1

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I

BRODOGRADNJE - SPLIT Poslijediplomski studij strojarstva

Kolegij: MATERIJALI I TEHNOLOGIJE MORA

(SEMINARSKI RAD)

Francisko Lukša, dipl.inž.

MOGUĆNOSTI PRIMJENE ALUMINIJA I NJEGOVIH

SLITINA U BRODOGRAĐEVNOJ PROIZVODNJI

Voditelj: Doc.dr.sc. Roko Markovina, dipl.inž.

U Splitu, travnja, 2002.

2

KAZALO

1. PRETHODNA RAZMATRANJA

1.1. Aluminij općenito 4

1.1.1. Osnovne karakteristike aluminija 4

1.2. Podjela aluminija i njegovih slitina 6

1.2.1. Podjela prema kemijskom sastavu 6

1.2.2. Podjela prema načinu prerade i izrade proizvoda 6

1.2.2.1. Slitine za gnječenje 6

1.2.2.2. Slitine za lijevanje 7

1.2.3. Podjela prema načinu, mogućnostima i posljedicama toplinske

obrade

8

1.3. Način označavanja aluminija i aluminijskih slitina 10

1.3.1. Aluminij i aluminijske slitine za gnječenje 10

1.3.1.1. Aluminij (1000) 10

1.3.1.2. Aluminijske slitine 10

1.3.1.3. Eksperimentalne slitine 10

1.3.2. Aluminij i aluminijske slitine za lijevanje 11

1.4. Metalurška stanja aluminija i aluminijskih slitina 12

1.4.1. Označavanje osnovnih stanja 12

1.4.2. Označavanje dodatnih stanja 13

1.4.2.1. Podjela stanja H 13

1.4.2.2. Podjela stanja T 14

1.5. Osnovne osobine aluminija i aluminijskih slitina 16

1.5.1. Aluminij i aluminijske slitine za gnječenje 16

1.5.1.1. Toplinski neočvrstive aluminijske slitine 16

1.5.1.2. Toplinski očvrstive aluminijske slitine 17

1.5.2. Aluminij i aluminijske slitine za lijevanje 19

1.5.2.1. Slitine na bazi Al-Si (silumini) 19

1.5.2.2. Slitine na bazi Al-Cu (durali) 20

1.5.2.3. Slitine na bazi Al-Mg 20

1.5.2.4. Slitine AlZnMg 20

2. KLASIFIKACIJA PREMA "HRVATSKOM REGISTRU BRODOVA"

2.1. Aluminijske slitine za gnječenje 21

2.2. Aluminijske slitine za lijevanje 22

2.3. Zakovice od aluminijskih slitina 22

2.4. Prijelazne stinčice aluminij/čelik 22

3. AL-SLITINE PRIMJENIVANE U KLASIČNOJ BRODOGRADNJI

3.1. Uvod 23

3.2. Aluminijske slitine za gnječenje 23

3

3.2.1. Osnovna metalurška stanja isporučenog materijala 23

3.2.2. Mehaničke karakteristike 24

3.2.3. Antikorozivna svojstva 25

3.2.4. Rezanje materijala i priprema rubova za zavarivanje 26

3.2.4.1. Mehaničko rezanje 26

3.2.4.2. Toplinsko rezanje 27

3.2.4.3. Vodeni mlaz 27

3.2.5. Zavarljivost 27

3.2.5.1. TIG proces 27

3.2.5.2. MIG proces 28

3.3. Aluminijske slitine za lijevanje 28

3.3.2. Mehaničke karakteristike 28

3.4. Zakovice od aluminijskih slitina 29

3.5. Prijelazne stinčice aluminij/čelik 30

4. METODE I KRITERIJI DIMENZIONIRANJA ELEMENATA

IZRAĐENIH OD AL-ALITINA

4.1. Uvod 31

4.2. Kratak osvrt na čvrstoću brodskog trupa 32

4.2.1. Uvod 32

4.2.2. Osnovna metalurška stanja isporučenog materijala 32

4.2.3. Sustavi gradnje brodskog trupa 33

4.3. Određivanje dimenzija elemenata brodske strukture prema pravilima

klasifikacijskih društava

35

4.3.1. Uvod 35

4.3.2. Određivanje dimenzija elemenata brodske strukture prema

"Pravilima za tehnički nadzor pomorskih brodova", "Hrvatskog registra

brodova", dio 2., Poglavlje 1

35

4.3.3. Određivanje dimenzija elemenata dijela brodske strukture prema

"DNV"-ovim pravilima o gradnji laganih brodova velike brzine

36

4.3.3.1. Uvod 36

4.3.3.2. Oplata 36

4.3.3.3. Ukrepe 38

5. PRIMJENA AL-SLITINA U PROIZVODNJI BRZIH BRODOVA

5.1. Povijesni razvitak 40

5.2. Današnji trendovi razvoja alu-brodova u svijetu 40

5.3. Prednosti i nedostaci primjene Al-slitina u proizvodnji brzih brodova 42

5.4. Primjena sačastih struktura u brodogradnji 42

LITERATURA

POPIS KORIŠTENIH OZNAKA

4

1. Prethodna razmatranja

1.1. Aluminij općenito

Aluminij je relativno noviji materijal i njegova povijest je nešto duža od jednog

stoljeća. Prvi put je izložen kao metal 1885 godine u Parizu na svjetskoj izložbi. Od

svih tehničkih upotrebljavanih metala u sastavu zemljine kore ima najviše aluminija -

8%, a više od njega ima samo još jedino kisika i silicija. Aluminij u prirodi nalazimo

kao oksid pomiješan sa oksidima željeza, silicija, vanadija, ... Odvajanje aluminija od

navedenih spojeva vrši se elektrolizom i veoma je skup proces. Za proizvodnju 1

kilograma aluminija u procesu elektrolize potrebno je utrošiti oko 16 kWh električne

energije. Proces elektrolize patentiran je 1886 godine kada su gotovo istovremeno

jedan francuz i jedan amerikanac prijavili patent po kojem se i danas proizvodi

aluminij. Zanimljivo je da su navedeni istraživači koji se do tada nisu poznavali

rođeni iste godine, postali su prijatelji i umrli iste godine u 51. godini života.

Svjetska godišnja potrošnja aluminija je oko 18 miliona tona i po potrošnji kao

materijal dolazi odmah iza čelika. Isporučuje se u obliku valjanih, prešanih i ljevanih

poluproizvoda i proizvoda u različitim toplinskim stanjima. U razvijenim zemljama

potrošnja aluminija po glavi stanovnika je preko 30 kilograma, dok u Hrvatskoj iznosi

tek oko 3 kilograma.

1.1.1. Osnovne karakteristike aluminija

Osnovne karakteristike aluminija i njegovih slitina su:

- Čisti aluminij ima talište na 660°C, kristalizira u plošno centriranoj kubnoj rešetki,

nema modifikacije rešetke.

- Gustoća aluminja čistoće 99,996 % je 2699 kg/m3 na 20°C.

- Aluminij i njegove slitine su oko 2,9 puta lakše od čelika (gustoća čelika iznosi oko

7850 kg/m2 ).

- Neke aluminijske slitine imaju čvrstoću i do 700 MPa, kao srednje čvrsti čelici.

- Mehaničke karakteristike se ne mijenjaju pri niskim temperaturama. Dapače, pri

veoma niskim temperaturama (do -195°C) se poboljšavaju.

- Toplinska vodljivost, ovisno o čvrstoći, je oko 13 puta veća od one kod nehrđajućeg

čelika, a 4 puta je veća od toplinske vodljivosti valjanog čelika.

- Kod iste mase električna vodljivost aluminija je skoro 2 puta veća od one kod bakra.

Pri tome, aluminij je nemagnetičan (manji strujni gubici, manje smetnje izazvane

elektromagnetizmom).

- Bez posebne pripreme površine, Al-lim trgovačke kvalitete reflektira 75-80 %

sunčevih zraka i otpusti oko 10% primljene topline.

- Aluminij je neotrovan i nema negativnih utjecaja na okolinu.

- Aluminij se lako prerađuje plastičnom deformacijom i obrađuje skidanjem

strugotine.

- Prirodno se zaštićuje slojem oksida, čime postiže samozaštitu u normalnoj atmosferi,

dok posebnim postupcima (anodizacijom, lakiranjem, ...) postiže izvaredan

dekorativan izgled površine.

5

- Aluminijski materijal mogu se u potpunosti obnavljati nakon upotrebe ili uništenja

predmeta upotrebe, pri tome je potrebno oko 20 puta manje energije nego pri

primarnoj proizvodnji aluminija (za pretaljivanje je potrebno 0,8 kWh/kg).

- Lako oblikovanje plastičnom deformacijom i mogućnost postizanja raznovrsnih

toplinskih stanja, a time i mehanička svojstva. Relativno mala prekidna čvrstoća

tehnički čistog aluminija može se znatno povećati legiranjem, hladnom ili toplom

plastičnom deformacijom i odgovarajućom toplinskom obradom.

6

1.2. Podjela aluminija i njegovi slitina

Poluproizvodi i proizvodi od aluminija i aluminijskih slitina najčešće se dijele prema:

a) kemijskom sastavu

b) načinu prerade i izrade proizvoda

c) načinu, mogućnostima i rezultatima toplinske obrade

1.2.1. Podjela prema kemijskom sastavu

Na tržištu je moguće naći tri vrste aluminijskih materijala:

1. Tehnički čisti aluminij (99,0 - 99,8% Al)

2. Elektrolitički najčišči aluminij (99,99% Al) i

3. Aluminijske slitine, koje se uglavnom temelje na tehnički čistom metalurškom

aluminiju ili pretaljenom aluminijskom otpadu.

Od navedenih skupina najviše se koriste slitine aluminija. Više od polovine

aluminijskih proizvoda danas se izrađuje od slitina aluminija. Taj dio pokazuje i trend

porasta, budući da rastu i zahtjevi za kvalitetom, te mehaničkim, kemijskim i

fizikalnim svojstvima aluminijskih proizvoda.

Aluminijske slitine se dijele prema "glavnom" karakterističnom legirnom elementu

koji je redovito praćen sa još jednim ili više elemenata. Kod tzv. gnječilačkih legura ti

glavni elementi su: bakar, mangan, silicij, magnezij i cink. Svaki od tih elemenata

nosilac je određene skupine slitina koje se razlikuju po sastavu i svojstvima.

1.2.2. Podjela prema načinu prerade i izrade proizvoda

Prema načinu prerade aluminija (proizvodnja poluproizvoda ili gotovih proizvoda)

postoje slitine za:

- gnječenje

- lijevanje

1.2.2.1. Slitine za gnječenje

Slitine za gnječenje su pogodne za obradu plastičnom deformacijom bilo u hladnom

ili toplom stanju. Najčešči postupci plastičnom deformacijom su valjanje, istiskivanje,

kovanje, provlačenje, savijanje i duboko vučenje. Najviše aluminijskih slitina se

preradi valjanjem i istiskivanjem. Tipični valjani poluproizvodi iz aluminija su:

limovi, trake i folije. Tipični poluproizvodi izrađeni istiskivanjem iz aluminija su:

profili, cijevi, šipke i žica. Postupcima valjanja i istiskivanja uvijek prethodi postupak

ljevanja kojim se izrađuju blokovi ili trupci. Postupci savijanja i dubokog vučenja

spadaju u obradu limova, a njima uvijek prethodi valjanje.

Kod gnječilačkih slitina aluminija ukupni sadržaj legirajućih elemenata nalazi se

između 0,5 - 5,0 %.

7

Prema glavnim legirajućim elementima, razlikuje se pet skupina gnječilačkih slitina

aluminija: AlMg, AlMgSi, AlZnMg, AlCuMg, AlMn i AlLi

1.2.2.2. Slitine za lijevanje

Slitine za lijevanje namijenjene su izradi poluproizvoda i proizvoda različitim

postupcima lijevanja. Ovu skupinu slitina odlikuje dobra livljivost, tj. dobro

popunjavanje odgovarajućih oblika i neosjetljivost prema pucanju pri lijevanju.

