,2 Mn 1,2 Mn 0,06 Nb
550
0,06 Nb
500 450
0,3 0 3 Mn 1,2 Mn 0,06 Nb
400 350 300 250 200 0
0 05 0,05
01 0,1
0 15 0,15
Vanadium (%) 61
Microgelegeerd g g met Niobium Niobium is een betere korrelverfijner dan V Niobiumgehaltes van 0,02-0,04% Sterkteverhoging 35 tot 40 MPa per 0,01% Nb N d l verlaging Nadeel l i van de d kerftaaiheid k f ih id als l niet i gelijktijdig het koolstofgehalte wordt verlaagd en de korrelgrootte verkleind wordt door gecontroleerd walsen • Afwalsen bij relatief lage temperaturen en grote walssteken l k om onregelmatige l i korrelgrootte k l te voorkomen • Plaatdikte tot 75 mm met R0,2 350-420 MPa • • • •
62
Microgelegeerd g g met V en Nb • Combineren van beide elementen voor precipitatieharding p p g en korrelverfijning j g gecombineerd g met een verlaging van het koolstofgehalte (< 0,1 %) • Hogere sterkte en lage overgangstemperatuur • Meeste effect bij gecontroleerd walsen • Door laag g koolstofgehalte g uitstekende lasbaarheid
63
Nb-Mo microgelegeerd g g • Afhankelijk van afkoelsnelheid ferriet/perliet structuur naaldvormige ferrietstructuur (laag koolstof bainiet) • Toename rekgrens met 20 MPa per 0 0,1% 1% Mo • Mo versterkt de precipitatieharding door Nb(CN) • Rekgrens > 700 MPa • Toegepast voor pijpleidingen
64
Microgelegeerd g g met Titaan
• • • • • • •
Titaan voor korrelverfijning en precipitatieharding en voor geometrie sulfidische insluitsels Korrelverfijning Ti minder effectief dan Nb, maar beter dan V Ti alleen toepassen bij volledig gekalmeerd staal Rekgrens 345 tot 550 MPa voor plaatdiktes tot 10 mm Voor precipitatieharding door TiC (Ti>0,025%) ((Mn,Ti)S⇒Ti , ) 4C2S2⇒TiC Voldoende titaan dan hoge sterkte door precipitatieharding, maar thermomechanisch walsen is een absolute voorwaarde voor voldoende taaiheid 65
Kerftaaiheid van HSS 350 S355J2G3 S460ML S690QL
Kerbscchlagarbeit [J]
300 250 200 150 100 50 0
-120 120
-100 100
-80 80
-60 60
-40 40
-20 20
0
20
Temperatur [°C] 66
Bron: Dillinger Hütte GTS
Rekgrens en CE (koolstofequivalent) 600
Normalised TM ll d TM-rolled
yiield strress [M MPa]
550 500 450 400 350 300 250 0 15 0,15
0 20 0,20
0 25 0,25
0 30 0,30
0 35 0,35
0 40 0,40
0 45 0,45
0 50 0,50
carbon equivalent Ceq [%] 67
Bron: Dillinger Hütte GTS
Voordelen van TM staal Gereduceerde hardheid voor TM
HAZ Z hardh heid [HV10] WEZ W Härte e [HV10]
500 450 S 460 N
400 350 300
S 460 M
250 200 150 1
5
10
20
Abkühlzeit t8/5 [s][s] afkoeltijd t8/5 68
Bron: Dillinger Hütte GTS
Voordelen TM staal Uitstekende taaiheid zelfs na koudvervorming 350 ohne 5% Kaltver. 5 %+250°C/1h
Ke erbschlag garbeit [J]]
300
without
2 0 250
5 % cold def. 5 % + 250°C/1h
200 150 100
S460ML
50 0
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Temperatur [°C] 69
Bron: Dillinger Hütte GTS
Sterkte en vervormbaarheid De microstructuur bepaalt de sterkte en de vervormbaarheid. Omdat de microstructuur een complex geheel is dat door de behandeling van het metaal (deformatie, hoge temperatuur, afkoeling) sterk t k kkan veranderen, d ttreden d ookk grote t variaties i ti iin de d sterkte en vervormbaarheid op.
