Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 13
Konstrukcje metalowe
Zalety i wady konstrukcji metalowych
Zalety konstrukcji metalowych:
lekkość konstrukcji (duża wytrzymałość w stosunku do ciężaru)
•
niezawodność pracy (wysoka jednorodność, trwałość)
•
możliwość pełnego uprzemysłowienia
•
tani transport i montaż (lekkość)
•
krótki cykl budowy obiektu
•
możliwość odzyskania zużytego materiału (złom)
•
łatwa przebudowa lub wzmacnianie
•
Wady konstrukcji metalowych:
wrażliwość na korozję
•
słaba odporność na wysokie temperatury
•
a - słup żeliwny,
b - stalowy,
c - stalowy wyprawiony*,
d - drewniany,
e - murowany,
f - żelbetowy,
g - stalowy obetonowany.
Rys. 18 Porównanie odporności stali budowlanej na wysoką temperaturę z innymi materiałami [3]
* - nie dotyczy współczesnych środków ochrony przeciwpożarowej
Proces wytwarzania stali
Stal to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesach stalowniczych,
obrabiany plastycznie. Maksymalna zawartość węgla w stali 2%.
W budownictwie stosuje się stale o zawartości węgla od 0,2% do 0,7%, przy czym w stalach
na konstrukcje ilość węgla nie przekracza 0,3%.
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 14
Rys. 19 Schemat pełnego cyklu hutniczego [11]
Proces wielkopiecowy
•
Proces konwertorowy i martenowski
•
Odtlenianie stali (nieuspokojona, półuspokojona, uspokojona)
•
Odlewanie stali
•
Proces ciągłego odlewania stali
•
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 15
Rys. 20 Proces otrzymywania żeliwa i staliwa [11]
Rys. 21 Układ równowagi żelazo-węgiel
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 16
Ogólna klasyfikacja stali
stale konstrukcyjne:
•
- niestopowe (głównym składnikiem oprócz żelaza jest węgiel, pozastałe takie jak krzem, mangan,
fosfor, siarka w bardzo ograniczonym zakresie)
- stopowe (oprócz żalaza i węgla występują mangan, krzem, nikiel, chrom, wolfram, molibden,
wanad, kobalt w zależności od wymaganych własności);
w zależności od ilości składników rozróżnia się stale:
a) niskostopowe, zawierające do 2.5% składników stopowych
b) średniostopowe, zawierające 2.5-5% składników stopowych
c) wysokostopowe, zawierające ponad 5% składników stopowych
stale trudnordzewiejące
•
stale niskostopowe o podwyższonej odporności na korozję atmosferyczną
•
stal węglowa o szczególnym przeznaczeniu
•
stale używane do produkcji rur o zmiejszonej zawartości węgla, co podwyższa ich własności
plastyczne
staliwo
•
wykorzystywane w postaci odlewów
stal na nity
•
niska zawartość węgla 0.1-0.18%, duża plastyczność
stal do wyrobu śrub
•
do produkcji śrub, nakrętek i podkładek stosuje się stal węglową lub stopową
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 17
Obróbka stali. Wyroby
Obróbka plastyczna stali:
walcowanie na zimno i na gorąco
•
gięcie na zimno
•
tłoczenie
•
przeciąganie i ciągnienie (druty)
•
Podstawowe wyroby hutnicze:
wyroby walcowane na gorąco: stal nagrzana do odpowiednich temperatur jest zgniatana przez
•
pary walców, wyroby dzielą się na grupy: pręty, kształtowniki, blachy, rury, taśmy
elementy zimnogięte: formowane z blach cienkich 1.5-5mm na ciągarkach, giętarkach,
•
krawędziarkach i prasach
tłoczenie: za pomocą tłoczenia wykonuje się blachy: kolebkowe, nieckowe, faliste, żeberkowe
•
Rys. 22 Walcowanie dwuteowników [11]
Rys. 23 Formowanie elementów
zimnogiętych
[Starossek U,Priebe J
"Stahlbau 1" TUHH
Hamburg 2002]
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 18
Tablica 1 Walcowane wyroby stalowe [11]
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 19
Tablica 1 cd.
