|
В предыдущих разделах показано,
что прерванная закалка углеродистой арматурной стали марки Ст5сп(пс)
обеспечивает повышение ее прочностных свойств до уровня требований ГОСТ 5781—82
для сталей класса А—III. Показано также, что вместо низколегированной
арматурной стали 35ГС класса А—III более эффективно производить равнопрочную
арматурную сталь класса Ат—IIIC.
Однако наличие одинаковых свойств не является достаточным
основанием для применения в железобетонных конструкциях упрочненной стали
класса Ат—IIIC взамен стали 35ГС, так как определяемые по ГОСТ 5781—82
характеристики прочности и пластичности не отражают ни напряженного
состояния, ни условий работы, ни характера разрушения материала при
эксплуатации. И, в связи с этим, по ним невозможно определить, какая из этих
сталей лучше. Поэтому необходимо всестороннее исследование их конструктивной
прочности.
В настоящее время нет общих правил выбора критериев,
которые способны охарактеризовать конструктивную прочность материала,
предназначенного для того или другого изделия.
До недавнего времени основными механическими
характеристиками арматуры являлись: сгв, ат, бр, угол загиба в холодном
состоянии. Однако развитие строительства в районах с суровыми климатическими
условиями, а также отдельные случаи аварий железобетонных конструкций
вследствие хрупкого разрыва арматурных стержней заставили исследователей
подробно заняться проблемой конструктивной прочности арматуры и выработать
ряд дополнительных требований к ее свойствам.
В результате проведения ряда исследований применение
некоторых арматурных сталей в конструкциях, предназначенных для эксплуатации
при низких температурах, было ограничено. При этом за основной критерий в
оценке арматурных сталей, как правило, принимались данные испытаний на
ударный изгиб образцов Менаже, вырезанных из прутков арматуры.
Однако при оценке поведения конкретного изделия (в данном
случае арматурного стержня) в условиях низких температур, ударные испытания
следует признать достаточно условными (не отрицая их важности), из-за
существенного различия между напряженным состоянием в ударном образце и в
реальном арматурном стержне. Так как рабочая арматура железобетонного
элемента подвергается в основном воздействию осевых растягивающих или
сжимающих усилий, и только при раскрытии в растянутом бетоне трещин создаются
незначительные изгибающие моменты, то за основной критерий при оценке
арматурных сталей следует признать метод оценки вязкости разрушения при растяжении.
Широкое применение арматуры в железобетонных конструкциях,
подвергающихся при эксплуатации многократно повторяющимся нагрузкам (мосты,
подкрановые балки, железнодорожные балки и т. д.), вызывает необходимость
оценивать также и выносливость арматурных сталей.
В данной работе, исходя из задач исследования, выбраны
следующие методы испытания и критерии оценки конструктивной прочности
арматурной стали:
растяжение натурных стержней арматуры в интервале
температур от —70 до Ч-20°С (исследовали низкотемпературную прочность и
влияние концентрации напряжения на свойства арматурной стали при статическом
растяжении в условиях низких температур) ;
испытания на ударный изгиб (исследовали хладостойкость и
чувствительность к остроте надреза при динамическом изгибе стандартных и
натурных образцов);
испытания при повторно-переменном нагружении при различных
схемах иагружения (исследовали выносливость и чувствительность к концентрации
напряжения);
испытания на коррозионную стойкость.
Характеристики конструктивной прочности, получаемые в
результате выбранных методов испытаний, позволили оценить особые свойства
арматурных сталей, к которым (по Н. М. Мулину) относятся: низкотемпературная
прочность, склонность к хладноломкости, чувствительность к концентрации
напряжения, усталостная прочность, коррозионная стойкость.
Материалом исследования служили арматурная сталь марок
Ст5сп, Ст5пс и 35ГС диаметром 14 мм поточного производства комбината
«Криворожсталь», выплавленная в 130 т кислородных конвертерах с обычной
интенсивностью продувки. Выбор арматурного профиля № 14 обусловлен следующими
соображениями: одни из самых массовых профилей; минимальный профиль, из
которого можно изготовить стандартный ударный образец максимального сечения;
средний профиль из сортамента арматуры диаметром 10—18 мм, подвергающийся
упрочнению на класс Ат—II1C на Криворожском металлургическом комбинате.
