دانلود مقاله عمران ارزیابی فولادی استحکام بالا در صنعت سازه های فولادی

مقدمه

واژه فولاد ساختمانی (structural steel) عموماً به فولادهای C-Mn اطلاق می شود که ساختاری فریتی – پرلیتی دارند و در تناژ بالا برای مصارف ساختمانی و شیمیایی تولید می شوند. تولیدات اغلب به صورت ورق و مقاطع شکل دار است. که ضخامت آنها گاه بیش از 10 سانتیمتر می رسد، استحکام تسلیم تا حدود N/mm² 500 است ولی گریدهای کم آلیاژ با انجام عملیات حرارتی تا مقادیر N/mm²700 را نیز کسب می کنند. ساختمان، پل، مخازن، کشتی و خودرو از کاربردهای مرسوم این فولادها به شمار می آید، اما اخیراً در سکوهای نفت و گاز دریایی، خطوط لوله و مصارف دمای پایین نیز وارد شده اند و مصارف آنها گسترش روزافزونی یافته است.

تحقیقات ده1950 را می توان انقلابی در طراحی فولادهای سازه قلمداد نمود؛ کار دو نفر از محققین نشان داد که ریز کردن دانه های فریت منجر به افزایش استحکام تسلیم تافنس فولادی می شود. به این ترتیب فولادهای ساختمانی با نقطه تسلیم Mpa 300 همراه با ضربه پذیری خوب و قابلیت جوشکاری مناسب تولید شد که در ترکیب آنها از مقادیر اندک آلومنیوم برای ریزسازی دانه ها استفاده شده بود. ریز کردن دانه ها در فولادهای فریتی –پرلیتی اکنون نیز مهمترین پارامتر متالوژیکی برای اصلاح فولادهای سازه به شمار می آید برای دستیابی به استحکام بالاتر مکانیزم های دیگری را مانند تشکیل رسوبات ریز می توان به کار گرفت. با افزودن مقادیر کم (تا حدود 15/0 درصد) عناصر نیوبیم، وانادیم و تیتانیم به فولادهای ساختمانی می توان استحکام تسلیم را تا حوالی Mpa 500 بالا برد این عناصر را میکروآلیاژی می نامند و آلیاژ حاصل در گروه فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا (HSLA) قرار می گیرد.

در تحقیقات بعدی فرایند تولید فولاد HSLA نیز مورد توجه قرار گرفت و نورد کنترل شده به عنوان مکمل ترکیب شیمیایی برای دستیابی به سطوح استحکام بالاتر تعریف شد. به این ترتیب توانستند فولادهای ریزدانه را در حالت نورد شده و بدون نیاز به عملیات هزینه بر نرماله کردن به استحکام مورد نظر برسانند.نکته قابل توجه ان است که با حذف این عملیات حرارتی خواص مکانیکی بهتری هم در فولاد ایجاد می شد. تحقیقات دهه های 1970 به بعد نشان داد که علاوه بر حضور عناصر میکروآلیاژی و نورد کنترل شده،نحوه سرد شدن را نیز می توان چنان اجرا نمود که باز هم مشخصات مکانیکی را ارتقا دهد و به این ترتیب فرآوری ترمومکانیکی وارد صنعت تولید فولاد شد.

فولادهای کم آلیاژی استحکام بالا اولین کاربردهای خود را در آغاز دهه 1960 به صورت ورق و مقاطع ساختمانی به دلیل توانایی جوشکاری آسان کسب نمودند. در اوایل دهه 1970 این فولادها در خطوط لوله گرم همچنین شرایط سخت قطبی مورد استفاده قرار گرفتند و در اواخر این دهه، همزمان با بروز بحران انرژی فولادهای HSLAجهت کاهش وزن اتومبیل و کامیون به کار گرفته شد. در دهه 1980 فولادهای HSLA به صورت تیرچه و قطعات فورج شده توسعه یافته و کاربردهای خاص خود را پیدا کردند و بدون نیاز به عملیات حرارتی مورد استفاده قرار گرفتند. مراحل پیشرفت و توسعه تکنولوژی ساخت فولادهای HSLA را تا سال 1989 می توان در جدول 1 ملاحظه کرد.

