Vật liệu xây dựng chuyên ngành Thép chất lượng cao

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:

Cuối thế kỷ 19, vật liệu thép bắt đầu được sử dụng trong các công trình nhà và cầu

1 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

2.1 Khái niệm thép chất lượng cao

2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ 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

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

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,

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

2.2 Các tiêu chuẩn thiết kế

 Quá trình kiểm soát nhiệt-cơ: kiểm soát thành phần hóa học

được kết hợp chặt chẽ với quá trình nhiệt-cơ

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 thườngN: phương pháp thông thường,

TM: cán nhiệt-cơ,TM&ACC: cán nhiệt-cơ kết hợp

làm nguội tăng tốc,QT: tôi và ram

 Phương pháp tôi và ram (Quenching and

Tempering-QT) cho phép sản xuất thép cường

• 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

3.2 Các tính chất cơ học

 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

3.3 Đặc tính mỏi

 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

3.4 Tính hàn

 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

3.5 Các đặc tính về thời tiết

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)

4 CÁC LOẠI THÉP CHẤT LƯỢNG CAO

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)

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

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

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

Ống thép nhồi bê tông CFT (concrete filled tube)

5 ỨNG DỤNG CỦA THÉP CHẤT

LƯỢNG CAO

Hệ khung tăng cường ổn định BRBF (buckling restrained

braced frame)

• Được phát triển và sử dụng rất hiệu quả trong các công trình được thiết kế để chịu

động đất mạnh

• Hệ BRBF được cấu tạo bởi các thanh giằng tăng cường ổn định BRBs (hay còn gọi

là các thanh giằng liên kết UBs)

• BRBs được cấu tạo bởi 3 thành phần chính:

- lõi thép;

- vật liệu gắn kết;

- khung ổn định

Thanks for watching