|
|
Технология переработки арматурной
стали на заводах железобетонных изделий (применение механического и электротермического
способов натяжения, вытяжка, рихтовка, гибка, приводящие к макро- и
микропластическим деформациям, обработка в пропарочных камерах) создает
условия для протекания процессов старения в металле, которые в принципе могут
изменить свойства стали в неблагоприятном направлении, например, повышать ее
склонность к хрупкому разрушению. Вдобавок к этому, наличие различных по
характеру метастабиль- ных структур, возникающих после термической или
механотермнческой обработки, сложного взаимодействия остаточных и рабочих
напряжений одновременно с температурными воздействиями окружающей среды могут
приводить к изменению свойств армирующего материала в процессе эксплуатации
железобетонных конструкций. Поэтому изучали влияние небольших деформаций и
старения на свойства арматуры периодического профиля диаметром 14 мм из углеродистых и низколегированных сталей в различном их структурном состоянии— горячекатаном
и термически упрочненном в потоке стана 250-1 Криворожского металлургического
комбината.
Химический состав (%, по массе) исследованных сталей и их
механитеские свойства приведены в табл. 62 и 63.
Все стали выплавляли в конвертерах и прокатывали по
одинаковому технологическому режиму на одном стане. Искусственное старение
проводили при 100—400 °С через каждые 50 град, в течение 1 ч.
Горячекатаные стали. При деформациях, растяжением до 5%
наблюдается значительное повышение сопротивления сталей малым пластическим
деформациям от и оПц- незначительное возрастание временного
сопротивления разрыву ав. По этой причине с ростом деформации до 5% за-
Снижение равномерного- низкоуглеродистой стали превосходит величину что в
такой стали довольно интенсивно развивается процесс естественного
деформационного старения, так как механические свойства определяли лишь через
2—3 суток после деформации. Следовательно, значительное повышение ат и апц
следует приписать не только самой деформации, но и последующему естественному
деформационному старению. Из 87 видно, что с повышением содержания
углерода в стали эффект естественного деформационного старения проявляется
слабее, о чем свидетельствует менее интенсивное при этом снижение бр и
ударной вязкости,, особенно при отрицательных температурах. Это согласуется с
литературными данными и объясняется недостатком атомов внедрения в твердом
растворе (феррите) для закрепления возникших при деформации свежих дислокаций
С повышением содержания углерода в стали, несмотря на
снижение развития естественного деформационного старения прирост <гт и
(Тпц при одинаковой степени деформации увеличивается Это обусловлено в
первую очередь тем, что с ростом содержания углерода (перлита) в стали
увеличивается прирост плотности дислокаций. На это указывает и тот факт, что
при одинаковых степенях деформации с повышением углерода в стали прирост
коэрцитивной силы и электросопротивления возрастает.
Если низкоуглеродистую сталь пролегировать марганцем и
кремнием (до 1 % каждого), то можно заметить более активный прирост ami и ат
после небольших деформаций в сравнении с такой же нелегированной сталью. Это можно
объяснить тем, что при легировании марганцем и кремнием в отмеченных
концентрациях в горячекатаном состоянии возрастает количество перлитной
составляющей при тех же условиях прокатки и охлаждения. Однако, при
легировании низкоуглеродистой марганцовистой стали до 2% кремния, особенно в
сочетании с микролегированием ванадием, прирост оиц и от после одних и тех же
деформаций оказывается заметно более низким,-чем в стали 20ГС. Это связано с
тем, что при увеличении степени легирования стали отношение ат/сгв в
горячекатаном состоянии возрастает: от 0,64 в стали 20ГС до 0,78 в стали
20ГС2Ф.
Если в стали СтЗсп в результате развития естественного
деформационного старения наблюдается падение пластичности, значительно
превосходящее величину предварительной деформации, то в стали 20ГС снижение
пластичности оказывается уже более низким, а при содержании в металле 2% Si
снижение удлинения после деформации 3% примерно соответствует степени
предварительной деформации. Следовательно, легирующие элементы и прежде всего
кремний сильно понижают эффект естественного деформационного старения.
Снижение склонности к естественному деформационному
старению под влиянием кремния можно объяснить уменьшением растворимости
углерода в альфа-железе под влиянием этого элемента и, следовательно,
уменьшением общего эффекта закрепления дислокаций в связи с недостатком
атомов углерода в нормальных позициях внедрения а-твердого раствора.
Влияние ванадия на дополнительное снижение склонности к
естественному деформационному старению связано, вероятно, с тем, что ванадий,
являющийся сильным нитридо- и карбидо- образующим элементом, активно
связывает азот и углерод в кар- бонитриды, тем самым понижая их эффективную
концентрацию в нормальных позициях внедрения а-железа и уменьшая вследствие
этого суммарный эффект закрепления атомами этих элементов свежих дислокаций,
наведенных деформацией. В таком же направлении влияют и другие нитридо- и
карбидообразующие элементы, как алюминий, бор, ниобий, титан, хром.
