Arhivska strokovna vsebina: članek ohranja zgodovinske oznake, tabele in trditve o sestavi in mehanskih lastnostih jekla, vendar ni veljaven standard, specifikacija materiala, certifikat, konstrukcijski izračun ali navodilo za toplotno obdelavo in testiranje. Projektne vrednosti so odvisne od natančno določene vrste in serije jekla, pogojev izdelave, debeline, temperature, varljivosti, žilavosti, utrujenosti in veljavnega standarda. Ležajni material mora imeti sledljivo dokumentacijo in mora biti izbran in preverjen s strani odgovornega strokovnjaka.
Savo Kusić se danes osredotoča na lesena okna, les-alu okna, okna po meri, vrata in prošnje za ponudbe. Ta članek ostaja kot zgodovinski arhiv in ne predstavlja ponudbe za izdelavo armature, projektiranje ali testiranje jeklenih konstrukcij.
Sestava in zgodovinske oznake konstrukcijskega jekla
S taljenjem železove rude, pomešane z gorivi, in z dodatkom primesi - običajno apnenca - ter z dovajanjem segretega zraka pod pritiskom v plavž, dobimo grodlje. Grodelj vsebuje več kot 1,7% ogljika; ni ga mogoče kovati, valjati, klesati ali stiskati – zato ga ni mogoče oblikovati na različne načine. Kovano železo se proizvaja iz grodlja z vpihovanjem zraka v bazičnem konverterju ali iz starega železa in grodlja v peči (Siemens-Martinova peč). Iz njega lahko z valjanjem, stiskanjem in kovanjem ustvarimo različne oblike. Vse kovano železo se imenuje jeklo.
Zgodovinske tabele: Stari razredi jekla, standardi, dovoljene vrednosti in postopki upogibanja v prikazanih tabelah se ne smejo uporabljati za pridobivanje, identifikacijo ali velikost današnjega materiala. Veljavna je samo etiketa in dokumentacija dostavljene serije, s preverjanjem enakovrednosti po dogovorjenem in veljavnem standardu.
Kemična sestava konstrukcijskega jekla
Tehnično železo ni čisto železo, temveč zlitina osnovnih elementov železa in ogljika, najpogosteje z dodatki mangana, silicija, fosforja, sumborja in bakra, redkeje z aluminijem, kromom, nikljem, molibdenom itd. Najpomembnejša primes je ogljik. Meja tečenja in natezna trdnost staljenega jekla naraščata z naraščajočo vsebnostjo ogljika, dokler ne dosežemo približno 0,9% ogljika; raztezek ob pretrganju se zmanjša, ko se poveča vsebnost ogljika. Z jeklom z visoko vsebnostjo ogljika je treba ravnati bolj previdno pri ravnanju, upogibanju, upogibanju itd.
Konstrukcijska jekla St 37.12 praviloma vsebujejo 0,08-0,15% ogljik, nato približno 0,5% mangan, do 0,3% silicij. Vsebnost fosforja in žvepla mora biti nizka; znaša 0,09% oziroma 0,05%. Praviloma je baker nad 0,2%.
Pri vrednotenju rezultatov kemičnih analiz je treba paziti, ali gre za analize iz talin ali analize valjanega blaga; pri slednjem je pomembno, ali se podatki o vzorcu nanašajo na vzorce, ki izvirajo iz celotnega odseka, ali na vzorce, odvzete z določenega mesta (iz jedra, z roba, z enega konca).
Jeklena konstrukcija, kaljenje, popuščanje in žarjenje
Opazovanje strukture poteka na ravnih, skrbno obdelanih, brušenih in poliranih površinah, ki so praviloma razjedane s kislinami. V določenih primerih (npr. pri pregretem jeklu) je jeklena zrna na pripravljenih vzorcih mogoče prepoznati s prostim očesom.
Slika 1 prikazuje strukturo počasi ohlajenega jekla z vsebnostjo ogljika približno 0,1%, slika 2 pa prikazuje strukturo počasi ohlajenega jekla z vsebnostjo ogljika okoli 0,3%. Lahka zrna so brez ogljika in so sestavljena predvsem iz čistega železa (od tod tudi ime ferit); pri veliki povečavi so temna področja videti črtasta (perlit). Pod mikroskopom je mogoče prepoznati, da so temne lise sestavljene iz trših in mehkejših plasti; trše plasti so železov karbid (Fe3C), imenovan cementit, ki je vdelan v mehkejši ferit. Lokali - kristali, ki nastanejo pri visoki temperaturi, ob postopnem ohlajanju razpadejo. Nenadna ohladitev vročega jekla prepreči razpad kristalov. Če se po drugi strani nenadno ohladi, preden se začne pretvorba trdne raztopine, potem bo raztopina - ki sicer lahko obstaja samo pri visokih temperaturah - še naprej vzdrževana pri sobni temperaturi. V tem primeru ne dobimo materiala, katerega ogljik je porazdeljen v obliki lis, temveč material z enakomerno porazdeljenim ogljikom. Jeklo v tem stanju kaže veliko večjo mejo tečenja in večjo natezno trdnost kot počasi ohlajeno jeklo enake kemične sestave, vendar kaže tudi manjšo obdelovalnost; tako jeklo se imenuje kaljeno jeklo.
