Hvad er konstruktionsstål? Sammensætning og applikationer

Udforsker konstruktionsstål

Fra de bygninger, folk besøger, til de hjem, de bor i, til de veje, de færdes på, er stålplader et multi-anvendeligt byggemateriale, der giver fremstillings-alsidighed og strukturel styrke uden ekstrem vægt. Denne artikel dykker ned i konstruktionsstål, dets sammensætning, egenskaber, anvendelser og meget mere.

Hvad er konstruktionsstål?

Konstruktionsstål er en reguleret kategori af stål, der skal opfylde industristandarder for dimensionelle tolerancer og sammensætning. I USA er stålkvaliteter specificeret og reguleret af ASTM International. Også Europa og Canada har deres egne reguleringsorganer og standarder. Selvom Leeco Steel tilbyder EN standard stålplade og CSA G40.21 standard stålplade, vil denne artikel fokusere på ASTM standarder.

Der er en bred vifte af konstruktionsstålkvaliteter, hvor de mest populære er ASTM A572 og ASTM A36. Disse stålkvaliteter, sammen med andre kvaliteter af konstruktionsstål, anvendes primært til konstruktion af rammer til broer og bygninger.

De bruges også til konstruktion af:

godsvogne

Byggeudstyr

lastbil dele

Maskineri

kranstænger

transmissionstårne

lastbilreoler

Forskning offentliggjort af American Institute of Steel Construction viser, at konstruktionsstål indeholder 47 procent af alle byggematerialer, så det er meget sandsynligt, at konstruktionsstål er ansvarlig for en del af designet i konstruktioner, bygninger eller broer, hvor mennesker mødes.

Produktion og test af konstruktionsstål

For fuldt ud at forstå, hvordan konstruktionsstål varierer fra ikke-strukturstål, såsom det, der bruges i lastbilleje, skibe eller militærtanke, er det vigtigt at undersøge sammensætningen af ​​konstruktionsstål.

Stål kan fremstilles af råmaterialer eller fra genanvendelse af gammelt stål. Under processen med at omdanne genbrugsstål til nyt stål smeltes eksisterende stål om og raffineres til at opfylde visse specifikationer. At fremstille stål af råmaterialer er en meget længere proces.

Stål er en legering, der indeholder kulstof og jern, som begge er rigeligt tilgængelige, men sjældent findes i deres rene form. For at fremstille stål af råmaterialer fås jern fra jernmalm, som indeholder rigeligt med jernoxider. Det meste af jernmalmen i USA udvindes til taconit, som findes i overflod i Minnesota. Under minedriften males taconitten til en grynet sammensætning, og magneter bruges til at adskille jernmalmen (i form af lodestone) fra andre stoffer og mineraler.

Selvom jern ofte opfattes som stærkt og hårdt, er rå jernmalm så blød, at den kan skæres med en kniv og nogle muskler. Jernbaserede legeringer får deres styrke fra tilsætning af kulstof.

En legering af jern og kulstof fremstilles normalt ved at kombinere koks med jernmalm og tilføre varme, indtil koksen antændes. Koks er en kulstofrig form for kul. Som et resultat af denne stærke opvarmning frigiver koksen kulstof og binder sig til jernoxidernes oxygener, hvilket efterlader en kombination af kulstof og jern. Denne proces kaldes reduktion.

Efter reduktion er materialet omkring 4 procent kulstof, som gennemgår yderligere opvarmnings- og afkølingsprocesser for at reducere mængden af ​​kulstof, hvilket gør materialet stærkere og hårdere. Så snart kulstofindholdet er mindre end 2,1 procent af materialets vægt, bliver det til stål. For at fremstille konstruktionsstål skal kulstoffet reduceres yderligere, indtil dets sammensætning kun er 0,05 procent til 0,25 procent.

Slutresultatet er konstruktionsstål, der er økonomisk prissat, 100 procent genanvendeligt og har et højt styrke-til-vægt-forhold. Der er forskellige kvaliteter af konstruktionsstål, som varierer til en vis grad i deres sammensætning. Disse sammensætninger hjælper betydeligt med at etablere det nødvendige materiale til ethvert specifikt projekt.

Alternativt kan stålet videreforarbejdes - ved yderligere varme- og kølebehandlinger og/eller tilsætning af legeringer, fx titanium, molybdæn og krom - for at øge hårdheden. Disse processer påvirker i de fleste tilfælde den samlede skørhed, hvilket gør det resulterende materiale uegnet til strukturelle anvendelser.

Sammensætning af konstruktionsstål

Nedenfor er sammensætningen af ​​to velkendte konstruktionsstålkvaliteter: ASTM 572 og ASTM A36. Selvom andre strukturelle stålkvaliteter har analoge sammensætninger, kan de også have yderligere legeringer eller have gennemgået yderligere forarbejdning.

A514 indeholder også 0,2 procent molybdæn, 0,48 procent chrom, 0,05 procent vanadium, 0,02 procent titanium og 0,003 procent af bor.

Tilstedeværelsen af ​​yderligere legeringer, der øger både hårdhed og skørhed, er den vigtigste sammensætningsforskel mellem ikke-strukturelt og strukturelt stål. I nogle tilfælde er de ekstra legeringer i stand til at skabe stål af strukturel kvalitet; i andre tilfælde er det fremstillede stål imidlertid for skørt til brug i strukturelle kapaciteter.

Flyde- og trækstyrke

Ud over den kemiske sammensætning hjælper spændings- og flydegrænser med at etablere stålkvaliteten såvel som den generelle anvendelse.

Det højeste spændingspunkt er den elastiske grænse, hvor materialet permanent vil ændre form. For eksempel, når nogen hopper af en trampolin, bøjer trampolinen naturligt for at absorbere energien og vægten, men efter at personen hopper af trampolinen, vil trampolinen vende tilbage til sin oprindelige form. Springbrættets elastiske grænse ville være det punkt, hvor det bøjer under energi og vægt, og forbliver permanent bøjet, selv efter dykkeren er søsat.

En vital egenskab ved konstruktionsstål, flydegrænsen skal have et vist udbytte for at absorbere vægten. Eksempelvis er flydespændingen i broer den maksimale vægt, broen kan modstå, før den oplever permanent skade.

Trækstyrke refererer til det punkt, hvor det foldede materiale vil bryde. I trampolineksemplet ovenfor er dette den energi og vægt, der kræves for at knække trampolinen.

Nedenfor er et diagram, der viser træk- og flydegrænserne for tre almindelige typer konstruktionsstål. Disse point beregnes i kiloinches pr. kvadrattomme ("ksi") eller pund pr. kvadrattomme ("psi") som følger. Nogle gange er de også angivet i megapascal.

Dækningen afhænger af tykkelsen, men den mest almindelige kvalitet er 50 ksi.

Disse to parametre er meget vigtige for ingeniører, når de planlægger det nødvendige materiale til et specifikt projekt.