Metalne konstrukcije 1 P2-1 Osnovna svojstva čelika
Metalne konstrukcije 1 P2-1
Osnovna svojstva čelika
Metalne konstrukcije 1 P2-2
Najznačajnija svojstva materijala mogu da se
podele na:
– Fizičko-hemijska svojstva;
– Tehnološka svojstva;
– Mehanička svojstva;
Metalne konstrukcije 1 P2-3
Fizička svojstva
Najvažnija fizička svojstva materijala su:
– specifična masa (težina),
– temperatura topljenja,
– specifična toplota,
– toplota topljenja,
– provodljivost toplote,
– koeficijent termičkog širenja,
Metalne konstrukcije 1 P2-4
Fizičko-hemijska (metalurška) svojstva
Zrnasta, kristalna mikrostruktura;
Pravilno rasprostranjeni atomi gvožĎa - Fe;
Kristalna rešetka je kubna;
Ona može da bude:
– prostorno centrisana ili a-rešetka
(9 atoma),
– površinski centrisana ili g-rešetka
(14 atoma).
Metalne konstrukcije 1 P2-5
Ugljenik u čeliku
– Sadržaj ugljenika se kreće od 0,05-1,7%.
– Konsrukcioni čelici imaju manje od 0,25% C.
– Atomi C su znatno manji od atoma Fe i uglavljuju se
u kristalnu rešetku (više kod g-rešetke);
– U čeliku se C javlja i u vidu karbida gvožĎa (Fe3C) –
cementita, ili u vidu mešavine Fe i cementita koja se
naziva perlit;
Metalne konstrukcije 1 P2-6
Tehnološka svojstva čelika
Najznačajnija tehnološka svojstva čelika:
– zavarljivost,
– plastičnost,
– kovnost,
– istegljivost,
– livnost,
– otpornost na habanje,
– obradljivost...
Metalne konstrukcije 1 P2-7
Zavarljivost
Zavarljivost može biti:
– operativna,
– metalurška i
– konstruktivna.
Sposobnost materijala da se može spajati zavarivanjem
(tehnološkim postupkom spajanja metala).
[%] 15
CN
5
VMC
6
MCCEV uiorn
Ako je ekvivalent ugljenika CEV < 0,45 % - čelik je zavarljiv!
Metalne konstrukcije 1 P2-8
Mehanička svojstva čelika
Najvažnija mehanička svojstva čelika su:
– granica razvlačenja – fy
– čvrstoća pri zatezanju – fu
– modul elastičnosti – E
– Poasonov koefcijent – n
– izduženje pri lomu – d
– kontrakcija – y
– žilavost – j (CVN – Charpy V-Notch test) Is
pit
ivan
je z
atez
anje
m
Metalne konstrukcije 1 P2-9
Konstante materijala
Svi konstrukcioni čelici imaju iste vrednosti:
Modula elastičnosti: E = 210000 MPa (N/mm2)
Poasonovog koeficijenta: n = 0,3
Modula klizanja: G = E/(2(1+n)) = 81000 MPa
Specifične mase: g = 7850 kg/m3
Koeficijenta linearnog
termičkog izduženja: a = 1,2 10-5 1/oC
Metalne konstrukcije 1 P2-10
Ispitivanje svojstava materijala
Mehanička svojstva metala (čelika) se odreĎuju:
– Ispitivanjem metala pri zatezanju (ili pritisku);
– Ispitivanjem udarne žilavosti (Šarpijevo klatno);
– Ispitivanjem tvrdoće metala (po Brinelu, Vikersu…).
Metalne konstrukcije 1 P2-11
Ispitivanje metala pri zatezanju
OdreĎuju se najvažnija mehanička svojstva:
– granica elastičnsti - fe
– granica razvlačenja - fy
– čvrstoća pri zatezanju - fu
– modul elastičnosti - E
– izduženje pri lomu – d5
– kontrakcija poprečnog preska - y
Metalne konstrukcije 1 P2-12
Uzorci (epruvete) za ispitivanje
mm25za3,11
mm25za65,5
000
000
A
A
Kružni presek
Pravougaoni presek
Dužina merne baze:
Metalne konstrukcije 1 P2-13
Dijagrami s-e za različite čelike
Metalne konstrukcije 1 P2-14
OdreĎivanje tehničke (konvencionalne)
granice razvlačenja
Napon pri kojem je zaostala – plastična dilatacija 0,2%
Metalne konstrukcije 1 P2-15
Izduženje pri lomu
Izduženje pri lomu i kontrakcija poprečnog preseka su pokazatelji duktilosti materijala!