Углеродистую сталь марок Ст5сп и Ст5пс упрочняли на класс
дт—П1С по технологии, описанной выше. Арматуру из горячекатаной
низколегированной стали использовали для сравнительных испытаний. Весь
комплекс исследований конструктивной прочности в данном разделе выполнен на
одном материале, химический состав и свойства сталей приведен в табл. 40.
Прочность при низких температурах. Исследования
низкотемпературной прочности арматуры проводили на натурных стержнях, так как
любое отступление к проточенным (стандартным) образцам исключает влияние
концентраторов, имеющихся на поверхности арматурного стержня, и изменяет
схему напряженного состояния при испытании. Для этого разработали методику
низкотемпературных испытаний натурных стержней арматуры в камере фирмы
«Инстрон». Образцы длиной 320 мм охлаждались парами жидкого азота,
равномерное распределение которого по всему объему камеры осуществлялось
вентилятором, установленным в ее нижней части. Образец диаметром 14 мм охлаждали 30 мин. Минимальная температура испытания составляла — 70 °С. Автоматический
регулятор поддерживал заданную температуру с отклонениями ±1°. Крепление
образцов в захватах проводили с использованием конических плашек, внутренняя
сторона которых повторяла поверхность арматуры. Они совместно со стержнем
вставлялись в коническую обойму, через которую к образцу прикладывалась
нагрузка.
Определяли стандартные характеристики прочности и
пластичности натурных и натурных образцов с концентраторами напряжения на
продольном ребре, а также величину чувствительности к надрезу.
Испытание натурных образцов стали марок Ст5пс и Ст5сп
класса Ат—IIIC и 35ГС стали класса А—III на статическое растяжение в
интервале температур + 20-^ — 70 °С ( 51) показало, что с понижением
температуры испытания от —20 до — 70 °С имеет
место приблизительно одинаковый 700 для всех исследуемых
сталей подъем значений предела текучести и временного сопротивления (50— 75
МПа). При этом предел текучести стали класса А—III при — 70 °С достигает 500,
а класса Ат—IIIC —620—650 МПа. Временное сопротивление соответственно
достигает значений 750 и 790— 830 МПа.
При понижении температуры испытаний до . —70°С не наблюдается
существенного снижения показателей пластичности стали: относительного
удлинения и равномерного удлинения (бр). Для стали класса А—III относительное
удлинение составляет 24—25%, класса Ат—IIIC 18—22%; равномерное удлинение
сотоветственно изменяется в пределах 13—16 и 5—9%.
Полученные результаты показывают, что при испытании
натурных образцов на растяжение при пониженных температурах свойства стали
классов А—III и Ат—IIIC изменяются практически одинаково. При этом полностью
обеспечиваются обусловленные стандартом значения характеристик механических
свойств, и даже при пониженных температурах невозможно выделить преимущество
какой-либо из сталей.
Известно, что арматурный периодический профиль имеет
сложную геометрическую форму с готовыми концентраторами напряжений в местах
сопряжения продольных и поперечных ребер со стержнем. Радиусы этих сопряжений
изменяются от 0,2 до 3,0 мм и зависят от износа калибров последней чистовой
клети прокатного стана. Кроме этого, концентраторы напряжений в виде насечек,
вмятин могут наноситься на поверхность арматурных стержней при
транспортировке, резке, монтажных работах.
Поскольку концентраторы напряжений способствуют хрупкому
разрушению, особенно в условиях низких температур, поэтому изучали
чувствительность арматурной стали к наличию повреждени
При исследовании чувствительности арматурных сталей к
поверхностным повреждениям в работе эти дефекты имитировали с помощью
нанесения на арматурных образцах острого надреза, глубиной около 0,05 от
номинального диаметра профиля с радиусом скругления г = 0,2 мм. При этом установлено, что повреждение поперечного ребра периодического профиля практически не
оказывает влияния на механические свойства как при ком
натной, так и при пониженной температуре, в то время как
наличие концентратора напряжений на теле стержня и особенно на продольном его
ребре вызывает заметное изменение свойств, особенно при пониженных
температурах.
