Преднапряженная сталь: свойства и ключевые приложения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Преднапряжённая сталь — это специализированная высокопрочная сталь, используемая в основном в строительстве предварительно напряжённых бетонных конструкций. Этот класс стали классифицируется как сталь из легированной углерода, обычно содержащая легирующие элементы, такие как хром, марганец и кремний, которые улучшают ее механические свойства и характеристики при нагрузках. Основной характеристикой преднапряжённой стали является ее способность выдерживать большие растягивающие усилия, что делает ее необходимой для применения, где бетон подвергается значительным нагрузкам.
Комплексный обзор
Преднапряжённая сталь разработана для улучшения несущей способности бетонных конструкций путем введения сжимающих напряжений, которые противодействуют растягивающим напряжениям в процессе эксплуатации. Наиболее важные характеристики преднапряжённой стали включают высокую прочность на растяжение, пластичность и устойчивость к усталости. Эти свойства имеют решающее значение для обеспечения структурной целостности и долговечности бетонных элементов, особенно в мостах, парковках и высотных зданиях.
Преимущества преднапряжённой стали:
- Высокое отношение прочности к весу: Позволяет строить более легкие конструкции с уменьшенным использованием материалов.
- Улучшенная долговечность: Повышает устойчивость к растрескиванию и деформации под нагрузкой.
- Универсальность: Подходит для различных применений, включая балки, плиты и арки.
Ограничения преднапряжённой стали:
- Стоимость: Как правило, дороже, чем традиционная арматурная сталь.
- Специальная обработка: Требует тщательного обращения и методов установки для предотвращения повреждений.
- Чувствительность к коррозии: Может потребоваться защитное покрытие или обработки в агрессивных условиях.
Исторически говоря, преднапряжённая сталь сыграла жизненно важную роль в современном строительстве, позволяя проектировать более длинные прольты и более сложные конструкции. Ее рыночная позиция хорошо установлена и широко используется в гражданском строительстве по всему миру.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
Стандартная организация | Наименование/Класс | Страна/Регион происхождения | Примечания |
---|---|---|---|
UNS | 1.2709 | США | Ближайший эквивалент ASTM A421 |
ASTM | A416 | США | Широко используется для преднапряжённых сухожилий |
EN | 10138-3 | Европа | Определяет требования к высокопрочной стали |
JIS | G3536 | Япония | Похожие свойства с незначительными различиями в составе |
ISO | 6935-2 | Международный | Стандарт для высокопрочной стали для преднапряжения |
Таблица выше подчеркивает различные стандарты и эквиваленты преднапряжённой стали. Особенно важно отметить, что хотя классификации могут показаться эквивалентными, тонкие различия в составе и механических свойствах могут существенно повлиять на производительность в конкретных применения. Например, ASTM A416 широко признан за свою прочность на растяжение и пластичность, что делает его предпочтительным выбором на рынке США.
Ключевые свойства
Химический состав
Элемент (Символ и Название) | Процентный диапазон (%) |
---|---|
C (Углерод) | 0.50 - 0.80 |
Mn (Марганец) | 0.60 - 1.20 |
Si (Кремний) | 0.10 - 0.30 |
Cr (Хром) | 0.10 - 0.50 |
P (Фосфор) | ≤ 0.025 |
S (Сера) | ≤ 0.015 |
Основные легирующие элементы в преднапряжённой стали включают углерод, марганец и хром. Углерод является ключевым для достижения высокой прочности на растяжение, в то время как марганец улучшает закаляемость и прочность. Хром способствует устойчивости к коррозии, что делает его жизненно важным для применений, подвергающихся воздействию жестких условий.
