KOVY Verze 06b (pro 1. roč.) Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně Prof. Ing. Leonard Hobst, CSc. Tel.: 54114 7836, mail: hobst.l@fce.vutbr.cz
Osnova přednášky 1. Úvod 2. Výroba železa 3. Druhy ocelí ve stavebnictví 3.1 Betonářská ocel 3.2 Konstrukční ocel 4. Litina 5. Neželezné kovy
ÚVOD Kovy jsou krystalické látky, většinou slitiny základního kovu s dalšími chemickými prvky (kovy i nekovy). Typické vlastnosti: - tažnost, kujnost, velká pružnost a pevnost, elektrická a tepelná vodivost, značná měrná hmotnost a vysoký bod tání Základní dělení kovů: kovy lehké (do 5000 kg/m 3 ) x kovy těžké kovy nízkotavitelné x kovy vysokotavitelné kovy železné x kovy neželezné
Prvé železo využívané lidmi bylo železo meteorické
Postup při výrobě: a) Získání surového kovu z rud a výroba slitin (obor metalurgie) b) Produkce kovových výrobků různými technologiemi - tváření za tepla (válcování, protlačování) - odlévání - beztřískové obrábění (kování, tváření za studena, lisování)
2. Výroba železa a oceli 2.1 Výroba surového železa Výroba surového železa - probíhá ve vysoké peci redukcí železnatých rud působením paliva, struskotvorných přísad a předehřátého vzduchu. Železné rudy horniny, které obsahují železo v takovém množství, že je z nich možné hospodárně vyrábět surové železo. Nejdůležitější železné rudy: magnetovec (magnetit) nejbohatší železná ruda 45 až 70% Fe krevel (hematit) obsahuje 30 až 65% Fe, málo P a Mn hnědel (limonit) nejrozšířenější ruda, obsah 30 až 40% Fe ocelek (siderit) uhličitan železnatý FeCO 3, obsah 30 až 45% Fe chamosit - obsahuje 30 až 40% Fe
Výška VP: 26 m -32 m Objem VP: 1000-1500m 3 Doba průtavu: 8-12 hod.
Vysoká pec šachtová pec, se žáruvzdornou (šamotovou) vyzdívkou. Vnitřní průměr je cca 10 m, výška 20 až 30 m, objem je 1000 až 1500 m3. Vysokého žáru v peci je dosaženo spalováním koksu se vzduchem, předehřátým na 900 0 C a vháněným do pece přetlakem. Surové železo v tekutém stavu se hromadí v nístěji, odkud je po 4 až 6 hod. vypouštěno k dalšímu zpracování. Nad surovým železem se drží vysokopecní struska, která je vypouštěna periodicky zvláštním otvorem. Při výrobě železa vzniká i vysokopecní (kychtový) plyn, který má dobrou výhřevnost a je využíván pro ohřev vzduchu. Na 100 kg surového železa připadá 100 kg strusky. Surové železo produktem vysoké pece, obsahuje 3,5 až 4,5% uhlíku a v malém množství Mn, S, P a Si. Podle dalšího zpracování rozeznáváme surové železo ocelárenské a slévárenské
Elektrická pec na výrobu surového železa Elektrody (27-30 ka) U = 60-120 V
Technické železo obsahuje: - čisté železo (Fe) - doprovodné prvky - do železa se dostávají samovolně ( uhlík, síra, fosfor, křemík) - legovací přísady zlepšují některé vlastnosti železa (chrom, nikl, wolfram, mangan, molybden, vanad aj.) - UHLÍK (C) je rozhodujícím prvkem, který zásadně ovlivňuje vlastnosti technického železa. Vniká do železa z paliva při výrobě ve vysoké peci a slučuje se se železem na karbid železa (cementit). Podle množství uhlíku C dělíme technické železo na: nekujné obsah uhlíku je větší než 1,7% surové železo kujné obsah uhlíku menší než 1,7% ocel
2.2 Výroba oceli Ocel- na rozdíl od surového železa je kujná, pevná, houževnatá a tvárná. Je to slitina železa s uhlíkem (max. 1,7%). Podstatou výroby oceli je oxidace a tím odstranění přebytečných příměsí, především C, Si, S, P. Takto vyrobená tekutá ocel se nazývá plávková. Výroba plávkové oceli a) V Siemens- Martinských pecích plamenná zkujňovací pec, vytápěná směsí vysokopecního, koksárenského nebo zemního plynu. Tyto vytápěcí plyny a vzduch se předehřívají v regenerátorech. Pece se staví na 200 až 300 t oceli, výjimečně na 1000 t oceli. V peci se dosahuje teploty 1800 0 C. Tímto způsobem se u nás vyrábí 90% oceli.