علی رغم گسترش چشمگیر فولادهای استحکام بالا در ممالک توسعه یافته، این فولادها در کشور به خوبی معرفی نشده اند و به دلیل عدم آشنایی کافی مصرف کنندگان و مهندسین طراح با خواص آنها جایگاه خود را کسب ننموده اند. این در حالی است که استفاده از فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا به جای فولادهای ساختمانی معمولی در صنعت سازه از نظر اقتصادی اهمین فوق العاده ای دارد. با توجه به این واقعیت و در نظر گرفتن اینکه گروهی از فولادهای استحکام بالا در کشور تولید می شود، در مقاله حاضر خواص این فولادها ارزیابی می شود و خصوصیات لازم برای سازه های مهندسی با مشخصات فولادهای استحکام بالا مقایسه و مورد بحث قرار می گیرد.

جدول 1- روند توسعه فولادهای HSLA

محدوده زمانی

نقطه عطف

پیشرفت در فناوری

1960-1939

کشف متالوژی

عناصر میکروآلیاژی به صورت جزیی در مقاطع ساختمانی استفاده شد تا استحکام لازم بدست آید

1965-1960

تحقیق و آزمایش در مورد مکانیزمهای استحکام دهی

توسعه متالوژی فیزیکی، فولادهای نیمه آرام و آرام تاکید بر جایگزینی با فولادهای عملیات حرارتی شده

1976-1970

جوش پذیری و شکل پذیری

تاکید بر کاهش درصد کربن و کربن معادل،‌کاهش درصد گوگرد، کنترل شکل ناخالصی ها، توسعه شکل پذیری

1972 تا کنون

خواص ثانویه و فولادسازی

کاهش دمای DBTT ، افزایش مقاومت در برابر خوردگی H ₂ S توسعه ریخته گری مداوم

1979 تا کنون

فرمول بندی تازه و نوآوری

تغییراتی در امکان استفاده از عناصر آلیاژی نظیر مولیبدن و توسعه در فولاد سازی

1980 تا کنون

گسترش تکنولوژی

توسعه فرآیندهای تولید

2- استحکام بخشی فولادهای سازه

در صنعت سازه با توجه به اهمیت پایین نگهداشتن قیمت تمام شده ، از مکانیزمهای چند گانه برای افزایش استحکام استفاده شده است. اعمال این مکانیزم ها نه تنها از دیدگاه هزینه تولید در خور توجه است بلکه در ارتباط با خصوصیات دیگر مورد نیاز در سازه ها مانند جوش پذیری باید در نظر گرفته شود. همانطور که در شکل 1 دیده می شود، مکانیزمهای عمده شامل تشکیل محلول جامد، ریزکردن دانه ها و ایجاد رسوبات با عناصر میکروآلیاژی است.

افزایش استحکام ناشی از تشکیل محلول جامد چندان زیاد نیست، کربن در فریت حلالیت اندکی دارد و عناصر آلیاژی زیادی نیز در فولادهای ساختمانی یافت نمی شود به این دلیل اثر استحکام بخشی محلول جامد نسبتاً کم است و در شکل 1 به صورت نوار سیاه رنگی به استحکام زمینه اضافه شده است. بر اساس آنچه درشکل دیده می شود اگر دانه های فریت خیلی درشت باشند،‌استحکام تسلیم فولاد تنها حدود MPa 100 خواهد بود، مشروط بر آنکه مکانیزم دیگری در ساختار فعال نشده باشد.

استحکام حاصل از ریز شدن دانه ها بسیار شاخص است و در شرایط بهینه به MPa 300 می رسد بدون آنکه انعطاف پذیری را کاهش دهد و یا به ضربه پذیری فولاد آسیب وارد سازد. رابطه ای که ارتباط اندازه دانه را با استحکام تسلیم نشان می ده (Hall – petech equation) از مهمترین روابط متالوژی است.

σy = σi +k.d⁻½

σy : yield strength

σi friction stress

k: constant

d: ferrite grain size

3- عوامل کلیدی در انتخاب فولاد

عوامل تعیین کننده در انتخاب فولاد مناسب برای مصارف ساختمانی را می توان بدین صورت بیان نمود

(1)- استحکام تسلیم (strength)

(2)- قابلیت جوشکاری (Weldability)

(3)- ضربه پذیری در دمای کاری (Toughness)

(4)- قیمت (price)

3-1- استحکام یک سازه کمیت قابل تغییری است زیرا می توان مقاطعه فولادی را بزرگتر و ضخیم تر درنظر گرفت و استحکام را افزایش داد، در حالی که خواص دیگر مانند قابلیت جوشکاری حد مشخصی دارد که به نوع فولاد مربوط می شود. از سوی دیگر، بالا بردن استحکام آلیاژ به سه دلیل مطلوب است؛ کاهش حجم، کاهش وزن، و کاهش قیمت. براین اساس هر قدر بتوان از فولادهایی که استحکام تسلیم بالاتری دارند در صنعت سازه استفاده نمود، حجم کمتری اشغال می شود و بار ساکن بعنی وزن سازه کاهش می یابد.

