Равномерная деформация арматурной проволоки повышенной прочности класса В500С и способы ее повышения
Создание материалов обладающих повышенной прочностью одновременно с высокой стойкостью к хрупкому разрушению становится основной тенденцией в разработке новых видов метизов, предназначенных для строительных конструкций. Решение этой проблемы неразрывно связано с изучением способности материала к равномерной деформации и отсутствию хрупкости, т.к. данный параметр становиться основным сдерживающим моментом в использовании металлов в высокопрочном состоянии в конструкциях. Большое значение имеют также и величина отношения предела текучести к пределу прочности готовой проволоки.
Арматурная проволока повышенной прочности класса В500С, согласно требованиям современных международных стандартов (DIN 10080), наряду с высокими показателями прочности должна обладать высоким уровнем пластических свойств и величиной равномерного полного удлинения Agt или dпол не менее 2,5% (таблица 1).
Арматурная проволока повышенной прочности класса В500С, согласно требованиям современных международных стандартов (DIN 10080), наряду с высокими показателями прочности должна обладать высоким уровнем пластических свойств и величиной равномерного полного удлинения Agt или dпол не менее 2,5% (таблица 1).
Для производства арматурной проволоки класса В500С используется низкоуглеродистая сталь марки Ст1сп с повышенным уровнем прочностных свойств, в связи с использованием при прокатке режимов термомеханического упрочнения. Технология изготовления проволоки заключается в формировании 3-х стороннего периодического профиля способом волочения в системе сдвоенной 6-ти роликовой клети с величиной обжатия не более 15%. Средний уровень свойств проволоки представлен в таблице 1. Как видно из таблицы, проволока соответствует по всем показателям согласно требований DIN 10080. Однако по показателю полного равномерного удлинения виден большой уровень разброса.
Таблица 1
Нормативные требования и фактические результаты испытаний проволоки класса А500С (В500С)
| Лин. пл., кг/м | σв, Н/мм2 | σ O,2, Н/мм2 | δ Sd, % | δпол, % | Требования к проволоке А500С (В500С) ном. диам. 6,0 мм |
|---|---|---|---|---|
| 0,204-0,240 | Не менее 550 | Не менее 500 | Не менее 14,0 | Не менее 2,5 | Фактический уровень свойств |
| 0,210-0,230 | 570-600 | 520-550 | 16,0-20,0 | 0,5-3,9 |
Конструктивная прочность не может определяться испытанием лишь на одноосное растяжение, потому что в процессе использования проката в строительстве он должен испытывать нагрузки на сжатие-растяжение, статические, динамические, циклические нагрузки, работая в агрессивных средах и средах с отрицательными температурами. Поэтому параметрами конструктивной прочности должен являться комплекс свойств, основывающийся на анализе совокупности характеристик прочности, пластичности и склонности металла к хрупкому разрушению.
Выбор предельного уровня равномерной деформации арматурной проволоки связан с деформационными возможностями бетона. Упругая деформация данного материала возможна до 2,5%, после этого уровня происходит разрушение бетона. Соответственно, равномерная деформация армирующего материала (в данном случае арматурной проволоки) также не должна быть менее 2,5%. После возникновения места локализации деформации (потеря способности к равномерной деформации) в металле начинается рост хрупкой трещины, что приводит к разрушению конструкции вне зависимости от состояния бетона.
В связи с этим необходимо рассмотреть особенности равномерной деформации, влияние на нее факторов качества исходного металла и процессов холодной деформации, а также определить ее значение для технологической пластичности и прочности.
Равномерная деформация проволоки измеряется при испытании образца на разрыв при одноосном растяжении. Величина равномерной деформации находится в прямой зависимости от способности материала к деформационному упрочнению. Развитие равномерной деформации в случае приложения нагрузки и переход ее к сосредоточенной деформации в шейке происходит при приложении нагрузки превышающей предел текучести. В результате деформационного упрочнения начинают деформироваться отдельные участки, сопротивление деформации в них увеличивается, и в деформацию включаются соседние участки. В итоге образец равномерно деформируется по всей длине. На некоторой стадии растяжения деформационное упрочнение оказывается недостаточным для того, чтобы вовлечь в деформацию соседние, уже упрочненные объемы, и деформация локализуется с образованием шейки, что свидетельствует о переходе к сосредоточенной деформации далее следует потеря способности к пластической деформации и разрыв образца, на диаграмме деформации отмечается уменьшение нагрузки.
В отличие от относительной деформации, показателем которой служит относительное удлинение, величина равномерной деформации измеряется на расстоянии 30-50 мм от места разрыва, исключая, таким образом, участки, претерпевающие формоизменение и деформирующиеся с образованием шейки.
Большое относительное удлинение образцов при небольших значениях равномерной деформации обусловлено большой величиной переходного участка: деформации образца в локализированном участке, в котором и возникает разрушение. Быстрое исчерпание равномерной части деформации и ее локализация приводят к возникновению хрупкой трещины в металле, не допустимой для материалов, работающих под нагрузкой (арматурная проволока в бетоне). Наличие переходного участка позволяет осуществлять технологические операции на металле со степенями деформации, превышающими ее равномерную часть, но не имеет значения для материала, исчерпывающего резерв технологической пластичности в момент образования локализации деформации хрупкой трещины.
