Химиялық құрам және материалдардың негізгі принциптері
Темір және көміртегінің қоспасынан тұратын көміртегілі болат квадраттық түтік пен хромды болат квадраттық түтіктің негізгі айырмашылығы — олардың химиялық құрамында, бұл соңында бұл материалдардың басқа барлық қасиеттерін анықтайды. Көміртегілі болат квадраттық түтік негізінен темір мен көміртегінің қоспасы болып табылады; көміртегі мөлшері әдетте құрылыс қолданысында кеңінен қолданылатын төмен көміртегілі маркалар үшін 0,05%–0,25% аралығында болады. Бұл материалда хром шамалы немесе мүлдем болмайды, сондықтан ол ылғал немесе қатты химиялық заттарға ұшыраған кезде тот басуға және коррозияға ұшырайды. Алайда, хромды болат квадраттық түтік темірден, көміртегіден және кемінде 10,5% хромнан тұрады. Бұл хром қосылуы негізгі айырмашылық: ол болат бетінде жұқа, көрінбейтін, өзін-өзі қалпына келтіретін хром оксиді қабатын түзеді, сондықтан коррозия мен лекеленуге өте жоғары қорғаныс қамтамасыз етіледі. 304 сияқты аустенитті хромды болаттарда 8–10,5% никель де болады, бұл аустенитті құрылымды тұрақтандырады және коррозияға төзімділікті одан әрі арттырады. Хромды болаттың тығыздығы шамамен 7,93 г/см³, ал көміртегілі болаттың тығыздығы 7,85 г/см³ болғандықтан, бұл айырма аз болып табылады және көптеген құрылыс қолданыстарында практикалық әсері минимальды.
Механикалық қасиеттер мен беріктікті салыстыру
Eskі айтылған қасиеттері бойынша екі түрлі шаршылық түтіктер — асылтұрмыс болаты мен көміртегілі болат — жоғары механикалық қасиеттерге ие. Көміртегілі болаттан жасалған шаршылық түтік (әсіресе ASTM A500 Grade C стандарты бойынша) ең төменгі аққыштық шегі 50 ksi (345 MPa), созылу беріктігі 62 ksi (427 MPa) құрайды. Төменгі дәрежелі маркалар, мысалы ASTM A500 Grade B — аққыштық шегі 46 000 psi, созылу беріктігі 58 000 psi. Асылтұрмыс болаттан жасалған шаршылық түтік (304 типі) әдетте аққыштық шегі 30 000–46 000 psi, созылу беріктігі 73 200–89 000 psi аралығында болады; бұл мәндер нақты термоөңдеу режимі мен өндіріс технологиясына байланысты өзгереді. Тең қималы элементтерді салыстырғанда көміртегілі болат әдетте жоғарырақ аққыштық шегіне ие болса да, зерттеулер асылтұрмыс болаттан жасалған шаршылық іші қуыс бағаналардың көміртегілі болаттан жасалған бағаналарға қарағанда жоғары беріктігі мен пластикті деформациялану қабілеті бар екенін көрсетті. Асылтұрмыс болат сонымен қатар ұзару мен иілгіштік көрсеткіштері бойынша да жоғарылау, ол циклдық жүктемелер әсерінен энергияны жұту қабілетін арттырады. Асылтұрмыс болаттың серпімді шегі оның аққыштық шегінің шамамен 50%-ын құрайды — бұл көміртегілі болатқа тән емес қасиет, ол кейбір қолданыстарда қосымша конструкциялық икемділік береді.
