Thép kết cấu: Tính chất và ứng dụng chính

Thép kết cấu là một loại thép được sử dụng để chế tạo vật liệu xây dựng với nhiều hình dạng khác nhau. Thép này chủ yếu được phân loại là thép mềm ít cacbon, thường chứa ít hơn 0,25% cacbon, khiến thép dễ uốn và dễ dát mỏng. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép kết cấu bao gồm mangan, silic và đôi khi là một lượng nhỏ crom, niken hoặc molypden. Các nguyên tố này làm tăng độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn và ăn mòn của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép kết cấu được đặc trưng bởi tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng xây dựng mà việc tiết kiệm trọng lượng là rất quan trọng. Các đặc tính vốn có của nó bao gồm khả năng hàn, khả năng tạo hình và khả năng gia công tuyệt vời, giúp dễ dàng sử dụng trong nhiều ứng dụng kết cấu khác nhau. Những ưu điểm quan trọng nhất của thép kết cấu là khả năng chịu được tải trọng lớn, khả năng chống biến dạng và tính linh hoạt trong thiết kế. Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế, chẳng hạn như dễ bị ăn mòn nếu không được xử lý đúng cách và độ bền giảm ở nhiệt độ cao.

Trong lịch sử, thép kết cấu đóng vai trò then chốt trong sự phát triển của kiến ​​trúc và cơ sở hạ tầng hiện đại, cho phép xây dựng các tòa nhà chọc trời, cầu và các công trình lớn khác. Vị thế chung trên thị trường của nó được củng cố nhờ việc sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, nơi nó thường được ưa chuộng vì tính hiệu quả về chi phí và tính sẵn có.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	S235	Quốc tế	Tương đương gần nhất với A36
AISI/SAE	A36	Hoa Kỳ	Thường được sử dụng trong xây dựng
Tiêu chuẩn ASTM	A992	Hoa Kỳ	Được sử dụng cho dầm có mặt bích rộng
VI	S235JR	Châu Âu	Tương đương với A36, với những khác biệt nhỏ
ĐẠI HỌC	St37-2	Đức	Tính chất tương tự, thường được sử dụng ở Châu Âu
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SS400	Nhật Bản	Tương đương với S235, nhưng có một số thay đổi nhỏ
Anh	Câu hỏi 235	Trung Quốc	Tương đương với A36, được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc
Tiêu chuẩn ISO	10025-2	Quốc tế	Bao gồm thép kết cấu cán nóng

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và tương đương khác nhau cho thép kết cấu. Đáng chú ý là trong khi nhiều loại thép này được coi là tương đương, thì sự khác biệt nhỏ về thành phần hóa học và tính chất cơ học có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, A992 có độ bền tăng cường và được ưa chuộng cho các tòa nhà cao tầng, trong khi S235 thường được sử dụng cho xây dựng nói chung.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,10 - 0,25
Mn (Mangan)	0,60 - 0,90
Si (Silic)	0,10 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Mangan là nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép kết cấu, tăng cường độ bền và độ dẻo dai của thép. Silic góp phần khử oxy trong quá trình luyện thép và cải thiện độ bền. Cacbon, mặc dù có hàm lượng nhỏ, nhưng ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng và độ bền kéo.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	cán nóng	Nhiệt độ phòng	370 - 510MPa	54 - 74 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	cán nóng	Nhiệt độ phòng	235 - 355MPa	34 - 51 kilôgam	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	cán nóng	Nhiệt độ phòng	20-25%	20-25%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Brinell)	cán nóng	Nhiệt độ phòng	120 - 180 HB	120 - 180 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động	cán nóng	-20°C (-4°F)	≥ 27 J	≥ 20 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Các tính chất cơ học của thép kết cấu làm cho nó phù hợp với các ứng dụng liên quan đến tải trọng nặng và lực động. Độ bền kéo cao của nó cho phép xây dựng các cấu trúc thanh mảnh, trong khi độ dẻo của nó đảm bảo rằng nó có thể hấp thụ năng lượng mà không bị gãy.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7850 kg/m³	490 lb/ft³
Điểm nóng chảy	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/m·K	29 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,49 kJ/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	1,7 x 10^-7 Ω·m	1,7 x 10^-7 Ω·ft

Mật độ của thép kết cấu góp phần tạo nên độ bền và độ ổn định của nó trong các ứng dụng xây dựng. Độ dẫn nhiệt của nó rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt, trong khi nhiệt dung riêng của nó cho biết cần bao nhiêu năng lượng để thay đổi nhiệt độ của nó.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Khí quyển	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét nếu không được bảo vệ
Clorua	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Nghèo	Không khuyến khích sử dụng trong môi trường có tính axit
kiềm	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng ở mức trung bình, nhưng cần có biện pháp bảo vệ

