Materiały budowlane
Technologia metali
Kurs: 5 wykładów x 2h + 5 ćwiczeń laboratoryjnych x 2h
mgr inż. Wioleta Barcewicz
Zespół Konstrukcji Metalowych
Zakład Konstrukcji Budowlanych
Konsultacje: Wtorki, godz.13.00, pokój nr 220 IL
E-mail: [e-mail]
Tematyka wykładów
Wprowadzenie. Proces wytwarzania stali. Struktura stali. Przemiany
fazowe. Obróbka cieplna stali.
Stal  skład chemiczny, właściwości fizyczne i mechaniczne stali.
Badania cech mechanicznych stali. Gatunki stali.
Procesy spawalnicze. Spawalność stali. Naprężenia własne.
Technologia wytwarzania wyrobów stalowych. Asortyment wyrobów
stalowych. Zachowanie się stali w trudnych warunkach użytkowania.
Inne metale żelazne i metale nieżelazne  właściwości i zastosowanie.
Zaliczenie.
Literatura
E. Szymański  Materiały budowlane
(rozdział dotyczący wyrobów budowlanych ze stopów metali)
M. A
ubiński, A. Filipowicz, W. Żółtowski  Konstrukcje metalowe cz. I
W. Nazarko  Konstrukcje metalowe. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych
B. Gosowski, E. Kubica  Badania laboratoryjne z konstrukcji metalowych
K. Ferenc  Spawalnictwo
A. Klimpel  Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali. Technologie
METALE
w budownictwie
Stopy żelaza:
Metale nieżelazne i ich stopy:
" Stal
" Aluminium
" Staliwo
" Miedz

" Żeliwo
" Cynk
" Cyna
Przykłady konstrukcji stalowych
Budynki
Przykłady konstrukcji stalowych
Hale
Przykłady konstrukcji stalowych
Stadiony
Mosty
I inne&
Stal jest to stop żelaza (Fe) z węglem (C) i innymi
pierwiastkami, otrzymany w procesach
stalowniczych, obrabiany plastycznie. Maksymalna
zawartość węgla w stali wynosi 2%.
Zawartość węgla
w stalach stosowanych
w budownictwie: 0,2  0,7%;
W stalach
konstrukcyjnych ilość
węgla nie przekracza
0,3%.
Właściwości stali:
Wysoka i zbliżona wytrzymałość
na rozciąganie, ściskanie i zginanie;
Możliwość
produkowania
Duża wytrzymałość na ścinanie;
szerokiego
Plastyczność;
asortymentu
Ciągliwość (możliwość gięcia, prostowania,
wyrobów
skręcania, walcowania na zimno i na gorąco); budowlanych,
ich wszechstronne
Kujność;
zastosowanie oraz
Twardość;
kształtowanie
Udarność; elementów i połączeń
Spawalność.
Przykłady wyrobów stalowych
Proces wytwarzania stali
Etap I
Proces wielkopiecowy  redukcja jako pierwiastka
z tlenowych rud żelaza i oddzielenie go od skały płonnej.
Produkt etapu I  surówka
(93% żelaza + 7% innych pierwiastków).
Etap II
W piecach martenowskich, piecach elektrycznych
lub konwertorach tlenowych są usuwane z surówki
domieszki (np. węgiel, mangan, krzem) do granic wymaganych,
a zanieczyszczenie (np. fosfor, siarka) do granic dopuszczalnych.
Produkt etapu II  stal.
Metalurgia pozapiecowa
Odlewanie stali
Etap I - Proces
wielkopiecowy
Wytapianie surówki z rud
żelaza (magnetyt, hematyt,
limonit, syderyt).
Wsad dostarczany jest do górnej
części pieca (gardzieli);
Powietrze dostarczane jest od
dołu pieca dyszami.
Wsad, opuszczając się ku dołowi,
nagrzewa się do coraz wyższej
temperatury otrzymanej w wyniku
spalania koksu.
ZachodzÄ…ce procesy fizyko-
chemiczne doprowadzajÄ… do
wytopienia się surówki,
wypuszczanej okresowo otworem
spustowym.
