KOVY

1. KOVY Verze – 03 (pro 1. roč.) Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně Doc. Ing. Leonard Hobst, CSc. Tel.: 54114 7836, mail: hobst.l@fce.vutbr.cz

2. 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

3. ÚVOD Kovy– jsou krystalické látky, většinou slitiny základního kovu s dalšími chemickými prvky (kovy i nekovy). V praxi využívané kovy jsou z 95% k.železné a z 5% k. neželezné 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/m3) x kovy těžké kovy nízkotavitelné x kovy vysokotavitelné kovy železné x kovy neželezné

4. 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) Postup při výrobě kovů:

5. Prvé železo využívané lidmi bylo železo meteorické

6. 2. Výroba železa a oceli

7. 2.1 Výroba surového železaVýroba 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% Fekrevel (hematit) – obsahuje 30 až 65% Fe, málo P a Mnhnědel (limonit) – nejrozšířenější ruda, obsah 30 až 40% Feocelek (siderit) – uhličitan železnatý FeCO3, obsah 30 až 45% Fechamosit - obsahuje 30 až 40% Fe

9. 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 0C 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.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

10. Výška VP:26 m -32 mObjem VP:1000-1500m3Doba průtavu:8-12 hod.

12. Elektrická pec na výrobu surového železa Elektrody (27-30 kA)

13. 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 železokujné – obsah uhlíku menší než 1,7% → ocel

14. 2.2 Výroba oceli Ocel- na rozdíl od surového železa je kujná, pevná, houževnatá atvárná. 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 0C. Tímto způsobem se u nás vyrábí 90% oceli.

15. Schéma Siemens-Martinovy pece

16. b) V konvertorech – nádoby, do kterých se dnem vhání 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 konvertory vyrábět ocel vysokých kvalit.

17. Zpracování oceli v konvertoru

18. Elektrická a kelímková ocel – dosahuje se teploty až 3500 0C přímou přeměnou elektrické energie v tepelnou v pracovním prostoru pece. Ocel nepřichází do kontaktu se spalinami – dociluje se vysoká kvalita a rovnoměrnost složení. • Podle způsobu přeměny elektrické energie na tepelnou máme elektrické pece odporové, obloukové a indukční.

19. Odlévání oceli – do forem (kokil) → a jejich další zpracováníkontinuální lití – není třeba forem,vhodnější tvar pro další zpracování INGOT

20. 2.3 Vlastnosti ocelia) Vlastnosti málo závislé na složení a zpracování oceliMěrná hmotnost: ρ = 7 850 kg/m3Modul pružnosti: E = 210 000 MPaModul pružnosti ve smyku: G = 81 000 MPaSouč. délk. teplot. roztažnosti: α = 12.10-6 K-1Součinitel příčné deformace: ν = 0,3

21. b) Vlastnosti oceli, ovlivněné jejím složenímSouč. 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 vysokolegovanéPevnost v tahu: = 250 až 2000 MPa vzrůstá s %CMez průtažnosti: cca 50 až 80 % meze pevnosti v tahuTažnost: 10 až 25 % u běžných ocelíS 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 0C začíná klesat, při teplotě 500 0C je na 50 % původní hodnoty .

22. 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:

23. Deformační diagram oceli Ocel tvářená za tepla Ocel tvářená za studena 4 4 3 3 5 5 2 2 1 1 σ1 – napětí na mezi úměrnosti (σ=E.ε)σ4 – mez pevnosti σ2 – napětí na mezi pružnosti (Δ<0,01%)σ5 – mez porušení σ3 – mez průtažnosti(smluvní 0,2 v EU, 0,1 v USA)