Schéma Siemens-Martinské pece T = 1200 o C T = 1700 o C Délka tavby: 6 až 12 hod.
b) V konvertorech jsou to nádoby, do kterých je dnem vháněn vzduch, který okysličuje C a další příměsi. Spalováním příměsí se udržuje tavenina tekutá. Důležitá je i vyzdívka konvertoru. Při kyselé (silikátové) dostáváme ocel Bessemerovu, při zásadité (dolomity) ocel Thomasovu. Konvertory jsou stavěny na obsah 15 až 45 t, výjimečně 60 t. Při použití kyslíku místo vzduchu, lze i v konvertorech vyrábět ocel vysokých kvalit.
Zpracování oceli v konvertoru
Odlévání oceli do forem (kokil) a jejich další zpracování kontinuální lití není třeba forem, vhodnější tvar pro další zpracování INGOT
2.3 Vlastnosti oceli a) Vlastnosti málo závislé na složení a zpracování oceli Měrná hmotnost: ρ = 7 850 kg/m 3 Modul pružnosti: E = 210 000 MPa Modul pružnosti ve smyku: G = 81 000 MPa Souč. délk. teplot. roztažnosti: α = 12.10-6 K -1 Součinitel příčné deformace: ν = 0,3
b) Vlastnosti oceli, ovlivněné jejím složením Souč. tepelné vodivosti: λ = 75 W.m-1.K-1 čisté Fe λ = 50 W.m-1.K-1 max. obsah C λ = 15 W.m-1.K-1 vysokolegované oceli Pevnost v tahu: = 250 až 2000 MPa vzrůstá s %C Mez průtažnosti: cca 50 až 80 % meze pevnosti v tahu Tažnost: 10 až 25 % u běžných ocelí S množstvím uhlíku roste pevnost a mez průtažnosti, klesá tažnost a kontrakce. Větší množství uhlíku podporuje odolnost proti korozi, ale zhoršuje svařitelnost. Pevnost oceli v tahu je výrazně ovlivněna teplotou. Od teploty 300 0 C začíná klesat, při teplotě 500 0 C je na 50 % původní hodnoty.
Pevnost oceli v tlaku nelze vzhledem k houževnatosti materiálu určit, a proto se uvažuje stejná jako pevnost v tahu. (V ČSN 73 1401 se nově uvažuje výpočtová pevnost v soustředném tlaku v případě bodového zatížení přibližně 5x větší nežli pevnost v tahu. Deformační (pracovní) diagram vyjadřuje vztah mezi napětím a deformací oceli. Má několik oblastí:
Deformační diagram oceli Ocel tvářená za tepla Ocel tvářená za studena 4 4 3 5 3 5 2 2 1 1 σ 1 napětí na mezi úměrnosti (σ = E.ε) σ 4 mez pevnosti σ 2 napětí na mezi pružnosti (0,01%) σ 3 mez průtažnosti σ 5 mez porušení
2.4 Tepelné zpracování oceli Žíhání lze získat rovnoměrnou strukturu kovu, zlepšit obrobitelnost a odstranit vnitřní pnutí (kov se zahřeje na kalící teplotu cca 600 0 C a pak se pomalu ochlazuje) Kalení dosahuje se pevnosti a tvrdosti (kov se zahřeje na kalící teplotu a prudce se ochladí). Na tvrdost oceli po zakalení má největší vliv obsah C. Zakalená ocel má vždy značné vnitřní napětí, které se snižuje popouštěním. Oceli uhlíkové se kalí do vody, oceli slitinové do oleje. Patentování tepelné zpracování, kterým se dosahuje vysoké pevnosti drátů (drát se zahřívá na vysokou teplotu 1000 0 C a pak prochází olověnou lázní o teplotě 520 0 C) Popouštění odstraňuje se vnitřní pnutí zakalených ocelí ( mírný ohřev na 180 až 200 0 C) Zušlechťování kombinované tepelné zpracování (kalení a popouštění)
2.5 Značení oceli Číselná značka je pětimístné číslo - určující základní materiál. Např.: 10216, 10335, 10338, 10425, 11373 10 33 5 První dvojčíslí značí skupinu materiálu 10 oceli stavební ( nezaručený obsah P a S) 11 - oceli strojní ( zaručený obsah P a S) 12 až 16 nízkolegované konstrukční oceli rozlišené podle legovacích prvků 17 - vysokolegované oceli 18 - slinuté karbidy 19 nástrojové oceli
10 33 5 Druhé dvojčíslí: a) u ocelí 10 a 11 značí desetinu jmenovité meze pevnosti v MPa, (u betonářských ocelí desetinu jmenovité meze kluzu v MPa ) b) u ostatních tříd značí složení oceli Pátá číslice závisí na druhu oceli Třída 10 (pro beton. kce): 0 válcováno za tepla 5 zaručená svařitelnost 6 dobrá svařitelnost 7 špatná svařitelnost 8 zkrucováno za studena Třída 10 (pro ocel. kce): 0 normální jakost Třída 11: číslice jsou pořadové
do 31.12. 2007 E 10 216 K 10 245 J 10 335 T 10 338 V 10 425 R 10 505 ROXOR
Betonářská ocel od roku 2008 pro železobetonové konstrukce podle ČSN 42 0139 Výrobkové normy a dodací podmínky betonářské oceli 10 335, 10 338, 10 425, 10 505, 10 607 jsou od 1.1.2008 pro železobetonové konstrukce podle nově vydané ČSN 42 0139 zrušeny.