Najčešći postupci lijevanja slitina aluminija su:

- lijevanje pod pritiskom

- lijevanje u kokile

- lijevanje u pijesak

- centrifugalno lijevanje

Kod ljevačkih slitina aluminija, količine legirajućih elemenata su znatno više nego

kod slitina za gnječenje (dodatak Si je obično oko 13%). Ovisno o legirajućim

elementima razlikuju se četiri skupine ljevačkih slitina aluminija: AlSi, AlCu, AlMg i

AlLi.

Slika 1.1. Shema raspodjele prema načinu prerade i izrade proizvoda [2]

8

1.2.3. Podjela prema načinu, mogućnostima i posljedicama toplinske obrade

Toplinskom obradom se može bitno utjecati na mehanička svojstva aluminijskih

materijala. Toplinski utjecaj na mehanička svojstva aluminijskih materijala ovisi o tri

faktora:

- vrsti i količini legirajućih elemenata

- stupnju hladne deformacije kojemu se materijal podvrgava prije ili poslije toplinske

obrade

- strukturnom rasporedu legirajućih elemenata

Obzirom na utjecaj toplinske obrade na mehanička svojstva, aluminijski materijali se

dijele u dvije osnovne skupine:

- toplinski neočvrstive i

- toplinski očvrstive slitine.

Ovakva podjela uglavnom se odnosi na gnječilačke slitine, iako se i kod ljevačkih

slitina vrši toplinsko očvrščavanje.

Teorijska granica između toplinskih neočvrstivih i očvrstivih slitina aluminija je

granica krute otopine kod sobne temperature, slika 1.2..

Slika 1.2. Klasifikacija aluminijskih slitina po dijagramu slijevanja [1]

Kod toplinski neočvrstivih slitina promjena metalurškog stanja od mekog do tvrdog

postiže se izborom legirajućih elemenata, plastičnom deformacijom i toplinskom

obradom žarenjem. U ovu skupinu spadaju čisti aluminij, te slitine legirane sa Mn, Si,

Mg i Li.

Skupine slitina kojima je glavni legirajući element Cu, Mg i Si, te Zn, tvore grupu kod

koje se promjena metalurškog stanja postiže toplinskim očvrščavanjem. Toplinsko

očvrščavanje u ovom slučaju podrazumijeva poboljšanje mehaničkih svojstava slitine

(povećanje čvrstoće i tvrdoće) kao posljedica cikličkih operacija kontroliranog

grijanja i hlađenja po preciznim pravilima.

9

Tablica 1. Toplinski očvrstive i neočvrstive slitine [2]

10

1.3. Način označavanja aluminija i aluminijskih slitina

U svijetu se za označavanje aluminija i aluminijskih slitina najčešče koristi AA

(Aluminium Association) standard, iako neke zemlje imaju i vlastite standarde. AA

standard propisuje način označavanja aluminija i aluminijskih slitina za gnječenje i

ljevanje.

1.3.1. Aluminij i aluminijske slitine za gnječenje

Za aluminij i aluminijske slitine za gnječenje AA standard primjenjuje četvero-

znamenkastu oznaku. Prvi broj označava skupinu slitina kako slijedi:

Aluminij (Al) 1xxx

Aluminijske slitine grupirane su prema glavnim legirajućim elementima:

Bakar (Cu) 2xxx

Mangan (Mn) 3xxx

Silicij (Si) 4xxx

Magnezij (Mg) 5xxx

Magnezij i Silicij (Mg,Si) 6xxx

Cink (Zn) 7xxx

Ostali elementi (Li, ...) 8xxx

Neuobičajene skupine 9xxx

1.3.1.1. Aluminij (1000)

U skupinu 1xxx, koja označava minimalnu čistoću aluminija 99,00 posto i više.

Posljednja dva broja od četiri u oznaci označavaju minimalni propisani postotak

aluminija. Drugi broj u oznaci definira promjene u granicama dozvoljenih nečistoća.

Ako je drugi broj nula, označava nelegirani aluminij, sa sadržajem nečistoća u

granicama prirodnih koncentracija. ako je drugi broj jedan od brojeva od 1 do 9, koji

se dodaje u slijedu po potrebi, onda taj broj označava potrebu posebne kontrole

koncentracije jednog ili više onečiščenja ili legirnih elemenata.

1.3.1.2. Aluminijske slitine

U oznakama 2xxx do 8xxx skupina slitina, posljednja dva broja od četiri u oznaci

nemaju posebno značenje, nego samo služe za indetifikaciju različite aluminijske

slitine u skupini. Drugi broj u oznaci slitine označava modifikaciju slitine. ako je

drugi broj u oznaci nula, označava izvornu slitinu, dok brojevi od 1 do 9 označavaju

njenu modifikaciju.

1.3.1.3. Eksperimentalne slitine

Eksperimentalne slitine se također označavaju prema ovom standardu, ali sa

prefiksom "x". Prefiks se izostavi kada slitina prestaje biti eksperimentalna. Tijekom

11

razvoja i prije nego bude označena kao eksperimentalna, slitina se označava serijskim

brojem. Upotreba serijskog broja prestaje kada se dodijeli broj "x".

1.3.2. Aluminij i aluminijske slitine za lijevanje

I kod ljevačkih slitina primjenjuje četvero-znamenkasta oznaka. Prvi broj označava

skupinu slitina kako slijedi:

Aluminij 99% min. ili više 1xx.x

Aluminijske slitine grupirane su prema glavnim legirajućim elementima:

Cu 2xx.x

Si (sa dodanim Cu i/ili Mg) 3xx.x

Si 4xx.x

Mg 5xx.x

Zn 7xx.x

Sn 8xx.x

Ostali elementi (Li, ... ) 9xx.x

Neuobičajene skupine 6xx.x

Skupine slitina u nizu od 2xx.x do 8xx.x odrađene su legirajućim elementom

prisutnim u najvećoj količini. Ako dva ili više elemenata imaju jednaki najveći

sadržaj, pripadnost skupini određuje se prema gore navedenom slijedu.

Slijedeća dva broja identificiraju slitinu ili stupanj čistoće aluminija. Posljednji broj,

odvojen od ostalih decimalnom točkom, označava oblik ili vrstu proizvoda, tj.

odljevak ili polugu.

Za eksperimentalne slitine vrijedi isto kao i kod gnječilačkih slitina.

12

1.4. Metalurška stanja aluminija i aluminijskih slitina

Za definiranje osnovnih metalurških stanja aluminija i aluminijskih slitina

namijenjenih gnječenju također se najčešče koristi AA standard. Tim se standardom

metalurško stanje označava slovnim simbolima iza kojih slijedi brojčana oznaka do tri

znamenke, što ovisi o vrsti slitine aluminija. Prvi broj odgovara određenom tipu

mehaničke i toplinske obrade. Drugi broj precizira stanovite modalitete obrade ili

stupanj tvrdoće (stupanj očvrščavanja). Treći broj, u principu, stoji na raspolaganju

prerađivaču da bi označio pojedine varijante osnovnih metalurških stanja.

1.4.1. Označavanje osnovnih stanja Toplinska stanja aluminijskih slitina definiraju se slijedećim slovnim simbolima:

F (as fabricated) - Označava sirovo stanje nakon prerade. Primjenjuje se na

proizvode dobivene plastičnom deformacijom, a čije mehaničke osobine nisu precizno

određene.

O (anealed) - Označava žareno stanje. To je stanje najveće oblikovljivosti koje može

biti postignuto na umjerenoj temperaturi, a da se sam proizvod ne ošteti. Nakon

zadržavanja na temperaturi ne slijedi nikakvo naknadno rastezanje, ravnanje i sl.

H (strain hardened) - Označava stanje očvrsnuto hladnom plastičnom

deformacijom i djelomično omekšano. Primjenjuje se za proizvode očvrsnute

plastičnom deformacijom s naknadnim zadržavanjem ili bez naknadnog zadržavanja

na temperaturi koja izaziva djelomično omekšavanje metala. Ova oznaka stanja može

se primjeniti samo na toplinski neočvrstive slitine, dakle uz skupine slitina 1000, 3000

i 5000.

W (solution heat-treated) - Označava toplinski obrađeno labilno stanje. To je

metalurški nestabilno stanje. Primjenjuje se na slitine koje su rastvorno žarene i

hlađene, ali se to hlađenje nastavlja pri normalnim temperaturama. Ova oznaka je

precizna samo onda kada joj je pridruženo i vrijeme koje prođe od rastvornog žarenja

do tempereture na kojoj je proizvod zadržan, npr. vrijeme 60 minuta do 15°C (W/60

min/15°C). Ova oznaka stanja može se primjeniti samo na toplinski očvrstive slitine,

dakle uz skupine slitina 2000, 6000 i 7000.

T (thermally treated) - Označava toplinski očvrsnuto stanje postignuto toplinskom

obradom za postizanje stanja drugačijih od F, O ili H. Toplinska obrada koja se ovdje

primjenjuje sastoji se od djelomične ili potpune kombinacije ovih faza:

- rastopno žarenje (zasebno ili ne)

- hlađenje (gašenje)

- dozrijevanje prirodno

- dozrijevanje umjetno

sa eventualnom primjenom plastičnih deformacija

13

1.4.2. Označavanje dodatnih stanja

Stanja H i T imaju dalnju podjelu koja se označava brojčanim simbolima, dok stanja

F,O i W takvih podjela nemaju.

1.4.2.1. Podjela stanja H

Iza slova H uvijek slijede najmanje dva broja.

Značenje prvog broja:

H1 - stanje očvrsnuto (otvrdnuto) plastičnom deformacijom. Ovaj znak se

primjenjuje na proizvode očvrsnute plastičnom deformacijom do predviđenog nivoa

mehaničkih osobina, bez naknadnom omekšavanja.

H2 - stanje očvrsnuto (otvrdnuto) plastičnom deformacijom i djelomično

omekšano. Ovaj znak se primjenjuje na proizvode očvrsnute plastičnom

deformacijom na viši nivo od predviđenog i naknadno djelomično omekšavane,

zadržavajući proizvod na određenoj temperaturi.

H3 - stanje očvrsnuto (otvrdnuto) plastičnom deformacijom i stabilizirano. Ovaj

znak se primjenjuje na proizvode koji spontano omekšavaju pri normalnim

temperaturama poslije očvrščavanja plastičnom deformacijom (AlMg slitine) i na

proizvode koji moraju biti stabilizirani na određenoj temperaturi.

Značenje drugog broja:

Drugi broj odgovara razlici tvrdoće i čvrstoće i određuje nivo minimalne prekidne

čvrstoće koji treba postići.

Broj 8 (tvrdo stanje) - odgovara prekidnoj čvrstoći lima debljine 1 mm postignutoj

redukcijom presjeka od 75% pri normalnoj temperaturi, polazeći od stanja 0 bez

naknadnog omekšavanja. Po dogovoru, ta vrijednost prekidne čvrstoće mjerodavna je

za određivanje tvrdog stanja svih proizvoda (oznake H18, H28, H38).

Broj 4 (polutvrdo stanje) - odgovara prekidnoj čvrstoći koja se nalazi na jednakoj

udaljenosti između prekidnih čvrstoća mekog stanja 0 i tvrdog stanja 8.

Brojevi 2 i 6 - određuju stanje između 0 i 4, te stanje između 4 i 8.

Broj 9 - odnosi se na tzv. ekstra tvrdo stanje za koje je prekidna čvrstoća veća od

stanja određenih brojem 8.

14

1.4.2.2. Podjela stanja T

Iza slova T uvijek slijedi jedan ili više brojeva.

T1 - stanje, postiže se hlađenjem izratka nakon toplog oblikovanja i prirodnim

dozrijevanjem. Upotrebljava se za proizvode čije se hlađenje nakon prerade odigralo

dovoljno brzo da se osigura naknadno očvrščenje pri normalnim temperaturama

T2 - stanje koje se postiže hlađenjem izratka nakon toplog oblikovanja a prije

dozrijevanja podvrgava se dodatnoj hladnoj deformaciji. Koristi se za izratke koji se

hladno obrađuju radi povećanja čvrstoće nakon hlađenja s povišene temperature u

procesu toplog oblikovanja

T3 - stanje koje se postiže rastvornim žarenjem, gašenjem u vodi, hladnom

deformacijom i prirodnim dozrijevanjem. Upotrebljava se za proizvode koji su bili

podvrgnuti zasebno izvedenom rastvornom žarenju, gašenju te plastičnoj deformaciji

čiji su efekti očvrščivanja toliki da moraju biti propisani.

