2011‐02‐09

1

KONSTRUKCJE

J

METALOWE

METALOWE

WYKŁAD NR 1

2011‐02‐09

2

Program wykładu

g

y

• Zastosowanie stali i aluminium w budownictwie

D

U

• Procesy hutnicze

Y

K

Ł

A

D

• Współczesne wyroby aluminiowe i stalowe

• Struktura metali

M

W

Y

• Struktura metali

• Właściwości mechaniczne stali i aluminium

O

GRA

M

• Gatunki stali budowlanych

PR

O

• Zalecana literatura przedmiotu

2011‐02‐09

3

Zastosowanie stali i aluminium w

T

ALI

budownictwie

Konstrukcje prętowe:

M I

S

T

E

Konstrukcje prętowe:
• szkielety hal różnego przeznaczenia (przemysłowe,

sportowe, wystawowe, itp.)

M

IN

IU

CTWI

• szkielety budynków wielokondygnacyjnych (wieżowców)
• mosty drogowe i kolejowe oraz kładki dla pieszych

ALU

M

OW

N

I

• konstrukcje specjalne: estakady podsuwnicowe, wieże

kopalniane, wieże dla przemysłu chemicznego, maszty
radiowe i telewizyjne, słupy elektrycznych linii

W

ANIE

W

BUD

a owe te ew yj e, s upy e e t yc yc

przesyłowych, konstrukcje wsporcze kolei linowych,
zamknięcia wodne, itp.

T

OSO

W

W

ZAS

T

2011‐02‐09

4

Konstrukcje prętowe

H l

ł

( b d

i )

T

ALI

Hala przemysłowa (w budowie)

M I

S

T

E

M

IN

IU

CTWI

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

Szkielet budynku wysokiego (w budowie)

ZAS

T

2011‐02‐09

5

T

ALI

Konstrukcje prętowe

M I

S

T

E

M

IN

IU

CTWI

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

Słup elektroenergetyczny

linii wysokiego napięcia

Kratowy maszt telekomunikacyjny

ZAS

T

linii wysokiego napięcia

2011‐02‐09

6

Konstrukcje prętowe

T

ALI

M I

S

T

E

M

IN

IU

CTWI

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

ZAS

T

Hala sportowa dużej rozpiętości

(Arizona Cardinals Stadium - rozpiętość głównego dźwigara 213m)

2011‐02‐09

7

Konstrukcje prętowe

T

ALI

M I

S

T

E

M

IN

IU

CTWI

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

ZAS

T

Zapora przeciwsztormowa Maeslant

(Rozpiętość głównego dźwigara 237m, wysokość ściany pietrzącej 22m)

2011‐02‐09

8

Konstrukcje powłokowe

T

ALI

M I

S

T

E

•

zbiorniki na gazy i ciecze,

•

zasobniki i silosy na materiały sypkie

•

rurociągi,

M

IN

IU

CTWI

rurociągi,

•

kominy,

•

pancerze wielkich pieców hutniczych

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

ZAS

T

Zbiornik na produkty naftowe

2011‐02‐09

9

Konstrukcje powłokowe

T

ALI

M I

S

T

E

M

IN

IU

CTWI

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

Zasobniki

ZAS

T

Silosy

2011‐02‐09

10

Konstrukcje powłokowe

T

ALI

M I

S

T

E

M

IN

IU

CTWI

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

Ropociąg Wschodnia Syberia-Ocean Spokojny w trakcie budowy

(Średnica rury 1 22m; długość 4857 km)

ZAS

T

(Średnica rury 1,22m; długość 4857 km)

2011‐02‐09

11

Konstrukcje cięgnowe

T

ALI

•mosty wiszące i podwieszone

M I

S

T

E

•mosty wiszące i podwieszone,

•

przekrycia o dużych rozpiętościach

M

IN

IU

CTWI

ALU

M

OW

N

I

W

ANIE

W

BUD

T

OSO

W

W

ZAS

T

Most wiszący Akashi Kaikyo

(rozpiętość głównego przęsła 1991m)

2011‐02‐09

12

Zalety i wady konstrukcji metalowych

T

ALI

M I

S

T

E

Zalety konstrukcji metalowych

M

IN

IU

CTWI

• jednakową, dużą wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie

(stal f

y

= 235-700 MPa, stopy aluminium f

y

= 110-280 MPa)

ALU

M

OW

N

I

• duża jednorodność i izotropowość właściwości fizycznych i

mechanicznych

ki t i ń f b k ji

W

ANIE

W

BUD

• wysoki stopień prefabrykacji
• duża szybkość montażu i możliwość jego prowadzenia

