هيكل الفولاذ ومقاومته وقوته

محتوى الخبراء الأرشيفي: تحافظ المقالة على التسميات والجداول والادعاءات التاريخية حول التركيب والخواص الميكانيكية للصلب، ولكنها ليست معيارًا صالحًا أو مواصفات المواد أو الشهادة أو حساب البناء أو تعليمات المعالجة الحرارية والاختبار. تعتمد قيم التصميم على نوع ودفعة الفولاذ المحددة بدقة، وحالة التصنيع، والسمك، ودرجة الحرارة، وقابلية اللحام، والمتانة، والتعب، والمعايير المعمول بها. يجب أن تحتوي المادة الحاملة على وثائق يمكن تتبعها ويتم اختيارها وفحصها بواسطة خبير مسؤول.

Savo Kusic اليوم على النوافذ الخشبية، نوافذ الخشب والألمنيوم، النوافذ المخصصة، الأبواب وطلبات عرض الأسعار. تظل هذه المقالة بمثابة أرشيف تاريخي ولا تمثل عرضًا لتصنيع تسليح أو تصميم أو اختبار الهياكل الفولاذية.

التركيب والعلامات التاريخية لصلب البناء

عن طريق صهر خامات الحديد الممزوجة بالوقود، وإضافة الشوائب - عادة الحجر الجيري - وكذلك عن طريق إدخال الهواء الساخن تحت الضغط في الفرن العالي، يتم الحصول على الحديد الخام. يحتوي الحديد الخام على أكثر من 1,7% كربون؛ ولا يمكن تزويرها أو دحرجتها أو نحتها أو ضغطها - وبالتالي لا يمكن تشكيلها بطرق مختلفة. يتم إنتاج الحديد المطاوع من الحديد الخام عن طريق نفخ الهواء في محول أساسي، أو من الحديد الخردة والحديد الخام في الفرن (فرن سيمنز مارتن). يمكن إنشاء أشكال مختلفة منه عن طريق التدحرج والضغط والتزوير. كل الحديد المطاوع يسمى steel.

الجداول التاريخية: يجب عدم استخدام درجات الفولاذ القديمة والمعايير والقيم المسموح بها وإجراءات الثني في الجداول الموضحة لمصدر مواد اليوم أو تحديدها أو تحديد حجمها. فقط ملصق وتوثيق الدفعة المسلمة صالح، مع التحقق من التكافؤ حسب المعيار المتفق عليه والمطبق.

التركيب الكيميائي لفولاذ البناء

الحديد التقني ليس حديدًا نقيًا، بل هو سبيكة من العناصر الأساسية الحديد والكربون، غالبًا مع إضافة المنغنيز والسيليكون والفوسفور والسومبور والنحاس، وفي كثير من الأحيان مع الألومنيوم والكروم والنيكل والموليبدينوم وما إلى ذلك. وأهم خليط هو الكربون. تزداد قوة الخضوع وقوة الشد للفولاذ المنصهر بزيادة محتوى الكربون حتى يتم الوصول إلى حوالي 0,9% كربون؛ تتناقص الاستطالة عند الكسر مع زيادة محتوى الكربون. يجب التعامل مع الفولاذ الذي يحتوي على نسبة عالية من الكربون بعناية أكبر عند الاستقامة والثني والتواء وما إلى ذلك.

فولاذ البناء St 37.12 يحتوي عادةً على 0,08-0,15% كربون، ثم حوالي 0,5% منجنيز، حتى 0,3% سيليكون. يجب أن يكون محتوى الفوسفور والكبريت منخفضًا؛ يصل إلى 0,09% و0,05% على التوالي. كقاعدة عامة، يوجد نحاس فوق 0,2%.

عند تقييم نتائج التحاليل الكيميائية يجب الحرص على ما إذا كانت تحليلات من مصهورات أو تحليلات للبضائع المدرفلة؛ بالنسبة للأخير، من المهم ما إذا كانت بيانات العينة تشير إلى عينات مصدرها القسم بأكمله، أو إلى عينات مأخوذة من مكان محدد (من القلب، من الحافة، من طرف واحد).