[%] 100-
A
AAoy
Kontrakcija poprečnog preseka
100-
o
o
d
Metalne konstrukcije 1 P2-16
][J/cm 2
oA
Aj
A energija udara [J]
Ao površina [cm2].
Energija udara pri lomu [J] predstavlja meru žilavosti metala.
Opit se sprovodi na različitim temperaturama (+20, 0, -20, -30,…
-60oC), a rezultati definišu podkvalitet čelika.
Ispitivanje udarne žilavosti - Šarpijev test
(Charpy V-notch test - CVN)
Metalne konstrukcije 1 P2-17
Vrste konstrukcionih čelika
Prema sadržaju ugljenika ugljenični čelici se dele na:
– niskougljenične (0,05 C 0,25 %),
– srednjeugljenične (0,25 < C 0,60 %) i
– visokougljenične (0,60 < C 1,70 %).
Ugljenični čelici su čelici kod kojih je ugljenik jedini legirajući element.
Konstrukcioni čelici mogu da budu:
− Nelegirani konstrukcioni čelici,
− Normalizovano valjani zavarljivi sitnozrni čelici,
− Termomehanički valjani zavarljivi sitnozrni čelici,
− Čelici sa poboljšanom otpornošću na atmosfersku koroziju,
− Čelici visoke čvrstoće dobijani kaljenjem i otpuštanjem.
Uticaj sadržaja ugljenika na svojstva čelika
− Ugljenik je najznačajniji legirajući element kod
konstrukcionih (ugljeničnih) čelika!
− Sadržaj ugljenika u konstrukcionim čelicima je veoma
mali (0,16-0,22%), ali veoma bitno utiče na njihova
svojstva!
− Sa porastom sadržaja ugljenika
• povećavaju se granica razvlačenja i čvrstoća pri
zatezanju (+),
• smanjuju duktilnost i žilavost (-),
• pogoršava se i zavarljivost (-)
(CEV > 0,45 → čelik nije zavarljiv)!
Metalne konstrukcije 1 P2-18
Metalne konstrukcije 1 P2-19
Prateći elementi u čeliku
Samo silicijum (Si) i mangan (Mn) imaju pozitivne osobine (dezoksidanti).
Nepoželjni elementi su:
– Sumpor (S) uzrokuje smanjenje žilavosti
– Fosfor (P) još više smanjuje žilavost i dovodi do krupnozrne
strukture;
– Azot (N) povećava tvrdoću, ali i opasnost od krtog loma i
starenja.
– Kiseonik (O) smanjuje žilavost.
Ovi elementi moraju se zadržati u propisanim granicama;
Pored ugljenika u čeliku se uvek nalaze i neki prateći elementi koji
potiču iz procesa dobijanja čelika: Si, Mn, S, P, N, O, H.
Metalne konstrukcije 1 P2-20
Označavanje čelika
Metalne konstrukcije 1 P2-21
Označavanje čelika
Označavanje čelika je visoko standardizovano.
U Srbiji je usvojen Evropski sistem označavanja.
SRPS EN 10027-1:2003 Sistem za označavanje čelika – Deo 1:
Označavanje, osnovne oznake;
SRPS EN 10027-2:2003 Sistem za označavanje čelika – Deo 2:
Brojčani sistem;
SRPS CR 10260:2003 Sistem za označavanje čelika – Dodatne
oznake;
Metalne konstrukcije 1 P2-22
Alfanumerički sistem označavanja
(SRPS EN 10027-1)
Prema ovom sistemu razlikuju se dve osnovne grupe
čelika:
Grupa 1: Čelici koji se označavaju na osnovu njihove
primene i mehaničkih svojstava,
Grupa 2: Čelici koji se označavaju na osnovu
hemijskog sastava.