مقادیر زیادی میله گرد فولاد برای تقویت بتن در ساختمان ها و پل ها و اسکله ها مصرف می شود. در سال های گذشته از فولادهای نامرغوب برای میله گرد استفاده می شد تا قیمت پایین تری داشته باشد، حتی در مواردی ذوب های برگشتی خارج از استاندارد را بدین منظور به کار می بردند. با این حال تمایل به سمت فولادهای استحکم بالا افزایش یافته و تولیدات مرغوب با استاندارد بالاتر اکنون مورد توجه قرار گرفته است به این ترتیب میله گردهایی که از فولاد ساده کربنی با استحکام تسلیم MPa 250 ساخته می شوند به تدریج جای خود را به فولادهای قوی تر با نقطه تسلیم در حد MPa 500 می دهند. صرفه جویی وزنی به دلیل استفاده از میله گردهای استحکام بالا بسیار قابل توجه است. طبق استاندارد( (BS4449 حداقل استحکام تسلیم برای میله های ساده و آجدار به ترتیب MPa250 و MPa460 است و ترکیب شیمیایی آنها در جدول 2 دیده می شود. کربن معادل این دو نوع میله گرد حداکثر 42/0 درصد (گرید 250) و 51/0 درصد (گرید 460) است تا قابلیت جوشکاری کافی را داشته باشند. حداقل انعطاف پذیری آنها به ترتیب 22٪ و12٪ قید شده است و باید خم 180 درجه را در قطرهایی مشخص تحمل کنند. مشخصه پیر شدن آنها نیز طبق استاندارد تعریف شده است.

جدول 2 – ترکیب شیمیایی دو گرید میله گرد فولادی (BS4449)

Grade460

Grade250

1. 025 max
2. 25 max

C%

1. 050 max.
2. 060 max.

S%

1. 050 max.
2. 060 max.

P%

1. 012max
2. 012 max

N%

3-2- قابلیت جوشکاری

از ویژگی های صنعت سازه استفاده از فرآیندهای جوشکاری است که برای ایجاد اتصالات مطمئن به کار می رود. جوشکاری که از دهه 1940 به تدریج جایگزین روش های دیگر اتصال سازه های فولادی شد، در ابتدا با مشکل ترک خوردگی قطعات مواجه بود زیرا فولادهای ساختمانی درصد کربن نسبتا بالایی داشتند. تولید انواع فولادهای کم کربن به خصوصدر خلال جنگ جهانی دوم برای ساخت کشتی های تجارتی ضرورت یافته که سازه آنها یک پارچه جوشکاری می شد.

تعریف کلی جوش پذیری آلیاژ یا فلز قابلیت آن برای ایجاد جوشکاری سالم با خواص مورد نظر است جوش پذیری فولاد در حالت کلی با افزایش سختی پذیری کم می شود زیرا ایجاد ساختارهای سخت حساسیت فولاد را به ترک خوردن افزایش می دهد. برای بررسی جوش پذیری فولادهای کربنی و آلیاژی تاثیر عناصر موجود را به صورت عددی به کربن معادل تبدیل می کنند.

+ + CE = %C + (کربن معادل)

فولادهایی با CE تا 35/0 درصد نیازی به پیشگرم یا پسگرم ندارند. اگر CE بین 35/0 تا 55/0 باشد عملیات پیشگرم لازم است و اگر CE بیشتر از 55/0 درصد باشد هم پیشگرم و هم عملیات حرارتی پس از جوشکاری ضرورت دارد. این محاسبه تقریبی است زیرا تنها بر اساس ترکیب شیمیایی فولاد پایه محاسبه می شود و تاثیر سایر عوامل در آن منظور نشده است. کربن معادل فولاد شاخصی برای جوش پذیری یا احتمال ترک خوردن جوش است.