niezależnie od zmian temperatury atmosferycznej

T

OSO

W

W

niezależnie od zmian temperatury atmosferycznej

• łatwość wzmacniania i przebudowy

ZAS

T

2011‐02‐09

13

Zalety i wady konstrukcji metalowych

T

ALI

M I

S

T

E

Zalety konstrukcji metalowych

M

IN

IU

CTWI

• możliwość rozbiórki konstrukcji i ponownego jej

zmontowania w innym miejscu

i łk

it d

k t li

dk lik id ji

ALU

M

OW

N

I

• prawie całkowity odzysk stali w przypadku likwidacji

konstrukcji

• krótki cykl inwestycyjny

W

ANIE

W

BUD

krótki cykl inwestycyjny

• dużą lekkość względną κ w stosunku do konstrukcji

betonowych lub drewnianych

T

OSO

W

W

y

y

ZAS

T

2011‐02‐09

14

Zalety i wady konstrukcji metalowych

T

ALI

M I

S

T

E

Zalety konstrukcji metalowych

M

IN

IU

CTWI

Miara lekkości materiałów konstrukcyjnych

κ

Stal

ALU

M

OW

N

I

Aluminium

/m

0,221x10

0,334x10

x10

355

235

78,5

f

ρm

κ

3

3

3

y

÷

=

÷

=

=

W

ANIE

W

BUD

/m

0,096x10

0,245x10

x10

280

110

27,0

κ

Aluminium

3

3

3

÷

=

÷

=

T

OSO

W

W

/m

0,694x10

2,21x10

x10

36 0

11 3

25,0

κ

Żelbet

3

3

3

÷

=

÷

=

ZAS

T

36,0

11,3 ÷

2011‐02‐09

15

Zalety i wady konstrukcji metalowych

T

ALI

M I

S

T

E

Wady konstrukcji stalowych

d ż d

ść

k

j

M

IN

IU

CTWI

• dużą podatność na korozję
• brak odporności na wysoką temperaturę

(jest niepalna lecz nie jest ognioodporna)

ALU

M

OW

N

I

(jest niepalna lecz nie jest ognioodporna)

Wady konstrukcji aluminiowych

W

ANIE

W

BUD

y

j

y

• wysokie koszty materiałowe

T

OSO

W

W

•

brak ognioodporności i podatność na destrukcję termiczną

•

niska wytrzymałość zmęczeniowa

ZAS

T

2011‐02‐09

16

Technologia wytwarzania stali

E

Terminologia

T

NICZ

• żelazo – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 26

• stal – stop żelaza z węglem (max. do 2,1% C) formowany

S

Y HU

T

w procesie obróbki plastycznej tzn. walcowania , kucia,
przeciągania, itp.

li

ż l

l

(

d 2 1% C)

RO

C

E

S

• staliwo – stop żelaza z węglem (max. do 2,1% C)

formowany poprzez odlewanie a następnie poddany ew.
obróbce wiórowej, tzn. cięciu, toczeniu, szlifowaniu, itp.

P

j

ę

p

• żeliwo – stop żelaza z węglem (2,1 ÷ 5,0% C) najczęściej

formowany poprzez bezpośrednie odlewanie do formy.

2011‐02‐09

17

Technologia wytwarzania stali

E

Rudy żelaza:

T

NICZ

Rudy żelaza:

- magnetyt

Fe

3

O

4

(żelaziak magnetyczny)

Fe: 45 - 70 %

S

Y HU

T

3

- hematyt

Fe

2

O

3

(żelaziak czerwony) Fe: 30 - 60 %

li

it 2F O 3H O (ż l i k b

t ) F 25 40 %

RO

C

E

S

- limonit 2Fe

2

O

3

⋅3H

2

O (żelaziak brunatny) Fe: 25 - 40 %

- syderyt

FeCO

3

(żelaziak szpatowy)

Fe: 30 - 40 %

P

2011‐02‐09

18

Technologia wytwarzania stali

E

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

19

Technologia wytwarzania stali

E

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

20

Technologia wytwarzania stali

Etap I -

Kopalnia

E

p

p

wydobycie rudy i przeróbka wstępna
(kruszenie, wzbogacanie i aglomeracja) →

ruda uszlachetniona

T

NICZ

Etap II -

Huta

topienie wsadu w wielkim piecu (nagrzewanie, red. tlenków i nawęglania)

→

surówka (odlewnicza albo stalowni

S

Y HU

T

+ żużel wielkopiecowy
+ gaz wielkopiecowy

RO

C

E

S

Etap III –

Stalownia

świeżenie surówki (roztapianie, wypalanie, odtlenianie + dod. stopowe)

→

stal surowa

P

+ żużel stalowniczy (konwertorowy)
+ gaz konwertorowy

Etap IV –

Walcownia

walcowanie (wieloetapowe kształtowanie na walcarkach) i cięcie

→

stalowe wyroby hutnicze

2011‐02‐09

21

Technologia wytwarzania stali

E

Ruda żelaza

Wsad wielkopiecowy

T

NICZ

Ruda żelaza

•

magnetyt Fe

3

O

4

(żelaziak magnetyczny)

Fe: 45 - 70 %

•

hematyt

Fe

2

O

3

(żelaziak czerwony) Fe: 30 - 60 %

•

limonit 2Fe

2

O

3

⋅3H

2

O (żelaziak brunatny) Fe: 25 - 40 %

S

Y HU

T

•

syderyt

FeCO

3

(żelaziak szpatowy)

Fe: 30 - 40 %

Koks

przetworzony węgiel kamienny - wysoka kaloryczność zawartość

RO

C

E

S

przetworzony węgiel kamienny wysoka kaloryczność, zawartość
czystego węgla 90-98%

Topniki

d

k

ń

d l

P

zasadowe: kamień wapienny, dolomit, magnezyt
albo
kwaśne: ubogie kwaśne rudy żelaza lub kwaśny żużel stalowniczy

