Kaj je konstrukcijsko jeklo? Sestava in aplikacije

Raziskovanje konstrukcijskega jekla

Od zgradb, ki jih ljudje obiskujejo, do domov, v katerih živijo, do cest, po katerih se peljejo, je strukturna jeklena pločevina večnamenski gradbeni material, ki zagotavlja vsestranskost izdelave in strukturno trdnost brez velike teže. Ta članek obravnava konstrukcijsko jeklo, njegovo sestavo, značilnosti, uporabo in še veliko več.

Kaj je konstrukcijsko jeklo?

Konstrukcijsko jeklo je regulirana kategorija jekla, ki mora izpolnjevati industrijske standarde glede dimenzijskih toleranc in sestave. V Združenih državah je stopnje jekla določene in ureja ASTM International. Poleg tega imata Evropa in Kanada svoje regulativne organe in standarde. Čeprav Leeco Steel ponuja standardno jekleno ploščo EN in standardno jekleno ploščo CSA G40.21, se bo ta članek osredotočil na standarde ASTM.

Obstaja širok razpon vrst konstrukcijskega jekla, najbolj priljubljeni pa sta ASTM A572 in ASTM A36. Te vrste jekla se skupaj z drugimi vrstami konstrukcijskega jekla uporabljajo predvsem za gradnjo ogrodij za mostove in zgradbe.

Uporabljajo se tudi pri gradnji:

tovorni vagoni

Gradbena oprema

deli tovornjakov

Stroji

žerjavne palice

prenosni stolpi

regali za tovornjake

Raziskave, ki jih je objavil Ameriški inštitut za jeklene konstrukcije, kažejo, da konstrukcijsko jeklo vsebuje 47 odstotkov vseh gradbenih materialov, zato je zelo verjetno, da je konstrukcijsko jeklo odgovorno za del oblikovanja konstrukcij, zgradb ali mostov, kjer se ljudje srečujejo.

Proizvodnja in preizkušanje konstrukcijskega jekla

Da bi popolnoma razumeli, kako se strukturno jeklo razlikuje od nekonstrukcijskega jekla, kot je tisto, ki se uporablja v posteljah tovornjakov, ladjah ali vojaških tankih, je pomembno preučiti sestavo konstrukcijskega jekla.

Jeklo je lahko izdelano iz surovin ali iz recikliranja starega jekla. Med postopkom preoblikovanja recikliranega jekla v novo jeklo se obstoječe jeklo stopi in prečisti, da ustreza določenim specifikacijam. Izdelava jekla iz surovin je veliko daljši proces.

Jeklo je zlitina, ki vsebuje ogljik in železo, ki sta na voljo v izobilju, a redko najdemo v čisti obliki. Za izdelavo jekla iz surovin se pridobiva železo iz železove rude, ki vsebuje obilo železovih oksidov. Večino železove rude v Združenih državah izkopljejo za takonit, ki ga je v Minnesoti v izobilju. Med procesom rudarjenja se takonit zmelje v zrnato sestavo, magneti pa se uporabljajo za ločevanje železove rude (v obliki vodnega kamna) od drugih snovi in ​​mineralov.

Čeprav se železo pogosto misli kot močno in trdo, je surova železova ruda tako mehka, da jo je mogoče rezati z nožem in nekaj mišic. Zlitine na osnovi železa dobijo svojo trdnost z dodatkom ogljika.

Zlitina železa in ogljika se običajno proizvaja s kombiniranjem koksa z železovo rudo in segrevanjem, dokler se koks ne vname. Koks je z ogljikom bogata oblika premoga. Zaradi tega močnega segrevanja koks sprosti ogljik in se veže na kisikove železove okside, pri čemer ostane kombinacija ogljika in železa. Ta proces se imenuje redukcija.

Po redukciji je material približno 4 odstotke ogljika, ki je podvržen nadaljnjim postopkom segrevanja in ohlajanja, da se zmanjša količina ogljika, zaradi česar je material močnejši in trši. Takoj ko je vsebnost ogljika manjša od 2,1 odstotka teže materiala, se ta spremeni v jeklo. Za izdelavo konstrukcijskega jekla je treba ogljik dodatno zmanjševati, dokler njegova sestava ni samo 0,05 do 0,25 odstotka.

Končni rezultat je konstrukcijsko jeklo, ki je cenovno ugodno, ga je mogoče 100-odstotno reciklirati in ima visoko razmerje med trdnostjo in težo. Obstajajo različne vrste konstrukcijskega jekla, ki se do neke mere razlikujejo po svoji sestavi. Te sestave znatno pomagajo pri določanju potrebnega materiala za kateri koli poseben projekt.

Druga možnost je, da je jeklo dodatno obdelano – z nadaljnjimi postopki segrevanja in hlajenja in/ali dodajanjem zlitin, npr. titana, molibdena in kroma – za povečanje trdote. Ti procesi vplivajo na celotno krhkost, v večini primerov zaradi česar nastali material ni primeren za strukturne aplikacije.

Sestava konstrukcijskega jekla

Spodaj je prikazana sestava dveh dobro znanih vrst konstrukcijskega jekla: ASTM 572 in ASTM A36. Čeprav imajo druge vrste konstrukcijskega jekla podobno sestavo, imajo lahko tudi dodatne zlitine ali pa so bila dodatno obdelana.

A514 vsebuje tudi 0,2 odstotka molibdena, 0,48 odstotka kroma, 0,05 odstotkov vanadija, 0,02 odstotka titana in 0,003 odstotkov bora.

Prisotnost dodatnih zlitin, ki povečujejo trdoto in krhkost, je glavna sestavna razlika med nekonstrukcijskim in konstrukcijskim jeklom. V nekaterih primerih so dodatne zlitine sposobne ustvariti jeklo strukturne kakovosti; v drugih primerih pa je proizvedeno jeklo preveč krhko za uporabo v strukturnih zmogljivostih.

Tečenje in natezna trdnost

Poleg kemijske sestave meje napetosti in tečenja pomagajo določiti razred jekla in splošno uporabo.

Najvišja točka napetosti je meja elastičnosti, pri kateri bo material trajno spremenil obliko. Na primer, ko nekdo skoči s trampolina, se trampolin naravno upogne, da absorbira energijo in težo, ko pa ta oseba skoči s trampolina, se bo trampolin vrnil v prvotno obliko. Meja elastičnosti odskočne deske bi bila točka, kjer se upogne pod energijo in težo in ostane trajno upognjena tudi po tem, ko se potapljač zažene.

Točka tečenja, ki je bistvena značilnost konstrukcijskega jekla, mora imeti nekaj tečenja, da absorbira težo. Na primer, meja tečenja pri mostovih je največja teža, ki jo most lahko prenese, preden se trajno poškoduje.

Natezna trdnost se nanaša na točko, na kateri se zložen material zlomi. V zgornjem primeru trampolina sta to energija in teža, potrebni za zlom trampolina.

Spodaj je diagram, ki prikazuje natezno točko in točko tečenja za tri običajne vrste konstrukcijskega jekla. Te točke so izračunane v kiloinčah na kvadratni palec ("ksi") ali funtih na kvadratni palec ("psi"), kot sledi. Včasih so navedeni tudi v megapaskalih.

Pokritost je odvisna od debeline, vendar je najpogostejši razred 50 ksi.

Ta dva parametra sta zelo pomembna za inženirje pri načrtovanju potrebnega materiala za določen projekt.