Механические свойства
Свойство | Условия/Температура | Температура испытания | Типичное значение/Диапазон (Метрика) | Типичное значение/Диапазон (Имперская) | Справочный стандарт для метода испытания |
---|---|---|---|---|---|
Прочность на растяжение | Закаленный и отпусканный | Комнатная температура | 1200 - 1800 МПа | 174 - 261 ksi | ASTM E8 |
yielding Strength (0.2% offset) | Закаленный и отпусканный | Комнатная температура | 1000 - 1600 МПа | 145 - 232 ksi | ASTM E8 |
Удлинение | Закаленный и отпусканный | Комнатная температура | 3 - 8% | 3 - 8% | ASTM E8 |
Твердость (HRC) | Закаленный и отпусканный | Комнатная температура | 30 - 45 HRC | 30 - 45 HRC | ASTM E18 |
Ударная прочность (Шарпи) | Закаленный и отпусканный | -20°C | 20 - 40 Дж | 15 - 30 фут-фунт | ASTM E23 |
Механические свойства преднапряжённой стали делают ее особенно подходящей для применения, требующего высокой прочности и долговечности. Ее отличная прочность на растяжение и предел текучести позволяют выдерживать значительные нагрузки, тогда как удлинение и ударная стойкость обеспечивают структурную целостность в динамических условиях.
Физические свойства
Свойство | Условия/Температура | Значение (Метрика) | Значение (Имперская) |
---|---|---|---|
Плотность | - | 7.85 г/см³ | 0.284 фунт/дюйм³ |
Температура плавления | - | 1370 - 1540 °C | 2500 - 2800 °F |
Теплопроводность | 20°C | 50 Вт/м·К | 34.5 BTU·дюйм/ч·фут²·°F |
Удельная теплоёмкость | 20°C | 0.46 кДж/кг·К | 0.11 BTU/фунт·°F |
Электрическое сопротивление | 20°C | 0.0000017 Ω·м | 0.0000017 Ω·дюйм |
Ключевые физические свойства, такие как плотность и температура плавления, важны для понимания поведения материала в процессе обработки и применения. Высокая температура плавления указывает на хорошую термическую стабильность, в то время как плотность отражает вес материала, что является важным аспектом в проектировании конструкций.
Устойчивость к коррозии
Коррозионное вещество | Концентрация (%) | Температура (°C) | Рейтинг устойчивости | Примечания |
---|---|---|---|---|
Хлориды | 3-5 | 20-60 | Удовлетворительно | Риск ямочной коррозии |
Серная кислота | 10-20 | 20-40 | Плохо | Не рекомендуется |
Морская вода | - | 20-30 | Хорошо | Необходима защитная отделка |
Преднапряжённая сталь проявляет различную устойчивость к различным коррозионным агентам. Хотя она достаточно хорошо выполняет свои функции в хлоридных средах, она подвержена ямочной коррозии, особенно в морской воде. В то же время, воздействие серной кислоты является крайне неблагоприятным, требуя защитных мер. В сравнении с нержавеющими сталями, такими как AISI 316, которые обеспечивают превосходную коррозионную устойчивость, преднапряжённая сталь может потребовать дополнительных обработок в агрессивных средах.
Термостойкость
Свойство/Ограничение | Температура (°C) | Температура (°F) | Замечания |
---|---|---|---|
Макс. температура непрерывного использования | 400 | 752 | Подходит для умеренного тепла |
Макс. температура прерывистого использования | 500 | 932 | Кратковременное воздействие приемлемо |
Температура нарушения | 600 | 1112 | Риск окисления выше этой температуры |
Преднапряжённая сталь сохраняет свои механические свойства при повышенных температурах, что делает ее подходящей для применения, где важно воздействие тепла. Тем не менее, длительное воздействие выше 400°C может привести к снижению прочности и потенциальным проблемам с окислением.
Свойства обработки
Свариваемость
Процесс сварки | Рекомендуемый наполнитель (Классификация AWS) | Типичное защитное газ/флюс | Примечания |
---|---|---|---|
SMAW | E7018 | Аргон/CO2 | Рекомендуется предварительный нагрев |
MIG | ER70S-6 | Аргон/CO2 | Необходима хорошая сварка |
TIG | ER70S-2 | Аргон | Чистые поверхности обязательны |
Преднапряжённая сталь может быть сварена с использованием различных процессов, хотя необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать дефектов. Часто рекомендуется предварительный нагрев для минимизации риска растрескивания. Выбор заполнителя имеет решающее значение для обеспечения совместимости и сохранения желаемых механических свойств.