2011‐02‐09

22

Technologia wytwarzania stali

Proces wielkopiecowy

E

p

y

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

23

Technologia wytwarzania stali

P

i lk i

k j h

i

E

Proces wielkopiecowy – reakcje chemiczne

•

w górnej części gara:

T

NICZ

C + O

2

= CO

2

+ Q

CO

2

+ C = 2CO

S

Y HU

T

•

w szybie:

2 Fe

2

O

3

+ CO = 2 Fe

3

O

4

+ CO

2

Fe

3

O

4

+ CO = 3FeO + CO

2

RO

C

E

S

Fe

3

O

4

+ CO 3FeO + CO

2

FeO + CO = Fe + CO

2

•

w przestronie (nawęglanie żelaza gąbczastego do ok. 2% C):

P

FeO + C = Fe +CO

3Fe + 2CO = Fe

3

C + CO

2

2011‐02‐09

24

Technologia wytwarzania stali

P

i lk i

kł d h

i

ó ki

E

Proces wielkopiecowy – skład chemiczny surówki

4,5 ÷ 4,7 % C

T

NICZ

4,5 4,7 % C

0,3 ÷ 0,8 % Si

0 3 ÷ 0 8 % M

S

Y HU

T

0,3 ÷ 0,8 % Mn

0,02 ÷ 0,06 % S

RO

C

E

S

0,06 ÷ 0,08 % P

→

świeżenie surówki

P

2011‐02‐09

25

Technologia wytwarzania stali

Proces stalowniczy

E

Proces stalowniczy

świeżenie surówki w konwertorze tlenowym

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

26

Technologia wytwarzania stali

E

Proces stalowniczy

Linia ciągłego odlewania stali

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

k i k

→ kęsiska

→

kęsy

→

kęsy płaskie (slaby)

2011‐02‐09

27

Technologia wytwarzania stali

Proces walcowniczy

E

Typy walcarek: a) duo, b) trio, c) quarto, d) wielowałkowa, e) uniwersalna

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

28

Technologia wytwarzania stali

Proces walcowniczy

E

Walcowanie rur

a) ze szwem

b) bez szwu

T

NICZ

a) ze szwem

b) bez szwu

S

Y HU

T

Lejek do zwijania taśmy stalowej

RO

C

E

S

Lejek do zwijania taśmy stalowej

P

Schemat walcarki rur systemu Mannesmanna

Zgrzewanie wzdłużne rur

2011‐02‐09

29

Podstawowe wyroby walcowane

W

E

Blachy:

cienkie (t < 5 mm) → wyroby zimnokształtowane

S

TA

L

O

W

- cienkie (t < 5 mm) → wyroby zimnokształtowane

- grube (t ≥ 5 mm) (oznaczenie bl. t

x

b – l) → blachownice spawane

- uniwersalne (b = 160÷700mm) (oznaczenie b

x

t – l)

- płaskowniki (b ≤ 150mm)

- taśmy (bednarki) (b ≤ 150mm i t < 5 mm)

O

BY

S

O

WE

y (

) (

)

Kształtowniki gorącowalcowane:

- dwuteowniki (przykład oznaczenia: HEB120)

•

IPN normalne

WYR

O

U

MINI

O

•

IPN – normalne,

•

IPE – równoległościenne,

•

HEB, HEA, HEM – szerokostopowe;

- ceowniki (przykład oznaczenia: UPN300)

•

UPN – normalne,

Z

ESNE

I AL

U

,

•

UAP – równoległościenne;

- teowniki (T)

•

wysokie (przykład oznaczenia: T80)

•

niskie (przykład oznaczenia: T120x60);

kąto niki (L)

P

Ó

Ł

C

Z

- kątowniki (L)

•

równoramienne (przykład oznaczenia: L60x5)

•

nierównoramienne (przykład oznaczenia: L80x40x6);

- rury kołowe (Ø) (przykład oznaczenia: Ø159x6,3)

•

bez szwu

WS

P

bez szwu

•

ze szwem;

- pręty okrągłe (Ø) (przykład oznaczenia: Ø16);
- szyny dźwigowe i kolejowe (przykład oznaczenia: SD75, S49 ).

2011‐02‐09

30

Podstawowe wyroby walcowane

W

E

Przykłady gorącowalcowanych profili stalowych

S

TA

L

O

W

y

y g ą

y

p

y

O

BY

S

O

WE

WYR

O

U

MINI

O

Z

ESNE

I AL

U

P

Ó

Ł

C

Z

WS

P

2011‐02‐09

31

Podstawowe wyroby walcowane

W

E

S

TA

L

O

W

Standardowe oznaczenia
wymiarów przekroju

O

BY

S

O

WE

poprzecznego wybranych
kształtowników

WYR

O

U

MINI

O

Z

ESNE

I AL

U

P

Ó

Ł

C

Z

WS

P

2011‐02‐09

32

Wyroby zimnokształtowane

W

E

S

TA

L

O

W

O

BY

S

O

WE

WYR

O

U

MINI

O

Z

ESNE

I AL

U

P

Ó

Ł

C

Z

WS

P

2011‐02‐09

33

Wyroby zimnokształtowane

W

E

Zetowniki zimnogięte

S

TA

L

O

W

g ę

O

BY

S

O

WE

WYR

O

U

MINI

O

Z

ESNE

I AL

U

P

Ó

Ł

C

Z

WS

P

2011‐02‐09

34

Wyroby zimnokształtowane

W

E

Bl h f łd

kł (1

) i

t

i

i ółk

i (2

)

S

TA

L

O

W

Blacha fałdowa zwykła (1. gen.) i z usztywnionymi półkami (2. gen.)

