1.3 VẬT LIỆU THÉP XÂY DỰNG
1.3.1 Thành phần hoá học và phân loại thép
Thành phần hoá học có ảnh hưởng trực tiếp tới cấu trúc của thép, do đó có liên quan chặt chẽ đến tính chất cơ học của nó.
Thành phần hoá học chủ yếu của thép là sắt (Fe) và các bon (C). Lượng các bon tuy rất nhỏ nhưng có ảnh hưởng quan trọng đối với tính chất cơ học của thép: lượng các bon càng nhiều thì cường độ của thép càng cao nhưng tính dẻo, tính dai và tính hàn của nó giảm. Thép dùng trong xây dựng đòi hỏi phải có tính dẻo cao để tránh đứt gãy đột ngột nên hàm lượng các bon được hạn chế khá thấp, thường không lớn hơn 0,2-0,22 % về khối lượng.
Trong thép các bon thường, ngoài sắt và các bon còn có những nguyên tố hoá học khác.
Các nguyên tố hoá học có lợi thường gặp là mangan (Mn) và silic (Si). Các nguyên tố có hại có thể kể đến là phốt pho (P) và lưu huỳnh (S) ở thể rắn, ô xy (O) và ni tơ (N) ở thể khí. Các nguyên tố có hại này, nói chung, làm cho thép trở nên giòn, đặc biệt khi thép làm việc trong điều kiện bất lợi (chịu ứng suất tập trung, tải trọng lặp, chịu nhiệt độ cao…).
Thép hợp kim là loại thép mà ngoài những thành phần hoá học kể trên, còn có thêm các nguyên tố kim loại bổ sung. Các nguyên tố này được đưa vào nhằm cải thiện một số thuộc tính tốt của thép như làm tăng cường độ mà không giảm tính dẻo, tăng khả năng chống gỉ hay khả năng chống mài mòn. Chẳng hạn, crôm và đồng làm tăng khả năng chống gỉ của thép, được sử dụng trong chế tạo thép chống gỉ, mangan làm tăng cường độ của thép và có thể kiềm chế ảnh hưởng xấu của sunfua. Tuy nhiên, hàm lượng các kim loại bổ sung càng cao (hợp kim cao) thì tính dẻo, tính dai, tính hàn càng giảm. Thép hợp kim dùng trong xây dựng là thép hợp kim thấp với thành phần kim loại bổ sung khoảng 1,5-2,0%.
Phân loại thép theo mức độ khử ô xy
Thép lỏng từ lò luyện được rót vào các khuôn để nguội .tuỳ theo phương pháp để lắng nguéi chia ra :
+ Thép sôi: thép khi nguội bốc ra nhiều bọt khí như ô xy , cacbon oxyt (nên trông như
sôi); Các bọt khí tạo thành những chỗ không đồng chất trong cấu trúc của thép , làm thép sôi có chất lượng không tốt , đễ bị giòn và lão hoá .
+ Thép tĩnh ( thép lặng) thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc ra như thép sôi, do đã được thêm vào các chất khử oxy như silic, nhôm, mangan. Những chất này khử hết oxy có hại và những chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt. Phần xỉ này được loại bỏ đi, thép trở nên đồng chất hơn nhiều, chịu tải trọng động tốt, nhưng thép tĩnh đắt hơn .
+ Thép nửa tĩnh ( nửa lắng ) : là trung gian giữa hai loại trên. Thép này oxy không được khử hoàn toàn, do vậy chất lượng và giá thành của nó cũng là trung gian giữa hai loại thép trên.
1.3.1.2 Biểu đồ ứng suất biến dạng điển hình của thép khi chịu kéo một phương
Các thuộc tính cơ học của các loại thép kết cấu điển hình được biểu diễn bằng bốn đường cong ứng suất-biến dạng trong hình 1.3. Mỗi đường cong đại diện cho một loại thép kết cấu với thành phần cấu tạo đỏp ứng cỏc yờu cầu riờng. Rừ ràng là cỏc loại thộp ứng xử khỏc nhau, trừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc toạ độ. Bốn loại thép khác nhau này có thể được nhận biết bởi thành phần hoá học và cách xử lý nhiệt của chúng. Đó là thép các bon (cấp 250), thép hợp kim thấp cường độ cao (cấp 345), thép hợp kim thấp gia công nhiệt (cấp 485) và thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao (cấp 690). Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép này được cho trong bảng 1.5.
Hình 1.3 Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép kết cấu Một tiêu chuẩn thống nhất hoá cho thép cầu được cho trong ASTM (1995) với ký hiệu A709/A709M-94a (M chỉ mét và 94a chỉ năm xét lại lần cuối). Sáu cấp thép tương ứng với bốn cấp cường độ được cho trong bảng 1.2 và hình 1.2. Cấp thép có ký hiệu “W” là thép chống gỉ, có khả năng chống gỉ trong không khí tốt hơn về cơ bản so với thép than thường và có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp mà không cần sơn bảo vệ.
Tất cả các cấp thép trong bảng 1.5 đều có thể hàn, tuy nhiên không phải với với cùng một quy cách hàn. Mỗi cấp thép có những yêu cầu riêng về hàn phải được tuân theo.
Trong hình 1.4, các số trong ngoặc ở bốn mức cường độ thép là ký hiệu theo ASTM của thép có cường độ chịu kéo và thuộc tính biến dạng giống thép A709M. Các con số này được nêu là vì chúng quen thuộc đối với những người thiết kế khung nhà thép và các công trình
khác. Sự khác nhau cơ bản nhất giữa các thép này và thép A709M là ở chỗ thép A709M được dùng cho xây dựng cầu và phải có yêu cầu bổ sung về thí nghiệm xác định độ dai. Các yêu cầu này khác nhau đối với các cấu kiện tới hạn đứt gãy và không đứt gãy trong tính toán ở TTGH mỏi và đứt gãy.
