OPCI CELICI 2015 - fsb.unizg.hr · PDF fileproizvodnja čelika ... -kaljenje (martenzitna ... -izdvojene faze nelegiranih ili legiranih karbida ili intermetalnih spojeva

1

ZAVOD ZA MATERIJALEMATERIJALI IIMATERIJALI II

1

ČELICI

Čelik je metastabilno kristalizirana Fe-C legura (≤2%C),

uz prisutne PRATIOCE (Si, Mn) i NEČISTOĆE (P, S i ostali),

te uz eventualni dodatak jednog ili više LEGIRNIH elemenata.


2

Današnja proizvodnja materijala u svijetu

Vrsta materijala Proizvodnja u 106 t

Drvo bez ogrijevnog 1200 Beton 950 Čelici i Fe ljevovi 1130 Polimeri oko 200 Aluminij 25 Bakar 10 Cink 7 Olovo 6

2


3

Proizvodnja sirovog željeza 1870-2005

Ukupna svjetska

proizvodnja čelika

1,548 milijardi tona


4

Rast potrošnje čelika

Potrošnja čelika po stanovniku 2011. - svjetski prosjek: 215 kg

Južna Koreja 1157 kg

Tajvan 784 kg

Češka Republika 596 kg

Japan 507 kg

Njemačka 480 kg

3


5

Moguća obilježja za karakterizaciju čelika:

� kemijski sastav

� mikrostruktura

� postupak proizvodnje

� oblik i stanje

� područje primjene – konstrukcijski ili alatni

� svojstva

SISTEMATIZACIJA ČELIKA


6

Prema kemijskom sastavu čelici mogu biti:

• zajamčenog ili nezajamčenog kemijskog sastava

• ugljični (nelegirani) ili legirani – jednostruko ili višestruko

• prema kvaliteti (masenom udjelu nečistoća - P i S): masovni, kvalitetni i plemeniti

- niskolegirani ili visokolegirani (>5% leg.elementa)

- prema vrsti legirnih elemenata:

Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V ili Cr-Ni, Cr-Mn, Cr-Mo, Si-Mnili Cr-Ni-Mo, W-Cr-V čelici

(ujednačena kvaliteta) (visoka kvaliteta)

4


7

Vrijedi samo za nelegirane i nisikolegirane čelike


8

Temeljna svojstva svakog čelika određena su:

• kemijskim sastavom (% C, % LE, % pratilaca i nečistoća)

• mikrostrukturom i stanjem

- određeni su kemijskim sastavom, prethodnim postupcima oblikovanja i

toplinske obrade

• oblikom i dimenzijama poluproizvoda- kod nekih čelika mehanička svojstva ovise o dimenzijama presjeka

5


9

�O %C ovisi mikrostruktura čelika, a time i njegova svojstva.

�Kod nelegiranih čelika < 0,8 %C povišenjem %C raste tvrdoća, Re, Rm, ali se smanjuje A, Z i udarni rad loma → veći %Fe3C (tvrd i krhak).

�Kod čelika > 0,8 %C Rm opada jer je povišen %Fe3C" → mrežasto po granicama zrna.

�Porastom %C pada hladna deformabilnost i zavarljivost, a raste zakaljivost.

�Većina konstrukcijskih čelika sadrži < 0,6 %C.

Utjecaj %C na svojstva čelika:

Ugljik je osnovni i najutjecajniji element u čelicima.


10

Utjecaj legirnih elementa na svojstva čelika

� rastvoreni u kristalima mješancima (feritu i austenitu)

� spojeni u karbidima (karbidotvorci) i intermetalnim spojevima

karbidotvorci su: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta)

� kao nemetalni uključci – oksidi, nitridi, sulfidi, fosfidi

� GAMAGENI – austenitotvorci: Ni, Mn, Co, Cu� ALFAGENI – feritotvorci: Cr, W, Mo, V, Si, Ti, Nb, Ta, Zr, B

Legirni elementi u čelicima mogu se pojaviti:

6


11

Legirni element Granični maseni udio, %

aluminij 0,10 bor 0,0008 krom 0,30 kobalt 0,10 bakar 0,40 rijetke zemlje – lantanidi (npr. cer, neodim, erbij)

