|
Поскольку в реальных условиях
изготовления и эксплуатации предварительно напряженных железобетонных конструкций
арматура может подвергаться воздействию пониженных температур, агрессивных
сред, механических или сварочных (ожоги, каверны, вмятины и др.) повреждений
представляется целесообразным оценить" конструктивную прочность и
надежность нового вида высокопрочной арматурной стали марки 20ХГС2 на
основании ее испытаний с различными формой и остротой надрезов в широком
температурном интервале.
Исследования проводили на стали 20ХГС2 (0,18% С; 1,24% Мп;
2,46% Si; 0,97% Сг; 0,023% S; 0,014% Р) диаметром 10 и 14 мм в различном структурном состоянии. Для оценки чувствительности металла к надрезу, последний
выполняли на одной из сторон арматурного прутка, не затрагивая продольные
ребра жесткости. Мягкий надрез изготовляли радиусом 1 мм и глубиной 2 мм, острый — радиусом 0,25 мм, глубиной 1,5 мм и углом раскрытия надреза 60°. Испытывали также арматурные образцы с V-образной кольцевой выточкой глубиной 1 мм, радиусом 0,25 мм и углом раскрытия-60°.
Арматуру диаметром 10 мм упрочняли в потоке стана 250-1 комбината «Криворожсталь» при скорости прокатки 15,7 м/с по нижеприведенным
режимам 1—3, обеспечивающим получение прочностных свойств классов Ат—V, Ат—VI
и Ат—VII по ГОСТ 10884—81 соответственно.
Режим 1. Упрочнение в короткой трассе без предварительного
охлаждения; работают две форсунки, давление воды 2,1 МПа.
Режим 2. Упрочнение в короткой трассе с подохла ж дением.
Давление на двух включенных форсунках 2,1 МПа, в линии подохлаждения 0,5 МПа.
Режим 3. Упрочнение в длинной трассе охлаждения; работают
три форсунки, давление 1,8—2 МПа.
Образцы испытывали на растяжение в интервале температур от
+20 до — 60°С на машине ЦДМУ-30 по ранее описанной методике
В табл. 58 приведены данные по влиянию пониженных
температур на механические свойства стали 20ХГС2, термоупрочнеиной на различные
уровни прочности в потоке прокатки.
При всех уровнях прочности, отвечающих классам Ат—V (ав не
менее 1000 МПа), Ат—VI (ав не менее 1250 МПа) и Ат—VII (сув не менее
1400.МПа), термомеханически упрочненная арма
тура с понижением температуры испытания до — 60°С
обнаруживает четкую тенденцию к повышению пределов упругости (00,02) и
текучести (00,2), равно как и временного сопротивления разрыву, что является
характерным для металлов с о.ц.к.— решеткой. Пластические свойства при этом
изменяются незначительно, сохраняясь на высоком уровне (65= 14—16%) вплоть до
температуры испытания — 60 СС.
Термомеханически упрочненная арматура из исследованной
стали, например, диаметром 10 и 14 мм обладает существенно более высокой
несущей способностью в сравнении с горячекатаной при температурах испытания
от 20 до — 60 °С и полностью отвечает требованиям ГОСТ 10884—81. Обращает на
себя внимание то обстоятельство, что величина равномерного удлинения при всех
температурах испытания в термомеханически упрочненной стали находится на
весьма высоком уровне (5—7%).
Боковой поперечный надрез снижает несущую способность
горячекатаной стали со смешанной структурой феррита, бейнита и
тонкопластинчатого перлита, причем тем больше, чем выше острота надреза.
Мягкий надрез (г=1 мм) снижает исходную прочность в
среднем при исследованных температурах на 15%, острый (г= = 0,25 мм)—на 36%. В горячекатаной арматуре надрез значительно уменьшает пластичность и, чаще всего,
тем сильнее, чем больше его острота.
В термически упрочненной на ав= 1300—1400 МПа арматуре, в
отличие от горячекатаной, надрез почти не снижает несущую способность —
временное сопротивление разрыву (сгв) сохраняется на уровне класса Ат—VI даже
при остром (г = 0,25 мм) надрезе и температуре -60°С. Кроме того, снижение
пластичности под влиянием возрастающей остроты надреза оказывается не столь
активным. Правда, при термоупрочнении на ав менее 1200 МПа отмечается
снижение несущей способности арматуры под влиянием надреза. Однако и в этом
случае, при доста
точно жестких условиях испытания, несущая способность
оказывается не ниже класса Ат—IV.