II etap procesu wytwarzania stali
Przerób surówki na stal polega na:
Świeżeniu - przez usunięcie nadmiaru węgla i innych
domieszek wskutek procesu utleniania za pomocÄ…
powietrza, czystego tlenu, względnie rudy żelaznej, przy
czym powstające tlenki uchodzą jako gazy, a stałe tlenki
krzemu, manganu i fosforu tworzą żużel z ewentualnie
dodawanymi topnikami;
Odsiarczaniu  przez zastosowanie żużli zasadowych,
wiÄ…zaniu siarki przez tlenek wapnia.
II etap procesu wytwarzania stali
Przy produkcji stali na skalę przemysłową są stosowane:
Procesy konwertorowe  przedmuchiwanie powietrza (gruszka
Bessemera lub konwertor Thomasa) lub tlenu (konwertor tlenowy 
proces LD) przez warstwę ciekłej surówki
Piece martenowskie  wytapianie stali z surówki wielkopiecowej
i złomu stalowego; wskutek reakcji następuje utlenianie i związanie
składników (C, Si) występujących w nadmiarze i usunięcie
składników (S, P) szkodliwych.
Procesy elekrostalownicze  elektryczny wytop stali w piecach
łukowych lub indukcyjnych; proces dość kosztowny  produkcja
ogranicza się zwykle do stali stopowych i wyższych gatunków stali
węglowych.
Proces konwertorowy
Proces elektrostalowniczy
Metalurgia pozapiecowa
Celem metalurgii pozapiecowej
jest uzyskanie:
- pożądanego składu
chemicznego (zależnego
i zwiÄ…zanego z gatunkiem stali);
- Założonej czystości
metalurgicznej (minimalnej ilości
wtrąceń niemetalicznych,
gazów, optymalny kształt
wtrąceń niemetalicznych);
- Ujednorodnienia własności;
- Odpowiedniej temperatury
gwarantującej właściwy proces
odlewania.
Tradycyjne odlewanie stali
Tradycyjne odlewanie stali polega na
zalewaniu ciekłą stalą wlewnic żeliwnych,
o wymiarach zależnych od końcowego
wyrobu oraz założonego procesu przerobu.
Wlewnice mogą być zalewane od dołu
(odlewanie syfonowe) lub od góry.
Stal wlana do wlewnic po skrzepnięciu
stanowi wlewek.
Struktura wlewka
Zjawisku krzepnięcia towarzyszy krystalizacja, która zaczyna się
natychmiast po wypełnieniu wlewnicy.
Szybko stygnąca zewnętrzna część stali krzepnie, tworząc
cienka warstwę kryształów zamrożonych, których osie są
usytuowane w sposób przypadkowy.
Dalsze chłodzenie odbywa się wolniej i następna warstwa
kryształów jest gruboziarnista, a ich główne osie krystalizacji są
skierowane równolegle w kierunku odpływu ciepła.
Pozostała część metalu krzepnie jeszcze wolniej; kierunek
odpływu ciepła nie ma tu praktycznie znaczenia i dlatego
powstające w środku wlewka kryształy są jeszcze bardziej
gruboziarniste, a ich osie skierowane w sposób przypadkowy.
W czasie krzepnięcia stali przy ściankach wlewnicy krystalizuje
się stop o najwyższej temperaturze topnienia. Jest to stal o małej
zawartości węgla i składników stopowych.
Zanieczyszczenia, które mają najniższa temperaturę topnienia,
są spychane do środka wlewka przez narastające kryształy.
Przesuwają się one do górnej części wlewka, gdyż mają
1. Kryształy zamrożone
mniejszy ciężar właściwy niż stal.
2. Kryształy słupkowe
Stal wlana do wlewnicy, krzepnąc przy ściankach, tworzy jakby 3. Kryształy różnoosiowe
zamknięty pancerz napełniony wewnątrz ciekłą stalą. W miarę
4. Pęcherze gazowe
krystalizacji objętość stali się zmniejsza i nie wystarcza jej do
5. Jama skurczowa
wypełnienia całego pancerza. Przy głowie wlewka następuje
6. GÅ‚owa wlewka
skurcz, powstaje tam pustka zwana jamÄ… skurczowÄ….
krzepnÄ…ca w nadstawce
Odtlenianie stali
Wyższy stopień uspokojenia stali
oznacza podwyższenie jej jakości,
czyli zmniejszenie skłonności do
segregacji strefowych oraz do
pęknięć na gorąco i na zimno.
