2. Materiály a jejich charakteristiky Austenitické, duplexní, feritické, martenzitické a precipitačně vytvrzené oceli. Značení, vlastnosti a použití.

Transkript

1 2. Materiály a jejich charakteristiky Austenitické, duplexní, feritické, martenzitické a precipitačně vytvrzené oceli. Značení, vlastnosti a použití. Materiál Nerezové (korozivzdorné) oceli patří mezi legované oceli a mají: min. 10,5% Cr max. 1,2 % C Značení: (ČSN EN Systémy označování ocelí, ČSN EN Korozivzdorné oceli) legující prvky, [%] značka: např. X5CrNi18-10 (původně DIN) vysokolegovaná (> 5 % jednoho prvku) obsah C [100 %] - zde 0,05% konkrétní ocel ve skupině číslo materiálu: např. tatáž ocel ( třída oceli ) ocel korozivzdorná ocel mající 2,5 % Ni, bez Mo, Nb, Ti Skupina 44 je s molybdenem Nerezové konstrukce 1

2 Z hlediska navrhování je důležité zpevnění tvarováním za studena (vede k vyšší smluvní mezi kluzu f y i vyšší mezi pevnosti f u ): třída podle zpracování za studena: CP350 až CP700 (odpovídající C700 až C1000 pro f u ) zvýšená 0,2 % (smluvní) mez kluzu f y v [MPa] (Eurokód připouští běžný návrh pouze pro třídu CP350, resp. C700) Tyto třídy zaručí výrobce (např. u trubek), nebo musí potvrdit zkušebna. Podle hlavních vlastností (ČSN EN 10088: Korozivzdorné oceli): a) Oceli odolné korozi: Chrom vytváří povlak oxidu chromu, "pasivní vrstvu" (sama se obnovuje). (Oceli 1.40, 1.41, 1.43, až 1.46 : např. běžné , , ) b) Oceli žáruvzdorné: Mají dobrou odolnost proti oxidaci a plynům při teplotách > 500 ºC. (Oceli 1.47, 1.48 ) c) Oceli žáropevné: Mají dobrou odolnost proti deformaci při zatížení a teplotách > 500 ºC. (Oceli 1.49 ) Nerezové konstrukce 2

3 Redukční součinitele při požáru: porovnání uhlíkové a nerezové oceli 1,0 E a,θ / E a pro modul pružnosti 0,8 0,6 0,4 0,2 uhlíková ocel nerezové oceli pro 800 ºC: pro nerezové cca 7x vyšší 0 20º 200º 400º 600º 800º 1000º 1200ºC T [º C] pro mez kluzu f y,θ / f y 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 20º nerez nerez º uhlíková ocel nerez nerez nerez º 600º 800º 1000º 1200ºC pro 800 ºC: pro nerezové cca 2x vyšší T [º C] Nerezové konstrukce 3

4 Rozdělení podle mikrostruktury: feritické oceli martenzitické oceli (C < 0,8 %, magnetické, hůře svařitelné), (C < 1,0 %, magnetické, tvrdé - na ložiska apod., precipitačně vytvrzené oceli (dodatečné tepelné vytvrzení martenzitu), austenitické oceli (Cr %, Ni 8,5-14,5 %, Mo 2-2,5%) nemagnetické, ve stavebnictví nejběžnější, austeniticko-feritické (duplexní) oceli (Cr %, Ni 4,5-6,5 %, Mo 2,5-3,5 %, N 0,1-0,22 %) lepší, vyšší pevnost, větší odolnost proti korozi, dražší, mosty. Ni [%] precipitačně vytvrzené oceli martenzitické oceli austenitické oceli austeniticko-feritické oceli feritické oceli Cr [%] Nerezové konstrukce 4

5 Příklad typických struktur: feritická ocel martenzitická ocel austenitická ocel duplexní ocel Nerezové konstrukce 5

6 Třídy obsažené v ČSN EN : American Iron and Steel Institute/ American Society for Testing and Materials třída oceli podle AISI/ASTM Chromniklové austenitické LN , L LN Chromniklmolybdenové austenitické , , L LN Ti LN L Super austenitické (zlepšené protikorozní vlastnosti, cca 25%Cr, 7%Ni, 3,5%Mo, N) % molybdenum Duplexní Feritické weldable Nerezové konstrukce 6

