تیرآهن های رایج در بازار همه از جنس فولاد با درجه های مختلف هستند. با این حال مقاوم ترین تیرآهن در برابر حرارت از لحاظ آلیاژی با بقیه متفاوت است. آلیاژهای ساخت تیرآهن در هر تیرآهن یکسان نیست و برای همین هر تیرآهن از لحاظ مقاومت در برابر آتش متفاوت است. در این مقاله با استفاده از همین ویژگی تیرآهن یعنی آلیاژهای به کار رفته به این سوال پاسخ می دهیم.
پاسخ خلاصه
مقاوم ترین تیرآهن در برابر حرارت، تیرآهن های استیل یا استنلس استیل است که هنوز در ایران تولید نمی شوند و نیاز به فناوری فوق العاده نوینی دارد. همچنین هزینه تولید آن بالا است. همانطور که گفتیم تیرآهن از آلیاژهای مختلفی تولید می شود که یکی از آنها کروم است. در تیرآهن های معمولی که از جنس فولاد کربنی هستند کروم وجود ندارد.
برعکس تیرآهن های فولاد ضد زنگ یا تیرآهن های استیل دارای مقادیر زیادی عنصر کروم هستند. وجود کروم در تیرآهن استیل باعث می شود تا مقاومت تیرآهن در برابر حرارت دو چندان شود. شاید باورتان نشود ولی نقطه ذوب کروم ۱۹۰۷ درجه سانتی گراد است. تیرآهن های استیل از نوع آستنینی بین ۱۵ تا ۲۸ درصد کروم دارند. این مقدار درصد کروم بر اساس استاندارد EN10088-1 است.
نقش آلیاژهای تیرآهن در مقاومت حرارتی تیرآهن
چندین عنصر آلیاژی مقاومت حرارتی تیرآهن را افزایش می دهند مانند:
- کروم: با تشکیل یک لایه محافظ، تیرآهن را در برابر حرارت و آتش محافظت می کند.
- نیکل: باعث افزایش پایداری لایه اکسید محافظ می شود و پوسته پوسته شدن سطح تیرآهن را در طول چرخه حرارتی کاهش می دهد.
- مولیبدن: می تواند ریزساختار فولاد را تغییر دهد و باعث تشکیل فازهای مقاوم تر در برابر حرارت، مانند کاربیدها یا ترکیبات بین فلزی شود.
- سیلیسیم: رسانایی گرمایی کم و ساختار شیمیایی پایدار سیلیسیم به جلوگیری از انتقال آسان گرما کمک می کند.
چرا مقاومت حرارتی تیرآهن‌ها در سازه اهمیت دارد؟
اولین علت اینکه مقاومت حرارتی تیرآهن مهم است، بحث بودجه و جلوگیری از خسارت های مالی و جانی شدید است. به عنوان مثال در مهر ۱۴۰۳ آتش سوزی بازار شاد آباد تهران رخ داد که خسارات مالی زیادی بر جای گذاشت. برخی انبارها از تیرآهن ساخته شده بودند که در اثر آتش سوزی دچار سوختگی و حتی ریزش شدند.
آزمایش های حرارتی تیرآهن
آزمایش های حرارتی روی تیرآهن ها به ۲ روش نوین آزمایش حرارتی موضعی و آزمایش ASTM E288 انجام می شود. در آزمایش حرارتی موضعی از حرارت مستقیم به تیرآهن و در آزمایش ASTM E288 قطعه ای از تیرآهن را در کوره می گذارند. در ادامه این آزمایش ها را دقیق تر توضیح می دهیم.
۱- آزمایش حرارتی موضعی
یکی از آزمایش های مقاومت تیرآهن در برابر حرارت، آزمایش حرارتی موضعی است. در روش حرارتی موضعی، نمونه های آزمایشگاهی (به عنوان تیرآهن سایز ۴۰ که در تصویر زیر مشاهده می کنید) در آزمایشگاه با توان حرارتی ۷۰۰ کیلو وات قرار گرم می شود. با گرم شدن ذوب آهن، خمش چرخشی و رفتار پیچشی تیرآهن مورد مطالعه قرار می گیرد.
همچنین با استفاده از این آزمایش، نرخ آزادسازی گرما (HHR) ارزیابی می شود. نرخ آزادسازی گرما، سرعت تولید گرما توسط آتش است که به مگاوات یا ژول است. از نرخ آزادسازی گرما در آزمایش های حرارتی موضعی برای سنجش پاسخ تیرآهن به حرارت استفاده می شود.
۲- آزمایش ASTM E228
در آزمایش ASTM E228 از یک کوره، کریوستات (محفظه ای برای حفظ دما) یا حمام استفاده می شود. این آزمایش نوعی آزمایش برای تعیین انبساط حرارتی خطی مواد جامد از جمله تیرآهن است. در این روش از دیلاتومتر (انبساط سنج) فشاری برای اندازه گیری تغییر طول نمونه با تغییر دمای آن استفاده شود. این آزمایش معمولاً با گرم کردن یا سرد کردن نمونه و اندازه‌گیری انبساط یا انقباض آن انجام می‌شود.
همانطور که در تصویر زیر می بینید در آزمایش حرارتی تیرآهن از نوع ASTM E228 از نگهدارنده های خاص برای نگه داشتن قطعه قابل آزمایش استفاده می شود.
کلام آخر
مقاوم ترین تیرآهن در برابر حرارت تیرآهن استنلس استیل یا فولاد ضد زنگ است ولی هنوز در ایران تولید نشده است و نیاز به فناوری بالایی دارد. همچنین تیرآهن استیل هزینه تولید بالایی دارد و در حال حاضر در دنیا فقط ۳ کشور چین، ویتنام و هند تیرآهن استنلس استیل تولید می کنند.
