Арматурная сталь: свойства и ключевые применения

Арматурная сталь, обычно называемая арматурой, является важным компонентом в строительной отрасли, в основном используемым для армирования бетонных конструкций. Эта марка стали обычно классифицируется как низкоуглеродистая мягкая сталь, характеризующаяся своей пластичностью и прочностью на растяжение, которые необходимы для повышения несущей способности бетона. Основными легирующими элементами в арматурной стали являются углерод (C), марганец (Mn) и кремний (Si), каждый из которых вносит вклад в общую производительность и свойства материала.

Общее представление

Арматурная сталь предназначена для улучшения прочности на растяжение бетона, который изначально слаб на растяжение. Добавление стальных прутков позволяет бетонным конструкциям выдерживать различные нагрузки и напряжения, делая их более прочными и устойчивыми. Наиболее значительными характеристиками арматурной стали являются ее высокая предельная прочность, пластичность и свариваемость, которые критически важны для конструктивных применений.

Характеристика	Описание
Предельная прочность	Обычно колеблется от 250 МПа до 600 МПа, в зависимости от марки.
Пластичность	Позволяет деформацию без разрушения, что необходимо для сейсмических приложений.
Свариваемость	В целом хорошая, но зависит от конкретной марки и обработки.

Преимущества:
- Высокое соотношение прочности к весу: Арматурная сталь обеспечивает отличную прочность без добавления чрезмерного веса конструкциям.
- Пластичность: Это свойство позволяет поглощению энергии во время сейсмических событий, снижая риск катастрофического разрушения.
- Экономическая эффективность: Широко доступна и относительно недорога по сравнению с другими материалами.

Ограничения:
- Подверженность коррозии: Без надлежащей обработки или покрытий арматурная сталь может корродировать в суровых условиях.
- Тепловое расширение: Разница в тепловом расширении между сталью и бетоном может привести к растрескиванию, если это не учесть должным образом.

Исторически арматурная сталь играла ключевую роль в современном строительстве, позволяя развивать небоскребы, мосты и другую инфраструктуру. Ее рыночная позиция остается сильной благодаря постоянному спросу в строительстве и гражданском инженерии.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Марка	Страна/Регион происхождения	Заметки/Комментарии
ASTM	A615	США	Широко используется в США для армирования бетона.
ASTM	A706	США	Низколегированная сталь с улучшенной свариваемостью.
EN	500 (B500B)	Европа	Европейский стандарт для арматурной стали.
JIS	G3112	Япония	Стандарт для рифленых прутков, используемых в бетоне.
ISO	6935	Международный	Общий стандарт для арматурной стали.

Заметки/Комментарии:
Хотя марки такие как A615 и A706 часто считаются эквивалентными, A706 имеет более низкое содержание углерода, что улучшает его свариваемость. Это может быть критичным в приложениях, где необходимо сварка, например, в сейсмических зонах.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент	Процентный диапазон (%)
C (углерод)	0.25 - 0.60
Mn (марганец)	0.30 - 1.50
Si (кремний)	0.10 - 0.40
P (фосфор)	≤ 0.04
S (сера)	≤ 0.05

Основная роль углерода в арматурной стали заключается в повышении ее прочности; однако, более высокое содержание углерода может снизить пластичность. Марганец улучшает закаляемость и прочность, в то время как кремний может повысить стойкость к окислению во время термической обработки.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Типичное значение/Диапазон (метрическая система)	Типичное значение/Диапазон (имперская система)	Ссылка на стандарт
Прочность на растяжение	Горячекатаная	400 - 600 МПа	58 - 87 ksi	ASTM A615
Предельная прочность (0.2% отпуска)	Горячекатаная	250 - 500 МПа	36 - 73 ksi	ASTM A615
Удлинение	Горячекатаная	12 - 20%	12 - 20%	ASTM A615
Твердость (Бринелля)	Горячекатаная	150 - 250 HB	150 - 250 HB	ASTM E10
Ударная прочность	Комнатная температура	20 - 30 Дж	15 - 22 фунт-футов	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на растяжение и предельной прочности делает арматурную сталь подходящей для приложений, требующих значительных нагрузочных способностей. Ее пластичность позволяет поглощать энергию во время динамической нагрузки, например, во время сейсмических событий.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрическая система)	Значение (имперская система)
Плотность	Комнатная температура	7850 кг/м³	490 фунтов/фут³
Температура плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	50 Вт/м·К	29 BTU·дюйм/ч·фут²·°F
Коэффициент теплового расширения	Комнатная температура	11 - 13 x 10⁻⁶ /°C	6 - 7 x 10⁻⁶ /°F

Плотность арматурной стали способствует ее прочности, в то время как теплопроводность важна в приложениях, где рассеиваемое тепло критично. Коэффициент теплового расширения необходимо учитывать при проектировании, чтобы предотвратить растрескивание в бетоне.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг устойчивости	Заметки
Хлориды	3 - 5	20 - 60 / 68 - 140	Удовлетворительно	Риск локальной коррозии.
Серная кислота	10 - 20	20 - 40 / 68 - 104	Плохо	Не рекомендуется.
Гидроксид натрия	5 - 10	20 - 60 / 68 - 140	Хорошо	Может привести к напряженной коррозии.

