14 October 2009

Applied Metallurgry of Steel

Applied Metallurgry of Steel_1

Steel material ေတြရဲ႕ အသံုး၀င္မႈဟာ သူ႔ရဲ႕ matal ဖြဲ႔စည္းမႈအေပၚမွာ အဓိက မူတည္ေနပါတယ္။ material မ်ား ကို သူတို႔ရဲ႕ ခံႏိုင္တဲ့ strength နဲ႔ သူတို႔ရဲ႕ weight ကို ႏႈိင္းယွဥ္လိုက္ရင္ steel material မ်ားဟာ weight နည္းနည္းနဲ႔ stength ေကာင္းေကာင္းကို ရရွိပါတယ္..။ တစ္နည္းအားျဖင့္ stength-to-weight ratio သိပ္ေကာင္းတဲ့ material ျဖစ္တာကို ေတြ႔ရမွာ ျဖစ္ပါတယ္...။ Steel material ေတြရဲ႕ yield strength ဟာ ပံုမွန္အားျဖင့္ minimum 250 N/mm2 ကေန 2000 N/mm2 ထိကို ရွိတတ္ပါတယ္..။ တစ္နည္းအားျဖင့္ 24 ksi ကေန 100 ksi သို႔မဟုတ္ 170 MPa ကေန 690 MPa ထိ ရွိတာပါ...။ ဒါေပမယ့္ လက္ေတြ႔လုပ္ငန္းခြင္မွာ Stength နဲ႔ Section Size မ်ားကို ခ်ိန္ညွိေပးဖို႔ေတာ့ လိုပါလိမ့္မယ္..။ Stength သိပ္ေကာင္းတဲ့ material ျဖစ္ေတာ့ section size နဲ႔ weight ေလ်ာ့သြားတာေတြဟာ structural ရႈေထာင့္မွာ လိုအပ္မႈေတြ ပိုရွိေကာင္းရွိလာမွာ ျဖစ္ပါတယ္..။ အထူးသျဖင့္ steel ေတြဟာ ductility လို႔ေခၚတဲ့ ျပင္းတြဲ႔စြာနဲ႔ stress ကို ဆက္လက္ခုခံႏိုင္တဲ့အားဟာ သူ႔ရဲ႕ yield limit ကို ေက်ာ္ၿပီး plastic deformation စတင္ခဲ့ရင္လည္း ခံႏိုင္ရည္ ေကာင္းေနဖို႔ လိုအပ္ပါတယ္..။

Steel material ေတြရဲ႕ mechanical properties ဖြဲ႔စည္းပံုဟာ chemical composition, heat treatment နဲ႔ manufacturing process မွာ မူတည္ေနပါတယ္..။ Steel မွာ iron က အဓိက ပါ၀င္ေနျပီး အျခား အျခားေသာ element မ်ားက steel ရဲ႕ properties ကို effect ျဖစ္ေအာင္ တစ္နည္းတစ္ဖံု ေထာက္ပံ့ေပးပါတယ္..။ iron ကို ဓါတ္ေပါင္းလာတဲ့ အျခား element မ်ားဟာ steel ကို manufacturing လုပ္တဲ့ (rolling, heat treatment နဲ႔ cooling) process တစ္ေလွ်ာက္လံုးမွာ steel ရဲ႕ strength ေကာင္းေအာင္ အမ်ိဳးမ်ိဳး respond လုပ္ေပးပါတယ္..။

