CC BY
52
ВЕСТНИК 11/2014
11/2014
ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИИ. СПЕЦИАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 620.178.152.42+620.186
Ю.И. Густов, А.А. Пятницкий, И.О. Махов
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ РЕСТАВРИРУЕМЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ
ОБЪЕКТОВ
Приведен метод исследования опытных малогабаритных металлических образцов реставрируемых строительных объектов. Показана возможность расчетного определения стандартных показателей механических свойств по исходной твердости HRB посредством перевода в числа твердости по методу Бринелля. С этой целью предложены расчетные зависимости твердости НВ от HRB и HRC. Для расчетного определения временного сопротивления разрыву ав принят среднестатистический коэффициент относительного удлинения къ. По его значению установлены показатели относительного удлинения и сужения, а также предел текучести металла. По вычисленным стандартным показателям пластичности (б, ф) и прочности (ав, ат) составлено уравнение комплексного критерия С. С его учетом определены равномерное относительное удлинение бр и поперечное сужение фр, которые использованы для оценки сопротивлений разрыву (5в, Бк) и усталости (а_1, т_1).
Методом оптической микроскопии установлено, что опытный образец металла может быть идентифицирован как углеродистая конструкционная сталь марки 15. Расчет прочности по свойствам структурных составляющих показал соответствие опытного металла указанной марке стали.
Предложенный метод исследования дает возможность идентифицировать металлические материалы реставрируемых объектов по малогабаритным образцам без разрушения металлоконструкций.
Ключевые слова: механические свойства, структура металла, малогабаритные образцы, реставрация, исходная твердость, метод Бринелля, метод Роквелла, предел текучести, сопротивление разрыву, оптическая микроскопия.
При реставрации строительных объектов (зданий и сооружений, исторических памятников и т.п.) возникает необходимость установления механических свойств конструкционных элементов [1]. Учитывая невозможность обследования натурных полноразмерных деталей, приходится исследовать образцы малых размеров. Для этих случаев определение показателей механических свойств металлов посредством таких способов, как статическое растяжение, ударный изгиб, усталостная прочность и др., становится трудно выполнимым или невозможным. Доступным можно считать испытание на статическую твердость, при котором малогабаритные образцы не ограничивают получение достаточного объема экспериментальных измерений. С учетом этого наиболее целесообразным является метод Роквелла. При необходимости числа твердости по этому методу можно перевести в числа твердости по методу Бринелля, используя переводные таблицы или соответствующие формулы [2—4]. По известным значениям твердости НВ можно оценить временное сопротивление разрыву о посредством зависимости [5—8]:
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство УЕБТЫНС
_мвви
ств = ШБ = (0,32...0,36)НБ. (1)
На основании статистических данных [9] можно принять усредненное значение k = 0,344. Для перевода чисел твердости НЯВ или НЯС в НВ рекомендуются установленные зависимости [10]:
НВ = 60 Г( HRB/70)3 +1]; (2)
НВ = 0,15 (НЯС2 +1000). (3)
Величине k придается физический смысл коэффициента относительного удлинения k5:
k5=(1 -5)1/5, (4)
где 5 — полное относительное удлинение, доли единицы.
При среднестатистическом значении коэффициента относительного удлинения k5 = 0,344 показатель 5 = 12,5 % и относительное сужение у = 48 %, поскольку коэффициент относительного сужения k равен [11]:
^ = (1 -V)1 ks|{1 + ks). ¥ (5)
Предел текучести определяется зависимостью
ат = ав/(1 + кч)°'5. (6)
По установленным прочностным (ств, стт) и пластическим (5, у) характеристикам составляется уравнение относительных показателей [12]:
° т / ° в + 8/ч/ = с = [(1 + 8 с )(1 + 8р)]^, (7)
где 5с, 5р — сосредоточенная и равномерная пластические деформации.
