โครงสร้าง ความต้านทาน และความแข็งแรงของเหล็ก

เนื้อหาจากผู้เชี่ยวชาญด้านเอกสารสำคัญ: บทความนี้สงวนไว้ซึ่งการกำหนดในอดีต ตาราง และข้อกล่าวอ้างเกี่ยวกับองค์ประกอบและคุณสมบัติทางกลของเหล็ก แต่ไม่ใช่มาตรฐาน ข้อมูลจำเพาะของวัสดุ ใบรับรอง การคำนวณการก่อสร้าง หรือคำแนะนำในการทดสอบและอบชุบทางความร้อนที่ถูกต้อง ค่าการออกแบบขึ้นอยู่กับประเภทและชุดของเหล็กที่ระบุอย่างถูกต้อง สภาพการผลิต ความหนา อุณหภูมิ ความสามารถในการเชื่อม ความเหนียว ความล้า และมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง วัสดุตลับลูกปืนต้องมีเอกสารที่สามารถตรวจสอบย้อนกลับได้ และได้รับการคัดเลือกและตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญที่รับผิดชอบ

Savo Kusić มุ่งเน้นไปที่ หน้าต่างไม้, หน้าต่างไม้-อลูมิเนียม, หน้าต่างแบบกำหนดเอง, ประตู และ ขอใบเสนอราคา บทความนี้ยังคงเป็นเอกสารสำคัญทางประวัติศาสตร์และไม่ได้เป็นตัวแทนของข้อเสนอสำหรับการผลิตการเสริมแรง การออกแบบ หรือการทดสอบโครงสร้างเหล็ก

องค์ประกอบและเครื่องหมายในอดีตของเหล็กก่อสร้าง

โดยการละลายแร่เหล็กผสมกับเชื้อเพลิง และเติมสิ่งเจือปนซึ่งมักจะเป็นหินปูน ตลอดจนการนำอากาศร้อนภายใต้ความดันเข้าไปในเตาถลุงเหล็ก ก็ได้เหล็กพิก เหล็กหมูมีคาร์บอนมากกว่า 1,7% ไม่สามารถปลอม รีด สกัด หรือกดได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถขึ้นรูปได้หลากหลายวิธี เหล็กดัดผลิตจากเหล็กพิกโดยการเป่าลมในตัวแปลงพื้นฐาน หรือจากเศษเหล็กและเหล็กพิกในเตาเผา (เตาของ Siemens-Martin) สามารถสร้างรูปแบบต่างๆ ได้โดยการกลิ้ง การกด และการตีขึ้นรูป เหล็กดัดทั้งหมดเรียกว่า steel.

ตารางประวัติ: เกรดเหล็ก มาตรฐาน ค่าที่อนุญาต และขั้นตอนการดัดงอเหล็กเก่าในตารางที่แสดงจะต้องไม่ถูกใช้เพื่อระบุแหล่งที่มา ระบุ หรือกำหนดขนาดวัสดุในปัจจุบัน เฉพาะฉลากและเอกสารประกอบของชุดที่จัดส่งเท่านั้นที่ถูกต้อง โดยมีการตรวจสอบความเทียบเท่าตามมาตรฐานที่ตกลงและบังคับใช้

องค์ประกอบทางเคมีของเหล็กก่อสร้าง

เหล็กทางเทคนิคไม่ใช่เหล็กบริสุทธิ์ แต่เป็นโลหะผสมของธาตุพื้นฐานคือเหล็กและคาร์บอน โดยส่วนใหญ่มักเติมแมงกานีส ซิลิคอน ฟอสฟอรัส ซัมบอร์ และทองแดง และน้อยกว่าด้วยอลูมิเนียม โครเมียม นิกเกิล โมลิบดีนัม ฯลฯ ส่วนผสมที่สำคัญที่สุดคือคาร์บอน ความแข็งแรงของผลผลิตและความต้านทานแรงดึงของเหล็กหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณคาร์บอนที่เพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึงประมาณ 0,9% คาร์บอน การยืดตัวที่จุดขาดจะลดลงเมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น เหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนสูงจะต้องได้รับการดูแลด้วยความระมัดระวังมากขึ้นเมื่อทำการยืด ดัด โก่ง ฯลฯ

เหล็กก่อสร้าง St 37.12 ตามกฎแล้วประกอบด้วย 0,08-0,15% คาร์บอน จากนั้นประมาณ 0,5% แมงกานีส จนถึง 0,3% ซิลิคอน ปริมาณฟอสฟอรัสและกำมะถันต้องต่ำ มีจำนวน 0,09% และ 0,05% ตามลำดับ ตามกฎแล้วจะมีทองแดงอยู่เหนือ 0,2%.

