Metalen Ir. T. Luijendijk Sectie JMB Afdeling 3mE 19 September 2011 1
Metalen of Metals Hard rock muziek 1970, agressieve ritmes, zwaar versterkte elektrische gitaren en duistere tonen Heavy metal Trash metal Power metal Gotic metal Doom metal Black metal Metallica Seek & Destroy 2
Kenmerken metalen Elektronegatief; metalen staan gemakkelijk elektronen af Elektronenwolk verantwoordelijk voor de metaalbinding Goede geleiders voor warmte en elektriciteit Vaste stof bij kamertemperatuur (behalve kwik) en meestal een hoog smeltpunt Goed pletbaar, vervormbaar bij kamertemperatuur en nog beter bij verhoogde temperatuur 3
Metalen volgens Wikipedia Metaal is afkomstig van het Griekse woord "μέταλλον" métallon, "mine, quarry (steengroeve) 4
Metalen omvatten een grote reeks aan elementen Element Atoomnummer Dichtheid g/cm 3 Smelttemp. C Lithium 3 0,534 180,54 Osmium 76 22,59 3033 5
Gallium kristal (Wikipedia) 6
Goudklomp (Wikipedia) 7
Metallisch glas Duitser Schroers werkzaam aan Yale University De Hosson RUG Metallisch glas 3 x zo sterk als staal, Krasvaste behuizing van mobiele telefoons en horloges Verdere toepassing in de micro-elektromechanische systemen (chips met bewegende delen) MEMS Toepassing in een airbag, chip met versnellingsmeter Microscopisch kleine pompjes voor toedienen van medicijnen en pijnstillers Metallisch glas verkeerd in een metastabiele toestand Start ontwikkeling rond 1960 Au-Si legeringen, flits gieten, afkoelsnelheid miljoen graden/seconde Ontwikkeling vanaf 1990 Metaalmengsel ; 44Zr-11Ti-10Cu-10Ni-25Be (atomen van sterk verschillende grootte) Afkoelsnelheid 10 C/s Verwerking vanaf 400 C 8
corrosiebestendigheid edel Goud (Au) Platina (Pt) Zilver (As) Koper (Cu) Nikkel (Ni) IJzer (Fe) Zink (Zn) Aluminium (Al) Magnesium (Mg) Natrium (Na) Calcium (Ca) Kalium (K) onedel 9
10
Metalen Aluminium Titaan en zirkoon IJzer Koper Nikkel Constructiematerialen Aluminiumlegeringen g Zuiver als legeringen Staal en RVS Zuiver koper, messing, brons Nikkellegeringen g 11
Blackbird met een snelheid van Mach 3 (USAF/Judson Brohmer) 12
Titaan als wandbekleding in het Guggenheim museum in Bilbao (foto Ahisgett/Flickr) 13
Warmtewisselaar voor een onderzeeër uit titaan (foto Oostendorp Apparatenbouw Tiel) 14
Foto Oostendorp Tiel 15
Foto Oostendorp (Tiel) 16
Indeling titaanlegeringen g Ongelegeerd Ti met variërend O 2 -gehalte Treksterkte kt 260-620620 MPa α en near α legeringen Treksterkte k 425-1020 MPa α-β legeringen Treksterkte 715-1275 MPa Metastabiele β legeringen Treksterkte 840-1240 MPa 17
Commerciëel zuiver titaan Grade 1 0,18 % O 2 Grade 2 025%O 0,25 2 Grade 3 0,35 % O 2 Grade 4 040%O 0,40 2 Grade 7 0,25 % O 2 en 0,2 % Pd Grade 11 0,18 % O 2 en 0,12-0,25 % Pd Grade 12 0,25 % O 2 en 0,3 Mo+0,6-0,9 % Ni 18
Structuur zuiver titaan 19
Vergelijking g titaan en zirkoon Eigenschap Titaan Zirkoon Atoomnummer 22 40 Dichtheid (g/cm 3 ) 4,51 6,51 Elasticiteitsmodulus (GPa) 103 99,3 Smeltpunt t ( C) 1940 1852 Uitzettingscoëfficient x10-6 / C 8,41 5,98 Thermische geleidbaarheid (W/m.K) 21,9 13 Elektrische weerstand 20 C (μω.cm) 42 39,7 20
Zirkoon 21
Mechanische eigenschappen zirkoon Kwaliteit Zr 702 Zr 704 Zr 705 Zr 706 R m (Mpa) 379 411 552 510 R e (Mpa) 207 241 379 345 Rek (%) 16 14 16 20 22