Как это уже упоминалось ранее, введение кремния в
низкоуглеродистую сталь, в особенности при его содержании свыше 1%, приводит
к снижению ударной вязкости в горячекатаном состоянии.
Электронно-фрактографические исследования показали, что в стали марки СтЗсп
при + 20°С наблюдается только вязкий чашечный излом, тогда как в стали 20ГС в
изломе появляется до 30—40%, а в стали 20ГС2 до 70% хрупкой составляющей. Как
оказалось, деформация и естественное деформационное старение исследованных
низколегированных сталей снижают ударную вязкость лишь в стали 20ГС, а в
стали с 2% Si она, наоборот, может даже повышаться до 12% (табл. 65). Можно
заключить, что малые деформации облегчают процесс пластического
деформирования при динамическом приложении нагрузки в результате
возникновения свободных дислокаций, которые способствуют развитию
микропластической деформации в тех местах, где энергия распространения
трещины близка к энергии образования свободной поверхности раздела. Если же
происходит закрепление дислокаций в результате старения, то процесс
пластической деформации затрудняется, а работа разрушения снижается. Именно
развитием эффектов естественного деформационного старения после небольших
пластических деформаций и можно объяснить резкое снижение ударной вязкости в
низкоуглеродисто ii стали марки СтЗсп и значительное уменьшение этого эффекта
с повышением содержания углерода в стали или при легировании
низкоуглеродистой стали до 2% Si, особенно в сочетании с микролегированием
ванадием.
Установлено, что искусственное деформационное старение
арматурной стали усиливается с повышением в ней содержания углерода.
Например, максимальный прирост сгПц после деформации 2% и искусственного
старения при 250—300 °С возрастает' с 30 МПа для стали марки СтЗсп до 120 МПа
в стали марки Ст50, а снижение равномерного удлинения в сравнении с исходным
состоянием составляет (в относительных процентах): 17% для СтЗсп и 28% для
Ст50.
Такое влияние углерода можно объяснить в свете
представлений, развитых В. К- Бабичем, согласно которым искусственное
деформационное старение углеродистых сталей при температурах 250—300°С в
значительной степени обусловлено блокировкой дислокаций атомами внедрения,
переходящими к дислокациям от карбидов за счет их растворения под действием
деформации. С повышением степени дисперсности карбидов способность их растворяться
под действием деформации возрастает (Вильсон).
Таким образом, эффект естественного деформационного
старения обусловлен в основном атомами внедрения, находящимися в твердом
растворе (нормальных позициях внедрения), искусственное деформационное старение
— переходом атомов углерода от карбидов к дислокациям.
Если проанализировать суммарное влияние предварительной
деформации, естественного и искусственного деформационного старения можно
увидеть, что с увеличением содержания углерода в стали возрастает прирост
сопротивления металла малым пластическим деформациям при меньшем снижении
пластичности и ударной вязкости. Такое же влияние, как и углерод, оказывает
легирование низкоуглеродистой стали марганцем и кремнием (до 1 % каждого) за
счет увеличения количества перлитной составляющей в структуре. Повышение
содержания кремния до 2%, однако, снижает величину упрочнения как в
результате увеличения величины ат/ав, иод влиянием кремния, так и за счет
снижения растворимости углерода в решетке а-же- леза в присутствии этого
элемента.
Необходимо подчеркнуть, что несмотря на почти такое же
снижение пластичности, как и в стали 20ГС, ударная вязкость в стали с 2% Si
не только не снижается в результате деформации и старения, а, наоборот,
несколько повышается, т. е. малые пластические деформации и последующее
естественное и искусственное старение не вызывают возрастание хрупкости
горячекатаной низкоуглеродистой марганцовистой арматурной стали с повышенным
(до 2%) содержанием кремния.
За рубежом при производстве высокопрочной арматурной стали
для предварительно напряженных конструкций используют искусственное
деформационное старение, обусловленное углеродом. В состоянии после прокатки
отношение ат/ов обычно составляет 0,6, что недостаточно для сталей такого
назначения. Поэтому прутки подвергают незначительной вытяжке и последующему
искусственному старению, что приводит к существенному увеличению апц и ат.
На 89 видно, что после вытяжки арматурной стали с 0,7% С на 1% и
старения при 250°С предел упругости существенно повышается, что для
предварительно напрягаемой арматуры весьма важно. Временное сопротивление
разрыву остается практически без изменения.
Таким образом, арматуру из малоуглеродистых
низколегированных и углеродистых (с повышенным содержанием углерода)
арматурных сталей можно подвергать вытяжке с последующим естественным и
искусственным деформационным старением, что дает увеличение опц и ог. Однако,
во избежание заметной потери пластичности и вязкости стали, степень
деформации при вытяжке не должна превышать 2—2,5%.
|