Metalne konstrukcije 1 P2-23
Označavanje čelika - Grupa 1
Osnovna oznaka definiše vrstu, odnosno kvalitet čelika i sadrži podatke o njegovoj uobičajenoj primeni (slovni simbol) i najvažnijim mehaničkim svojstvima;
Dodatne oznake definišu podkvalitet čelika (žilavost), ili način termičke obrade;
Dopunska oznaka (opciona) definiše specijalne zahteve u pogledu lamelarnog cepanja, ili vrste prevlake (kod tankih limova), ili naknadne obrade (kaljenje, žarenje, normalizaciju...)
Metalne konstrukcije 1 P2-24
Osnovna oznaka
Pored slovne oznake na prvom mestu sadrži i numeričku
oznaku u vidu trocifrenog ili četvorocifrenog arapskog
broja, koja predstavlja vrednost referentnog mehaničkog
svojstva u MPa (N/mm2).
To je uglavnom nazivna (nominalna) minimalna granica
razvlačenja čelika (fy ili ReH), ili reĎe (npr. za čelike za
prednaprezanje) čvrstoća pri zatezanju (fu ili Rm).
Metalne konstrukcije 1 P2-25
Slovni simbol na prvom mestu osnovne oznake
Primena Primer
S Konstrukcioni čelici (Structural steel) S 235
P Oprema pod pritiskom (Pressure purpose) P 355
L Cevovodi (Line pipe) L 360
E Mehaničke konstrukcije (Engineering) E 295
B Armatura - betonski čelici (Reinforcing steel) B 500
Y Prednaprezanje (Presteressing steel) Y 1770
R Šine (Rail) R 380
H Čelici visoke čvrstoće za hladno valjanje
(High strength Cold rolled) H 400
D Pljošti proizvodi za hladno oblikovanje
(Flat product for cold forming) D C03
T Ambalaža (Tinmill products) T H52
M Čelici za elektrotehniku (Electrical steel) M 140
Metalne konstrukcije 1 P2-26
Metalne konstrukcije 1 P2-27
Označavanje čelika prema hemijskom sastavu
(Grupa 2)
Čelici koji se označavaju prema hemijskom sastavu (grupa 2)
mogu da se podele u tri podgrupe:
1. Nelegirani (ugljenični) čelici sa sadržajem mangana < 1 %
(npr. C45E);
2. Nelegirani čelici sa sadržajem mangana ≥ 1 %
(npr. 18MnMo4-5);
3. Legirani čelici, kod kojih je sadržaj legirajućeg elementa 5%
(npr. X4CrNi18-12).
Složene alfanumeričke oznake kod legiranih čelika!
X1CrNiMoN25-22-2 1.4468 (Numerička oznaka).
Metalne konstrukcije 1 P2-28
Numeričko označavanje čelika
Oznaka Vrsta čelika
Ugljenični čelici
1.00XX Konstrukcioni čelici - osnovni čelici (Basic Steel)
1.01XX Konstrukcioni čelici - kvalitetni čelici sa Rm < 500 N/mm2 (Quallity Steel)
1.02XX Ostali konstrukcioni čelici sa Rm < 500 N/mm2 koji nisu za termičku obradu
1.03XX Čelici sa C < 012 % ili Rm < 400 N/mm2
1.04XX Čelici sa 0,12 < C < 0,25 % ili Rm 500 N/mm2
1.05XX Čelici sa 0,25 < C < 0,55 % ili 500 Rm < 700 N/mm2
1.06XX Čelici sa C > 0,55 % ili Rm 700 N/mm2
Specijalni ugljenični čelici
1.10XX Čelici sa posebnim fizičkim svojstvima
1.11XX Čelici za sudove pod pritiskom i mehanički čelici sa C < 0,5 %
1.12XX Čelici za sudove pod pritiskom i mehanički čelici sa C 0,5 %