Равномерные величины относительного удлинения 5 и сужения у равны [12—14]
8р =[(1 + 8)/С-]"5 -1, ур =6р/(1 + 8р). (8)
Тогда истинное временное сопротивление и истинное временное сопротивление будут равны[15]
\ = (1 -Ур =^в [ 1 + VI1 -^Р )]. (9)
Предел выносливости при изгибе о_1 определяется зависимостью [9] а., = (10)
Проверка расчета выполняется по пределу выносливости согласно (10) и вычисленному по формуле
^ = ¿¥05 ^в . (11)
Предел выносливости при кручении т_1 определяется по формуле т_1 =( ^)а_1. (12)
Твердость образцов определялась посредством переносного твердомера типа «ТЭМП-4» по шкале Бринелля и стационарного твердомера по методу Роквелла (ГОСТ 23677—79).
Экспериментальные и переводные значения твердости металлических образцов приведены в табл. 1.
ВЕСТНИК
МГСУ-
11/2014
Табл. 1. Опытные значения твердости образца
^~\Твердость ИКВ ИВ ИКВ ИВ ДИВ ДНВ, %
№ измерения"^-^ Переносной Стационарный
1 61,2 100,0 79,3 147,3 47,3 0,68
2 54,9 89,0 75,8 136,3 47,3 0,65
3 65,9 110,0 73,3 129,0 19,0 0,85
4 64,1 106,0 78,3 144,1 38,1 0,74
5 58,5 95,0 77,3 140,9 45,9 0,67
6 58,5 95,0 79,3 147,3 52,3 0,64
7 54,9 89,0 80,3 150,7 61,7 0,59
8 49,3 81,0 80,3 150,7 69,7 0,54
9 63,6 105,0 78,3 144,1 39,1 0,73
10 64,1 106,0 80,3 150,7 44,7 0,70
11 48,5 80,0 78,8 145,7 65,7 0,55
12 59,0 96,0 80,3 150,7 54,7 0,64
13 65,0 108,0 79,8 149,0 41,0 0,72
14 59,0 96,0 79,3 147,3 51,3 0,65
15 62,2 102,0 78,3 144,1 42,1 0,71
16 60,6 99,0 74,3 131,8 32,8 0,75
17 63,6 105,0 80,8 152,4 47,4 0,69
18 68,0 115,0 79,8 149,0 34,0 0,77
19 50,8 83,0 79,3 147,3 64,3 0,56
20 63,1 104,0 79,8 149,0 45,0 0,70
21 58,5 95,0 64,3 106,6 11,6 0,89
22 56,8 92,0 80,3 150,7 58,7 0,61
23 54,9 89,0 80,8 152,4 63,4 0,58
24 64,5 107,0 78,3 144.1 37,1 0,74
25 64,1 106,0 88,8 182,6 76,6 0,58
26 62,2 102,0 80,3 150,7 48,7 0,68
27 57,9 94,0 — — — —
28 6,0 89,0 — — — —
29 64,5 107,0 — — — —
Среднее значение 60,2 98,1 78,7 145,3 47,7 0,7
Результаты расчета показателей механических свойств металла приведены в табл. 2.
Табл. 2. Расчетные значения показателей механических свойств металла
ИКВ ИВ о, МПа в' о, МПа т К Sk, МПа о_р МПа т_р МПа
78,7 145,3 461,28 401,89 0,32 0,24 714,01 226,65 126,56
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство УЕБТЫНС
_мвви
Микроструктуру опытного образца металла изучали методом оптической микроскопии на приборе МИМ-7. Различные фрагменты микроструктуры в разных зонах наблюдения приведены на рисунке.
в г
Фрагменты микроструктуры в зонах наблюдения
Обработка данных, полученных по результатам исследования микроструктуры, производилась при помощи специализированного программного обеспечения. Это позволило, не прибегая к методу секущих, найти соотношение феррита и перлита в различных фрагментах образца путем определения площадей.
На рис., а видна преимущественно ферритная структура (98 %); б — фер-ритно-перлитная структура с соотношением феррита и перлита 87 : 13 %; в — отношение феррита и перлита 72 : 28 %; г — отношение феррита и перлита 59 : 41 %. В целом металл можно классифицировать как доэвтектоидную сталь со средним соотношением феррита и перлита 85 : 15 %.