الهيكل الفولاذي والتصلب والتلطيف والتليين

يتم إجراء مراقبة الهيكل على الأسطح المسطحة والمعالجة بعناية والأرضية والمصقولة والتي، كقاعدة عامة، تتآكل بواسطة الأحماض. في حالات معينة (على سبيل المثال، في الفولاذ المحموم)، يمكن التعرف على حبيبات الفولاذ بالعين المجردة في العينات المحضرة.

الصورة 1 توضح هيكل الفولاذ المبرد ببطء بمحتوى كربون حوالي 0,1%، والصورة 2 توضح هيكل الفولاذ المبرد ببطء بمحتوى كربون حوالي 0,3%. الحبوب الخفيفة خالية من الكربون وتتكون بشكل رئيسي من الحديد النقي (ومن هنا جاء اسم الفريت)؛ وتحت التكبير العالي تظهر المناطق الداكنة مخططة (البيرلايت). تحت المجهر يمكن التعرف على أن البقع الداكنة تتكون من طبقات أكثر صلابة ونعومة؛ الطبقات الأكثر صلابة هي كربيد الحديد (Fe3C)، المسمى سمنتيت، وهو مضمن في الفريت الأكثر ليونة. محليًا - تتفكك البلورات المتكونة عند درجة حرارة عالية عند التبريد التدريجي. التبريد المفاجئ للفولاذ الساخن يمنع البلورات من التفكك. ومن ناحية أخرى، إذا تم إجراء تبريد مفاجئ قبل بدء تحويل المحلول الصلب، فإن المحلول - الذي لا يمكن أن يوجد إلا في درجات حرارة عالية - سيستمر الحفاظ عليه في درجة حرارة الغرفة. وفي هذه الحالة لا نحصل على مادة يتوزع كربونها على شكل بقع، بل نحصل على مادة ذات كربون موزع بالتساوي. يُظهر الفولاذ في هذه الحالة قوة خضوع أعلى بكثير وقوة شد أعلى من الفولاذ المبرد ببطء والذي له نفس التركيب الكيميائي، ولكنه يُظهر أيضًا قابلية تصنيع أقل؛ يسمى هذا الفولاذ الفولاذ المقسى.

من الطبيعي أن يكون تأثير التبريد أكثر وضوحاً على الأسطح، بينما يضعف نحو الداخل، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لاستخدام الفولاذ. يحتوي الفولاذ المقسى على ضغوط داخلية عالية.

الإجراءات المخبرية والحرارية: يتطلب النقش بالحمض المعدني والتسخين والتلطيف والتليين مختبرًا أو ورشة عمل خاضعة للرقابة، ومواد محددة، ومعدات وحماية مناسبة. يمكن أن تتسبب المعالجة الحرارية غير الصحيحة في حدوث تشققات وتشوهات وفقدان الصلابة وارتفاع الضغوط المتبقية.

سلوك الفولاذ أثناء اختبار الشد

1. الفولاذ الإنشائي العادي في حالة مدرفلة

من اختبار الشد، في المقام الأول يمكن تحديد معامل المرونة E للاستطالة الكلية والمرونة. معامل مرونة الفولاذ هو 200 GPa.

تحدث الاستطالات الدائمة عند الفولتية المنخفضة، لكنها ليست ذات أهمية خاصة في البناء. يبدأ الفولاذ العادي في “التدفق” تحت الأحمال التي تتجاوز في الغالب الفولاذ St 37 والصلب الخرساني للبناء التجاري 0,24 GPa، وفي الأقسام الكبيرة يمكن أن تنخفض هذه القيمة إلى 0,18 GPa. ونتيجة للتدفق، تحدث تشوهات دائمة كبيرة و“خطوط الخضوع”. يوضح خط مخطط استطالة الفولاذ (الصورة أدناه) أنه تم تجاوز نقطة الخضوع (في تحميل التوتر، يُسمى هذا الحد أيضًا بنقطة الخضوع).

عندما، في حالة العوارض الخرسانية المسلحة، يتم تجاوز حد تمدد التسليح في منطقة التوتر، تحدث استطالات كبيرة في الفولاذ، حيث يتم إنشاء تشققات وانحناءات في منطقة شد الحزمة، مما يضعف قدرة تحمل الحزمة. في الفولاذ الذي يحتوي على نسبة عالية من الكربون، والفولاذ المتصلب وبشكل عام المعادن غير الحديدية، لا تظهر نقطة الخضوع المميزة الموضحة في الصورة أعلاه؛ تزداد الاستطالات الدائمة عمومًا، ولا توجد نقطة خضوع مميزة. في مثل هذه الحالات، كقاعدة عامة، يُفترض أن تكون قوة الخضوع مساوية للحمل الذي يحدث عنده استطالة دائمة تبلغ 0,2%.

