KONSTRUKČNÍ OCELI Obsah přednášky list č.

Prezentace na téma: "KONSTRUKČNÍ OCELI Obsah přednášky list č."— Transkript prezentace:

1 KONSTRUKČNÍ OCELI Obsah přednášky list č.
1. Rozdělení ocelí podle chemického složení, hlavních skupin jakostí a použití - ČSN EN ……………………………… až 6 2. Oceli pro ocelové konstrukce ………………………………… 3. Značení nelegovaných a nízkolegovaných konstrukčních ocelí dle ČSN ………………………………………… až 9 4. Nelegované konstrukční oceli (stručná charakteristika) … 5. Vybraná použití konstrukčních ocelí tříd 10, 11 a 12 ……… 6. Svařitelné oceli …………………………………………………… až 15 7. Oceli na hluboký tah ……………………………………………… 8. Oceli k cementování ……………………………………………… až 21 9. Oceli k zušlechťování …………………………………………… až 29 10. Doporučená literatura …………………………………………… 30 Ing. Lubomír Stránský CSc.

2 ČSN EN 10020 ROZDĚLENÍ PODLE CHEMICKÉHO SLOŽENÍ 1) Nelegované oceli
ROZDĚLENÍ PODLE HLAVNÍCH SKUPIN JAKOSTI 1) Skupiny nelegovaných ocelí 2) Skupiny legovaných ocelí B Oceli obvyklých jakostí QS Legované jakostní ocelí Q Nelegované jakostní oceli SS Legované ušlechtilé ocelí S Nelegované ušlechtlé oceli

3 B - nelegované oceli obvyklých jakostí
nejsou určeny k tepelnemu zpracování jsou předepsané pouze maximální obsahy P a S a min. obsah C předepsané mechanické vlastnosti v nezpracovaném nebo normalizačně žíhaném stavu

4 Q - nelegované jakostní oceli
Totéž co nelegované oceli obvyklých jakostí a navíc: jsou vyráběny s větší větší pečlivostí než oceli obvyklých jakostí max. obsah P a S < 0,045 % nemají předepsanou metalurgickou čistotu nemusí mít rovnoměrnou odezvu na tepelné zpracování jsou na ně však kladeny dodatečné požadavky (např. na tvařitelnost, mez kluzu při zvýšených teplotách, houževnatost aj.) S - nelegované ušlechtilé oceli Totéž co nelegované jakostní oceli a navíc: předepsané přesné chemické složení vyšší stupeň metalurgické čistoty max. obsah P a S < 0,025 % jsou většinou určeny k cementování, zušlechťování nebo povrchovému kalení a mají na tepelné zpracování rovnoměrnou odezvu předepsána minimální hodnota nárazové práce (KV > 27 J)

5 ROZDĚLENÍ OCELÍ PODLE POUŽITÍ
ČSN EN 10020 ROZDĚLENÍ OCELÍ PODLE POUŽITÍ První písmeno Oceli pro ocelové konstrukce S Oceli pro tlakové nádoby P Oceli pro potrubí I Oceli pro strojní součásti E Oceli pro výstuž do betonu B Oceli pro předpínací výstuž do betonu Y Oceli na kolejnice R Ploché výrobky válcované za studena z výšepevných ocelí k tváření za studena D Ploché výrobky k tváření za studena (kromě D) H Obalové plechy a pásy T Plechy a pásy pro elektrotechniku M

