Свойства материала кортеновской стали: прочность, патина, расчетные данные

Что такое кортеновская сталь (и чем она не является)

Погодоустойчивая сталь (часто продаваемая как Corten) высокопрочный, низколегированный (HSLA) стали, предназначенные для повышения стойкости к атмосферной коррозии. Их определяющим «свойством» является не невосприимчивость к ржавчине; это тенденция к образованию более прилипшего и медленно растущего слоя ржавчины, который может уменьшить дальнейшую коррозию при подходящем циклическом цикле влажной/сухой эксплуатации.

Практическое определение для спецификаторов

• Используйте его, когда поверхности могут влажный и сухой неоднократно и оставаться проветриваемыми (типичное внешнее воздействие).
• Избегайте этого там, где остаются поверхности постоянно влажный (захваченная вода, контакт с почвой, узкие щели, влажные внутренние помещения).
• лечить воздействие соли (морские брызги, противообледенительные соли) как состояние высокого риска, если у вас нет проверенного детального плана технического обслуживания.

Другими словами, «Кортен» — это прежде всего долговечность благодаря патине стратегия. Если ваша конструкция не может поддерживать стабилизацию патины, вам обычно лучше использовать покрытия, гальванизацию, нержавеющую сталь или гибридный подход.

Химия сплавов и почему она меняет коррозионное поведение

Свойства материала кортеновской стали, связанные с коррозией, начинаются со стратегии легирования. Погодоустойчивые стали обычно представляют собой мягкие стали ( <0,2% углерода ) с небольшими добавками таких элементов, как Cu, Cr, Ni, а иногда и P, Si, Mn. . Цель состоит в том, чтобы создать более плотную и прочную оксидную структуру по сравнению с простой углеродистой сталью.

Что ключевые элементы делают на практике

• Медь (Cu): поддерживает прилегание патины; часто связано с улучшенной стойкостью к атмосферной коррозии.
• Хром (Cr) и никель (Ni): помогают улучшить характеристики оксидов и улучшить производительность во многих городских/промышленных средах.
• Фосфор (Р): может улучшить стойкость к атмосферным воздействиям в некоторых составах, но обычно ограничивается ударной вязкостью и свариваемостью; Всегда следуйте стандарту марки и сертификату заводских испытаний.

Инженерный вывод: сплав помогает, но он не может преодолеть плохие условия воздействия. Если вода и мусор попадают в ловушку, возникают градиенты кислорода и влаги, и сталь может продолжать подвергаться коррозии под незащитной ржавчиной.

Механические свойства, определяющие структурный размер

Конструктивно атмосферостойкие стали обычно характеризуются уровнем прочности HSLA, сопоставимым (или немного превышающим) с обычными конструкционными углеродистыми сталями. Однако минимальные значения текучести и прочности различаются в зависимости от стандарт, марка, форма продукта и толщина . Всегда сверяйтесь с действующими спецификациями и сертификацией завода.

Последствия дизайна, которые вы можете применить немедленно

• Если вы заменяете окрашенный элемент из углеродистой стали атмосферостойкой сталью, сила может быть схожей ; Основное различие часто заключается в допуске на коррозию и стратегии технического обслуживания.
• Для толстых сечений минимальные значения текучести могут снижаться; подтвердите значения, зависящие от толщины, перед окончательным определением размеров и закупкой.
• Для конструкций, чувствительных к усталости (например, мостов), рассматривайте состояние поверхности, детализацию и качество сварных швов как первоочередные факторы, влияющие на производительность, а не второстепенные мысли.

Физические и термические свойства, используемые при детализации

Многие свойства кортеновской стали, используемые при повседневной детализации, близки к свойствам стандартной углеродистой стали. Команда застревает не в величине свойств, а в неспособности включить их в перемещения, допуски и детализацию интерфейса (особенно со стеклом, камнем и герметиками).

Практические эталонные значения (типичные)

• Плотность: ~7,85 г/см³ (полезно для оценки веса и планов погрузочно-разгрузочных работ).
• Коэффициент теплового расширения: ~11–12 × 10⁻⁶ /К (деформационные соединения, щелевые отверстия, облицовочные рейки).
• Теплопроводность: обычно сообщается о ~40–50 Вт/м·К (учет тепловых мостов в конвертах).

Пример: тепловое движение, которое вам действительно следует детализировать.

Рассмотрим внешний элемент из атмосферостойкой стали длиной 10 м, расположенный между фиксированными точками. Если температура стали колеблется от -10°C до 40°C (ΔT = 50 K) и α = 12 × 10⁻⁶ /K: изменение длины составляет ΔL = α·L·ΔT = 12×10⁻⁶ × 10 000 мм × 50 = 6,0 мм .

Перемещения на 6 мм достаточно, чтобы треснуть линии затирки, «гулять» крепежные детали или порвать швы герметика, если они не предусмотрены. Относитесь к этому как к минимуму; нагретая солнцем сталь может превышать температуру окружающего воздуха.

Коррозионные характеристики, образование патины и ограничения окружающей среды

О атмосферостойких сталях часто говорят, что они имеют коррозионную стойкость в несколько раз лучше, чем обычная углеродистая сталь в благоприятных атмосферах. Ключевое изменение в производительности заключается в том, что как только образуется стабильная патина, скорость коррозии может стать очень низкой – часто называемой порядка ~0,01 мм/год или даже ниже при соответствующем воздействии.

Жизненный цикл патины (что вы увидите на месте)

1. Первоначальное окисление: риск оранжевых/коричневых пятен и пятен самый высокий; план защиты прилегающих материалов.
2. Переход: цвет темнеет; рыхлая ржавчина уменьшается по мере продолжения цикла влажной/сухой езды.
3. Стабилизированная патина: более плотный оксидный слой; сток сокращается; Скорость коррозии существенно снижается.

Среды, которые обычно поддерживают стабилизацию

• Открытые внешние поверхности с регулярное мытье под дождем и хороший воздушный поток
• Детали, из которых быстро сливается вода: уклоны, потеки, открытые стыки и доступные пути для высыхания.
• Городская/промышленная атмосфера (часто приемлема), при условии низкого уровня осаждения хлоридов.

Среды, которые обычно приводят к снижению производительности

• Морской воздействие (солевой туман) и тяжелые антигололедная соль зоны брызг
• Постоянно влажные или защищенные от дождя зоны (нижняя часть, узкие перекрытия, закрытые углы)
• Уступы и щели, улавливающие грязь, где скапливается влага и хлориды.

Эмпирическое правило для принятия решений: если вы не можете с уверенностью добиться циклов «мокрый, затем сухой» и периодического ополаскивания, предположите, что патина не стабилизируется, и спланируйте альтернативную стратегию борьбы с коррозией.

Свариваемость, резка и формовка: свойства, важные для изготовления

С точки зрения цеха, атмосферостойкие стали обычно изготавливаются так же, как и другие конструкционные стали HSLA, но регулярно возникают три проблемы, связанные со свойствами: (1) контроль процесса сварки на прочность и устойчивость к растрескиванию, (2) контроль визуального несоответствия сварных швов и зон термического влияния и (3) предотвращение образования водяных ловушек в соединениях.

Практический контрольный список сварочных работ (готовый к проекту)

1. Укажите точную марку (например, ASTM A588 или EN 10025-5 S355J2W) и потребуйте сертификаты заводских испытаний.
2. Требовать, чтобы WPS/PQR соответствовали толщине и уровню ограничения; используйте соответствующие средства управления предварительным нагревом/промежуточным проходом для сталей HSLA, особенно для более толстых сечений.
3. Выбирайте присадочные металлы сознательно: «стандартные» конструкционные наполнители могут обеспечить прочность, но устойчивый к атмосферным воздействиям наполнители могут уменьшить долговременное несоответствие цвета открытых сварных швов.
4. Отшлифовать и загерметизировать детали, которые могут задерживать воду (стыковые углы, карманы с частичным проплавлением, прерывистые сварные швы в зонах брызг).
5. Защитите прилегающие материалы от преждевременного стекания; запланируйте временные края капель или маскировку на начальный период окисления.

Понимание процесса изготовления: многие «кортеновские дефекты» не являются дефектами сплава, а являются дефектами геометрии соединений. Если соединение удерживает воду, лучший химический состав сплавов в мире не обеспечит желаемого поведения патины.

Правила детализации, позволяющие свойствам материала работать

Чтобы извлечь выгоду из свойств материала кортеновской стали, детали должны предотвращать застаивание воды, избегать щелевой коррозии и контролировать появление пятен. Следующие правила широко применимы к фасадам, скульптурам, экранам и пешеходным мостам.

Дренаж и геометрия

• Обеспечить положительные уклоны на горизонтальных поверхностях; устраните «полки», на которых хранится влажный мусор.
• Добавьте кромки капель, чтобы стоки аккуратно стекали, а не стекали под пластины или в стыки.
• Избегайте плотных соединений внахлест и незаделанных щелей; если это неизбежно, полностью загерметизируйте сварку или спроектируйте для мытья и сушки.

Интерфейс и контроль окрашивания

• Не допускайте попадания ранних стоков на пористый камень, легкий бетон и брусчатку, если вы не согласны с окрашиванием или добавлением функций сбора/дренажа.
• Изолируйте разнородные металлы, чтобы избежать гальванических проблем; при необходимости используйте совместимые крепления и неабсорбирующие разделители.
• При архитектурной облицовке рассмотрите возможность использования макетов для калибровки тона патины и управления стоком перед полным изготовлением.

Если вам нужно единое правило принятия решений: детализируйте это так, как будто вода — ваш основной вариант нагрузки . Когда дренаж решен, предполагаемое поведение патины становится гораздо более предсказуемым.

Выбор Corten вместо вариантов с покрытием, оцинковки или нержавеющей стали

Правильный выбор материала зависит от того, насколько вы цените эстетику, уход и риск. Погодоустойчивая сталь может сократить расходы на обслуживание покрытия, но приводит к раннему образованию пятен и чувствительности к окружающей среде. Используйте приведенную ниже логику выбора, чтобы сделать выбор оправданным.

При атмосферостойкости сталь обычно хорошо подходит.

• Вы хотите эстетику открытой стали и можете терпеть период развития патины .
• Конструкция поддерживает чередование влажных и сухих вещей, дренаж и периодическую естественную стирку.
• Вы предпочитаете избегать циклов перекраски в течение срока службы актива.

Когда альтернатива зачастую безопаснее

• Воздействие хлоридов является постоянным (прибрежные брызги, антиобледенительные брызги), и вы не можете гарантировать промывку и сушку.
• Сталь находится в защищенных зонах, которые остаются влажными (покрытия или нержавеющая сталь обычно более надежны).
• Окрашивание недопустимо (выберите покрытия, оцинковку или инженерный улавливание стоков).

Заключительный вывод: свойства материала кортеновской стали обеспечивают желаемую ценность, когда условия воздействия и детализация рассматриваются как спецификации , а не предположения. Если вы сделаете это, устойчивая к атмосферным воздействиям сталь может стать долговечным, не требующим особого ухода и качественным решением. Если вы этого не сделаете, тот же материал может стать постоянным источником коррозии и пятен.