Неодинаковая чувствительность к надрезу стали
различных уровней прочности объясняется тем, что при термоупрочнении„
например, на ав=1300—1400 МПа (режимы 2 и 3) по всему поперечному сечению
арматуры образуется низкоуглеродистый самоотпущенный реечный мартенсит, а при
обработке на ств менее 1200 МПа (по режиму 1) в основной части поперечного
сечения возникает преимущественно промежуточная структура распада аустенита
(бейнит). Таким образом, бейнитная структура в стали
кремнисто-марганцовисто-хромистой композиции характеризуется •относительное
большей чувствительностью к надрезу, чем структура самоотпущенного
низкоуглеродистого мартенсита.
Если на арматурный пруток нанести V-образный острый (/* =
= 0,25 мм) кольцевой надрез, то при растяжении материал в районе надреза
будет находиться в условиях сложного напряженного состояния. Обычно при этом
возрастают прочностные характеристики и снижается пластичность. В то время,
как горячекатаная арматура из стали 20ХГС2, например, диаметром 10 мм без над;- реза обнаруживает четкое повышение временного сопротивления разрыву с понижением
температуры испытания, то в той же арматуре, но с V-образным кольцевым
надрезом, наблюдается снижение этой характеристики с 970 МПа при 20 °С до 920
МПа при — 60 °С, т. е. имеет место некоторое снижение хрупкой прочности с
понижением температуры испытания. Это объясняется возникновением в такой
арматуре неоднородной, смешанной структуры из феррита, бейнита и
мелкодисперсного перлита, 'О чем уже упоминалось.
В отличие от горячекатаной, в термомеханически упрочненной
•арматуре с ав=1300—1400 МПа V-образный кольцевой надрез приводит к повышению
временного сопротивления разрыву как при комнатной, так и пониженных
температурах испытания
Хотя пластичность под влиянием острого кольцевого надреза,
так же как и в горячекатаном состоянии, резко снижается, како- то-либо
уменьшения хрупкой прочности по мере снижения температуры испытания на
наблюдается. Лишь в арматуре, упрочненной по мягкому режиму с
преимущественным возникновением бейнитной структуры отмечается небольшое
снижение временного сопротивления разрыву образцов с кольцевым надрезом с
1525 МПа при 20 °С до 1300 МПа при -60°С. Однако, и в этом случае совместное
влияние острого кольцевого надреза и достаточно низкой ( — 60°С) температуры
испытания не приводит к уменьшению временного сопротивления разрыву, а,
следовательно, и несущей способности ниже требований класса Ат—VI по ГОСТ
10884—81. Таким образом, термомеханически упрочненная свариваемая арматурная
сталь марки 20ХГС2 со структурой низкоуглеродистого самоотпущенного
мартенсита и бейнита обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности при
отрицательных температурах, отличается сравнительно небольшой
чувствительностью к надрезу и характеризуется повышенными показателями
конструктивной прочности и надежности при жестких условиях исиытания.
Хладостойкость. Исследовали сопротивляемость хрупкому
разрушению при- ударном нагружении арматуры диаметром 22 мм из стали 20ХГС2 с —1% Civ Сталь упрочняли с прокатного нагрева в потоке стана 250-5 комбината
«Криво- рожсталь» и получили механические свойства (а0,2=980 МПа; ов = 1220
МПа; б5= 15,2%; 6Р = 7,7%), отвечающие требованиям класса Ат—V по ГОСТ
10884—81. Для сравнения сталь испытывали в горячекатаном состоянии.
Ударную вязкость определяли на образцах Менаже по ГОСТ
9454—78 с надрезами типов I (r= 1 мм), II (г=0,25 мм) и с усталостной
трещиной (г=0 мм) в интервале от —196 до +160 °С.
Образцы вырезали у поверхности термоупрочненных прутков,
чтобы ударная вязкость отражала влияние изменения структурного состояния
металла от поверхности к центру.
За критическую температуру хрупкости (7'кр) принимали
температуру максимума «п», а в случае его размытия по температурной шкале —
наиболее- низкую температуру испытания, при которой коэффициент «п» сохраняет
еще- наибольшее значение.