По соотношению структурных составляющих содержание углерода в ме-
_ 0,8П 0,8-15
талле ориентировочно равно: С =-=-= 0,12%, что соответствует
100 100
углеродистой конструкционной стали марки 15 (ГОСТ 1080—88).
Согласно указанному стандарту сталь 15 в нормализованном состоянии имеет следующие показатели механических свойств: о = 225 МПа, о = 370 МПа, 5 = 27 %, у = 55 %.
ВЕСТНИК ii /20|4
11/2014
При твердости феррита 80...100 HB и твердости перлита 180...220 HB агрегатная твердость исследуемого металла составляет:
HB = афНВф +впНВп = 0,85■ 100 + 0,15■ 220 = 118 «1157 МПа. Временное сопротивление разрыву будет: ав = 0,344 -1157 = 398 МПа. Иначе ав = аф авф +Рп авп = 0,85 ■ 300 + 0,15 ■ 900 = 390 МПа.
Таким образом, расхождение значений ов составляет менее 1 %.
Фактическое значение временного сопротивления разрыву исследуемого металла отличается от ов идентифицируемой стали марки 15 на 5.. .7 %. Такое незначительное расхождение свидетельствует о корректности и соответствии результатов механических и микроскопических исследований опытного металла.
Выводы. 1. Исследованный опытный образец металла можно идентифицировать как доэвтектоидную углеродистую конструкционную сталь марки 15 со средней твердостью 145HB и временным сопротивлением разрыву 370.398 МПа при относительных удлинении и сужении 12,5 и 48 % соответственно.
2. Установленная взаимосвязь чисел твердости по методам Роквелла и Бринелля позволяет оперативнее и точнее определять искомую твердость по шкале HB, чем при табулированном переводе чисел твердости.
3. Применение метода исследования металлов на основе уравнения относительных показателей прочности и пластичности позволяет посредством коэффициентов пластичности kg и k^ определять истинное напряжение разрыва и предел выносливости при изгибе и кручении.
4. Предложенный метод исследования дает возможность идентифицировать металлические материалы реставрируемых объектов по малогабаритным образцам без разрушения металлоконструкций.
Библиографический список
1. Бессонов Г.Б. Исследование деформаций, расчет несущей способности и конструктивное укрепление древних распорных систем. М. : Союзреставрация, 1989. 119 с.
2. Гудков А.А., Славский Ю.И. Методы измерения твердости металлов и сплавов. М. : Металлургия, 1982. 168 с.
3. KlesnilM., LukasP. Fatigue of metallic materials. Prague : Academia, 1980. 240 p.
4. Callister W.D., Rethwich D.G. Fundamentals of Materials Science and Engineering. An Integrated Approach. John Wiley Sons. Ins. 2008. 896 p.
5. ТылкинМ.А. Справочник термиста ремонтной службы. М. : Металлургия, 1981. 648 с.
6. Radzimovsky E.I. Stress Distribution and Strength Condition of Two Rolling Cylinders Pressed Together // University of Illinois Engineering Experiment Station Bulletin Series No. 408. 1953. Vol. 50. No. 44. 40 p.
7. Dubov A., Kolokolnikov S. Quality assurance of welded joints in power engineering by the metal magnetic memory method // Safety and Reliability of Welded Components in Energy and : Processing Industry : Proceeding of the JJW International Conference, Graz, Austria. 2008. Pp. 709—714.
8. Колокольников С.М., Дубов А.А. Определение механических свойств металла сварных швов по параметрам твердости в зонах концентрации напряжений, выявленных методом магнитной памяти металла // Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла : сб. докл. VII Междунар. науч.-техн. конф. М. : ООО «Энергодиагностика», 2013. C. 66—76.
