Ako ovplyvňuje materiálová veda o kotvových skrutkách uhlíkovej ocele ich pevnosť v ťahu a trvanlivosť?

V oblasti stavebného inžinierstva a ťažkých strojov, Ukotvená štrajk na uhlíkovú oceľ je kľúčové pripojenie a stanovenie komponentu a jeho výkon priamo určuje bezpečnosť a životnosť štruktúry. Uhlíková oceľ je jej základným materiálom a synergia jej chemického zloženia, mikroštruktúry a technológie spracovania formuje mechanické vlastnosti a trvanlivosť kotvovej skrutky.
1. Chemické zloženie: „génová mapa“ pevnosti v ťahu
Pevnosť v ťahu uhlíkovej ocele je nelineárne pozitívne korelovaná s obsahom uhlíka (C%). Podľa štandardu ASTM A36 je obsah uhlíka v typickej kotvovej skrutke uhlíkovej ocele riadený v rozmedzí 0,25%-0,29%a tento pomer zasiahne rovnováhu medzi pevnosťou a ťažnosťou. Keď obsah uhlíka presahuje 0,3%, tvrdosť materiálu sa zvyšuje, ale krehkosť sa výrazne zvyšuje, čo môže spôsobiť, že kotvená skrutka je krehká pri dynamickom zaťažení. Súčasne môže pridanie prvku mangánu (MN) (0,6%-1,2%) zlepšiť hraničné spojenie zŕn prostredníctvom posilnenia tuhého roztoku s uhlíkom a zvýšiť pevnosť v ťahu o 15%-20%.
Overenie prípadu: Priemyselná elektráreň používa kotvy uhlíkovej ocele s obsahom C 0,27% a obsahom MN 0,9%. Jeho konečná pevnosť v ťahu dosahuje 580 mPa, ktorá je o 34% vyššia ako v prípade bežných nízko uhlíkových oceľových kotiev, čo úspešne odoláva vysokofrekvenčnému vibračnému zaťaženiu zdvíhacieho zariadenia.
2. Mikroštruktúra: „neviditeľný štít“ trvanlivosti
Trvanlivosť uhlíkovej ocele závisí od odporu jej mikroštruktúry voči korózii a únave. Prostredníctvom riadeného procesu valcovania a riadeného chladenia (TMCP) sa pomer feritu k perlitu môže optimalizovať tak, aby vytvoril jemnozrnnú štruktúru (veľkosť zŕn dosiahne stupeň ASTM 8 alebo viac). Jemné zrná nielen zlepšujú húževnatosť materiálu, ale tiež znižujú akumuláciu dislokácií na hraniciach zŕn a oneskorujú začatie trhlín. Okrem toho, pridanie stopových množstiev medi (Cu, 0,2%-0,5%) a chrómu (CR, 0,3%-0,6%) môže tvoriť hustý oxidový film, čím sa zníži rýchlosť korózie na menej ako 0,02 mm/rok.
Experimentálne údaje: Po porovnaní s testom soľného rozprašovania (štandard ASTM B117) je plocha hrdze skrutiek kotiev uhlíkovej ocele obsahujúce CR/Cu po 720 hodinách iba 1/5 z bežnej uhlíkovej ocele a životnosť servisu v morskom prostredí sa predĺži na viac ako 30 rokov.
V. Budúce smer: Prielomy v inteligentnej materiálnej vede
S vývojom projektu materiálového genómu a výpočtových materiálov veda o vede s vysokou pevnosťou a tvrdými uhlíkovými oceľami (ako je nano-bainita oceľ a stredná oceľ mangánu) vstupujú do fázy overovania inžinierstva. Presnou kontrolou distribúcie uhlíka a dráhy zmeny fázy sa očakáva, že pevnosť v ťahu novej generácie kotvových skrutiek prekročí 800 mPa pri zachovaní vynikajúcej odolnosti proti korózii.