Арматурная сталь подвержена коррозии, особенно в средах с высоким содержанием хлоридов, таких как прибрежные районы. Риск локальной и стрессовой коррозии требует защитных мер, таких как покрытия или коррозионноустойчивые сплавы.

В сравнении с нержавеющими сталями арматурная сталь демонстрирует значительно более низкую коррозионную стойкость, что делает ее менее подходящей для высококорросивых сред. Тем не менее, она более экономична и широко используется в общем строительстве.

Теплостойкость

Свойство/Предел	Температура (°C)	Температура (°F)	Заметки
Максимальная температура длительного обслуживания	400	752	После этого свойства могут ухудшаться.
Максимальная температура кратковременного обслуживания	500	932	Только кратковременное воздействие.
Температура образования окалины	600	1112	Риск окисления.

При повышенных температурах арматурная сталь может потерять прочность и пластичность, что критично в пожароопасных приложениях. Необходимо учитывать эти ограничения при проектировании.

Свойства изготовления

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Заметки
SMAW	E7018	Нет	Хорошо для общих приложений.
GMAW	ER70S-6	Смесь аргону и CO2	Подходит для тонких секций.

Арматурная сталь обычно демонстрирует хорошую свариваемость, особенно с низкогидрогенными электродами. Предварительный нагрев и термическая обработка после сварки могут быть необходимы для предотвращения растрескивания, особенно в марках с высокой прочностью.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Арматурная сталь	Эталонная сталь (AISI 1212)	Заметки/Советы
Относительный индекс обрабатываемости	50%	100%	Сложнее обрабатывать из-за большей прочности.
Типичная скорость резания	20 м/мин	30 м/мин	Подгоните инструменты соответственно.

Арматурная сталь обычно не обрабатывается из-за высокой прочности и прочности. Когда обработка необходима, важно использовать соответствующие инструменты и скорости резания, чтобы избежать чрезмерного износа.

Формуемость

Арматурная сталь может быть холодной обработкой до определенной степени, позволяя изгибать и формировать. Тем не менее, чрезмерная холодная обработка может привести к упрочнению, что может повлиять на ее пластичность. Горячая формовка предпочтительнее для больших сечений, чтобы достичь желаемых форм без ухудшения механических свойств.

Термическая обработка

Процесс обработки	Диапазон температур (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 часа	Воздух или вода	Улучшить пластичность и снизить твердость.
Закалка	800 - 900 / 1472 - 1652	30 минут	Вода или масло	Увеличить твердость и прочность.

Процессы термической обработки, такие как отжиг и закалка, могут значительно изменить микроструктуру арматурной стали, улучшая ее механические свойства. Понимание этих превращений критически важно для оптимизации производительности в конкретных приложениях.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора (кратко)
Строительство	Мосты	Высокая прочность на растяжение, пластичность	Для выдерживания динамических нагрузок.
Инфраструктура	Небоскребы	Коррозионная стойкость, свариваемость	Критически важна для структурной целостности.
Гражданское строительство	Укрепительные стены	Несущая способность, формуемость	Для поддержки нагрузок земли и воды.

Другие применения включают:
- Дороги и шоссе: Используется в асфальтобетоне и дорожных структурах для повышения прочности.
- Фундаменты: Критически важны для стабильности фундаментов зданий.
- Тоннели: Обеспечивает структурную поддержку в подземном строительстве.

Арматурная сталь выбирается для этих приложений из-за ее способности повышать структурную целостность бетона, обеспечивая безопасность и долговечность.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные идеи

Особенность/Свойство	Арматурная сталь	Альтернативная марка 1	Альтернативная марка 2	Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая предельная прочность	Умеренная предельная прочность	Высокая предельная прочность	Арматурная сталь экономична, но может потребовать защитных мер.
Ключевой аспект коррозии	Удовлетворительно	Отлично	Хорошо	Альтернативные марки имеют лучшую коррозионную стойкость.
Свариваемость	Хорошо	Отлично	Удовлетворительно	Учтите требования к сварке при проектировании.
Обрабатываемость	Умеренная	Высокая	Низкая	Арматурная сталь менее обрабатываема, чем некоторые альтернативы.
Примерная относительная стоимость	Низкая	Умеренная	Высокая	Экономическая эффективность делает ее предпочтительным выбором во многих приложениях.
Типичная доступность	Высокая	Умеренная	Низкая	Легко доступна на большинстве рынков.

При выборе арматурной стали важны такие факторы, как стоимость, доступность и конкретные требования проекта. Хотя арматурная сталь широко используется благодаря своим экономическим преимуществам, альтернативные марки могут быть более подходящими для специализированных применений, особенно в коррозионных средах или там, где требуется повышенная свариваемость.

В заключение, арматурная сталь остается основным материалом в строительстве, предлагая баланс прочности, пластичности и экономической эффективности. Понимание ее свойств и применений важно для инженеров и архитекторов, чтобы обеспечить безопасность и долговечность конструкций.