Коррозияға төзімділік: Айырмашылықты анықтайтын фактор
Korrozionға төзімділік бұл екі түрлі квадраттық трубалардың ең маңызды практикалық айырмашылығын көрсетеді. Көміртекті болаттан жасалған квадраттық труба әсіресе қорғаныс қабаты немесе өңдеу жоқ кезде дымқыл немесе қатал жағдайларға ұшырағанда қатты шірігенге және коррозияға ұшырайды. Хромның болмауы көміртекті болатқа табиғи коррозияға қарсы қорғаныс қабатын құруға мүмкіндік беретін пассивті тотығы қабатын құруға кедергі келтіреді. Дымқыл, теңіздік немесе химиялық орталарда көміртекті болат тез тотығады және деградациядан сақтау үшін бояу, цинктеп өңдеу немесе порошоктық қаптау сияқты қорғаныс шаралары қажет. Алайда, хромның болуы арқасында коррозияға төзімділігі өте жоғары болатын штайнс болатын квадраттық труба қолданылады. Хром тұрақты, өзін-өзі қалпына келтіретін пассивті қабат құрады, ол дымқыл, химиялық немесе теңіздік орталарда да шірігенге қарсы қорғаныс қызметін атқарады. Егер бұл пассивті қабат сызылса, ол тотығу ортасында қайта қалыптасады — ал көміртекті болатта осы жағдайда қуыс немесе қабыршақ түзіледі. Бұл табиғи коррозияға төзімділік көптеген қолданыстарда қорғаныс қабаттарын қолданудың қажетін жоғарылатады, нәтижесінде қызмет көрсету жиілігі азаяды және пайдалану мерзімі ұзарады. Қышқылдық және сілтілік орталарда көміртекті болаттың коррозияға төзімділігі өте төмен болады, ал штайнс болатын трубалар одан әлдеқайда жақсы төзімділік көрсетеді.
Дәнекерлеу сипаттамалары және дайындау ерекшеліктері
Темірқорытпаның төртбұрышты аустениттік болатын және көміртекті болатты дәнекерлеу үшін негізінен әртүрлі тәсілдер қажет, себебі олардың физикалық және металлургиялық қасиеттері әртүрлі. Көміртекті болат дәнекерлеуде жылу енгізу бойынша жалпы алғанда төзімдірек, сондықтан оны аустениттік болатқа қарағанда жоғары температурада дәнекерлеуге болады. Оның жоғары жылу өткізгіштігі мен төмен жылулық ұлғаю коэффициенті дәнекерлеу кезінде деформацияға төзімділігін арттырады. Ал аустениттік болат жылуды тиімді сақтайды, сондықтан дәнекерлеу кезінде пайда болатын жоғары температура әсерінен иілуі мүмкін. Оның көміртекті болатқа қарағанда шамамен үш есе төмен жылу өткізгіштігі мен жоғары жылулық ұлғаюы деформацияны болдырмау үшін жылу режимін ұқыпты бақылауды және жиі жағдайда төмен жылу енгізуді талап етеді. Сонымен қатар, аустениттік болат "сенсибилизацияға" ұшырайды — бұл жоғары температурада хром көміртеге қосылып хром карбидтерін түзеді, нәтижесінде дәнекерленген аймақта хром азаюы және коррозияға төзімділіктің төмендеуі байқалады. Бұл дәнекерлеу үшін 304L сияқты төмен көміртекті маркаларды немесе коррозияға төзімділікті қалпына келтіру үшін дәнекерлеуден кейінгі жылумен өңдеуді қолдануды қажет етеді. Көміртекті болатты дәнекерлеу қарапайымырақ және әртүрлі дәнекерлеу әдістеріне төзімді, ал аустениттік болатты дәнекерлеу әдетте TIG немесе арнайы MIG процестерін және қатал параметрлерді бақылауды талап етеді. Көміртекті болатта қолданылатын құралдар аустениттік болатта қолданылмауы керек, себебі көміртекті ластану коррозияға төзімділікті нашарлатуы мүмкін.
Shyғындарды салыстыру және өмірлік цикл экономикасы
Темірбетондық және көміртегілі болат квадраттық түтіктер арасындағы экономикалық ескертулер маңызды және жиі материалды таңдауды шешеді. Көміртегілі болат квадраттық түтік бастапқы материалдық шығындарды әлдеқайда төмендетеді, әдетте экономикалық негіз ретінде қызмет етеді. Көміртегілі болат бағасы тоннасына орташа есеппен $700–900 құрайды, ал бағаның орташа ауытқуы энергия мен шикізат шығындарына байланысты болады. Хром (18%), никель (8–10%) және кейде молибден (2–3%) қымбат элементтерін қамтитын темірбетондық болат көміртегілі болаттың 2–3 есе қымбатырақ болады, ал кейбір бағалаулар бұл айырманың 3–4 есе болуын көрсетеді. Үндістан нарығында көміртегілі болат түтіктері килограмына ₹50–100, ал темірбетондық болат түтіктері килограмына ₹250–600 аралығында.
