|
К конструкциям из предварительно напряженного
железобетона предъявляют не только требования по обеспечению их надежности Л1
работоспособности при обычных и пониженных температурах службы, но и
требозания по обеспечению их надежности в экстремальных условиях, например,
при возникновении пожарной обстановки. При таких условиях конструкция должна
как можно дольше сохранять способность нести расчетную нагрузку без
возникновения таких необратимых изменений, которые уже выводят конструкцию из
строя.
Исследовали термоупрочненную в потоке стана арматуру в
условиях воздействия повышенных температур в интервале 20—600 °С, оценивали
влияние химического состава и концентраторов напряжений на
высокотемпературную прочность и пластичность стали. Испытывали натурные
образцы арматуры диаметром 14 мм из низколегированных сталей 20ГС, 20ГС2,
20ГС2Ф приведенного выше химического состава
Нагрев образцов до заданных температур проводили в
установленной на колонне испытатель'иой машины ЦДМУ-30 специальной тепловой
камере конструкции 3. И. Квочиной вместе с захватами. Температуру
контролировали тремя термопарами, установленными по середине и на концах
испытуемого образца. Испытания на растяжение начинали по достижению образцов
заданной температуры.
Испытания полнопрофильных арматурных образцов при
повышенных температурах показали, что стали 20ГС и 20ГС2 в горячекатаном
состоянии сохраняют свойства исходного класса А—III по ГОСТ 5781—82 (от>
>400 МПа; ав>600 МПа; 65>14%) при температурах испытания до +250 °С
включительно. Та же сталь, но в термически упрочненном с прокатного нагрева
состоянии, сохраняет свойства своего исходного класса Ат—VI при температурах
испытания до 350 °С, т. е. термоупрочненная сталь сохраняет на 100 град выше
прочность своего класса, чем горячакатаная. При 400 °С в горячекатаном
состоянии они имеют свойства класса А—II (ат>300 МПа; ав>500 МПа;
б5> >19%), а после термического упрочнения — свойства класса Ат—V, т.
е. по несушей способности термическое упрочнение арматуры дает повышение
свойств на три класса.
Увеличение содержания кремния с 1 до 2% не оказывает
заметного влияния на прочность горячекатаной низкоуглеродистой марганцовистой
стали при повышенных температурах, зато в термически упрочненном состоянии
ао.г при температурах испытания 400—500 °С в результате этого повышается на
50— 100 МПа. При микролегировании стали 20ГС2 ванадием ее временное
сопротивление при повышенных температурах возрастает и в горячекатаном и в
особенности термически упрочненном состоянии. Это связано, по-видимому, с
упрочняющим воздействием нитридов и карбонитридов ванадия в первом случае и с
дисперсионным твердением — во втором.
Можно заключить, что термоупрочненная в потоке прокатки
арматура в условиях воздействия температур 200—500 °С обладает большей
несущей способностью, чем горячекатаная, и более надежна в таких условиях
работы. Кроме этого, термически упрочненная арматура обладает меньшей
склонностью к динамическому деформационному старению (ДДС), чем
горячекатаная. Легирование кремнием и в особенности в сочетании с ванадием,
понижает чувствительность горячекатаной стали с феррито-перлитной структурой
к ДДС, что обнаруживается по менее заметному снижению показателей бр, б5 и ty
при температурах развития этого процесса (200—250 °С). Одновременно эти
элементы повышают интервал развития процесса ДДС на 50—100 град. На снижение
эффекта ДДС технического железа, легированного 0,68% Si, указывают Ю. П. Гуль
и Л. И. Тютюнник.
Установлено, что при ударных испытаниях (скорость
деформации ~10 с-1 против 25—10 с-3 при растяжении) образцов из
термоупрочненной арматуры температура максимального развития ДДС повышается.
Это согласуется с результатами обширных исследований И. Долженкова в области
ДДС углеродистых сталей.
В термоупрочненной стали 20ГС2Ф при температурах испытания
550— 600 °С наблюдается снижение показателей 65 и что, вероятно, связано с
развитием процессов дисперсионного твердения. При ударных испытаниях
существенного охрупчивания такой стали в этом диапазоне температур не
наблюдается. Следует отметить, что при температурах испытания 500 иС и выше
независимо от исходного структурного состояния основной составляющей
относительного удлинения является сосредоточенное удлинение б/, а равномерное
удлинение изменяется незначительно, оставаясь на невысоком уровне (до 5%).