24. 2.4 Tepelné zpracování oceli 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 sekalí do vody, oceli slitinovédo oleje. Žíhání – lze získat rovnoměrnou strukturu kovu, zlepšit obrobitelnost a odstranit vnitřní pnutí (kov se zahřeje na kalící teplotu cca 600 0C a pak se pomalu ochlazuje) Patentování – tepelné zpracování, kterým se dosahuje vysoké pevnosti drátů (drát se zahřívá na vysokou teplotu 1000 0C a pak prochází olověnou lázní o teplotě 520 0C) Popouštění – odstraňuje se vnitřní pnutí zakalených ocelí ( mírný ohřev na 180 až 200 0C) Zušlechťování – kombinované tepelné zpracování (kalení a popouštění)

25. Damascenská ocel

26. 2.5Značení oceli Číselná značka je pětimístné číslo - určující základní materiál. Např.: 10216, 10335, 10338, 10425, 11373 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

27. Druhé dvojčíslí: a) u ocelí 10 a 11 značí desetinu jmenovité meze pevnosti v MPa, (u „betonářských ocelí“ desetinu jmenovitémeze 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

28. do 31.12. 2007 E 10 216 K 10 245 J 10 335 T 10 338 V 10 425 R 10 505 ROXOR

29. 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.

30. 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

31. Betonářská ocel od roku 2008 pro železobetonové konstrukce podle ČSN 42 0139 B550A, B550B (B550C není uvedena) ale také BSt 550 S podle DIN 488-2 (označení IV S) se čtyřmi podélnými výstupky Specializační kurz pro svařování betonářských ocelí (ocelových výztuží) na úrovni specialisty – ANB TP C 027

32. 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)

34. Odpadlá vrstva krycího betonu

35. 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 vyjimky je válcovaná za tepla.

36. 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

37. 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.

38. C) Tuhá výztuž – válcované profily pro spřažené ocelobetonové prvky, s ohybovou tuhostí se počítá.

39. D) Rozptýlená výztuž – ocelové drátky

40. 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

41. 4. Litina Slitina železa s obsahem uhlíku více než 1,7 %. Je křehká, nekujná, nesvařitelná, neboť při teplotě 1200 0C začíná tát, bez předchozího měknutí. Nedá se zpracovávat kováním, lisováním nebo válcováním – dá se pouze odlévat. a) Šedá litina- je 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. 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.

42. 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)

43. 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 Al2O3 – 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:ρ =2 700 kg/m3 Modul pružnosti v tahu a tlaku: E = 65 až 72 GPa Modul pružnosti ve smyku: G = 27 GPa Mez průtažnosti: 50 až 100 MPa Souč. tepelné vodivosti: λ = 125 až 210 W. m-1. K-1 Souč. tepelné roztažnosti:  = 23 . 10-6 K-1

44. 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 výroběplynobetonů a plynosilikátů

45. 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: ρ = 8 930 kg/m3 Teplota tání: 1 083 0C Modul pružnosti v tahu: E = 123 GPa Pevnost v tahu : 220 MPa Souč. tepelné roztažnosti:  = 16,5 . 10-6 K-1

46. Přírodní měď

47. Velká výhoda mědi – odolnost proti povětrnosti Patina (erugo) Tvorba hnědočerveného Cu2O CuCO3.Cu(OH)2 6.4. 2002 18.5. 2002 16.5. 2003 30.3.2008

48. 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.

49. Bronz z hlediska historie Počátek doby bronzové – Egypt 3.tis. př.K. • Bronz na mince – 5% Sn+1% Zn + 94% Cu • Dělovina – 10% Sn + 90% Cu • Zvonovina – 20% Sn + 80% Cu • Zrcadlovina – 30% Sn + 70% Cu

50. 5.3 Ostatní kovy Cín (Sn) - ( = 7280 kg/m3) zdravotně nezávadný, proto použití v potravinářství. Součástí měkké pájky a licích kompozic pro kluzná ložiska. Chrom(Cr) – ( = 7 100 kg/m3) významná legovací přísada do oceli. Použití v odporových slitinách a na galvanické pokovení. Molybden (Mo)- ( = 10 200 kg/m3) přísada do jakostních ocelí, snáší vysoké teploty – výroba vláken do žárovek.