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство
VESTNIK
MGSU
9. Густов Ю.И., Аллаттуф Х. Исследование взаимосвязи коэффициентов пластичности и предела текучести сталей стандартных категорий прочности // Вестник МГСУ 2013. № 7. C. 22—26.
10. Густов Ю.И., Воронина И.В., Куртенок Н.П., Аллаттуф Х.Л. Соотношения чисел твердости в расчетах на статическую и циклическую прочность конструкционных сталей // Вестник МГСУ 2013. № 1. C. 72—78.
11. Аллаттуф Х. Оценка работоспособности трубопроводных сталей по энергетическим критериям // Механизация строительства. 2014. № 6. C. 46—48.
12. Густов Ю.И., Густов Д.Ю. Исследование взаимосвязи механических свойств металлических материалов // Теоретические основы строительства : докл. VII польско-российского семинара. М. : Изд-во ACB, 1998. C. 225—228.
13. Sansalone M., Jaeger B. Applications of the Impact — Echo Method for Detecting Flaws in Highway Bridges // Structural materials Technology. An NTD Conference, San Diego, California, 1996. Pp. 204—210.
14. Иванова В.С., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М. : Наука, 1994. 383 с.
15. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность : монография. М. : Машиностроение, 1972. 368 с.
Поступила в редакцию в августе 2014 г.
Об авторах: Густов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-94-95, moidm@ mgsu.ru;
Пятницкий Александр Аркадьевич — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования зданий и градостроительства, заведующий научно-исследовательской и проектно-производственной лаборатории «Проектирование и конструирование», Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, mahovio@ya.ru;
Махов Игорь Олегович — аспирант кафедры проектирования зданий и градостроительства, младший научный сотрудник научно-исследовательской и проектно-производственной лаборатории «Проектирование и конструирование», Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, mirymir89@mail.ru.
Для цитирования: Густов Ю.И., Пятницкий А.А., Махов И.О. Исследование механических свойств и структуры металлов реставрируемых строительных объектов // Вестник МГСУ 2014. № 11. С. 90—97.
Yu.I. Gustov, A.A. Pyatnitskiy, I.O. Makhov
RESEARCH INTO MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE OF METALS AS PART OF RESTORED CONSTRUCTION FACILITIES
The article represents a summarized methodology of the research into small-size pilot metal samples of restored construction facilities. In the article, the co-authors demonstrate an option that provides for the analytical identification of standard characteristic values of mechanical properties, based on initial hardness HRB and conversion of hardness values using the Brinell test. Towards this end, analytical dependence of HB hardness on HRB and HRC is proposed. The numerical identification of the temporary resistance to tensile stress ав required the pre-setting of the value of the average coef-
BECTHMK ii /20l4
11/2014
ficient of relative elongation. This average coefficient was employed to identify the values of relative elongation and contraction, as well as the yield value of the metal. Standard plasticity and strength values were employed to compile an equation for complex criterion C. This criterion was employed to identify the value of relative uniform elongation and transverse contraction, and both were employed to assess the resistance to tensile stress and fatigue. The optical microscopy method was used to identify the pilot sample of the metal as structural carbon steel having grade C15. Its strength analysis based on the properties of its structural components has proven the identity between the sample metal and the aforementioned steel grade. The method proposed by the co-authors helps to identify the metals of restructured construction facilities on the basis of small-size samples to avoid the collapse of metal structures.
Key words: mechanic properties, metal structure, small-size samples, restoration, initial hardness, Brinell test, Rockwell test, yield value, resistance to tensile stress, optical microscopy.
References
1. Bessonov G.B. Issledovanie deformatsiy, raschet nesushchey sposobnosti i konstruk-tivnoe ukreplenie drevnikh raspornykh system [Deformation Investigation, Bearing Capacity Calculation and Constructional Strengthening of Ancient Trust Systems]. Moscow, Soyuz-restavratsiya Publ., 1989, 119 p. (In Russian).
2. Gudkov A.A., Slavskiy Yu.I. Metody izmereniya tverdosti metallov i splavov [Calculation Methods for Hardness of Metals and Alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1982, 168 p. (In Russian).