a) Stal nieuspokojona  odtleniona tylko manganem, w wyniku której z
krzepnÄ…cego wlewka wydobywajÄ… siÄ™ gazy, dajÄ…c zjawisko wrzenia. Wlewki
nieuspokojone nie wykazują jamy skurczowej, ponieważ wewnętrzne pęcherze
kompensują skurcz przy krzepnięciu. Wlewki mają we wnętrzu strefę segregacji
(zwiększona zawartość węgla, siarki i fosforu), która się przyczynia do zróżnicowania
właściwości mechanicznych i technologicznych wyrobów. Zawartość węgla do 0,2%
i manganu do 0,5%.
b) Stal półuspokojona  odtleniona manganem i niewielkim dodatkiem krzemu
(0,15%); wlewek krzepnie bez wrzenia, ale wydzielają się pęcherze wewnętrzne,
które również w pewnym stopniu kompensują skurcz i tworzenie się jamy
skurczowej.
c) Stal uspokojona  odtleniona krzemem (0,15-0,35%) i częściowo glinem, do tego
stopnia, że przy krzepnięciu wlewka nie zachodzą żadne reakcje z wydzielaniem się
gazów. Wlewki są wolne od wad, poza częścią górną, sąsiadującą z jamą usadową,
którą się odcina i odrzuca przy przeróbce plastycznej.
Odlewanie
ciągłe
" Ciekła stal z kadzi odlewniczej po otwarciu wylewu napełnia kadz
pośrednią, z której jest
podawana do krystalizatorów.
" Krystalizatory są intensywnie chłodzone wodą. Wprowadzona do krystalizatora stal krzepnie
na jego ściankach i głowicy urządzenia startowego.
" Gdy poziom stali nad tą głowicą osiągnie wysokość 300-400mm, uruchamia się rolki
ciÄ…gnÄ…ce oraz mechanizm oscylacji krystalizatora.
" Wielorolkowy układ ciągnący działa już bezpośrednio na wlewek ciągły, który po przejściu
przez rolki prostujące wychodzi na samotok. Na samotoku wlewek jest cięty na kęsy
odpowiedniej długości za pomocą palnika płomieniowego.
Struktura krystaliczna stali i stopów żelaza
Wszystkie metale i ich stopy majÄ… strukturÄ™ krystalicznÄ….
Budowa krystaliczna charakteryzuje się ułożeniem poszczególnych atomów
w sposób uporządkowany, według sieci przestrzennej (przestrzennej siatki
krystalicznej.
Rodzaje budowy krystalicznej metali w istotny sposób decydują o ich
właściwościach fizycznych, chemicznych i mechanicznych.
Proces krystalizacji podczas krzepnięcia dokonuje się w ten sposób, że
poszczególne sieci przestrzenne zawiązują się wokół pierwszej elementarnej
siatki ośrodka krystalizującego, rozbudowując się od niej we wszystkich
kierunkach.
Dendryty  nieregularne kształty kryształów,
przypominające gałązki drzew iglastych.
Krystality  ziarna metalu powstałe
z rozprzestrzeniających się dendrytów.
Odmiany alotropowe żelaza
Cechą charakterystyczną niektórych metali jest zdolność do przekształcania
swojej sieci krystalicznej w inną. Gdy ten sam metal przybiera różne sieci
przestrzenne, mówimy o odmianie alotropowej metalu.
Typowym przykładem takiego metalu jest żelazo, które w zależności od
temperatury przechodzi w dwie fazy alotropowe:
w temperaturze do 906ºC: po przekroczeniu 906ºC:
siatka przestrzennie centryczna siatka płasko centryczna
żelazo ą żelazo ł
Ä… Å‚
Ä… Å‚
Ä… Å‚
Podgrzane żelazo do temperatury 1401 ºC przyjmuje ponownie
strukturę przestrzennie centryczną, lecz o innych parametrach układu
regularnego (żelazo ´
´), taki stan trwa do temperatury 1528 ºC, powyżej
´
´
którego żelazo przejdzie w stan płynny.
Układ żelazo - węgiel
Stopy metali, w
odróżnieniu od
czystych metali, nie
krzepną w stałej
temperaturze, lecz w
określonym dla
danego stopu i składu
zakresie temperatury.