Steel Material မ်ားမွာ အထူး သတိထားသင့္တဲ့ အခ်က္ကေတာ့ Corrosion ျဖစ္ေပၚလာႏိုင္မႈနဲ႔ Fire Resistance ပါ..။ Corrosion ျဖစ္လာမႈေၾကာင့္ Steel ရဲ႕ Chemical composition ဟာ ေျပာင္းလဲျပီး တစ္ဖက္မွာ Strength က်လာႏိုင္ပါတယ္..။ ထို႔အတူပဲ temperature ဟာ 300' C ထက္ကို ေက်ာ္လာခဲ့ရင္လည္း Strength ေလ်ာ့လာႏုိင္ပါတယ္..။ temperature ဟာ 98'C (200'F) ထက္ကို ေက်ာ္လာခဲ့ရင္ သူရဲ႕ Stress-strain curve ဟာ စတင္ျပီး non-linear ျဖစ္လာပါတယ္..။ တစ္ဖက္မွာလည္း temperature တိုးလာမႈေၾကာင့္ steel ရဲ႕ modulus of elasticity (Es= 29000 ksi), Yield Strength နဲ႔ Tensile Strength မ်ားဟာ က်လာပါတယ္..။ temperature ဟာ 430'C to 540'C ( 800'F to 1000' F) အထိ ေရာက္လာတဲ့အခါမွာ သူရဲ႕ strength ဟာ အလြန္အမင္းကိုေလ်ာ့က်လာမွာ ျဖစ္ၿပီး steel ဟာ concrete လို ျဖစ္လာကာ creep ျဖစ္သြားမွာ ျဖစ္ပါတယ္..။


Applied Metallurgry of Steel_2

Steel Structure Design ကို စဥ္းစားတဲ့အခါမွာ အဓိကအားျဖင့္ သူတို႔ရဲ႕ strength ကို စဥ္းစားေပးရတဲ့အခါ strength ရဲ႕ရင္းျမစ္ ျဖစ္တဲ့ materail properties ကို သိရမွာ ျဖစ္ပါတယ္..။ Steel ရဲ႕ material properties ဟာ သူ႔ရဲ႕chemical compositon နဲ႔ heat treatment အေပၚမွာ အဓိက မူတည္ေနပါတယ္..။

Steel ဟာ အေျခခံအားျဖင့္ iron မ်ားနဲ႔ ဖြဲ႔စည္းထားၿပီး ၄င္းအေပၚမွာ carbon ကို ထပ္ေပါင္းထည့္ပါတယ္...။ carbon ကို ထပ္ေပါင္းထည့္ျခင္းအားျဖင့္ steel ရဲ႕ strength ဟာ တိုးလာပါတယ္.. တစ္ဖက္မွာေတာ့ သူရဲ႕ ductility ျဖစ္မႈဟာ ေလ်ာ့က်သြားပါတယ္..။ ဒီလို ductility ေလ်ာ့က်သြားျခင္းအတြက္ carbon % မ်ားတဲ့ high carbon steel မ်ားမွာ heat treatment ဟာ ပိုၿပီး အေရးၾကီးလာပါတယ္..။ Steel မွာ ပါ၀င္တဲ့ carbon ပမာဏမ်ားဟာ Carbon steel (<0.15%),>

(ဒီေနရာမွာ တစ္ခု သတိထားသင့္တာကေတာ့ steel မ်ားဟာ weathering အေျခအေနကို လက္ခံေနရခ်ိန္မွာ Stength မက်သြားေအာင္ ဂရုျပဳေပးဖုိ႔ပဲ ျဖစ္ပါတယ္...။ steel ရဲ႕ အေပၚယံ surface မွာ စက္ရံုက ထုတ္စဥ္မွာကပင္ Cromium Oxide ဟာ အလႊာပါး တစ္ခုအေနနဲ႔ Steel ကို protect လုပ္ေပးထားပါတယ္...။ လက္ေတြ႔ လုပ္ငန္းခြင္မွာ steel ကို cutting လုပ္တဲ့အခါမွာ cutting face ကို corrosion resistance အတြက္ အထူး ဂရုျပဳေပးသင့္ပါတယ္..။ )

Steel ရဲ႕ Strength ဟာ သူ႔မွာ ပါ၀င္ေနတတ္တဲ့ chemical ေတြမွာသာ မဟုတ္ပါပဲ non-metallice inclusions လို႔ေခၚတဲ့ strength ကို ေလ်ာ့က်သြားေစတဲ့ non-metal မ်ား ပါ၀င္ေနမႈမွာလည္း မူတည္ေနတတ္ပါတယ္.... Steel မွာ sulphur နဲ႔ phosphorus ကဲ့သို႔ impurities မ်ားပါ၀င္လာတဲ့အခါမွာ သူရဲ႕ resistance level ဟာ ေလ်ာ့က်သြားၿပီး cracking problem မ်ားလည္း ျဖစ္လာတတ္ပါတယ္..။