Vergelijking staal en aluminiumlegeringen Staal Aluminiumlegeringen Rekgrens: 230-1100 MPa Rekgrens: 50-200 MPa Hardheid: 150-600 HV Hardheid: 40-130 HV Dichtheid: 7,9 g/cm 3 Dichtheid: 2,7 g/cm 3 Elasticiteitsmodulus: it it l 207-200200 GPa Elasticiteitsmodulus: it it l 69-71 GPa Smelttemperatuur : 1538-1500 C Smelttemperatuur: 660-640 C Prijsindex: 60-100 Prijsindex: 450-1250 23
Voor en nadelen Al ten opzichte van Staal Nadelen Geringe sterkte Zacht Lage E-waarde Niet te gebruiken bij hoge temperaturen Alleen via elektrolyse te vervaardigen, dus Hoge energiekosten Hoge prijs Las altijd poreus Voordelen Laag gewicht Goede corrosievastheid Uitstekend vervormbaar (extrusie) 24
eerste fietsframe van aluminium (1909) 25
AA 6069 T6 Al-Mg-Si-Cu-Cr-V Sterkte 380-490 MPa Rekgrens 345-450 450 MPa Rek 10-22 % Probleem bij lassen: verlies aan sterkte van 30 tot t wel 40 % in de WBZ 26
Algemene eigenschappen eenvoudig vorm te geven corrosiebestendig 27
integratie van functies schroeven klikken scharnieren bron: Comhan, Uithoorn 28
invloed van legeringselementen anodiseerbaarheid lasbaarheid 1xxx 3xxx 5xxx 6xxx 7xxx 2xxx 7xxx 29 sterkte laag sterkte hoog
30
31
Sterkteverlies na lassen Opheffen van koudvervorming in de warmtebeinvloede zone (WBZ) Oververoudering in de WBZ Alustar geringere sterkteverliezen door dispersieharding met TiC deeltjes (ontwikkeling Corus) 32
Vermoeiingsbreuk in zone naast de las (warmtebeinvloede zone) 33
Wat is staal Staal is een legering van ijzer en koolstof met max. 1,9 % koolstof Het is de koolstof die ijzer zijn sterkte geeft Het koolstofgehalte mag niet te hoog zijn in verband met de koudvervormbaarheid en lasbaarheid Vandaag de dag zijn er ongeveer 2500 staalsoorten Wereldproductie 900 10 6 ton (Corus IJmuiden circa 7 10 6 ton) 34
Staalgezegden g Sterk staaltje Stalen zenuwen PBS (pisbakkenstaal) Stalen tijdperk Stalen ros Stalin man van staal (Sovjetdictator Josef Djoegasvili) Draadstaal (TV-programma) 35
Winnaar Structural Steel Design Award 2011 Baanbrekend ontwerpproces, detailengineering en productie Opgebouwd uit 1824 stalen hoeklijnen en bevat 548 knooppunten. Hurkende man (Lelystad) 36
Auditorium in Bilbao (Spanje) 37
Turning Torso toren in Malmö, Zweden 38
Verkeerstoren Bilbao, Spanje 39
Geschiedenis van staal 1 Eerste staal circa 1500 v.chr. in Klein-Azië Productie in laagovens (geheim van het Hettitische Rijk) IJzer werd niet gesmolten en bevatte veel slakdeeltjes Via verhitten en smeden slak uitdrijven (geen constante kwaliteit) 40
Aan de productie van staal gaat de productie van gietijzer uit erts vooraf China rond het begin van de jaartelling In Europa uopain de middeleeuwen Vraag aan een expert op dit gebied hoe dit in zijn werk ging 41
Geschiedenis van staal 2 1784 uitvinding van de puddeloven door Henry Cort Productie op industriële schaal, maar nog steeds geen staal met een homogene structuur Bessemerproces (patent van Henry Kelly in 1851) Thomasconverter (Sidney Gilchrist Thomas 1878) Eiffeltoren (1890) uit thomasstaal Siemens-Martinoven (1864); gebruikt tot 1950 Elektrostaalprocessen circa 1890 (vlamboogoven) Oxystaalproces vanaf 1940 1949 LD converter (Linz-Donavitz) 1958 Hoogovens IJmuiden 42
Principe Bessemerproces Bessemer convertor te Sheffield 43 (bron Wikipedia)
44
ferriet 45 Phases in steel
Microstructuur - samenstelling fasen en chemische samenstelling - dislocatiedichtheid en structuur - afmetingen en verdeling precipitaten - korrelgrootte en vorm - orientatieverdeling kristallen (textuur) 46
