CC BY
23
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 614.849
DOI: 10.22227/1997-0935.2023.6.864-879
Эксплуатационные характеристики стальных конструкций длительного срока эксплуатации
Майрбек Мусаевич Шахабов1, Андрей Борисович Сивенков1, Дмитрий Александрович Корольченко2
1 Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации
по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий
(Академия ГПС МЧС России); г. Москва, Россия;
2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУМГСУ); г. Москва, Россия
(О (О N N
О
И* от Е
Е о
^ с ю °
Ев о
АННОТАЦИЯ
Введение. Процесс естественного старения металлических конструкций в условиях воздействия длительной механической нагрузки и факторов окружающей среды приводит к изменению физико-химических и механических свойств металлов.
Материалы и методы. Представлены результаты исследования в отношении образца стальной конструкции со сроком эксплуатации 86 лет. Использовался комплекс экспериментальных методов исследования: оптико-эмиссионный метод для определения химического состава; металлографический метод для исследования микроструктуры, выявления дефектов материала и оценки неметаллических включений в структуре образца; испытания на статическое растяжение для определения качественных и эксплуатационных характеристик материалов, в частности прочности и пластичности.
(Ч ° Результаты. В процессе эксплуатации химический состав стали в целом остается неизменным. Сравнительный , , анализ микроструктуры стали Ст3 и стали со сроком эксплуатации 86 лет свидетельствует о незначительных из® ® менениях в структуре, связанных с наличием разнозернистости и фрагментарной перестройкой структурных эле-0 § ментов, что может являться свидетельством начала разрушения структуры и снижения прочностных характеристик $ стали. В структуре стали обнаружено наличие неметаллических включений (точечные оксиды и сульфиды мар-3 ~ ганца), которые служат концентраторами напряжений и деформаций в матрице, вызывая локальное разрушение И во материала при более низкой средней деформации, что может привести также к снижению предела прочности сталь-оо ф ных конструкций. Полученные значения эксплуатационных характеристик рассматриваемой стальной конструкции, £ имеющей коррозионные поражения поверхностного слоя, свидетельствуют о снижении предела прочности на 15 %, Ц з предела текучести на 10 % и относительного удлинения на 12 % от нормативных показателей. I- 5 Выводы. Показано влияние коррозионного процесса на снижение эксплуатационных характеристик стальной кон-Д . струкции. Предполагается, что коррозия со временем переходит в более агрессивный вид от равномерной коррозии ^ <и до коррозионного растрескивания и распространяется вглубь основного металла, что приводит к значительной по-^ .3 тере механических свойств стальных конструкций и снижению пределов их огнестойкости. О ф
о КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сталь, стальные конструкции, химический состав, микроструктура, эксплуатационные ха-
§ > рактеристики, срок эксплуатации, предел прочности, предел текучести, коррозия
2;
о § ДЛЯ ЦИТИРИВАНИЯ: Шахабов М.М., Сивенков А.Б., Корольченко Д.А. Эксплуатационные характеристики сталь-
од с ных конструкций длительного срока эксплуатации // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 6. С. 864-879. DOI: 10.22227/
1997-0935.2023.6.864-879
Автор, ответственный за переписку: Дмитрий Александрович Корольченко, [email protected].
g iô Operational characteristics of steel structures of long term service life
o E
® "^ Mayrbek M. Shakhabov1, Andrey B. Sivenkov1, Dmitriy A. Korolchenko2
1 The State Fire Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense,
от с
от ^ Emergencies and Elimination on Consequences ofNatural Disasters; Moscow, Russian Federation;
^ • 2 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU);
W Ю Moscow, Russian Federation
"8
| ^ ABSTRACT
■E £ Introduction. The process of natural ageing of metal structures under influence of long-term mechanical loading and en-
O (П vironmental factors, leads to changes in physical, chemical and mechanical properties of metals. Nowadays, a consider-
ed > able number of industrial and civil buildings with metal structures having service life in the range of 30 to 120 years are in
operation all over the world. Most of the scientific work on the aging of metals has been done in mechanical engineering,
864 © М.М. Шахабов, А.Б. Сивенков, Д.А. Корольченко, 2023
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
wear resistance of pipelines, machine parts, etc. In this connection, undoubtedly, the development of scientific direction connected with the study of peculiarities of changes in the structure, physical and mechanical characteristics of steel structures of a long period of their operation becomes actual. This is caused by the necessity of safe functioning of these constructions during the whole service life of a building or a structure, and also by the necessity of prediction of their behavior in fire and fire-resistant conditions.
Materials and methods. The results of research concerning a steel structure specimen with a service life of 86 years have been presented. A set of experimental research methods was used: optical emission method to determine the chemical composition; metallographic method to study the microstructure, identify material defects and evaluate non-metallic inclusions in the structure of the sample; static tensile tests to determine the quality and performance characteristics of materials, in particular strength and ductility.
Results. The results show that the chemical composition of the steel in general remains essentially unchanged during operation. A comparative analysis of the microstructure of steel St3 and steel with a lifetime of 86 years indicates slight changes in the structure related to the presence of multi-grain and fragmentary restructuring of structural elements, which may be indicative of the beginning of the destruction of the structure and reduce the strength characteristics of steel. The steel structure revealed the presence of non-metallic inclusions (point oxides and manganese sulfides) which serve as stress and strain concentrators in the matrix, causing local material failure at lower average strain, which may also lead to a reduction in the tensile strength of steel structures. According to the results of metallographic analysis insignificant transformations in the structure characterized by a change in perlite morphology, the presence of heterogeneity as well as the presence of non-metallic inclusions in the form of point oxides and manganese sulfides can be demonstrated. The significant influence of uniform and ulcerous corrosion process flowing into corrosion cracking going deep into the base metal on mechanical characteristics of steel is revealed. The obtained values of operational characteristics of the considered steel structure, having surface corrosion damages shows the lowering of ultimate strength by 15 %, yield strength by 10 % and relative elongation by 12 % from the normative values.
Conclusions. Characteristic changes in the structure of steel with a long service life have been established. A comparative analysis of the results of static tensile tests on specimens from sections of the structure without corrosion damage and specimens cut out at the section acutely affected by corrosion has been made. The influence of corrosion process on reduction of operational characteristics of steel structure is shown. It is supposed that corrosion in course of time turns to a more aggressive type from even corrosion to corrosion cracking and spreads deep into the base metal which leads to considerable loss of mechanical properties of steel structures and to reduction of their fire-resistance limits.
KEYWORDS: steel, steel structures, chemical composition, microstructure, operational characteristics, service life, tensile strength, yield strength, corrosion ^ е
t 0
FOR CITATION: Shakhabov M.M., Sivenkov A.B., Korolchenko D.A. Operational characteristics of steel structures з H of long term service life. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(6):864-879. DOI: k S 10.22227/1997-0935.2023.6.864-879 (rus.). 3
S Г
Corresponding author: Dmitriy A. Korolchenko, [email protected]. U О
. •
0 S
ВВЕДЕНИЕ тельных конструкций и оснований. Основные по- t м
1 z
ложения». z 9
В современной строительной °трасли меташш- Проблема естественного старения стальных u<§
ческие конструкции занимают передовые позиции строительных конструкций (балки, стойки, ко- a § по их практическому применению для зданий и со- лонны, фермы и т.д.) с установлением изменения Z Z
оружений различного функционального назначе- качественных характеристик во времени эксплуа- C i
ния. По данным Федеральной службы государ- t on
F J F тации малоизучена. Большинство научных трудов s )
ственной статистики (Росстат)1, выпуск конструк- „ „ rr —
v по изучению различных свойств сталей выполне- u ся
ций и деталей в общем объеме конструкций черных , о Я}
ны в области машиностроения, износоустойчиво- o z
металлов в 2021 г. составил 6,8 млн т, что на 0,5 % , „ т-> ^ n 2
' сти трубопроводов, деталей машин и т.д. В Рос- a 0
больше, чем в 2019 г. и на 9 % выше показателей _ n 4
сии и за рубежом данное направление актуально. z -
2020 г. (5,6 млн т). Такие лидирующие позиции при- „ >6
г Результаты исследований представлены в трудах c 0
о
менения металлических конструкции в строитель- « тт ^т, Л1Г ho
_ _ „ таких ученых, как Ю.А. Демина, Т.В. Молочная, t(
стве объяснимы тем, что они обладают высокой ^ т ... ... Г1 ^ _ ® О
С.В. Панин, J. Chen, W. Wang и др. [1-9]. Одна t 1
прочностью и долговечностью, определяющей на- r n
^ _ из наиболее близких работ в области исследования о> e
дежность работы конструкции и способность в раз- • •
„ влияния продолжительности эксплуатации сталь- < •
личнои степени выдерживать значительные меха- О H
ных конструкции на их характеристики — это ста- u 2
нические нагрузки. m S
_ _ тья И.В. Гонтаренко [10], в которой рассматривается з .