O

BY

S

O

WE

WYR

O

U

MINI

O

Z

ESNE

I AL

U

P

Ó

Ł

C

Z

WS

P

2011‐02‐09

35

Wyroby zimnokształtowane

W

E

Bl h f łd

t

i

i ółk

i i ś d ik

i (3

)

S

TA

L

O

W

Blacha fałdowa z usztywnionymi półkami i środnikami (3. gen.)

O

BY

S

O

WE

WYR

O

U

MINI

O

Z

ESNE

I AL

U

P

Ó

Ł

C

Z

WS

P

2011‐02‐09

36

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

Cechy metali:

L

I

Cechy metali:

- regularna struktura krystaliczna
- duża plastyczność

MET

A

L

- dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne

Odmiany alotropowe żelaza:

T

URA

a) żelazo α

(b) żelazo γ

T

RU

K

T

S

T

2011‐02‐09

37

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

K

i

i

hł d

i ż l

L

I

Krzywe ogrzewania i chłodzenia żelaza

MET

A

L

T

URA

T

RU

K

T

S

T

2011‐02‐09

38

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

L

I

Składniki tworzące stopy:

- mieszaniny pierwiastków

MET

A

L

- mieszaniny pierwiastków
- związki chemiczne
- roztwory stałe

T

URA

Składniki strukturalne stopu Fe-C

T

RU

K

T

- ferryt
- cementyt
- perlit

S

T

perlit

- austenit
- ledeburyt

2011‐02‐09

39

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

L

I

Ferryt

– roztwór stały węgla w żelazie α, rozpuszczalność węgla w

temperaturze pokojowej max. 0,008%, miękki (HB=80) i ciągliwy.

MET

A

L

Cementyt

– związek chemiczny, Fe

3

C - węglik żelaza, 6,67%C,

jest kruchy i twardy (HB = 700), występuje w postaci pasm,

kuleczek lub igieł.

T

URA

g

Perlit

– mieszanina ferrytu i cementytu, zawierająca (średnio)

0,8% C, wytrzymały i twardy (HB = 220÷260).

T

RU

K

T

Austenit

– roztwór stały węgla w żelazie γ, występuje tylko

w podwyższonej temperaturze (723

o

C), zwiera 0,8 ÷2 %C

l ż i d

S

T

zależnie od temperatury.

Ledeburyt

– mieszanina perlitu i cementytu, zawiera do 4,3 % C,

jest kruchy i twardy

jest kruchy i twardy

2011‐02‐09

40

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

Wykres układu równowagi Fe - Fe C (żelazo-cementyt)

L

I

Wykres układu równowagi Fe - Fe

3

C (żelazo-cementyt)

MET

A

L

T

URA

T

RU

K

T

S

T

―

liquidus

lid

―

solidus

2011‐02‐09

41

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

L

I

Polikrystaliczna pierwotna struktura stali

MET

A

L

T

URA

T

RU

K

T

Przykładowe odkształcenia trwałe w strukturze stali

S

T

2011‐02‐09

42

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

Obróbka cieplna stali

L

I

Obróbka cieplna stali

MET

A

L

T

URA

T

RU

K

T

S

T

T

max

– temperatura obróbki

t – czas wygrzewania

t

w

– czas wygrzewania

t

n

– czas nagrzewania

t

s

– czas chłodzenia

2011‐02‐09

43

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

R d j b óbki i l j

L

I

Rodzaje obróbki cieplnej

MET

A

L

T

URA

T

RU

K

T

S

T

2011‐02‐09

44

Wybrane zagadnienia metaloznawstwa

L

I

Rodzaje obróbki cieplnej

•

wyżarzanie ujednorodniające -

ujednorodnienie struktury i

MET

A

L

y

j

ją

j

y

składu chemicznego (T

max

= 1100

o

C, t

w

=12-15 h, wolne

studzenie)

•

wyżarzanie normalizujące

- otrzymanie drobnoziarnistej,

T

URA

y

ją

y

j,

jednorodnej struktury stali, polepszenia plastyczności i
spawalności, likwidacja naprężeń własnych

•

hartowanie

– zwiększenie twardości (T

max

≈ 800

o

C),

T

RU

K

T

ę

(

max

),

wzrost kruchości, powstają naprężenia hartownicze

•

odpuszczanie

– polepszenie właściwości plastycznych, usunięcie

naprężeń hartowniczych

S

T

naprężeń hartowniczych

•

wyżarzanie odprężające

- eliminacja naprężeń własnych bez

zmian w strukturze krystalicznej

•

ulepszanie cieplne

podwójny sekwencyjny zabieg hartowania i

•

ulepszanie cieplne

– podwójny, sekwencyjny zabieg hartowania i

odpuszczania

2011‐02‐09

45

Hutnictwo aluminium

E

Rudy aluminium:

•

boksyt (ponad 50 % tlenku glinowego Al

2

O

3

)

