Utforska konstruktionsstål
Från byggnaderna människor besöker, till hemmen de bor i, till vägarna de färdas på, är stålplåt ett mångsidigt byggmaterial som ger tillverkningsmångsidighet och strukturell styrka utan extrem vikt. Den här artikeln fördjupar sig i konstruktionsstål, dess sammansättning, egenskaper, användningsområden och mycket mer.
Vad är konstruktionsstål?
Konstruktionsstål är en reglerad stålkategori som måste uppfylla industristandarder för dimensionstoleranser och sammansättning. I USA specificeras och regleras stålkvaliteter av ASTM International. Dessutom har Europa och Kanada sina egna tillsynsorgan och standarder. Även om Leeco Steel erbjuder EN standard stålplåt och CSA G40.21 standard stålplåt, kommer denna artikel att fokusera på ASTM-standarder.
Det finns ett brett utbud av konstruktionsstål, där de mest populära är ASTM A572 och ASTM A36. Dessa stålsorter, tillsammans med andra konstruktionsstål, används främst för konstruktion av stommar för broar och byggnader.
De används också i konstruktionen av:
godsbilar
Byggmaterial
lastbilsdelar
Maskineri
kranstänger
transmissionstorn
lastbilsställ
Forskning publicerad av American Institute of Steel Construction visar att konstruktionsstål innehåller 47 procent av alla byggnadsmaterial, så det är mycket troligt att konstruktionsstål står för en del av designen i konstruktioner, byggnader eller broar där människor möts.
Tillverkning och provning av konstruktionsstål
För att till fullo förstå hur konstruktionsstål skiljer sig från icke-konstruktionsstål, såsom det som används i lastbilsflak, fartyg eller militära stridsvagnar, är det viktigt att undersöka sammansättningen av konstruktionsstål.
Stål kan tillverkas av råvaror eller från återvinning av gammalt stål. Under processen att omvandla återvunnet stål till nytt stål smälts befintligt stål ned och förädlas för att uppfylla vissa specifikationer. Att tillverka stål från råvaror är en mycket längre process.
Stål är en legering som innehåller kol och järn, som båda finns i överflöd men sällan finns i sin rena form. För att tillverka stål av råvaror utvinns järn från järnmalm, som innehåller rikligt med järnoxider. Det mesta av järnmalmen i USA bryts för takonit, som finns i överflöd i Minnesota. Under brytningsprocessen mals takoniten till en grynig komposition och magneter används för att separera järnmalmen (i form av lodestone) från andra ämnen och mineraler.
Även om järn ofta anses vara starkt och hårt, är rå järnmalm så mjuk att den kan skäras med en kniv och lite muskler. Järnbaserade legeringar får sin styrka från tillsats av kol.
En legering av järn och kol tillverkas vanligtvis genom att kombinera koks med järnmalm och applicera värme tills koksen antänds. Koks är en kolrik form av kol. Som ett resultat av denna starka uppvärmning frigör koksen kol och fäster vid järnoxidernas syre och lämnar en kombination av kol och järn. Denna process kallas reduktion.
Efter reduktion är materialet cirka 4 procent kol, som genomgår ytterligare uppvärmnings- och kylningsprocesser för att minska mängden kol, vilket gör materialet starkare och hårdare. Så snart kolhalten är mindre än 2,1 procent av materialets vikt förvandlas det till stål. För att tillverka konstruktionsstål måste kolet reduceras ytterligare tills dess sammansättning bara är 0,05 procent till 0,25 procent.
Slutresultatet är konstruktionsstål som är ekonomiskt prissatt, 100 procent återvinningsbart och har ett högt förhållande mellan hållfasthet och vikt. Det finns olika kvaliteter av konstruktionsstål, som varierar till viss del i sin sammansättning. Dessa kompositioner hjälper avsevärt att skapa det nödvändiga materialet för ett specifikt projekt.
Alternativt kan stålet vidarebearbetas - genom ytterligare uppvärmnings- och kylningsbehandlingar och/eller tillsats av legeringar, t.ex. titan, molybden och krom - för att öka hårdheten. Dessa processer påverkar den totala sprödheten, i de flesta fall, vilket gör det resulterande materialet olämpligt för strukturella tillämpningar.
Sammansättning av konstruktionsstål
Nedan är sammansättningen av två välkända konstruktionsstålsorter: ASTM 572 och ASTM A36. Även om andra konstruktionsstålsorter har analoga sammansättningar, kan de också ha ytterligare legeringar eller ha genomgått ytterligare bearbetning.
| Grad | Kol | Mangan | Match | Svavel | Silikon |
|---|---|---|---|---|---|
| A36 | 0.25-0.29 procent | 1,03 % | 0,04 procent | 0.05 procent | 0.28 procent |
| A572 | 0.18-0.23 procent | 0.5-0,7 procent | 0,035 procent max | 0,04 procent max | 0.150-0.3 procent |
| A514* | 0.12-0.21 procent | 0.85 procent | Ej angivet | Ej angivet | 0.28 procent |
A514 innehåller också 0,2 procent molybden, 0,48 procent krom, 0,05 procent vanadin, 0,02 procent titan och 0,003 procent bor.
Närvaron av ytterligare legeringar som ökar både hårdhet och sprödhet är den huvudsakliga sammansättningsskillnaden mellan icke-strukturellt och strukturellt stål. I vissa fall är de ytterligare legeringarna kapabla att skapa stål av strukturell kvalitet; i andra fall är det producerade stålet dock för sprött för att användas i strukturell kapacitet.
Sträckhållfasthet och draghållfasthet
Utöver den kemiska sammansättningen hjälper spännings- och sträckgränser att fastställa stålkvaliteten såväl som den allmänna tillämpningen.
Den högsta spänningspunkten är den elastiska gränsen, vid vilken materialet permanent kommer att ändra form. Till exempel, när någon hoppar av en studsmatta böjs studsmattan naturligt för att absorbera energin och vikten, men efter att personen hoppat av studsmattan kommer studsmattan att återgå till sin ursprungliga form. Språngbrädans elastiska gräns skulle vara den punkt där den böjer sig under energi och vikt, och förblir permanent böjd även efter att dykaren sjösätter.
En viktig egenskap hos konstruktionsstål, sträckgränsen måste ha visst flyt för att absorbera vikten. Exempelvis är sträckgränsen i broar den maximala vikt som bron tål innan den får permanenta skador.
Draghållfasthet hänvisar till den punkt vid vilken det vikta materialet kommer att gå sönder. I trampolinexemplet ovan är detta energin och vikten som krävs för att bryta studsmattan.
Nedan finns ett diagram som visar drag- och sträckgränserna för tre vanliga typer av konstruktionsstål. Dessa poäng beräknas i kilotum per kvadrattum ("ksi") eller pund per kvadrattum ("psi") enligt följande. Ibland anges de också i megapascal.
| Grad | sträckgräns | dragpunkt |
|---|---|---|
| A36 | 36 ksi | 58-80 ksi |
| A572 | 42-65 ksi* | 0.5-0,7 procent |
| A514 | 100 ksi | 110-130 ksi |
Täckning beror på tjocklek, men den vanligaste graden är 50 ksi.
Dessa två parametrar är mycket viktiga för ingenjörer när de planerar det nödvändiga materialet för ett specifikt projekt.
