К вопросу о влиянии геометрических размеров на прочностные характеристики арматурных сталей

Аннотация

Е.Е. Косенко, В.В. Косенко, А.В.Черпаков

Приведены экспериментальные данные, связанные с исследованием влияния упрочнения одноосным растяжением на прочностные характеристики арматурных сталей.
Для проведения экспериментов использовались образцы с выточкой, позволяющие оценить поведение внутренних слоев арматурных сталей при разрушении одноосным растяжением.
Приведены результаты фрактографического анализа, которые показали, что термомеханически упрочненные арматурные стали классов Ат800 и А500С склонности к охрупчиванию не обнаружили независимо от коэффициента упрочнения.
Ключевые слова: прочность, арматурная сталь, геометрические характеристики, предельное напряжение, деформация.

Способность железобетонных конструкций выполнять требуемые функции в течение длительного времени при эксплуатации в разных условиях определяет сочетание свойств арматуры и бетона. Определение прочностных свойств железобетонных конструкций, каким либо одним методом невозможно, поэтому при расчетах, помимо общих факторов, влияющих на образцы, пользуются вероятностными методами с использованием расчетных характеристик арматуры и бетона. В основу таких расчетов ложится изменчивость свойств материалов и обобщается изменчивость свойств остальных факторов (усилие преднапряжения стержней, геометрические характеристики сечений, условия работы конструкций и т. д.). Значительный запас прочности железобетонных конструкций определяет свойства материалов, заложенные ещё на стадии производства, приобретающие в итоге количественное расчетное значение.
Ранее проведенные работы [1, 2, 3] показали, что при исследовании механических характеристик арматурных сталей руководствуются показателями натурных образцов. Значения механических характеристик определены в сечении арматурных сталей классов А500С и Ат800, с использованием стандартных методов контроля (измерение твердости по Виккерсу) и методом ударного вдавливания индентора. Эти исследования показали, что у образцов арматуры, находящихся в состоянии поставки и упрочненных одноосным растяжением до различных уровней выше значений предела текучести (уровни упрочнения выражены коэффициентом упрочнения Ку, представляющим собой отношение действующего напряжения к физическому или условному пределу текучести) отмечается значительное рассеивание значений твердости, что объясняется неоднородной структурой сечения арматуры классов А500С и Ат800. [4, 5]
Такое распределение твердости характерно для арматурных сталей, прошедших термомеханическое упрочнение и получивших, в результате этого, комбинированную структуру сечения, на формирование которой оказывают влияние химический состав и способ изготовления. Ввиду того, что нас интересует арматура классов А500С и Ат800, рекомендуемая СТО АСЧМ 7– 93, ТУ 14– 1– 5254– 94 и ГОСТ 10884–94 для использования в железобетонных конструкциях в качестве преднапрягаемой, основное внимание в проведенных иследованиях уделено именно этим классам арматуры.
Учитывая то, что в составе железобетонной конструкции арматура испытывает растягивающие воздействия, при исследовании упругопластической области необходимо определить диаграммы растяжения различных зон в сечении арматуры. Эти исследования легли в основу экспериментов, для которых изготовили образцы с выточкой на токарном станке, из арматуры в состоянии поставки и упрочненной одноосным растяжением до различных уровней, двух типов. Таким образом, у первого типа образцов диаметр в месте выточки составил 10 мм (образцы для определения диаграммы растяжения арматуры без влияния концентраторов напряжений в виде периодического профиля), у второго – диаметр в месте выточки составил 6 мм (образцы для определения диаграмм растяжения центрального слоя арматуры). Выточку производили по центру образцов длиной 100 мм. Разрушали образцы на разрывной машине ИР– 200. Результаты эксперимента представлены на рис. 1. У образцов с выточкой (диаметром 10 мм) значение механических характеристик несколько выше в сравнении с натурными образцами, что видно из расположения диаграмм (рис. 1). Это указывает на то, что концентраторы напряжения в виде периодического профиля оказывают определенное влияние на свойства арматуры, незначительно снижая их при растяжении. Образцы с выточкой (диаметром 6 мм) выявили более низкие значения предела текучести в сравнении с натурными образцами. После упрочнения одноосным растяжением (рис. 2) повышаются значения пределов текучести у натурных образцов: арматуры класса А500С на 6 %, у арматуры класса Ат800 – на 9 % и снижаются деформативные характеристики арматуры: для А500С – до 3,2 %, для Ат800 до 2,6 %. Таким образом, после упрочняющего воздействия характер диаграмм рассматриваемых зон сечения не изменился, указывая на постоянство механизма распределения напряжений. Исследования показали наличие более высоких значений предела текучести поверхностного слоя арматуры в сравнении со значениями предела текучести натурных образцов, что позволяет упрочнять эти классы арматуры одноосным растяжением.