Rys. 24 Wybrany asortyment blach profilowanych
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 20
Rys. 25 Wybrane przekroje elementów zimnokształtowanych
Własności mechaniczne stali
Obróbka cieplna stali
wyżarzanie - zabieg cieplny polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury,
•
wygrzaniu jej przy tej temperaturze, a następnie studzeniu; rozróżnia się następujące
rodzaje wyżarzania:
- zupełne (rozdrobnienie ziarn, jednorodna struktura, lepsza plastyczność)
- normalizacyjne (jak wyżej tylko inny sposób chłodzenia)
- rekrystalizujące (usunięcie skutków zgniotu)
- odprężające (zmniejszenie naprężeń własnych)
hartowanie - zabieg polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzewaniu
•
przez pewien czas, a następnie szybkim oziębieniu w wodzie lub oleju; zwiększenie twardości,
wytrzymałości i odporności na ścieranie, zmniejszona wydłużalność i udarność
odpuszczanie - zabieg stosowany głównie dla stali hartowanych, polegający na ponownym
•
nagrzaniu stali i studzeniu mającym na celu poprawienie wydłużalności i udarności kosztem
niewielkiego spadku twardości i wytrzymałości
przesycanie (starzenie) - nagrzanie stali do temperatury, w której jeden lub więcej składników
•
przechodzi do roztworu stałego, a następnie szybkie chłodzenie; wydzielanie się składnika
przesyconego pod postacią drobnej drugiej fazy nosi nazwę starzenia; stal staje się twardsza,
bardziej wytrzymała ale mniej ciągliwa i krucha
Naprężenia własne (szczątkowe, rezydualne) - naprężenia w elementach i wyrobach
stalowych nie poddanych działaniu obciążeń.
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 21
Przyczyny powstawania naprężeń własnych:
w wyniku procesów technologicznych,
•
w wyniku przemian strukturalnych,
•
pod wpływem montażu,
•
pod wpływem różnych procesów obróbki cieplnej (kucie, odlewanie),
•
pod wpływem zmian temperatury,
•
wskutek celowego wprowadzania naprężeń (wstępne sprężanie)
•
Rys. 26 Strefy w złączu spawanym stali węglowej
Rys. 27 Naprężenia walcownicze w dwuteownikach
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha
Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 22
Szczególnie duże wartości naprężenia własne osiągają w wyniku procesów
walcowania lub spawania. Ich niekorzystny wpływ może się przejawiać poprzez:
prowadzenie do powstawania i rozwoju pęknieć,
•
obniżenie siły krytycznej w prętach ściskanych,
•
obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej elementów,
•
wpływ na wielkość odkształceń elementów,
•
Właściwości fizyczne i mechaniczne stali
Właściwości niezależne od składu chemicznego i sposobu obróbki:
- współczynnik sprężystości podłużnej E= 205 GPa,
- współczynnik sprężystości poprzecznej G= 80 GPa,
- współczynnik Poissona
ν = 0.3
,
- gęstość masy
ρ = 7850 kg/m
3
,
- współczynnik rozszerzalności cieplnej
ε
T
= 12 x 10
-6
1/
o
C
Właściwości zależne od procesu technologicznego, składu chemicznego, sposobu obróbki
mechanicznej i cieplnej wymagają przeprowadzenia badań wyrzymałościowych.
Badania dotyczą :
wytrzymalości na rozciąganie (naprężenie niszczące),
•
granicy sprężystości (graniczna wartość naprężenia, przy którym nie powstają jeszcze
•
makroskopowe odkształcenia,
granica proporcjonalności (punkt końcowy odcinka proporcjonalności),
•
granicy plastyczności (początek plastycznej fazy pracy materiału),
•
wytrzymałości zmęczeniowej (dla obciążeń zmiennych),
•
twardości (opór przeciw wciskaniu bardzo twardego ciała obcego),
•
udarność (zdolność do przenoszenia obciążeń pod uderzeniem),
•
ciągliwość (podatność na gięcie, prostowanie i spęczanie bez zniszczenia)
•
kujność (podatność na formowanie w temperaturze białego żaru bez szkody dla wytrzymałości.
•
2005-02-27
______________________________________________________________________________________________
Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej
Dr inż.S.Labocha