เมื่อประเมินผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ทางเคมี จะต้องระมัดระวังว่าเป็นการวิเคราะห์จากการหลอมละลายหรือการวิเคราะห์สินค้ารีด สำหรับอย่างหลัง สิ่งสำคัญคือข้อมูลตัวอย่างจะอ้างอิงถึงตัวอย่างที่มาจากส่วนทั้งหมด หรือตัวอย่างที่นำมาจากสถานที่เฉพาะ (จากแกนกลาง จากขอบ จากปลายด้านหนึ่ง)

โครงสร้างเหล็ก ชุบแข็ง อบคืนตัว และอบอ่อน

การสังเกตโครงสร้างนั้นดำเนินการบนพื้นผิวเรียบที่ได้รับการประมวลผลอย่างระมัดระวัง พื้นและขัดเงา ซึ่งตามกฎแล้วจะถูกกัดกร่อนด้วยกรด ในบางกรณี (เช่น บนเหล็กที่ได้รับความร้อนสูงเกินไป) สามารถรับรู้ลายเหล็กด้วยตาเปล่าบนตัวอย่างที่เตรียมไว้

รูปภาพ 1 แสดงโครงสร้างของเหล็กระบายความร้อนอย่างช้าๆ โดยมีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0,1% และรูปภาพ 2 แสดงโครงสร้างของเหล็กระบายความร้อนอย่างช้าๆ โดยมีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0,3% ธัญพืชสีอ่อนปราศจากคาร์บอนและประกอบด้วยเหล็กบริสุทธิ์เป็นส่วนใหญ่ (จึงเป็นที่มาของชื่อเฟอร์ไรต์) ภายใต้กำลังขยายสูง บริเวณที่มืดจะปรากฏเป็นแถบ (เพอร์ไลต์) ภายใต้กล้องจุลทรรศน์จะสังเกตได้ว่าจุดด่างดำประกอบด้วยชั้นที่แข็งและนุ่มกว่า ชั้นที่แข็งกว่าคือไอรอนคาร์ไบด์ (Fe3C) เรียกว่าซีเมนไทต์ ซึ่งฝังอยู่ในเฟอร์ไรต์ที่นิ่มกว่า ชาวบ้าน - ผลึกที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงจะสลายตัวเมื่อเย็นลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป การระบายความร้อนของเหล็กร้อนอย่างกะทันหันช่วยป้องกันไม่ให้คริสตัลสลายตัว ในทางกลับกัน หากดำเนินการทำความเย็นอย่างกะทันหันก่อนที่การเปลี่ยนแปลงของสารละลายของแข็งจะเริ่มขึ้น สารละลายซึ่งปกติแล้วจะคงอยู่ที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น จะยังคงถูกคงไว้ที่อุณหภูมิห้อง ในกรณีนี้ เราไม่ได้รับวัสดุที่มีการกระจายคาร์บอนในรูปจุด แต่เป็นวัสดุที่มีการกระจายคาร์บอนอย่างสม่ำเสมอ เหล็กในสภาวะดังกล่าวจะแสดงความแข็งแรงของผลผลิตที่สูงกว่ามากและความต้านทานแรงดึงที่สูงกว่าเหล็กที่ระบายความร้อนช้าที่มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน แต่ก็ยังแสดงความสามารถในการแปรรูปได้น้อยกว่าด้วย เหล็กดังกล่าวเรียกว่า เหล็กชุบแข็ง.

เป็นเรื่องปกติที่เอฟเฟกต์การทำความเย็นจะเด่นชัดที่สุดบนพื้นผิว ในขณะที่จะลดลงไปด้านใน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้เหล็ก เหล็กชุบแข็งมีความเค้นภายในสูง

ขั้นตอนห้องปฏิบัติการและความร้อน: การกัดกรดโลหะ การทำความร้อน การให้ความร้อน และการหลอมอ่อน จำเป็นต้องมีห้องปฏิบัติการหรือเวิร์คช็อปที่ได้รับการควบคุม วัสดุที่ระบุ อุปกรณ์ที่เหมาะสม และการป้องกัน การรักษาความร้อนที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดรอยแตก การเสียรูป การสูญเสียความเหนียว และความเค้นตกค้างสูง

พฤติกรรมของเหล็กระหว่างการทดสอบแรงดึง

1. เหล็กโครงสร้างธรรมดาในสภาพรีด

จากการทดสอบแรงดึง อันดับแรกสามารถกำหนดโมดูลัสยืดหยุ่น E สำหรับการยืดรวมและการยืดตัวแบบยืดหยุ่นได้ โมดูลัสความยืดหยุ่นของเหล็กคือ 200 GPa.

การยืดตัวแบบถาวรเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ แต่ไม่มีความสำคัญเป็นพิเศษในการก่อสร้าง เหล็กทั่วไปเริ่ม “ไหล” ภายใต้ภาระที่สำหรับเหล็กก่อสร้างเชิงพาณิชย์ St 37 และเหล็กคอนกรีต ฉันมักจะเกิน 0,24 GPa และในส่วนขนาดใหญ่ ค่านี้สามารถลงไปที่ 0,18 GPa ผลจากการไหล ทำให้เกิดการเสียรูปถาวรขนาดใหญ่และ “เส้นผลผลิต” เกิดขึ้น เส้นของแผนภาพการยืดตัวของเหล็ก (ภาพด้านล่าง) แสดงให้เห็นว่าเกินจุดครากแล้ว (ในการรับแรงดึง ขีดจำกัดนี้เรียกอีกอย่างว่าจุดคราก)

ในกรณีของคานคอนกรีตเสริมเหล็ก เกินขีดจำกัดการยืดของการเสริมแรงในบริเวณแรงดึง เหล็กจะเกิดการยืดตัวอย่างมาก โดยทำให้เกิดรอยแตกร้าวและโค้งงอในบริเวณแรงดึงของคาน ซึ่งจะทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักของคานลดลง บนเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนสูง บนเหล็กชุบแข็ง และโดยทั่วไปบนโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก จุดครากที่เป็นลักษณะเฉพาะที่แสดงในภาพด้านบนจะไม่ปรากฏ การยืดตัวแบบถาวรโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น และไม่มีจุดครากที่ชัดเจน ในกรณีเช่นนี้ ตามกฎแล้ว ความแข็งแรงของผลผลิตจะถือว่าเท่ากับโหลดที่เกิดการยืดตัวอย่างถาวรที่ 0,2%.

ค่าไม่ใช่ข้อมูลการออกแบบ: โมดูลัสของความยืดหยุ่น ความแข็งแรงของผลผลิต ความแข็งแรง และการยืดตัวในข้อความจะถูกถ่ายโอนจากแหล่งประวัติศาสตร์ สำหรับการคำนวณนั้น จะนำคุณลักษณะและค่าการออกแบบของคลาสสมัยใหม่ ความหนา และเงื่อนไขการจัดส่งมารวมกับปัจจัยบางส่วนที่เกี่ยวข้อง ความคลาดเคลื่อน และข้อกำหนดสำหรับความเหนียว ความสามารถในการเชื่อม และความล้า

2. เหล็กดึงเย็น

ในเหล็กเส้นทุกเส้นที่ยืดหรือโค้งงอ จะมีเหล็กดึงเย็นเฉพาะที่เกิดขึ้น ในการทำเช่นนั้น เหล็กจะถูกเน้นเฉพาะที่เกินกว่าจุดคราก บนส่วนที่วาด ขีดจำกัดการวาดจะเพิ่มขึ้น หากมีการบรรทุกแท่งเหล็กธรรมดาด้วยแรงดึงจนเกินความแข็งแรงของผลผลิต เมื่อทำการรีโหลดจะพบว่าค่าของความแข็งแรงของผลผลิตเพิ่มขึ้น ยิ่งช่วงเวลา “หยุดชั่วคราว” นานขึ้นระหว่างการโหลดสองครั้ง ความแรงของผลผลิตจะเพิ่มขึ้นมากขึ้น

นอกจากนี้ เนื่องจากในระหว่างการยืดเย็น เส้นผ่านศูนย์กลางจะลดลงตามสัดส่วนการยืดตัวของแท่งเหล็ก ดังนั้นเหล็กที่ถูกยืดออกอย่างมีนัยสำคัญก่อนการทดสอบจะแสดงความแข็งแรงของผลผลิตและความต้านทานแรงดึงสูงกว่าเหล็กที่ไม่ได้ยืดอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะเดียวกันก็จะแสดงความต้านทานแรงกระแทกน้อยลง