Betonářská ocel od roku 2008 pro železobetonové konstrukce podle ČSN 42 0139 B500A B beton 500 (400, 420, 550).mez kluzu Re (MPa) A.. uvádí minimální hodnotu tažnosti Agt (%), celkové prodloužení při největším zatížení a současně poměr meze pevnosti tahu/mez kluzu Rm/Re Agt = 2, 5 % a Rm/Re = 1,05 B.. Agt = 5, 0 % a Rm/Re = 1,08 C.. Agt 7,5 % a Rm/Re = 1,15 až 1,35 (Třinecké železárny a.s nevyrábí, proto není jakost uvedena v ČSN 42 0139) Specializační kurz pro svařování betonářských ocelí (ocelových výztuží) na úrovni specialisty ANB TP C 027
Betonářská ocel od roku 2008 pro železobetonové konstrukce podle ČSN EN 10080 po přijetí harmonizované normy jednotně všechny jakosti B500A, B500B, B500C, B550A, B550B, B550C s nebo bez podélných výstupků Specializační kurz pro svařování betonářských ocelí (ocelových výztuží) na úrovni specialisty ANB TP C 027
2.6 Koroze výztuže Ocel podléhá na vzduchu ve vlhkém prostředí korozi, která může být na povrchu nebo uvnitř kovu. Podle vzniku rozeznáváme korozi: a)chemickou b) Elektrochemickou Během koroze se zvětšuje objem výztuže až na trojnásobek, což může způsobit odtržení krycí vrstvy výztuže a tím zvýšit působení agresivních účinků prostředí na obnaženou výztuž. Důlková koroze místní povrchová koroze při působení halogenidů (chloridů)
Odpadlá vrstva krycího betonu
3. Druhy oceli ve stavebnictví 3.1 Betonářská ocel - je určena k vyztužování ŽB a předpjatých konstrukcí přebírá v konstrukci napětí v tahu a ve smyku. Druhy výztužných ocelí: A) Betonářská výztuž netuhá, měkká výztuž, prostě vložená do betonu, nevyvozuje v něm napětí, s ohybovou tuhostí se nepočítá. Za výztuž do betonu se používají většinou výrobky z oceli třídy 10, až na vyjímky je válcovaná za tepla.
Z hlediska chemického složení a mechanických vlastností se dělí na: uhlíkaté oceli měkké (C neudáno), válcované za tepla, nízká mez průtažnosti např. oceli 10 216, 10 245 uhlíkaté oceli středně tvrdé (0,1 0,55% C), válcované za tepla, mají vyšší mez průtažnosti a povrchovou úpravu pro lepší soudržnost s betonem, např. ocel 10 335 legované oceli válcované za tepla, zvláštní povrchová úprava a vyšší mez průtažnosti, např. 10 425, 10 505 oceli tvářené za studena upravují se z předchozích tří skupin, nejčastěji zkrucováním tyčí podél podélné osy, 10 338
B) Předpínací výztuž tvrdá výztuž z patentovaných drátů, uměle vyvozuje v konstrukci napětí Patentované dráty mají průměr 2 až 7 mm, s mezí kluzu 1000 až 1600 MPa a mezí pevnosti 1400 až 2000 MPa (čím jsou dráty tenší, tím vyšší mají mez kluzu). Pramence (pletence) z patentovaných drátů, splétají se ze 2 až 7 kusů drátů. Jejich průměr je 6 až 15 mm.
