فولاد ساختمانی (Structural Steel)

فولاد ساختمانی چیست؟

همان طور که می‌دانید، فولادها را از جنبه های مختلفی می‌توان دسته بندی کرد. یکی از این جنبه ها، دسته بندی بر اساس کاربرد آن‌ها در صنعت است. بر اساس این دسته بندی صدها نوع فولاد با نام ها و کاربردهای مختلفی به وجود آمده اند که فولادهای زنگ نزن، فولادهای ساختمانی، فولادهای ابزار، فولادهای خوش‌تراش، فولادهای فنر و … از مهم ترین آن ها هستند که ما آن ها را می شناسیم. فولادهای ساختمانی یا فولادهای نرمه گروهی از فولادها هستند که بیشتر به منظور ساخت مصالح ساختمانی به کار می‌روند. این فولادها عموما از نوع فولادهای ساده کربنی هستند و میزان کربن در آن‌ها حداکثر ۳/۰ درصد است.

چرا برای ساخت بسیاری از سازه‌ها به سراغ فولاد ساختمانی می‌رویم؟

مهم‌ترین دلیلی که باعث کاربرد گسترده این فولادها در صنعت شده است، خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب در کنار قیمت مناسب آن هاست. شاید برایتان سوال پیش آید که دلیل این ارزانی چیست؟ به طور کلی دلیل ارزانی فولاد نسبت به سایر فلزات به خاطر فراوانی سنگ آهن در کره زمین است. شاید باز هم برایتان سوال پیش آید که چرا فلزات دیگر مانند آلومینیوم و سیلیسیم که در پوسته زمین به وفور یافت می شوند، به این اندازه ارزان نیستند؟ در جواب به این سوال باید گفت که علاوه بر فراوانی باید عملیات استخراج فلز نیز راحت باشد. علاوه بر این دو عامل مهم، هزینه های شکل دهی پایین، سهولت در برشکاری و جوش پذیری مناسب مزید بر علت می شوند تا آهن را به پر مصرف ترین فلز صنعتی تبدیل کنند.

فولادهای ساختمانی چه ویژگی‌هایی باید داشته باشند؟

شاید در نظر اول مهم ترین انتظاری که می توان از یک فولاد ساختمانی داشت، استحکام و دوام مناسب آن است. اما علاوه بر این موارد، فولاد ساختمانی باید مشخصات دیگری نیز داشته باشد که در این بخش به آن ها اشاره می کنیم.

چقرمگی مناسب (Toughness)

یکی از ویژگی‌های بسیار مهم برای مصالحی که برای ساخت سازه‌های مهندسی به کار می‌روند، میزان جذب انرژی است. مواد ترد پتانسیل بسیار کمی در جذب انرژی قبل از شکست دارند. بنابراین یکی از خواصی که فولادهای ساختمانی را برای ساخت سازه‌های مهندسی مناسب می‌کند، چقرمگی مطلوب است.

جوش‌پذیری خوب (Weldability)

اهمیت جوشکاری در سازه‌های مهندسی به این دلیل است که که یک سازه‌ی مهندسی را نمی‌توان پیش‌گرم و یا پس‌گرم کرد. بنابراین باید از فولادی استفاده شود که نیاز به پیش‌گرم کردن و پس‌گرم کردن نداشته باشد.

غالبا فولادهای ساختمانی همگی جوش‌پذیر هستند، گرچه میزان این جوش پذیری در بین فولادهای مختلف، متفاوت است. به عنوان مثال، جوشکاری فولاد St37 بسیار آسان است و جوش به دست آمده خواص مکانیکی بسیار خوبی خواهد داشت. بر خلاف فولاد St37، جوشکاری فولاد St52 بسیار دشوار است و جوشکار باید بسیار ماهر باشد تا بتواند جوش خوبی ایجاد کند. اگر جوشکار در این مورد ماهر نباشد جوش به دست آمده استحکام و چقرمگی خوبی نخواهد داشت.