Naravno je, da je učinek hlajenja najbolj izrazit na površinah, proti notranjosti pa oslabi, kar je pri uporabi jekla zelo pomembno. Kaljeno jeklo vsebuje visoke notranje napetosti.
Laboratorijski in termični postopki: metalografsko kislinsko jedkanje, segrevanje, kaljenje in žarjenje zahtevajo nadzorovan laboratorij ali delavnico, identificiran material, ustrezno opremo in zaščito. Nepravilna toplotna obdelava lahko povzroči razpoke, deformacije, izgubo žilavosti in visoke preostale napetosti.
Obnašanje jekla med nateznim preskusom
1. Navadna konstrukcijska jekla v valjanem stanju
Iz nateznega preskusa je najprej mogoče določiti elastični modul E za skupni in elastični raztezek. Modul elastičnosti jekla je 200 GPa.
Pri nizkih napetostih nastanejo trajni raztezki, ki pa v konstrukciji niso posebnega pomena. Navadno jeklo začne “teči” pod obremenitvami, ki pri komercialnem konstrukcijskem jeklu St 37 in betonskem jeklu I večinoma presegajo 0,24 GPa, v velikih odsekih pa se ta vrednost lahko zniža do 0,18 GPa. Zaradi toka nastanejo velike trajne deformacije in »meje tečenja«. Črta razteznega diagrama jekla (spodnja slika) kaže, da je bila meja tečenja presežena (pri natezni obremenitvi se ta meja imenuje tudi meja tečenja).
Ko je pri armiranobetonskih nosilcih presežena meja raztezanja armature v natezni coni, pride do znatnih raztezkov v jeklu, pri čemer nastanejo razpoke in upogibi v natezni coni nosilca, kar poslabša nosilnost nosilca. Pri jeklih z visoko vsebnostjo ogljika, pri kaljenih jeklih in na splošno pri neželeznih kovinah se značilna meja tečenja, prikazana na zgornji sliki, ne pojavi; trajni raztezki se na splošno povečajo in ni izrazite točke tečenja. V takih primerih se praviloma predpostavlja, da je meja tečenja enaka obremenitvi, pri kateri pride do trajnega raztezka 0,2%.
Vrednosti niso konstrukcijski podatki: modul elastičnosti, meja tečenja, trdnost in raztezek v besedilu so preneseni iz zgodovinskega vira. Za izračun so vzete karakteristične in konstrukcijske vrednosti natančnega sodobnega razreda, debeline in stanja dobave, skupaj z ustreznimi delnimi faktorji, tolerancami in zahtevami glede žilavosti, varljivosti in utrujenosti.
2. Hladno vlečena jekla
V vsaki jekleni palici, ki je zravnana ali upognjena, se pojavi lokalno hladno vlečeno jeklo. Pri tem je jeklo lokalno obremenjeno nad mejo tečenja; na risanem delu se meja risanja poveča. Če navadno jekleno palico obremenimo v napetosti, dokler ne presežemo meje tečenja, se pri ponovnem obremenitvi opazi, da se je vrednost meje tečenja povečala. Daljši kot je časovni interval “pavze” med dvema obremenitvama, bolj se bo povečala meja tečenja.
Poleg tega, ker se med hladnim raztezanjem tudi premer zmanjšuje sorazmerno z raztezkom palice, bo jeklo, ki je bilo pred preskusom izpostavljeno znatnemu raztezanju, pokazalo znatno večjo mejo tečenja in natezno trdnost kot jeklo, ki ni bilo raztegnjeno; hkrati bo pokazal manjšo odpornost na udarce.
Hladno vlečenje se uporablja pri izdelavi betonskih jekel IIb, IIIb in IVb (tor-jeklo, jeklene konstrukcijske mreže), kot tudi pri izdelavi žic za prednapeto armaturo in vrvi visečih mostov.
Hladno delo in ojačitev: Zgodovinski hladno vlečeni razredi in opisi ne kažejo na sodobni izdelek. Upogibanje, ravnanje, ponovno upogibanje, varjenje ali segrevanje ojačitve lahko spremeni lastnosti in je dovoljeno samo, če to dovoljujejo dokumentacija izdelka, načrt in veljavni standard.