•

nefelin

T

NICZ

nefelin

•

ałunit

•

kaolin

S

Y HU

T

Dwuetapowa technologia produkcji

•

etap I: przetwarzanie rudy na Al O

RO

C

E

S

•

etap I: przetwarzanie rudy na Al

2

O

3

•

etap II: elektroliza Al

2

O

3

w kryolicie

(fluoroglinianie sodu Na

3

[AlF

6

])

P

2011‐02‐09

46

Hutnictwo aluminium

E

Etap I -

Proces Bayera

(przetwarzanie boksytu na Al

2

O

3

)

boksyt →

•

kruszenie boksytu

T

NICZ

y

•

mielenie na mokro (roztwór sody kaustycznej)

•

ługowanie w autoklawach

•

prażenie (kalcynowanie)

→ Al O

S

Y HU

T

•

prażenie (kalcynowanie)

→ Al

2

O

3

Etap II –

Proces Hall-Heroult

(elektroliza tlenku glinowego Al

2

O

3

)

RO

C

E

S

•

elektrolit: (kryolit Na

3

AlF

6

)+ AlF

3

+ CaF

2

•

prąd elektrolizy stały, U=4÷6 V oraz I=40000 ÷100000 A

P

p ą

y

y,

•

reakcja elektrodowa:

2 Al

2

O

3

+ 3C → 4 Al + 3CO

2

2011‐02‐09

47

Hutnictwo aluminium

E

Elektroliza aluminium z anodą wstępnie spieczoną (pre-bake)

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

48

Hutnictwo aluminium

E

Zużycie materiałów i energii na 1 Mg aluminium:

•

tlenek glinowy Al O ok 2000 kg

T

NICZ

•

tlenek glinowy Al

2

O

3

ok. 2000 kg

•

kryolit + fluorek glinowy ok. 50 kg

•

masa anodowa (węglowa) 500 kg

S

Y HU

T

•

energia elektryczna 14000 kWh

Produkt elektrolizy to

aluminium surowe

do obróbki:

RO

C

E

S

y

•

chlorowanie

•

filtrowanie

P

•

filtrowanie

•

przetapianie →

wlewki aluminiowe

2011‐02‐09

49

Hutnictwo aluminium

E

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

50

Hutnictwo aluminium

E

Stopy odlewnicze:

•

z miedzią AlCu

T

NICZ

•

z krzemem AlSi

•

z magnezem AlMg

S

Y HU

T

Stopy do przeróbki plastycznej:

•

z magnezem AlMg

•

z magnezem i krzemem AlMgSi

RO

C

E

S

•

z magnezem i krzemem AlMgSi

•

z miedzią i magnezem AlCuMg

•

z cynkiem i magnezem AlZnMg

P

2011‐02‐09

51

Hutnictwo aluminium

Wykres równowagi fazowej Al - Cu

E

Wykres równowagi fazowej Al Cu

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

A, E – punkty eutektyczne (bezpośrednia zmiana fazy ciekłej na

stałą)

W l

i i

i

h d

i

l

W aluminium nie zachodzą przemiany alotropowe.

2011‐02‐09

52

Hutnictwo aluminium

E

Obróbka cieplna przykładowego stopu Al - Cu:

W obs ar e ABO → ro t ór stał Al C postaci kr s tałó

T

NICZ

W obszarze ABO → roztwór stały Al-Cu w postaci kryształów

mieszanych α

S

Y HU

T

Największa rozpuszczalność Cu → 5,7 % w temperaturze 548

o

C

Nagłe oziębienie → powoduje

„przesycenie”

miedzi w stopie

RO

C

E

S

g

ę

p

j

„p

y

p

Przesycenie → wydzielenie nadmiaru Cu → napięcie w sieci

krystalicznej → wzrost wytrzymałości stopu

(proces starzenia)

P

krystalicznej → wzrost wytrzymałości stopu

(proces starzenia)

2011‐02‐09

53

Hutnictwo aluminium

E

Obróbka stopów Al w celu podwyższenia wytrzymałości:

•

obróbka na zimno (przeciąganie, walcowanie lub wytłaczanie)

•

obróbka cieplna (utwardzanie wyżarzanie)

T

NICZ

•

obróbka cieplna (utwardzanie, wyżarzanie)

Przeróbka plastyczna przy kształtowaniu wyrobów

S

Y HU

T

•

walcowanie

•

kucie,

•

wyciskanie,

RO

C

E

S

y

,

•

gięcie wzdłużne,

•

przeciąganie,

•

wytłaczanie

P

•

wytłaczanie

•

wyciskanie na zimno

2011‐02‐09

54

Hutnictwo aluminium

E

• Blachy walcowane na gorąco → blachownice aluminiowe
• Taśmy walcowane na gorąco

T

NICZ

• Taśmy walcowane na gorąco
• Blachy cienkie walcowane na zimno
• Wyroby wyciskane (kształtowniki)

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

• Wyroby wytłaczane (kształtowane z blach i taśm)