Рассмотрим основные причины, оказывающие влияние на склонность металла к хрупкому разрушению.
Мелкодисперсная структура металла (10-11 номер величины кристаллического зерна), как известно, оказывает влияние на высокий уровень пластичности металла наряду с его высокой прочностью. Из схемы формирования структуры горячекатаного металла подтверждается, что основными факторами, регулирующими возможность формирования мелкозернистой структуры, являются температурно-деформационные режимы прокатки и наличие в стали легирующих элементов, являющихся центрами рекристаллизации и тормозящими в некоторых случаях процессы укрупнения зерна.
Легирующие элементы в применяемой на данный момент для производства арматурной проволоки класса А500С (В500С) стали марки Ст1сп отсутствуют. При этом необходимо учитывать, что в металле возможно наличие ненормируемых химических примесей, вносимых при выплавке стали (особенно при выплавке в электропечах в качестве сырья, для которых используется до 70% металлолома), также оказывающих влияние на хрупкость.
Кроме этого, применяемые на данный момент процессы упрочнения металла с прокатного нагрева при изготовлении исходной катанки имеют ряд недостатков, выражающихся в увеличении неравномерности механических свойств и появлении участков сорбита отпуска на поверхности до 1,5 мм с одной стороны по периметру катанки.
Данная микроструктура и общая неравномерность свойств катанки свидетельствует о неблагоприятном напряженном состоянии металла в отдельных участках, которые становятся концентраторами напряжений и способствуют возникновению микротрещин при последующем волочении, в свою очередь интенсифицирующими процессы хрупкого разрушения. Их зарождение возможно на любой стадии деформирования. Микротрещины не влияют заметным образом на прочность и не нарушают прямой зависимости упрочнения от степени деформации, что связано с продольной ориентацией микротрещин в проволоке, но их природа объясняет процесс охрупчивания холоднодеформированной стали.
Теоретическое исследование и анализ результатов испытаний арматурной стали показал, что характер поведения материала в процессе деформационного упрочнения в процессе проведения испытаний образцов на растяжение, определяется видом микроструктуры, легированием и степенью деформации, полученной в результате волочения проволоки. Неоднозначное влияние данных факторов может вызывать либо резкую локализацию деформации в шейке, либо плавный переход от равномерной деформации к сосредоточенной при статическом растяжении, что означает получение высоких показателей равномерной деформации и соответственно высокий уровень полного удлинения проволоки.
Таблица 2
Факторы, оказывающие влияние на способность арматурной проволоки класса А500С (В500С) к равномерной деформации
| Фактор влияния | Процесс воздействия | Способы минимизации воздействия |
|---|---|---|
| Неравномерность механических свойств и вида микроструктуры по длине бунта катанки | Упрочненные участки микроструктуры (сорбит отпуска) на поверхности катанки, а также разбег по величине зерна являются причиной неравномерности напряженного состояния металла, и, следовательно, приводит к локализации напряжений на отдельных участках проволоки, что способствует снижению уровня равномерной деформации металла и последующему хрупкому разрушению. | 1.Пеработка катанки с минимальным допуском по величине зерна, равномерной микроструктурой, отсутствием подкаленных участков, в т.ч. исключение сорбита отпуска на участках поверхности. 2.Введение в линию волочения устройств, формирующих равномерное напряженное состояние металла, как на исходной катанке, так и оказывающих деформационное воздействие с целью минимизации остаточных напряжений на готовой проволоке. |
| Дефекты макроструктуры (трещина, раскатанный пузырь, закат). Не нормируемые примеси в химическом составе стали. | Увеличение склонности металла к хрупкому разрушению | Высокое качество исходной катанки, повышение технологического контроля в процессе переработки. |
Кроме этого, дефекты макроструктуры (в т.ч. неметаллические включения) и наличие поверхностных дефектов, практически не оказывающих влияние на общую пластичность проволоки (относительное удлинение), значительно сильнее сказываются на величине склонности к хрупкому разрушению, чем на других механических свойствах определяемых при статических испытаниях.
Анализ факторов, влияющих на качество арматурной проволоки позволил выявить, что основой качества готовой проволоки повышенной прочности класса А500С (В500С) является качество исходной катанки. Процесс механического упрочнения металла в холодном состоянии выполняет функции повышения прочности исходного металла и придания особой конфигурации поверхности с целью создания армирующей способности проволоки. Влияние деформации при волочении катанки и дополнительной деформационной обработки проволоки в процессе волочения должно быть направлено на выравнивание напряженного состояния металла, с повышением уровня механических свойств, наряду с сохранением высоких пластических свойств проволоки и сопротивлением металла хрупкому разрушению.
Прохоренко П.А., Зайцева М.В., Харитонов В.А.
(ОАО Магнитогорский метизно-калибровочный завод ММК-МЕТИЗ, ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
