Pręt nierdzewny fi 60 odporny na skręcanie
W jakim gatunku najlepiej zastosować pręt nierdzewny czy kwasoodporny fi 60 mm długość 6 mb na końcu będą zamontowane śmigła, powinien być odporny na skręcanie?
Dobierając materiał pod względem odporności na skręcanie korzysta się ze standardowych zasad obliczeń wytrzymałościowych dla stali. Podstawowe obliczenia wytrzymałościowe opierają się na dwóch metodach: warunku wytrzymałościowym z użyciem pojęcia naprężeń dopuszczalnych oraz na metodzie stanów granicznych. W obu przypadkach dokonując obliczeń projektowych korzysta się podstawowych własności mechanicznych stali, tj. umownej graniczy plastyczności przy wydłużeniu trwałym x=0,2%, czyli Rp0,2 i wytrzymałości na rozciąganie Rm. Ponadto uwzględnia się moduł sprężystości wzdłużnej (Younga), który dla stali nierdzewnych wynosi 200 kN/mm2, współczynnik Poissona równy 0,3 i moduł sprężystości poprzecznej G = 76,9 kN/mm2. Stale nierdzewne wykazuję umowna granice plastyczności Rp0,2 ok. 200 (N/mm2), a niektóre gatunki typu duplex nawet dwa razy większą (tablica 1). Stale nierdzewne w zależności od charakterystycznej struktury stali wykazują odmienne własności fizyczne, które także należy brać pod uwagę, zwłaszcza rozszerzalność oraz przewodność cieplną materiału (tablica 2).
Pod wieloma względami projektowanie konstrukcji ze stali nierdzewnej jest bardzo podobne do stali węglowych. Jedyna istotna różnica wynika z odmiennego kształtu krzywych naprężenie-odkształcenie (wykres rozciągania) dla stali nierdzewnych. Stal węglowa wykazuje zwykle liniowy charakter wykresu w obszarze odkształceń sprężystych i charakterystyczne przegięcie przed odkształceniem plastycznym, natomiast stal nierdzewna ma bardziej zaokrąglony odcinek początkowy wykresu rozciągania bez wyraźnie określonej granicy plastyczności. Wymieniona różnica w wykresach naprężenie-odkształcenie ma wpływ na odporność stali na wyboczenie (zarówno wyboczenie lokalne, zginanie i skręcanie) oraz odkształcenia elementów stalowych.
Ponadto dla stali nierdzewnych zaleca się używać dostosowane dla nich zasady projektowe ujęte w wyczerpującym opracowaniu „Poradnik projektowania konstrukcji ze stali nierdzewnej” - ‘Design Manual For Structural Stainless Steel’ [1].
Dobierając materiał na omawiany element, podczas wykonywania stosowanych obliczeń projektowych można skorzystać z podanych niżej własności materiałowych, z których wynika, że najwyższą granicę plastyczności spośród wymienionych stali wykazuje stal typu duplex. Dobierając materiał na konstrukcję nie bez znaczenia są jej koszty, a pod tym względem analizując podane stale najniższym kosztem charakteryzują się stale ferrytyczne o własnościach wytrzymałościowych nieznacznie wyższych od stali austenitycznych. Stale austenityczne z kolei zapewniają wyższa odporność korozyjną w porównaniu do stali ferrytycznych.
Podczas doboru materiału na dany element oprócz samych obliczeń projektowych należy przeanalizować środowisko eksploatacji. Jeżeli dana konstrukcja ma pracować w mało agresywnych warunkach środowiskowych lub będzie zamknięta w pomieszczeniu to z powodzeniem można stosować stal ferrytyczną. Jeżeli konstrukcja ma być eksploatowana na wolnym powietrzu to należy rozpatrzyć stosowanie stali austenitycznej lub duplex, jeżeli środowisko jest bardzo agresywne korozyjnie.
Tablica 1. Własności mechaniczne wybranych gatunków stali nierdzewnych – produkty długie, wg normy PN EN 10088-3, w stanie po obróbce cieplnej, w stanach 2H, 2B,2G lub 2P
| Typ stali | Gatunek | Grubość, średnica mm | Granica plastyczności Rp0,2 (N/mm2) min. | Wytrzymałość na rozciąganie Rm (N/mm2) |
| Ferrytyczna | 1.4016 | 40-63 | 240 | 400-700 |
| Austenityczna | 1.4301 | 190 | 580-850 | |
| 1.4307 | 175 | 500-700 | ||
| 1.4401 | 200 | 500-850 | ||
| 1.4404 | 200 | 500-830 | ||
| Duplex | 1.4462 | 450 | 650-1000 |
Tablica 2. Własności fizyczne wybranych gatunków stali nierdzewnych wg PN-EN 10088-1
| Typ stali | Gatunek | Gęstość (kg/m3) | Współczynnik rozszerzalności cieplnej 20 - 1000C (10-6/K) | Przewodność cieplna (W/mK) | Jednostkowa pojemność cieplna (J/kgK) |
| Ferrytyczna | 1.4016 | 7700 | 10 | 25 | 460 |
| Austenityczna | 1.4301 | 7900 | 16 | 15 | 500 |
| 1.4307 | |||||
| 1.4401 | 8000 | ||||
| 1.4404 | |||||
| Duplex | 1.4462 | 7800 | 13 |
Literatura
[1]. Design Manual For Structural Stainless Steel (Wydanie trzecie), The Steel Construction Institute, kwiecień 2006.
´Duplex