Applied Metallurgry of Steel_3

Steel မ်ား ရဲ႕ Strength ဟာ လက္ေတြ႔မွာ မိမိ ေမွ်ာ္မွန္းထားတဲ့အတိုင္း ျဖစ္လာျခင္း ရွိ မရွိ ဆိုတာဟာ သူရဲ႕ ထုတ္လုပ္တဲ့ လုပ္ငန္းစဥ္မွာ အနာအစင္ ကင္းစင္မႈ၊ process ျပည့္စံု မွန္ကန္မႈနဲ႔ သန္႔စင္မႈမ်ားမွာ မူတည္ေနတတ္ပါတယ္... လက္ေတြ႔မွာ ေမွ်ာ္မွန္းထားသည့္အေျခအေနကို ရရွိျခင္း ရွိမရွိဆိုတာဟာ မေသခ်ာ မေရရာျခင္းအတြက္ လက္ေတြ႔ ဒီဇုိင္း တြက္ယူတဲ့အခါမွာ ကၽြန္ေတာ္တို႔အေနနဲ႔ material ဖက္ကေန safty factor မ်ား ရယူရတာျဖစ္ပါတယ္...။ ဒီေနရာမွာ steel ရဲ႕ manufacturing process တစ္ေလွ်ာက္မွာ ျဖစ္ေပၚလာႏိုင္တဲ့ အေျခအေနကို အနည္းငယ္ တီးေခါက္ သိရွိထားသင့္ပါတယ္...။ ဒါမွသာ ဒီဇိုင္းတစ္ခုကို စဥ္းစားတဲ့အခါမွာ ေဆာင္ရန္ ေရွာင္ရန္ေတြကို သိရွိမွာ ျဖစ္ပါတယ္...။