C) Tuhá výztuž válcované profily pro spřažené ocelobetonové prvky, s ohybovou tuhostí se počítá.
D) Rozptýlená výztuž ocelové drátky
3.2 Konstrukční ocel platí norma ČSN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí, sjednocená s ČSN P ENV 1993-1-1 Materiály vlastnosti se vyjadřují: výpočtovou hodnotou Xd, která odpovídá příslušné pravděpodobnosti vzniku mezního stavu charakteristickou hodnotou Xk, která odpovídá 5% kvantilu skutečného statistického rozložení příslušné materiálové veličiny jmenovitými hodnotami pokud nejsou charakteristické hodnoty známy
4. Litina Slitina železa s obsahem uhlíku více než 1,7 %. Je křehká, nekujná, nesvařitelná, neboť při teplotě 1200 0 C začíná tát, bez předchozího měknutí. Nedá se zpracovávat kováním, lisováním nebo válcováním dá se pouze odlévat. a) Šedá litinaje slitina železa (Fe) s uhlíkem (C) - 2,4% Vyrábí se přetavováním šedého surového železa a přísad. Šedá litina se skládá z ocelové základní hmoty, která je porušena lamelami grafitu (σ = 7200 kg/m 3 ). Šedá litina je dobře obrobitelná a má velkou odolnost proti povětrnosti a korozi. Fersilit obsahuje 16 až 18% Si. Dobrá odolnost proti horkým koncentrovaným kyselinám (neobrobitelná, křehká).
b) Bílá litina užívá se k výrobě temperované litiny. Na lomu je bílá, je velmi tvrdá, prakticky neobrobitelná. c) Temperovaná litina nazývaná též kujná litina, je houževnatá a snadno obrobitelná. Vyrábí se temperováním výrobků z bílé litiny (dlouhodobým žíháním)
5. Neželezné kovy 5.1 Hliník a jeho slitiny Hliník(Al) je znám od poč. 19. stol. jako prvek. Jako kov je používán od konce 19. stol. Je to nejrozšířenější kov v přírodě zemská kůra obsahuje 7% hliníku, v čisté formě se však v přírodě nevyskytuje. Pro výrobu se používají suroviny s vysokým obsahem Al 2 O 3 bauxit, nefelin a alumit. Výroba je složitější než u oceli - uskutečňuje se elektrolýzou. Pro výrobu 1 t hliníku je zapotřebí 16 000 až 20 000 kwh el. Energie. Vlastnosti: Měrná hmotnost: 2700 kg/m 3 Modul pružnosti v tahu a tlaku: 65 až 72 GPa Modul pružnosti ve smyku: 27 GPa Mez průtažnosti: 50 až 100 MPa Souč. tepelné vodivosti: 125 až 210 W. m -1. K -1 Souč. tepelné roztažnosti: = 23. 10-6 K -1
Slitiny hliníku: Dural má vyšší pevnost přidáním Cu, Mg, Zn, Ni, Mn. Kromě pevnosti a tvrdosti je vyšší i tvárnost a korozivzdornost. Hydronalium zvýšená odolnost proti korozi Al- Mg. Silumin vhodné k odlévání Al-Si Hliníkový prášek - se používá jako plynotvorná přísada při výrobě plynobetonů a plynosilikátů
5.2 Měď a její slitiny Měď (Cu) má velmi dobré mechanické vlastnosti, výborná je vodivost tepla a elektrického proudu, je odolná proti korozi a je dobře tvárná za tepla i za studena. Patří k nejstarším známým kovům (4 000 let př.k). V přírodě se nalézá v ryzím stavu na několika místech na Zeměkouli nejvíce Hořejšího jezera na Hranicích USA a Kanady. Získává se z rud, které jsou nejčastěji sirníky (chalkopyrit, bornit), méně oxidy(malachit, kuprit). Zpracovává se v pecích šachtových nebo plamenných. Dále se rafinuje elektrolyticky. Vlastnosti: Měrná hmotnost: 8930 kg/m 3 Teplota tání: 1083 0 C Modul pružnosti v tahu: 123 Gpa Pevnost v tahu : 220 MPa Souč. tepelné roztažnosti: = 16,5. 10-6 K -1
Přírodní měď
Velká výhoda mědi odolnost proti povětrnosti Tvorba hnědočerveného Cu 2 O Patina (erugo) CuCO 3. Cu(OH) 2 6.4. 2002 18.5. 2002 16.5. 2003 30.3.2008
Slitiny mědi: Mosaz - slitina mědi (Cu) se zinkem (Zn) - mědi má být více než 50%. Pevnost mosazi je větší než u mědi až 400 MPa. Používá se na výrobu armatur a vodovodních rozvodů. Bronz slitina mědi(cu) s cínem (Sn)- až 20% a dále Al, Mn, Ni, aj. Fosforbronz má vysokou pružnost, pevnost v tahu 900 až 1100 MPa. Použití v hodinářství, strojírenství a elektrotechnice. Hliníkový bronz obsah 5% Al, pevnost může být 400 až 800 MPa. Použití při stavbě nádrží, čerpadel, kondenzačních zařízení.