0,05

mangan 1,60 molibden 0,08 nikal 0,30 niobij 0,05 olovo 0,40 selen, telur 0,10 silicij 0,50 titan 0,05 volfram, vanadij 0,10 cirkonij 0,05 ostali (izuzevši C, P, S, N i O) 0,05

Granični maseni udjeli elemenata koji odjeljuju nelegirane od legiranih čelika (EN 10020)


12

KONSTRUKCIJSKI ČELICI

Primjena:

za dijelove strojeva i uređaja koji obavljaju neku funkciju:

- prenose gibanja preuzimanjem sila i momenata

- spremaju i transportiraju tekućine i plinove

- zatvaraju i spajaju elemente konstrukcije itd.

vratila, zupčanici, nosači, opruge, vijci,

zatici, poklopci, kućišta, ventili itd.

7


13

Od konstrukcijskih čelika traže se sljedeća svojstva:

- visoka granica razvlačenja – Re, Rp0,2

- visoka istezljivost – A

- visoka granica puzanja pri povišenim temperaturama – RDVM

- dovoljno visoka čvrstoća pri povišenim temperaturama – Rm/ϑ

- dovoljna žilavost na normalnim, sniženim i niskim temp. – KU/KV

- dovoljna čvrstoća pri normalnim, sniženim i niskim temp.– Rm

- dovoljna dinamička izdržljivost – Rd.

1. MEHANIČKA SVOJSTVA - opći zahtjevi


14

- rezljivost

- zavarljivost

- zakaljivost i prokaljivost

- hladna oblikovljivost.

3. OTPORNOST NA KOROZIJU – specijalni čelici

4. TEHNOLOŠKA SVOJSTVA – specijalni čelici

- korozijska postojanost u atmosferi i u agresivnim medijima

- otpornost na oksidaciju pri visokim temperaturama.

2. OTPORNOST NA TROŠENJE - specifični zahtjevi

- što manji gubitak mase

8


15

1. Opći konstrukcijski čelici2. Čelici povišene čvrstoće 3. Ugljični čelici za tanke limove, trake, žicu4. Čelici za vijke, matice i zakovice5. Čelici za cementiranje6. Čelici za poboljšavanje7. Čelici za opruge8. Čelici poboljšane rezljivosti9. Korozijski (kemijski) postojani čelici

10. Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama11. Čelici za rad pri niskim temperaturama12. Visokočvrsti čelici

Podjela konstrukcijskih čelika


16

1. Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije

2. Čelici za strojogradnju

Kemijski sastav: orijentacijski propisan – nezajamčen

-> nisu predviđeni za toplinsku obradu

Mehanička svojstva: zajamčena

OPĆI KONSTRUKCIJSKI ČELICI

9


17

Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije

Masovni čelici: najveća proizvodnja i potrošnja

< 0,2 % FERITNO-PERLITNA MIKROSTRUKTURA

0,10 %C 0,25 %C


18

Svojstva

- nosivost i sigurnost (Re, Rm, Rms,KU/KV)- povoljan omjer Re/Rm - plastična rezerva- velika površina ispod krivulje u F-∆l dijagramu

(sigurnost od krhkog loma)

10


19

0,4≤e%Mn %Cr + %Mo + %V %Ni + %CuC = %C + + +

4 5 10

Hladna defomabilnost – oblikovljivost:

(savijanje, duboko vučenje, kovanje)

→ zbog niskog %C i velike istezljivosti i suženja presjeka.

TEHNOLOŠKA SVOJSTVA

Zavarljivost:

Rezljivost:


20

Udarni rad loma (žilavost) pri nižim temperaturama (do –20 °C) zajamčen je za neke vrste čelika:

npr. S355JRG3, S355J0G3 i S355J2G3

Da se smanji opasnost od krhkog loma treba biti:

- što niži %C i nečistoća - P, S, N

- što manje uključaka - npr. oksida, fosfida

- čelici trebaju biti smireni ili posebno smireni

Što je viši omjer Mn/C, to je veća žilavost i to posebno prinižim temperaturama (manja sklonost krhkom lomu).Viši %Mn povisuje prokaljivost i opasnost od spontanogzakaljivanja pri zavarivanju.