6 Vybrané nelegované oceli
Skupina nelegovaných ocelí Označení Mechanické vlastnosti Použití oceli ČSN ČSN EN Re [MPa] Rm A5 [%] obvyklé jakosti S235 235 360 až 440 27 ocelové konstrukce 11 600.1 E335N 335 588 až 706 14 strojní součásti jakostní 11 418.1 P265G 265 400 až 490 29 tlakové nádoby S355N 355 510 až 628 23 ušlechtilé C15E 295 490 až 740 k cementování C45E 390 640 až 780 20 k zušlechťování C75S 1470 1785 až 1960 2 na pružiny C105U+QT 64 HRC na nástroje ČSN význam číslice za tečkou .0 - tepelně nezpracováno .1 – normalizačně žíháno .4 – kaleno a popuštěno při nízkých teplotách .6 – zušlechtěno na dolní pevnost .8 – zušlechtěno na horní pevnost ČSN EN písmena před numerickou hodnotou S – ocel pro konstrukce, číslo mez kluzu v MPa E – ocel pro strojní součásti, číslo mez kluzu v MPa P – ocel pro tlakové nádoby, číslo mez kluzu v MPa C – písmeno = C uhlík (neleg. ocel se stř, obsahem Mn < 1%, pro nástroje, číslo = 100 x střední obsah uhlíku písmena za numerickou hodnotou N – normalizačně žíháno, nebo řízeně válcováno E – předepsaný max. obsah síry G – jiné charakteristiky H – vysoké teploty S – na pružiny U – nástrojové (+QT = stav zušlechtěný)

7 Oceli pro ocelové konstrukce – S
Požadavky vysoká Re, Rp0,2 - úspora materiálu Rm - méně vyžadováno vysoký modul pružnosti E dobré plastické vlastnosti A, Z dobrá houževnatost - nárazová práce KV, KU mez únavy sC odolnost proti porušení křehkým lomem - tranzitní teplota odolnost proti opotřebení dobré kluzné vlastnosti odolnost proti korozi nízká hmotnost aj.

8 Základní značka . doplňkové číslo
Značení nelegovaných a nízkolegovaných konstrukčních ocelí dle ČSN Základní značka . doplňkové číslo 41x x x x . x x stav oceli v závislosti na TZ třída oceli informace závislé na třídě oceli pořadové číslo Třída 10 -> 3 a 4 číslice Rm v desítkách MPa (00 základní jakost) Třída 11 -> 3 a 4 číslice Rm v desítkách MPa (1 = automat. ocel + C) Třída 12 až 16 -> 3. číslice stř. obsah legujících prvků v % 4. číslice stř. obsah C v desetinách % .0 – tepelně nezpracováno .1 – normalizačné žíháno .2 – žíháno s uvedením způsobu .3 – žíháno na měkko .4 – kaleno nebo kaleno a popuštěno .5 – normalizačně žíháno a popuštěno .6 – zušlechtěno na dolní pevnost .7 – zušlechtěno na střední pevnost .8 – zušlechtěno na horní pevnost .9 – stavy, jež nelze označit 0 až 8

9 Rozdělení tvářených konstrukčních ocelí do tříd 11 až 16 (ČSN 42 0002)
Význam prvního dvojčíslí

10 Nelegované konstrukční oceli (stručná charakteristika)
Třída 10 převážnou část tvoří oceli nízkouhlíkové není předepsán obsah uhlíku, ani stupeň čistoty některé druhy mají předepsány max. obsahy C, S a P zaručují se pouze základní mechanické vlastnosti (Re, Rm, A) nepoužívají se k cementování, zušlechťování a povrchovému kalení Třída 11 zaručena horní hranice obsahu C a P a S, případně chemické složení zaručené mechanické vlastnosti použití většinou ve stavu normalizačně vyžíhaném do 0,2 % C jsou dobře svařitelné, tvařitelné i dobře obrobitelné některé značky jsou určeny k hlubokému tažení (nesmějí vykazovat výrazný sklon k stárnutí) nad 0.3 % představují základní řadu pro výrobu strojních součástí, mohou se zušlechťovat, prokalitelnost nepřesahuje 25 až 30 mm vysokouhlíkové oceli jsou vhodné na součásti vystavené opotřebení Třída 12 Oceli mají vyšší čistotu, lépe definované a zaručované vlastnosti oproti třídám 10 a 11, společně s ocelemi tříd 13 až 16 je to základní konstrukční materiál, optimálních vlastností se dosahuje tepelným zpracováním