การดึงเย็นใช้ในการผลิตเหล็กคอนกรีต IIb, IIIb และ IVb (เหล็กทอร์, ตาข่ายก่อสร้างเหล็ก) เช่นเดียวกับในการผลิตสายไฟสำหรับการเสริมแรงอัดแรงและเชือกของสะพานแขวน

งานเย็นและการเสริมแรง: เกรดและคำอธิบายการดึงเย็นในอดีตไม่ได้บ่งบอกถึงผลิตภัณฑ์สมัยใหม่ การดัด ยืด ดัดใหม่ เชื่อม หรือให้ความร้อนแก่วัสดุเสริมสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติได้ และจะได้รับอนุญาตเฉพาะเมื่อได้รับอนุญาตจากเอกสารผลิตภัณฑ์ การออกแบบ และมาตรฐานที่เกี่ยวข้องเท่านั้น

พฤติกรรมของเหล็กระหว่างการทดสอบแรงดัน

สิ่งที่กล่าวไว้เกี่ยวกับความยืดหยุ่นและขีดจำกัดแรงดึงของเหล็กหลอมเหลวนั้นนำไปใช้ในแง่ที่สอดคล้องกับภาระแรงดัน ค่าความแข็งแรงของผลผลิตของเหล็กโครงสร้าง (ในกรณีของความดันเรียกว่าความแข็งแรงของผลผลิต) ที่ได้รับระหว่างการทดสอบแรงอัดและการทดสอบแรงดึงไม่แตกต่างกันมากนัก อย่างไรก็ตาม ภายใต้แรงกดดัน การเพิ่มภาระเกินขีดจำกัดการบดสามารถทำได้เฉพาะกับองค์ประกอบที่สั้นมากเท่านั้น

กฎการโก่งใช้กับแท่งเรียว ในเวลาเดียวกัน ประการแรก ควรคำนึงถึงสมมติฐานที่เหมาะสม ไม่ว่าจะหมายถึงวิธีการรองรับและการบีบปลายของคันเบ็ด หรือการเบี่ยงเบนของแกนของแกนจากตำแหน่งที่กำหนดไว้

องค์ประกอบกด: ความแข็งแรงของวัสดุเพียงอย่างเดียวไม่ได้กำหนดความสามารถในการรับน้ำหนักของก้าน ความเรียว ความโค้งเริ่มต้น ความเค้นตกค้าง การโก่งงอเฉพาะจุดและส่วนกลาง ส่วนรองรับ ข้อต่อ และความไม่สมบูรณ์จะต้องรวมอยู่ในการคำนวณองค์ประกอบคอนกรีต

พฤติกรรมของเหล็กในการทดสอบการดัดงอ

เกี่ยวกับจุดคราก (สังเกตจากภายนอกโดยการโก่งตัวขนาดใหญ่ของส่วนรองรับหรือโดยเส้นคราก) เป็นสิ่งสำคัญที่จะเกิดขึ้นในระหว่างการทดสอบการดัดงอที่ความเค้นต่ำกว่าเล็กน้อยแต่สูงกว่าที่ได้รับเมื่อทดสอบความต้านทานแรงดึงของแกนทดสอบ หลังจากเกินกำลังครากของเหล็กในบริเวณรับแรงตึงของตัวรองรับแล้ว น้ำหนักจะเพิ่มขึ้นได้หากตัวรองรับมีความปลอดภัยเพียงพอต่อการโก่งงอหรือบิดงอ

การทดสอบการดัดงอ: ภาพถ่ายแสดงขั้นตอนในห้องปฏิบัติการ ไม่ใช่เกณฑ์การยอมรับผลิตภัณฑ์ รูปทรงของชิ้นงาน รองรับ ความเร็ว อุณหภูมิ ทิศทางการหมุน และเกณฑ์การให้เกรดจะต้องสอดคล้องกับมาตรฐานที่ใช้และประเภทเหล็กที่แน่นอน