مقاومت به خوردگی مناسب (Corrosion Resistance)

یکی از ویژگی‌های مهم فولادی که برای ساخت سازه‌های مهندسی به کار می‌رود، مقاومت در برابر خوردگی است. شاید برایتان سوال پیش آید که چرا از فولادهای زنگ‌نزن به جای فولادهای ساختمانی در ساخت سازه‌ها استفاده نمی‌کنیم؟

در پاسخ باید بگوییم، نوع خوردگی که در فولادهای ساختمانی رخ می‌دهد، از نوع یکنواخت است که تهدید جدی برای سازه‌ها محسوب نمی‌شود. از طرفی خوردگی فولادهای زنگ نزن از نوع موضعی است و این نوع خوردگی به شدت می‌تواند باعث تخریب ناگهانی سازه‌ها گردد. بدیهی است که گروه های مختلف از فولادهای ساختمانی مقاومت مختلفی در برابر خوردگی دارند، اما مشخصه غالب در اکثر این فولادها، مقاومت مناسب در برابر خوردگی است.

دسته بندی فولادهای ساختمانی به لحاظ ترکیب شیمیایی

فولادهای ساختمانی عموما بین ۰/۱۵ تا ۰/۳ درصد کربن دارند. این فولادها عموما از نوع ساده کربنی هستند، ولی ممکن است برای دستیابی به خواص ویژه‌ عناصر آلیاژی دیگری نیز به آن‌ها اضافه شوند.

فولادهای ساختمانی به چه صورت‌هایی در بازار یافت می‌شوند؟

فولادهای ساختمانی شکل پذیری بالایی دارند و در بازار اشکال متنوعی از آن ها مشاهده می شود. تیرآهن ها، ناودانی ها، مقاطع تو خالی، پروفیل ها، مقاطع T شکل، میلگردهای ساده و عاج دار، انواع ورقه ها و لوله ها برخی از محصولاتی هستند که از این فولادها ساخته می شوند.

از فولاد ساختمانی برای چه مواردی استفاده می شود؟

در ابتدای مقاله اشاره کردیم که هم اکنون حدود ۹۵% از فولادهای مورد استفاده در صنایع از نوع ساختمانی است. بنابراین برای اشاره به تک تک کاربرد این فولادها باید چندین جلد کتاب نوشت! امروزه صنایع ساختمان سازی، خودروسازی، کشتی سازی، معدن و … به وفور از این فولادها برای ساخت قطعات و سازه های گوناگون بهره می برند. اسکلت تمامی ساختمان‌ها، بدنه ‌قطار، کشتی و بسیاری از خودروها از این فولادها ساخته می‌شود.

نامگذاری فولادهای ساختمانی بر اساس استاندارد

استاندارد آلمانی DIN17006

یکی از متداول‌ترین روش‌های نامگذاری فولادهای ساختمانی بر اساس استاندارد DIN17006 است. اکثرا در ایران بر اساس این استاندارد، فولادهای ساختمانی را می‌شناسند. فولادهای ساختمانی را بر اساس این استاندارد به صورت ترکیبی از حروف St و اعداد نشان می‌دهند. فولادهای St37،St12 ،St52 ،St60 ،St44  بر همین اساس نامگذاری شده‌اند.

حروف St نشان‌دهنده فولاد ساختمانی و عددی که در جلوی آن نوشته می‌شود، استحکام نهایی فولاد (UTS) بر حسبkg F/mm²   را نشان می دهد. در واقع این مقدار وابسته به ترکیب و نوع عملیات مکانیکی انجام شده روی فولاد است. هر چه مقدار عددی که جلوی این حروف نوشته می‌شود کمتر باشد، استحکام پایین‌تر است و معمولا به صورت ورق‌های فولادی نرم هستند. این فولادها برای کاربردهایی که شکل‌پذیری بالا مد نظر است، استفاده می‌شوند. از طرفی هر چه این عدد بزرگتر شود، به معنی وجود عناصر آلیاژی و درصد کربن بالاتر بوده و استحکام آن بیشتر می‌شود. در نظر داشته باشید که در این حالت، جوشکاری این فولادها سخت‌تر می‌شود.

در این استاندارد ممکن است برخی اعداد و حروف دیگر نیز قبل و یا بعد اسم فولاد ساختمانی اضافه شوند. به عنوان مثال اضافه شدن حرف k قبل از حروف St نشان دهنده این است که این فولاد برای شکل‌‌دهی سرد مناسب خواهد بود. همچنین در این استاندارد فولادها بر اساس کیفیت آن‌ها با استفاده از اعداد ۱-۳ رده بندی می‌شوند. در این رده بندی اعداد بزرگ‌تر نشان‌دهنده کیفیت بالاتر و مقدار ناخالصی‌ کمتر است. اطلاعات مربوط به دو نوع فولاد St37 بر مبنای ترکیب و نتایج تست ضربه در جدول زیر نشان داده شده است.