11 Vybraná použití konstrukčních ocelí tříd 10, 11 a 12
Rozmezí obsahu uhlíku v ocelích v jednotlivých třídách třída 10 nepředepisuje se (jsou však převážně nízkouhlíkové) třída 11 od 0,07 do 0,85 % C (včetně povoleného rozmezí v dané třídě) třída 12 od 0,07 do 0,90 % C (včetně povoleného rozmezí v dané třídě)

12 Svařitelné oceli Vlastnosti svařitelných oceli
požadovaná hodnota meze kluzu dobrá svařitelnost dobrá houževnatost i za teplot -20°C až -30 °C → odolnost proti porušení křehkým lomem odolnost proti změnám vlastností za provozu → stárnutí Zvýšení Re nad 350 MPa se dosahuje náhradou intersticiálního zpevnění C - substitučním zpevněním feritu (Mn, Si) mikropřísadami Al, Mo, Nb, V ,Ti ( setiny %) → precipitační zpevnění matrice + vázání C a N (karbidy, nitridy) → potlačení stárnutí, zábrana růstu zrna + snížení Cekv. řízeným válcováním (precipitáty Nb, Mo zpomalují rekrystalizaci austenitu v průběhu válcování, Al, Ti brání růstu zrna) termomechanickým zpracováním zpevněním bainickou nebo martenzitickou přeměnou (komplexně legované oceli ∑( Mn, Cr, Mo, Ti, Nb, V, B do 3 až 4%), matrice obvykle dvoufázová ferit + bainit nebo martenzit), Re nad 500 MPa

13 Tepelně ovlivněná oblast svaru
Charakteristická pásma v tepelně ovlivněné oblasti při svařování ocelí s polymorfní přeměnou g→ a

14 Svařitelnost nelegovaných (uhlíkových) ocelí
jsou zaručeně svařitelné do maximálního obsahu uhlíku Cmax.= 0,22 % uhlík v tepelně ovlivněné oblasti (TOO) způsobuje zvýšení tvrdosti a snižuje plasticitu → vznik vnitřních pnutí → vznik prasklin může dojít ke - hrubnutí zrna (rekrystalizace po předchozím tváření za studena) - rychlé ochlazení → Widmannstättenova struktura, martenzit - za provozu stárnutí svarových spojů Svařitelnost legovaných ocelí pro oceli s obsahem C ≤ 0,22 hm.% je nutné určit ekvivalentní obsah uhlíku Cekv , který musí být ≤ 0,50 neboť se uplatňuje : přítomnost legujících prvků v oceli tloušťka stěny svařence t [ mm ] Vztah platí platí do obsahu prvků: [v hm.%] 0,22 % C; 1,6 % Mn; 1,0 % Cr; 3,0 % Ni; 0,14 % V; 0,3 % Cu

15 Příklady ocelí pro svařované konstrukce
Pro všeobecné použití S 235, S 275, S 355, S 420 ,S 460 Pro snížené teploty Ocel Báze (stř. hodnoty) [hm. %] Použití [°C] 11 419 11 503 max. 0,2 C; min. 0,02 AI max. 0,18 C; max. 1,4 Mn; max. 0,08 Nb; min. 0,01 AI - 50 16 222 16 320 max. 0,18 C; 1 Ni; 0,06 Nb 0,15 C; 3 Ni 0.15 C; 3 Ni - 70 - 150 Pro zvýšené teploty Ocel Báze (stř.hodnoty) [hm. %] Použití [°C] 12 021 12 022 12 025 0,2 C; 0,5 Mn; 0,25 Si; max 0,25 Cr; max 0,25 Ni; max 0,25 Cu max 0,25 C; 0,27 Si; 0,65 Mn; max 0,25 Cr 0, 71 C; 0,27 Si; 0,8 Mn RmT do 500 Rp0,2 do 15 313 15 236 15 320 15 423 (10CrMo 9-10); 0,23 C; 0,6 Mn; 2,25 Cr; 1,0 Mo ( - ); 0,22 C; 0,45 Mn; 1,35 Cr; 0,35 Mo; 0,5 V ( - ); 0,24 C; 0,65 Mn; 1,35 Cr; 0,6 Mo; 0,25 V ( - ); 0,2 C; 3,2 Cr; 0,6 Mo; 0,5 V Rp0,2 do 500 RmT do 575 RmT do 570 Rp0,2 do 450

