ترکیبات شیمیایی متمایز A572 Grade 50 و Grade 60 دلخواه نیستند. آنها دقیقاً دستور العمل های مهندسی شده ای هستند که برای دستیابی به مشخصات مکانیکی هدفمند، در درجه اول استحکام تسلیم، از طریق میکروآلیاژ کنترل شده و تقویت محلول جامد طراحی شده اند. فلسفه اصلی این است که به حداکثر رساندن استحکام از عناصر مقرون به صرفه{4} در حالی که از متالورژی پیچیده برای کاهش اثرات منفی بر جوش‌پذیری و چقرمگی استفاده می‌شود. جدول زیر محدودیت های ترکیبی کلیدی و نقش آنها را شرح می دهد:
جدول 1: مقایسه ترکیب شیمیایی (حداکثر درصدها، مگر اینکه به عنوان محدوده ذکر شده باشد)
| عنصر | A572 درجه 50 | A572 درجه 60 | عملکرد و کاربرد متالورژیکی برای تیرهای H- |
|---|---|---|---|
| کربن (C) | 0.23% | 0.26% | عنصر تقویت کننده اولیه از طریق محلول جامد و تشکیل کاربید. افزایش 0.03% برای Gr.60 مهمترین اهرم شیمیایی برای دستیابی به بازده بالاتر 60 ksi است. با این حال، کربن به طور قابل توجهی جوش پذیری و چقرمگی را کاهش می دهد. برای حفظ این ویژگی های حیاتی، محدودیت ها برای هر دو درجه نسبتاً پایین نگه داشته می شوند. |
| منگنز (Mn) | 1.35% | 1.35% | تقویت کننده محلول جامد قوی که سختی پذیری را نیز بهبود می بخشد. با گوگرد ترکیب می‌شود و سولفید منگنز (MnS) را تشکیل می‌دهد و از مضرتر شدن سولفید آهن جلوگیری می‌کند و در نتیجه کارایی گرم را در طول فرآیند نورد H- بهبود می‌بخشد. |
| فسفر (P) | 0.04% | 0.04% | ناخالصی مضری که باعث شکنندگی شدید بخصوص در دماهای پایین (کوتاهی سرد) می شود. حد سخت و کم برای هر دو درجه یکسان است و برای حفظ چقرمگی پایه بسیار مهم است. |
| گوگرد (S) | 0.05% | 0.05% | ناخالصی دیگری که در صورت وجود سولفید آهن می تواند منجر به ترک داغ در هنگام نورد یا جوشکاری شود. حد ثابت، همراه با منگنز کافی، تضمین می کند که اجزای خوش خیم MnS را تشکیل می دهد. |
| سیلیکون (Si) | 0.40% | 0.40% | عمدتاً به عنوان یک اکسید زدا ("فولاد کشته") استفاده می شود که از ساختار داخلی سالم و همگن در پرتو H- اطمینان حاصل می کند. همچنین از طریق تقویت محلول جامد به استحکام کمک می کند. |
| کلمبیوم (Cb/Nb) | 0.005 - 0.05%* | 0.005 - 0.05%* | عنصر میکروآلیاژی تعیین کننده کاربید/نیتریدهای ریز را تشکیل می دهد که (الف) رشد دانه را در طول نورد گرم مهار می کند و در نتیجه اندازه دانه فریت نهایی بسیار ریز (پالایش دانه) ایجاد می کند و (ب) تقویت بارش را در طول خنک شدن فراهم می کند. این کلید دستیابی به استحکام بالا با کربن کم است. |
| وانادیوم (V) | 0.01 - 0.15%* | 0.01 - 0.15%* | یک میکروآلیاژ جایگزین/مکمل. کاربید/نیتریدهای وانادیم سخت شدن بارندگی قوی را به خصوص در فریت فراهم می کند. می توان آن را به تنهایی یا با Cb استفاده کرد. آسیاب ها نسبت Cb/V را بر اساس روش نورد خاص خود بهینه می کنند. |
*کلمبیوم، وانادیوم یا ترکیبی از آنها ممکن است برای دستیابی به خواص مورد نیاز استفاده شود.