Важным элементом подобных конструкции S m
_ „ силовое сопротивление строительных конструкции 1 ■
является их срок службы, которыи может дости- m m
тт с различными механическими и коррозионными по- ■ Ы
гать нескольких десятков лет. Нормативные сроки ¡- п
„ , вреждениями в период их эксплуатации. s У
службы здании и сооружении приведены в табл. 1 U с
согласно ГОСТ 27751-2014 «Надежность строи- Ищюспе™^ анализ раб°т свидетельству- .
1 Федеральная служба государственной статистики (Рос- в строительстве использовались конструкции, вы-стат). URL: https://rosstat.gov.ru/storage/mediabank/12_02- полненные из кипящих сталей. Основной особен-02-2022.html ностью этих сталей служит процесс их получения
ж
ет о том, что в довоенные и послевоенные годы e> ®
M 2 О О 10 10 U W
Табл. 1. Нормативные сроки службы зданий и сооружений по ГОСТ 27751-2014 Table 1. Standard service life of buildings and structures GOST 27751-2014
Объект Object Срок эксплуатации, лет Service life, years
Здания для использования в короткий период времени (строительная бытовка, летний павильон и т.д.) Buildings for short-term use (construction shed, summer pavilion, etc.) 10
Здания, применяемые в сильноагрессивной среде (трубопровод, газовая и химическая промышленность и т.д.) Buildings used in highly aggressive environments (pipeline, gas and chemical industry, etc.) До 25 Up to 25
Здания при обычных условиях использования (жилые и производственные здания) Buildings under normal conditions of use (residential and industrial buildings) До 50 Up to 50
Здания со специальным предназначением (спортивные, культурные сооружения и т.д.) Buildings with a special purpose (sports, cultural facilities, etc.) Более 100 Over 100
W (0
N N
О О
N N
<0<D
* <D
U 3
> (Л
С И
U oo
. г
« (U j
<u <1J
О S
---' "t^
о
О "
по способу Сименса - Мартена и бессемерованием, а механические свойства кипящих сталей регламентировались нормами 1931 г.2
Наиболее востребованной строительной сталью в 30-е гг. была сталь марки СтЗкп, применение которой в настоящее время для ответственных несущих конструкций имеет значительные ограничения. В настоящее время в строительстве широко используются стальные конструкции, раскисленные до полуспокойных или спокойных. Основные характеристики сталей марок Ст3 представлены в табл. 2.
Сегодня в мире эксплуатируется большое количество зданий преимущественно промышленного (цеха, мастерские, котельные) и гражданского (жилые, общественные) назначения с металлическими конструкциями (балки перекрытий, колонны, фермы), которые были построены в различные годы прошлых столетий. Значительная часть подобных
о со <м
2 СТО 22-01-02. Руководство по эксплуатации несущих стальных конструкций покрытий зданий, выполненных изкипящихсталей:введен21.12.2002.М. : ЗАО«ЦНИИПСК им. Мельникова», 2002.
строительных объектов имеет сроки эксплуатации от 30 до 120 лет. Многие здания продолжают эксплуатироваться, некоторые из них находятся на завершающем этапе своего жизненного цикла. Возникает очевидный вопрос, насколько могли измениться физико-химические и механические свойства стали в строительных конструкциях с момента начала их эксплуатации под воздействием факторов окружающей среды, различных условий эксплуатации и действия механической нагрузки.
Изучение особенностей изменения структуры, физико-механических характеристик строительных конструкций длительного периода эксплуатации — актуальное направление исследований в связи с необходимостью обеспечения надежности их функционирования на протяжении всего срока службы здания или сооружения, а также прогнозирования поведения этих конструкций в условиях пожара, их огнестойкости.
Цель настоящего исследования — установление возможности изменения химического состава, структурных особенностей, а также прочностных характеристик конкретного образца стальной кон-
от "
от Е —
I §
^ с ю °
S 1
о Е
СП ^ т- ^
от от
I
S!
О И
Табл. 2. Основные характеристики сталей марок Ст3 по ГОСТ 535-2005 Table 2. Main characteristics of St3 steels according to GOST 535-2005
Марка стали Steel grade Массовая доля химических элементов, % Mass fraction of chemical elements, % Механические свойства сталей Mechanical properties of steels
Mn Si МПа MPa а, МПа для толщины до 20 мм MPa for thickness up to 20 mm 5, % для толщины до 20 мм % for thicknesses up to 20 mm
Ст3кп St3 boiling steel 0,30-0,60 Не более 0,05 Less than 0.05 360-460 Не менее 235 At least 235 Не менее 27 At least 27
СтЗпс St3 semi-soft steel 0,40-0,65 0,05-0,15 370-480 Не менее 245 At least 245 Не менее 26 At least 26
Ст3сп St3 mild steel 0,40-0,65 0,15-0,30 370-480 Не менее 245 At least 245 Не менее 26 At least 26
струкции в условиях продолжительного периода ее эксплуатации. Авторами проведена экспериментальная оценка степени изменения свойств стального конструктивного элемента, находившегося длительное время в условиях окружающей среды. Данная работа выполняется в рамках научного направления изучения поведения различных материалов и конструкций длительного срока эксплуатации в условиях пожара.
Испытания выполнены в Научно-исследовательском и испытательном центре сварочных технологий и неразрушающего контроля «Спектр» (г. Москва).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследован образец стальной конструкции (швеллер с толщиной стенки 6 мм, по геометрическим параметрам швеллер сопоставим со швеллером № 27 по ГОСТ 8240) площадки обслуживания оборудования (рис. 1), имеющий подтвержденный срок эксплуатации 86 лет внутри здания текстильного комбината имени III Интернационала по адресу: Владимирская область, Александровский район, г. Карабаново, пл. Ленина, д. 1.
Рис. 1. Внешний вид исследуемого образца стальной конструкции (швеллер) из здания текстильного комбината имени III Интернационала
Fig. 1. Exterior view of the investigated sample of the steel structure (channel) from the building of the textile plant named after III International
Образец стальной конструкции находился в условиях окружающей среды в здании комбината с 1936 г. Авторы, располагая архивными данными, установили, что в процессе эксплуатации этот элемент работал в условиях напряженного состояния — изгиб при действии незначительных кратковременных нагрузок. На поверхности стальной конструкции по всей ее площади по причине длительного воздействия условий окружающей среды заметны следы коррозионного процесса. Визуально можно определить различную степень коррозионного поражения образца стальной конструкции.
