142
SPIS TREŚCI
Rozdział1 Podstawowe wiadomości o stali. str 1
1.1 Trochę historii str 1
1.2 Zastosowanie stali. str 2
1.3. Produkowany asortyment stali str 2
1.4. Stopy żelaza na tle wykresu żelazo-węgiel. str 3
1.5 Mikrostruktura stali str 9
1.6 Obróbka cieplna stali. 12
1.7 Własności mechaniczne stali str 14
1.9 Wykres σ(ε). str 17
1.10 Zadania str 18
Rozdział 2 Połączenia spawane
2.1 Elektrody stosowane w konstrukcjach stalowych str.24
2.2 Rodzaje spoin. str 24
2.3. Połączenia na spoiny czołowe. str 25
2.4 Połączenia na spoiny pachwinowe. str. 27
2.5 Wymagania normowe połączeń spawanych. str. 28
2.6 Zadania str. 31
Rozdział 3 Połączenia punktowe str.51
3.5 Połączenia zakładkowe zginane.str. 61
3.6 Połączenia zakładkowe cierne. str. 64
3.8 Zadania str. 75
4.1 Wiadomości wstępne str. 91
4.2 Całkowanie równania odkształconej, określenie współczynnika długości wyboczeniowej str. 91
4.3 Równowaga statyczna prętów ściskanych str. 96
4.4. Zadanie str.98
5.1 Przekroje jednokierunkowo zginane str. 124
5.2 Przekroje dwukierunkowo zginane. str. 131
5.3 Nośność belek zginanych z uwzględnieniem dodatkowego ściskania str.133
5.4 Środnik belki pod obciążeniem skupionym. str. 135
5.5 Przekroje klasy IV pracujące w stanie nadkrytycznym. str. 137
B. Zestawienie norm europejskich zawierających spawalne stale konstrukcyjne str. 181
C. System oznaczania stali wg EN str. 182
D. Zasady oznaczania elektrod wg PN-EN 499 „Elektrody otulone do ręcznego spawania łukowego stali niestopowych i drobnoziarnistych” str. 184
E. Kształtowniki str. 198
Literatura str. 222
Rozdział 1 Podstawowe wiadomości o stali.
1.1 Trochę historii
Żelazo jest jednym z najpopularniejszych metali znajdujących się w skorupie ziemskiej. Można go znaleźć niemal wszędzie, w połączeniu z innymi pierwiastkami, w postaci rudy. W Europie wytwarzanie żelaza rozpoczęło się w 1700 r. p. n. e.
Od czasów Hetytów do końca średniowiecza, technologia wytwarzania żelaza pozostała niezmieniona: rozpalano na przemian ułożone warstwy rudy i drewna (lub węgla drzewnego) aż do otrzymania masy stopionej rudy. Następnym etapem było intensywne kucie młotem w celu usunięcia nieczystości. W ten sposób otrzymywano surówkę żelaza, gotową do odlewania. Formę odlewniczą przygotowywano niedaleko od topniska, w którym przygotowywano metal. Najpierw była to prosta, stożkowa dziura w ziemi, następnie topnisko przekształciło się w niski piec trzonowy, który następnie podlegał dalszemu doskonaleniu. Początkowo można było w ten sposób otrzymać kilka kilogramów żelaza, lecz do czasów średniowiecza technika został udoskonalona do tego stopnia, że wydajność takich pieców wzrosła do 50-60 kilogramów. Ponadto od samego początku otrzymywano niewielkie ilości stali, tj. żelaza wzbogaconego węglem. Ten rodzaj materiału okazał się twardszy i bardziej odporny.
W XV wieku skonstruowano pierwsze tzw. wysokie piece, (które później ustąpiły wielkim piecom hutniczym) o wysokości 4-6 metrów. Pozwoliły one na przypadkowe, jednakże niezwykle cenne odkrycie: metalu na bazie żelaza w formie płynnej, żeliwa, które wykorzystywane było do produkcji wszelkiego rodzaju produktów (garnków, kul armatnich, rusztów, rur itp.).
Odkrycie żeliwa pozwoliło również na produkcję żelaza w dużych ilościach za pomocą techniki oczyszczania. Podgrzewano sztabę żeliwa, jednocześnie powodując nadmuch powietrza, dzięki czemu węgiel zawarty w żeliwie ulegał spaleniu, a żelazo skapywało kropla po kropli, formując masę surówki żelaznej.
W roku 1786 trzej francuscy naukowcy, Berthollet, Monge i Vandermonde, precyzyjnie określili zależności między żelazem, żeliwem i stalą, oraz rolę węgla w wytwarzaniu i charakterystyce każdego z trzech wymienionych materiałów.