16 Mechanické vlastnosti
Oceli na hluboký tah Charakteristika ocelí u ocelí se požaduje co nejnižší mez kluzu, poměr (Re:Rm)·100 ≈ 60%, tažnost min. 45% (nejjakostnější oceli mají Re max. 160MPa) matrici tvoři ferit s malým množstvím perlitu bez vyloučeného Fe3CIII po hranicích (snižuje plastické vlastnosti) je požadována odolnost proti stárnutí Vybrané oceli ze skupiny jakosti: D - Ploché výrobky k tváření za studena Značka ČSN EN Chemické složení v % Mechanické vlastnosti C max. Mn Si P S Re [Mpa] Rm [MPa] A [%] 11 301 DX51 0,08 0,40 0,030 0,030. 31 11 304 DC03 0,07 0,025 215 36 11 305 DC04 11 320 DC01 0,11 0,045 max260 30 11 321 (DC01) 0,10 0,45 0,035 235 29 D – ploché výrobky k tváření za studena; C – válcováno za studena; X – způsob válcování nepředepsán; číslo = pořadové číslo oceli

17 Oceli k cementování (ČSN EN 10 084)
Charakteristika ocelí jsou určeny k výrobě strojních součástí nebo součástí dopravních prostředků s cementovanými činnými plochami mají nízký obsah uhlíku po cementování se kalí a nízkoteplotně popouští po TZ mají díly vysokou tvrdost povrchové vrstvy a houževnaté jádro Prokalitelnost u uhlíkových ocelí se prokalitelnost nezaručuje legované oceli se dodávají bez nebo se zárukou prokalitelnosti (uvádí se minimální a maximální zaručované hodnoty tvrdosti v jednotkách HRC v závislosti na vzdálenosti od plochy kaleného čela čelní zkoušky prokalitelnosti → zkouška Jominiho) Velikost zrna oceli musí být jemnozrnné Čistota oceli : ocel musí vykazovat stupeň čistoty odpovídající jakosti ušlechtilé oceli (přítomnost sulfidů, oxidů, silikátů, nitridů po př. hlinitanů) Volba oceli je závislá na požadované tvrdosti cementační vrstvy a pevnosti a houževnatosti jádra součásti po tepelném zpracování

18 Oceli k cementování Nelegované (uhlíkové) oceli Cmax. od 0,14 do 0,24%
použitelné pro méně namáhané a méně rozměrné součásti malá prokalitelnost, nižší Rm jádra, nesnáší větší měrné tlaky kalí se do vody → velké vnitřní pnutí, nerovnoměrná tvrdost povrchové vrstvy Legované cementační oceli vyšší pevnost a houževnatost jádra při větších měrných tlacích větší prokalitelnost, větší tvrdost a odolnost proti opotřebení používají se pro součásti větších průřezů a pro součásti tvarově složité kalí se převážně do oleje → nižší vnitřní pnutí Oceli Cr a Cr - Mn pro středně namáhané cementované součásti; Cr-Mn oceli patří k nejpoužívanějším a nejúsporněji legovaným; jsou citlivé na přehřátí (hrubnutí zrna) a oba typy jsou náchylné k popouštěcí křehkosti; kalí se do vody nebo do oleje Oceli Cr- Mn mikrolegované Ti nebo Ti + Zr jsou jemnozrnné cementační oceli Oceli Cr – Ni přísada Ni výrazně zvyšuje prokalitelnost, (kalí se do oleje nebo i na vzduchu); necitlivé na přehřátí; přidání 0,5% Mo vede k potlačení sklonu k popouštěcí křehkosti; použití: čepy řízení, křížové klouby motorových vozidel Oceli Ni – Cr - Mo, příp. Ni – Cr – W jsou nejjakostnější cementační oceli, kalí se na vzduchu nebo do oleje, Rm jádra až 1300 MPa, nárazová práce až 100 J, vhodná i k zušlechťování