Hai thuộc tính của tất cả các cấp thép được coi là không đổi, là mô đun đàn hồi Es = 200 GPa và hệ số giãn nở vì nhiệt bằng 11,7.10-6.
Phần sau đây giới thiệu tóm tắt về thuộc tính của các cấp thép ứng với các cấp cường độ khác nhau. Để giúp so sánh các loại thép này, các biểu đồ ứng suất-biến dạng giai đoạn đầu và đường cong gỉ phụ thuộc thời gian được cho, tương ứng, trong các hình 1.5 và 1.6.
Bảng 1.5 Các tính chất cơ học nhỏ nhất của các thép cán, cường độ và chiều dày Thép kết
cấu
Thép hợp kim thấp cường độ cao
Thép hợp kim thấp tôi nhúng
Thép hợp kim tôi nhúng cường độ cao
Ký hiệu theo AASHTO M270 Cấp 250
M270 Cấp 345
M270 Cấp 345W
M270 Cấp 485W
M270 Cấp 690/690W
Ký hiệu theo ASTM tương đương
A709M Cấp 250
A709M Cấp 345
A709M Cấp 345W
A709M Cấp 485W
A709M Cấp 690/690W Chiều dày của bản (mm) Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên 65
tới 100 Thép hình Tất cả các
nhóm
Tất cả các nhóm
Tất cả các nhóm
Không áp dụng
Không áp dụng
Không áp dụng Cường độ chịu kéo nhỏ
nhất, Fu, (MPa)
400 450 485 620 760 690
Cường độ chảy nhỏ nhất, Fy, (MPa)
250 345 345 485 690 620
1.3.1.3 Phân loại thép kết cấu theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 1/Thép các bon công trình
Tên gọi như vậy thật ra không đặc trưng lắm vì tất cả thép công trình đều có các bon. Đây chỉ là định nghĩa kỹ thuật. Các tiêu chuẩn để định loại thép các bon có thể tham khảo trong tài liệu liên quan
Một trong những đặc trưng chủ yếu của thép các bon công trình là có điểm chảy được nhận biết rừ và tiếp theo là một thềm chảy dài. Điều này được miờu tả trong hỡnh 1.4 và nú biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ mà không đứt gãy. Thuộc tính này làm cho thép các bon đặc biệt phù hợp khi sử dụng làm chi tiết liên kết.
Thép các bon có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng. Chúng được dự kiến cho sử dụng trong nhiệt độ không khí. Mức độ gỉ trong hình 1.5 đối với thép các bon có đồng (Cu) bằng khoảng một nửa thép các bon thông thường.
2/Thép hợp kim thấp cường độ cao
Các thép này có thành phần hoá học được hạn chế để phát triển cường độ chảy và cường độ kéo đứt lớn hơn thép các bon nhưng lượng kim loại bổ sung nhỏ hơn trong thép hợp kim.
Cường độ chảy cao hơn (Fy = 345 MPa) đạt được trong điều kiện cán nóng hơn là qua gia công nhiệt. Kết quả là chỳng cú điểm chảy rừ ràng và tớnh dẻo tuyệt vời như được miờu tả trong hỡnh 1.4.
Thép hợp kim thấp cường độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng. Các hợp kim này có sức kháng gỉ trong không khí cao hơn như cho thấy trong hình 1.5. Do có các phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thường là sự lựa chọn đầu tiên của người thiết kế các cầu có nhịp trung bình và nhỏ.
3/Thép hợp kim thấp gia công nhiệt
Thép hợp kim thấp cường độ cao có thể được gia công nhiệt để đạt được cường độ chảy cao hơn (Fy = 485 MPa). Thành phần hoá học cho các cấp 345W và 485W là gần như nhau.
Việc xử lý nhiệt (tôi thép) làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép và làm tăng cường độ, độ rắn và độ dai.
Sự gia công nhiệt làm điểm chảy của thép dịch chuyển cao lên như cho thấy trong hình 1.4.
Cú một sự chuyển tiếp rừ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử quỏ đàn hồi. Cường độ chảy của các thép này thường được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù (xem hình 1.4).
Thép hợp kim thấp được gia công nhiệt có thể hàn, tuy nhiên chỉ thích hợp cho tấm. Sức kháng gỉ trong không khí của chúng là giống như thép hợp kim thấp cường độ cao.
4/ Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao
Thép hợp kim là loại thép có thành phần hoá học không phải như trong thép hợp kim thấp cường độ cao. Phương pháp gia công nhiệt tôi nhúng được thực hiện tương tự như đối với thép hợp kim thấp nhưng thành phần khác nhau của các nguyên tố hợp kim làm phát triển cường độ cao hơn (Fy = 690 MPa) và tính dai lớn hơn ở nhiệt độ thấp.
Đường cong gỉ trong không khí đối với các thép hợp kim (cấp 690) được cho trong hình 1.6 và thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp thép.
Ở đây, cường độ chảy cũng được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù như miêu tả trong hình 1.5. Khi xem xét đường cong ứng suất-biến dạng đầy đủ trong hỡnh 1.4, rừ ràng cỏc thộp được gia cụng nhiệt đạt cường độ chịu kéo dạng chóp và ứng suất giảm nhanh hơn so với thép không được xử lý nhiệt. Độ dẻo thấp hơn này có thể gây ra vấn đề trong một số tình huống khai thác và, do vậy, cần phải thận trọng khi sử dụng thép gia công nhiệt.
Hình 1.4 Các đường cong ứng suất-biến dạng ban đầu điển hình đối với thép công trình
Hình 1.5 Các đường cong gỉ cho một vài loại thép trong môi trường công nghiệp