Что такое конструкционная сталь? Состав и приложения

Изучение конструкционной стали

От зданий, которые посещают люди, до домов, в которых они живут, до дорог, по которым они путешествуют, лист конструкционной стали является многоцелевым строительным материалом, который обеспечивает универсальность производства и прочность конструкции без чрезмерного веса. Эта статья посвящена конструкционной стали, ее составу, характеристикам, использованию и многому другому.

Что такое конструкционная сталь?

Конструкционная сталь — это регулируемая категория стали, которая должна соответствовать отраслевым стандартам в отношении допусков на размеры и состава. В Соединенных Штатах марки стали определяются и регулируются ASTM International. Также в Европе и Канаде есть свои регулирующие органы и стандарты. Хотя Leeco Steel предлагает стальной лист стандарта EN и стальной лист стандарта CSA G40.21, в этой статье основное внимание будет уделено стандартам ASTM.

Существует широкий спектр марок конструкционной стали, наиболее популярными из которых являются ASTM A572 и ASTM A36. Эти марки стали, наряду с другими марками конструкционных сталей, в основном используются для изготовления каркасов мостов и зданий.

Они также используются в строительстве:

грузовые вагоны

Строительное оборудование

запчасти для грузовиков

Машины

крановые стержни

передающие опоры

стойки для грузовиков

Исследования, опубликованные Американским институтом стальных конструкций, показывают, что конструкционная сталь содержит 47 процентов всех строительных материалов, поэтому весьма вероятно, что конструкционная сталь отвечает за часть конструкции в конструкциях, зданиях или мостах, где встречаются люди.

Производство и испытания конструкционной стали

Чтобы полностью понять, чем конструкционная сталь отличается от неконструкционной стали, например той, которая используется в кузовах грузовиков, кораблях или военных танках, важно изучить состав конструкционной стали.

Сталь может быть изготовлена ​​из сырья или путем переработки старой стали. В процессе преобразования переработанной стали в новую сталь существующая сталь переплавляется и очищается для соответствия определенным спецификациям. Изготовление стали из сырья — гораздо более длительный процесс.

Сталь — это сплав, содержащий углерод и железо, которые широко доступны, но редко встречаются в чистом виде. Чтобы сделать сталь из сырья, железо получают из железной руды, которая содержит большое количество оксидов железа. Большая часть железной руды в Соединенных Штатах добывается для таконита, который в изобилии встречается в Миннесоте. В процессе добычи таконит измельчается в песчанистую композицию, а магниты используются для отделения железной руды (в виде магнита) от других веществ и минералов.

Хотя железо часто считают прочным и твердым, необработанная железная руда настолько мягкая, что ее можно разрезать ножом и мускулами. Сплавы на основе железа получают свою прочность за счет добавления углерода.

Сплав железа и углерода обычно получают путем смешивания кокса с железной рудой и нагревания до воспламенения кокса. Кокс — это углеродсодержащая форма угля. В результате этого сильного нагрева кокс высвобождает углерод и присоединяется к кислороду оксидов железа, оставляя комбинацию углерода и железа. Этот процесс называется редукцией.

После восстановления материал содержит около 4 процентов углерода, который подвергается дальнейшему нагреву и охлаждению, чтобы уменьшить количество углерода, что делает материал прочнее и тверже. Как только содержание углерода составляет менее 2,1 процента от веса материала, он превращается в сталь. Чтобы сделать конструкционную сталь, углерод должен быть дополнительно восстановлен до тех пор, пока его состав не составит всего 0,0от 5 процентов до 0,25 процента.

Конечным результатом является конструкционная сталь по экономичной цене, на 100 % пригодная для повторного использования и имеющая высокое соотношение прочности к весу. Существуют различные марки конструкционной стали, которые в некоторой степени различаются по своему составу. Эти композиции значительно помогают установить необходимый материал для любого конкретного проекта.

В качестве альтернативы, сталь может быть дополнительно обработана путем дальнейшего нагревания и охлаждения и/или добавления сплавов, например титана, молибдена и хрома, для повышения твердости. Эти процессы влияют на общую хрупкость, в большинстве случаев делая полученный материал непригодным для конструкционных применений.

Состав конструкционной стали

Ниже представлен состав двух известных марок конструкционной стали: ASTM 572 и ASTM A36. Хотя другие марки конструкционных сталей имеют аналогичный состав, они также могут иметь дополнительные сплавы или подвергаться дополнительной обработке.

A514 также содержит 0,2 процента молибдена, 0,48 процента хрома, 0,05 процентов ванадия, 0,02 процента титана и 0,003 процентов бора.

Наличие дополнительных сплавов, повышающих как твердость, так и хрупкость, является основным композиционным отличием неконструкционной стали от конструкционной. В некоторых случаях из дополнительных сплавов можно получить конструкционную качественную сталь; однако в других случаях производимая сталь слишком хрупкая для использования в конструкционных целях.

Предел текучести и предел прочности

Помимо химического состава, пределы напряжения и текучести помогают определить марку стали, а также ее общее применение.

Наивысшая точка напряжения — это предел упругости, при котором материал постоянно меняет форму. Например, когда кто-то прыгает с батута, батут естественным образом изгибается, чтобы поглотить энергию и вес, но после того, как этот человек спрыгнет с батута, батут вернется к своей первоначальной форме. Пределом упругости трамплина будет точка, в которой он изгибается под действием энергии и веса и остается постоянно согнутым даже после прыжка дайвера.

Жизненно важная характеристика конструкционной стали, предел текучести должен иметь некоторую текучесть, чтобы выдерживать вес. Например, предел текучести мостов — это максимальный вес, который мост может выдержать, прежде чем он получит необратимое повреждение.

Прочность на растяжение относится к точке, в которой сложенный материал разорвется. В приведенном выше примере с батутом это энергия и вес, необходимые для разрыва батута.

Ниже приведена диаграмма, показывающая предел прочности и предел текучести для трех распространенных типов конструкционной стали. Эти баллы рассчитываются в килодюймах на квадратный дюйм («ksi») или фунтах на квадратный дюйм («psi») следующим образом. Иногда их также указывают в мегапаскалях.

Покрытие зависит от толщины, но наиболее распространенный класс составляет 50 тысяч фунтов на квадратный дюйм.

Эти два параметра очень важны для инженеров при планировании необходимого материала для конкретного проекта.