Na podstawie wykresu
można określić
przebieg krzepnięcia
stopów żelaza z
węglem, zmiany
zachodzÄ…ce w
stopach w stanie
stałym przy powolnym
ostudzeniu oraz ich
strukturÄ™ po
ostudzeniu.
Składniki strukturalne w układzie żelazo - węgiel
Ferryt  roztwór stały węgla w żelazie ą; krystalizuje w układzie regularnym,
przestrzennie centrycznym. W temperaturze pokojowej zawartość C wynosi
0,008% (prawie czyste żelazo); jest ciągliwy i miękki, ferromagnetyczny, ma
niewielką wytrzymałość i małą twardość, natomiast dużą plastyczność.
Cementyt (Fe3C) - związek chemiczny żelaza z węglem zawierający 6,67%
węgla, odznaczający się dużą twardością i kruchością; krystalizuje w układzie
rombowym; występuje w postaci płytek (cementyt płytkowy) lub w postaci kulek
(cementyt kulkowy); do temp. 210ºC wykazuje wÅ‚asnoÅ›ci ferromagnetyczne.
Perlit  jest mieszaniną drobnych kryształów ferrytu i cementytu, zawierającą
0,8% węgla; powstaje z rozkładu roztworu stałego węgla w żelazie ł (austenitu)
przy temp. 727ºC. Cienkie pÅ‚ytki kruchego cementytu w miÄ™kkim i plastycznym
ferrycie (perlit pasemkowy) podwyższają wytrzymałość i twardość, obniżając jego
własności plastyczne. Przy długotrwałym wygrzewaniu perlitu pasemkowego płytki
cementytu tworzą kuleczki rozłożone w masie ferrytu (perlit kulkowy).
Ledeburyt  stop o najmniejszej stałej temperaturze topnienia, złożony z
mieszaniny austenitu i cementytu, tworzący się przy krzepnięciu cieczy o
zawartoÅ›ci 4,3% C w temp. 1148 ºC. Po ochÅ‚odzeniu do temp. 727 ºC austenit
ledeburytu przemienia się w perlit; jest on głównym składnikiem białego żeliwa;
zwiększa on kruchość i utrudnia obróbkę skrawaniem.
Austenit  roztwór stały węgla w żelazie ł; istnieje w przedziale temperatur
723 -1492 ºC, krystalizujÄ…cy w ukÅ‚adzie regularnym pÅ‚asko centrycznym.
Maksymalna rozpuszczalność węgla w austenicie wynosi 2%.
Obróbka cieplna stali jest zabiegiem lub zespołem zabiegów cieplnych, pod
wpływem których zmienia się w stanie stałym strukturę stopów, a tym samym
ich właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne, w celu dostosowania jej
do wymaganych warunków pracy.
Wyżarzanie stali
Wyżarzanie jest to zabieg cieplny, polegający na nagrzaniu metalu
do określonej temperatury, wygrzaniu go w tej temperaturze
przez dostatecznie długi czas dla wyrównania temperatury w całej
masie materiału i następnie na ostudzeniu. Zależnie od wysokości
temperatury, sposobu studzenia oraz celu, w jakim przeprowadza
się zabieg, wyróżnia się kilka rodzajów wyżarzania:
Wyżarzanie zupełne
Wyżarzanie normalizujace
Wyżarzanie odprężające
Wyżarzanie rekrystalizujące
 Wyżarzanie zupełne ma na celu rozdrobnienie ziarn stali, usunięcie
struktury Widmannstättena, zapewnienie jednorodnej struktury oraz
usunięcie naprężeń; uzyskuje się wówczas polepszenie własności
plastycznych stali, przy zmniejszeniu jej twardości; polega na nagrzaniu
stali do temp. 30-50 ºC powyżej linii GSE oraz wygrzaniu jej i wolnym
ostudzeniu przynajmniej w zakresie temperatur krytycznych (pomiędzy
GSE i PSK).
Wyżarzanie normalizujace (normalizowanie) różni się od wyżarzania
zupełnego tylko sposobem chłodzenia (studzenie odbywa się w
powietrzu), ma na celu uzyskanie jednolitej drobnoziarnistej struktury
stali, polepszenie jej własności plastycznych i usunięcie naprężeń
wewnętrznych.