7 Nové druhy nerezových ocelí pro stavební konstrukce (levnější): 1. Nízkolegovaná duplexní ocel ( lean duplex grade): (LDX 2101, podle ASTM S32101) složení: 0,03% C; 21,5 % Cr; 5% Mn; 1,5% Ni; 0,3% Mo; 0,22% N vlastnosti: vysoká pevnost (f y 450 MPa; f u 650 MPa; δ 30%; KV 20º C 60 J; α = 0, ), dobrá svařitelnost, jako u ostatních duplexních ocelí, korozní odolnost jako u austenitických ocelí, dobrá únosnost při únavě. 2. Feritické oceli: (podle ASTM 441) - X2CrTINb18 legury zlepšují svařitelnost a tvárnost (podle ASTM 444) - X2CrMoTi18-2 legury zlepšují odolnost proti korozi Nerezové konstrukce 7

8 Mechanické vlastnosti nerezových ocelí: nelineární pracovní diagram (Ramberg-Osgoodův model) jiné vlastnosti příčně, podélně, vtlaku, v tahu σ [MPa] korozivzdorné oceli σ [MPa] tlak - příčně tah - příčně tlak - podélně tah - podélně uhlíkové oceli ε ε Pozn.: Eurokód dovoluje počítat s jednotnými návrhovými hodnotami, stvenými pro podélný tah. Nerezové konstrukce 8

9 Běžné výpočty podle ČSN EN : E = MPa (G = MPa) f y (smluvní mez kluzu) a f u (mez pevnosti) podle tříd a tloušťky t: např. nejběžnější oceli, pro t 6 mm (resp. 75 mm): (austenitická) X5CrNi18-10 f y = 230 (210) MPa f u = 540 (520) Mpa (austenitická) X5CrNiMo f y = 240 (220) MPa f u = 530 (520) Mpa (duplexní) X2CrNiMoN f y = 480 (460) MPa f u = 660 (640) Mpa tažnost vysoká (40 60 %), velká tepelná roztažnost (α = 0, , běžná ocel 0, ), křehkolomové vlastnosti výborné až do - 40º C. Nerezové konstrukce 9

10 σ 0.2 = f y Náročnější výpočty (v souladu s ČSN EN ): Ramberg-Osgoodův model: σ σ ε = , σ E fy f e E 0,2 n R-O parametr: : n = : n = 5 σ f u f max f p σ 0.2 = f y Běžný model: E 1 E ε o,e ε e ε 0.2 = ε ε max ε ε max E ε p 0,2 a) ε max u ε Pro deformace nad smluvní mezí kluzu (pro σ f y ) doporučuje Eurokód vhodnější vztah, platný v souladu s experimenty až do ε 10 %: fy E m m = 1+ 3, 5 Ey = fy σ fy σ fy f E u ε 0, 002 ε 1+ 0, 002n = u + ε0. 2 E E y fu f f f y y y εu = 1 f u Nerezové konstrukce 10

11 [F1: soli; F2: SO 2 ;F3: čistění + oplach vodou] Výběr korozivzdorní oceli pro konstrukce (Pozn: podle změny A1 (5/2016) se výběr provádí podle třídy korozní odolnosti CRC (I až V) stvené podle součinitele korozní odolnosti CRF = F1 + F2 + F3, detaily viz norma). Třída oceli Typ prostředí a korozní kategorie Venkovské Městské Průmyslové Přímořské N S V N S V N S V N S V uvnitř lze - - uvnitř lze často čistit často čistit často čistit - často čistit lze lze lze lze často čistit často čistit lze lze lze lze lze lze lze lze lze lze N nízká korozní agresivita (nízká vlhkost a teploty), S střední (typická) korozní agresivita, V vysoká korozní agresivita (vysoká vlhkost, teplota znečistění). Nerezové konstrukce 11

12 Příklady použití korozivzdorných ocelí na stavební konstrukce: Austenitické oceli (nižší f y, α , ): (X5CrNi18-10) - malé protikorozní nároky (levnější), [v USA 304] (X5CrNiMo ) - vyšší korozní odolnost, plechy a profily s pískovanými a elektroleštěnými povrchy [316], (X2CrNiMo ) - vyšší korozní odolnost, střešní plechy, táhla na mostech [316 L], (X5CrNiMo ) - lisované profily se saténovou úpravou, pavoukové držáky skleněných tabulí apod. Austeniticko-feritické (duplexní) oceli (vysoké f y, α ): (X2CrNiN23-4) - exponované nosné části konstrukcí, (X2CrNiMoN22-5-3) - vysoká korozní odolnost (též vůči chloridům, SO 2,...) exponované nosné části mostů. spec. (X2CrNiMoCu ) - vysoká smluvní mez kluzu (f y = 500 MPa), použitá na La Grande Arche, α , (X2CrNiMo18-4-3) - vysoká korozní odolnost, použita na zábradlí mostů. Nerezové konstrukce 12