2011‐02‐09

55

Hutnictwo aluminium

E

• Kształtowniki wyciskane

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

56

Hutnictwo aluminium

E

• Kształtowniki wyciskane

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

57

Hutnictwo aluminium

S t

b d

ki l tó

E

Systemowe obudowy szkieletów

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

58

Hutnictwo aluminium

E

Systemowe elewacje budynków

T

NICZ

S

Y HU

T

RO

C

E

S

P

2011‐02‐09

59

Właściwości mechaniczne stali i aluminium

STAŁE MATERIAŁOWE STALI

ICZNE

M

STAŁE MATERIAŁOWE STALI

• Moduł sprężystości podłużnej

E = 210 GPa

C

HAN

I

M

INIU

M

• Moduł sprężystości przy ścinaniu

G = 81 GPa

• Współczynnik Poissona w stanie sprężystym

ν = 0,3

• Współczynnik rozszerzalności cieplnej

α = 12x10

-6

/C

CI ME

C

ALU

M

• Gęstość masy

ρ = 7850 kg/m

3

STAŁE MATERIAŁOWE ALUMINIUM

IW

O

Ś

TA

L

I I

STAŁE MATERIAŁOWE ALUMINIUM

• Moduł sprężystości podłużnej

E = 70 GPa

W

Ł

A

Ś

C

S

• Moduł sprężystości przy ścinaniu

G = 27 GPa

• Współczynnik Poissona w stanie sprężystym

ν = 0,3

• Współczynnik rozszerzalności cieplnej

α = 23x10

-6

/C

W

Współczynnik rozszerzalności cieplnej

α 23x10 /C

• Gęstość masy

ρ = 2700 kg/m

3

2011‐02‐09

60

Właściwości mechaniczne stali i aluminium

Parametry wytrzymałościowe stali i aluminium

ICZNE

M

Parametry wytrzymałościowe stali i aluminium

zależne od:

składu chemicznego i procesu technologicznego

oraz sposobu obróbki:

•

mechanicznej

C

HAN

I

M

INIU

M

mechanicznej,

•

termicznej,

•

termo-chemicznej,

•

termo-mechanicznej.

CI ME

C

ALU

M

• Granica plastyczności

j

IW

O

Ś

TA

L

I I

• Granica plastyczności
• Wytrzymałość na rozciąganie
• Udarność

W

Ł

A

Ś

C

S

• Twardość
• Wytrzymałość zmęczeniowa

W

2011‐02‐09

61

Właściwości mechaniczne stali i aluminium

Badania laboratoryjne i polowe właściwości mechanicznych

ICZNE

M

Badania laboratoryjne i polowe właściwości mechanicznych

stali i stopów aluminium

C

HAN

I

M

INIU

M

•

Statyczna próba rozciągania (wg PN-EN 10002-1)

P ób d

ś i (

PN EN 10045 1)

CI ME

C

ALU

M

• Próba udarności (wg PN-EN 10045-1)

• Próba twardości - metoda Brinella – (wg PN-EN ISO 6506-1)

IW

O

Ś

TA

L

I I

•

Młotek Poldi

W

Ł

A

Ś

C

S

W

2011‐02‐09

62

Statyczna próba rozciagania

Maszyny wytrzymałościowe

ICZNE

M

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

IW

O

Ś

TA

L

I I

W

Ł

A

Ś

C

S

W

Tradycyjna – napęd hydrauliczny, pomiar siły
poprzez pomiar ciśnienia oleju pod tłokiem.

Współczesna – napęd mechaniczny,
sterowane komputerowo.

2011‐02‐09

63

Właściwości mechaniczne stali i aluminium

Statyczna próba rozciągania

ICZNE

M

Statyczna próba rozciągania

Kształty próbek do statycznej próby rozciągania

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

IW

O

Ś

TA

L

I I

W

Ł

A

Ś

C

S

W

2011‐02‐09

64

Statyczna próba rozciągania stali

Zależności naprężenie-odkształcenie (σ-ε) dla stali:

ICZNE

M

a) niestopowej i niskostopowej, b) o wysokiej wytrzymałości.

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

IW

O

Ś

TA

L

I I

W

Ł

A

Ś

C

S

R

H

– granica proporcjonalności

R

E

– granica sprężystości

R

H

R

d

– górna i dolna granica plastyczności

W

R

eH

, R

ed

górna i dolna granica plastyczności

R

02

– umowna granica plastyczności

R

m

– umowna granica wytrzymałości

2011‐02‐09

65

Statyczna próba rozciągania stopu aluminium

ICZNE

M

Zależności naprężenie-odkształcenie (σ-ε) dla stopu aluminium

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

IW

O

Ś

TA

L

I I

W

Ł

A

Ś

C

S

W

2011‐02‐09

66

Wytrzymałość charakterystyczna

(minima hutnicze)

ICZNE

M

(

)

• STAL:

R

e

→ f

y

C

HAN

I

M

INIU

M

R

m

→ f

u

• STOPY Al :

R

02

→ f

o

CI ME

C

ALU

M

R

02

→ f

o

R

m

→ f

u

w strefach wpływu ciepła (HAZ heat affected zones):

IW

O

Ś

TA

L

I I

w strefach wpływu ciepła (HAZ - heat affected zones):

R

02haz

→ f

ohaz

=

ρ

o,haz

f

o

R

→ f

=

ρ

f

W

Ł

A

Ś

C

S

R

mhaz

→ f

uhaz

=

ρ

u,haz

f

u

ρ

o,haz

≤ 1,0

ρ

u haz

≤ 1,0

W

ρ

u,haz

≤ 1,0

2011‐02‐09

67

Wytrzymałość charakterystyczna

(minima hutnicze)