Wyżarzanie rekrystalizujące ma na celu usunięcie skutków zgniotu,
a więc zastąpienie odkształconej i twardej struktury miękką, zazwyczaj
drobnoziarnistÄ…; polega na nagrzaniu, przez co skutki zgniotu zostajÄ…
usunięte i metal odzyskuje prawidłową strukturę krystaliczną i
odpowiednie właściwości.
Wyżarzanie odprężające (odprężanie) ma na celu wydatne
zmniejszenia naprężeń własnych, powstałych przy obróbce
technologicznej stali (przeróbka plastyczna na gorąco i na zimno,
spawanie, zgrubna obróbka skrawaniem, prostowanie), bez wyraz
nych
zmian strukturalnych tej stali.
 Hartowanie polega na stopniowym nagrzaniu stali do temperatury nieco
wyższej od linii GSK, wygrzewaniu jej przez pewien czas, aż do otrzymania
struktury austenitycznej lub austenityczno  cementytowej, a następnie
szybkim oziębieniu w wodzie lub oleju. W wyniku hartowania otrzymuje się
strukturę martenzytyczną lub bainityczną, które zapewniają stali dużą
twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie, przy jednocześnie
zmniejszonej wydłużalności i udarności.
Martenzyt  składnik strukturalny hartowanych
stali i żeliw szarych. Jest to przesycony roztwór
stały węgla w żelazie ą o dużej twardości.
Powstaje podczas hartowania z przechłodzonego
austenitu w temp. 375-625 ºC. Ma bardzo drobnÄ…
strukturę, charakteryzującą się wydłużonym
kształtem cząstek.
Bainit  struktura przejściowa powstająca z
rozpadu przechłodzonego austenitu. Stanowi on
mieszaninę cementytu o dużej dyspersji w osnowie
rozkładu przesyconego roztworu żelaza ą.
 Odpuszczanie stosuje się w celu polepszenia właściwości
plastycznych stali i wyeliminowania w niej naprężeń hartowniczych.
Jest to zabieg cieplny, wykorzystywany w przypadku stali uprzednio
zahartowanych. Polega na nagrzaniu stali do temp. 180-700ºC,
wygrzaniu w tej temperaturze i następnie wolnym jej ochłodzeniu,
najczęściej na wolnym powietrzu.
Po pogrzaniu zahartowanej stali następuje zmiana struktury martenzytu:
- do temp. > 350ºC => troostyt
- w temp. 500-650ºC => sorbit
- do temp. 700ºC => cementyt kulkowy
Połączenie zabiegów hartowania i odpuszczania w wysokich
temperaturach nosi nazwÄ™ ulepszania cieplnego.
 Przesycanie  polega na nagrzaniu stali do temperatury, w
której jeden lub więcej składników przechodzi do roztworu
stałego (jednak bez przemiany alotropowej), wygrzaniu w tej
temperaturze i szybkim ochłodzeniu.
Przykład przesycenia: zabieg cieplny usunięcia cementytu
trzeciorzędowego w stalach miękkich, polegający na nagrzaniu stali
miÄ™kkiej do temp. 600-800ºC, wygrzaniu i ostudzeniu. Cementyt
trzeciorzędowy rozpuszcza się w ferrycie, a wskutek przyspieszonego
chłodzenia nie ma możliwości wydzielania się ferrytu. Cementyt znika
jako faza, a pozostaje przesycony ferryt. Stal staje się miękka i
plastyczna.
Starzenie  wydzielanie się z ferrytu składnika
przesycającego (cementytu trzeciorzędowego), któremu
towarzyszą zmiany właściwości stali. Stal staje się twardsza
bardziej wytrzymała, ale jednocześnie mniej ciągliwa i
krucha. Przyczyna starzenia leży w zmiennej
rozpuszczalności niektórych pierwiastków (C, N, O) w
ferrycie w zależności od temperatury. Starzenie w
normalnej temperaturze zachodzi po bardzo długim czasie,
a podgrzanie do 250-300ºC przyspiesza ten proces.
Ochrona stali przed starzeniem polega na zmniejszeniu
zawartości pierwiastków o zmiennej rozpuszczalności w
ferrycie oraz na dodaniu takich, które chemicznie wiążą się
z pierwiastkami wywołującymi starzenie np. Si, Mn, Al, Ti.