Для проведения исследований использовали комплекс экспериментальных методов. Оптико-эмиссионный метод применялся для установления химического состава ГОСТ 28033-89. Сущность метода заключается в интенсивности характеристических линий флюоресценции элемента от его массовой доли в пробе. Возбуждаемое первичным рентгеновским излучением характеристическое излучение элементов в пробе разлагается в спектр с последующим измерением аналитических сигналов и определением массовой доли элементов с помощью градуировочных характеристик согласно ГОСТ 28033-89. < П
Для выявления дефектов, особенностей струк- % с
П н
туры с возможностью последующего прогнозиро- к |
вания поведения металлов в различных эксплуата- ^ к
ционных условиях применен металлографический о Г
метод по ГОСТ 10243-75, ГОСТ 5640-2020. с О
С целью установления в структуре неметал- ^ •
лических включений (загрязнений) использован | М
ГОСТ 1778-78. Оценку неметаллических включе- 1 2
ний деформированного металла производили под о 9
микроскопом путем сравнения полученных данных | 0
с эталонными шкалами при просмотре всей площа- 2 3 л, о 2
ди нетравленых шлифов с продольным направлени- з рр
ем волокон. Согласно ГОСТ 1778-78, если включе- о |
ния по форме и размерам не могут быть оценены ГГ1
одним из двух соседних баллов, допускается оценка С м
0,5; 1,5; 2,5 балла
и т.д. Оценку 0 ставят при отсут- 1 2
ствии какого-либо вида включений, а также когда 1 о
включений более чем в 2 раза меньше по сравнению 2 6
с баллом 1. о о
Испытания по выявлению механических ха- С о
рактеристик проводились на статическое растяже- Г |
ние по ГОСТ 1497-84. Сущность метода состоит С ^
в определении при температуре 20 °С таких харак- О Ч
1 о
теристик механических свойств, как: предел теку- с |
чести физического, предел текучести условного, < 8
временного сопротивления; относительное равно- 1 "
ов оо
мерное удлинение; относительное удлинение после I г
разрыва; относительное сужение поперечного сече- $ у
с о
ния после разрыва.
При изготовлении образцов принимали меры, С С
исключающие возможность изменения свойств 0 0
металла при нагреве или наклепе, возникающих 3 3 в результате механической обработки. Глубина ре-
(О (О
сч N
О о
N N
«В «В
¡É <D
U 3
> (Л
С И
ta «о
« (U j
<u aj
О ё —■
о
о и
™ . ° ОТ 13
от Е —
^ w Е §
^ с ю °
S 1
о Е
СП ^ т- ^
зания при последнем проходе не должна превышать 0,3 мм согласно ГОСТ 1497-84. Пределы текучести физический, верхний и нижний определяли по диаграмме растяжения, полученной на испытательной машине, при условии, что масштаб диаграммы по оси усилия 1 мм соответствует напряжению не более 10 Н/мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Химический состав стали
В табл. 3 представлены результаты химического анализа образца стали со сроком эксплуатации 86 лет. Можно установить, что исследуемый образец по своему химическому составу, в частности по содержанию С = 0,146, соответствует нормативному содержанию углерода для сталей марки Ст3.
Каждый химический элемент, входящий в состав стали, оказывает индивидуальное влияние на ее механические свойства. Возможен как эффект улучшения, так и ухудшения прочностных характеристик. Наряду с химическим составом стали не менее важна степень раскисления металла. До 1970 г. химический состав стали не нормировался и фактически не контролировался, а в начале 1970 г. произошли кардинальные изменения в металлургии, что привело к возможности раскисления сталей до полуспокойных, спокойных путем добавления в достаточно большом количестве кремния и алюминия.
Имея данные по химическому составу различных сталей и их сравнение с полученными результатами, можно утверждать о том, что в целом при длительной эксплуатации стальных конструкций в зданиях и сооружениях в «холодном» состоянии химический состав стали остается неизменным.
В связи с тем, что в исследуемом образце, выполненном из стали марки Ст3, содержание кремния не превышает 0,05 % (табл. 3), можно установить, что сталь относится к группе кипящих, имеющих значительное применение в довоенное и послевоенное время в строительстве в виде ответственных конструкций (балки, колонны, фермы). Известно, что кипящая сталь в отличие от спокойной является
Табл. 3. Химический состав образца Table 3. Sample chemical composition
не полностью раскисленной и содержит кислород. Во время разливки в процессе кристаллизации эта сталь подвержена так называемому «кипению». «Кипение» приводит к выделению газообразных продуктов, а также к усилению неоднородности состава сталей по содержанию углерода, серы и фосфора. Неоднородность химического состава, несомненно, вызывает изменение механических свойств стали. Такая сталь более хрупкая, плохо сваривается и быстрее подвергается процессу коррозии [11-15].
Обращает на себя внимание характерная особенность по химическому составу исследуемого образца стали, которая связана с присутствием в его составе в малом количестве кремния (0,057 %) и алюминия (0,0052 %) (табл. 3). Известно, что эти два элемента запускают процесс удаления из состава металла растворенного в нем кислорода, который является вредной примесью и отрицательно влияет на механические свойства стали. Окислы кислорода чаще всего непрочные и выступают концентраторами напряжений. Их наличие в структуре сплава заметно уменьшает его выносливость. Кислород также уменьшает сопротивляемость стали хрупкому разрушению [16-19]. В отличие от этого, в современных сталях содержание данных двух элементов сравнительно высокое: содержание кремния может достигать до 0,3 %, а алюминия до 0,02 %, что фактически оказывает положительное влияние на механические свойства стали.
Микроструктура стали
Результаты оценки характерных изменений в микроструктуре образца стали с использованием металлографического анализа представлены на рис. 2, 3.
Проведенные испытания по металлографическому анализу показали, что микроструктура стали длительного естественного старения имеет феррито-перлитную, мелкозернистую структуру (рис. 2). Оценка перлитной составляющей не превышает 20-25 %, она расположена в виде пластинчатого перлита. Зерно феррита равноосное, его количество
от от
I
S!
О И
Содержание элементов в основном металле, % Element content in the base metal, %
Наименование элементов Name of elements C Si Mn P S Cr Mo Ni
Результаты количественного анализа Results of quantitative analysis 0,146 0,050 0,450 0,010 0,012 0,023 0,081 0,046
Наименование элементов Name of elements Cu Al B Nb Ti V W Fe
Результаты количественного анализа Results of quantitative analysis 0,094 0,0052 < 0,00010 0,014 < 0,0050 < 0,0050 < 0,010 99,04
a b
Рис. 2. Микроструктура испытуемого образца стали: a — разрешение 200 мкм; b — разрешение 20 мкм Fig. 2. Microstructure of the tested steel sample: a — 200 цш resolution; b — 20 цш resolution
Рис. 3. Микроструктура образцов стали: a — сталь Ст3 (типичная структура), разрешение 30 мкм; b — исследуемая сталь (срок эксплуатации 86 лет), разрешение 30 мкм
Fig. 3. Microstructure of steel samples: a — St3 steel (typical structure), resolution 30 цт; b — steel under study (86 years of service life), resolution 30 цш
в стали примерно 75-80 %. Величина ферритного зерна находится в пределах 12-15 мкм. Размер зерна достигает 9-10 баллов установленной шкалы. Структура стали в равновесном состоянии меняется в зависимости от концентрации углерода. Так как содержание углерода меньше 0,8 % данная структура относится к доэвтектоидному типу. Подобная структура стали является типовой для доэвтектоид-ных сталей, в которых феррит преобладает в количественном содержании.
Для типовой структуры стали Ст3 соотношение феррита и перлита в стали обычно составляет 80 и 20 % соответственно, а величина ферритного зерна имеет значение в среднем 26,7 мкм (0,0267 мм) [20-23].
Сравнительный анализ микроструктуры стали Ст3 и стали со сроком эксплуатации 86 лет свидетельствует о незначительных преобразованиях в структуре, которые характеризуются изменением морфологии перлита, наличием разнозернистости
и фрагментарной перестройки структурных элементов (рис. 3). Различимая визуально фрагментация частиц феррита служит предпосылкой к началу разрушения структуры стали и возможному снижению прочностных характеристик стали.