19 Vybrané oceli k cementování
Stř. chemické složení Vlastnosti jádra Příklady použití ČSN EU C max Mn Cr Ni Rm [MPa] Rp0,2 KCU [J.cm-2] 12 023 C15E 0,20 0,75 max. 0,25 0,30 490 až 740 295 98*) méně namáhané čepy, pouzdra, vačkové hřídele, ozubená a řetězová kola 14 220 16MnCr5 0,19 1,25 0,95 790 590 49 značně namáhaná ozubená a řetězová kola, čepy, kardanové kříže 14 221 20MnCr5 0,22 1,15 980 690 20 velké součásti s velmi tvrdou vrstvou a velkou pevností jádra 16 220 15NiCr6 0,85 1,45 880 640 59*) velmi namáhaná ozubená kola, drážkové hřídele 16 231 19CrNi8 0,24 735 49*) velmi namáhané části vystavené opotřebení – pastorky, pístní čepy, kardany 16523 14NiCr18 0,45 1,50 3,6 1570 až 1700 1350 50 velmi namáhané strojní součásti s vysokou pevností a dobrou houževnatosí v jádře

20 Ukázka materiálového listu oceli C15E (12 023)

21 Ukázka materiálového listu oceli 16MnCr5 (14 220)

22 Oceli k zušlechťování (ČSN EN 10 083)
jsou určeny k výrobě strojních součástí, které se tepelně zpracovávají převážně zušlechťováním (mart. kalení + vysokoteplotní popouštění) některé izotermickým zušlechtěním (bainit) případně jsou používány ve stavu normalizačně žíhaném (v tomto stavu jsou mechanické vlastnosti oceli dány převážně obsahem uhlíku, typ i úroveň legování se projevují málo výrazně) základní požadovaná vlastnost - prokalitelnost Nelegované uhlíkové oceli k zušlechtění jsou vhodné jen oceli třídy 12. Použití je omezeno na méně namáhané součásti (malá prokalitelnost). Kalí se do vody. Legované oceli volí se především z důvodu prokalitelnosti oceli jsou legovány komplexně a mají celkový obsah přísad obvykle do ≈ 3% přísadovými prvky se dosahuje dalších specifických vlastností ocelí: potlačení sklonu k popouštěcí křehkosti (Mo, W) malé deformace při kalení (Ni) pozvolný pokles houževnatosti s klesající teplotou (Ni) snížení přechodové teploty (Ni) zjemnění zrna a necitlivost na přehřátí při austenitizaci (Ti, Nb, V) apod.

23 Chemické složení nelegovaných ocelí k zušlechťování
Nelegované uhlíkové oceli k zušlechtění jsou vhodné jen oceli třídy 12. Použití je omezeno na méně namáhané součásti. Kalí se do vody. Označení oceli Chemické složení tavby ( hmotnostní podíl v % ) EU ĆSN C Si max Mn P max S Cr Mo Ni V Cr+Mo+Ni C22E 12 024 0,17-0,24 0,40 0,40 - 0,70 0,035 max 0,035 max 0,40 max 0,10 - max 0,63 C25E 12 030 0,22 - 0,29 lnaí.0,10 C30E 12 031 0,27 - 0,34 0,50 - 0,80 max CC.10 C35E 12040 0,32 - 0,39 max. 0,035 max. 0,40 max. 0,10 max. 0,63 C40E 12041 0,37 - 0,44 C45E 12050 0,42 - 0,50 ,80 C50E 12051 0,47 - 0,55 0,60 - 0,90 max 0,-iQ C55E 12060 0,52 - 0,60 max' O^lt) C60E 12061 0,57 - 0,65 ,90 max. 0.40