Термомеханическое упрочнение резко повышает
сопротивляемость хрупкому разрушению стали 20ХГС2 по сравнению с
горячекатаным состоянием. В результате такой обработки» несмотря на
увеличение прочности в 1,5 раза с достижением сгв = = 1220 МПа, Гкр снижается
до —130°С по сравнению с +20°С для горячекатаной стали (сгв = 800 МПа). Кроме
того существенно понижается и чувствительность стали к надрезу. Если в
горячекатаной стали при + 20°С увеличение остроты надреза с г= 1 до г = 0,25 мм приводит к снижению ударной вязкости в восемь раз (с 0,99 до 0,12 МДж/м2), то в
термомеханически упрочненном состоянии— только в 1,7 раза при заметном
повышении ударной вязкости образцов с обоими типами надрезов.
Трещииостойкость. Металлопрокат, в том числе и арматурная
сталь, может содержать различного рода дефекты: макро- и микропоры, раковины,
флокены, газовые пузыри, волосовины, закаты, экзогенные и эндогенные
неметаллические- включения и др. Такие дефекты при эксплуатации изделий
способствуют появлению и развитию трещины, что нередко приводит к хрупкому
разрушению конструкций. Особенно опасны они для высокопрочных сталей.
Поскольку термически упрочненная арматура с прочностью 1000 МПа и выше
используется: в предварительно напряженных конструкциях, ее трещииостойкость
является важной характеристикой эксплуатационной надежности.
Для исследования трещиностойкости использовали тот же
материал, что и для оценки хладноломкости: арматуру диаметром 22 мм из стали 20ХГС2 с -1% Сг (0,18% С; 1,24% Мп; 2,46% Si; 0,97% Сг; 0,023% S; 0,014% Р) в
горячекатаном и термомеханически упрочненном состояниях
Трещииостойкость определяли на вырезанных из арматуры
круглых образцах диаметром 14 мм с V-образной кольцевой выточкой, из устья
которой- предварительно выращивали усталостную трещину. При выращивании
трещины определенной глубины применяли электромагнитный метод, а глубину
трещины< выбирали при соблюдении условия
Зависимость критических коэффициентов интенсивности
напряжений термоупрочненной стали от температуры испытаний нелинейна: при
—100 °С наступает ослабление влияния понижения температуры на этот параметр.
Критические коэффициенты интенсивности напряжений в вершине трещин, при этих
температурах,
«по-видимому, приближаются к значениям К\с, определенным в
условиях плоских деформаций.
Электронно-фрактографическое исследование изломов образцов
с кольцевыми усталостными трещинами показывает, что при визуально хрупком
характере разрушения в изломе наблюдаются микроучастки с вязким и квазивязким
развязкие участки практически исчезают, в то время как в термомеханически
упрочненном СОСТОЯНИИ даже при — 160 °С тенсивности напряжений в вершине
трещины арматурной
Итак, термоупрочненная с прокатно- ное го нагрева
арматурная сталь 20ХГС2
обладает высокой несущей способностью при воздействии
максимально острого концентратора напряжений (кольцевой трещины) и
характеризуется повышенной сопротивляемостью распространению трещины под
действием рабочих нагрузок.
Усталостная прочность. Натурные усталостные испытания
стали 20ХГС2 проводили на гидропульсационной машине ЦД-100ПУ в условиях
циклического растяжения с коэффициентом асимметрии цикла р = 0,5 на образцах
диаметром 14 мм при частоте на- гружения 400 циклов в минуту и базе испытаний
2/-106 циклов
Испытывали горячекатаную и термически упрочненную с
прокатного нагрева арматуру. Механические свойства горячекатаной стали
приведены в табл. 53, а после термического упрочнения получили: По.2 = 1050
Mlhr,
При достаточно жестких условиях испытания (р = 0,5)
усталостная прочность натурных образцов термоупрочненной арматуры из стали
20ХГС2 оказывается на 12% более высокой,, чем горячекатаной и составляет 450
МПа. Это в три раза выше, чем для термически упрочненной арматуры из стали
35ГС того же диаметра, профиля и прочности. Повышенная усталостная прочность
термически упрочненной арматуры из стали 20ХГС2 объясняется высокими
значениями коэффициента интенсивности напряжений.
В заключение отметим, что повышенные значения параметров,
определяющих конструктивную прочность в условиях растяжения при отрицательных
температурах, хладостойкость, трещииостойкость^ сопротивляемость
распространению трещин и усталостную прочность термомеханически упрочненной
арматурной стали марки 20ХГС2, объясняются спецификой химического состава
этой стали,, возникновением благоприятной структуры с мелкодисперсными
кристаллами низкоуглеродистого самоотпущенного мартенсита и бейнита и
проявлением эффекта ВТМО, особенно в связи с достижением повышенной чистоты
границ зерен и субзерен деформированного аустенита при термомеханической
обработке.
|