Подобные изменения были установлены и в других работах, связанных с изучением микроструктуры стали, которая эксплуатировалась длительное время в составе различного технологического оборудования. Например, в работе [24] была изучена микроструктура котловой стали (паровой котел), которая эксплуатировалась с 1954 г. в составе технологического оборудования. Металлографические исследования позволили установить сферо-идизацию перлита. Феррит в данном случае имеет ярко выраженную разнозернистость, что отражает протекание рекристаллизационного процесса, который может являться причиной снижения прочности стального материала [24]. Эффект сфероидизации и начало рекристаллизации также обнаружены
< п
iH *к
G Г
0 СГУ § (Л
1 о
У 1
J со
и-
^ I
n ° o
з (
о i
о §
E M
§ 2
n 0
о £
r 6
t (
Cc §
о )
ii
® 00
OS В ■ T
(Л У
с о <D К
р.?
О О 2 2 W W
(О (О
сч N
О о
N N
«В «В
¡г <и
U 3 > (Л С И
U оо
. r
« flj j
<u <u
О ё
---' "t^
о
о ^
™ . I
w 13 со IE
E о
CL° ^ с ю °
s ц
о E c5 °
СП ^
w w
S3
"S
El
О И
при эксплуатации стали в качестве материала для тепловых установок продолжительностью 40 лет в условиях термодеформационного старения [25]. При этом изменения в структуре образца сопровождались повышением его твердости. Указанные работы могут свидетельствовать о влиянии на свойства сталей (стальных конструкций) не только продолжительности эксплуатации, но и условий эксплуатации. В данном случае это могут быть всевозможные специфические условия эксплуатации и величина механической нагрузки. При действии долговременной механической нагрузки на стальную конструкцию в структуре стали, по мнению авторов, возможны необратимые изменения, связанные с изменением формы зерен, их вытягивание по направлению напряжения или смятие, увеличение в размерах, что может сказаться на долговечности металлических конструкций. Наиболее интенсивная утрата несущей способности стальных конструкций во время их эксплуатации в этом случае происходит при воздействии высоких температур (воздействие пожара).
Механическая нагрузка может стать причиной появления деформаций, дефектов и механических повреждений в структуре стали. Согласно публикациям [26, 27], включения с низким показателем де-
формируемости могут приводить к возникновению усталостных трещин двумя способами:
• вызывать непосредственное зарождение трещины в процесс эксплуатации из-за неспособности передавать напряжение матрице (это приводит к повышению напряжений вокруг включений во время эксплуатации, вследствие чего зарождаются трещины) [26, 27];
• низкий показатель деформируемости включений может быть причиной появления микротрещин на поверхности раздела «включение - матрица» в процессе горячей и холодной пластической деформации стали. Предварительно возникшие микротрещины могут быть причиной усталостного разрушения материала из-за распространения трещин в процессе эксплуатации [27, 28].
В соответствии с работами [29-32], механические (прочность, пластичность, износостойкость) и технологические свойства сталей во многом зависят от неметаллических включений, т.е. от загрязненности стали. Известно, что технология производства кипящих сталей характеризуется различной степенью их загрязнения. Проведенные нами испытания по оценке неметаллических включений по ГОСТ 1778-70 показали, что сталь является загрязненной с наличием точечных оксидов и сульфидов марганца (рис. 4).
c d
Рис. 4. Изображения наиболее загрязненных зон неметаллическими включениями для образца стали длительного срока эксплуатации
Fig. 4. Images of the most contaminated areas with non-metallic inclusions for a sample of steel of a long line of operation 870
На рис. 4 сульфиды марганца представлены в виде более крупных точечных включений. Неоднородность механических свойств стали может быть вызвана не только изменением количества включений, но и изменением их формы. Возможно, в процессе механического воздействия на стальные конструкции силикатные и сульфидные включения вытягиваются в направлении деформации, а неде-формирующиеся включения оксидов перераспределяются и образуют строчечные скопления, что способствует анизотропии механических свойств стали.
Неметаллические включения, действуя в роли концентраторов напряжения, могут способствовать снижению механических, технологических и эксплуатационных свойств, а также повышению охрупчивания сталей, что напрямую влияет на прочность, пластичность и характер разрушения материала [26, 33].
Механические свойства стали
С целью оценки изменения механических характеристик исследуемого образца стали (срок эксплуатации с 1936 г.) стальную конструкцию по длине разделили на участки в зависимости от степени сохранности и повреждения коррозией. Наиболее важным было разделение стальной конструкции на участки: без значительного коррозионного воздействия и со следами коррозии, уходящей вглубь по толщине образца (рис. 5).
Рис. 5. Внешний вид участка со следами значительной коррозии стального образца (срок эксплуатации с 1936 г.) — место отбора образца Ш-4 Fig. 5. Appearance of the area with traces of significant corrosion of the steel sample (operating life since 1936) — sampling site Sh-4
Для проведения испытаний на статическое растяжение вырезали 4 стальных образца. По внешнему обследованию конструкций установлены характерные изменения технического состояния. С внешней стороны швеллера по всей площади образца со временем эксплуатации сформировался окисный слой. На участках со следами коррозионных воздействий наблюдаются два вида коррозии: равномерная и язвенная, перетекающая в коррозионное растрескивание, уходя вглубь основного металла (рис. 5).
Образцы Ш-1 и Ш-2 вырезаны на участке стальной конструкции без значительных коррозионных повреждений (Ш-1 — образец с незначительными следами коррозии; Ш-2 — в удовлетворительном состоянии, без следов коррозии), а образцы Ш-3 и Ш-4 — на охваченном коррозией участке конструкции (глубина проникновения коррозионного повреждения от 2 до 3 мм).
Испытания проводились на универсальной испытательной машине LFM-250 кН по ГОСТ 1497-84 со скоростью нагружения 8 мм/мин. Основные результаты испытаний образцов Ш-1, 2 и нормативные показатели кипящих сталей СтЗкп и СтЗпс приведены в табл. 4 и на рис. 5.
При рассмотрении полученных зависимостей (рис. 6) можно сделать вывод о типовом характере изменения диаграмм растяжения с наличием всех характерных для стали Ст3 участков. В целом для различных образцов имеется, по сути, на диаграмме напряжения идентичная физическая картина разрушения образца стали. На участке от предела текучести до предела прочности диаграмма стремится вверх до максимального значения 367-380 МПа при 17-18 % деформации. Далее начинается участок разрушения, а в самом образце появляется так называемая «шейка», т.е. в результате растяжения стенки образца становятся тоньше. Вследствие этого необходимое усилие для растяжения образца уменьшается, и диаграмма стремится вниз. При уменьшении напряжения до 280 МПа и достижении 22-25 % деформации происходит разрыв образца на участке, где была образована «шейка».
По результатам оценки механических характеристик стальных образцов Ш-1 и Ш-2 (табл. 4 и рис. 5) можно говорить о том, что наибольшие изменения претерпевают значения пределов текучести, а также изменение имеет участок от предела текучести вплоть до предела прочности — участок нарастания необратимых деформаций. Так, для исследуемых стальных образцов предел текучести возрастает на 12-15 % по сравнению с контрольным образцом стали Ст3кп, а участок необратимых деформаций имеет снижение фактически на 25 % (рис. 6). Это может свидетельствовать о возможном снижении эффекта самоупрочнения и более интенсивном нарастании необратимых деформаций для стали длительного естественного старения вплоть до момента разрушения образца.
При сравнительном анализе полученных результатов видно, что наибольшие изменения связаны с образцом Ш-1, имеющим некоторые коррозионные повреждения поверхности конструкции и удовлетворительное техническое состояние. Для данного образца предел прочности близок к минимальному нормативному пределу этой характеристики для стали Ст3кп, а также заметно снижение показателя относительного удлинения образца на 18 % по сравнению с контрольным образцом, что характеризует появление признаков повышения хрупкости.