Bronz z hlediska historie Počátek doby bronzové Egypt 3.tis. př.k. a) Bronz na mince 5% Sn+1% Zn + 94% Cu b) Dělovina 10% Sn + 90% Cu c) Zvonovina 20% Sn + 80% Cu d) Zrcadlovina 30% Sn + 70% Cu
5.3 Ostatní kovy Cín (Sn) - ( = 7280 kg/m 3 ) zdravotně nezávadný, proto použití v potravinářství. Součástí měkké pájky a licích kompozic pro kluzná ložiska. Výroba Woodova kovu (50% Bi, 27% Pb, 13% Sn a 10% Cd) teplota tání 70 0 C. Chrom(Cr) ( = 7 100 kg/m 3 ) významná legovací přísada do oceli. Použití v odporových slitinách a na galvanické pokovení. Molybden (Mo) - ( = 10 200 kg/m 3 ) přísada do jakostních ocelí, snáší vysoké teploty výroba vláken do žárovek.
Nikl (Ni) ( = 8 900 kg/m 3 ) legovací přísada do oceli. Používá se na pokovení méně ušlechtilých kovů. Též výroba magnetů. Olovo (Pb) - ( = 11 340 kg/m 3 ) pláště kabelů a odpadní roury. Dříve byl používán i pro přívod pitné vody (vznik chronické otravy saturnismu ve starém Římě). Používá se na těsnění hrdel kanalizačních rour a při výrobě stínění krytů proti záření. Stříbro (Ag) - ( = 10 500 kg/m 3 ) má vysokou vodivost el. proudu, využití v elektrotechnice a ve fotografické chemii. Titan (Ti) - ( = 4 530 kg/m 3 ), kov budoucnosti, jeho slitiny jsou pevnější než ocel, velká odolnost proti korozi. Výroba je dosud velmi drahá.
Uran(U) těžký kov ( = 19 050 kg/m 3 ), výroba stínících krytů. Wolfram (W) - velmi těžký kov ( = 19 300 kg/m 3 ), používá se na výrobu vláken žárovek a stínění krytů radionuklidů. Zinek (Zn) - ( = 7 130 kg/m 3 ), značná korozivzdornost proto velké použití ve stavebnictví na střešní krytiny. Nyní se spíše zinkuje- máčením nebo žárovým stříkáním. Zlato (Au) ( = 19 210 kg/m 3 ), neoxiduje, nepůsobí na něj vlhkost, je odolné proti kyselinám i zásadám, rozpouští se pouze v lučavce královské (aqua regia) 1 díl HNO 3 + 3 díly HCl. Je to nejstarší kov, který lidstvo používalo.
Ceny vybraných kovů k dubnu 2011 Fe železo Cu měď Al hliník Zn zinek Ni nikl Pb olovo Sn cín Ti titan Au zlato Ag stříbro Pt platina 6 Kč/kg 160 Kč/kg 45 Kč/kg 41 Kč/kg 450 Kč/kg 47 Kč/kg 550 Kč/kg 6 500 Kč/kg 840 000 Kč/kg 25 000 Kč/kg 1 000 000 Kč/kg
Významné slitiny kovů Invar nejnižší teplotní roztažnost α = 1,6.10-6 K -1 slitina Fe 65% + Ni 35% Alpaka- stříbřitý kov náhrada stříbra slitina Cu 64% + Ni 15% + Zn 21% Woodův kov- nejnižší bod teploty tání 68 0 C slitina Bi 50% + Pb 27% + Sn 13% + Cd 10% Auerův kov zhotovují se z něho kamínky do zapalovače Ce 65% + Fe 35%
KONEC