24 Mechanické vlastnosti nelegovaných ocelí k zušlechťování
Mechanické vlastnosti ve stavu zušlechtěném pro směrodatný průměr d Označení oceli d ≤16 mm 16 mm < d ≤ 40 mm 40 mm < d ≤ 100 mm Re min Rm A Z KV EU ČSN MPa % J C22E 12 024 340 20 50 290 22 C25E 12 030 370 19 45 320 21 C30E 12 031 400 18 40 350 300' 12040 430 17 35 380 C40E 12041 460 16 30 C45E 12050 490 14 25 C50E 12051 520 13 - 15 C55E 12060 550 12 420 C60E 12061 580 850-I000 11 450

25 Chemické složení legovaných ocelí k zušlechťování
Vybrané celi k zušlechťování: manganová chromová chrom-molybdenová chrom-nikl-molybdenová chrom-vanadová Cr+Mo+Ni V Ni Mo Cr S P max Mn Si max C ĆSN EU Chemické složení tavby ( hmotnostní podíl v % ) Označení oceli - 0,10-0,25 0,90 -1,20 max. 0,035 0,035 0,70-1,10 0,40 0,47 - 0,55 51CrV4 3,60-4,10 0,25 - 0,45 1,60 - 2,00 max 0,025 0,030 0,30- 0,60 0,32 - 0,39 36CrNiMo16 1,30 -1,70 0,15 - 0,30 1,30-1,70 0,50- 0,80 0,30 - 0,38 16 343 34CrNiMo6 0,90-0,20 0,15-0,30 0,90-1,20 max 0,035 0,32 - 0,40 36CrNiMo4 0,46 - 0,54 50CrMo4 0,60- 0,90 0,38 - 0,45 15 142 42CrMo4 man. 0,035 0,30 - 0,37 15 131 34CrMo4 0,22 - 0,29 15130 25CrMo4 41Cr4 0,34 - 0,41 14 140 37Cr4 0,30- 0,37 34Cr4- 34Cr4 0,40 - 0,60 0,42- 0,50 46Cr2 0,35- 0,42 38Cr2 max 0,63 max 0,40 max 0,10 1,30- 1,65 0,25 -0,32 28Mn6

26 Mechanické vlastnosti legovaných ocelí k zušlechťování
Vybrané oceli k zušlechťování: manganová chromová chrom-molybdenová J % MPa ČSN EU KV min Z A Rm Re 160 mn < d ≤ 250 mn 100 mm < d ≤ 160 mn 40 mm < d ≤ 100 mm Označení oceli Mechanické vlastnosti ve stavu zušlechtěném pro směrodatný průměr d 30 50 13 550 30í! 650 12 700 50CrMo4 35 55 14 500 42CrMo4 45 60 15 450 34CI Mo4 - 16 400 25CrMo4 40 560 41Cr4 510 37Cr4 460 34Cr4 46Cr2 17 350 38Cr2 440 28Mn6

27 Oceli k zušlechťování

28 Digramy ARA a pásy prokalitelnosti
0,44%C, 0,22%Si, 0,60%Mn, 0,15%Cr nelegovaná ocel 0,40%C, 0,70%Mn, 1,80%Cr, 0,15%V legovaná ocel 12 050 C45E 15 241 (42CrV6)

29 Zušlechťovací diagramy
0,44%C, 0,22%Si, 0,60%Mn, 0,15%Cr nelegovaná ocel 0,40%C, 0,70%Mn, 1,80%Cr, 0,15%V legovaná ocel C45E (42CrV6)

30 Literatura Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003) Pluhař, J. a kol.: Nauka o materiálech. SNTL, Praha, 1989 Askeland, D.R.- Phulé, P.P.: The Science and Engineering of Materials. Thomson-Brooks/Cool, 4th ed (5th ed. 2005) Callister, W.D., Jr.: Materials Science and Engineering. An Introduction. John Wiley & Sons, Inc., 6th ed., 2003 Doporučeno k nahlédnutí: