วัสดุและคุณสมบัติของแผ่นเหล็กสำหรับต่อเรือแบบรีดร้อน

บทนำเกี่ยวกับการจัดจำแนกประเภทของแผ่นเหล็กสำหรับต่อเรือแบบรีดร้อน

แผ่นเหล็กสำหรับต่อเรือแบบรีดร้อนคือแผ่นเหล็กโครงสร้างที่ผลิตขึ้นเป็นพิเศษเพื่อใช้ในการสร้างตัวเรือ ผนังกั้นภายในเรือ ดาดฟ้า และโครงสร้างทางทะเลอื่นๆ โดยผลิตขึ้นอย่างเคร่งครัดตามกฎเกณฑ์ขององค์กรจัดจำแนกเรือและมาตรฐานสากล แผ่นเหล่านี้มีให้เลือกในช่วงขนาดที่ครอบคลุมอย่างกว้างขวาง โดยมีความหนาโดยทั่วไปตั้งแต่ 3 มม. ถึง 300 มม. ความกว้างตั้งแต่ 600 มม. ถึง 4200 มม. และความยาวสูงสุดถึง 18,000 มม. ข้อกำหนดที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับแผ่นเหล็กใช้ในเรือคือ ASTM A131/A131M ซึ่งครอบคลุมแผ่นเหล็กโครงสร้าง รูปทรงต่างๆ แท่งเหล็ก และหมุดย้ำ ที่ออกแบบมาเป็นหลักสำหรับการก่อสร้างเรือ วัสดุภายใต้ข้อกำหนดนี้แบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลัก ได้แก่ เหล็กความแข็งแรงปกติและเหล็กความแข็งแรงสูง .

กลุ่มเหล็กความแข็งแรงปกติประกอบด้วยเกรด A, B, D และ E โดยแต่ละเกรดมีคุณสมบัติด้านความเหนียวต่อการกระแทกแบบ Charpy V-notch ขั้นต่ำที่ระบุไว้แตกต่างกันตามอุณหภูมิที่กำหนด กลุ่มเหล็กความแข็งแรงสูงประกอบด้วยเกรด AH, DH, EH และ FH ซึ่งมีให้เลือกหลายระดับความแข็งแรง โดยมีจุดไหล (yield point) ขั้นต่ำที่ระบุไว้เท่ากับ 46 ksi (315 MPa), 51 ksi (350 MPa) หรือ 57 ksi (390 MPa) การจัดหมวดหมู่อย่างเป็นระบบดังกล่าวช่วยให้นักออกแบบเรือและวิศวกรสามารถเลือกเหล็กเกรดที่เหมาะสมตามตำแหน่งโครงสร้างเฉพาะ ภาระใช้งานที่คาดการณ์ไว้ และสภาพแวดล้อมที่เรือจะต้องเผชิญ

วัสดุและคุณสมบัติของแผ่นเหล็กสำหรับเรือเกรดธรรมดา

แผ่นเหล็กสำหรับเรือเกรดธรรมดา—ได้แก่ เกรด A, B, D และ E—มีข้อกำหนดด้านคุณสมบัติเชิงกลร่วมกัน แต่แตกต่างกันหลักๆ ที่คุณสมบัติด้านความเหนียวต่อแรงกระแทก ทั้งสี่เกรดนี้มีค่าความต้านแรงดึงที่ระบุขั้นต่ำเท่ากับ 34 ksi (235 MPa) และช่วงความต้านแรงดึงอยู่ที่ 58–75 ksi (400–520 MPa) เหล็กเกรด A เป็นเกรดพื้นฐานที่สุด และไม่จำเป็นต้องผ่านการทดสอบแรงกระแทก เหล็กเกรด B ซึ่งเป็นเหล็กที่มีความต้านแรงดึงทั่วไป มีคุณสมบัติด้านความเหนียวที่ดี ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และมีคุณสมบัติในการขึ้นรูปและการเชื่อมที่ยอดเยี่ยม เหล็กเกรด D ผ่านการทดสอบแรงกระแทกที่อุณหภูมิ -20°C ขณะที่เหล็กเกรด E ซึ่งเป็นเกรดความแข็งแรงปกติสูงสุดจะผ่านการทดสอบแรงกระแทกที่อุณหภูมิ -40°C สำหรับแผ่นเหล็กที่มีความหนาไม่เกิน 40 มม. สถานะการจัดส่งที่นิยมคือการรีดด้วยอากาศ (air rolling) และการรีดแบบควบคุม (controlled rolling) สำหรับแผ่นเหล็กที่มีความหนาเกิน 40 มม. จะต้องผ่านกระบวนการปรับโครงสร้างด้วยความร้อน (normalizing) หรือกระบวนการขึ้นรูปเชิงกล-ความร้อนแบบควบคุม (thermo-mechanical controlled processing: TMCP) เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียว .

องค์ประกอบทางเคมีของแผ่นเหล็กสำหรับเรือเกรดทั่วไปถูกควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อให้มั่นใจในคุณสมบัติเชิงกลที่สม่ำเสมอและคุณสมบัติการเชื่อมที่ดี เกรด A โดยทั่วไปมีปริมาณคาร์บอนสูงสุด 0.21% ซิลิคอน 0.50% และแมงกานีส 0.60% โดยมีข้อจำกัดของฟอสฟอรัสและกำมะถันไม่เกิน 0.035% แต่ละตัว เกรด B, D และ E มีข้อจำกัดของคาร์บอนและสิ่งเจือปนที่คล้ายคลึงกัน แต่ปรับปริมาณแมงกานีสให้เหมาะสมเพื่อให้ได้คุณสมบัติเชิงกลตามที่กำหนด อัตราส่วนของแมงกานีสต่อคาร์บอนจะรักษาไว้ให้สูงกว่า 2.5 เพื่อให้มั่นใจในความแข็งแรงและความเหนียวที่เพียงพอ แผ่นเหล็กมีคุณสมบัติการเชื่อมที่ยอดเยี่ยม โดยมีการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติเชิงกลอย่างเข้มงวด เพื่อให้ได้คุณภาพที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้สำหรับการใช้งานทางทะเลที่ต้องการความทนทานสูง เมื่อทำการเชื่อม จะถือว่าใช้กระบวนการเชื่อมที่เหมาะสมกับเกรดของเหล็กและวัตถุประสงค์หรือการใช้งานที่กำหนด .

วัสดุและคุณสมบัติของแผ่นเหล็กสำหรับเรือเกรดความแข็งแรงสูง

แผ่นเหล็กสำหรับตัวเรือที่มีความแข็งแรงสูง—เกรด AH, DH, EH และ FH—มีคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าสำหรับการใช้งานโครงสร้างที่ต้องการความทนทานสูงในการก่อสร้างเรือ ซึ่งเกรดดังกล่าวมีให้เลือกหลายระดับความแข็งแรง ได้แก่ 32 (ความต้านแรงดึงเริ่มต้นขั้นต่ำ 315 เมกะพาสคาล), 36 (ความต้านแรงดึงเริ่มต้นขั้นต่ำ 355 เมกะพาสคาล) และ 40 (ความต้านแรงดึงเริ่มต้นขั้นต่ำ 390 เมกะพาสคาล) ตัวอย่างเช่น แผ่นเหล็กเกรด AH36, DH36 และ EH36 มีความต้านแรงดึงเริ่มต้นขั้นต่ำ 51 กิโลปอนด์ต่อตารางนิ้ว (355 เมกะพาสคาล) และช่วงความต้านแรงดึง 71–90 กิโลปอนด์ต่อตารางนิ้ว (510–650 เมกะพาสคาล) ความแข็งแรงที่สูงขึ้นของเกรดดังกล่าวทำให้สามารถใช้แผ่นเปลือกเรือที่บางลง จึงช่วยลดน้ำหนักรวมของเรือโดยยังคงรักษาความมั่นคงของโครงสร้างไว้ได้ แต่ละระดับความแข็งแรงจะแบ่งย่อยออกเป็นเกรดคุณภาพตามอุณหภูมิที่ใช้ทดสอบการกระแทก ได้แก่ เกรด A (0°C), เกรด D (-20°C), เกรด E (-40°C) และเกรด F (-60°C) ระบบการจัดจำแนกอย่างครอบคลุมนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าสามารถเลือกเหล็กกล้าเกรดที่เหมาะสมสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างทุกชนิด ตั้งแต่ผนังกั้นภายในที่ไม่สำคัญจนถึงส่วนเปลือกด้านนอกที่รับแรงเครียดสูงสุดซึ่งใช้งานในสภาพแวดล้อมขั้วโลก