1.13XX Čelici za sudove pod pritiskom i mehanički čelici sa posebnim zahtevima
Legirani čelici
1.2XXX Alatni čelici
1.3XXX Raznovrsni čelici (miscellaneous steel)
1.4XXX NerĎajući i vatrootporni čelici
Legenda: XX = (00-99) i XXX = (000-999)
Metalne konstrukcije 1 P2-29
Veze starih i novih oznaka opštih konstrukcionih čelika
Evropski sistem označavanja čelika
Stari sistem označavanja čelika
JUS C.B0.002:1986 Alfanumeričke oznake
SRPS EN 10027-1
Brojčane oznake
SRPS EN 10027-2
S 235 JR 1.0037 Č0370
S 235 JRG1 1.0036 Č0371
S 235 JRG2 1.0038 Č0361
S 235 J0 1.0114 Č0362
S 235 J2G3 1.0116 Č0363
S 275 JR 1.0044 Č0451
S 275 J0 1.0143 Č0452
S 275 J2G3 1.0144 Č0453
S 355 JR 1.0045 Č0561
S 355 J0 1.0553 Č0562
S 355 J2G3 1.0570 Č0563
Metalne konstrukcije 1 P2-30
Čelici za graĎevinske konstrukcije
1. Nelegirani konstrukcioni čelici (SRPS EN 10025-2);
2. Normalizovano valjani sitnozrni čelici - sa dodatnom oznakom N i NL (SRPS EN 10025-3);
3. Termomehanički valjani sitnozrni čelici - sa dodatnom oznakom M i ML (SRPS EN 10025-4);
4. Čelici sa poboljšanom otpornošću na atmosfersku koroziju- sa dodatnom oznakom W (EN 10025-5);
5. Konstrukcioni čelici visoke čvrstoće, dobijeni kaljenjem i otpuštanjem - sa dodatnom oznakom Q i QL (EN 10025-6);
Metalne konstrukcije 1 P2-31
Tehnički uslovi isporuke čelika
U okviru tehničkih uslova isporuke se definišu:
– mehanička svojstva
– hemijski sastav šarže i proizvoda,
– način dezoksidacije,
– postupak termičke obrade (ako je predviĎen),
– tehnološka svojstva,
– specijalni zahtevi,
– način porudžbine materijala,
– postupak kontrole kvaliteta (ispitivanje i mesta uzimanja uzoraka),
– obeležavanje proizvoda.
Metalne konstrukcije 1 P2-32
Nelegirani konstrukcioni čelici (SRPS EN 10025-2) - hemijski sastav proizvoda
Metalne konstrukcije 1 P2-33
Nelegirani konstrukcioni čelici (SRPS EN 10025-2)
nominalne granice razvlačenja proizvoda ReH
Mehanička svojstva čelika prema EC3
Metalne konstrukcije 1 P2-34
Nazivne (nominalne) vrednosti
granice razvlačenja fy i čvrstoće
pri zatezanju fu za konstrukcione
čelike treba da budu odreĎene:
•usvajanjem vrednosti fy = ReH i fu
= Rm direktno iz standarda za
proizvode,
•korišćenjem uopštenih vrednosti
datih u SRPS EN 1993-1-1 (videti
tabelu).
Metalne konstrukcije 1 P2-35
Izbor vrste i kvaliteta čelika kao osnovnog
materijala za noseću konstrukciju
Na izbor utiče više faktora:
– tip i značaj konstrukcije,
– vrsta naprezanja i priroda opterećenja,
– način proizvodnje i oblikovanja konstrukcije - detalji,
– minimalna radna temperatura,
– ekonomski pokazatelji.
Parametri koji utiču na izbor kvaliteta osnovnog materijala:
– otpornost na krti lom i zamor materijala
– otpornost na lamelarno cepanje.
Posebno važno za: zavarene elemente, dinamički opterećene
konstrukcije, niske radne temperature i napone zatezanja!