T4 - stanje koje se na hladno oblikovanom izratku postiže rastvornim žarenjem i

prirodnim dozrijevanjem. Upotrebljava se za proizvode koji su bili podvrgnuti

rastvornom žarenju i gašenju, a nisu bili plastično deformirani, odnosno očvrsnuti

plastičnom deformacijom u takvoj mjeri da to treba uzeti u obzir.

T5 - stanje koje se postiže hlađenjem izratka nakon toplog oblikovanja i umjetnim

dozrijevanjem. Upotrebljava se za proizvode čije se hlađenje nakon prerade odigralo

dovoljno brzo da osigura naknadno očvrščavanje umjetnim dozrijevanjem.

T6 - stanje koje se na prethodno oblikovanom izratku postiže rastvornim žarenjem, i

umjetnim dozrijevanjem. Upotrebljava se za proizvode koji su, nakon zasebnog

rastvornog žarenja i gašenja, podvrgnuti umjetnom dozrijevanju, a da nisu doživjeli

plastičnu deformaciju između rastvornog žarenja i umjetnog dozrijevanja kao i poslije

umjetnog dozrijevanja, odnosno na proizvode koji su bili plastično deformirani, ali

bez efekata očvrščivanja koje treba uzeti u obzir.

T7 - stanje koje se postiže rastvornim i stabilizacijskim žarenjem. Upotrebljava se za

proizvode koji su bili podvrgnuti postupku produženog prirodnog dozrijevanja kako

bi postigli posebna svojstva.

T8 - stanje koje se postiže rastvornim žarenjem, hladnom deformacijom i umjetnim

dozrijevanjem. Upotrebljava se za proizvode koji su očvrsnuti hladnom plastičnom

deformacijom u postupku između rastvornog žarenja i umjetnog dozrijevanja s

namjerom da im se poboljšaju mehanička svojstva (prekidna čvrstoća).

T9 - stanje koje se postiže rastvornim žarenjem, umjetnim dozrijevanjem i hladnom

deformacijom. Upotrebljava se za proizvode koji su nakon umjetnog dozrijevanja

podvrgnuti hladnoj plastičnoj deformaciji s namjerom da im se poboljšaju mehanička

svojstva (prekidna čvrstoća).

T10 - hlađeno poslije toplog oblikovanja, hladno deformirano i umjetno dozrijevano

stanje. Upotrebljava se za proizvode prerađivane na vruće koji su, nakon hlađenja

15

podvrgnuti hladnoj plastičnoj deformaciji prije početka prirodnog dozrijevanja s

namjerom da im se poboljšaju mehanička svojstva.

Značenje drugog broja:

Dodatni broj je, u principu, na raspolaganju proizvođaču (prerađivaču) za označavanje

varijante postupka. u svakom slučaju potrbno je slijediti pravila:

- broj 5 rezerviran je za proizvode koji su obrađeni s namjerom da im se smanje

zaostala naprezanja

- za ostale preporučaju se brojevi 1, 3, 6 i 8. oni moraju biti u skladu s postignutim

nivoom tvrdoće (čvrstoće). Pri tome se brojevi s većom apsolutnom vrijednošću

upotrebljavaju za veći nivo, bez obzira na to je li povećanje tvrdoće i čvrstoće

postignuto toplinskom obradom ili plastičnom deformacijom.

16

1.5. Osnovne osobine aluminija i aluminijskih slitina

1.5.1. Aluminij i aluminijske slitine za gnječenje

1.5.1.1. Toplinski neočvrstive aluminjske slitine

Očvrščavanje se u ovom slučaju postiže kombinacijom efekata legirajućih elemenata

(Mg, Si, Mn, Fe, ...) i plastične deformacije, te žarenjem i oporavkom. Određenim

kombinacijama hladne deformacije i žarenja, za svaku slitinu iz ove grupe postiže se

širok raspon stanja, od mekog stanja s minimalnim mehaničkim vrijednostima i

maksimalnom plastičnosti do tvrdih stanja s maksimalnim mehaničkim vrijednostima

i minimalnom plastičnosti.

Toplinski neočvrstive aluminijske slitine čine tri skupine slitina: aluminij (1000),

slitine s manganom (3000) i slitine s magnezijem (5000).

1) Aluminij (1000)

Nelegirani aluminij razlikuje se po čistoći, tj. po učešću pojedinih "nečistoća" (Fe,Si)

u aluminiju. Posjeduje odličnu toplinsku i električnu vodljivost, te izvanrednu

plastičnost. Mehaničke osobine su mu skromne. Upotreba mu je veoma raširena

(elektroindustrija, kemijska industrija, građevinarstvo itd.) Dobro se spaja

zavarivanjem.

2) Slitine s manganom (3000)

Gotovo sve slitine iz ove skupine sadrže 1,2% mangana. Mangan utječe na

poboljšanje mehaničkih svojstava, povećava korozijski otpornost i povisuje

temperaturu rekristalizacije. Slitine Al-Mn sa 1,0-1,5% Mn primjenjuju se tamo gdje

se, pored povećane čvrstoće, zahtjeva i poboljšanje korozijske otpornosti. U slučaju

manjeg sadržaja Fe, mangan spriječava izlučivanje igličastih kristala Al3Fe.

Najčešći predstavnik ove skupine je slitina AlMn (3003). Ova slitina ima izvrsnu

plastičnost, dobru zavarljivost i otporna je na koroziju. Upotrebljava se za duboko

vučenje, za izmjenjivače topline, pokućstvo, ...)

Često se koristi iz ove skupine i slitina AlMgMn (3004) iz koje se proizvode sva

pakovanja za piće kao i za cijevi proizvedene iz trake elektrozavarivanjem.

3) Slitine s magnezijem (5000)

Magnezij je najviše korišteni element u slitinama aluminija. Rastvorivost magnezija je

znatna, međutim, sa sniženjem temperature ona naglo pada. Kada se Mg koristi kao

glavni legirni element, ili u kombinaciji sa Mn (do 0,8%) i Cr (do 0,25%) postiže se

slitina osrednje čvrstoće koja nije toplinski očvrstiva. Magnezij je utjecajniji kao

17

očvrščivač nego mangan, pa tako npr. 0,8% Mg postiže efekte očvrščavanja kao

1,25% Mn (AA). Ove slitine se dobro zavaruju te imaju znatno bolja mehanička

svojstva pri niskim temperaturama. Sa većim sadržajem magnezija odlično se

ponašaju u morskoj okolini. Lako se oblikuju, ali oblikovanje je teže s porastom

magnezija.

Primjena im je raznovrsna: građevinarstvo, brodogradnja - nadgrađe i trup kod ratnih

brodova, uređaji za desalinizaciju morske vode, posuđe, različite cisterne i spremnici.

1.5.1.2. Toplinski očvrstive aluminijske slitine

Ova skupina Al-slitina koje sadrže bakar (Cu), silicij (Si), magnezij (Mg) i cink (Zn)

ima mogućnost strukturnog očvrščavanja koje se postiže određenim toplinskim

postupkom. Prvi dio toplinskog postupka predstavlja rastvorno žarenje koje ima za

cilj da na povišenim temperaturama rastopi barem jedan od legirajućih elemenata u

čvrstoj otopini aluminija. Slijedeću fazu toplinskog procesa predstavlja naglo hlađenje

tzv. gašenje najčešće umakanjem u hladnu vodu. Naglim hlađenjem (gašenjem)

rastvoreni elementi izvitopere kristalnu rešetku aluminija, materijal postaje nestabilan

pri sobnim temperaturama i teži stabilnijem stanju. Materijal postupno dozrijeva. Ova

pojava praćena je sa značajnim povećanjem čvrstoće nazvanim strukturno

očvrščavanje. Dozrijevanje pri sobnim temperaturama naziva se prirodno

dozrijevanje, a pri povišenim temperaturama umjetno dozrijevanje.

Toplinski očvrstive aluminijske slitine čine tri skupine slitina: slitine s bakrom (2000),

slitine s silicijem i magnezijem (6000) i slitine s cinkom i magnezijem (7000).

1) Slitine s bakrom (2000)

Bakar je glavni legirajući element u ovoj skupini slitina (do 6%), koji sa aluminijem

tvori intermetalnu fazu Al2Cu. Često se ovoj slitini dodaje magnezij (do 1,5%) pri

čemu nastaje složena intermetalna faza Al2CuMg, te Ni (do 2%). Mehaničke

vrijednosti ovih slitina dostižu one kod ugljičnih čelika. Ova skupina je poznata po

poznatom nazivu Durali. Ove slitine nemaju dobra antikorozivna svojstva i u pravilu

se loše zavaruju. Često se presvlače (plakiraju) čistim aluminijem radi zaštite od

korozije. Ove slitine mogu se očvrsnuti toplinskom obradom zahvaljujući smanjenju

rastvorivosti bakra u aluminiju prilikom hlađenja. Prirodnim ili umjetnim

dozrijevanjem dolazi do izlučivanja intermetalnog spoja Al2Cu, koji jako očvrsne

materijal. Zagrijavanje ovih slitina izaziva starenje i pad mehaničkih svojstava.

Masovno se upotrebljavaju u aeroindustriji, naoružanju i za izradu mehaničkih

dijelova. Najčešče slitine su 2011, 2017 i 2024.

2) Slitine s silicijem i magnezijem (6000)

Ova skupina se smatra kao najčešće korištena skupina aluminijskih slitina. ukupni

sadržaj legirnih elemenata je do 2%. Struktura se sastoji od aluminija i magnezijevog

silicida u obliku intermetalnog spoja Mg2Si koji očvršćuje maticu. Zbog toga spadaju

18

u skupinu toplinski očvrstivih slitina. Posjeduju osrednja mehanička svojstva koja im

se poboljšavaju toplinskim očvrščavanjem. Dobro se zavaruju i oblikuju plastičnom

deformacijom. Posjeduju i dobra antikorozivna svojstva. Ova skupina slitina može se

podijeliti na dva dijela:

a) slitine siromašnije sa Si i Mg, (AlMgSi=,5). To im omogućava velike brzine

istiskivanja i odličnu obnovljivost, ali su im mehanička svojstva nešto lošija. Tipičan

predstavnik ove skupine je slitina 6060.

b) slitine bogatije sa Si i Mg, (AlMgSi1), uz dodatak mangana Mn, kroma Cr,

cirkonija Zr. Imaju bolja mehanička svojstva. To su najčešće slitine 6005, 6061, 6082

i 6351.

Popularan naziv za ovu slupinu je Pantal. Koriste se u dekoraciji, za vrata, prozore,

cijevi, transportna opema i dijelovi (karoserije, vagonski I profili), jarboli, ...

3) Slitine s cinkom i magnezijem (7000)

Cink je glavni legirni element (do 8%) u ovoj skupini slitina i iz mali dodatak

magnezija (do 0,45%) nastaje izlučivanje intermetakne faze MgZn2, što slitine čini

toplinski očvrstivima. Ovim se slitinama dodaju još i elementi kao Cu (do 2%) i Cr

(do 0,3%) za povećanje čvrstoće. Ova skupina slitina može se podijeliti ovisno o tome

sadrže li bakar ili ne:

a) slitine sa bakrom - posjeduju najveće mehaničke vrijednosti. Imaju loša

antikorozivna svojstva, a zavarivati se mogu samo pod specijalnim uvjetima. Tipičan

predstavnik ove skupine je slitina 7075 koja se upotrebljava za nosivu konstrukciju

zrakoplova i za visoko napregnute dijelove.

b) slitine bez bakra - posjeduju nešto lošija mehanička svojstva od prethodne skupine.

Otpornije su na koroziju. Tipičan predstavnik ove skupine slitina je 7020.

Popularan naziv slitina skupine 7000 je Konstruktal.

4) Slitine s litijem (8xxx)

Zbog male specifične mase (0,53 g/cm3), litij kao element za legiranje dodat Al-slitini

smanjuje , u prosjeku, gustoću za oko 3%, a povećava modul elastičnosti, približno,

za oko 6%, za dodatak litija od 4%.