فولادهای HSLA را می توان به خوبی با روش هایی که در مورد فولادهای ساده کربنی ساختمانی استفاده می شود جوشکاری نمود. این روشها شامل جوشهای SMAW، زیر پودری،‌FCW ، GMAW ، GTAW و جوشکاری مقاومتی است به لحاظ استحکام بالای این فولادها روش هایی که محافظت بیشتری در برابر هیدروژن استفاده شود، ترجیح داده می شود. به طور مثال در روش SMAW اگر از الکترودهای کم هیدروژن استفاده شود، جوشکاری را می توان بدون عملیات پیش گرم آغاز کرد. پیش گرم عموماً‌در ضخامت های بیش از MM25 و اتصال تحت تنش بالا مورد نیاز است و بسته به گرید فولاد و ضخامت و روش جوشکاری مورد استفاده در محدوده 40 تا 200 درجه سانتیگراد است. یکی از دلایل مهم استفاده از فولادهای HSLA جوش پذیری خوب در کنار استحکام بالاست. باید توجه نمود که عامل تعیین کننده در انتخاب الکترود جوشکاری استحکام فلز جوش است و ترکیب شیمیایی فاکتور فرعی به شمار می آيد. در جدول 3 می توان چگونگی انتخاب الکترود مناسب جوشکاری فولادهای HSLA را ملاحظه نمود.

3-3-مقاومت به ضربه (TOUGANESS)

خصوصیت جذب انرژی ضربه ای را می توان به سادگی با مراجعه به شکل 3 تعریف نمود، آلیاژی که استحکام بالا داشته باشد ولی ترد و فاقد خاصیت تغییر شکل باشد قابل استفاده نیست. آلیاژی با استحکام پایین و انعطاف پذیری زیاد نیز کاربردی ندارد و هر دو از نظر تافنس ضعیف به شمار می آیند. آلیاژ مقاوم به ضربه آناست که ترکیبی از هر دو خصوصیت را داشته باشد و در این حال گفته می شود که تافنس بالایی دارد.

شکل 4 نشان می ده که با افزایش درصد کربن فولاد انرژی ضربه ای به شدت افت می کند، اگر چه استحکام بالا می رود. برای فولادهای کم کربن انرژی شکست به حدود 200 ژول می رسد، در حالی که با کربن بیشتر از 2/0 درصد، انرژی ضربه ای به کمتر از 100 ژول کاهش می یابد. نکته دیگری که از مقدار انرژی شکست معمتر است دمایی است که فولاد از حالت انعطاف پذیر به حالت تردی می رسد و به دمای انتقال (DBTT) معروف است.

دمای انتقال که عامل اصلی ضایعت معمی در سازه های بزرگ و کشتی ها بوده است در فولادهای ساده کربنی با زیاد شدن درصد کربن افزایش می یابد و به دماهای بالای صفر می رسد؛ یعنی آنکه فولاد در دمای محیط شکننده شده و در معرض شکست ترد قرار می گیرد.

ریز شدهن دانه ها موجب افزایش مقاومت به ضربه می شود در حالی که سایر روش های استحکام بخشی فولاد منجر به کاهش ضربه پذیری می شوند. معادله زیر ارتباط تافنس را با اندازه دانه بیان می کند.بر این اساس فولادهای خیلی ریزدانه تا حدود 100 درجه سانتیگراد زیر صفر به صورت نرم رفتار می کنند و خط شکست ترد ندارد.

Βt = Lnβ – Lnc –Lnd ⁻½

Β and C : constants

d: ferrite grain size

T: ductile – brittle transition temp.

3-4- جنبه های اقتصادی

به استثنای بعضی مصارف خاص، در سایر موارد قیمت عامل تعیین کننده انتخاب نهایی است و باید مد نظر قرار گیرد. قیمت پایه فولادهای سازه (BS 4360) در شکل 5 ارایه شده است و اگرچه قیمتها به روز نیست اما به صورت مقایسه ای نشان می ده که با بالا رفتن استحکام تسلیم از گرید 40 تا 55 قیت افزایش می یابد. در هر گروه استحکامی نیز با افزایش ضربه پذیری از نوع A تا EE یا F قیمت پایه زیاد می شود.

ارزیابی صحیح تری از رابطه بین استحکام وم قیمت فولاد را می توان در شکل 6 مشاهده نمود که محور افقی نمودار حداقل تنش تسلیم و محور عمودی آن قیمت به ازای یک نیوتن بر میلیمتر مربع استحکام است؛‌این نسبت با افزایش استحکام تسلیم بطور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. بنابراین استفاده از فولادهای استحکام بالا در صنعت سازه از دیدگاه اقتصادی توجیه پذیر است و تمایل به سوی فولادهایی که استحکام تسلیم بالاتری دارند رو به افزایش است.

با استفاده از فولادهای استحکام بالاتر،‌ضخامت و در نتیجه وزن سازه را می توان کاهش داد، میزان کاهش وزن ممکن به نوع تنش وارد شده به سازه بستگی دارد. شکل 7 نشان می دهد که دو برابر شدن استحکام تسلیم کاهش 50 درصدی وزن سازه ای را که تحت تنش کششی قرار دارد موجب می شود. هنگامی که تنش های اعمالی از نوع خمشی و یا پیچشی باشد کاهش وزن کمتر است اما هنوز قابل توجه خواهد بود. شایان ذکر است که در مواقعی که پدیده Bckling در طراحی قطعه عامل تعیین کننده باشد، ملاحظات دیگری را باید مد نظر قرار داد.

به واسطه عملیات خاص تولید فولادهای HSLA قیمت این فولادها قدری از فولادهای ساده کربنی بیشتر است، اما به نظر می رسد کاهش مصرف فولاد تاثیر کمی بر کاهش قیمت کل می گذارد و بیشترین صرفه جویی و کاهش قیمت را می توان در هزینه های حمل ونقل و ساخت سازه جستجو کرد. در مورد جوشکاری این فولادها کاهش ابعاد سازه سبب کاهش حجم جوش مورد استفاده می شود، از این دیدگاه در زمان اجرا و هزینه مواد مصرفی در جوشکاری صرفه جویی زیادی به عمل می آيد. جدول 4 هزینه های سازه این 1000 تنی (به طور مثال یک پل) ساخته شده با فولاد MPa 355 (استحکام تسلیم) را با هزینه آن هنگم جایگزینی با فولاد دارای استحکام تسلیم MPa 460 مقایسه می کند.

در برخی مراجع نسبت قیمت ها جهت مقایسه دو فولاد با استحکام تسلیم متفاوت تعریف شده است. اگر سازه ای تحت تنش کششی را در نظر بگیریم، نسبت قیمت دو فولاد را می توان از رابطه زیر بدست آورد:

که در آن و استحکام تسلیم فولادها و فاکتور قیمت نسبی است. در جدول 5 مقایسه ای میان فولاد A36 با فولادهای استحکام بالاتر صورت گرفته است؛ این جدول نشان می دهد که فاکتور قیمت نسبی همواره کمتر از نسبت استحکام تسلیم است و به این ترتیب استفاده از فولادهای استحکام بالا سبب قیمت تمام شده پایین تری خواهد

4- کاربرد فولادهای پر استحکام

فولادهای HSLA شامل گریدهای گوناگون با مشخصات و استانداردهای متنوعی تولید می شوند این گریدها معرف خواصی نظیر استحکام، تافنس، شکل پذیری و خوردگی اتمسفری است. این گروه از فولادها تحت عنوان آلیاژی شناخته نمی شوند اگرچه درصدهای کمی از عناصری خاص جهت حصول خواص مکانیکی بهینه به ترکیب فولاد اضافه می شود. تقسیم بندی کلی فولادهای HSLA از این قرار است:

• فولادهای مقاوم در برابر خوردگی اتمسفری

• فولادهای فریتی – پرلیتی میکروآلیاژی

• فولادهای پرلیتی نوردی

• فولادهای فریت سوزنی

• فولادهای دوفازی

• فولادهای با شکل آخال کنترل شده

• فولادهای مقاوم در برابر ترک هیدروژنی

تنوع محصولات که به دلیل فرآیندهای تولید و ترکیب شیمیایی متفاوت حاصل شده است گستره وسیعی از کاربردها را برای فولادهای HSLA به وجود می آورد. از کاربردهای این فولادها می توان به ساخت پل ها،‌ساختمان ها،‌دکل های برق، مخازن تحت فشار،‌درسچه های کنترل آب، انبار آهن آلات، ریل های راه آهن، کامیون ها، وسایل حمل و نقل زمینی، تجهیزات معدنی، مخازن و تیرچه های تقویت کننده اشاره کرد. در جدول 6 می توان میزان استفاده از فولادهای HSLA درکابردهای متنوع و در میان کشورهای مختلف مقایسه کرد. بسته به شرایط هر منطقه و کشور نوع استفاده از فولادهای HSLA متفاوت است. برای مثال در ژاپن بیشترین سهم استفاده در ساخت کشتی است در جایی که اروپا پیشرو استفاده از این فولادها در ساخت تجهیزات و سازه های دریایی به شمار می آيد.

تعداد صفحات:50

متن کامل را می توانید دانلود نمائید چون فقط تکه هایی از متن در این صفحه درج شده (به طور نمونه) و ممکن است به دلیل انتقال به صفحه وب بعضی کلمات و جداول و اشکال پراکنده شده یا در صفحه قرار نگرفته باشد که در فایل دانلودی متن کامل و بدون پراکندگی با فرمت ورد wordکه قابل ویرایش و کپی کردن می باشند موجود است.