Усталостная прочность холоднодеформированной арматуры класса В500С производства ОАО ММК-МЕТИЗ
В последние годы актуален вопрос соответствия механических свойств отечественной арматуры класса прочности 500 требованиям зарубежных и отечественных стандартов. Для выносливости арматурной стали этот вопрос имеет особое значение в связи с совершенно разным подходом к нормированию усталостных свойств арматуры.
До последнего времени в отечественных стандартах на арматуру отсутствовали требования по выносливости, а при расчете железобетонных конструкций использовали расчетные сопротивления на выносливость, раз и навсегда установленные в нормах проектирования для основных видов арматуры на основании статистической обработки множества результатов испытаний [1].
На сегодняшний день в России требования к усталостной прочности арматуры устанавливает только отраслевой стандарт черной металлургии СТО АСЧМ 7-93[5], испытания на которые проводятся по требованию потребителя. По зарубежным стандартам [6,7] выносливость определяют, по меньшей мере, в процессе периодических (один раз в полгода или год) сертификационных испытаний.
Под усталостью понимают разрушение металла при воздействии многократно повторяющихся нагрузок, которые изменяются во времени по синусоидальному закону (рис. 1) и характеризуются следующими параметрами:
частота колебаний ω=1/Т (Гц или 1/мин.);
максимальное напряжение цикла: σmax (Н/мм2);
минимальное напряжение цикла: σmin (Н/мм2);
размах колебаний:
(Н/мм2);амплитуда колебаний:
(Н/мм2);среднее напряжение цикла:
(Н/мм2); коэффициент асимметрии цикла: ρ=σmin/σmax;
число циклов, после которых произошло разрушение образца n;
число циклов, принятое за базу при испытаниях на усталостную прочность N.
Так как параметры приложения нагрузки взаимосвязаны между собой, то изменение нагрузки во время испытания может задаваться различными вариантами, характеризуемыми различными параметрами:
Вариант 1: N; σmax; ρ; ω.
Вариант 2: N; σmax; Δσ; ω.
Вариант 3: N; ρ; Δσ; ω.
Вариант 4: N; σm; σa; ω.
При всех вышеперечисленных методиках испытаний на усталостную прочность частота испытаний допускается в пределах 1 200 Гц (т.е. 60 - 12000 колебаний в минуту) и определяется конструкцией испытательной машины.
По стандарту Германии DIN 488 [7] испытания проводят при назначении режимов испытаний по варианту 2 при следующих параметрах:
максимальное напряжение цикла σmax=0,7σт(σ0,2)=0,7*500=350 Н/мм2;
размах напряжений цикла Δσ=σmax-σmin=2σa=200 Н/мм2,
где σт(σ0,2) нормированный минимальный предел текучести испытываемой арматуры.
Партия арматурной стали считается соответствующей требованиям DIN 488 если при 3-х испытанных образцах:
1 образец выдержал не менее 2 млн. циклов;
1 образец выдержал не менее 1,2 млн. циклов;
1 образец выдержал не менее 0,4 млн. циклов.
По британским нормам BS 4449 образцы арматуры испытывают по варианту 3:
коэффициент асимметрии цикла:
;размах цикла напряжений Δσ при диаметре арматуры до 16,0 мм 200 Н/мм2;
Минимальные и максимальные напряжения соответственно имеют следующие значения:
Партия арматуры считается соответствующей требованиям BS 4449, если 5 образцов выдерживают 5 млн. циклов нагрузки.
По европейским нормам EN 10080 [6] испытания проводят при назначении нагрузки по варианту 2, т.е. как по DIN 488, но при других значениях параметров:
4 образца выдержали не менее 2 млн. циклов;
1 образец выдержал не менее 1,5 млн. циклов.
По СТО АСЧМ 7-93 испытания проводят аналогично Европейским нормам при следующих параметрах:
σmax= 300 Н/мм2;
Δσ = 200 Н/мм2.
Для сведения, в соответствии с нормами СССР СНиП 2.03.01-84 [1], которые действуют и в настоящее время, расчетные сопротивления для арматуры класса А400 (A-III) диаметром 10-40 мм, определяемые как пределы выносливости σр, с учетом соответствующих коэффициентов безопасности в зависимости от величины ρ (т.е. по варианту 1), принимаются равными:
коэффициент асимметрии ρ:0 0,2 0,4 0,7 0,8
расчетное сопротивление (Н/мм2) 153 172 208 310 347
В связи с отсутствием до настоящего времени текущего контроля усталостных свойств арматуры, обеспеченность указанных расчетных сопротивлений не гарантируется.
Для испытания на усталостную прочность холоднодеформированной арматуры класса В500С, изготовленной в ОАО Магнитогорский метизно-калибровочный завод ММК-МЕТИЗ по ТУ 14-1-5544-2006, были отобраны образцы арматуры диаметрами 6,0 и 10,0 мм, механические свойства которой приведены в таблице 1.
Таблица 1.
| dн, мм | σ0,2 Н/мм,2 | σВ, Н/мм2 | Аgt,% | δр, % |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 599.8 | 628.3 | 3.15 | 2,78 |
| 10 | 582.5 | 672.8 | 3.42 | 3,08 |
Обычной проблемой испытаний является преждевременное разрушение образцов в захватах (зажимах) испытательной машины в связи с травмирующим действием этих захватов на поверхность образцов. Образец арматуры может считаться испытанным на усталостную прочность, если обрыв произошел на рабочей базе образца, т.е. не ближе чем (3÷5)d от захватов испытательной машины (где d номинальный диаметр арматуры). Для исключения преждевременных обрывов концы образцов защищаются разными способами: навивкой мягкой проволоки, заливкой специальным компаундом и т.п., причем такая защита полностью не исключает возможности изломов в захватах. В настоящей работе концы образцов никак не обрабатывали, а использовали т.н. методику с перехватами, т.е. после обрыва в захвате испытания продолжали или до следующего обрыва в захвате, или до разрушения на рабочей базе образца.
Испытания проводили по двум стандартам:
СТО АСЧМ 7-93
Eвронормам EN 10080
Эти два стандарта устанавливают одинаковые требования к параметрам изменяющейся нагрузки за исключением размаха колебаний, который по СТО АСЧМ 7-93 составляет Δσ=200 Н/мм2, а по Евронормам EN 10080 Δσ=180 Н/мм2.
Было испытано по 3 образца арматуры номинальным диаметром 6,0 мм и 10,0 мм. Результаты испытаний образцов арматуры на выносливость представлены в приложении 1. Вид изломов на рис. 1 и 2.
Заключения по результатам испытаний на выносливость по Евронормам EN 10080 и СТО АСЧМ 7-93 представлены в таблице 2.
Таблица 2
| протокола испытаний | образца по протоколу испытания | Ном. диаметр проката, мм | Соответствие требованиям стандартов | |
|---|---|---|---|---|
| СТО АСЧМ 7-93. | EN 10080. | |||
| 6/52 | 1 | 6,0 | не соответствует | Соответствует |
| 7/47 | 2 | 6,0 | соответствует | Соответствует |
| 8/12 | 3 | 6,0 | не соответствует | Соответствует |
| 3-1 | 1 | 10,0 | не соответствует | Соответствует |
| 3-2 | 2 | 10,0 | не соответствует | Соответствует |
| 3=3 | 3 | 10,0 | соответствует | Соответствует |
Образец 1
Образец 2
Рис. 2 Вид излома х/д проката ном. диаметром 10 мм при испытании на усталость при σmax= 300 Н/мм2, Δσ = 200 Н/мм2 (СТО АСЧМ 7-93)
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Рис. 3 Вид излома х/д проката ном. диаметром 6,0 мм
Образец 1 и 2 при σmax= 300 Н/мм2, Δσ = 200 Н/мм2 (СТО АСЧМ 7-93)
Образец 3 при σmax= 300 Н/мм2; Δσ = 180 Н/мм2 (EN 10080)
Выводы: Из приведенных выше результатов испытаний на усталостную прочность холоднодеформированной арматуры класса В500С, можно сделать вывод, что при σmax= 300 Н/мм2, Δσ = 200 Н/мм2 (СТО АСЧМ 7-93, приложение Д) арматура не во всех случаях выдержала требуемое количество циклов нагружения(2*106).
Испытания холоднодеформированной арматуры показали, что при параметрах изменяющейся нагрузки: σmax= 300 Н/мм2, Δσ = 180 Н/мм2 (EN 10080) все образцы выдержали требуемого количества циклов (2 млн).
Относительно низкую усталостную прочность холоднодеформированной арматуры при размахе в 200 Н/мм2 можно объяснить наличием большого уровня концентрации напряжений, связанного с периодическим профилем а также относительно низкими пластическими свойствами холоднодеформированной арматуры по сравнению с термомеханически упрочненной [2, 3]. При сравнении пластических свойств термомеханически упрочненной и горячекатаной арматуры по СТО АСЧМ 7-93 с пластическими свойствами холоднодеформированной арматуры видно, что равномерное удлинение у холоднодеформированной арматуры в 26 раз ниже.
После получения холоднодеформированной арматуры по существующей технологии ее дополнительно пропустили через окалиноломатель т.е. дополнительно подвергли неконтролируемому знакопеременному изгибу. При этом пластические свойства холоднодеформированной арматуры повысились до требуемого уровня.
Для углеродистых сталей было установлено, что наклеп волочением и прокаткой повышает предел выносливости [2], однако при нанесении профиля в месте сопряжения наклонного поперечного выступа с сердечником стержня возникает большой уровень концентрации напряжений [3], что является следствием больших деформаций при существующей технологии изготовления холоднодеформированной арматуры.
На изломах испытанных образцов холоднодеформированной арматуры с трехсторонним периодическим профилем видно, что основным очагом трещины является сопряжение поперечного выступа с сердечником стержня.
По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод, холоднодеформированная арматура класса прочности 500 производства ОАО ММК-МЕТИЗ с серповидным трёхсторонним профилем обладает достаточными усталостными свойствами и соответствует требованиям ТУ 14-1-5544-2006 и ГОСТ Р 52544.
Повысить усталостные свойства холоднодеформированной арматуры можно лишь уменьшив концентрацию напряжений и повысив пластические свойства с помощью знакопеременного изгиба, который необходимо включать в технологическую схему производства арматуры.