11


21

LIBERTY BRODOVI U SAD je izgrađeno 2711 brodova od 1941. do1945.

Zavarene konstrukcije.Došlo do lomova na velikom broju brodova i to pri niskim temperaturama.

KRHKI LOM


22

Re = 190...370 N/mm2;

Rm = 330...700 N/mm2;

A = 10...28 %;

KV = 23...27 J

Temperatura uporabe:

Mehani čka svojstva

−40 do +50 °C

12


23

Različite čelične konstrukcije

Spremnici


24

Dizalice Mostovi

Brodovi

13


25


26

� Kemijski sastav

0,3-0,5 %C – slabija zavarljivost.

� Svojstva

- viša Rm ali niža A5 od općih konstr. čelika za nosive konstrukcije

- veća otpornost na trošenje.

� Primjena

- dijelovi koji se gibaju: osovine, vretena, zupčanici;

- dijelovi koji prenose sile i momente: klinovi, zatici, vijci,

ručice, poluge.

Čelici za strojogradnju

14


27

Razvoj ovih čelika proizišao je iz potrebe smanjenja nosivih presjeka i mase konstrukcije.

ČELICI POVIŠENE ČVRSTOĆE


28

1. Očvrsnuće kristalima mješancima

- povišenje %C, dodatak N i legiranje.

2. Očvrsnuće martenzitnom transformacijom

- kaljenje (martenzitna struktura).

3. Očvrsnuće hladnom deformacijom

- veća gustoća dislokacija.

4. Očvrsnuće granicama zrna, odnosno usitnjenjem zrna

- zapreke gibanju dislokacija su velikokutne granice zrna.

5. Očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom) i disperzijom faza

- izdvojene faze nelegiranih ili legiranih karbida ili intermetalnih spojeva.

→→→→ spriječavanje gibanja dislokacija stvaranjem prepreka

MEHANIZMI OČVRSNUĆA

15


29

1. Normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće:

360 < Rp0,2 < 500 N/mm2

2. Poboljšani sitnozrnati čelici: Rp0,2 ≥ 500 N/mm2

HSLA (High Strength Low Alloyed) – mikrolegirani čelici povišene čvrstoće - male količine disperzoidnih elemenata (< 0,1 %)

Podjela:

Normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće


30

� Mehanička svojstva- nisu osjetljivi na krhki lom;- dobra zavarljivost

(<0,2 %C; Ce< 0,4)Rp0,2 = 250...500 N/mm2;Rm = 360...770 N/mm2.

� Vrste za:- normalne temperature- povišene temperature- snižene temperature

� Mikrostruktura sitnozrnatog čelika

Ferit + Perlit

16


31

� Primjena

- spremnici za plinove;

- rezervoari za transport tekućih plinova;

- nosive konstrukcije mostova i hangara;

- postolja vagona;

- dijelovi građevinskih strojeva.

Cadillac ATS


32

ČELICI ZA CEMENTIRANJENiskougljični (< 0,25 %C), nelegirani ili niskoleg. čelici zajamčenog sastava.

Pougljičavanjem pri Ta, obogaćuju se rubni slojevi 0,8 do 0,9 %C ipostaju zakaljivi na maks. tvrdoću – 61 do 64 HRC.Jezgra ostaje niskougljična i mekša.

Nakon cementiranja:-površinski slojevi su tvrdi i otporni na trošenje (visokougljični M),-sredina presjeka ostaje F/P (nepotpuno prokaljivanje), ili niskougljična-martenzitna (potpuno prokaljivanje)

→ otporna na dinamička i udarna opterećenja – tj. žilava

Cementiranje = pougljičavanje + kaljenje + nisko popuštanje

17


33

niskougljični martenzit

visokougljični martenzit


34

18


35

� Svojstva

Dijelovi koji moraju istovremeno biti otporni na trošenje

(površina) i podnositi dinamička opterećenja (sredina dijela).