Thép kết cấu có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển khá tốt nhưng dễ bị rỉ sét nếu không được bảo vệ đầy đủ. Trong môi trường clorua, chẳng hạn như vùng ven biển, thép dễ bị ăn mòn rỗ. So với thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn vượt trội, thép kết cấu cần lớp phủ bảo vệ hoặc mạ kẽm để có tuổi thọ cao trong môi trường khắc nghiệt.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	400 °C	752 °F	Ngoài ra, sức mạnh giảm đáng kể
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500 °C	932 °F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ thang đo	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ này

Ở nhiệt độ cao, thép kết cấu có thể mất độ bền và độ cứng, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng như tòa nhà cao tầng và cầu. Khả năng chống oxy hóa giảm, dẫn đến khả năng hỏng hóc kết cấu nếu không được quản lý đúng cách.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
SÚNG BẮN TỪ	E7018	Argon/CO2	Tốt cho các ứng dụng kết cấu
GMAW	ER70S-6	Argon/CO2	Được ưa thích cho các phần mỏng
FCAW	E71T-1	CO2	Thích hợp cho điều kiện ngoài trời

Thép kết cấu có khả năng hàn cao, phù hợp với nhiều quy trình hàn khác nhau. Có thể cần phải gia nhiệt trước để tránh nứt ở các phần dày hơn. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Kết cấu thép	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	70	100	Tốt cho hoạt động gia công
Tốc độ cắt điển hình	30 m/phút	50 m/phút	Điều chỉnh dựa trên công cụ

Thép kết cấu có khả năng gia công ở mức trung bình, đòi hỏi dụng cụ và tốc độ cắt phù hợp để đạt được kết quả tối ưu. Những thách thức bao gồm hao mòn dụng cụ và nhu cầu bôi trơn.

Khả năng định hình

Thép kết cấu có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Thép có thể uốn cong và định hình thành nhiều hình dạng khác nhau, giúp thép linh hoạt trong các ứng dụng xây dựng. Quá trình làm cứng có thể xảy ra trong quá trình định hình nguội, có thể cần xử lý nhiệt tiếp theo để khôi phục độ dẻo.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 giờ	Không khí hoặc nước	Cải thiện độ dẻo và giảm độ cứng
Chuẩn hóa	850 - 900 °C / 1562 - 1652 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Tinh chỉnh cấu trúc hạt
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	1 giờ	Nước hoặc dầu	Tăng độ cứng và sức mạnh

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ và chuẩn hóa có thể thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép kết cấu, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Làm nguội có thể làm tăng độ cứng nhưng có thể cần phải tôi luyện để giảm độ giòn.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn
Sự thi công	Tòa nhà cao tầng	Độ bền cao, độ dẻo dai	Khả năng chịu tải
Cơ sở hạ tầng	Cầu	Độ bền, khả năng chống mỏi	Khả năng dài hạn
Chế tạo	Khung máy móc	Khả năng gia công, khả năng hàn	Dễ chế tạo
Ô tô	Các thành phần khung gầm	Sức mạnh, giảm cân	An toàn và hiệu suất

Thép kết cấu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xây dựng, cơ sở hạ tầng và sản xuất. Độ bền cao và tính linh hoạt của nó khiến nó trở thành vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ tin cậy.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Kết cấu thép	Thép A36	Thép S235	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Sức chịu lực cao	Sức chịu lực vừa phải	Sức chịu lực vừa phải	Thép kết cấu có độ bền vượt trội so với A36 và S235
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng công bằng	Sức đề kháng công bằng	Sức đề kháng công bằng	Tất cả đều yêu cầu các biện pháp bảo vệ trong môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Xuất sắc	Tốt	Tốt	Thép kết cấu có khả năng hàn cao
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Tốt	Kết cấu thép đòi hỏi phải gia công cẩn thận
Khả năng định hình	Tốt	Tốt	Tốt	Tất cả các loại đều thích hợp để hình thành
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp	Thấp	Thép kết cấu có hiệu quả về mặt chi phí cho các dự án lớn
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Cao	Cao	Có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau

Khi lựa chọn thép kết cấu, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và hiệu quả về chi phí. Thép kết cấu thường được ưa chuộng vì sự cân bằng giữa độ bền, tính khả dụng và hiệu suất trong các ứng dụng xây dựng. Tính linh hoạt của nó cho phép sử dụng trong nhiều mục đích, khiến nó trở thành mặt hàng chủ lực trong ngành kỹ thuật và xây dựng.