< п
iH *к
G Г
S 2
0 СГУ § сГУ
1 z y 1
J со
u-
^ I
n ° o
3 (
о i
о §
E M § 2
n 0
о £
r 6 t (
о )
f!
® ю
ю в ■ £
s У с о
<D К ®®
M 2
О О
10 10
u w
Табл. 4. Основные результаты испытаний на статическое растяжение образцов Ш-1, 2 и нормативные показатели по ГОСТ 535-2005
Table 4. The main results of static tensile tests of specimens Sh-1, 2 and normative values in accordance with GOST 535-2005
Временное сопротивление оВ, Н/мм2 (кгс/мм2), для проката толщин, мм Tensile strength ов, N/mm2 (kgf/mm2), for rolled Предел текучести о, < Н/мм2 (кгс/мм2), для проката толщин, мм Yield strength о < N/mm2 (kgf/mm2), for rolled thicknesses, mm Относительное удлинение 5, %, для проката толщин, мм Relative elongation 5, %, for rolled thicknesses, mm
Марка стали До 10 Свыше 10 до 20 включительно More than 10 to 20 inclusive До 20 включительно Up to 20 inclusive
Steel grade thicknesses, mm включительно Up to 10 inclusive
До 10
включительно Свыше 10 Не менее
Up to 10 Over 10 At least
inclusive
Нормативные значения сталей при статическом растяжении Standard values of steels in static tension
СтЗкп St3 boiling steel 360-460 (37-47) 235 (24) 235 (24) 27
СтЗпс St 3 semi-soft steel 370-480 (38-49) 245 (25) 245 (25) 26
W (0
N N
О О
N N <0<0
к ai
u з
> (Л
с и
ta во
« (U j
ф ф
О ё —■
о
о У
Результаты испытаний на статическое растяжение образцов Ш-1, 2 Results of static tensile tests of specimens Sh-1, 2
Образец Sample Размеры, мм Dimensions, mm Начальное сечение S0, мм2 Initial section S0, mm2 Условный предел текучести при 0,5 %, МПа Yield strength at 0.5 %, MPa Предел текучести при 0,2 %, МПа Yield strength at 0.2 %, MPa Предел текучести при 0,5 %, МПа Yield strength at 0.5 %, MPa Предел прочности, МПа Tensile strength, MPa Удлинение при разрушении, % Elongation at break, %
Ш-1 Sh-1 20,14 x 4,49 90,43 273,98 278,61 270,45 367,07 22,15
Ш-2 Sh-2 20,14 x 4,87 97,69 277,04 279,75 274,18 380,08 25,56
CO "
со E
E о
CLU ^ с
ю о
si
о E
СП ^
<л
(Л
I
Si
О (Я
Рис. 6. Диаграммы растяжения стальных образцов: a — Ш-1; b — Ш-2 Fig. 6. Tensile diagrams of steel specimens: a — Sh-1; b — Sh-2
Для образца стали Ш-2, имеющего в целом удовлетворительное техническое состояние при отсутствии значительных следов коррозии, получены фактически нормативные показатели или близкие значения к нормативным показателям для стали СтЗкп по ГОСТ 535-2005, за исключением значений предела текучести (предел текучести повышается на 15 %).
В экстремальных условиях повышения температуры (пожар), по мнению авторов, скорость нарастания необратимых деформаций и соответствующие изменения в структуре металла могут привести к стремительному снижению способности стальной конструкции противостоять действию пожара — снижению огнестойкости.
Значительные изменения эксплуатационных характеристик обнаружены для образцов сталей Ш-3 и Ш-4, которые были вырезаны из наиболее охваченного коррозией участка. С наружной поверхности образовалась коррозия в виде ржавчины (окисного слоя), которая образует рыхлый слой, коррозия распространяется вглубь металла и может привести к образованию сквозных язв.
Ранее проведенные исследования свидетельствуют о возможном существенном влиянии процесса коррозии на механические характеристики сталей. Согласно работе Г.В. Карпенко [27], механические свойства стали могут изменяться под влиянием коррозионной среды, действовавшей еще до начала эксплуатации металла (его нагружения), например при предварительной коррозии металла. В этом случае прочностные характеристики изменяются вследствие коррозионного поражения металлов, часто имеющего вид концентраторов
напряжения. Данные испытания подтверждают гипотезу авторов работ [34-36] о механизме снижения прочностных характеристик и относительного удлинения сталей из-за технического состояния поверхности испытываемого образца. В.В. Филипповым, К.П. Бережновым проведены механические испытания сталей марок 09Г2С и ВСт3сп5 в диапазоне климатических температур, которые были подвержены процессу коррозии. После 6 месяцев экспонирования образцов, когда коррозионные язвы более остры, снижение прочностных характеристик и относительного удлинения получается более значительным, чем при последующих сроках экспонирования.
Для сталей ВСт3сп5 и 09Г2С снижение механических свойств достигает следующих величин: 13,6 и 13 % — по пределу текучести; 9,0 и 11 % — по временному сопротивлению; 19,3 и 15,3 % — по относительному удлинению соответственно [21].
По результатам проведенных исследований установлено, что фактические механические характеристики временного сопротивления и предела текучести образцов и удлинения Ш-3, 4 не соответствуют нормативным показателям по ГОСТ 535-2005. Особенно значительно отличаются показатели образца Ш-4, имеющего значительные коррозионные поражения поверхностного слоя (табл. 5, рис. 7).
Предел прочности образца Ш-4 ниже нормативного временного сопротивления на 15 %, предела текучести на 10 % и относительного удлинения на 12 %. Полученные результаты свидетельствуют о наличии тенденции снижения механических свойств стали для пораженных коррозией участков на 15 % и более. Предполагается, что коррозия
Табл. 5. Основные результаты испытаний на статическое растяжение образцов Ш-3, 4 и нормативные показатели по ГОСТ 535-2005
Table 5. The main results of static tensile tests of specimens Sh-3, 4 and normative indicators according to GOST 535-2005
Марка стали Steel grade Временное сопротивление аВ, Н/мм2 (кгс/мм2), для проката толщин, мм Tensile strength aB, N/mm2 (kgf/mm2), for rolled thicknesses, mm Предел текучести a < Н/мм2 (кгс/мм2), для проката толщин, мм Yield strength a(, < N/mm2 (kgf/mm2), for rolled thicknesses, mm Относительное удлинение 5, %, для проката толщин, мм Relative elongation 5, %, for rolled thicknesses, mm
До 10 включительно Up to 10 inclusive Свыше 10 до 20 включительно More than 10 to 20 inclusive До 20 включительно Up to 20 inclusive
До 10 включительно Up to 10 inclusive Свыше 10 Over 10 Не менее At least
СтЗкп St3 boiling steel 360-460 (37-47) 235 (24) 235 (24) 27
СтЗпс St 3 semi-soft steel 370-480 (38-49) 245 (25) 245 (25) 26
< П
iH *к
G Г
0 CO n CO
1 о
y 1
J CD
u-
^ I
n ° o
з (
о i
о n
CO CO
Q)
|\J CO О
о 6 r §6 c я
h о
c n
0 )
ii
® Ю
Ю В ■ T
(Л У
с о
1 к
2 2 О О 2 2 W W
Окончание Табл. 5 / End of Table 5
Образец Sample Размеры, мм Dimensions, mm Начальное сечение, S0, мм2 Initial section, S0, mm2 Усл. предел текучести при 0,5 %, МПа Yield strength at 0.5 %, MPa Предел текучести при 0,2 %, МПа Yield strength at 0.2 %, MPa Предел текучести при 0,5 %, МПа Yield strength at 0.5 %, MPa Предел прочности, МПа Tensile strength, MPa Удлинение при разрушении, % Elongation at break, %
Основные результаты испытаний на статическое растяжение образцов Ш-3, 4 Results of static tensile tests of specimens Sh-3, 4
Ш-3 Sh-3 20,02 x 4,97 99,50 242,38 244,69 243,54 345,70 20,08
Ш-4 Sh-4 19,98 x 4,96 99,10 221,60 223,57 222,50 304,52 19,94
(О (О
N N
О О
N N
(О (О
¡г <и
U 3
> (Л
С И
U оо
. г
« (U
ц
<u 0J
О ё
---' "t^
о
о У
™ . ° ОТ 13
от Е —
^ w Е §
^ с ю °
S ц
о Е
СП ^ т- ^
ОТ
от
«г?