70
Kerftaaiheid versus sterkte
71
Fabricagetechnieken g Q QT HSS Opwarmen en afschrikken
dikte ≤ 105 mm
Versneld afkoelen
dikte > 105 mm 72
73
through thickness hardening 450
Eigenschappen
400
Härte H HB hardness HB
350
QT HSS
300 250 200 150
CE = 0,70% CE = 0,55% CE = 0,70% CE = 0,55% CE = 0,55%
100 50
vergütet vergütet Q + T (640°C) Q + T (620°C) Q + T (580°C)
0 0
20
40
60
80
distance from plate surface [mm] Abstand von Blechoberfläche [mm]
T Toename llegeringselemtenten i l t t mett ttoenemende d dikt dikte plate thn.
< 20
> 20 - 50
> 50 – 80
> 80 - 110
> 110 - 150
CE(IIW) Pcm CET
0.42 0.26 0.30
0.59 0.31 0.37
0.66 0.32 0.39
0.72 0.34 0.41
0.78 0.35 0.44 74
Bron: Dillinger Hütte GTS
Effect van de rekgrens op de plaatdikte van HSS relatieve plaatdikte (mm) S1100
S960
S890
S690
S460
S350 0
20
40
60
80
100 75
H. van Wortel TNO
Maximaal mogelijke plaatdikte voor Q+Ten TMCP 250 mm
200 150 100
Q+T
50 0
Min. thn.
355 460 500 550 690 MPa MPa MPa MPa MPa
960 1100 Mpa Mpa 76
Bron: Dillinger Hütte GTS
Leveringsprogramma afhankelijk van productieomstandigheden 5250
5200
max. max.lengte Länge:≤ 28 28mm
5000 4750 4500 4250
mm in mm Br reite in Bree edte
4000 3750
N
TM
3500 3250 3000 2750 2500 2250 2000 1750
Q
1500 1250
5 6 7 8 10 12 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 410
1000
Dicke inin mm Dikte mm 77
Bron: Dillinger Hütte GTS
Kenmerkende hardheden van HSS in de range van S350 tot S1100 H Hardness s base m metal, HV V10
500 450 400 350 300 250 425
200 150 100
160
275
300
S690
S890
350
200
50 0 S350
S460
High Strength Steel type
Bron: H. van Wortel TNO
S960
S1100 78
Waarom staal W t l mett een verhoogde h d sterkte? • Voor constructies waarbij voornamelijk trekbelasting optreedt • Is stijfheid de bepalende factor dan heeft de toepassing p g van HSS geen g zin • Voor gelaste constructie oppassen met hoge sterkte staal als er sprake is van wisselende belasting 79
Leidt L idt toepassing t i HSS ttott een kostenbesparing? • 10 % hogere vloeigrens geeft • Staalprijs St l ij ca. 10 % duurder d d • Voorwaarden B Bewerkbaarheid kb h id Koudvervormbaarheid Lasbaarheid
10 % lager gewicht
gelijk lijk off beter b dan d van standaard materiaal als het S355 betreft
80
Gewicht en kosten autobumper (bron Acelor/Mittal)
81
Transformation-Induced Plasticity (TRIP) steel austeniet ferriet bainiet martensiet
82
High-strength steels
83
Nieuw proces maakt staal sterker
Ondernemer Gary Cola Flash Bainite staal voor de automobielindustrie Supersnelle verhitting tot 1100 °C, haltetijd 10 s, en afschrikken in een vloeistofbad Claim van 30 % meer rek en hogere sterkte dan van a traditioneel t ad t o ee vervaardigd staal 84
Bron: Technishow Nieuws
Nesciobrug voor voetgangers en fietsers te Diemen-Adam
85
Prince Claus Bridge Utrecht (NL)
1300 t of S460M/ML up to 90 mm thickness
86
Bron: Dillinger Hütte GTS
Millau Viaduct (F)
Application examples
Type: By 2460 m length the longest cable-stayed bridge in the world Heavy plates: 43 000 of plates. 43.000 plates Among this 18.000 of S460M/ML up to 120 mm thickness
87
Bron: Dillinger Hütte GTS
Application examples Erasmus Bridge Rotterdam (NL) Type: Cable-stayed bridge + flap bridge Total length: Central span : flap span :
500 m 410 m 90 m
Steel grades: S355M: 4200 t, 8-100 mm S460ML: 2000 t, 12 -80 mm S460QL1: 800 t, 80 - 120 mm
Weight savings Cost savings
= =
18 % 10 % 88
Bron; Dillinger Hütte GTS
Met dank aan • • • • • •
Tata Steel IJmuiden Audio Visueel Centrum TU Delft De Koninklijke Marine TNO Industrie Jilt Sietsma (TU Delft) Dillinger Hüttewerken (Duitsland)
89
