Kako znanost o materijalima za sidre od ugljičnog čelika utječe na njihovu vlačnu čvrstoću i izdržljivost?

Na području građevinskog inženjerstva i teških strojeva, Sidro udara od ugljičnog čelika je ključna komponenta veza i popravljanja, a njegova performansa izravno određuje sigurnosni i radni vijek strukture. Ugljični čelik je njegov osnovni materijal, a sinergija njegovog kemijskog sastava, mikrostruktura i tehnologija obrade oblikuje mehanička svojstva i trajnost sidrenog vijaka.
1. Kemijski sastav: "genska karta" vlačne čvrstoće
Vučna čvrstoća ugljičnog čelika nelinearno je pozitivno povezana s sadržajem ugljika (C%). Prema ASTM A36 standardu, sadržaj ugljika u tipičnom vijku za sidrište od ugljičnog čelika kontrolira se u rasponu od 0,25%-0,29%, a taj omjer postiže ravnotežu između snage i duktilnosti. Kad sadržaj ugljika prelazi 0,3%, materijalna tvrdoća povećava se, ali krhkost se značajno povećava, što može uzrokovati krhki frakturu sidrenja pod dinamičkim opterećenjem. Istodobno, dodavanje elementa mangana (MN) (0,6%-1,2%) može poboljšati granično vezanje zrna kroz jačanje čvrste otopine s ugljikom i povećati vlačnu čvrstoću za 15%-20%.
Provjera slučaja: Industrijsko postrojenje koristi sidra od ugljičnog čelika s sadržajem C od 0,27% i sadržajem MN od 0,9%. Njegova krajnja vlačna čvrstoća doseže 580MPA, što je 34% veće od uobičajenih sidrišta s niskim udjelom u ugljiku, uspješno se odupirući visokofrekventnom vibracijskom opterećenju opreme za podizanje.
2. Mikrostruktura: "Nevidljivi štit" trajnosti
Trajnost ugljičnog čelika ovisi o otpornosti njegove mikrostrukture na koroziju i umor. Kroz kontrolirani postupak kotrljanja i kontroliranog hlađenja (TMCP), omjer ferita i bisera može se optimizirati tako da tvori sitnozrnatu strukturu (veličina zrna doseže ASTM stupanj 8 ili više). Fina zrna ne samo da poboljšavaju žilavost materijala, već i smanjuju akumulaciju dislokacija na granicama zrna i odgađaju pokretanje pukotina. Pored toga, dodavanje količine bakra (Cu, 0,2%-0,5%) i kroma (Cr, 0,3%-0,6%) može tvoriti gusti oksidni film, smanjujući stopu korozije na manje od 0,02 mm/godišnje.
Eksperimentalni podaci: Nakon usporedbe s ispitivanjem soli za sprej (ASTM B117 Standard), područje hrđe sidrišta od ugljičnog čelika koji sadrže CR/Cu nakon 720 sati samo je 1/5 od običnog ugljičnog čelika, a radni vijek u morskom okolišu produžen je na više od 30 godina.
V. Budući smjer: Proboji u znanosti o inteligentnom materijalu
S razvojem projekta materijalnog genoma i znanosti o računalnim materijalima, u fazu inženjerske provjere ulazi u inženjersku fazu verifikacije, novi čelični čelika visoke čvrstoće i čvrstog ugljika (poput nano-ba-bainit čelika i čelika srednjeg mangana). Precizno kontrolirajući put raspodjele ugljika i promjenu faze, očekuje se da će vlačna čvrstoća nove generacije sidrenih vijaka premašiti 800MPA, uz održavanje izvrsne otpornosti na koroziju.