Jednak dopiero w XIX wieku, wraz z wielkimi odkryciami (Bessemer, piece Thomasa i Martina) stal zaczęła świętować sukcesy, a jej produkcja zwiększać w sposób spektakularnie szybki, tak że w krótkim czasie stal stała się najważniejszym metalem rewolucji przemysłowej.
Na początku XX wieku światowa produkcja stali wynosiła 28 milionów ton, tj. sześć razy więcej niż w roku 1880.
Na początku I wojny światowej, produkcja stali osiągnęła poziom 85 milionów ton. W ciągu kilku dziesięcioleci produkcja stali znacznie się zwiększyła, a urządzenia ze stali zastąpiły większość urządzeń wykorzystywanych w przemyśle produkcyjnym, zastępując żelazo w większości zastosowań.
1.2. Zastosowanie stali.
Stal to żelazo z dodatkiem węgla w stosunku od bliskiego zera procent, w ilościach niemal śladowych, do około 2%. Zawartość węgla ma wielki wpływ na charakterystykę otrzymanego metalu.
Istnieją dwie największe rodziny stali: stale stopowe i stale węglowe (niestopowe). Określenie stopowa odnosi się do pierwiastków chemicznych, innych niż węgiel, dodawanych do żelaza, zgodnie z minimalnym zmiennym stężeniem dla każdego z nich.
Na przykład: 0,50% silikonu, 0,08% molibdenu, 10,5% chromu. W ten sposób stop 17% chromu i 8% niklu stosowany jest to produkcji stali nierdzewnej. Z tego właśnie powodu istnieje więcej niż jeden rodzaj stali.
W chwili obecnej istnieje ponad 3000 skatalogowanych rodzajów (składów chemicznych), nie licząc tych, które wytwarzane są według konkretnych zamówień na życzenie klienta. Każdy z nich daje w rezultacie stal o najbardziej odpowiedniej charakterystyce, odpowiadającej zapotrzebowaniom projektantów.
1.3. Produkowany asortyment stali:
· dwuteowniki, ceowniki,
· grodzice,
· kątowniki i płaskowniki,
· blachy,
· profile zimnogięte,
· pręty zbrojeniowe, rury i inne
· stal jakościowa.
1.4. Stopy żelaza na tle wykresu żelazo-węgiel.
Określenia:
Cementyt jest związkiem chemicznym węgla z żelazem (węglikiem żelaza). Ponieważ rozpuszczalność węgla w żelazie α jest mała, więc w strukturze stali przy niewysokich temperaturach, występują niemal zawsze fazy o dużej zawartości węgla — cementyt lub inne węgliki.
Struktura krystaliczna cementytu jest bardzo skomplikowana. Określa się ją jako strukturę rombową. Temperatura topnienia cementytu wynosi ~1600°C. [1]
Ferryt jest roztworem stałym, bardzo małej ilości węgla w żelazie a.
Własności fizyczne i mechaniczne ferrytu są zbliżone do własności żelaza a. Na przykład, twardość ferrytu wynosi ok. 80 HB, Rm =~300 MPa. Na wykresie żelazo-węgiel znajduje się na lewo od krzywej AHN i GPQ (rys. 1-1). Podobnie jak żelazo a, ferryt jest ferromagnetyczny do temperatury 768°C.
Ferryt d jest roztworem stałym węgla w odmianie żelaza a. Jest to wysokotemperaturowa odmiana żelaza. Wykazuje on większą rozpuszczalność węgla niż ferryt a (do 0,09%),
Austenit jest roztworem stałym, węgla w żelazie γ i jest oznaczany Feγ o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,06%. W temperaturze 1147° C Obszar austenitu ograniczony jest na wykresie Fe-Fe3C linią NJESG (rys. 1-1). W stopach żelaza z węglem w stanie równowagi austenit występuje jedynie w temperaturach wyższych od 723°C. W niektórych stalach stopowych, zawierających np. nikiel lub mangan, austenit w stanie równowagi istnieje także w temperaturach niższych.
Perlit jest eutektoidalną mieszaniną dwóch faz: ferrytu i cementytu, zawierającą 0,77%÷0,8% węgla Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 723°C. [1], [2]. Niektórzy autorzy podają temperaturę występująca przy powstawaniu perlitu jako mniejszą niż 727°C. [3], [4]. Przemiana eutektoidalna zachodzi we wszystkich stopach o zawartości węgla wyższej od punktu P (0,0218%) (rys. 1-1) [4]. Perlit jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1.
Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,26% C. Jest składnikiem strukturalnym surówek białych. Cechuje go dość znaczna twardość (ok. 450 HB)[1] i kruchość. Występuje również w niektórych narzędziowych stalach stopowych. Poniżej temperatury 727° C występuje jako ledeburyt przemieniony i składa się z cementytu i perlitu.
Grafit jest składnikiem strukturalnym surówek (żeliw) szarych i pstrych. Jest on odmianą alotropową węgla o strukturze heksagonalnej. Gęstość grafitu jest znacznie mniejsza od żelaza (2,22 Mg/m3). Wytrzymałość ok. 20 MPa. Temperatura topnienia wynosi 3500° C. Jest słabym przewodnikiem elektrycznym. Grafit powstaje w wyniku przemiany eutektycznej (1154°C). W wyniku tej przemiany z cieczy o zawartości 4,26% C powstaje eutektyka złozona z austenitu i drobnego grafitu. [4]W surówkach występuje w postaci wydzieleń o różnym kształcie, najczęściej jako płatkowy lub kulisty (sferoidalny). Może wydzielać się bezpośrednio z fazy ciekłej lub powstawać w wyniku rozkładu cementytu (węgiel żarzenia).
Żelazo występuje w przyrodzie pod postacią związków chemicznych, najczęściej z tlenem. W technice, poza nielicznymi wyjątkami, stosuje się stopy żelaza z różnymi składnikami, z których najważniejszym jest węgiel: oprócz węgla, techniczne stopy żelaza zawierają zawsze pewne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu, wchodzace do stopu w czasie procesów metalurgicznych. W czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów żelaza zachodzi w nich szereg przemian, aż do topnienia włącznie; obrazuje je tzw. wykres żelazo-węgiel nazywany nieraz wykres żelazo-cementyt, lub Fe-Fe3C (rys. 1-1).
Linie ciągłe dotyczą tzw. układu żelazo-cementyt, to znaczy stopów, w których węgiel występuje pod postacią cementytu (węglika żelaza, Fe3C). Jest to tzw. układ metastabilny. Linie przerywane - układu żelazo-grafit, a więc stopów, w których węgiel występuje pod postacią grafitu. Jest to tzw. układ stabilny. [3]
Wykres można podzielić na dwie części:
a) część górna (linie ABCD i AHJECF) przedstawia przebieg topnienia przy nagrzewaniu albo krzepnięcia przy stygnięciu,
b) część dolna (linie HNJ, GSE, GPSK, PQ) przedstawia przebieg tzw. przemian w stanie stałym.
Jeżeli ciekły stop żelaza z węglem zacznie stygnąć, to początek krzepnięcia(w zależności od zawartości węgla) będzie się znajdował na krzywej ABCD (tzw. linia likwidusu - od łacińskiego słowa liquidus = płynny), a koniec krzepnięcia na linii AHJECF (tzw. linia solidusu od łacińskiego słowa solidus = stały, mocny). W temperaturach powyżej linii likwidusu występuje, więc stop w stanie ciekłym, w obszarze między liniami likwidusu i solidusu - stop w stanie częściowo ciekłym (ciecz z wydzielonymi z niej kryształami), poniżej linii solidusu - stop całkowicie zestalony. Na przykład stop o zawartości 3% C zacznie krzepnąć w temp. ok 1280°C, wydzielając kryształy o składzie oznaczonym przez linię JE; pozostała ciecz wzbogaca się przy tym w węgiel i temperatura początku jej krzepnięcia obniża się, przesuwając się w kierunku punktu C; ostatnie krople stopu będą miały skład odpowiadający punktowi C i skrzepną w temp. 1130°C (temperatura eutektyczna). Niektórzy autorzy temperaturę eutektyczną określają jako 1154°C. [1], [3] Tę samą temperaturę końca krzepnięcia będą mieć wszystkie stopy żelaza z węglem o zawartości węgla większej
Rys. 1-1. Wykres żelazo - węgiel
niż 2,0%. Czyste żelazo topi się krzepnie w stałej temperaturze 1539°C. Również w stałej temperaturze (1130°C), a nie w zakresie temperatur, topi się i krzepnie stop o zawartości 4,3% węgla (stop eutektyczny), zwany ledeburytem.Stopy żelaza stosowane w praktyce i określane jako surówki i żeliwa zawierają zazwyczaj węgiel w granicach 2,0-4,3%, a więc jeżeli nie ma oddziaływania dodatków stopowych, to wszystkie one zaczynają się topić w temp. 1130°C (1135°C), a kończą się topić różnie, zależnie od zawartości węgla,...
wojtek0018