Izbor vrste čelika:otpornost na trošenje cementiranog površinskog sloja približno je jednaka za sve čelike (maksimalna tvrdoća), pa su za izbor čelika odlučujuća mehanička svojstva sredine presjeka.

Za veće dimenzije i viša mehanička opterećenja, radi potrebe za što potpunijim prokaljivanjem, dolaze u obzir jače legirani čelici (bolje su prokaljivi).


36

19


37

� Podjela i primjena čelika za cementiranjeNelegirani čelici: C10 (Č1120), C10E (Č1121) ili C15 (Č1220), C15E (Č1221)

- slaba prokaljivost (do Φ10 mm)

- dijelovi manjih presjeka koji nisu jače udarno opterećeni: male osovinice

i zupčanici, poluge, svornjaci, čahure

Cr-čelici: 15Cr2 (Č4120)

- poluosovine, manji zupčanici, bregaste i osovine kotača vozila, osovinice klipa,

Mn-Cr čelici: 16MnCr5 (Č4320) ili 20MnCr5 (Č4321)

- dijelovi srednjih dimenzija kao što su: zupčanici, vretena i osovine alatnih

strojeva, bregaste osovine i stapajice motora

Cr-Mo i Mo-Cr čelici: 20CrMo5 (Č4721) ili 20MoCr4 (Č7420)

- bregaste i koljenaste osovine, zupčanici mjenjačkih kutija, kardanski zglobovi

Ni-Cr čelici: 14CrNi6 (Č5420) ili 18CrNi8 (Č5421)

- vrlo dobra prokaljivost

- za izradu dijelova najvećih dimenzija: visokoopterećeni zupčanici i vratila,

koljenaste osovine, osovine u zrakoplovima i kamionima.


38

ČELICI ZA POBOLJŠAVANJE

Svojstva i primjena

- za dijelove koji u radu moraju postići kombinaciju Rp0,2, Rm, A, KU i Rd.

- osnovni preduvjet za postizavanje željenih svojstava je prokaljenost

Poboljšavanje = kaljenje + visokotemperaturno popuštanje

Mikrostruktura:visokopopušteni

martenzit

0,2...0,6 % C; nelegirani i niskolegirani zajamčenog sastava

20


39

Prokaljenost - jednoličnost svojstava po presjeku određuju:

a) PROKALJIVOST primijenjene vrste čelika ↑ %C i stupanj legiranosti,

b) DIMENZIJE dijela ic) UVJETI GAŠENJA pri kaljenju.

Mjera prokaljenosti je stupanj zakaljenosti (prokaljenosti) – Sk

kaljk

maks

HS = 0,72...1,0

H= Sk ≅ 0,72 → 50 %M

Sk ≅ 1,0 → 100 %M


40

21


41

POJASEVI ZAJAMČENE PROKALJIVOSTI ČELIKA

Jominy krivulje


42

Što su veće dimenzije i blaži uvjeti hlađenja za jedan te isti čelik, to možemo očekivati slabiju prokaljenost. Za velike dimenzije treba birati više legirane čelike – bolja prokaljivost (krivulje pretvorbi u TTT dij. pomaknute su u desno)

Izbor vrste čelika za poboljšavanje:na temelju zadanih dimenzija i visine opterećenja, odnosno na temelju traženih vrijednosti mehaničkih svojstava na kritičnom mjestu presjeka.

22


43

Izbor temperature popuštanja


44

� Tipični primjeri primjene

C22 (Č1330), C45 (Č1530) − Zbog male prokaljivosti primjenjuju se do promjera (debljine presjeka) od 40 mm, iznimno do 100 mm za slabije opterećene dijelove, često i u normaliziranom stanju. Primjena za osovine, vijke, vretena, veće zupčanike u paru, klipnjače itd.

34Cr4 (Č4130) − Veća prokaljivost omogućava primjenu do promjera od 100 mm dinamički opterećenih dijelova - koljenaste osovine, poluosovine automobila, osovine u mjenjaču...

42CrMo4 (Č4732) − Primjena za veće dimenzije i veća radna opterećenja. Najekonomičniji je za promjere do 100 mm dijelova vozila i zrakoplova: osovine, klipnjače, koljenaste osovine, poluosovine automobila, kardanske osovine, zupčanici...