ICZNE

M

(

)

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

Stop

Stan

ρ

ρ

IW

O

Ś

TA

L

I I

Stop

serii

Stan

obróbki

ρ

haz

(MIG)

ρ

haz

(TIG)

W

Ł

A

Ś

C

S

6xxx

T4

1,00

-

6xxx

T5

0,65

0,60

W

6xxx

T6

0,65

0,50

2011‐02‐09

68

Nominalne wartości

granicy plastyczności f

y

i wytrzymałości na rozciąganie f

u

stali konstrukcyjnej walcowanej na gorąco wg PN-EN 1993-1-1

ICZNE

M

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

IW

O

Ś

TA

L

I I

W

Ł

A

Ś

C

S

W

2011‐02‐09

69

Wytrzymałość charakterystyczna

(minima hutnicze)

ICZNE

M

(

)

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

IW

O

Ś

TA

L

I I

W

Ł

A

Ś

C

S

W

2011‐02‐09

70

Wykresy odkształcenia materiału wyjściowego

i i i

i

ICZNE

M

i zgniecionego na zimno

C

HAN

I

M

INIU

M

CI ME

C

ALU

M

IW

O

Ś

TA

L

I I

W

Ł

A

Ś

C

S

W

2011‐02‐09

71

Oznaczenia gatunków stali

ICZNE

M

Symbole literowe i cyfrowe wskazujące na zastosowanie oraz

właściwości mechaniczne i inne np.:

S 235

JRG2

dwa symbole główne (

S

i

235

) i dwa dodatkowe

C

HAN

I

M

INIU

M

S 235

JRG2

– dwa symbole główne (

S

i

235

) i dwa dodatkowe

(

JR

i

G2

)

i

b l łó

k śl

t

i

t li

CI ME

C

ALU

M

• pierwszy symbol główny określa zastosowanie stali:

S

– stal konstrukcyjna,

L

– stal na rury przewodowe,

B

t l

t

b j i

d b t

IW

O

Ś

TA

L

I I

B

– stal na pręty zbrojeniowe do betonu,

G

– staliwo,

• drugi symbol główny to minimalna granica plastyczności f

y

[MPa]:

W

Ł

A

Ś

C

S

235
275
355

W

420
460

2011‐02‐09

72

Oznaczenia gatunków stali

ICZNE

M

• pierwszy symbol dodatkowy to praca łamania (udarność):

JR

→ KV = 27 J w temp. 20

o

C

J0

→ KV = 27 J w temp. 0

o

C

C

HAN

I

M

INIU

M

p

J2

→ KV = 27 J w temp. - 20

o

C

KV = 40 J w temp. jak wyżej oznaczono

KR, KO, K2.

CI ME

C

ALU

M

• drugi symbol dodatkowy określa stan dostawy stali:

G1

– stal nieuspokojona,

IW

O

Ś

TA

L

I I

G2

– stal uspokojona,

G3

– stal w stanie normalizowanym,

G4

– stan dostawy ustala wytwórca,

W

Ł

A

Ś

C

S

y

y

,

W

lub

WP

– stal trudnordzewiejąca

Przykład:

S 355

J2G3

stal konstrukcyjna

S

o gwarantowanej

W

Przykład:

S 355

J2G3

– stal konstrukcyjna

S

o gwarantowanej

granicy plastyczności

355

MPa, o pracy łamania w temper.

- 20

o

C (

J2

): KV = 27 J, w stanie normalizowanym (

G3

).

2011‐02‐09

73

Oznaczenia gatunków stali

O

i dl

t li d b

i

i t j ( ik

t

j)

ICZNE

M

• pierwszy symbol dodatkowy to litera określająca stan

dostawy:

Oznaczenia dla stali drobnoziarnistej (mikrostopowej)

C

HAN

I

M

INIU

M

dostawy:

N – stal normalizowana lub walcowana normalizująco
M – stal walcowana termomechanicznie
Q

t l l

i

l i

CI ME

C

ALU

M

Q – stal ulepszona cieplnie
A – utwierdzona wydzielinowo

IW

O

Ś

TA

L

I I

• drugi symbol dodatkowy oznacza:

L – stal przeznaczona do pracy w niskich temperaturach
H – stal przeznaczona do pracy w wysokich

W

Ł

A

Ś

C

S

H stal przeznaczona do pracy w wysokich

temperaturach (+450°C)

W

2011‐02‐09

74

Oznaczenia gatunków aluminium

ICZNE

M

C

HAN

I

M

INIU

M

• 1xxx

techniczne aluminium – zaw. czystego Al powyżej 99 %

• 2xxx

stopy aluminium z miedzią (seria 2000)

3

t

l

i i

(

i 3000))

CI ME

C

ALU

M

• 3xxx

stopy aluminium z manganem (seria 3000))

• 4xxx

stopy aluminium z krzemem (seria 4000)

• 5xxx

stopy aluminium z magnezem (seria 5000)

IW

O

Ś

TA

L

I I

• 5xxx

stopy aluminium z magnezem (seria 5000)

• 6xxx

stopy aluminium z magnezem i krzemem (seria 6000)