آنالیز شیمیایی و نتایج تست ضربه فولاد ST37-2

استاندارد EN10025

در این استاندارد فولادهای ساختمانی را با ترکیبی از حروف و ارقام مشخص می‌کنند. به عنوان مثال S275J2 یک فولاد ساختمانی بر اساس این استاندارد است. حرف S نشان دهنده فولاد ساختمانی و عدد ۲۷۵ نشان دهنده استحکام تسلیم (N/mm²) است. در این استاندارد حروف J2 یا K2 نشان دهنده چقرمگی فولاد بر اساس آزمون ضربه چارپی هستند. حرف W نیز نشان دهنده فولاد کشته و هوازدایی شده است. برخی حروف دیگر نیز برای نشان دادن ریزدانگی (N یا NL)، فولاد تمپر شده (Q یا QL) و فولاد نورد حرارتی شده (M یا ML) استفاده می‌شوند.

استاندارد  آمریکایی ASTM

در استاندارد ASTM فولاد را با حرف A و اعدادی به دنبال آن نمایش می‌دهند. به عنوان مثال می‌توان به A36 A53 ، A992 اشاره کرد. ترکیب شیمیایی و کاربرد دو  فولاد ساختمانی بر اساس این استاندارد در جدول زیر آورده شده است.

یک سوال مهم: چه زمانی نباید فولادهای ساختمانی را انتخاب کنیم؟؟

زمانی که دو خاصیت استحکام و داکتیلیته بالا را همزمان بخواهیم، فولادهای ساختمانی دیگر پاسخگو نیستند و باید به سراغ  فولادهای دیگر مثل فولادهای عملیات حرارتی شونده برویم. فولادهای ساختمانی به خاطر درصد کم کربن چندان عملیات حرارتی پذیر نیستند.

در انتها با برخی از فولادهای ساختمانی پرمصرف آشنا شوید:

فولاد ساختمانی St12-14

درصد کربن، عناصر آلیاژی و ناخالصی‌های فسفر و گوگرد در این دسته از فولادهای ساختمانی بسیار کم است (C<0.01%). این فولادها بسیار شکل‌پذیر هستند و برای کاربردهایی که به شکل‌دهی زیاد دارند (همانند فرایند کشش عمیق)، استفاده می‌شوند. برای ساخت بدنه بسیاری از خودروها یا لوازمی چون لیوان‌های استیل از این فولادها استفاده می‌شود.

فولاد ساختمانی St37

این فولادها پرکاربردترین و متداول‌ترین فولادهای ساختمانی هستند. حدود ۱/۰ درصد کربن دارند و جز گروه فولادهای کم‌کربن به حساب می‌آیند. جوشکاری این گروه از فولادهای ساختمانی بسیار آسان است، ولی در بسیاری از کاربردها برای اتصال آن‌ها از پیچ و مهره استفاده می‌شود. برای ساخت چهارچوب درها، میلگردها، آرماتور درون بتن ها و … از این دسته فولادها استفاده می شود.

فولاد ساختمانی St70

این فولادها حدود ۲/۰ درصد کربن دارند و جز گروه فولادهای کم‌کربن حساب می‌شوند. روی این گروه عملیات ترمومکانیکال زیادی انجام می‌شود و ساختار به شدت ریزدانه‌ای دارند. ساختار بسیار ریز در این گروه به کمک افزودن عناصر Ti و Ta حاصل می‌شود. کاربیدها، نیتریدها و اکسیدهایی که به خاطر حضور این عناصر تشکیل می‌شوند، در عملیات ترمومکانیکال به عنوان مراکز جوانه‌زنی و تبلور مجدد عمل می‌کنند. در نتیجه می‌توان به ساختارهای بسیار ریز دست یافت. این گروه استحکام و چقرمگی بسیار خوب همراه با خواص جوشکاری عالی دارند. از این فولادها در ساخت انواع بیل، لودرها، ماشین‌آلات حفاری و بسیاری از کاربردهای دیگر که به استحکام بالایی نیاز است، استفاده می شود.

منبع: سایت ایران مواد