Za Al-Li slitine karakteristično je i slijedeće: reducira se specifična masa za oko 10%;

povećava se čvrstoća za oko 10%; izduženje je nešto drugačije nego kod klasičnih Al-

slitina i kreće se, za uzdužni i poprečni smjer od 5 do 8%, dok je u smjeru debljine 1,5

do 4,5%. Moguće je uspješno zavarivanje Al-Li slitina MIG-postupkom, lijepljenje,

obrada deformacijom na toplo i hladno uz sve tehnike obrade. Al-Li slitine daju se

dobro obrađivati skidanjem strugotine. Cijena Al-Li slitina nekoliko puta je veća od

cijene klasičnih Al-slitina.

19

1.5.2. Aluminijske slitine za lijevanje

Jedno od najvažnijih svojstava koje trebaju imati ljevačke slitine je dobra livljivost. S

obzirom na svojstva i kemijski sastav, ljevačke slitine se mogu podijeliti:

a) slitine na bazi aluminij-silicij

b) slitine na bazi aluminij-magnezij

c) slitine na bazi aluminij-bakar

d) slitine na bazi aluminij-cink

1.5.2.1. Slitine na bazi Al-Si (silumini)

Ove slitine imaju najbolju livljivost od svih ljevačkih slitina. Silumini imaju dobru

otpornost na koroziju i dobru nepropusnost plinova i tekućina pod tlakom (crpke,

kućišta i blokovi motora), ali imaju malu čvrstoću. Povećanje čvrstoće termičkom

obradom je minimalno, ali se povećavaju vrijednosti istezanja i dinamičke

izdržljivosti.

Zbog dobre livljivosti upotrebljavaju se za izradu odljevaka složenih oblika svim

poznatim postupcima ljevanja. U praksi se najviše koristi slitina AlSi12 koja se

upotrebljava u samo ljevanom stanju budući toplinska obrada ne mijenja njena

svojstva. Odlikuje se malim linearnim skupljanjem i malom sklonošću ka stvaranju

pukotina u toplom stanju. Dobro se zavaruju. Odljevci od AlSi12 mogu se

upotrebljavati na temperaturi do najviše 200°C.

AlSiMg - slitine

Da bi se poboljšala mehanička svojstva slitina AlSi, dodaje se 0,2 do 0,5% magnezija.

Dodatak magnezija omogućava dozrijevanje, pa ove slitine imaju veću čvrstoću nego

slitine AlSi. Pri tome niži sadržaj magnezija daje veću sposobnost za trajnu

deformaciju odljevaka i razmjerno manju čvrstoću.

U praksi najviše se koristi AlSi10Mg. Odlikuje se malim linearnim skupljanjem i

malom sklonošću ka stvaranju pukotina u toplom stanju. Dobro se zavaruju. Slitini

AlSi10Mg toplinskom obradom znatno povećavamo čvrstoću. Radna temperatura

ovih slitina ne smije prijeći 200°C.

AlSiMgCu - slitine

Mogu se koristiti za rad na višim temperaturama nego prije navedene slitine, ali su

manje otporne na djelovanje korozije.

AlSiCu - slitine

Ove slitine se daju dobro ljevati i obrađivati. Upotrebljavaju se mnogo kod srednjih

zahtjeva u pogledu čvrstoće i istezanja, npr. za kućišta svih vrsta. Veći sadržaj silicija

povećava livljivost. Dok s povećanjem bakra raste i tvrdoća i sposobnost obrađivanja,

ali se smanjuje korozijska postojanost. Termički se ne obrađuju.

20

1.5.2.2. Slitine na bazi Al-Cu (durali)

Industrijske slitine na bazi Al-Cu karakteriziraju dobra mehanička svojstva, dobra

otpornost na višim temperaturama i dobra obradljivost odvajanjem čestica. Kod njih

se , u dozrijevanom stanju, postižu najviše vrijednosti čvrstoće od svih ljevačkih

slitina. Imaju slabu livljivost i sklone su stvaranju pukotina u toplom stanju.

Nepropusnost na tlak plina i tekućina su im loši. Sklone su korodiranju i to same od

sebe, obzirom da Al i Cu čine galvanski član. Ove slitine se toplinski obrađuju što

povećava njihovu čvrstoću i tvrdoću.

Upotrebljavaju se za opterećene dijelove kod izrade elemenata za zrakopolove i druga

transportna sredstva. U industrijskoj primjeni najpoznatija je slitina AlCu4Ti.

Redovito se toplinski obrađuje. Radna temperatura slitine je do 300°C.

1.5.2.3. Slitine na bazi Al-Mg

Odlikuju se velikom korozijskom postojanošću. Vrlo su prikladne za dekorativnu

anodnu oksidaciju i poliranje. Dobro se obrađuju. Dodatak silicija poboljšava

livljivost, ali utječe na boju kod anodne oksidacije.

Upotrebljavaju se u brodogradnji, kemijskoj i prehrambenoj industriji.

1.5.2.4. Slitine AlZnMg

Ovdje spada slitina AlZn5Mg1Cr. Dobro se anodno oksidira. Upotrebljava se za

dekorativno anodno oksidirane dijelove. Anodno oksidirani dijelovi imaju ljepše

tonove nego iz AlMg slitina. Korozijska je slabija nego kod AlMg slitina.

21

2. Klasifikacija Al-slitina prema "Hrvatskom registru brodova"

Prema "Pravilima za tehnički nadzor pomorskih brodova", "Hrvatskog registra

brodova", dio 25. - "Metalni materijali", izvršena je slijedeća podjela aluminijskih

slitina:

1. Aluminijske slitine za gnječenje

2. Aluminijske slitine za ljevanje

3. Zakovice od aluminijskih slitina

4. Prijelazne stinčice aluminij/čelik

Za svaku od ovih skupina u "Pravilima" je iznesen niz zahtjeva koje je potrebno

zadovoljiti prije upotrebe.

2.1. Aluminijske slitine za gnječenje

Aluminijske slitine za gnječenje se primjenjuju za izradu brodskog trupa, za nadgrađa

i ostale brodske konstrukcije u području debljina od 3 mm do uključivo 50 mm.

Dozvoljena je uporaba

- valjanih proizvoda - ploče, limovi i trake od slijedećih slitina

- 5083,

- 5086 i

- 5754

sa stanjima isporuke O/H111/H112, H116 i H32/H321 i

- prešanih proizvoda - profili, šipke i zatvoreni profili od slijedećih slitina

- 5083 i

- 5086

sa stanjima isporuke O/H111/H112 i

- 6005A,

- 6061 i

- 6082

sa stanjima isporuke T5 i T6

Slitine 6005A i 6061 iz serije 6000 ne smiju se primjenjivati za konstrukcije i dijelove

konstrukcija koje dolaze u neposredan dodir s morskom vodom, ako nisu zaštićene

anodama ili zaštitnim premazom.

22

2.2. Aluminijske slitine za lijevanje

Odljevci, kao što su fitinzi, kućišta i krila rotora, koji su izloženi bez zaštite

djelovanju morske vode ili slane atmosfere, trebaju se izrađivati iz slitina koje su

pogodne za upotrebu u morskoj okolini. To su slitine sastava AlSi, AlSiMg i AlMg, s

najvećim dopuštenim sadržajem bakra od 0,1%. U posebnim slučajevima za odlijevke

od slitina AlSi i AlSiMg potrebna je površinska zaštita npr. anodizacija.

Odljevci se mogu upotrebljavati i za dijelove namijenjene za ugradnju na brodovima

za prijevoz kemikalija, te za sustave cjevovoda ukapljenih plinova kod kojih

proračunska temperatura nije niža od -165°C.

2.3. Zakovice od aluminijskih slitina

Zakovice od aluminijskih slitina se primjenjuju za izradu određenih konstrukcijskih

dijelova u brodogradnji.

2.4. Prijelazne stinčice aluminij/čelik

Prijelazne stinčice aluminij/čelik, izrađene spajanjem, primjenom energije eksplozije,

namijenjene su za spajanje čeličnih i aluminijskih dijelova brodskih konstrukcija.

23

3. Al-slitine primjenjivane u klasičnoj brodogradnji

3.1. Uvod

Primjena aluminijskih slitina u klasičnoj brodogradnji uobičajena je za plovila kod

kojih je jedan od glavnih kriterija pri projektiranju što manja težina konstrukcije.

Stoga se može govoriti o praktički tri područja primjene:

- mali čamci, duljine do 5 m, mase do 100 kg

- veliki čamci i manji brodovi velikih brzina, mase do 10 tona

- nadgrađa velikih brodova

Prema "Pravilima za tehnički nadzor pomorskih brodova, "Hrvatskog registra

brodova", dio 2. - "Trup", Poglavlje 1, predviđena je primjena aluminijskih slitina

otpornih na morsku vodu:

- za brodove duljine 12 L 40 [m] - za trup, nadgrađa i kućice

- za brodove duljine L > 40 [m] - za nadgrađa i kućice

3.2. Aluminijske slitine za gnječenje

U prethodnom poglavlju iznesene su aluminijske slitine za gnječenje koje se, prema

"Hrvatskom registru brodova", primjenjuju za izradu brodskog trupa, za nadgrađa i

ostale brodske konstrukcije u području debljina od 3 mm do uključivo 50 mm.

Zahtjevi koji se postavljaju pri odabiru materijala su:

- dobra mehanička svojstva

- dobra antikorozivna svojstva

- dobra obradivost

- dobra zavarljivost

- niska cijena

Uglavnom se upotrebljavaju:

- slitina 5083 (AlMg4,5Mn) - u valjanom stanju - za ploče i limove

metalurškog stanja O, H111 i H116

- slitina 6082 (AlMgSi1) - u estrudiranom stanju - za profile, cijevi i trake

metalurškog stanja T6

3.2.1. Osnovna metalurška stanja isporučenog materijala

Slitine serije 5000 se uglavnom upotrebljavaju u mekanom stanju, stanju O ili H111,

u kojem nemaju izražen pad čvrstoće u zoni vara. Mekano stanje je stanje minimalne

tvrdoće i najmanje čvrstoće zavarenog spoja. Dobro se deformira na hladno. Kod

polutvrdog stanja čvrstoća zavarenog spoja je povišena i između je polutvrdog i

mekog stanja. Još uvijek se može dobro deformirati na hladno. Kod tvrdog stanja

24

čvrstoća zavarenog spoja približna je čvrstoći kod polutvrdog stanja. Kod većih

deformacija na hladno puca zbog smanjenje rastezljivosti.

Razlika stanja H111 od stanja O je da se nakon žarenja provede izravnavanje

valjanjem da bi se postigle zadovoljavajuće dimenzionalne karakteristike.

Stanje H116 je specijalno 1/4 tvrdo stanje sa mehaničkim karakteristikama blizu

stanja H22 ili H32

Slitine 5086 i 5754 odnosno 6005A i 6061 su jeftinije nego slitine 5083 i 6082, ali se

slitine 5083 i 6082 više upotrebljavaju jer im vlačna čvrstoća viša što se vidi iz tablica

3.1., 3.2., 3.3 i 3.4. [3].

3.2.2. Mehaničke karakteristike

Tablica 3.1. Mehanička svojstva valjanih proizvoda 3 mm ≤ t ≤ 50 mm

Slitina

Metalurško

stanje

Granica

popuštanja

Rp0,2 min

[MPa]

Vlačna

čvrstoća

Rm[MPa]

Lomno

izduženje

A50mm[%] t ≤ 12,5 mm

Lomno

izduženje

A5d[%] t > 12,5 mm

5083 O/H111 125 275-350 16 15

5083 H112 125 ≥ 275 12 10

5083 H116 215 ≥ 305 12 ako je t ≤ 6 mm

10

5083 H32/H321 215 305-380 10 9

5086 O/H111 100 240-310 17 16

5086 H112 125 ≥ 250 8

5086 H112 105 ≥ 240 9

5086 H116 195 ≥ 275 10 9

5086 H32/H321 185 275-335 10 ako je t ≤ 6 mm

9

5754 O/H111 80 190-240 18 17 Napomena: Vrijednosti su primjenjive za uzdužne i poprečne epruete, kod ispitivanja rastezanjem.