IS ^ iE 3S
О И
Рис. 7. Диаграммы растяжения стальных образцов: a — Ш-3; b — Ш-4 Fig. 7. Tensile diagrams of steel specimens: a — Sh-3; b — Sh-4
со временем переходит в более агрессивный вид от равномерной коррозии до коррозионного растрескивания и распространяется вглубь основного металла, что приводит к значительной потере механических свойств стальных конструкций и снижению пределов их огнестойкости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представлены результаты исследования по оценке влияния длительного срока эксплуатации стальных конструкций на физико-химические и механические характеристики, на примере конструктивного стального элемента (швеллера) площадки обслуживания оборудования (срок эксплуатации с 1936 г.) в здании текстильного комбината имени III Интернационала (Карабаново, Владимирская область). Проведена оценка химического состава, а также особенностей микроструктуры стали длительного естественного старения в условиях воздействия окружающей среды. В процессе исследования установлено, что рассматриваемые образцы изготовлены из кипящей стали и являются загряз-
ненными с наличием неметаллических включений, а именно в структуре стали присутствуют точечные оксиды и сульфиды марганца, которые могут стать причиной снижения механических характеристик стальных конструкций.
Определено, что в процессе эксплуатации химический состав стали в целом остается неизменным. Сравнительный анализ микроструктуры стали Ст3 и стали со сроком эксплуатации 86 лет свидетельствуют о незначительных изменениях в структуре, связанных с наличием разнозернисто-сти и фрагментарной перестройкой структурных элементов, что может являться свидетельством начала разрушения структуры и снижения прочностных характеристик стали. Кроме этого, в структуре стали обнаружено наличие неметаллических включений (точечные оксиды и сульфиды марганца), которые служат концентраторами напряжений и деформаций в матрице, вызывая локальное разрушение материала при более низкой средней деформации, что может привести также к снижению предела прочности стальных конструкций.
b
a
Результаты механических испытаний по ГОСТ 1497-84 свидетельствуют о том, что значения предела прочности на растяжение для рассматриваемых образцов стали находятся на пределе минимальных значений пределов прочности. Установлена тенденция к возможному снижению механических свойств стали в условиях продолжительной эксплуатации. Результаты испытаний на статическое растяжение образцов Ш-1-4 при сравнении значительно отличаются друг от друга. Значительное ухудшение технического состояния стальных конструкций в период их эксплуатации может происходить в результате воздействия факторов окружающей среды, способствующих про-
теканию коррозионных процессов. Сравнение полученных результатов показывает, что для пораженных коррозией участков стального образца предел прочности образца Ш-4 ниже нормативного временного сопротивления на 15 %, предела текучести на 10 % и относительного удлинения на 12 %.
Предполагается, что коррозия со временем переходит в более агрессивный вид от равномерной коррозии до коррозионного растрескивания и распространяется вглубь основного металла, что приводит к значительной потере механических свойств стальных конструкций и снижению пределов их огнестойкости.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Демина Ю.А. Деградация усталостных характеристик стали в результате длительного старения // Физико-химия и технология неорганических материалов : сб. мат. VIII Российской ежегодной конф. молодых научных сотрудников и аспирантов. М., 2011. С. 57-59.
2. Молочная Т.В. Оценка качества сталей фер-рито-перлитного класса по структурным составляющим после длительной эксплуатации // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. 2003. № 5. С. 54-56.
3. Полонский Я.А. Микромеханика разрушения стали Х23Н18 после длительных сроков эксплуатации // Вестник российских университетов. Математика. 2010. Т. 15. № 3. С. 976-977.
4. Фарбер В.М., Селиванова О.В., Хотинов В.А., Полухина О.Н. Деформационное старение в сталях : учебное пособие. Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2018. 72 с.
5. Раткин В.В. Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики бетона // Актуальные проблемы механики в современном строительстве : сб. науч. ст. III Междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2014. С. 121-127.
6. Chen J. Study on the joint mechanical properties of steel structure buildings // International Journal of Building Pathology and Adaptation. 2021. Vol. 39. Issue 4. Pp. 655-665. DOI: 10.1108/ijbpa-07-2020-0055
7. Liao F., Zhang K., Wang W., Chen Y., Tang S., Xue X. et al. Fracture analysis of high-strength steel beam-column connections with initial defects // Journal of Constructional Steel Research. 2022. Vol. 194. P. 107301. DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107301
8. Huang X., Yuan Y., Zhao J., Wei C. Comparative study on ultra-low-cycle-fatigue behavior of Q235 normal-steel and Q690 high-strength steel // Journal of Constructional Steel Research. 2022. Vol. 194. P. 107308. DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107308
9. Wang W., Liu B., Kodur V. Effect of temperature on strength and elastic modulus of high-strength steel // Journal of Materials in Civil Engineering. 2013. Vol. 25. Issue 2. Pp. 174-182. DOI: 10.1061/(ASCE) MT.1943-5533.0000600
10. Бузало Н.А., Гонтаренко И.В. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых стоек c повреждениями // Интернет-журнал «Науковедение». 2014. № 1 (20). С. 56.
11. Расщупкин В.П., КорытовМ.С. Производство стали. Методика выплавки : учебное пособие. Омск : Изд-во СибАДИ, 2007. 39 с.
12. Комаров О.Н., Жилин С.Г., Предеин В.В., Абашкин Е.Е., Попов А.В. Технология получения заготовок из кипящей стали для прокатного производства // Будущее машиностроения России : IX Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. М., 2016. С. 189-191.
13. Khayatazad M., De Pue L., De Waele W. Detection of corrosion on steel structures using automated image processing // Developments in the Built Environment. 2020. Vol. 3. P. 100022. DOI: 10.1016/j. dibe.2020.100022
14. Vasilchenko A., Doronin E., Ivanov B., Konoval V. Effect of residual deformation of a steel column on its fire resistance under combined exposure "Explosion-Fire" // Materials Science Forum. 2019. Vol. 968. Pp. 288-293. DOI: 10.4028/www.scientific. net/MSF.968.288
15. ZhouJ.H., ShenY.F.,Xue W.Y., JiaN., MisraR.D.K. Improving strength and ductility of low activation mar-tensitic (LAM) steel by alloying with titanium and tempering // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 799. P. 140152. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140152
16. Глинка Н.Л. Общая химия : учебное пособие. М. : Интеграл-Пресс, 2000. 728 с.
< п
iH *к
G Г
0 СГУ § (Л
1 O
У 1
J со
u -
^ I
n °
O 3
o о
=s (
о §
E M
§ 2
0) 0
O 66
r 6
O )
i!
® 00
oe в
■ T
(Л У
с о DD К б>б>
О О 10 10 U W
(О (О
сч N
О о
N N
«В «В
К <D
U 3
> (Л
С И
ta во
« (U
Ц
<и <и
о S —■
о
о У
от I ОТ Е
Е о
^ с Ю о
si
о Е
fe ° СП ^ т- ^
от от
£ г? I
si
О И
17. Крючков О.Б., Миронов И.А., Седов Э.В., Бондарева О.П. Использование отходов цветной металлургии для рафинирования стали // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2017. № 6 (201). С. 131-134.