Это, вероятно, связано с активным развитием по перечного скольжения и
аннигиляции дислокаций, что подавляет конкурирующий процесс деформационного
упрочнения стали при се растяжении. Удлинение выдержки до 1 ч при всех
температурах испытания не изменяет или незначительно снижает (сталь 20ГС, 500
°С) прочностные характеристика, наблюдаемые при малых (5 мин) выдержках. При
500 °С м шше процесс разупрочнения идет настолько быстро, что уже достаточно
одного нагрева образца до заданной температуры, чтобы в нем был достигнут
комплекс механических свойств, близкий к таковому после значительно большей
вы-
Рассмотренные данные по тепловой прочности относятся к
условиям кратковременных испытаний, когда растяжение образцов осуществляли
сразу же по достижению ими заданной температуры. Поскольку в действительности
время пребывания железобетонных конструкций при повышенных температурах в
случае, например, возникновения пожарной обстановки может быть существенно
большим, исследовали кинетику изменения механических свойств термически
упрочненной в потоке стана арматуры из различных марок сталей при 200— 600 °С
с выдержками перед нагружением от 5 до 60 мин Видно также, что при всех
выдержках в условиях повышенных температур испытания возрастание тепловой
прочности термически упрочненной арматуры наблюдается для исследованных сталей
в такой последовательности: 20ГС, 20ГС2, 20ГС2Ф. Сделанные выше выводы о
более высокой тепловой прочности и несущей способности термически упрочненной
с прокатного нагрева арматуры в сравнении с горячекатаной при кратковременном
тепловом воздействии полностью сохраняют свою силу и при более
продолжительном действии умеренных тепловых нагрузок.
Для оценки деформируемости низколегированных сталей при
горячей пластической деформации изучали кинетику изменения механических
свойств арматурных сталей 20ГС, 20ГС2 и 20ГС2Ф при 800 °С, когда стали
находятся в двухфазном состоянии: феррит + аустенит.
Сопротивляемость исследованных сталей пластической
деформации практически одинакова: ат составляет 50—80 МПа Однако пластичность
сталей различная. Обращает на себя внимание исключительно высокая
пластичность лизкоуглеродистой стали с 1% Мп и 2% Si (сталь 20ГС2). В средем
при всех выдержках она обладает оптпиги.иыми сужением и удлинением, равными
соответственно 91 и 73% (абс.) прогип (ifi и 43% для стали с 1% Si (сталь
20ГС). Микролегирование стали типа 20ГС2 до 0,1% V снижает ее горячую
пластичность, поскольку уже при 800 °С по данным Михалева М. С. и Суслопарова
Г. Д. возможно возникновение нитридов и карбонигридон ванадия» но ее
деформируемость все же оказывается не хуже, чем в стали 20ГС Тот факт, что
низкоуглеродистая марганцовистая сталь с повышенным содержанием кремния
обладает высокой способностью к горячей пластической деформации,
обусловливает ее технологичность в производстве и позволяет избежать горячих
трещин даже при прокатке подстуженного металла.
Для полноты информации о конструктивной прочности и
надежности высокопрочной арматуры при повышенных температурах .представляет
интерес рассмотреть данные о влиянии концентраторов напряжений на ее несущую
способность и пластичность при 20— 600 °С.
Односторонний поперечный надрез радиусом г= 1 мм существенно изменяет механические свойства горячекатаной и термически упрочненной арматуры при
20—300 С: значения сг0,2 и ав несколько возрастают, а значения 65 и if резко снижаются
Влияние температуры испытания на механические свойства
арматуры из стали 20ГС2 в горячекатаном (а) и термически упрочненном (б)
состоянии на полнопрофильных образцах (Л) и на образцах с мягким надрезом г— 1 мм (Б)
как при обычной и пониженных температурах испытания в
термически упрочненном состоянии надрез приводит к меньшему относительному
возрастанию прочностных свойств, чем в горячекатаном. Так, при +250 °С у
термоупрочнеиной арматуры из стали 20ГС2 прочностные свойства о0,2 и стп под
воздействием надреза повышаются на 10 и 7%, а у горячекатаной — на 15 и 11%;
пластические характеристики на образцах с надрезом снижаются в обоих
структурных состояниях с примерно одинаковой интенсивностью.
При 400 °JC В термоупрочнеиной арматуре из стали 20ГС2 прочность
под влиянием надреза начинает снижаться, но и в этом случае ее несущая
способность при оценке, например, по ов сохраняется на 64% более высокой, чем
в горячекатаном состоянии. С повышением температуры испытания до 400—600 СС
эффективность влияния надреза на снижение пластичности в термоупрочненной
арматуре непрерывно уменьшается и уже при 600 °С надрез практически не
сказывается на пластичности. Качественно такая же картина наблюдается и для
горячекатаного состояния, но все же и при 600 °С надрез продолжает еще
заметно снижать пластичность горячекатаной арматуры. Это еще раз подчеркивает
преимущество термически упрочненного состояния перед горячекатаным.
Качественно аналогичные результаты получены и для стали 20ГС. В случае
термически упрочненной арматуры из стали 20ГС2Ф наблюдается более высокая
(450°С) температура снижения прочности под влиянием надреза, чем в
термоупрочненных сталях 20ГС и 20ГС2 и относительно более заметная
чувствительность к надрезу в области температур развития дисперсионного твердения.
Отметим, что в термически упрочненном с прокатного нагрева
состоянии повышение остроты надреза до г = 0,25 мм при температурах испытания 20— 600 °С существенно не изменяет уровня прочностных и
пластических свойств,, наблюдаемых при относительно мягком надрезе (г= 1 мм). Даже в условиях предельно острого надреза (коррозионная трещина) при 350 °С термоупрочненная
арматура из сталей 20ГС2 и 20ГС2Ф обладает еще существенным запасом несущей
способности (ов = 830—890 МПа) в сравнении с расчетным напряжением класса
Ат—V (695 МПа)
|