Рис. 1. Диаграммы растяжения арматурных сталей классов А500С (а) и Ат800 (б) в состоянии поставки: 1 – натурные образцы; 2 – образцы с выточкой диаметром 10 мм; 3 - образцы с выточкой диаметром 6 мм

На базе проведенных экспериментов определены предельные уровни упрочнения одноосным растяжением арматурных сталей классов А500С и Ат800, исходя из условия вязкого разрушения. Склонность к охрупчиванию оценивали по виду излома арматуры (волокнистый, кристаллический или смешанный) после ударного разрушения на маятниковом копре в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 4543 – 71. Допустимой величиной вязкой составляющей в изломе арматуры, исходя из инженерной практики, приняли 80 %.

а)                                                                    б)

Рис. 2. Диаграммы растяжения арматурных сталей классов А500С (а) и Ат800 (б) после упрочнения до К_у =1.15 σ_т: 1 – натурные образцы; 2 – образцы с выточкой диаметром 10 мм; 3 - образцы с выточкой диаметром 6 мм

Результаты представлены на рис. 3 в виде зависимости доли вязкой составляющей от коэффициента упрочнения. По результатам фрактографического анализа после разрушающих испытаний установлено, что термомеханически упрочненные арматурные стали классов Ат800 и А500С склонности к охрупчиванию не обнаружили независимо от коэффициента упрочнения. Арматура классов А500С и Ат800 имеют в изломе около 95 % вязкой составляющей. Исследованиями, проведенными в последние годы, установлено, что стали можно характеризовать как склонные к хрупкому разрушению в случае сочетания низких значений пластических свойств (δ и KCU) и доли вязкой составляющей в изломе. В связи с этим арматурные стали классов А500С и Ат800 в рассмотренных условиях склонными к охрупчиванию не являются. Такое поведение можно объяснить технологией производства арматуры, в результате которой создана сложная структура сечения, характеризующаяся бейнитной, с различным соотношением отпущенного мартенсита, цементита и остаточного аустенита –  в поверхностном слое и феррито– перлитной – в сердцевине, что позволяет этим классам арматуры выдерживать значительные деформации без опасения перехода в хрупкое состояние.

Рис. 3.Влияние упрочнения одноосным растяжением на долю вязкой составляющей в изломе арматурных сталей: 1 – А500С; 2 – Ат800.

Значения прочностных и пластических свойств арматуры, соответствующих предельным значениям нагрузки, в виде упрочнения одноосным растяжением и достаточная доля вязкой составляющей в изломе, позволяют определить предельное напряжение исходя из условия вязкого разрушения (σ _пред) по формуле:

,       (1)

где –  коэффициент упрочнения, при котором приложенное напряжение имеет предельное значение.
Для контроля σ _пред используем предельные значения ударной вязкости KCU_пред и относительного удлинения δ_пред, соответствующие величине К_у._пред. Ввиду рассеивания механических характеристик арматурных сталей необходимо руководствоваться их минимальными значениями. Минимальную величину ( σ _пред) определим из выражения:

,         (2)

где σ _т.min –  минимальное значение предела текучести.

Таблица 1 Прочностные характеристики арматурных сталей

Результаты расчета предельных уровней упрочнения одноосным растяжением, исходя из  условия вязкого  разрушения и соответствующие им напряжения для исследуемых классов арматуры, представлены в табл. 1. Анализ проведенных исследований показал, что при напряжениях, превышающих значения предела текучести, эффективно использовать термомеханически упрочненные арматурные стали классов А500С и Ат800 из–за неизменной доли вязкой составляющей в изломе практически до значений предела прочности.
Вышеуказанные эксперименты показали возможность применения арматурной стали при напряжениях, превышающих значения предела текучести, однако следует учесть, что при проведении экспериментов использовались образцы длиной 200 мм в соответствии с гостом. При переходе на стержни длиной 6 м, применяемые при изготовлении железобетонных конструкций, большое влияние оказывают геометрические размеры арматурных профилей, а именно диаметр арматуры, значения которого имеют значительное рассеивание. По причине различия диаметров по длине арматурных стержней весь эффект упрочнения одноосным растяжением может ограничиться областями с наименьшими значениями диаметра.
Для арматурных сталей этот вопрос приобретает особое значение, т.к. арматура- это элемент железобетонной конструкции, а современные виды высокопрочных арматурных сталей, в которых только за счет технологии изготовления значительно повышен прочностной потенциал, имеют высокую склонность к разупрочнению. Вышесказанное говорит о необходимости использования современных методов исследований с применением метода конечных элементов и компьютерных технологий для оценки качества изготовления стержней арматурных сталей.

ЛИТЕРАТУРА: