W jaki sposób materialna nauka o śrubach kotwicznych stali węglowej wpływa na ich wytrzymałość i trwałość na rozciąganie?

W dziedzinie inżynierii budowlanej i ciężkich maszyn, Kotwica uderzenia stali węglowej jest kluczowym połączeniem i komponentem mocującym, a jego wydajność bezpośrednio określa żywotność bezpieczeństwa i usługi struktury. Stal węglowa jest jego podstawowym materiałem, a synergia jego składu chemicznego, mikrostruktury i technologii przetwarzania kształtuje właściwości mechaniczne i trwałość śruby kotwiczej.
1. Skład chemiczny: „mapa genowa” wytrzymałości na rozciąganie
Wytrzymałość na rozciąganie stali węglowej jest nieliniowo pozytywnie skorelowana z zawartością węgla (C%). Zgodnie ze standardem ASTM A36 zawartość węgla typowego śruby kotwiczącej ze stali węglowej jest kontrolowana w zakresie 0,25%-0,29%, a ten stosunek ten powoduje równowagę między wytrzymałością a plastycznością. Gdy zawartość węgla przekracza 0,3%, twardość materiału wzrasta, ale kruchość znacznie wzrasta, co może powodować kruche złamanie śruby kotwicowej pod obciążeniem dynamicznym. Jednocześnie dodanie elementu manganu (Mn) (0,6%-1,2%) może poprawić wiązanie granicy ziarna poprzez wzmocnienie roztworu stałego i zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie o 15%-20%.
Weryfikacja przypadku: zakład przemysłowy wykorzystuje kotwice stali węglowej o zawartości C 0,27% i zawartości MN 0,9%. Jego najwyższa wytrzymałość na rozciąganie osiąga 580 MPa, czyli o 34% wyższą niż zwykłe kotwice stali o niskiej zawartości węgla, z powodzeniem opierając się obciążeniu wibracyjnymi wysokiej częstotliwości sprzętu do podnoszenia.
2. Mikrostruktura: „niewidzialna tarcza” trwałości
Trwałość stali węglowej zależy od odporności jej mikrostruktury na korozję i zmęczenie. Poprzez kontrolowany proces walcowania i kontrolowanego chłodzenia (TMCP) stosunek ferrytu do perlitu może być zoptymalizowany w celu utworzenia drobnoziarnistej struktury (rozmiar ziarna dociera do klasy 8 lub wyższej). Drobne ziarna nie tylko poprawiają wytrzymałość materiału, ale także zmniejszają akumulację zwichnięć na granicach ziarna i opóźniają inicjację pęknięć. Ponadto dodanie śladowych ilości miedzi (Cu, 0,2%-0,5%) i chromu (CR, 0,3%-0,6%) może tworzyć gęstą folię tlenkową, zmniejszając szybkość korozji do mniej niż 0,02 mm rocznie.
Dane eksperymentalne: Po porównaniu z testem rozpylania soli (standard ASTM B117) obszar rdzy śrub kotowiskowy ze stali węglowej zawierający CR/Cu po 720 godzinach wynosi tylko 1/5 z zwykłej stali węglowej, a żywotność usług w środowisku morskim jest przedłużona do ponad 30 lat.
V. Przyszły kierunek: przełom w inteligentnej nauce materialnej
Wraz z opracowaniem materiału Genome Project i obliczeniowych materiałów obliczeniowych nowe stale o wysokiej wytrzymałości i twardej węglowej (takie jak stal nanoinitowa i średnia stal manganu) wchodzą w etap weryfikacji inżynierii. Przez precyzyjne kontrolowanie ścieżki rozkładu węgla i zmiany fazy, oczekuje się, że wytrzymałość na rozciąganie nowej generacji śrub kotwicznych przekroczy 800 MPa przy jednoczesnym utrzymaniu doskonałej odporności na korozję.