Учитывая также, что продольное ребро является наиболее
выступающим элементом периодического профиля, можно считать его наиболее
подверженным к разным механическим повреждениям.
Поэтому по методике оценивали чувствительность арматурной
стали классов А—III и Ат—IIIC к поверхностным повреждениям только продольного
ребра при статическом растяжении в интервале температур
+20 70 °С. Надрез на одном из
продольных ребер стержня глубиной 0,6 мм выполняли путем вдавливания индентора, заточенного под углом 45° при радиусе скругле- ния острия 0,15 мм. Надрез осуществлялся посередине стержня.
Как видно из сравнения приведенных на 51 данных с
результатами испытаний, показанными на 52, наличие надреза не вызвало
заметного изменения значений показателей прочностных свойств упрочненной и
горячекатаной стали и характера их изменения с понижением температуры от +20
до — 70°С. Однако
при испытании образцов по надрезу разрушилось 14 из 15
образцов стали марки 35ГС класса А—III в то время, как число разрушивших-' ся
таким образом образцов из стали марки Ст5сп класса Ат—IIIC составило только
7, а стали марки Ст5пс класса Ат—IIIC только 8, т. е., если при испытании по
надрезу разрушались практически все образцы из горячекатаной стали, то из
термоупрочнеиной стали — только половина.
Наличие надреза на образцах привело к существенному
снижению относительного удлинения горячекатаной стали 35ГС: с 24—25 до
12—15%. Относительное удлинение образцов термоупрочнеиной стали,
разрушившихся по основному металлу, равно удлинению образцов без надреза. В
тех случаях, когда образцы разрушались по надрезу, имеет место снижение
значения относительного удлинения стали марки Ст5сп с 20 до 15 и стали марки
Ст5пс с 18 до 12%. По пластическим характеристикам горячекатаная сталь по
сравнению с термически упрочненной оказалась более чувствительной к надрезу.
В термоупрочненной стали даже при наличии надреза разрушение образца
протекает со значительной пластической деформацией.
Данные испытания показали, что, во-первых, сталь класса
Ат—IIIC марок Ст5сп и Ст5пс малочувствительна к наличию надреза- на
продольном ребре, во-вторых, наличие надреза на продольном ребре вызывает
существенное снижение относительного удлинения горячекатаной стали марки 35ГС
(в 1,7— 2,0 раза) и менее значительное — для стали класса Ат—IIIC
Хладостойкость. Хладостойкость арматурных сталей изучали
по результатам испытаний на динамический изгиб призматических образцов (ГОСТ
9454—78) с острым (г = 0,25 мм) и мягким (r= 1 мм) надрезами, а также натурных образцов арматурной стали. Склонность стали к хрупкому разрушению
оценивали по критической температуре хрупкости Гкр, определяемой разными критериями
Испытания проводили в интервале температур от —100 до
100°С. Для каждой стали при одной температуре испытывали по 3—5 образцов.
Количество вязкой составляющей в изломе определяли путем планиметрирования.
Использование натурных образцов обусловлено тем, что термически упрочненная
арматурная сталь класса Ат—IIIC по сечению имеет различную структуру и
поэтому при изготовлении стандартных образцов удаляются поверхностные слои, и
испытанию подвергается металл только внутренней зоны.
На 54 приведены зависимости изменения ударной
вязкости от температуры испытания стали 35ГС в исходном горячекатаном
состоянии и сталей Ст5сп и Стопе после термического упрочнения на класс Ат—
ШС. Оценивая как абсолютные значения ударной вязкости упрочненных сталей
Ст5сп и Ст5пс и горячекатаной 35ГС, так и расположение кривых хладноломкости
относительно температурной оси, можно заключить, что термическое упрочнение
углеродистых сталей на класс Ат—ШС обеспечивает при более высоком общем
уровне работы ударного изгиба смещение кривых хладноломкости в сторону более
низких температур в сравнении с неупрочненной сталью 35ГС.
|