Бірақ бастапқы материалдың құны тек әңгіменің бір бөлігін ғана көрсетеді. Көміртекті болат пен тұрақты болат арасындағы 1000 доллар/тонна құн айырымы қатты сатып алу қысымын туғызады, бірақ негізінен бастапқы құнға негізделген материалды таңдау жиі өмірлік цикл бойынша күтпеген шығындарға әкеледі, олар бастапқы үнемді жояды. Көміртекті болат қорғаныс қабаттарын, мысалы, бояу, цинктеу немесе порошокты бояу қажет етеді, бұл бастапқы шығындарды арттырады және құрылымның пайдалану мерзімі бойынша периодты түрде қолданысқа ие болу мен қайта бояу қажет етеді. Тұрақты болат коррозиялық ортада бояу мен қолданысқа ие болу шығындарын жою арқылы жиі ұзақ мерзімді тұрғыдан жоғары құндылық ұсынады. Толық иелік шығыны — яғни бастапқы материал, жасау, бояу, қолданысқа ие болу және алмастыру шығындарын қоса есепке ала отырып, құрылымның жобалау өмірі бойынша талдау жасағанда, тұрақты болат тиімдірек болып шығады. Немесе ылғалды, теңіздік немесе химиялық тұрғыдан агрессивті орталарда қолданылатын жағдайларда тұрақты болат жиі экономикалық тұрғыдан сақтандырылған таңдау болып табылады.
Қолданылуы және таңдау бойынша нұсқаулар
Әрбір материалдың ерекше қасиеттері оларды әртүрлі қолданыстарға бағыттайды. Көміртекті болат квадраттық труба жалпы құрылыс пен жасау ісінің негізгі материалы болып табылады; ол құрылымдық рамалар, ұстағыш арқалықтар, бағандар, көтергіштер, қол ұстағыштары мен машиналардың рамалары үшін кеңінен қолданылады. Оның төмен құны, жақсы дәрежеде дәнекерленуі және біркелкі пішіні оны құрылымдық рамалар, машиналардың негізі, өнеркәсіптік фермалар мен жалпы құрылымдық қолданыстар үшін идеалды етеді. Сондай-ақ, ол сылақтау құрылғылары, гидравликалық жүйелер мен будық компоненттері үшін де қолданысқа ие.
Коррозияға төзімділік, гигиена немесе эстетика басым маңызға ие болған жағдайда арнайы таңдалған шаршы түрлі шойын болатын түтік пайдаланылады. Ол әсіресе перде қабырғалар, бағыттауыштар, бағандар, рамалар, баспалдақтар және архитектуралық тұрғыдан көрінетін болат құрылымдар сияқты ғимараттарда кеңінен қолданылады. Механикалық инженерияда шаршы түрлі шойын болатын түтіктер рамалар, стеллаждар және басқа да жүкті ұстау элементтерін шығару үшін қолданылады. Бұл материалдың коррозияға төзімділігі мен жоғары жүкті ұстау қабілеті оны ғимараттар мен көпірлердің құрылысына, фасадтың сыртқы қаптамасына және ылғалды немесе химиялық тұрғыдан агрессивті орталардағы қолданыстарға идеалды етеді. Коррозия өнімдерінен ластануға рұқсат етілмейтін тамақ өңдеу, фармацевтикалық, теңіз және химиялық өнеркәсіптерінде де шойын болат қолданылады. Көміртегі болаты мен шойын болаты шаршы түтіктердің арасынан таңдау соңында жүк талаптарының, ортаға әсер ету деңгейінің, күтілетін пайдалану мерзімінің және циклдық құнын ескеретін факторлардың нақты комбинациясына байланысты.