18. Dolzhenko P., Tikhonova M., Kaibyshev R., Belyakov A. Dynamically recrystallized microstructures, textures, and tensile properties of a hot worked high-Mn steel // Metals. 2019. Vol. 9. Issue 1. P. 30. DOI: 10.3390/met9010030
19. Wang Q., Zhang Q., Luo L., Yan T., Liu J., Ding L. et al. Effects of high-temperature treatment and iron reduction index on tensile strength of basalt continuous fiber // Journal of Non-Crystalline Solids. 2021. Vol. 564. P. 120836. DOI: 10.1016/j.jnoncry-sol.2021.120836
20. Аскарова Г.Г. Микроструктурное исследование строительной стали // Молодой ученый. 2022. № 20 (415). C. 10-12.
21. Вашурин А.С., Чегуров М.К., Нужди-на Т.В. Оценка влияния температуры на прочность конструкционных материалов // Сталь. 2015. № 6. С. 68-70.
22. Bayatanova L., Rakhadilov B., Kurban-bekov S., Skakov D., Popova N. Fine structure of low-carbon steel after electrolytic plasma treatment // Materials Testing. 2021. Vol. 63. Issue 9. Pp. 842-847. DOI: 10.1515/mt-2020-0119
23. ZhangH.-L., Ma T.-F., GaoL.-X., ZhangD.-Q., Wei G.-A., Yan H.-B. et al. Vapor phase assembly of urea-amine compounds and their protection against the atmospheric corrosion of carbon steel // Journal of Coatings Technology and Research. 2020. Vol. 17. Issue 2. Pp. 503-515. DOI: 10.1007/s11998-019-00301-7
24. Мазура А.Н., Гевлич С. О., Пегишева С.А. Изменение исходной структуры котловой стали в процессе длительной эксплуатации // Технические науки — от теории к практике. 2012. № 8. С. 91-95.
25. Фейтуллаев А.Ю., Мазура В.Н., Петрова В.Ф., Гевлич С. О. Влияние длительной эксплуатации на структуру и свойства низкоуглеродистых и кремнемарганцевых сталей // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. № 23 (150). C. 103-105.
26. Нархов А.В., Клыпин Б.А., Рей А., Пал С.К. Влияние неметаллических включений на механи-
ческие свойства сталей // Обзорная информация. Серия: Металловедение и термическая обработка. 1992. 22 с.
27. Карпенко Г.В. Прочность стали в коррозионной среде. М. ; Киев : Машгиз [Южное отделение], 1963. 188 с.
28. KiesslingR., Lange N. Non-metallic inclusions in steel. 2nd ed. Part 1-4. London : Metals Society, 1978. 465 p.
29. Губенко С.И., Парусов В.В., Деревянчен-ко И.В. Неметаллические включения в стали. Днепропетровск : АРТ-ПРЕСС, 2005. 536 с.
30. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. М. : Металлургия, 1980. 175 с.
31. Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишка-рев А.Ф., Горохов Л. С. Включения и газы в сталях. М. : Металлургия, 1979. 272 с.
32. Кириличев М.В., Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б. Влияние загрязненности стали неметаллическими включениями на уровень механических свойств металла // XV Междунар. конгресс сталеплавильщиков : сб. тр. к 100-летию Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и 380-летию российской металлургии. 2018. С. 574-579.
33. Руцкий Д.В., Зюбан Н.А., Чубуков М.Ю., Усков Д.П., Петрова В.Ф., Кириличев М.В. Влияние неметаллических включений на свойства труб из сталей категории прочности К48-К52 // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2019. № 7 (230). С. 13-19.
34. Вольберг Ю.Л., Нахапетян Х.А., Одесский П.Д. Изменение прочности строительных сталей в агрессивных средах промышленных зданий // Промышленное строительство. 1976. № 10. С. 39-42.
35. Коряков А. С. Несущая способность стальных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах цехов цветной металлургии : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1985. 20 с.
36. Филиппов В.В., Бережнов К.П. Оценка долговечности металлических конструкций производственных зданий с учетом деградации механических свойств сталей из-за коррозии // Наука и образование. 2016. № 4 (84). C. 83-88.
Поступила в редакцию 27 февраля 2023 г. Принята в доработанном виде 5 апреля 2023 г. Одобрена для публикации 18 мая 2023 г.
Об авторах: Майрбек Мусаевич Шахабов — адъюнкт; Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (Академия ГПС МЧС России); 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4; РИНЦ ГО: 1121498, ORCID: 0000-0001-8299-8780; [email protected];
Андрей Борисович Сивенков — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пожарной безопасности в строительстве в составе учебно-научного комплекса пожарной безопасности объектов защиты; Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (Академия ГПС МЧС России); 129366, г Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4; РИНЦ ID: 434522, ResearcherlD: R-5518-2017, ORCID: 0000-0003-3821-8606; [email protected];
Дмитрий Александрович Корольченко — доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 352067; Scopus: 55946060600; ResearcherlD: E-1862-2017; ORCID: 0000-0002-2361-6428; [email protected].
Вклад авторов:
Шахабов М.М. — концепция исследования, проведение анализа работ в области изучения процесса старения металлов, поиск образцов для исследования, участие в проведении испытаний и апробация полученных результатов, формирование выводов.
Сивенков А.Б. — научное руководство, концепция исследования, участие в испытаниях и апробация полученных результатов, формирование выводов.
Корольченко Д.А. — научное руководство, участие в испытаниях по оценке влияния длительного срока эксплуатации на механические характеристики стального образца, апробация полученных результатов, формирование выводов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Demina U.A. Degradation of fatigue characteristics of steel as a result of long-term aging. Physico-chemistry and technology of inorganic materials : collected works. VIII Russian annual conference of young researchers and graduate students. 2011; 57-59. (rus.).
2. Motochnaya T.V. Estimate of quality of steels of a ferrit-perlitic class on structural components after long-lived maintenance. Bulletin of the Volga State Academy of Water Transport. 2003; 5:54-56. (rus.).
3. Polonsky Y.A. Fracture micromechanics of X23N18 steel after long-term operation. Bulletin of Russian Universities. Mathematics. 2010; 15(3): 976-977. (rus.).
4. Farber V.M., Selivanova O.V., Hotinov V.A., Polukhina O.N. Strain aging in steels : textbook. Ekaterinburg, Urals University Press, 2018; 72. (rus.).
5. Ratkin V.V. Influence of chloride-containing medium on the mechanical characteristics of concrete. Actual problems of mechanics in modern construction : collection of scientific papers of the III International Scientific and Technical Conference. 2014; 121-127. (rus.).
6. Chen J. Study on the joint mechanical properties of steel structure buildings. International Journal of Building Pathology and Adaptation. 2021; 39(4): 655-665. DOI: 10.1108/ijbpa-07-2020-0055
7. Liao F., Zhang K., Wang W., Chen Y., Tang S., Xue X. et al. Fracture analysis of high-strength steel beam-column connections with initial defects. Journal of Constructional Steel Research. 2022; 194:107301. DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107301
8. Huang X., Yuan Y., Zhao J., Wei C. Comparative study on ultra-low-cycle-fatigue behavior of Q235 normal-steel and Q690 high-strength steel. Journal of Constructional Steel Research. 2022; 194:107308. DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107308
9. Wang W., Liu B., Kodur V. Effect of temperature on strength and elastic modulus of high-strength steel. Journal of Materials in Civil Engineering. 2013; 25(2):174-182. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000600
10. Buzalo N., Gontarenko I. Experimental investigation the stress-deformed state eccentrically compressed racks with damages. Internet Journal of Science. 2014; 1(20):56. (rus.).
11. Raschupkin V.P., Korytov M.S. Steel Production. Methods of melting : textbook. Omsk, Publishing House of SSARU, 2007; 39. (rus.).
12. Komarov O.N., Zhilin S.G., Predein V.V., Abashkin E.E., Popov A.V. Technology of blanks production from rimming steel for rolling. The Future of Mechanical Engineering in Russia : the ninth All-Russian Conference of Young Scientists and Specialists. 2016; 189-191. (rus.).