Obnašanje jekla med tlačnim preskusom
Kar je bilo povedano o elastičnosti in o natezni meji staljenega jekla, velja v ustreznem smislu za tlačno obremenitev. Vrednosti meje tečenja konstrukcijskega jekla (v primeru tlaka se imenuje meja tečenja), dobljene med tlačnim in nateznim preskusom, se ne razlikujejo veliko. Vendar pa je pod pritiskom povečanje obremenitve preko meje zmečkanja možno le pri zelo kratkih elementih.
Za vitke palice veljajo zakoni upogibanja. Pri tem je treba v prvi vrsti upoštevati ustrezne predpostavke, bodisi da se nanašajo na način podpiranja in stiskanja koncev palice bodisi na odstopanja osi palice od ustaljenega položaja.
Stisnjeni elementi: samo trdnost materiala ne določa nosilnosti palice. V izračun betonskega elementa je treba vključiti vitkost, začetno ukrivljenost, preostale napetosti, lokalno in globalno ukrivljenost, podpore, spoje in nepopolnosti.
Obnašanje jekla pri upogibnem preskusu
Glede meje tečenja (opažene od zunaj z velikimi upogibi nosilcev ali črtami tečenja) je pomembno, da se bo pojavila med upogibnim preskusom pri nekoliko nižjih, vendar višjih napetostih od tistih, dobljenih pri preskušanju natezne trdnosti preskusne palice. Po prekoračitvi meje tečenja jekla v napetostnih območjih nosilcev se lahko obremenitve povečajo, če so nosilci dovolj zavarovani pred upogibanjem ali zvijanjem.
Preizkus upogibanja: fotografija prikazuje laboratorijski postopek, ne meril za sprejemljivost izdelka. Geometrija vzorca, nosilci, hitrost, temperatura, smer valjanja in merila za razvrščanje morajo ustrezati uporabljenemu standardu in natančni vrsti jekla.
Utrujalna trdnost jekla
Lastnosti trdnosti, določene med običajnimi nateznimi, tlačnimi ali upogibnimi preskusi, zagotavljajo podrobne informacije o obnašanju jekla pod statično obremenitvijo. Hkrati je treba upoštevati, da bo meja tečenja pri dolgotrajni statični obremenitvi nekoliko nižja od meje, ki jo dobimo z običajnim testiranjem do porušitve. Če statičnim obremenitvam sledijo pogoste obremenitve (npr. mostovi, žerjavne proge, vozila) ali če sploh delujejo samo pogoste obremenitve, potem lahko podatke o materialu pridobimo le na podlagi njegovega obnašanja v pogojih, ki najbolj ustrezajo praktičnim razmeram. Zato jekla za konstrukcijske elemente, ki bodo izpostavljeni predvsem gibljivim obremenitvam, preizkušamo s pogostimi obremenitvami.
Najpogosteje se istočasno pojavljajo stacionarne in gibljive obremenitve. Naslednji primeri orišejo bistvo problema. Palice prikazane na sliki1izdelani so iz istega materiala in uliti iz iste palice. Spodnjo palico počasi upogibamo s postopno obremenitvijo; zato bi se lahko upognil. Zgornja palica je večkrat izpostavljena ponavljajočim se obremenitvam, pri čemer so napetosti veliko nižje od tistih, ki prevladujejo v prvi palici. Čez nekaj časa se je zgornja palica zlomila brez trajne deformacije okrog zloma. V skladu s tem je obnašanje materiala pri porušitvi bistveno odvisno od načina, na katerega se izvaja obremenitev. Naveden primer, ki se nanaša na upogibne obremenitve, je značilen tudi za druge vrste obremenitev. Na slikah2in3prikazani so primeri nateznih preskusov; sliko2se nanaša na preprost primer testa trganja in sl3na enosmerne preskuse spremenljive napetosti.
Glede uporabe teh dejstev je pomembno, da je treba – poleg obnašanja, prikazanega med običajnim preskusom trganja – še posebej oceniti vrednost konstrukcijskega elementa, ki je bil izvrtan ali katerega prečni prerez je bil drugače spremenjen. Odpornost izvrtane palice na pogoste obremenitve je veliko nižja od odpornosti neizvrtane palice, saj se na robovih luknje pojavijo pragovi napetosti. Napetost na robu luknje, če jo povzročajo pogoste obremenitve, bo vedno znatno višja od povprečne napetosti. Posledica tega je, da navrtani konstrukcijski elementi pod pogostimi obremenitvami kažejo veliko manj trdnosti kot nenavrtani elementi.
Zadnja opomba o utrujenosti: utrujenostne razpoke se lahko pojavijo pri napetostih, nižjih od tistih, ki povzročijo vidno plastično deformacijo. Luknje, zvarjeni detajli, nenadne spremembe preseka, korozija in poškodbe spremenijo kategorijo detajlov in življenjsko dobo. Konstrukcije pod ponavljajočimi se obremenitvami zahtevajo poseben izračun utrujenosti, načrt pregleda in strokovno oceno vsake odkrite razpoke.