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