Τι είναι ο δομικός χάλυβας; Σύνθεση και Εφαρμογές

Εξερεύνηση δομικού χάλυβα

Από τα κτίρια που επισκέπτονται οι άνθρωποι, στα σπίτια στα οποία μένουν, στους δρόμους στους οποίους ταξιδεύουν, το δομικό χαλύβδινο φύλλο είναι ένα δομικό υλικό πολλαπλών χρήσεων που παρέχει ευελιξία στην κατασκευή και δομική αντοχή χωρίς υπερβολικό βάρος. Αυτό το άρθρο εξετάζει τον δομικό χάλυβα, τη σύνθεση, τα χαρακτηριστικά, τις χρήσεις του και πολλά άλλα.

Τι είναι ο δομικός χάλυβας;

Ο δομικός χάλυβας είναι μια ελεγχόμενη κατηγορία χάλυβα που πρέπει να πληροί τα βιομηχανικά πρότυπα για ανοχές διαστάσεων και σύνθεση. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι ποιότητες χάλυβα καθορίζονται και ρυθμίζονται από την ASTM International. Επίσης, η Ευρώπη και ο Καναδάς έχουν τους δικούς τους ρυθμιστικούς φορείς και πρότυπα. Παρόλο που η Leeco Steel προσφέρει τυποποιημένη χαλύβδινη πλάκα EN και τυποποιημένη χαλύβδινη πλάκα CSA G40.21, αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στα πρότυπα ASTM.

Υπάρχει μια μεγάλη γκάμα ποιοτήτων δομικού χάλυβα, με τα πιο δημοφιλή να είναι τα ASTM A572 και ASTM A36. Αυτές οι ποιότητες χάλυβα, μαζί με άλλες ποιότητες δομικού χάλυβα, χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή σκελετών για γέφυρες και κτίρια.

Χρησιμοποιούνται επίσης στην κατασκευή:

φορτηγά βαγόνια

Μηχανήματα κατασκευής

ανταλλακτικά φορτηγών

Μηχανήματα

ράβδοι γερανών

πύργους μετάδοσης

σχάρες φορτηγών

Έρευνα που δημοσιεύτηκε από το American Institute of Steel Construction δείχνει ότι ο δομικός χάλυβας περιέχει το 47 τοις εκατό όλων των οικοδομικών υλικών, επομένως είναι πολύ πιθανό ο δομικός χάλυβας να είναι υπεύθυνος για μέρος του σχεδιασμού σε κατασκευές, κτίρια ή γέφυρες όπου συναντώνται άνθρωποι.

Παραγωγή και δοκιμή δομικού χάλυβα

Για να κατανοήσουμε πλήρως πώς διαφέρει ο δομικός χάλυβας από τον μη δομικό χάλυβα, όπως αυτός που χρησιμοποιείται σε κρεβάτια φορτηγών, πλοία ή στρατιωτικές δεξαμενές, είναι σημαντικό να εξεταστεί η σύνθεση του δομικού χάλυβα.

Ο χάλυβας μπορεί να κατασκευαστεί από πρώτες ύλες ή από ανακύκλωση παλιού χάλυβα. Κατά τη διαδικασία μετατροπής του ανακυκλωμένου χάλυβα σε νέο χάλυβα, ο υπάρχων χάλυβας τήκεται και εξευγενίζεται για να πληροί ορισμένες προδιαγραφές. Η κατασκευή χάλυβα από πρώτες ύλες είναι μια πολύ μεγαλύτερη διαδικασία.

Ο χάλυβας είναι ένα κράμα που περιέχει άνθρακα και σίδηρο, τα οποία είναι διαθέσιμα σε αφθονία αλλά σπάνια βρίσκονται στην καθαρή τους μορφή. Για την παραγωγή χάλυβα από πρώτες ύλες, ο σίδηρος λαμβάνεται από σιδηρομετάλλευμα, το οποίο περιέχει άφθονα οξείδια σιδήρου. Το μεγαλύτερο μέρος του σιδηρομεταλλεύματος στις Ηνωμένες Πολιτείες εξορύσσεται για τον τακονίτη, ο οποίος βρίσκεται σε αφθονία στη Μινεσότα. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξόρυξης, ο τακονίτης αλέθεται σε μια αμμώδη σύνθεση και χρησιμοποιούνται μαγνήτες για τον διαχωρισμό του σιδηρομεταλλεύματος (με τη μορφή lodestone) από άλλες ουσίες και ορυκτά.

Αν και ο σίδηρος θεωρείται συχνά ισχυρός και σκληρός, το ακατέργαστο σιδηρομετάλλευμα είναι τόσο μαλακό που μπορεί να κοπεί με ένα μαχαίρι και λίγο μυ. Τα κράματα με βάση τον σίδηρο παίρνουν τη δύναμή τους από την προσθήκη άνθρακα.

Ένα κράμα σιδήρου και άνθρακα παράγεται συνήθως με συνδυασμό οπτάνθρακα με σιδηρομετάλλευμα και εφαρμογή θερμότητας μέχρι να αναφλεγεί το κοκ. Ο οπτάνθρακας είναι μια πλούσια σε άνθρακα μορφή άνθρακα. Ως αποτέλεσμα αυτής της ισχυρής θέρμανσης, το κοκ απελευθερώνει άνθρακες και προσκολλάται στα οξυγόνα των οξειδίων του σιδήρου, αφήνοντας έναν συνδυασμό άνθρακα και σιδήρου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μείωση.