Ontwikkeling Hoge Sterkte Stalen (HSS) Constructiestaal met verhoogde rekgrens > 235 MPa Staal met een hogere rekgrens met behoud van de taaiheid of zelfs met een betere taaiheid Specifieke constructiestalen zoals de Quenched en Tempered soorten (QT) Dual Phase staal TRIP staal (Transformation Induced Plasticity) 47
Definitie hoge rekgrens staal afhankelijk van toepassing Gastransportleidingen R 0,2 480 MPa (X70) R 02 0,2 550 MPa (X80) Scheepsbouw R 0,2 420 MPa Onderzeeboten R 02 0,2 1100 MPa Staalconstructiebouw R 0,2 460 MPa Beweegbare bruggen R 02 0,2 690 MPa Drukvatenindustrie R 0,2 480 MPa (X70) 48
Hoge sterkte staal opgenomen in NEN-EN 10025 nov. 2004 (Hot rolled products of structural t steels Deel 1 Algemene technische leveringsvoorwaarden Deel 2 Technische leveringsvoorwaarden voor ongelegeerd constructiestaal Deel 3 Technische leveringsvoorwaarden voor normaalgegloeid en normaliserend gewalst fijnkorrelig constructiestaal Deel 4 Technische h leveringsvoorwaarden voor lasbaar thermomechanisch gewalste fijnkorrelige constructiestaalsoorten Deel 5 Technische leveringsvoorwaarden van weersbestendig constructiestaal Deel 6 Technische leveringsvoorwaarden voor platte producten met hoge vloeigrens in veredelde toestand 49
Metallurgische realisatie van HSS Taaiheid Fijne korrel CE Lasbaarheid Veiligheid constructie Rekgrens door microlegeren 50
0,2 % C 0,2 % Si 0,15 % V 0,15 % N Normaal gegloeid op 900 C 51
Technieken om een fijne korrel te verkrijgen 1. Normaalgloeien na warmwalsen 2. Warmwalsen laag in het tweefasen austeniet/ferrietgebied (einddeformaties bij relatief lage walstemperaturen) ook wel normaliserend walsen genoemd 3. Toevoegen van micro-legeringselementen als V, Nb, Ti en een verhoogd Al gehalte in combinatie met een bepaald stikstofgehalte (microgelegeerd) HSLA (High Strength Low Alloy) 4. Combinatie van 2 en 3 (TMCP=Thermo Th Mechanical Controlled Processing ook wel TM-staal genoemd) 5. Quenched en tempered staalsoorten met extra toevoegingen g van Cr, Mo, Ni, Cu voor een betere doorharding 52
Walsprocessen voor hoge sterkte staal A conventional B C D E F G rolling y recr. T N air MLE y not recr. Ac 3 Ac 3 water Ar 3 a + y ACC a M s TM TM "as rolled ("U") + N (y) (a+y (U) + Q + T ) TM+ACC TM + DQ QST Ar 1 Time 53
Microstructuur van HSS N Normalized TMa TM (air) Q Q+T TMb TM (ACC) 54 Bron: Dillinger Hütte GTS
Korrelgrootte afhankelijk van warmtetraject en chemische samenstelling materiaal 55
Invloed afmetingen en volumefractie precipitaten op sterkteverhoging 56
Soorten micro-gelegeerd staal V microgelegeerd Nb microgelegeerd Nb-Mo microgelegeerd V-Nb (+N) microgelegeerd V-N microgelegeerd Ti microgelegeerd Nb-Ti microgelegeerd V-Ti microgelegeerd Voor hogere sterkte gelegeerd met tienden van % Cr Mo Cu Ni 57
Invloed fabrikant op eigenschappen Hoge walstemperatuur Lage walskrachten en grotere materiaaldiktes Grotere korrel door korrelgroei tijdens walsen Lage walstemperatuur Hogere walskrachten en kleinere materiaaldiktes Kleinere korrel door beperken korrelgroei Keuze microlegeringselementen g Optimale sterkte en acceptabele taaiheid Optimale taaiheid met acceptabele sterkte Combinatie van goede mechanische eigenschappen met goede verwerkbaarheid en lasbaarheid Verhogen van de afkoelsnelheid ter beïnvloeding van het precipitatiegedrag it ti 58
Ti-Nb microgelegeerd g Titaan versterkt de korrelverfijning door Nb Toevoeging van 0,04 04 Ti aan met Nb microgelegeerd staal geeft een verhoging van de rekgrens van 100 MPa bij een oproltemperatuur (coiling) van 675 C Regrenzen tot 550 MPa Met V en Mo toevoegingen g tot 690 MPa 59
