Đang tải... (xem toàn văn)
MỞ ĐẦU Hiện nay các công trình cầu và nhà đã phát triển với quy mô rất lớn, có khả năng chịu các tải trọng lớn và các tác động của môi trường như nước biển, động đất, gió bão, hỏa hoạn.. Thép chất lượng cao (HPS) ra đời đem lại sự cân bằng tối ưu giữa các tính năng của chúng với giá thành sản xuất KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP CHẤT LƯỢNG CAO CÁC TÍNH CHẤT CỦA THÉP CHẤT LƯỢNG CAO CÁC LOẠI THÉP CHẤT LƯỢNG CAO ỨNG DỤNG CỦA THÉP CHẤT LƯỢNG CAO Slide đúng, đủ, đẹp
Thép chất lượng cao GVHD: TS Nguyễn Nhóm x: 1 MỞ ĐẦU Cuối thế kỷ 19, vật liệu thép bắt đầu được sử dụng trong các công trình nhà và cầu Hiện nay các công trình cầu và nhà đã phát triển với quy mô rất lớn, có khả năng chịu các tải trọng lớn và các tác động của môi trường như nước biển, động đất, gió bão, hỏa hoạn Thép chất lượng cao (HPS) ra đời đem lại sự cân bằng tối ưu giữa các tính năng của chúng với giá thành sản xuất 2 2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP CHẤT LƯỢNG CAO 2.1 Khái niệm thép chất lượng cao Thép chất lượng cao là thép thế hệ mới có sự kết hợp tối ưu giữa cường độ và các tính năng khác của thép nhằm mang lại hiệu quả sử dụng lớn nhất cho kết cấu đồng thời đảm bảo giá thành hợp lý 3 Đặc điểm của HPS: Hàm lượng carbon và hệ số đương lượng carbon thấp, do đó có tính hàn cao Có thể hàn với nguồn gia nhiệt thấp, thậm chí không cần gia nhiệt và không đòi hỏi kỹ thuật hàn phức tạp Độ bền dai lớn, bởi vậy chúng có thể làm việc ổn định ở vùng có nhiệt độ thấp mà không bị phá hoại giòn Có khả năng chịu động đất và làm tăng độ vững chắc của kết cấu công trình Có khả năng chống ăn mòn do thời tiết và có thể sử dụng mà không cần sơn phủ bảo vệ 4 2.2 Các tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn về HPS của Mỹ ASTM A709 và AASHTO M270: (các đặc tính kỹ thuật của thép kết cấu dùng cho cầu) ASTM A992: (các đặc tính kỹ thuật của thép hình dùng cho kết cấu) HPS được chia thành 3 cấp: giới hạn chảy tối thiểu là 50, 70, 100 ksi (345, 485 và 690 MPa), Ký hiệu là HPS 50W (HPS 345W), HPS 70W (HPS 485W), HPS 100W (HPS 690W) Ký hiệu W biểu thị tính bền với thời tiết 5 2.2 Các tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn về HPS của châu Âu HPS có giới hạn chảy tối thiểu là 355 MPa và được chia ra thành rất nhiều loại theo các tiêu chuẩn dưới đây : EN 10025-3: thép tiêu chuẩn hạt mịn EN 10025-4: thép cán nhiệt-cơ hạt mịn EN 10025-5: Thép kết cấu có sức kháng ăn mòn thời tiết cao EN 10025-6: (thép kết cấu có giới hạn chảy cao được sản xuất bằng phương pháp tôi và ram 6 2.3 Phương pháp sản xuất Phương pháp kiểm soát nhiệt-cơ (TMCP) Quá trình kiểm soát nhiệt-cơ: kiểm soát thành phần hóa học được kết hợp chặt chẽ với quá trình nhiệt-cơ TMCP chia thành 2 loại: - Cán nhiệt-cơ TM: thường dùng để sản xuất các loại HPS có giới hạn chảy 300-550 MPa -Cán nhiệt-cơ kết hợp làm nguội tăng tốc TM & ACC : sản xuất HPS có giới hạn chảy 350-700 MPa 7 Phương pháp kiểm soát nhiệt-cơ (TMCP) Cho phép giảm đáng kể hàm lượng carbon so với thép thông thường Cho phép tạo ra các loại thép có cấu trúc vi mô siêu mịn So sánh cấu trúc vi mô của HPS với thép thông thường N: phương pháp thông thường, TM: cán nhiệt-cơ, TM&ACC: cán nhiệt-cơ kết hợp làm nguội tăng tốc, QT: tôi và ram 8 2.3 Phương pháp sản xuất Phương pháp tôi và ram Phương pháp tôi và ram (Quenching and Tempering-QT) cho phép sản xuất thép cường độ siêu cao Giới hạn chảy của thép có thể đạt đến 1100 MPa Phương pháp này được chia thành 2 bước: Bước 1 là tôi Bước 2 là ram 9 3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA THÉP CHẤT LƯỢNG CAO 3.1 Thành phần hoá học • Để có được các tính năng mong muốn, HPS yêu cầu rất chặt chẽ về thành phần hóa học: • Hàm lượng carbon và đương lượng carbon cần được khống chế nhằm cải