Metalne konstrukcije 1 P2-36
Tehnička regulativa za izbor kvaliteta čelika
SRPS EN 1993-1-10: “Izbor osnovnog materijala u pogledu
otpornosti na krti lom i lamelarno cepanje”
Dvosmeran pristup:
– izbor maksimalne debljine elementa (lima) za zadate uslove, ili
– izbor kvaliteta čelika za zahtevanu debljinu lima, pri zadatim
uslovima;
Metalne konstrukcije 1 P2-37
Maksimalna debljina elementa tz obzirom na krti lom
Referentna temperatura TEd [C] Šarpijeva energija
CVN 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 10 0 -10 -20 -30 -40 -50
Kvalit
et
čelik
a
Pod-
kvalit
et
čelik
a
T
[C] Jmin sEd = 0,75 fy (t) sEd = 0,50 fy (t) sEd = 0,25 fy (t)
JR 20 27 60 50 40 35 30 25 20 90 75 65 55 45 40 35 135 115 100 85 75 65 60
JO 0 27 90 75 60 50 40 35 30 125 105 90 75 65 55 45 175 155 135 115 100 85 75
S235
J2 -20 27 125 105 90 75 60 50 40 170 145 125 105 90 75 65 200 200 175 155 135 115 100
JR 20 27 55 45 35 30 25 20 15 80 70 55 50 40 35 30 125 110 95 80 70 60 55
JO 0 27 75 65 55 45 35 30 25 115 95 80 70 55 50 40 165 145 125 110 95 80 70
J2 -20 27 110 95 75 65 55 45 35 155 130 115 95 80 70 55 200 190 165 145 125 110 95
M,N -20 40 135 110 95 75 65 55 45 180 155 130 115 95 80 70 200 200 190 165 145 125 110
S275
ML,NL -50 27 185 160 135 110 95 75 65 200 200 180 155 130 115 95 230 200 200 200 190 165 145
JR 20 27 40 35 25 20 15 15 10 65 55 45 40 30 25 25 110 95 80 70 60 55 45
JO 0 27 60 50 40 35 25 20 15 95 80 65 55 45 40 30 150 130 110 95 80 70 60
J2 -20 27 90 75 60 50 40 35 25 135 110 95 80 65 55 45 200 175 150 130 110 95 80
K2,M,N -20 40 110 90 75 60 50 40 35 155 135 110 95 80 65 55 200 200 175 150 130 110 95
S355
ML,NL -50 27 155 130 110 90 75 60 50 200 180 155 135 110 95 80 210 200 200 200 175 150 130
M,N -20 40 95 80 65 55 45 35 30 140 120 100 85 70 60 50 200 185 160 140 120 100 85 S420
ML,NL -50 27 135 115 95 80 65 55 45 190 165 140 120 100 85 70 200 200 200 185 160 140 120
Q -20 30 70 60 50 40 30 25 20 110 95 75 65 55 45 35 175 155 130 115 95 80 70
M,N -20 40 90 70 60 50 40 30 25 130 110 95 75 65 55 45 200 175 155 130 115 95 80
QL -40 30 105 90 70 60 50 40 30 155 130 110 95 75 65 55 200 200 175 155 130 115 95
ML,NL -50 27 125 105 90 70 60 50 40 180 155 130 110 95 75 65 200 200 200 175 155 130 115
S460
QL1 -60 30 150 125 105 90 70 60 50 200 180 155 130 110 95 75 215 200 200 200 175 155 130
Q 0 40 40 30 25 20 15 10 10 65 55 45 35 30 20 20 120 100 85 75 60 50 45
Q -20 30 50 40 30 25 20 15 10 80 65 55 45 35 30 20 140 120 100 85 75 60 50
QL -20 40 60 50 40 30 25 20 15 95 80 65 55 45 35 30 165 140 120 100 85 75 60
QL -40 30 75 60 50 40 30 25 20 115 95 80 65 55 45 35 190 165 140 120 100 85 75
QL1 -40 40 90 75 60 50 40 30 25 135 115 95 80 65 55 45 200 190 165 140 120 100 85
S690
QL1 -60 30 110 90 75 60 50 40 30 160 135 115 95 80 65 55 200 200 190 165 140 120 100
Metalne konstrukcije 1 P2-38
Izbor kvalieta materijala u pogledu lamelarnog cepanja
Parametar Z zavisi od:
– debljine šavova,
– oblika i položaja šavova,
– efekata debljine šavova...
Potrebna
vrednost Z Zgrade Mostovi
Seizmičko
opterećenje
<10 - - Z15
11 do 20 - Z15 Z25
21 do 30 Z15 Z25 Z35
>30 Z25 Z35 Z45
dcba ZZZZZ