Tablica 3.2. Mehanička svojstva estrudiranih proizvoda 3 mm ≤ t ≤ 50 mm

Slitina

Metalurško

stanje

Granica

popuštanja

Rp0,2 min

[MPa]

Vlačna

čvrstoća

Rm[MPa]

Lomno

izduženje

A50mm[%] t ≤ 12,5 mm

Lomno

izduženje

A5d[%] t > 12,5 mm

5083 H111 110 ≥ 270 10 12

5083 O/H112 125 ≥ 270 10 12

5086 H111 95 240-320 15 18

5086 O/H112 95 ≥ 240 10 12

6005A T5/T6 215 ≥ 260 8 6

6061 T5/T6 240 ≥ 260 10 8

6082 T5/T6 260 ≥ 310 10 8 Napomena: Vrijednosti su primjenjive za uzdužne i poprečne epruete, kod ispitivanja rastezanjem.

25

Tablica 3.3. Mehanička svojstva estrudiranih zatvorenih profila

(ispitivanje poprečno na smjer estrudiranja)

Slitina

Metalurško

stanje

Granica

popuštanja

Rp0,2 min

[MPa]

Vlačna

čvrstoća

Rm[MPa]

Lomno

izduženje

A5d[%] t > 12,5 mm

6005A T5/T6 205 245 4

6061 T5/T6 215 250 5

6082 T5/T6 240 290 5

Tablica 3.4. Gustoća

Slitina Gustoća

[g/cm3]

5083 2,66

5086 2,66

5754 2,67

6005A 2,7

6061 2,7

6082 2,7

3.2.3. Antikorozivna svojstva

Slitina 5083 (AlMg4,5) ima odlična antikorozivna svojstva u morskoj vodi i

uglavnom se upotrebljava za limove i profile. Slitina 6082 (AlMgSi) ima isto tako

dobra antikorozivna svojstva i uglavnom se upotrebljava za proizvode dobivene

istiskivanjem. Slitine 6005A (AlMgSi0,7) i 6061 (AlMg1SiCu) nemaju tako dobra

antikorozivna svojstva u morskoj vodi pa je, prilikom upotrebe, u slučaju

neposrednog dodira s morskom vodom, obavezna zaštita.

3.2.4. Rezanje materijala i priprema rubova za zavarivanje

Aluminij i njegove slitine veoma su pogodne za rezanje. Rezanje materijala može se

izvoditi mehaničkim i toplinskim metodama te vodenim mlazom. Krajnji cilj rezanja

je kvalitetna površina ruba koji će se zavarivati.

3.2.4.1. Mehaničko rezanje

Mehaničko rezanje se izvodi sa škarama, pilama i brusnim diskom.

Pločaste ili krokodilske škare upotrebljavaju se za ravne rezove. Moguće je rezati

limove debljina istih kao i nelegiranih i niskougljičnih čelika. Za aluminijske

proizvode isporučene u stanju H116 upotreba ograničena je na limove debljine do 10

mm da bi se izbjegla lokalna naprezanja u materijalu koja uzrokuju naponsku

koroziju. Ploče od 10 mm i deblje režu se pilama.

26

Stabilne cirkularne i tračne pile koriste se za radove većeg opsega. Prenosne

cirkularne i ubodne pile koriste se za manje radove i za sva rezanja pri montaži.

Nakon mehaničkih rezanja spoj je često masan ili su utisnuta zrnca abraziva u rubove.

Isto tako potrebno je odstaniti je opiljke i oštre rubove zaostale nakon rezanja koji su,

radi velike površine a malog volumena, mjesta koncentracije oksidne kožice koja

dovodi do greške u zavarenom spoju. Stoga je nakon svih procesa mehaničkih rezanja

potrebno čiščenje pripremeljenog spoja cca 15 mm širine uz sami spoj. Odstranjivanje

se na rubovima male dužine obično izvodi turpijama, a kod većih debljina i dužina

stranica žlijeba rotočetkama iz nehrđajućeg čelika ili brusevima.

3.2.4.2. Toplinsko rezanje

Toplinsko rezanje se izvodi plazmom i laserom.

Uglavnom se koristi rezanje komprimiranim zrakom. Aluminijske slitine je pogodnije

rezati argonskom plazmom, ali je to skuplje od rezanja komprimiranim zrakom. Širina

reza iznosi 2-4 mm za manje debljine materijala, dok je brzina rezanja od nekoliko

desetaka centimetara u minuti do preko 2 m u minuti. Plazma rezanje daje uski i fini

rez te ga nije potrebno naknadno popravljati brušenjem.

Rezanje laserom ne spada u standardne načine rezanja. Laserom je moguće rezanje

malih debljina velikom brzinom rezanja praktički bez deformacija.

3.2.4.3. Vodeni mlaz

Vodenim mlazom sa tlakom iznad 2000 bara moguće je rezati sve materijale. Vodeni

mlaz pravi ravne i točne rezove bez nečistoća, unošenja topline i deformacija. Ipak,

nije u širokoj upotrebi.

3.2.5. Zavarljivost

Aluminij i aluminijske slitine mogu se zavarivati na nekoliko načina. U praksi se

uglavnom se uptrebljavaju dva načina: TIG i MIG procesi. Zavarivanje eksplozijom

se koristi za proizvodnju aluminijsko-čeličnih bimetalnih traka.

3.2.5.1. TIG proces

Tig proces proces zavarivanja se odvija tako da se električni luk uspostavlja između

netaljive (u smislu trošenja) volframove elektrode i zavarivanog komada. Zaštita luka

i elektrode se osigurava inertnim plinom (argonom). Spoj se ostvaruje taljenjem

osnovnog materijala uz dodavanje žice (dodatnog materijala) sa strane.

Zavarivanje je moguće u svim položajima i proces može biti automatiziran. TIG

proces prikladan je za debljine metala od 1 do 6 mm i pogodan je za korjenske zavare

zbog mirnoće luka. Kvaliteta zavara je visoka, ali je veliki unos topline što smanjuje

čvrstoću kod otvrdnutih osnovnih materijala.

27

3.2.5.2. MIG proces

MIG proces je proces zavarivanja gdje zaštitu luka i kupke zavara daje plinski omotač

od argona koji se upuhuje u atmosferu luka.

Zavarivanje je moguće u svim položajima i proces može biti automatiziran. MIG

proces prikladan je za debljine metala od 2 mm i deblje. MIG proces brži je od TIG

proces i izaziva manje deformacije. Kod MIG procesa niži unos je topline nego kod

TIG procesa i teže je održati kontinuiranost u kvaliteti zavara, a naročito minimizirati

poroznost.

TIG proces je prikladniji za manje komade i debljine te sučeljene spojeve, dok je MIG

proces prikladniji za deblje materijale te kutne i sučeone spojeve.

28

3.3. Aluminijske slitine za lijevanje

U prethodnom poglavlju iznesene su aluminijske slitine za lijevanje koje se, prema

"Hrvatskom registru brodova", primjenjuju za izradu fitinga, kućišta i krila rotora.

Zahtjevi koji se postavljaju pri odabiru materijala su:

- dobra mehanička svojstva

- dobra antikorozivna svojstva

- izgled i kvalitet vanjske površine

- niska cijena

Uglavnom se upotrebljavaju slitine na bazi magnezija i silicija.

3.3.1. Mehaničke karakteristike

Tablica 3.5. Najmanja zahtijevana mehanička svojstva odljevaka lijevanih u pijesku i

lijevanih tlačnim lijevom [3]

Slitina

Metalurško stanje

Vlačna

čvrstoća

Rm MPa]

Lomno

izduženje

[%]

AlMg 3 lijevano 150 5

AlSi 12 lijevano 150 3

AlSi 10 Mg lijevano 150 2

AlSi 10 Mg rastvorno žareno i

toplinski očvršćeno

220 3

AlSi 7 Mg rastvorno žareno i

toplinski očvršćeno

230 5

Tablica 3.6. Najmanja zahtijevana mehanička svojstva odljevaka lijevanih u kokile [3]

Slitina

Metalurško stanje

Vlačna

čvrstoća

Rm MPa]

Lomno

izduženje

[%]

AlMg 3 lijevano 150 5

AlSi 12 lijevano 170 3

AlSi 10 Mg lijevano 170 3

AlSi 10 Mg rastvorno žareno i

toplinski očvršćeno

240 1,5

AlSi 7 Mg rastvorno žareno i

toplinski očvršćeno

250 5

29

3.4. Zakovice od aluminijskih slitina

Zakovice se uglavnom upotrebljavaju za spajanje tankih materijala i kod malih

čamaca. Karakteristike zakovičnih spojeva su:

- male deformacije osnovnog materijala

- puzanje zakovica može uzrokovati propuštanje

- moguća korozija na zakovicama

Tablica 3.7. Mehanička svojstva [3]

Slitina

Metalurško stanje

Granica

popuštanja

Rp0,2 min

[MPa]

Vlačna

čvrstoća

Rm MPa]

Produljenje

na oS

[%] min

5154A žareno 90 220 18

6082 rastvorno žareno 120 190 16

3.5. Prijelazne stinčice aluminij/čelik

Američki proizvođač "Du Pont" razvio je i patentirao proizvodnju trimetalne trake,

sastavljene na bazi čelik - čisti aluminij (99%) - aluminijska slitina. Traka se dobiva

postupkom eksplozionog zavarivanja limova iz navedenih materijala, a zatim se

iztezuju trake. Kvalitetan spoj može se dobiti na dužini max 3m. Tipičan poprečni

presjek trake prikazan je na slici 3.1.

Slika 3.1. Dvije varijante izvedbe trimetalne trake

30

Neki proizvođači trimetalne trake spajanje čelika s čistim aluminijem izvode

tehnologijom toplog valjanja. Međutim, eksploziono zavarivanje osigurava dvostruko

veću čvrstoću spoja ( prosječno 135 N/mm2) u odnosu na toplo valjanje (70 N/mm

2),

mada i ova vrijednost zadovoljava kriterije.

Svi svjetski proizvođači, preporučuju u svojim uputama za primjenu da ugradbena

širina trake mora odgovarati četverostrukoj debljini aluminijskog lima koji se za nju

zavaruje. Razlozi su slijedeći:

- Diskontinuitet u čvrstoći elemenata konstrukcije

Prekidna čvrstoća prijelaznog spoja koju garantira većina proizvođača i prihvaćaju

klasifikacijska društva iznosi od 60 do 70 N/mm2 . Čvrstoća aluminijskih slitina koje

se kao standardne koriste u brodogradnji, kreće se u granicama 240 - 300 N/mm2 .

Prema tome, aluminijski lim koji se zavaruje na trimetalnu traku ima četiri puta veću

čvrstoću nego prijelazni spoj trake. Zbog toga, da bi se sačuvao kontinuitet, potrebno

je da širina trimetalne trake odgovara četverostrukoj vrijednosti debljine lima koji se

za nju zavaruje.

- Taljenje rubova trimetalne trake

Ako je traka tanja od navedenog, zbog unosa topline pri MIG zavarivanju može doći

do taljenja ruba trimetalne trake i curenja taline po njenom boku što pravi veoma loš

vizuelni izgled zavarenog spoja.

- Temperatura na liniji eksplozivnog spoja

Tokom procesa zavarivanja linija eksplozivnog spajanja ne smije biti zagrijana na

temperaturu veću od 315°C. U protivnom slučaju, naglo se smanjuju mehaničke

karakteristike spoja kao posljedica difuzijom stvorenog krtog spoja slitine željezo-

aluminij. U slučaju primjene šire trake na linije eksplozivnog spoja postižu se znatno

niže temperature

31

4. Metode i kriteriji dimenzioniranja elemenata izrađenih od Al-

slitina u brodogradnji

4.1. Uvod

Brojna ispitivanja aluminijskih slitina pokazala su da se aluminijske slitine

podvrgnute istim opterećenjima kao i čelik, ponašaju slično kao i čelik, u skladu sa

svojim specifičnim mehaničkim karaktertistikama (modul elastičnosti, granica

razvlačenja, ...). Zbog toga se proračun naprezanja i deformacija konstrukcija iz

aluminijskih slitina vrši na isti način kao i kod čeličnih konstrukcija.