thiện tính hàn; • Cường độ của HPS phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố Mn, Mo, V, Nb; • Thành phần Cr, Cu và Ni cho phép nâng cao khả năng chống ăn mòn; • Si, Al đóng vai trò khử oxy; • Thành phần S, P cần được hạn chế tối đa để không ảnh hưởng đến cường độ và tính hàn của thép chất lượng cao 10 3.2 Các tính chất cơ học 11 3.3 Đặc tính mỏi Kiểm soát phá hoại giòn là một tính năng vượt trội của HPS Sức kháng mỏi lớn hơn rất nhiều so với thép thông thường Quá trình chuyển tiếp từ trạng thái dẻo sang trạng thái giòn xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với thép thông thường Yêu cầu về tính bền dai nhằm tránh hiện tượng phá hoại giòn cho kết cấu thép khi khai thác ở nhiệt độ thấp 12 3.4 Tính hàn Hàm lượng carbon càng lớn sẽ làm tăng nguy cơ nứt xảy ra khi hàn, do đó đòi hỏi kỹ thuật hàn phức tạp và làm tăng chi phí thi công Để đảm bảo tính hàn, HPS có: - Hàm lượng carbon rất thấp; - Các thành phần hoá học thúc đẩy quá trình nóng chảy nhưng không gây nứt hoặc phát sinh các khuyết tật sau khi hàn Việc cải thiện tính hàn cho phép giảm nhiệt độ gia nhiệt, giảm nguy cơ nứt do oxy hóa và giảm giá thành sản xuất kết cấu 13 3.5 Các đặc tính về thời tiết Một trong những mục tiêu nghiên cứu ban đầu của thép chất lượng cao là các đặc tính về thời tiết HPS có khả năng chống ăn mòn cao hơn thép truyền thống có cùng cường độ Thép chịu thời tiết (thép chống ăn mòn – Weathering Steel) rất bền với thời tiết và có khả năng chống ăn mòn cao Loại thép này có thể sử dụng mà không cần sơn phủ bảo vệ hoặc các biện pháp chống ăn mòn khác 14 4 CÁC LOẠI THÉP CHẤT LƯỢNG CAO Các loại thép HPS: Thép cường độ cao Thép có tính hàn cao Thép chịu nhiệt Thép chịu động đất Thép chống ăn mòn (thép chịu thời tiết) 15 4.1 Thép có tính hàn cao • Hàn phải đảm bảo tính dễ thi công, chất lượng và tính kinh tế • Các công trình đặc biệt ở dưới nước và các kết cấu ở vùng khí hậu lạnh (Alaska, Siberie, biển Bắc,…) cần dùng thép có cường độ và độ dai cao đồng thời phải hàn được dễ dàng • Để có tính hàn cao, hàm lượng carbon phải được kiểm soát chặt chẽ • Hàm lượng carbon được khống chế nhỏ hơn 0,1% • Thép có hàm lượng carbon cực thấp (ULCB) được sử dụng ở Mỹ là HT590: hàm lượng carbon nhỏ hơn 0,06% • Các loại HPS theo các tiêu chuẩn của JIS - Nhật Bản đều có tính hàn cao • 3 loại thép dành cho công trình cầu BHS (Bridge Highperformance Steel) : BHS500 và BHS500W không cần gia nhiệt trước khi hàn, BHS700W có thể hàn với nhiệt độ gia nhiệt thấp (500C) 16 4.2 Thép chịu nhiệt • Thép chịu nhiệt có thêm một số thành phần hạt mịn như Mo, Nb, Cr, W, V, Ti • Được kiểm soát chặt chẽ các quá trình ứng xử nhiệt khi chế tạo • Thép chịu nhiệt của Nhật Bản (theo JISF203b) đảm bảo giới hạn chảy gần như không đổi đến 400oC và ≥ 2/3 lần giới hạn chảy ở nhiệt độ phòng cho đến 600oC • Thông thường, ở 6000C, giới hạn chảy > 200 MPa và môđun đàn hồi ≥ 80% mô đun đàn hồi cơ sở (ở nhiệt độ phòng) • Các vật liệu hàn và bu lông cường độ cao với tính năng chịu nhiệt cũng được nghiên cứu phát triển phổ biến 17 4.3 Thép chịu động đất • Các tinh thể hình thành ở nhiệt độ thấp: bainite và martensite là mấu chốt để gia tăng cường độ chịu uốn và chịu kéo • Có thể thêm Nb và Mn và điều chỉnh kích thước các phần tử hạt 18 4.4 Thép chịu thời tiết • Có khả năng chống ăn mòn khí quyển bằng cách tạo ra lớp oxit bảo vệ trên bề mặt thép • Lớp oxit này tồn tại dưới dạng một lớp gỉ mịn bao phủ bề mặt thép và ngăn chặn quá trình ăn mòn sâu hơn • Không cần sơn phủ hoặc các biện pháp chống gỉ khác • Giảm thời gian thi công, giảm chi phí bảo dưỡng và tăng tuổi thọ kết cấu công trình • Thành phần có thêm một lượng nhỏ các hợp kim như Cu, Cr, Ni để tạo lớp gỉ bảo vệ 19 5 ỨNG DỤNG CỦA THÉP CHẤT LƯỢNG CAO Ống thép nhồi bê tông CFT (concrete filled tube) 20