القيم ليست بيانات تصميمية: يتم نقل معامل المرونة وقوة الخضوع والقوة والاستطالة في النص من مصدر تاريخي. بالنسبة للحساب، يتم أخذ القيم المميزة والتصميمية للفئة الحديثة الدقيقة والسمك وحالة التسليم، بالإضافة إلى العوامل الجزئية ذات الصلة والتفاوتات ومتطلبات المتانة وقابلية اللحام والتعب.

2. الفولاذ المسحوب على البارد

في كل قضيب فولاذي يتم تقويمه أو ثنيه، يحدث الفولاذ المسحوب محليًا على البارد. عند القيام بذلك، يتم الضغط على الفولاذ محليًا بما يتجاوز نقطة الخضوع؛ على الجزء المرسوم، يتم زيادة حد الرسم. إذا تم تحميل قضيب فولاذي عادي بالشد حتى يتم تجاوز مقاومة الخضوع، عند إعادة التحميل يلاحظ أن قيمة مقاومة الخضوع قد زادت. كلما زاد الفاصل الزمني “للإيقاف المؤقت” بين حمولتين، زادت قوة الخضوع.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأنه أثناء التمدد البارد، يتناقص القطر أيضًا بما يتناسب مع استطالة القضيب، وبالتالي فإن الفولاذ الذي تعرض لتمدد كبير قبل الاختبار سيُظهر قوة خضوع وقوة شد أعلى بكثير من الفولاذ الذي لم يتم تمديده؛ وفي الوقت نفسه، ستظهر مقاومة أقل للصدمات.

يستخدم السحب على البارد في إنتاج الفولاذ الخرساني IIb وIIIb وIVb (شبكات البناء الفولاذية والصلب)، وكذلك في إنتاج الأسلاك للتسليح المسبق الإجهاد وحبال الجسور المعلقة.

العمل البارد والتعزيز: لا تشير الدرجات والأوصاف التاريخية المسحوبة على البارد إلى المنتج الحديث. يمكن أن يؤدي ثني أو استقامة أو إعادة ثني أو لحام أو تسخين حديد التسليح إلى تغيير الخصائص وهو مسموح به فقط عندما تسمح به وثائق المنتج والتصميم والمعايير المعمول بها.

سلوك الفولاذ أثناء اختبار الضغط

ما قيل عن المرونة وعن حد الشد للفولاذ المنصهر ينطبق بالمعنى المقابل على حمل الضغط. لا تختلف قيم مقاومة الخضوع للفولاذ الهيكلي (في حالة الضغط تسمى قوة الخضوع) التي تم الحصول عليها أثناء اختبار الضغط واختبار التوتر كثيرًا. ومع ذلك، تحت الضغط، لا يمكن زيادة الحمل بما يتجاوز حد التكسير إلا مع عناصر قصيرة جدًا.

تنطبق قوانين الإبزيم على القضبان الرفيعة. وفي الوقت نفسه، يجب في المقام الأول أن تؤخذ في الاعتبار الافتراضات المناسبة، سواء كانت تشير إلى طريقة دعم وضغط أطراف القضيب، أو إلى انحرافات محور القضيب عن الموضع المحدد.

العناصر المضغوطة: قوة المادة وحدها لا تحدد قدرة تحمل القضيب. يجب أن يتم تضمين النحافة والانحناء الأولي والضغوط المتبقية والتواء المحلي والعالمي والدعامات والمفاصل والعيوب في حساب العنصر الخرساني.

سلوك الفولاذ في اختبار الانحناء

فيما يتعلق بنقطة الخضوع (التي يتم ملاحظتها من الخارج من خلال الانحرافات الكبيرة للدعامات أو خطوط الخضوع)، فمن المهم أن تحدث أثناء اختبار الانحناء عند ضغوط أقل قليلاً ولكن أعلى من تلك التي تم الحصول عليها عند اختبار قوة الشد لقضيب الاختبار. بعد تجاوز قوة خضوع الفولاذ في مناطق شد الدعامات، يمكن زيادة الأحمال إذا كانت الدعامات مؤمنة بشكل كافٍ ضد الانبعاج أو الالتواء.