Microgelegeerd g staal met Vanadium Toegepast als Warmgewalste toestand (HR) Gecontroleerd gewalst (TM) Normaal gegloeid (N) Afgeschrikt en ontlaten (QT) Sterkteverhoging door vorming van V(CN) in de ferriet tijdens de afkoeling na het walsen Grote invloed van afkoelsnelheid op de sterkteverhoging Sterkteverhoging 5 tot 15 MPa per 0,01 % V Voor korrelverfijning V combineren met Ti 60
Invloed Mn en V op de 0,2 % rekgrens 0,2 % rekgren ns (MPa a) 600 550 500 450 400 350 300 250 1,2 1,2 Mn Mn 0,06 Nb 0,06 Nb 03Mn 0,3 1,2 Mn 0,06 Nb 200 0 005 0,05 01 0,1 015 0,15 Vanadium (%) 61
Microgelegeerd g met Niobium Niobium is een betere korrelverfijner dan V Niobiumgehaltes van 0,02-0,04% Sterkteverhoging 35 tot 40 MPa per 0,01% Nb Nadeel verlaging van de kerftaaiheid id als niet gelijktijdig het koolstofgehalte wordt verlaagd en de korrelgrootte verkleind wordt door gecontroleerd walsen Afwalsen bij relatief lage temperaturen en grote walssteken om onregelmatige korrelgrootte te voorkomen Plaatdikte tot 75 mm met R 0,2 350-420 MPa 62
Microgelegeerd g met V en Nb Combineren van beide elementen voor precipitatieharding p en korrelverfijning gecombineerd met een verlaging van het koolstofgehalte (< 0,1 %) Hogere sterkte en lage overgangstemperatuur Meeste effect bij gecontroleerd walsen Door laag koolstofgehalte uitstekende lasbaarheid 63
Nb-Mo microgelegeerd g Afhankelijk van afkoelsnelheid ferriet/perliet structuur naaldvormige ferrietstructuur (laag koolstof bainiet) Toename rekgrens met 20 MPa per 0,1% Mo Mo versterkt de precipitatieharding door Nb(CN) Rekgrens > 700 MPa Toegepast voor pijpleidingen 64
Microgelegeerd g met Titaan Titaan voor korrelverfijning en precipitatieharding en voor geometrie sulfidische insluitsels Korrelverfijning Ti minder effectief dan Nb, maar beter dan V Ti alleen toepassen bij volledig gekalmeerd staal Rekgrens 345 tot 550 MPa voor plaatdiktes tot 10 mm Voor precipitatieharding door TiC (Ti>0,025%) (Mn,Ti)S Ti 4C 2S 2 TiC Voldoende titaan dan hoge sterkte door precipitatieharding, maar thermomechanisch walsen is een absolute voorwaarde voor voldoende taaiheid 65
Kerftaaiheid van HSS eit [J] Kerbsc chlagarb 350 300 250 200 150 100 50 S355J2G3 S460ML S690QL 0-120 -100-80 -60-40 -20 0 20 Temperatur [ C] 66 Bron: Dillinger Hütte GTS
Rekgrens en CE (koolstofequivalent) yi ield str ress [M MPa] 600 Normalised 550 TM-rolled 500 450 400 350 300 250 015 0,15 020 0,20 025 0,25 030 0,30 035 0,35 040 0,40 045 0,45 050 0,50 carbon equivalent C eq [%] 67 Bron: Dillinger Hütte GTS
Voordelen van TM staal Gereduceerde hardheid voor TM 500 V10] e [HV10] heid [H WEZ Z hardh Härte HAZ W 450 S460N 400 350 300 S 460 M 250 200 150 1 5 10 20 Abkühlzeit t8/5 [s] afkoeltijd t8/5 [s] 68 Bron: Dillinger Hütte GTS
Voordelen TM staal Uitstekende taaiheid zelfs na koudvervorming 350 300 ohne 5% Kaltver. 5 %+250 C/1h Ke erbschlag garbeit [J] 250 200 150 100 50 without 5 % cold def. 5 % + 250 C/1h S460ML 0-140 -120-100 -80-60 -40-20 0 Temperatur [ C] 69 Bron: Dillinger Hütte GTS
Sterkte en vervormbaarheid De microstructuur bepaalt de sterkte en de vervormbaarheid. Omdat de microstructuur een complex geheel is dat door de behandeling van het metaal (deformatie, hoge temperatuur, afkoeling) sterk kan veranderen, treden ook grote variaties in de sterkte en vervormbaarheid op. 70