36CrNiMo4 (Č5430) − Čelik najbolje prokaljivosti pa je najekonomičniji u primjeni za dijelove velikih dimenzija (preko 150 mm promjera) od kojih se traži visoka granica razvlačenja i udarni rad loma. Najskuplji od svih čelika za poboljšavanje zbog legiranja s Ni. Primjeri primjene: osovine turbogeneratora, ekscentar osovine za preše, veliki zupčanici...

23


45

16...40 40...100 100...160 160...250

1100

50CrV4 30CrMoV9

36CrNiMo4 30CrNiMo8

34CrMo4 50CrV4 30CrMoV9

18CrNi18 36CrNiMo4 30CrNiMo8

25CrMo4

15CrNi6 34CrMo4 50CrV4

20CrMo4

20MoCr4 18CrNi18 34CrNiMo6

20MnCr5

25CrMn4

34Cr4 15CrNi6

20CrMo4

16MnCr5 20MoCr4

20MnCr5

28Mn6

34Cr4

16MnCr5

Ck35

15Cr3

C15

C10

34CrNiMo6

R p0,2, N/mm2 Promjer, mm

< 16

1000

34CrNiMo618CrNi18

30CrMoV9

30CrMoV9 30CrNiMo8

36CrNiMo4

42CrMo4

34CrNiMo6

30CrNiMo8

900

50CrV4

34CrNiMo6

700

25CrMo4

34Cr4

20CrMo4

20MnCr4

80034CrMo4

36CrNiMo4

28Mn6

15CrNi6

16MnCr 5

600

500 25CrMo4

400

Ck3528Mn6 Ck45

34Cr4

Ck45 34Cr4

Ck60

Ck45

15Cr3

34CrMo4

300 C10 Ck35 34Cr4

34CrMo4

Ck3534CrMo4

C15

34CrMo4

IZBOR ČELIKA NA TEMELJU

DIMENZIJA I GRANICE

RAZVLAČENJA


46

ČELICI ZA OPRUGEza visokonapregnute dijelove → nakon rasterećenja elastični povrat

24


47

σ– ε dijagram općeg konstrukcijskog čelika za nosive konstrukcije i čelika za opruge


48

� visoka dinamička izdržljivost (Rd) – otpornost na lom od umora;

Traži se visoka kvaliteta površine i mikrostruktura bez uključaka

- treba izbjeći oštećenja pri oblikovanju i montaži opruga, pukotine pri kaljenju i razugljičenje površine.

ZAHTJEVI – TRAŽENA SVOJSTVA

� visoka granica razvlačenja ili granica elastičnosti: Re, Rp0,1, i RE

- visokočvrsti čelici

� visoka vlačna čvrstoća (Rm) - sigurnost od loma

� dovoljna rezervu plastičnosti (povoljan omjer Rp0,1/Rm)

� modul elastičnosti (E)→ tražena elastična deformacija – isti kod svih čelika

�otpornost na udarno opterećenje – dovoljan udarni rad loma - KU

25


49

Tipični primjeri primjene:

- lisnate i zavojne opruge za vagone: 45Si7(Č2131), 50Si7(Č2132)

- za najjače napregnute opruge (zavojne, tanjuraste, torzijske)

cestovnih vozila: 55Cr3 (Č4232), 50CrV4 (Č4830)

�HLADNIM DEFORMIRANJEM - niže vrijednosti meh. svojstava

KAKO SE POSTIŽU TRAŽENA MEHANIČKA SVOJSTAVA OPRUGA?

� LEGIRANJEM: Si, Mn, Cr, V

� POBOLJŠAVANJEM = kaljenje + srednjetemp. popuštanjeili IZOTERMIČKIM POBOLJŠAVANJEM (za manje presjeke)

�PATENTIRANJEM = kombinacija izoterm. poboljšavanja i hladne deform.

Documents

OPCI CELICI 2015 - fsb.unizg.hr · PDF fileproizvodnja čelika ... -kaljenje (martenzitna ... -izdvojene faze nelegiranih ili legiranih karbida ili intermetalnih spojeva