Μετά τη μείωση, το υλικό είναι περίπου 4 τοις εκατό άνθρακα, το οποίο υφίσταται περαιτέρω διαδικασίες θέρμανσης και ψύξης για να μειωθεί η ποσότητα άνθρακα, καθιστώντας το υλικό ισχυρότερο και σκληρότερο. Μόλις η περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι μικρότερη από το 2,1 τοις εκατό του βάρους του υλικού, μετατρέπεται σε χάλυβα. Για την κατασκευή δομικού χάλυβα, ο άνθρακας πρέπει να μειωθεί περαιτέρω έως ότου η σύνθεσή του είναι μόνο 0,05 τοις εκατό έως 0,25 τοις εκατό.

Το τελικό αποτέλεσμα είναι δομικός χάλυβας που έχει οικονομική τιμή, 100 τοις εκατό ανακυκλώσιμος και έχει υψηλή αναλογία αντοχής προς βάρος. Υπάρχουν διάφορες ποιότητες δομικού χάλυβα, οι οποίοι ποικίλλουν σε κάποιο βαθμό ως προς τη σύνθεσή τους. Αυτές οι συνθέσεις βοηθούν σημαντικά στη δημιουργία του απαραίτητου υλικού για κάθε συγκεκριμένο έργο.

Εναλλακτικά, ο χάλυβας μπορεί να υποστεί περαιτέρω επεξεργασία - με περαιτέρω επεξεργασίες θέρμανσης και ψύξης ή/και με προσθήκη κραμάτων, π.χ. τιτανίου, μολυβδαινίου και χρωμίου - για αύξηση της σκληρότητας. Αυτές οι διαδικασίες επηρεάζουν τη συνολική ευθραυστότητα, στις περισσότερες περιπτώσεις, καθιστώντας το προκύπτον υλικό ακατάλληλο για δομικές εφαρμογές.

Σύνθεση δομικού χάλυβα

Παρακάτω είναι η σύνθεση δύο γνωστών ποιοτήτων δομικού χάλυβα: ASTM 572 και ASTM A36. Αν και άλλες ποιότητες δομικού χάλυβα έχουν ανάλογες συνθέσεις, μπορεί επίσης να έχουν πρόσθετα κράματα ή να έχουν υποστεί πρόσθετη επεξεργασία.

Το A514 περιέχει επίσης 0.2 τοις εκατό μολυβδαίνιο, 0.48 τοις εκατό χρώμιο, 0,05 τοις εκατό βανάδιο, 0.02 τοις εκατό τιτάνιο και 0,003 τοις εκατό του βορίου.

Η παρουσία πρόσθετων κραμάτων που αυξάνουν τόσο τη σκληρότητα όσο και την ευθραυστότητα είναι η κύρια διαφορά σύνθεσης μεταξύ μη δομικού και δομικού χάλυβα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα πρόσθετα κράματα είναι ικανά να δημιουργήσουν χάλυβα δομικής ποιότητας. Ωστόσο, σε άλλες περιπτώσεις, ο παραγόμενος χάλυβας είναι πολύ εύθραυστος για χρήση σε δομικές ικανότητες.

Απόδοση και αντοχή σε εφελκυσμό

Πέρα από τη χημική σύνθεση, τα όρια τάσεων και απόδοσης βοηθούν στον καθορισμό της ποιότητας του χάλυβα καθώς και της γενικής εφαρμογής.

Το υψηλότερο σημείο τάσης είναι το όριο ελαστικότητας, στο οποίο το υλικό θα αλλάξει μόνιμα σχήμα. Για παράδειγμα, όταν κάποιος πηδά από ένα τραμπολίνο, το τραμπολίνο λυγίζει φυσικά για να απορροφήσει την ενέργεια και το βάρος, αλλά αφού το άτομο πηδήξει από το τραμπολίνο, το τραμπολίνο θα επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα. Το όριο ελαστικότητας του εφαλτηρίου θα ήταν το σημείο όπου κάμπτεται υπό την ενέργεια και το βάρος και παραμένει μόνιμα λυγισμένο ακόμα και μετά την εκτόξευση του δύτη.

Ένα ζωτικό χαρακτηριστικό του δομικού χάλυβα, το σημείο διαρροής πρέπει να έχει κάποια απόδοση για να απορροφήσει το βάρος. Για παράδειγμα, η αντοχή διαρροής στις γέφυρες είναι το μέγιστο βάρος που μπορεί να αντέξει η γέφυρα πριν υποστεί μόνιμη ζημιά.

Η αντοχή εφελκυσμού αναφέρεται στο σημείο στο οποίο θα σπάσει το διπλωμένο υλικό. Στο παραπάνω παράδειγμα τραμπολίνου, αυτή είναι η ενέργεια και το βάρος που απαιτούνται για να σπάσει το τραμπολίνο.

Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα που δείχνει τα σημεία εφελκυσμού και διαρροής για τρεις συνήθεις τύπους δομικού χάλυβα. Αυτοί οι πόντοι υπολογίζονται σε κιλοίντσες ανά τετραγωνική ίντσα ("ksi") ή σε λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα ("psi"), ως εξής. Μερικές φορές υποδεικνύονται και σε megapascal.

Η κάλυψη εξαρτάται από το πάχος, αλλά ο πιο συνηθισμένος βαθμός είναι 50 ksi.

Αυτές οι δύο παράμετροι είναι πολύ σημαντικές για τους μηχανικούς όταν σχεδιάζουν το απαραίτητο υλικό για ένα συγκεκριμένο έργο.