• 7xxx

stopy aluminium z cynkiem (seria 7000)

W

Ł

A

Ś

C

S

7xxx

stopy aluminium z cynkiem (seria 7000)

• 8xxx

stopy aluminium z innymi dodatkami stopowymi (seria 8000)

• 9xxx

stopy specjalne (nie stosowane)

W

py p j

(

)

2011‐02‐09

75

Właściwości mechaniczne wybranych stopów Al

poddanych obróbce plastycznej

( ł ś i

ś i bl h

PN EN 1999 1 1)

ICZNE

M

Nr

stopu

Stan

obróbki

Grubość

t [mm]

f

02

[MPa]

f

u

[MPa]

Min

A

50

%

(właściwości blach – wg PN-EN 1999-1-1)

C

HAN

I

M

INIU

M

p

[

]

[

]

[

]

50

AW-3103

H14
H16

0,2-25

0,2-4

120
145

140
160

2
1

CI ME

C

ALU

M

.
.
.

IW

O

Ś

TA

L

I I

AW-6061

T4
T6

0,4-12
0,4-12

110

240

205
290

12

6

AW-7020

T6

0 4-40

280

350

6

W

Ł

A

Ś

C

S

AW-7020

T6

0,4-40

280

350

6

H14 - aluminium umocnione przez walcowanie - 1/2 twardości

W

H16 - aluminium umocnione przez walcowanie - 3/4 twardości
T4 - aluminium obrobione cieplnie w kąpieli i starzone w naturalny sposób
T6 - aluminium obrobione cieplnie w kąpieli i starzone w sztuczny sposób

2011‐02‐09

76

Właściwości mechaniczne wybranych stopów Al

poddanych obróbce plastycznej

ICZNE

M

p

y

p

y

j

(właściwości prętów, rur i kształtowników – wg PN-EN 1999-1-1)

Nr

Stan

Grubość

f

02

f

Min

C

HAN

I

M

INIU

M

Nr

stopu

Stan

obróbki

Grubość

t [mm]

f

02

[MPa]

f

u

[MPa]

Min

A

50

%

AW-5083

F/H112

< 200

120

270

12

CI ME

C

ALU

M

H12/H22
H14/H24

0,2-10

< 6

200
235

280
300

6
4

AW-6061

T6

< 21

240

260

8

IW

O

Ś

TA

L

I I

606

6

0

60

8

AW-7020

T6

< 16

280

350

10

W

Ł

A

Ś

C

S

F - aluminium surowe
H12 - aluminium umocnione przez walcowanie - 1/4 twardości
H22 - aluminium umocnione przez walcowanie i cz. wyżarzone – 1/4 twardości

W

p

y

H24 - aluminium umocnione przez walcowanie i cz. wyżarzone – 1/2 twardości
H112 - aluminium nieznacznie umocnione przez walcowanie po formowaniu

na ciepło i/lub lekkim formowaniu na zimno

2011‐02‐09

77

Zalecana literatura przedmiotu

E

Biegus A.: Stalowe budynki halowe. Arkady, Warszawa 2003

Bogucki W., Żyburtowicz M.: Tablice do projektowania konstrukcji

metalowych Arkady warszawa 1996

T

NICZ

metalowych. Arkady, warszawa 1996.

Bródka J., Broniewicz M.: Konstrukcje stalowe z rur. Arkady,

Warszawa 2001.

S

Y HU

T

Gosowski B., Kubica E.: Badania laboratoryjne konstrukcji metalowych.

Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001.

Gwóźdź M Maślak M : Przykłady projektowania wybranych stalowych

RO

C

E

S

Gwóźdź M., Maślak M.: Przykłady projektowania wybranych stalowych

konstrukcji prętowych. Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej,
Kraków 2005.

Gwóźdź M : Stany graniczne konstrukcji aluminiowych

P

Gwóźdź M.: Stany graniczne konstrukcji aluminiowych.

Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków 2007.

Pałkowski Sz.: Konstrukcje stalowe. Wybrane zagadnienia obliczania

i projektowania Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2001

i projektowania. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.

2011‐02‐09

78

Zalecana literatura przedmiotu

E

Rykaluk K.: Konstrukcje stalowe. Podstawy i elementy.

Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2001.

T

NICZ

Włodarczyk W.: Konstrukcje stalowe. Podstawy projektowania.

WSiP, Warszawa 1997.

Ziółko J : Konstrukcje stalowe Wytwarzanie i montaż

S

Y HU

T

Ziółko J.: Konstrukcje stalowe. Wytwarzanie i montaż.

WSiP, Warszawa 1995.

Żmuda J.: Podstawy projektowania konstrukcji metalowych.

Arkady Warszawa 1997

RO

C

E

S

Arkady, Warszawa 1997.

Łubiński M., Filipowicz A., Żółtowski W.: Konstrukcje metalowe. Arkady,

Warszawa, cz. I – 2003, cz. II – 2004.

P

Eurokod 1990: PN-EN 1990 Podstawy projektowania konstrukcji.
Eurokod 1991: PN-EN 1991 Oddziaływania na konstrukcje.
Eurokod 1993: PN-EN 1993 Projektowanie konstrukcji stalowych

Eurokod 1993: PN-EN 1993 Projektowanie konstrukcji stalowych.