Обрабатываемость
Параметр обработки | Преднапряжённая сталь | AISI 1212 | Примечания/Советы |
---|---|---|---|
Индекс относительной обработаемости | 60 | 100 | Сложнее обрабатывать |
Типичная скорость резания | 20 м/мин | 40 м/мин | Использовать карбидные инструменты |
Преднапряжённая сталь имеет более низкую обрабатываемость по сравнению с эталонными сталями, такими как AISI 1212, что требует использования специализированных инструментов и более медленных скоростей резания для достижения желаемых отделок.
Формуемость
Преднапряжённая сталь проявляет ограниченную формуемость из-за своей высокой прочности и твердости. Холодная формовка возможна, но горячая формовка часто предпочтительнее для снижения риска растрескивания. Минимальный радиус изгиба должен быть тщательно рассчитан, чтобы избежать разрушения материала.
Термическая обработка
Процесс обработки | Температурный диапазон (°C) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
---|---|---|---|---|
Отжиг | 600 - 700 | 1 - 2 часа | Воздух | Уменьшение, улучшение пластичности |
Закалка | 800 - 900 | 30 минут | Вода/Масло | Закалка, увеличение прочности |
Отпуск | 400 - 600 | 1 час | Воздух | Снижение хрупкости, увеличение прочности |
Процессы термической обработки, такие как закалка и отпуск, имеют решающее значение для достижения желаемых механических свойств в преднапряжённой стали. Эти обработки изменяют микроструктуру, улучшая прочность и пластичность.
Типичные применения и конечные назначение
Отрасль/Сектор | Конкретный пример применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом применении | Причина выбора |
---|---|---|---|
Гражданское строительство | Строительство мостов | Высокая прочность на растяжение, устойчивость к усталости | Длинные пролеты, нагрузка на несущие конструкции |
Строительство | Парковочные структуры | Долговечность, устойчивость к коррозии | Высокие нагрузки |
Инфраструктура | Высотные здания | Легкость, улучшенная структурная целостность | Оптимизация пространства |
Преднапряжённая сталь в основном используется в гражданском строительстве, особенно в строительстве мостов и высотных зданий. Ее высокая прочность и долговечность делают ее идеальной для конструкций, которые должны выдерживать значительные нагрузки при минимальном использовании материалов.
Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения
Особенность/Свойство | Преднапряжённая сталь | AISI 4140 | AISI 316 | Краткое примечание о плюсах/минусах или компромиссах |
---|---|---|---|---|
Ключевое механическое свойство | Высокая прочность на растяжение | Умеренная прочность | Высокая коррозионная стойкость | Компромисс между прочностью и коррозионной стойкостью |
Ключевой аспект коррозии | Удовлетворительно в хлоридах | Умеренно | Отлично | Преднапряжённая сталь нуждается в покрытиях в коррозионных средах |
Свариваемость | Умеренная | Хорошая | Плохая | Свариваемость значительно варьируется среди классов |
Обрабатываемость | Низкая | Умеренная | Высокая | Обработка требует специализированных инструментов |
Формуемость | Ограниченная | Хорошая | Умеренная | Формуемость ограничена прочностью |
Приблизительная относительная стоимость | Высокая | Умеренная | Высокая | Соображения по стоимости варьируются в зависимости от применения |
Типичная доступность | Умеренная | Высокая | Высокая | Доступность может повлиять на сроки выполнения проектов |
При выборе преднапряжённой стали важны такие факторы, как стоимость, доступность и конкретные механические свойства. Хотя она предлагает превосходную прочность, ее более высокая стоимость и специальные требования к обработке могут ограничивать ее использование в определенных приложениях. Понимание компромиссов между преднапряжённой сталью и альтернативными классами имеет решающее значение для оптимизации производительности и экономической эффективности в инженерных проектах.