13. Khayatazad M., De Pue L., De Waele W. Detection of corrosion on steel structures using automated image processing. Developments in the Built Environment. 2020; 3:100022. DOI: 10.1016/j.dibe.2020.100022
14. Vasilchenko A., Doronin E., Ivanov B., Konoval V. Effect of residual deformation of a steel column on its fire resistance under combined exposure "Explosion-Fire". Materials Science Forum. 2019; 968:288293. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.968.288
< П
iH * k
G Г
0 (Л § (Л
1 о
y 1
J CD
u-
^ I
n ° o
з (
о i
о §
E M § 2
n 0
о £
r 6 t ( an
о )
ii
® 00
00 В
■ T
(Л У
с о
1 к
,,
2 2 О О 2 2 W W
(0 (0
N N
o o
N N
«9 <0
* <D
U 3
> in
C M
to oo
. r
« gi j
<D <U
o S —■ "t^ o o
3 «
w « co E
E o
CL° c
LO O
si
o E
fe ° CD ^
W W
15. Zhou J.H., Shen Y.F., Xue W.Y., Jia N., Mis-ra R.D.K. Improving strength and ductility of low activation martensitic (LAM) steel by alloying with titanium and tempering. Materials Science and Engineering: A. 2021; 799:140152. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140152
16. Glinka N.L. General chemistry : textbook for universities. Moscow, Integral-Press, 2000; 728. (rus.).
17. Kryuchkov O.B., Mironov I.A., Sedov E.V., Bondarev O.P. Utilization of wastes coloured metallurgies became for affinage. Izvestia Volgograd State Technical University. 2017; 6(201):131-134. (rus.).
18. Dolzhenko P., Tikhonova M., Kaibyshev R., Belyakov A. Dynamically recrystallized microstructures, textures, and tensile properties of a hot worked high-Mn steel. Metals. 2019; 9(1):30. DOI: 10.3390/ met9010030
19. Wang Q., Zhang Q., Luo L., Yan T., Liu J., Ding L. et al. Effects of high-temperature treatment and iron reduction index on tensile strength of basalt continuous fiber. Journal of Non-Crystalline Solids. 2021; 564:120836. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2021.120836
20. Askarova G.G. Microstructural study of construction steel. Young Scientist. 2022; 20(415): 10-12. (rus.).
21. Vashurin A.S.S., Chegurov M.K., Nuzh-dina T.V. Evaluation of the effect of temperature on the strength of structural materials. Steel. 2015; 6: 68-70. (rus.).
22. Bayatanova L., Rakhadilov B., Kurban-bekov S., Skakov D., Popova N. Fine structure of low-carbon steel after electrolytic plasma treatment. Materials Testing. 2021; 63(9):842-847. DOI: 10.1515/mt-2020-0119
23. Zhang H.-L., Ma T.-F., Gao L.-X., Zhang D.-Q., Wei G.-A., Yan H.-B. et al. Vapor phase assembly of urea-amine compounds and their protection against the atmospheric corrosion of carbon steel. Journal of Coatings Technology and Research. 2020; 17(2): 503-515. DOI: 10.1007/s11998-019-00301-7
24. Mazura A.N., Gevlich S.O., Pegisheva S.A. Change in the initial structure of boiler steel during long-term operation. Technical sciences — from theory to practice. 2012; 8:91-95. (rus.).
25. Feytullaev A.Y., Mazura V.N., Petrova V.F., Gevlich S.O. The influence of long-term operation on the structure and properties of low carbon and silicon-manganese steels. Izvestia Volgograd State Technical University. 2014; 23(150):103-105. (rus.).
26. Narkhov A.V., Klypin B.A., Ray A., Pal S.K. The influence of non-metallic inclusions on the mechanical properties of steels. Review Series: Metallurgy and Heat Treatment. 1992; 22. (rus.).
27. Karpenko G.V. Strength of Steel in Corrosive Medium. Moscow; Kiev, Mashgiz [Southern Branch], 1963; 188. (rus.).
28. Kiessling R., Lange N. Non-metallic inclusions in steel. 2nd ed. Part 1-4. London, Metals Society, 1978; 465.
29. Gubenko S.I., Parusov V.V., Derevyanchen-ko I.V. Nonmetallic inclusions in steel. Dnepropetrovsk, ART-PRESS Publ., 2005; 536. (rus.).
30. Yavoysky V.I., Rubenchik Yu.I., Oken-ko A.P. Nonmetallic inclusions and steel properties. Moscow, Metallurgy Publ., 1980; 176. (rus.).
31. Yavoysky V.I., Bliznyukov S.A., Vish-karev A.F., Gorokhov L.S. Inclusions and gases in steels. Moscow, Metallurgy Publ., 1979; 272. (rus.).
32. Kirilichev M.V., Zyuban N.A., Rutskiy D.V., Gamanyuk S.B. Influence of steel contamination by non-metallic inclusions on the level of mechanical properties of the metal. XVInternational Congress of Steel-workers : proceedings, to the 100th anniversary of National University of Science and Technology "MISIS" and 380th anniversary of Russian metallurgy. 2018; 574-579. (rus.).
33. Rutskii D.V., Zyuban N.A., Chubukov M.Yu., Uskov D.P., Petrova V.F., Kirilichev M.V. Influience of non metallic inclutions on the properties pipes from steels of the K48-K52 strength category. Izvestia Volgograd State Technical University. 2019; 7(230): 13-19. (rus.).
34. Volberg Y.L., Nakhapetyan H.A., Odes-sky P.D. Change in the strength of building steels in aggressive environments of industrial buildings. Industrial Building. 1976; 10:39-42. (rus.).
35. Koryakov A.S. Bearing Capacity of Steel Structures Exploited in Aggressive Environments of Non-Ferrous Metallurgy Shops : Abstract of Ph. Candidate of Technical Sciences. Moscow, 1985; 20. (rus.).
36. Filippov V.V., Berezhnov K.P. Assessment of durability of metal constructions of industrial buildings with taking into account corrosion-related degradation of mechanical properties of steel. Science and Education. 2016; 4(84):83-88. (rus.).
"S £
El
O (fl
Received February 27, 2023.
Adopted in revised form on April 5, 2023.
Approved for publication on May 18, 2023.
B ionotes : Mayrbek M Shakhabov — adjunct; The State Fire Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination on Consequences of Natural Disasters; 4 Borisa Galushkina st., Moscow, 129366, Russian Federation; ID RISC: 1121498, ORCID: 0000-0001-8299-8780; [email protected];
Andrey B. Sivenkov — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor in the Department of Fire Safety in Construction as part of the Training and Research Complex for Fire Safety of Protection Facilities; The State Fire Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination on Consequences of Natural Disasters; 4 Borisa Galushkina st., Moscow, 129366, Russian Federation; ID RISC: 434522, ResearcherlD: R-5518-2017, ORCID: 0000-0003-3821-8606; [email protected];
Dmitriy A. Korolchenko — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Integrated Building and Construction Safety; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 352067, Scopus: 55946060600, ResearcherID: E-1862-2017, ORCID: 0000-0002-2361-6428; [email protected].
Contribution of the authors:
Mayrbek M. Shakhabov — research concept, analysis of works in the field of studying the aging process of metals, search for samples for research, participation in testing and approbation of the results obtained, drawing conclusions. Andrey B. Sivenkov — scientific guidance, research concept, participation in trials and approbation of the results obtained, formation of conclusions.
Dmitriy A. Korolchenko — scientific guidance, participation in tests to assess the impact of a long service life on the mechanical characteristics of a steel sample, approbation of the results obtained, formation of conclusions. The authors declare that there is no conflict of interest.
< 00
8 8
i H * к
G Г
S 2
0 СГУ § СГУ
1 z y 1
J со
u-
^ I
n ° o
=! ( о H
о §
§ 2 n 0
о 6
r 6 t (
0 )
ii
1 «
Ю DO
■ T
s У
с о
i к
M 2
О О
10 10
U W