Brod kao konstrukcija, za vrijeme eksploatacije, mora izdržati sva opterećenja koja se

javljaju uslijed vanjskih i unutarnjih sila. Projektanti ne mogu sa sigurnošću

predvidjeti opterećenja kojima će brod u eksploataciji biti izložen, stoga se gotovo svi

brodovi grade na temelju teorijsko-iskustvenih podataka sakupljenih u pravilima

klasifikacijskih zavoda. Klasifikacijska pravila dobivena su teorijskim putem na

osnovi pretpostavljenih opterećenja i vremenom su se mijenjala i upotpunjavala.

Prema "Pravilima za tehnički nadzor pomorskih brodova, "Hrvatskog registra

brodova", dio 25. - "Metalni materijali", Poglavlje 4, izvršena je podjela aluminijskih

slitina u četiri skupine. Dimenzioniranje elemenata se, prema toj podjeli, svede na

aluminijske gnječilačke slitine koje se primjenjuju za izradu brodskog trupa velikih

čamaca i manjih brodova velike brzine i za nadgrađa velikih brodova. Dijelovi

izrađeni od aluminijskih slitina lijevanjem zahtijevaju složeniji pristup oblikovanju

stoga se proračun i dimenzioniranje ne može svesti na uobičajene metode i kriterije.

Prijelazne stinčice aluminij/čelik su praktički određene zahtjevom za kontinuitet

čvrstoće. Proračun i dimenzioniranje zakovica vrši u okviru spoja dva dijela izrađenih

od gnječilačkih slitina kao npr. zavareni ili vijčani spoj.

U dijelu 2. - "Trup", "Pravila za tehnički nadzor pomorskih brodova, "Hrvatskog

registra brodova", Poglavlje 1, predviđena je primjena aluminijskih slitina otpornih na

morsku vodu:

- za brodove duljine 12 L 40 [m] - za trup, nadgrađa i kućice

- za brodove duljine L > 40 [m] - za nadgrađa i kućice

Određivanje dimenzija građevnih elemenata iz aluminijskih slitina izvodi se

pretvaranjem dimenzija elemenata konstrukcija iz čelika s obzirom na manji modul

elastičnosti aluminija u odnosu na čelik. Slično pretvaranje predviđeno je i u

pravilima "Lloyd´s Register of Shiping" i "Bureau Veritas"-a.

U 3.dijelu pravila "Det Norske Veritas"-a, obrađena su pravila o gradni laganih

brodova velike brzine i površinskih brodova. U 3.poglavlju 3.dijela prikazana su

pravila za gradnju trupa broda iz aluminijskih slitina.

32

4.2. Kratak osvrt na čvrstoću brodskog trupa

4.2.1. Uvod

Opterećenje brodske konstrukcije može se podijeliti na statičko i dinamičko. Statičko

opterećenje nastaje kad brod pluta na mirnoj vodi, a dinamičko kad plovi na

valovima. Kad brod pluta na mirnoj vodi na njega djeluju sile uzgona uslijed

hidrostatskog tlaka, odnosno sile težine trupa, strojeva, uređaja , opreme, tereta, zaliha

i svih ostalih predmeta koji se na njemu nalaze. Iako je ukupna težina jednaka

ukupnoj sili uzgona, njihova raspodjela po duljini broda varira u znatnoj mjeri. uslijed

nejednolike raspodjele sila uzgona i težina po duljini broda, nastaju u pojedinim

presjecima brodskog trupa poprečne sile i momenti savijanja. Nejednolikost sile

uzgona još se više povećava kad brod plovi na valovima. Osim savijanja u uspravnoj

ravnini, brodski trup je izvrgnut u manjoj mjeri i savijanju u vodoravnoj ravnini i

torziji za slučaj kada brod plovi koso prema valovima. Ova naprezanja se uglavnom

zanemaruju osim u posebnim slučajevima.

Osim u uzdužnom smislu brod je opterećen i u poprečnom smislu. Opterećenje u

poprečnom smislu je neovisno o o savijanju broda u uzdužnom smislu i nastaje uslijed

- vlastitih težina konstrukcijskih elemenata brodskog trupa; težina tereta ukrcanom u

skladištima i na palubama; težina brodskih strojeva i uređaja; hidrostatičkog tlaka

vode na bokove i dno broda te težine vode na palubama nastale prelijevanjem valova.

Osim navedenih statičkih opterećenja, pojavljuju se i dinamička opterećenja kao

posljedica valova i gibanja broda. Budući su dinamička opterećenja mala u odnosu na

statička u ovoj fazi proračuna redovito se zanemaruju.

Konstrukcijski elementi brodskog trupa izvrgnuti su znatnim lokalnim opterećenjima

kao na primjer: konstrukcija boka pramčanog dijela broda pri naizmjeničnom

uranjanju i izranjanju pramca pri posrtanju broda, konstrukcija dna pramčanog dijela

broda prilikom udaranja pramca o valove, konstrukcija krmenog dijela broda prilikom

izranjanja propelera izvan vode pri posrtanju broda, oplata dna i bokova broda između

ukrepnih elemenata uslijed tlaka vode, ...

4.2.2. Podjela konstrukcijskih elemenata prema funkciji u čvrstoći broda

Prema funkciji u čvrstoći broda konstrukcijski elementi brodskog trupa dijele se na:

- elemente uzdužne čvrstoće,

- elemente poprečne čvrstoče, i

- ostale elemente

Elementi uzdužne čvrstoće se protežu neprekinuto po većoj duljini srednjeg dijela

broda, tj. u području gdje se javljaju najveći momenti savijanja i preuzimaju

opterećenja od momenata savijanja nastalih u uzdužnoj uspravnoj ravnini. Praktički,

to su nosioci uzdužne čvrstoće broda. Tu spadaju: kobilica, oplata dna i uzvoja, oplata

bokova, opločenje paluba izvan linije grotala, oplata pokrova dvodna, hrptenica i

33

neprekinuti nosači dna, uzdužne nepropusne pregrade i uzdužnim ukrepama,

uzdužnjaci dna, pokrova dvodna, bokova i paluba

Nositelji poprečne čvrstoće broda su poprečni okviri koji su sastavljeni od sponja,

bočnih rebara i rebrenica, međusobno povezanih koljenima. Poprečni okviri zajedno s

poprečnim pregradama suprostavljaju se opterećenjima koja nastoje deformirati

poprečni oblik broda, odnosno osiguravanju poprečnu čvrstoću broda. Osim toga,

poprečni okviri podupiru elemente uzdužne čvrstoće broda, što brodu osigurava

krutost protiv izvijanja.

Ostali elementi služe za razne svrhe i u njih se ubrajaju: koljena koja spajaju uzdužne

i poprečne veze, oplata palube unutar linije grotla, nosači ispod teških lokalnih tereta,

ukrepe, upore, pregradne stijenke nadgrađa i kućica, ...

4.2.3. Sustavi gradnje brodskog trupa

Pri gradnji brodskog trupa primjenjuju se poprečni, uzdužni i mješoviti sustavi.

Prema poprečnom sustavu gradnje brodskog trupa grade se brodovi manjih duljina na

kojima problem uzdužne čvrstoće nije naročito izražen. Značajka mu je poprečno

orebrenje trupa broda, odnosno osnovu kostura broda čine poprečni okviri - rebrenice,

rebra i sponje. Uzdužnu čvrstoću broda u ovom sustavu osiguravaju uz oplatu dna ,

boka i palube, hrptenica i neprekinuti nosači dna, ali i jake palubne proveze i podveze.

1. poprečna pražnica teretnog grotla 2. uzdužna pražnica teretnog grotla

3. sponja

4. palubna proveza 5. završni voj

6. rebro

7. koljeno 8. upora

9. hrptenica

10. plosna kobilica 11. bočni nosač dna

12. olakšana rebrenica

13. okvirno rebro 14. okvirna sponja grotla

15.uzvoj

16. unutarnje opločenje dvodna 17. vanjsko opločenje dvodna

18. završna ploča dvodna, rubni lim

Slika 4.1. Poprečni sustav gradnje

34

Uzdužni sustav gradnje brodskog trupa uobičajen je pri gradnji brodova većih duljina.

Značajka mu je uzdužno orebrenje brodskog trupa, odnosno osnovni elementi

strukture trupa su uzdužnjaci dna, boka i paluba koji zajedno sa oplatom dna, boka i

paluba, neprekinutim uzdužnim nosačima dna, bočnim provezama i uzdužnim

pregradama osiguravaju brodu uzdužnu čvrstoću. Poprečnu čvrstoću i ukrepljenje

uzdužnih veza osiguravaju jaki

poprečni okviri. Pri ovom sustavu s

lakšom konstrukcijom postiže se

potrebna čvrstoća broda, odnosno

brod je ekonomičniji zbog na vlastitoj

težini.

1. grotlo (grotleni otvor)

2. grotleni poklopac 3. nosač grotlenih poklopaca

4. pražnica teretnog grotla

5. palubna proveza 6. završni voj

7. uzdužnjak palube (uzdužna sponja)

8. uzdužnjak boka (uzdužna rebro) 9. uzdužna ukrepa uzdužne pregrade

10. uzdužnjak dna 11. uzdužnjak pokrova dvodna

12. hrptenica

13. plosna kobilica 14. bočni nosač dna

15. olakšana rebrenica

16. poprečni okvir

Slika 4.2. Uzdužni sustav gradnje

Mješoviti ili kombinirani sustav gradnje koristi se za brodove za opći teret. Značajka

tog sustava je uzdužno orebrenje dna i gornje palube, gdje su naprezanja uslijed

uzdužnog savijanja broda najveća, te poprečno orebrenje bokova i donjih paluba.

Građeni prema ovom sustavu gradnje, brodovi uz zadovoljavajuću poprečnu i

uzdužnu čvrstoću imaju dobru

raspoloživost skladišnog prostora za

ukrcaj tereta.

1. poprečna pražnica teretnog grotla

2. uzdužna pražnica teretnog grotla

3. uzdužnjak palube (uzdužna sponja) 4. uzdužnjak potpalubnog bočnog tanka

5. palubna proveza

6. završni voj 7. rebro (poprečno rebro)

8. koljeno

9. uzdužnjak uzvojnog tanka 10. uzdužnjak dna

11. uzdužnjak pokrova dna

12. hrptenica 13. plosna kobilica

14. bočni nosač dna

15. olakšana rebrenica 16. ukrepa

Slika 4.3. Kombinirani sustav gradnje

35

4.3. Određivanje dimenzija elemenata brodske strukture prema pravilima

klasifikacijskih društava

4.3.1. Uvod

Klasifikacijski zavodi koriste se teorijsko-iskustvenim formulama za zamjenu

standardnog proračuna i za određivanje najmanjih momenata otpora kako bi doprinjeli

racionalnoj konstrukciji građevnih dijelova. Zavodi u svojim pravilima, pored ostalog,

određuju i najmanje dimenzije pojedinih elemenata broda. Taj uvjet je nužan, ali nije

dovoljan za konstruiranje brodskog trupa jer tako dobivene vrijednosti udovoljavaju

samo lokalnim opterećenjima. Zbog toga je potrebno napraviti proračun uzdužne

čvrstoće broda.

Najvažnij kriterij pri određivanju dimenzija pojedinih elemenata brodske strukture

broda je moment savijanja brodskog trupa i poprečne sile. Te veličine su uvjetovane

rasporedom težina trupa, opreme, strojeva, brodskih zaliha, tereta i balasta, a

uzrokovane su činjenicom da uzgon i težina na svakom presjeku nisu isti. Za konačno

određivanje dimenzija elemenata strukture, potrebno je ocijeniti najveća naprezanja,

odnosno poprečne sile i momente savijanja koji se mogu normalno očekivati na brodu

u službi.

4.3.2. Određivanje dimenzija elemenata konstrukcija iz aluminijskih slitina prema

"Pravilima za tehnički nadzor pomorskih brodova, "Hrvatskog registra brodova", dio

2., Poglavlje 1

Dimenzije elemenata konstrukcija iz aluminijskih slitina dobivaju se pretvaranjem

dimenzija elemenata konstrukcija iz čelika s obzirom na manji modul elastičnosti

aluminija u odnosu na čelik.

Pretvaranje dimenzija elemenata konstrukcija iz čelika u aluminijske slitine izvodi se

pomoću koeficijenta materijala:

mp

AlRR

k

2,0

635

gdje je

Rp0,2 - 0,2 % dopuštenog naprezanja aluminijske slitine

Rm - vlačna čvrstoća aluminijske slitine u [N/mm2]

Način pretvaranja:

- za moment otpora: AlstAl kWW

- za debljinu lima: AlstAl ktt

36

4.3.3. Određivanje dimenzija elemenata dijela brodske strukture prema "DNV"-ovim

pravilima o gradnji laganih brodova velike brzine i površinskih brodova

4.3.3.1. Uvod

U 3.dijelu pravila "Det Norske Veritas"-a, obrađena su pravila o gradni laganih

brodova velike brzine i površinskih brodova. U 3.poglavlju 3.dijela prikazana su

pravila za gradnju trupa broda iz aluminijskih slitina. Dio pravila iz tog dijela pravila

koji se odnosi na dimenzioniranje oplate i ukrepa biti će prikazano u slijedećem

poglavlju.

4.3.3.2. Oplata

a) Minimalna debljina

Debljina oplate ne smije biti manja od

RS

s

f

Lktt

0 [mm] ¸

gdje je

240

2,0pRf

Rp0,2 - naprezanje tečenja u N/mm2 kod kojeg nakon rasterećenja epruvete ostane

trajna plastična deformacija od 0,2% početne duljine epruvete za nezavarene slitine,

Rp0,2 se ne smije uzeti veće od 70% vlačne čvrstoće

s - izabrani razmak ukrepa [m]

SR - temeljni razmak ukrepa [m] i iznosi

1000

1002 LSR

omjer RS

sse ne smije uzeti manji od 0,5 niti veći od 1,

L - duljina [m] na konstruktivnoj vodnoj liniji

t0 i k određuju se prema tablici 4.1.

37

Tablica 4.1. Vrijednosti t0 i k [4]

t0 k

vanjska dno, uzvoj i bok do LWL 4.0 0.03

oplata bok iznad LWL 3.5 0.02

pojačanje dna uz kormila, skrokove, ... 10.0 0.10

izložena paluba čvrstoće ispred glavnog rebra 3.0 0.03

paluba izložena paluba čvrstoće iza glavnog rebra 2.5 0.02

i dvodvo 3.0 0.03

unutarnja paluba za vozila 4.0 0.03

oplata smještajna paluba 2.0 0.02

dno paluba za teret 4.0 0.03

palube nadgrađa i kućica 1.0 0.01

sudarna 3.0 0.03

pregrade tankova 3.0 0.03

ostale nepropusne pregrade 3.0 0.02

prednja stijenka nadgrađa i palubne kućice 3.0 0.01

stražnja i bočna stijenka nadgrađa i palubne kućice 2.5 0.01

ostale temelji glavnog stroja 3.0 0.08

strukture strukture koje nisu gore navedene 3.0 0

b) Savijanje

Minimalna debljina oplate podvrgnute bočnom tlaku iznosi

pCst

[mm]

gdje je

C - faktor korekcije, tablica 4.2., koji uzima u obzir omjer s/l ploče i stupanj

učvršćenja krajeva ploče

s - razmak između ukrepa [m], mjeren uzduž ploče

l - nepoduprti raspon između ukrepa [m], mjeren uzduž gornjeg pojasa

p - djelujući hidrostatski tlak i

- nazivno dozvoljeno savojno naprezanje [N/mm2] zbog hidrostatskog tlaka prema

tablici 4.3.

Tablica 4.2. Faktor korekcije C [4]

Stupanj učvršćenja s/l < 0,5 s/l = 1 krajeva lima l s x y l s x y lim učvršćen uzduž svih

rubova

500

342

75

250

310

310

130

130

učvršćen duži rub, kraći

rub jednostavno poduprt

500

0

75

250

425

0

140

200

38

Tablica 4.3. Dozvoljeno savojno naprezanje [4]

Oplata [N/mm2] Rebra i uzdužnjaci [N/mm

2]

Dno, opterećenje uslijed

udaranja pramca o valove

200f1

180f1

dno, opterećenje mirnog mora 180f1 160f1

Bok 180f1 160f1

Paluba 180f1 160f1

Sudarna pregrada 180f1 160f1

Prednja stijenka nadgrađa i

palubne kućice

160f1

140f1

Stražnja i bočna stijenka

nadgrađa i palubne kućice

180f1

160f1

Nepropusna pregrada 220f1 200f1

Pregrada tankova 180f1 160f1

c) Udaranje pramca o valove

Debljina oplate na dnu ne smije biti manja

sl

slr Pskt

4,22 [mm]

gdje je

kr -faktor korekcije za zakrivljenu oplatu i iznosi

l

skr 5,01

r - radijus zakrivljenosti [m]

4.3.3.3. Ukrepe

a) Savijanje

Momenti otpora uzdužnjaka, sponja, rebara i ostalih ukrepa podvrgnutih bočnom

tlaku ne smiju biti manji od

pslmW

2

[cm3]

gdje je

m - faktor momenta savijanja koji ovisi o stupnju upetosti na krajevima i tipu

opterećenja, tablica 4.4.

U slučaju da se ukrepa nalazi pod nekim kutem većim od 12° u odnosu na oplatu

postojeći izraz se pomnoži sa faktorom 1/cos , gdje je kut između ravnine kroz

okvir ukrepe i ravnine okomite na oplatu

39

Tablica 4.4. Faktor momenta savijanja - m [4]

faktor

m

Neprekinuti uzdužni elementi 85

Nekontinuirani uzdužni elementi 100

Poprečni elementi 100

Vertikalni elementi s učvrščenim krajevima 100

Vertikalni elementi s jednostavno poduprtim krajevima 135

Uzdužni elementi dna 85

Poprečni elementi dna 100

Bočni uzdužni elementi 85

Bočni vertikalni elementi 100

Palubni uzdužni elementi 85

Palubni poprečni elementi 100

Ukrepe nepropusne pregrade s učvrščenim krajevima 65

Ukrepe nepropusne pregrade s učvrščenim jednim krajem (donjim) 85

Ukrepe nepropusne pregrade s jednostavno poduprtim krajevima 125

Horizontalne ukrepe nepropusne pregrade s učvrščenim krajevima 85

Ukrepe nepropusne pregrade s učvrščenim jednim krajem (gornjim) 75

Horizontalne ukrepe nepropusne pregrade s jednostavno poduprtim krajevima 125

Ukrepe pregrade tankova s učvrščenim krajevima 100

Ukrepe pregrade tankova s jednostavno poduprtim krajevima 135

Ukrepe palubne kućice 100

Ukrepe kućišta 100

b) Udaranje pramca o valove

Momenti otpora uzdužnjaka dna ili rebrenica ne smiju biti manji od

sl

slpslmW

2

[cm3]

gdje je

m = 85 za neprekinute uzdužnjake

= 100 za rebrenice

psl - djelujući hidrodinamički tlak uslijed udaranja pramca o valove

sl = 180f1 [N/mm2]

40

5. Primjena struktura od Al-slitina u proizvodnji brzih brodova

5.1. Povijesni razvitak

Početak upotrebe aluminija i njegovih slitina u izradi brodova bio je 1890. kada je

sagrađeno nekoliko brodova u Europi i SAD-u. Prvi trup broda napravljen iz

aluminija bila je francuska jahta "MIGNON", duljine 13,5m, sagrađena 1892.. Godinu

dana kasnije u Švicarskoj je porinut brod duljine 5,5m. tijekom 1890-tih godina

sagrađeno je još nekoliko borodova iz aluminija u Europi i Americi. Među njima treba

izdvojiti brod francuske mornarice, duljine 22m, brzine 21 uzao, sagrađen 1894.. u

isto vrijeme sagrađena su i dva jedrenjaka, duljine 14m za plovidbu rijekom Niger u

Africi.

U ovoj ranoj fazi uporabe aluminija u brodogradnji, sagrađeni brodovi su imali

slijedeće osobenosti; bili su građeni iz "čistog" aluminija, imali su dobra

antikorozivna svojstva, ali nisu mogli zadovoljiti zahtjeve čvrstoće konstrukcije.

Trebalo je iznaći slitine aluminija koje će ispuniti te zahtjeve. Tako su 30-tih godina

ovog stoljeća razvijene slitine aluminija s magnezijom i manganom što je izazvalo

pravu evoluciju alu-brodova. Slitine aluminija koje su razvijene sadržavale su 4,5-5%

magnezija, imale su odlična antikorozivna svojstva i ako takve poznate su i danas pod

nazivom BRODOGRAĐEVNE ALUMINIJSKE SLITINE.

Prvi veći brod koji je sagrađen od novih brodograđevnih alu-slitina bio je putnički

brod "DIANA". Sagrađen je 1931. u Engleskoj, duljine 15,5m. Aluminijske slitine

koje upotrebljavaju Englezi imaju oznaku N5 i korištene su za izradu gotovo svih

konstruktivnih elemenata trupa, za tankove, jarbole, sohe, ljestve, okna, elemente

palube, upore i sl. Neposredno nakon broda "DIANA" sagrađen je veći broj malih

motornih čamaca i luksuznih brodica kao i brodova opskrbljivača u SAD-u.

5.2. Današnji trendovi razvoja alu-brodova u svijetu

Današnji razvoj brodova iz aluminijskih slitina usmjeren je na gradnju brzih brodova

putničkog i sportskog karaktera.. Najčešće korištena slitina je upravo slitina

AlMg4.5Mn zbog svojih odličnih antikorozivnih svojstava, zadovoljavajuće čvrstoće i

dobre zavarljivosti.

Od današnjih graditelja alu-brodova treba izdvojiti brodogradilišta (Westmarin,

Lindstol, Harding, Kvaerner-Fjellstrand, Brodrene) u Norveškoj, Brodogradilište

Marinteknik u Švedskoj, SEC i Rodriguez u Italiji, Cowes u Velikoj Britaniji,

brodogradilišta (USA Swath Ocean, Hovermarine, NQEA, Austral, Precision Marine)

u Australiji.

U početku gradnje brzih brodova prednjačili su jednotrupci gliserske forme, s lošim

karakteristikama pomorstvenosti te veoma skupim pogonom ukoliko se željelo

popraviti ponašanje na uzburkanome moru. Zatim su uslijedili lebdjelice i hidrokrilci,

dok se danas velika pozornost posvećuje razvoju SES dvotrupaca, prvenstveno radi

njihove velike brzine i radne površine (pogodne za heliodrom). Najveći dio tržišta

danas drže razni oblici dvotrupaca, a u tom pravcu ide i razvoj vrlo brzih brodova.

Ovakav trend je i razumljiv zbog svojstva dvotrupaca da istom snagom poriva postižu

veće brzine od klasičnih brodova ili pak, da s manjom ugradbenom snagom postižu

iste brzine. Osim ove osnovne prednosti, dvotrupci imaju i niz drugih, kao što su;

veća stabilnost, bolja manevarbilnost, dobra pomorstvenost, veća prostornost i

41

udobnost. Najmodernija plovila današnjeg doba su Foil-cat-ovi i SES-ovi, hibridi

dvotrupaca i hidrokrilaca, te dvotrupaca i lebdjelica sagrađenih također iz Al-slitina.

Ovi tipovi brodova probijaju granicu brzine od 40 uzlova za koju se smatra da je

komercijalna granica za klasične katamarane. Sada je ta granica pomaknuta na cca 50

uzlova, a daljnji pomaci biti će uvjetovani razvitkom sustava sigurnosti plovidbe i

putnika koji će se morati približiti kriterijima avio-prometa. Za ovako velike brzine i

fine forme klasičan diesel pogon se zamjenjuje turbinskim koji je lakši, zaprema

manje prostora i daleko je manji izvor vibracija, ali je skuplji u investiciji i

eksploataciji. s druge strane, razvijaju se plovila SWATH tipa, (The Small Waterplane

Area Twin hull form), koja neosporno imaju nabolju pomorstvenost. Kako im je

granica brzine do oko 30 uzlova, nisu našli veću primjenu kao brzi putnički brodovi

već se koriste kao brodovi za krstarenje, istraživački brodovi te u vojne svrhe kao

minolovci. Malo slabiju pomorstvenost imaju dvotrupci Wave-piercing tipa, ali sa

značajno višom granicom brzine, te su kao kompromisno rješenje vrlo popularni.