از شیمی تا خواص مکانیکی در تیرهای H-:
تغییر شکل از این دستور شیمیایی به استحکام و چقرمگی پرتو H نهایی در طول فرآیند نورد گرم{{1} در آسیاب ساختاری رخ می‌دهد.
تقویت محلول جامد: افزایش کربن در Gr.60، همراه با منگنز و سیلیکون موجود در هر دو گرید، مستقیماً شبکه کریستال آهن را با اعوجاج آن تقویت می کند و هم تسلیم و هم استحکام کششی را افزایش می دهد.
پالایش دانه (هال-اثر پچ): این کارآمدترین مکانیسم برای افزایش همزمان استحکام و چقرمگی است. در طول نورد کنترل شده تیر H{2}}فولاد در فاز آستنیت تغییر شکل می‌دهد. عناصر میکروآلیاژی (Cb, V) در محلول مرزهای دانه آستنیت را سنجاق می کنند و از رشد آنها جلوگیری می کنند. در پاس‌های نهایی که در دماهای پایین‌تر انجام می‌شوند، دانه‌های آستنیت "پنکک" می‌شوند. پس از خنک شدن هوا، این دانه های تغییر شکل یافته به یک ریزساختار فریت بسیار ظریف تبدیل می شوند. اندازه دانه ریزتر به معنای مرزهای بیشتر دانه است که مانع حرکت نابجایی (افزایش قدرت تسلیم) و همچنین توقف انتشار ترک (بهبود چقرمگی) می شود. این فرآیند برای هر دو درجه حیاتی است.
سخت شدن بارندگی: با سرد شدن پرتو H-روی میز خروجی-، کربن و نیتروژن موجود در محلول با عناصر میکروآلیاژی (Cb, V) ترکیب می‌شوند تا به صورت کاربیدها و نیتریدهای اندازه‌ای- نانو رسوب کنند. این ذرات موانع اضافی برای حرکت نابجایی ایجاد می‌کنند و تقویت قابل توجهی برای استحکام تسلیم ایجاد می‌کنند. کنترل دقیق دمای نورد و سرعت خنک‌کاری برای به حداکثر رساندن این اثر بهینه شده است.
نمایه مکانیکی حاصل:
برای -تیرهای H (که بر خلاف صفحات، به ازای ASTM A6، بدون توجه به ضخامت فلنج باید استحکام کامل را داشته باشند)، نتایج حاصل از شیمی- واضح است:
Gr. 50: با سقف کربن پایین‌تر، بیشتر به اثر هم افزایی پالایش دانه و سخت شدن بارش از Cb/V برای رسیدن به ksi 50 متکی است. این منجر به یک ماده با چقرمگی عالی (21٪ در دقیقه کشیدگی) و جوش پذیری می شود.
Gr. 60: محتوای کربن بالاتر استحکام مستقیم تری را فراهم می کند و اثرات میکروآلیاژی را تکمیل می کند. این به طور موثر استحکام تسلیم را به 60 ksi می‌برد، اما با کاهش قابل اندازه‌گیری شکل‌پذیری- (18٪ طول دقیقه) و افزایش جزئی در معادل کربن، که بر جزئیات فرآیند جوش تأثیر می‌گذارد.
به طور خلاصه، ترکیب شیمیایی طرح اولیه است. فرآیند نورد داغ محل ساخت و ساز است که این طرح در آن اجرا می شود. برای تیرهای A572 H{4}، تسلط آسیاب بر نورد کنترل شده ترمومکانیکی، این محدودیت های شیمیایی خاص را به مجموعه ای قابل پیش بینی و قابل اعتماد از خواص مکانیکی تبدیل می کند که مهندسان سازه به آن وابسته هستند.