องค์ประกอบทางเคมีของแผ่นเหล็กสำหรับเรือที่มีความแข็งแรงสูงนั้นประกอบด้วยธาตุผสมในปริมาณน้อยเพื่อให้ได้สมบัติเชิงกลที่ดีขึ้น ซึ่งเกรดดังกล่าวมีคาร์บอนสูงสุด 0.18% แมงกานีส 0.90–1.60% ซิลิคอน 0.10–0.50% โดยจำกัดฟอสฟอรัสและกำมะถันไว้ที่ 0.035% แต่ละตัว การเติมไนโอเบียม (0.02–0.05%), วาเนเดียม (0.05–0.10%), ไทเทเนียม (สูงสุด 0.02%) และธาตุอื่นๆ อย่างควบคุมได้ช่วยปรับปรุงขนาดเม็ดผลึกและเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน สำหรับการใช้งานที่ต้องการความต้านทานต่อการฉีกขาดแบบชั้น (lamellar tearing) สามารถใช้เหล็กเกรด Z (เช่น Z35) ซึ่งมีค่าลดพื้นที่หน้าตัดเฉลี่ยต่ำสุดที่ระบุไว้ในการทดสอบแรงดึงในแนวหนาของวัสดุไม่น้อยกว่าร้อยละ 35 สภาวะการจัดส่งสำหรับแผ่นเหล็กสำหรับเรือที่มีความแข็งแรงสูงนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยทั่วไปแล้วไม่อนุญาตให้จัดส่งในสภาพหลังการกลิ้ง (as-rolled) แต่ต้องจัดส่งในสภาพที่ผ่านการอบอุณหภูมิสูง (normalized) หรือผ่านการกลิ้งพร้อมการอบอุณหภูมิสูง (normalized rolled) หรือผ่านกระบวนการควบคุมทางความร้อนและกลไก (TMCP) แทน โดย TMCP คือกระบวนการกลิ้งที่ควบคุมอย่างแม่นยำตามด้วยการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะได้โครงสร้างจุลภาคที่มีเม็ดละเอียดและมีความเหนียวเยี่ยม โดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ สภาวะการบำบัดความร้อนจะระบุไว้อย่างชัดเจนบนแต่ละแผ่นเหล็ก ได้แก่ "N" สำหรับแผ่นที่ผ่านการอบอุณหภูมิสูง และ "TMCP" สำหรับแผ่นที่ผ่านกระบวนการควบคุมทางความร้อนและกลไก ซึ่งการควบคุมอย่างเข้มงวดต่อสภาวะการผลิตนี้ทำให้แผ่นเหล็กสำหรับเรือที่มีความแข็งแรงสูงสามารถให้สมดุลที่เหมาะสมระหว่างความแข็งแรง ความเหนียว และความสามารถในการเชื่อม ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นต่อการก่อสร้างเรือสมัยใหม่และโครงสร้างนอกชายฝั่งอย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้ .