اختبار الانحناء: تظهر الصورة إجراءات المختبر، وليس معايير قبول المنتج. يجب أن تتوافق هندسة العينة والدعامات والسرعة ودرجة الحرارة واتجاه التدحرج ومعايير التصنيف مع المعيار المطبق والنوع الدقيق للفولاذ.

قوة التعب للفولاذ

خصائص القوة التي يتم تحديدها أثناء اختبارات التوتر أو الضغط أو الانحناء العادية توفر معلومات مفصلة عن سلوك الفولاذ تحت التحميل الثابت. وفي الوقت نفسه، ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن قوة الخضوع أثناء التحميل الثابت على المدى الطويل ستكون أقل قليلاً من الحد الذي تم الحصول عليه عن طريق الاختبار العادي حتى الفشل. إذا كانت الأحمال الثابتة متبوعة بأحمال متكررة (مثل الجسور ومسارات الرافعات والمركبات)، أو إذا كانت الأحمال المتكررة فقط تعمل على الإطلاق، فيمكن الحصول على بيانات حول المادة فقط بناءً على سلوكها في ظل الظروف الأكثر تطابقًا مع الظروف العملية. لذلك، يتم اختبار فولاذ عناصر البناء، والتي ستتعرض بشكل أساسي للأحمال المتحركة، عن طريق التحميل المتكرر.

في أغلب الأحيان، تحدث الأحمال الثابتة والمتحركة في نفس الوقت. توضح الأمثلة التالية جوهر المشكلة. القضبان الموضحة في الصورة1إنها مصنوعة من نفس المادة، ومصبوبة من نفس الشريط. يتم ثني القضيب السفلي ببطء عن طريق التحميل التدريجي؛ لذلك، يمكن أن تكون عازمة. يتعرض القضيب العلوي مرارا وتكرارا للتحميل المتكرر، مع ضغوط أقل بكثير من تلك السائدة في القضيب الأول. وبعد مرور بعض الوقت، انكسر القضيب العلوي دون أن يظهر أي تشوه دائم حول الكسر. ووفقا لهذا، فإن سلوك المادة عند الفشل يعتمد بشكل كبير على الطريقة التي يتم بها تطبيق الحمل. المثال المذكور، الذي يشير إلى أحمال الانحناء، هو أيضًا سمة من سمات أنواع الأحمال الأخرى. في الصور2و3وتظهر أمثلة على اختبارات الشد. صورة2يشير إلى مثال بسيط لاختبار المسيل للدموع، والشكل3لاختبارات التوتر المتغير أحادي الاتجاه.

فيما يتعلق بتطبيق هذه الحقائق، من المهم - بصرف النظر عن السلوك الموضح أثناء اختبار التمزق العادي - أن يتم تقييم قيمة عنصر البناء الذي تم حفره أو الذي خضع مقطعه العرضي لتغييرات أخرى بشكل خاص. إن مقاومة القضيب المحفور للأحمال المتكررة أقل بكثير من مقاومة القضيب غير المثقوب، حيث تظهر عتبات الجهد عند حواف الثقب. الضغط عند حافة الحفرة، إذا كان ناجمًا عن أحمال متكررة، سيكون دائمًا أعلى بكثير من متوسط ​​الضغط. والنتيجة هي أن عناصر البناء المحفورة تحت الأحمال المتكررة تظهر قوة أقل بكثير من العناصر غير المحفورة.

ملاحظة أخيرة حول التعب: يمكن أن يحدث تشقق التعب عند ضغوط أقل من تلك التي تسبب تشوهًا بلاستيكيًا مرئيًا. الثقوب والتفاصيل الملحومة والتغيرات المفاجئة في القسم والتآكل والتلف تغير فئة التفاصيل والحياة. تتطلب الهياكل التي تتعرض للتحميل المتكرر حساب إجهاد خاص وخطة فحص وتقييم خبير لكل صدع تم اكتشافه.