အထူးသျဖင့္ temperature & shrinkage ေၾကာင့္ steel ဟာ fine shrinkage crack မ်ား ျဖစ္လာတတ္တာကို အထူး သတိထားရမွာ ျဖစ္ပါတယ္..။ ဒီကေန တဆင့္ Tearing ျဖစ္လာမႈမ်ား မရွိေအာင္ သတိထားသင့္ပါတယ္..။ ဒါ့အျပင္ porosity သို႔မဟုတ္ gaseous inclusion မ်ား တတ္ႏိုင္သမွ် ေလ်ာ့နည္းတာမ်ိဳးပဲ ျဖစ္သင့္ပါတယ္...။ Porosity ဆိုတာကေတာ့ ထုထည္တစ္ခုရဲ႕မွာ ရွိေနတဲ့ void နဲ႔ ထုထည္ရဲ႕ အခ်ိဳးပဲ ျဖစ္ပါတယ္....။ ဒီေနရာမွာ material toughness ဆိုတဲ့ steel ရဲ႕ ဂုဏ္သတၱိ တစ္ခုကိုလည္း ဂရုျပဳေပးသင့္ပါတယ္...။ material toughness ဆိုတာကေတာ့ steel ရဲ႕ ျပင္းတြဲ ဆြဲကပ္ႏိုင္စြမး္ရွိတဲ့ ဂုဏ္သတၱိတစ္ခု ျဖစ္ပါတယ္....။ ဒါဟာ cracking ျဖစ္ေပၚမႈကို ထိန္းသိမ္းေပးႏိုင္စြမး္ရွိျခင္းပဲ ျဖစ္ပါတယ္...။ steel ဟာ mateiral toughness ေလ်ာ့နည္းလာတာနဲ႔အမွ် သူဟာ ductility ေလ်ာ့က်လာတတ္ပါတယ္...။ တစ္နည္းအားျဖင့္ သူ႔ရဲ႕ fracture ကို resist လုပ္ႏိုင္စြမ္းလည္း ေလ်ာ့က်သြားတတ္ပါတယ္...။ Brittle fracture ဆိုသည္မွာ catastrophic faliure လို႔ ေခၚဆိုႏိုင္ပါတယ္...။ Plastic deformation ပင္ ၾကိဳတင္ျဖစ္လာျခင္းမရွိပါဘဲ ရုတ္တရက္ faliure ျဖစ္လာျခင္းပါ...။ ဒီလို brittle fracture ဟာ temperature, loading rate, stress level, flaw size (small crack), plate thickness or constraint, joint geometry နဲ႔ workmanship ေတြဟာ ၾကိဳတင္ စဥ္းစားထားမႈနဲ႔ မကိုက္ညီတဲ့အခါမွာ ျဖစ္လာတတ္ပါတယ္...။ Design တြက္တဲ့အခါမွာ Brittle Fracture ကို ကာကြယ္ဖို႔အတြက္ Steel ရဲ႕ Grade ေတြမွာ ျပည့္စံုေကာင္းမြန္တဲ့ Impact Toughness ပါ၀င္တဲ့ Steel အမ်ိဳးအစားကို သံုးေပးရမွာပါ...။ ေနာက္ဆံုးအေနနဲ႔ကေတာ့ Lamellar Tearing ဆိုတဲ့ အလႊာလိုက္ ကြာထြက္ျခင္းမ်ိဳးဟာ Steel structure မ်ားမွာ ရွိတတ္တာကို သိထားသင့္ပါတယ္...။ Lamellar Tearing ဆိုတာဟာ Brittle fracture ျဖစ္မႈ တစ္မ်ိဳးျဖစ္ၿပီး ၄င္းဟာ အထူးသျဖင့္ plate thickness ထူတဲ့ေနရာမ်ိဳးမွာ အထူး ျဖစ္တတ္ပါတယ္...။ Steel ေတြဟာ စက္ရံုကေန ထုတ္လာတဲ့ roll shape မွာကတည္းကကို မူလကတည္းက အလႊာလိုက္ ရွိတတ္တာပါ..။ ဒါေပမယ့္ temperature change ျဖစ္လာတဲ့အခါမွာ (welding ေတြ နဲ႔ ထိေတြ႔လာတဲ့အခါမွာ) ၄င္းတို႔ဟာ ပိုၿပီး deform ပိုၿပီး ျဖစ္လာတတ္တာပါ...။ ဒီအတြက္ လက္ေတြ႔ လုပ္ငန္းခြင္မွာ welding ရဲ႕ face ဟာ steel ရ႕ rolling direction ေတြနဲ႔ မျပိဳင္သင့္ပါဖူး...။ ဒီဇိုင္းတြက္တဲ့အခါမွာ မိမိရဲ႕ welding face ကို အထူး ဂရုစိုက္ေပးရမွာ ျဖစ္ပါတယ္...။

လက္ရွိ Singapore Standard မွာေတာ့ 35 mm ထက္ ပိုတဲ့ thickness ရွိလာရင္ေတာ့ Lamellar Tearing ကို test လုပ္ေပးရမယ္လို႔ ဆိုထားပါတယ္....

ေနာက္ ေလ့လာသင့္တာေတြကေတာ့ Steel ရဲ႕ Fatigue ျဖစ္မႈေတြ, Fire Protection အေၾကာင္းနဲ႔ အျခား သူ႔ရဲ႕ Specification မ်ားပဲ ျဖစ္ပါတယ္....။


Applied Metallurgry of Steel_4

Steel ရဲ႕ material ဖြဲ႔စည္းပံုမွာ 98 % ေလာက္ကို iron နဲ႔ ဖြဲ႔စည္းထားၿပီးေနာက္ carbon, silicon, manganese ေတြကို ဓါတ္ေပါင္းထည့္ပါတယ္... copper နဲ႔ chromium ကိုေတာ့ weather resistant အတြက္ ထည့္ေပါင္းတတ္ပါတယ္...။