ความล้าของเหล็ก

คุณสมบัติความแข็งแรงที่กำหนดในระหว่างการทดสอบแรงดึง แรงอัด หรือการดัดงอทั่วไป จะให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับพฤติกรรมของเหล็กภายใต้การรับน้ำหนักคงที่ ในเวลาเดียวกันควรคำนึงว่าความแข็งแรงของผลผลิตในระหว่างการโหลดแบบคงที่ในระยะยาวจะต่ำกว่าขีด จำกัด ที่ได้รับจากการทดสอบทั่วไปเล็กน้อยจนกระทั่งเกิดความล้มเหลว หากโหลดคงที่ตามมาด้วยการโหลดบ่อยครั้ง (เช่น สะพาน รางเครน ยานพาหนะ) หรือหากมีเฉพาะการโหลดบ่อยครั้งเท่านั้นที่กระทำเลย สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุตามพฤติกรรมของวัสดุภายใต้เงื่อนไขที่ตรงกับเงื่อนไขในทางปฏิบัติมากที่สุดเท่านั้น ดังนั้นเหล็กสำหรับองค์ประกอบการก่อสร้างซึ่งส่วนใหญ่จะต้องเผชิญกับแรงเคลื่อนย้ายจึงได้รับการทดสอบโดยการบรรทุกบ่อยครั้ง

ส่วนใหญ่แล้วสิ่งของที่อยู่กับที่และเคลื่อนที่จะเกิดขึ้นพร้อมกัน ตัวอย่างต่อไปนี้จะสรุปสาระสำคัญของปัญหา แท่งที่แสดงในภาพ1ทำจากวัสดุชนิดเดียวกันและหล่อจากแท่งเดียวกัน ก้านส่วนล่างจะงออย่างช้าๆ โดยการโหลดทีละน้อย จึงสามารถโค้งงอได้ แท่งด้านบนจะต้องได้รับแรงกดซ้ำๆ หลายครั้ง โดยมีแรงเค้นต่ำกว่าแท่งแรกมาก หลังจากนั้นครู่หนึ่ง ก้านด้านบนก็หักโดยไม่แสดงการเสียรูปถาวรบริเวณรอยแตก จากข้อมูลนี้ พฤติกรรมของวัสดุเมื่อเกิดความล้มเหลวจะขึ้นอยู่กับวิธีการรับน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างที่ให้มา ซึ่งหมายถึงแรงดัดงอ ก็เป็นลักษณะของโหลดประเภทอื่นๆ เช่นกัน ในภาพ2และ3มีการแสดงตัวอย่างการทดสอบแรงดึง รูปภาพ2หมายถึงตัวอย่างง่ายๆ ของการทดสอบการฉีกขาด และรูปที่3เพื่อการทดสอบแรงดึงแบบแปรผันทิศทางเดียว

เกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ข้อเท็จจริงเหล่านี้ สิ่งสำคัญคือ นอกเหนือจากพฤติกรรมที่แสดงในระหว่างการทดสอบการฉีกขาดตามปกติแล้ว จะต้องประเมินมูลค่าขององค์ประกอบการก่อสร้างที่ได้รับการเจาะหรือหน้าตัดอื่นๆ เป็นพิเศษด้วย ความต้านทานของแท่งเจาะต่อการโหลดบ่อยครั้งนั้นต่ำกว่าความต้านทานของแท่งที่ยังไม่ได้เจาะมากเนื่องจากเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าปรากฏที่ขอบของรู ความเค้นที่ขอบหลุม หากเกิดจากการรับน้ำหนักบ่อยครั้ง ความเค้นที่ขอบหลุมจะสูงกว่าความเค้นโดยเฉลี่ยเสมอ ผลที่ตามมาคือองค์ประกอบการก่อสร้างที่เจาะภายใต้การรับน้ำหนักบ่อยครั้งมีความแข็งแรงน้อยกว่าองค์ประกอบที่ไม่ได้เจาะมาก

หมายเหตุสุดท้ายเกี่ยวกับความล้า: การแตกร้าวเมื่อยล้าอาจเกิดขึ้นได้ที่ความเค้นต่ำกว่าที่ทำให้เกิดการเสียรูปของพลาสติกที่มองเห็นได้ รู รายละเอียดรอยเชื่อม การเปลี่ยนแปลงส่วนกะทันหัน การกัดกร่อนและความเสียหาย เปลี่ยนประเภทของรายละเอียดและอายุการใช้งาน โครงสร้างภายใต้การรับน้ำหนักซ้ำๆ จำเป็นต้องมีการคำนวณความล้าเป็นพิเศษ แผนการตรวจสอบ และการประเมินโดยผู้เชี่ยวชาญสำหรับรอยแตกแต่ละจุดที่ตรวจพบ