Kerftaaiheid versus sterkte 71
Fabricagetechnieken QT HSS Opwarmen en afschrikken Versneld afkoelen dikte 105 mm dikte > 105 mm 72
73
HB Härte H ardness h 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 through thickness hardening CE = 0,70% vergütet CE = 0,55% vergütet CE = 0,70% Q + T (640 C) CE = 0,55% Q + T (620 C) CE = 0,55% Q + T (580 C) 0 20 40 60 80 Eigenschappen QT HSS Abstand distance von from Blechoberfläche plate surface [mm] Toename legeringselemtenten l t met toenemende dikte plate thn. < 20 > 20-50 > 50 80 > 80-110 > 110-150 CE(IIW) 0.42 0.59 0.66 0.72 0.78 Pcm 0.26 0.31 0.32 0.34 0.35 CET 0.30 0.37 0.39 0.41 0.44 74 Bron: Dillinger Hütte GTS
Effect van de rekgrens op de plaatdikte van HSS relatieve plaatdikte (mm) S1100 S960 S890 S690 S460 S350 0 20 40 60 80 100 75 H. van Wortel TNO
Maximaal mogelijke plaatdikte voor Q+Ten TMCP 250 mm 200 150 100 Q+T 50 0 355 MPa 460 MPa 500 MPa 550 MPa 690 MPa 960 Mpa 1100 Mpa Min. thn. 76 Bron: Dillinger Hütte GTS
Leveringsprogramma afhankelijk van productieomstandigheden 5250 5200 max. lengte Länge: 28 28mm 5000 4750 4500 4250 4000 Bree edte in mm Br reite in mm 3750 3500 3250 3000 2750 2500 TM N 2250 2000 1750 1500 Q 1250 1000 5 6 7 8 10 12 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 410 Dicke in mm Dikte in mm 77 Bron: Dillinger Hütte GTS
Kenmerkende hardheden van HSS in de range van S350 tot S1100 Hardness s base metal, HV V10 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 425 350 275 300 160 200 S350 S460 S690 S890 S960 S1100 High Strength Steel type 78 Bron: H. van Wortel TNO
Waarom staal met een verhoogde sterkte? Voor constructies waarbij voornamelijk trekbelasting optreedt Is stijfheid de bepalende factor dan heeft de toepassing van HSS geen zin Voor gelaste constructie oppassen met hoge sterkte staal als er sprake is van wisselende belasting 79
Leidt toepassing HSS tot t een kostenbesparing? 10 % hogere vloeigrens geeft 10 % lager gewicht Staalprijs ca. 10 % duurder d Voorwaarden Bewerkbaarheid gelijk of beter dan Koudvervormbaarheid van standaard Lasbaarheid materiaal als het S355 betreft 80
Gewicht en kosten autobumper (bron Acelor/Mittal) 81
Transformation-Induced Plasticity (TRIP) steel austeniet ferriet bainiet martensiet 82 High-strength steels
83
Nieuw proces maakt staal sterker Ondernemer Gary Cola Flash Bainite staal voor de automobielindustrie Supersnelle verhitting tot 1100 C, haltetijd 10 s, en afschrikken in een vloeistofbad Claim van 30 % meer rek en hogere sterkte dan van traditioneel adto vervaardigd staal 84 Bron: Technishow Nieuws
Nesciobrug voor voetgangers en fietsers te Diemen-Adam 85
Prince Claus Bridge Utrecht (NL) 1300 t of S460M/ML up to 90 mm thickness 86 Bron: Dillinger Hütte GTS
Millau Viaduct (F) Application examples Type: By 2460 m length the longest cable-stayed bridge in the world Heavy plates: 43.000 of plates. Among this 18.000 of S460M/ML up to 120 mm thickness 87 Bron: Dillinger Hütte GTS
Application examples Erasmus Bridge Rotterdam (NL) Type: Cable-stayed bridge + flap bridge Total length: Central span : flap span : 500 m 410 m 90 m Steel grades: S355M: 4200 t, 8-100 mm S460ML: 2000 t, 12-80 mm S460QL1: 800 t, 80-120 mm Weight savings Cost savings = = 18 % 10 % 88 Bron; Dillinger Hütte GTS
Met dank aan Tata Steel IJmuiden Audio Visueel Centrum TU Delft De Koninklijke Marine TNO Industrie Jilt Sietsma (TU Delft) Dillinger Hüttewerken (Duitsland) 89