Primjena im je uspješna u Engleskom kanalu, kao i na ostalim linijama gdje su

uključeni. U dobroj fazi danas su istraživanja vrlo brzih brodova nove generacije,

brzina od 70-120 uzlova. Pored toga radi se na razvoju trotrupaca i četverotrupaca. Na

slici 5.1. prikazane su karakteristične konture presjeka osnovnih skupina brzih

brodova.

Brodovi klasične forme Gliseri Klasični katamaran

Lebdjelice Hidrokrilni brodovi The Wave-piercing katamaran

The Surface-Effect-Ship (SES) Brodovi sa stepeničastim

kanalima

The Small-Waterplane-Area-

Twin-Hull form (SWATH)

Brodovi s nadgrađem na amortizirajućem polju Katamarani nove generacije (leteći brodovi)

Slika 5.1. Karakteristične konture presjeka osnovnih skupina brzih brodova

42

5.3. Prednosti i nedostaci primjene Al-slitina u proizvodnji brzih brodova

Kod materijala za izradu trupa broda važan je dobar odnos čvrstoće i krutosti uz

ostvarenje minimalne težine. Upravo iz tih zahtjeva proizlazi niz prednosti slitine

AlMg4.5Mn u usporedbi sa ostalim građevnim materijalima, (drvo, čelik,

stakloplastika):

- lakše plovilo zahtjeva manju snagu strojeva za istu brzinu, ili za istu snagu postiže

veću brzinu;

- manja težina trupa znači veću korisnu nosivost za iste karakteristike broda;

- ušteda na potrošnji goriva i

- lakše transportiranje elementima konstrukcije pri montaži i sl.

Pored navedenog, postoje i prednosti ovog materijala, a koje nisu vezane za težinu

trupa:

- odlična antikorozivna svojstva uzrokuje lakše i jeftinije održavanje broda;

- dugi vijek trajanja uz lijep vizualni izgled i

- mogućnost recikliranja materijala nakon upotrebe što praktički znači da nema

otpada.

Nedostaci primjene Al-slitina su:

- veća cijena koštanja osnovnog materijala uzrokuje veću cijenu broda, te

- složeniji pristup obradi materijala i zavarivanju.

Konačno, prednost Al-slitina je u tome što se mogu graditi i velike jedinice kapaciteta

200-300 putnika i 100-njak automobila, a koje se zbog čvrstoće konstrukcije ne mogu

graditi iz stakloplastike, dok gradnja iz čelika nije konkurentna.

5.4. Primjena saćastih struktura iz Al-slitina u proizvodnji brzih brodova

Upotreba kompozitnih materijala u brodograđevnoj industriji kod velikih trgovačkih

brodova je veoma ograničena, obzirom da težina tih brodova nije kritična u usporedni

s postignutim brzinama, ali i stoga što je brodograđevna industrija još uvijek veoma

konzervativna.

Odluka o upotrebi kompozitnih materijala u gradnji broda donosi se u veoma ranoj

fazi konceptnog nacrta broda, tj. idejnog projekta, u svrhu njihove optimalne

upotrebe. Ako se u početku za strukture prvo odaberu tradicionalni metalni materijali,

a zatim ih se u toku razrade projekta pokuša zamijeniti na primjer zbog smanjenja

težine, tada se za konačni proizvod ne dobije najbolje moguće rješenje. Najbolja

varijanta je da se u toku konstrukcije metalne strukture u isto vrijeme radi i na uporabi

odnosno konstrukciji kompozitnih materijala i da se urade određeni kompromisi kako

bi se optimalno iskoristila svojstva obaju vrsta materijala i da se ne bi određene

strukture podvostručivale.

Kod konstrukcije, na primjer, pramčanog dijela brzih dvotrupaca potrebno udovoljiti

mnogim zahtjevima. Opterećenja konstrukcije su uglavnom određena u

klasifikacijskim pravilima, ali može biti potrebno uraditi posebnu analizu realnih

opterećenja koja se očekuju u toku eksploatacije. Klasifikacijska pravila su veoma

konzervativna i ako bi se brodska struktura konstruirala samo prema pravilima,

43

konačna težina broda ne bi bila optimalna. Pravila u svojim jednadžbama uključuju

različite faktore koji nisu primjenjivi za svaku brodsku strukturu. Velika većina

ograničenja i zahtjeva,( npr. minimalna debljina), određena je na isti način kao i za

metalnu strukturu. Budući se kompozitni materijali ponašaju drukčije od metalnih

materijala može se lako dogoditi da struktura konačno bude previše konzervativna i

preteška.

U mnogo slučajeva materijali koji se koriste kao moderni kompozitni materijali nisu

razvrstani u pravilima, što znači da se mora uraditi mnogo posla na određivanju

stvarno primijenjenih kompozitnih materijala prije njihove uporabe. To se ne odnosi

na kompozitne materijale koji se upotrebljavaju za sportske brodove npr. jedrilice i

čamce za veslanje, obzirom da oni ne potpadaju pod obvezu dobivanja klase i ne

moraju biti građeni po pravilima i propisima registara.

Odabir materijala i strukture je veoma složen posao, u toku kojeg konstruktor mora

razlučiti sve ono što je primjenjivo, ali i što korisno. Odluke o tipu strukture moraju

biti urađene u preliminarnoj konceptnoj fazi; oplata od valjanih limova sa ukrepama,

saćasta struktura sa ili bez ukrepa, oplata od saćastih struktura sa pregradama i

uporama i sl. Svi ovi tipovi imaju svoje prednosti i nedostatke. Materijali se uglavnom

odabiru u skladu sa slijedećim: veličinom strukture, opterećenjem, konstrukcijskim i

težinskim zahtjevima, raspoloživim procesom proizvodnje, osnovnom cijenom

materijala, uvjetima rada (npr. temperatura, vatra, voda, vlaga, led, ...),

klasifikacijskim i drugim zahtjevima. Materijali upotrebljeni u spojevima, uporama i

drugim nosivim dijelovima su odabrani prema slijedećem: krutost, težina, efikasnost

spojeva ( lakoća i težina proizvodnje spojeva) i cijena. Za dimenzioniranje elemenata

ispravno bi bilo koristiti podatke iz ispitivanja materijala dobivenih u ekstremnim

uvjetima, a ne u "uljepšanim" uvjetima isporučitelja materijala dobivenih u

laboratorijskim uvjetima.

Poseban zahtjev koji se postavlja ispred uporabe kompozitnih materijala je vatro-

otpornost. Mnogi od kompozitnih materijala ne mogu zadovoljiti IMO definiciju

negorućeg materijala. Ovo je najveća prepreka uporabi kompozitnih materijala kod

brodova koji moraju udovoljiti zahtjevima SOLAS konvencije . Kod brzih brodova

propisi nisu tako konzervativni kao kod SOLAS-brodova, tako da kompozitni

materijali mogu biti upotrebljeni za određene strukture. Ako, na primjer, nema posade

ni putnika u prednjem prostoru brodske strukture za vrijeme putovanja, struktura

može biti klasificirana kao ne nosivi dio tako da za nju ne moraju biti postavljeni i

protupožarni zahtjevi. Ipak, opterećenja brodske konstrukcije za vrijeme plovidbe

uslijed ponašanja mora i vremenskih uvjeta znaju biti znatna. Ako je struktura

označena sa kao ona koja mora udovoljiti protupožarnim zahtjevima, za ispunjenje

zahtjeva često je potrebno uraditi posebnu vatro-otpornu izolaciju.

Konstrukcijski kriteriji za saćaste strukture trebali bi biti određeni prije početka

dimenzioniranja. U praksi se konstrukcijski kriteriji, u pravilu dijele u dvije skupine:

- konstrukcijski zahtjevi i

- dostupan materijal.

Konstrukcijski zahtjevi su slijedeći:

- težina i cijena,

44

- ponašanje pod opterećenjem, čvrstoća, progibi, ... itd. u skladu sa pravilima

klasifikacijskih zavoda ili ekvivalentnim zahtjevima,

- mogućnost spajanja s drugim strukturama, tzv. "lakoća gradnje broda".

Zahtjevi koji se postavljaju pred materijal su slijedeći:

- ponašanje materijala za vrijeme uporabe i načini loma materijala odnosno

konstrukcije trebaju biti poznati i u skladu s tim treba biti urađena kvalitetna analiza,

- uporaba određenih faktora sigurnosti i dimenzioniranje strukture, tako da struktura

zadovolji granice opterećenja u bilo kojem slučaju opterećenja

- ne odabirati materijal kod kojega bi pretpostavljen odnos vrijednosti čvrstoće

materijala i maksimalnih naprezanja bio premalen, tako da ne nastane naprslina prije

nego naprezanja dostignu pretpostavljenu vrijednost,

- ponašanje osnovnog materijala pod opterećenjem treba biti pažljivo analizirano, a

glavni kriterij dimenzioniranja trebaju biti osnovna smična naprezanja i laminarna

izduženja.

45

LITERATURA

1. I. Duplančić, "Materijali 3 - Aluminij" - predavanja održana na FESB-u -

Split, Split, šk.god. 1995/96.

2. Ž. Lazinica, "Osnovna stanja gnječilačkih Al-legura", TLM "Boris

Kidrić" - Šibenik, Šibenik, 1990.

3. "Pravila za tehnički nadzor pomorskih brodova", Hrvatski registar

brodova, Split, 1999.

4. "Rules for classification of High Speed and Light Craft", Det Norske

Veritas, svibanj 1996.

5. B. Anzulović, "Oblikovanje aluminijskih konstrukcija", seminar za

inženjere specijaliste, Hrvatsko društvo za tehniku zavarivanja - Zagreb,

Zagreb, lipanj 1994.

6. M. Grubišić, "Brodske konstrukcije", FSB - Zagreb, Zagreb, 1992.

7. M. Pavlinović, "Tehnologija gradnje brodova iz aluminijskih legura",

diplomski rad, FSB - Zagreb, Zagreb,

8. "Aluminium and the sea", priručnik "Pechiney Rhenalu"-a

9. T. Nieminen, "Increased use of aluminium in ship construction",

Finnyards, veljača 1996.

10. J. Raić, M. Bešker; "Primjena aluminijskih legura u brodogradnji", članak

11. "Aluminium standards and data 1974-1975", The Aluminium Association

12. B. Anzulović, Zavarivanje i srodni postupci", FESB Split, Split, 1990.

13. "Aluminijski materijali", "Metalbiro" - Zagreb, Zagreb, 1990.

14. R. Markovina, "Istraživanja utjecaja površinskog očvršćavanja elemenata

na njihova svojstva", disertacija. Mostar, 1991.

15. M. Mustakangas, "FY Composites", "Desing of front composite structure

of catamaran"

46

POPIS KORIŠTENIH OZNAKA

L [m] - duljina broda

Rp0,2 [MPa] - tehnička granica razvlačenja

Rm [MPa] - rastezna čvrstoća

A5 [%] - produljenje

S0 [mm2] - početna površina presjeka unutar ispitne duljine

d [mm] - debljina aluminijskog lima

4d [mm] - širina trimetalne trake

kAl - koeficijent materijala

W [cm3] - moment otpora

t [mm] - debljina oplate

s [m] - izabrani razmak ukrepa

SR [m] - temeljni razmak ukrepa

C - faktor korekcije

l [m] - nepoduprti raspon između ukrepa

p [Pa] - djelujući hidrostatski tlak

[MPa] - nazivno dozvoljeno savojno naprezanje uslijed hidrostatskog

tlaka

kr - faktor korekcije za zakrivljenu oplatu

r [m] - radijus zakrivljenosti

m - faktor momenta savijanja

psl [Pa] - djelujući hidrodinamički tlak uslijed udaranja pramca o valove

sl [MPa] - nazivno dozvoljeno savojno naprezanje uslijed hidrodinamičkog

tlaka uslijed udaranja pramca o valove tlaka