Structural Steel ကို Strength Grade သတ္မွတ္ရာမွာ ( BS code အရေပါ့ေလ...:D ) S 275, S 355, S 460 ဆိုၿပီး ခြဲျခားသတ္မွတ္ပါတယ္...။ အဓိကကေတာ့ သူ႕ရဲ႕ strength, ductility, impact resistance နဲ႔ weldabiltity ေပၚ မူတည္တာၿပီး သတ္မွတ္တာပါ...။ Steel ရဲ႕ Grade ေတြကို သူ႔ရဲ႕ Stress-strain diagram မွာ ၾကည့္ရင္ strength ပိုေကာင္းလာတာနဲ႔အမွ် သူရဲ႕ strain hardening ျဖစ္မႈဟာ ေလ်ာ့က်သြားတာကို ေတြ႔ရမွာပါ... ဒါေၾကာင့္ strength ေကာင္းလြန္းတာေတြ သံုးတဲ့အခါမွာ ဒါကို ဂရုျပဳေပးရမွာပါ....။ ဒါ့အျပင္ Steel Grade ေတြဟာ section ရဲ႕ thickness အေပၚမွာ မူတည္ၿပီး အနည္းငယ္ဆီ vary ျဖစ္သြားမွာပါ... thickness ပို ထူလာေလ...strength ပို က်လာေလပါပဲ... ဒါဟာ temperature effect ေၾကာင့္ ျဖစ္လာတာပါ....Steel ရဲ႕ Structrural Properties ကို စဥ္းစားရမွာ

1) Fatigue & Fracture
2) Fire Protection
3) Corrosion Protection ေတြကို အထူး ဂရုျပဳရတာပါပဲ.....

Fatigue Failure ကေတာ့ member ေတြဟာ long term ၾကာလာတဲ့အခါမွာ သူတို႔ရဲ႕ ထမ္းအားက်လာၿပီး ေညာင္းလာျခင္းတစ္မ်ိဳးပါ.. အထူးသျဖင့္ cyclic loading ေၾကာင့္ ျဖစ္လာတာပါ....။ Fatigue ဟာ cycles of loading ေၾကာင့္၄င္း၊ အမ်ားဆံုး ျဖစ္လာႏိုင္တဲ့ stress နဲ႔ အနည္းဆံုးျဖစ္သြားႏိုင္တဲ့ stess ၾကားက range ကြာလြန္းရင္ေၾကာင့္၄င္း၊ နဂိုကတည္းကရွိေနတဲ့ flaw လို႔ေခၚတဲ့ small crack ေလးေတြေၾကာင့္၄င္း Fatigue ျဖစ္မႈေတြ ကြာျခားသြားတတ္ပါတယ္...။ အထူးသျဖင့္ welded connection ေတြမွာ ပိုၿပီး Fatigue ျဖစ္တဲ့ effect ကို စဥ္းစားေပးရတာပါ....။ Bolted Connection ေတြမွာေတာ့ Fatigue loading ေၾကာင့္ အထူးအေထြ strength က်တာ သိပ္မျဖစ္တတ္ပါဖူး....။ faitgure failure ကို ေရွာင္ဖို႔ကေတာ့ stress ေတြ concentrate ျဖစ္ႏိုင္တဲ့ေနရာေတြကို ပုိဂရုစိုက္ေပးရမွာပါ...။ member ေတြရဲ႕ life ကုိ မိမိ ခန္႔မွန္းထားတဲ့ အဆင့္ထိ မေရာက္ခင္မွာ fatigue life အတြင္း fail မျဖစ္ေအာင္ ဂရုစိုက္ေပးရတာ ျဖစ္ပါတယ္....။ Bridge ေတြမွာ moving effect ေၾကာင့္ fatigue ျဖစ္လာသလို.. Offshore Structure ေတြမွာ Wave effect ေၾကာင့္ Fatigue ျဖစ္လာပါတယ္... ။ ထုိ႔အတူပဲ.. Crane Girder ေတြဟာ Lifting, rolling နဲ႔ initial load ေၾကာင့္ fatigue ျဖစ္လာသလို.. Slender Tower ေတြဟာ Wind gusting ေၾကာင့္ fatigue ျဖစ္လာတာပါ.. ဒါကေတာ့ fatigue ျဖစ္လာမႈကို လြယ္လြယ္ကူကူ နားလည္ႏိုင္တဲ့ အခ်က္ပါပဲ....။

Footnote:
Above the post is just reference for design consideration. not for detail. :)

No comments: