.png)
Topljenjem gvozdenih ruda pomešanih sa gorivima, a uz dodavanje primesa – najčešće krečnjaka – kao i uvođenjem u visoku peć zagrejanog vazduha pod pritiskom, dobija se sirovo gvođže. Sirovo gvožđe sadrži preko 1,7% ugljenika; ono se ne može kovati, valjati, iskivati niti presovati – dakle, ne može se oblikovati na razne načine. Iz sirovog gvožđa, produvavanjem vazduha u bazičnom konverteru, ili iz starog gvožđa i sirovog gvožđa u peći (Siemens-Martin-ova peć) proizvodi se kovno gvožđe. Od njega se valjanjem, presovanjem i kovanjem mogu stvarati razni oblici. Svo kovano gvožđe se naziva čelikom.
O hemijskom sastavu građevinskog čelika
Tehničko gvožđe nije čisto gvožđe, već legura od osnovnih elemenata gvožđa i ugljenika, najčešće sa dodatkom mangana, silicijuma, fosfora, sumbora i bakra, a ređe sa aluminijumom, hromom, niklom, molibdenom itd. Najvažnija primesa je ugljenik. Granica razvlačenja i zatezna čvrstoća topljenog čelika rastu sa povećanjem sadržine ugljenika sve dok se ne dostigne oko 0,9% ugljenika; izduženje pri kidanju opada ukoliko sadržina ugljenika raste. Sa čelikom velike sadržine ugljenika se mora pažljivije postupati pri ispravljanju, savijanju, iskivanju itd.
Građevinski čelici St 37.12 po pravilu sadrže 0,08-0,15% ugljenika, zatim oko 0,5% mangana, do 0,3% sicilijuma. Sadržina fosfora i sumpora mora biti mala; ona iznosi respektivno 0,09% i 0,05%. Bakra po pravilu ima preko 0,2%.
Pri oceni rezultata hemijskih analiza se mora voditi računa o tome da li se radi o analizama iz rastopa ili o analizama valjane robe; za ove druge važno je da li se podaci o uzorcima odnose na uzorke koji potiču iz celog preseka, ili pak na uzorke uzete sa određenog mesta (iz jezgra, sa ivice, sa jednog kraja).
Struktura čelika. Kaljenje. Otpuštanje. Žarenje.
Posmatranje strukture vrši se na ravnim, brižljivo obrađenim, brušenim i poliranim poliranim površinama koje se po pravilu u kiselinama nagrizaju. U izvesnim slučajevima (npr. na pregrejanom čeliku), zrna čelika se mogu prepoznati golim okom na pripremljenim uzorcima.
Na slici 1 prikazana je struktura sporo hlađenog čelika sadržine oko 0,1% ugljenika, a na slici 2 struktura sporo hlađenog čelika sadržine oko 0,3% ugljenika. Svetla zrna su bez ugljenika i sastoje se uglavnom od čistog gvožđa (stoga se i nazivaju ferit); pod jakim uveličanjem tamna mesta izgledaju prugasta (perlit). Pod mikroskopom se može raspoznati da se tamne mrlje sastoje iz tvrđih i mekših slojeva; tvrđi slojevi su gvozdeni karbid (Fe3C), nazvan cementit, koji je uložen u mekši ferit. Meštanci – kristali koji nastaju pri visokoj temperaturi se raspadaju pri postepenom hlađenju. Naglim rashlađivanjem vrelog čelika sprečava se raspadanje kristala. Ako se, pak, naglo rashlađivanje izvrši pre nego počne preobražaj čvrstog rastvora, onda će se rastvor – koji inače može postojati samo pri visokim temperaturama – održati i dalje pri sobnoj temperaturi. U tom slučaju se ne dobija materijal čiji je ugljenik raspoređen u vidu mrlja, već materijal sa ravnomerno raspoređenim ugljenikom. Čelik u tom stanju pokazuje daleko veću granicu razvljačenja i veću zateznu čvrstoću nego sporo hlađeni čelik istog hemijskog sastava, ali isto tako pokazuje manju obradivost; takav čelik se naziva kaljeni čelik
Prirodno je da se dejstvo hlađenja najviše ispovljava na površinama, dok ka unutrašnjosti slabi, što je za upotrebu čelika od velike važnosti. Kaljen čelik sadrži visoke unutrašnje napone.
Ponašanje čelika pri običnom ispitivanju zatezanjem
1. Obični građevinski čelici koji se upotrebljavaju u valjanom stanju
Iz ispitivanja zatezanjem, na prvom mestu modul elastičnosti E može se odrediti kako za ukupna, tako i za elastična izduženja. Modul elastičnosti čelika je 200 GPa.
Trajna izduženja se javljaju pri malim naponima, ali su ona bez naročite važnosti u građevinarstvu. Običan čelik počinje da „teče“ pod opterećenjima koja za trgovinski građevinski čelik St 37 i betonski čelik I većinom premašuju 0,24 GPa, a u velikim presecima se ta vrednost može spustiti i do 0,18 GPa. Usled tečenja javljaju se velike trajne deformacije i „linije tečenja“. Linija dijagrama izduženja čelika (slika ispod) pokazuje prekoračenje granice tečenja (pri opterećenju zatezanjem ova granica se još naziva i granica razvlačenja).
Kad se kod armirano-betonskih greda granica razvlačenja armature prekorači u zoni zatezanja, u čeliku nastaju znatna izduženja, pri čemu se u zoni zatezanja grede stvaraju naprsline i ugibi, što narušava nosivost grede. Na čelicima velike sadržine ugljenika, na kaljenim čelicima i uopšte na negvožđevitim metalima, ne javlja se prikazana karakteristična granica tečenja kao na slici iznad; trajna izduženja uglavnom rastu, a izrazite granice tečenja nema. U takvim slučajevima, po pravilu, uzima se da je granica tečenja jednaka onom opterećenju pri kome se javlja trajno izduženje od 0,2%.
2. Čelici izvlačeni u hladnom stanju
U svakom čeličnom štapu koji se ispravlja ili savija, javlja se lokalno izvlačen čelik u hladnom stanju. Pri tome se čelik lokalno napreže preko granice razvlačenja; na izvlačenom delu je granica razvlačenja povećana. Ako se štap od običnog čelika opterećuje zatezanjem dok se ne prekorači granica razvlačenja, pri ponovnom opterećenju se primećuje da se vrednost granice razvlačenja povećala. Što je veći vremenski interval „pauze“ između dva opterećenja, to će granica razvlačenja više da poraste.
Osim toga, pošto se prilikom istezanja u hladnom stanju i prečnik smanjuje srazmerno izduženju šipke, to će čelik koji je pre ispitivanja bio izložen znatnijem istezanju pokazati znatno veću granicu razvlačenja i zateznu čvrstoću nego čelik koji nije istezan; istovremeno, pokazaće manju otpornost prema udaru.
Izvlačenje u hladnom stanju koristi se pri proizvodnji betonskih čelika IIb, IIIb, i IVb (tor-čelik, čelično građevinsko pletivo), kao i pri izradi žica za prednapregnutu armaturu i za užad visećih mostova.
Ponašanje čelika pri ispitivanju pritiskom
Ono što je rečeno o elastičnosi i o granici razvlačenja topljenog čelika pri zatezanju, važi u odgovarajućem smislu i za opterećenje pritiskom. Vrednosti granice tečenja građevinskog čelika (u slučaju pritiska zove se granica gnječenja) dobijene prilikom ispitivanja pritiskom i ispitivanja zatezanjem se ne razlikuju mnogo. Međutim, pod pritiskom je povećanje opterećenja preko granice gnječenja moguće samo kod vrlo kratkih elemenata.
Za vitke štapove važe zakoni izvijanja. Pri tome na prvom mestu bi trebalo imati u vidu odgovarajuće pretpostavke, bilo da se odnose na način oslanjanja i uklještenja krajeva štapa, bilo na odstupanja ose štapa iz utvrđenog položaja.
Ponašanje čelika pri ispitivanju savijanjem
Što se tiče granice razvlačenja (spolja se primećuje po velikim ugibima nosača ili po linijama razvlačenja) važno je da će se ona pri ispitivanju savijanjem javiti pri nešto nižim no višim naprezanjima od onih koja se dobijaju pri ispitivanju zatezne čvrstoće probnog štapa. Posle prekoračenja granice razvlačenja čelika u zonama zatezanja nosača, opterećenja se mogu povećati ako su nosači dovoljno osigurani protiv preturanja ili uvijanja.
O čvrstoći čelika pri zamoru
Svojstva čvrstoća koja su utvrđena prilikom običnog ispitivanja zatezanjem, pritiskom ili savijanjem, pružaju detaljne podatke o ponašanju čelika pri mirnom opterećenju. Pri tome bi trebalo imati u vidu da će granica tečenja pri dugotrajnom mirnomopterećenju biti nešto niža od granice koja se dobija običnim ispitivanjem do sloma. Ako za mirnim opterećenjima dođu učestala opterećenja (npr. kod mostova, kranskih staza, vozila), ili ako uopšte deluju samo učestala opterećenja, onda se o materijalu mogu dobiti podaci samo na osnovu njegovog ponašanja pod uslovima koji najpribližnije odgovaraju praktičnim uslovima. Stoga se čelici za građevinske elemente, koji će pretežno biti izloženi pokretnim opterećenjima, ispituju učestalim opterećivanjem.
Najčešće se istovremeno javljaju mirna i pokretna opterećenja. Na sledećim primerima u glavnim crtama je izložena suština problema. Štapovi prikazani na slici 1 izrađeni su od istog materijala, i izvađeni iz iste šipke. Donji štap je postepenim opterećenjem polako savijen; dakle, mogao se previti. Gornji štap je više puta izložen ponavljanom opterećenju, i to uz naprezanja daleko manja od onih koja su vladala u prvom štapu. Posle izvesnog vremena gornji štap se prelomio ne pokazujući nikakve trajne deformacije u okolini preloma. Prema ovome, ponašanje materijala pri slomu bitno zavisi od načina na koji se opterećenje vrši. Naveden primer, koji se odnosi na opterećenje savijanjem, karakterističan je i za ostale vrste opterećenja. Na slikama 2 i 3 prikazani su primeri ispitivanja zatezanjem; slika 2 odnosi se na običan primer ispitivanja kidanjem, a slika 3 na ispitivanja jednosmernim promenljivim zatezanjem.
Što se tiče primene ovih činjenica, važno je da se – izuzetno od ponašanja pokazanog pri običnom ispitivanju kidanjem – vrednost građevinskog elementa, koji je bušen ili čiji je presek pretrpeo druge promene, mora naročito ocenjivati. Otpornost bušenog štapa prema učestalim opterećenjima je daleko manja nego od otpornosti nebušenog štapa, pošto se po ivicama rupe javljaju naponski pragovi. Napon na ivici rupe, ako je izazvan učečstalim opterećenjima, biće uvek znatno veći nego prosečno naprezanje. Posledica je da bušeni građevinski elementi pod učestalim opterećenjima pokazuju daleko manje čvrstoće nego nebušeni elementi.