3. Klesnil M., Lukas P. Fatigue of Metallic Materials. Prague, Academia Publ., 1980, 240 p.
4. Callister W.D., Rethwich D.G. Fundamentals of Materials Science and Engineering. An Integrated Approach. John Wiley Sons. Ins., 2008, 896 p.
5. Tylkin M.A. Spravochnik termista remontnoy sluzhby [Guide of the Heat-treater of Maintenance Service. Moscow, Metallurgiya Publ., 1981, 648 p.
6. Radzimovsky E.I. Stress Distribution and Strength Condition of Two Rolling Cylinders Pressed Together. University of Illinois Engineering Experiment Station Bulletin Series No. 408, 1953, vol. 50, no. 44, 40 p.
7. Dubov A., Kolokolnikov S. Quality Assurance of Welded Joints In Power Engineering by the Metal Magnetic Memory Method. Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry : Proceeding of the JJW International Conference, Graz, Austria. 2008, pp. 709—714.
8. Kolokol'nikov S.M., Dubov A.A. Opredelenie mekhanicheskikh svoystv metalla svar-nykh shvov po parametram tverdosti v zonakh kontsentratsii napryazheniy, vyyavlennykh metodom magnitnoy pamyati metalla [Determination of the Mechanical Properties of Welds Metals on Hardness Parameters in Stress Concentration Areas Detected by Metal Magnetic Memory Method]. Diagnostika oborudovaniya i konstruktsiy s ispol'zovaniem magnitnoy pamyati metallov: sbornik dokladov VII Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferen-tsii [Diagnostics of Equipment and Structures with Application of Metal Magnetic Memory : Collection of the Papers of the 7th International Science and Practice Conference]. Moscow, OOO «Energodiagnostika» Publ., 2013, pp. 66—76. (In Russian).
9. Gustov Yu.I., Allattouf H. Issledovanie vzaimosvyazi koeffitsientov plastichnosti i predela tekuchesti staley standartnykh kategoriy prochnosti [Study of Interdependence between Ductility Factors and Yield Limits for Steels of Standard Strength Grades]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 7, pp. 22—26. (In Russian).
10. Gustov Yu.I., Voronina I.V., Kurtenok N.P., Allattouf H. Sootnosheniya chisel tverdosti v raschetakh na staticheskuyu i tsiklicheskuyu prochnost' konstruktsionnykh staley [Ratios of Hardness Numbers in Calculations of Static and Cyclical Strength of Construction Types of Steels]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp. 72—78. (In Russian).
11. Allattouf H. Otsenka rabotosposobnosti truboprovodnykh staley po energeticheskim kriteriyam [Performance Evaluation of Pipe Steels According to Energetic Criteria]. Mekhani-zatsiya stroitel'stva [Automation of Construction]. 2014, no. 6, pp. 46—48. (In Russian).
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство
VESTNIK
MGSU
12. Gustov Yu.I., Gustov D.Yu. Issledovanie vzaimosvyazi mekhanicheskikh svoystv me-tallicheskikh materialov [Interrelation Investigation of Mechanical Properties of Metal Materials]. Teoreticheskie osnovy stroitel'stva: doklad VII pol'sko-rossiyskogo seminara [Theoretical Basis of Construction : Reports of the 7th Polish-Russian Workshop]. Moscow, ASV Publ., 1998, pp. 225—228. (In Russian).
13. Sansalone M., Jaeger B. Applications of the Impact — Echo Method for Detecting Flaws in Highway Bridges. Structural Materials Technology. An NTD Conference. San Diego, California, 1996, pp. 204—210.
14. Ivanova V.S., Balankin A.S., Bunin I.Zh., Oksogoev A.A. Sinergetika i fraktaly v ma-terialovedenii [Synergy and Fractals in Materials Science]. Moscow, Nauka Publ., 1994, 383 p. (In Russian).
15. Fridman Ya.B. Mekhanicheskie svoystva metallov. Chast' 2. Mekhanicheskie ispy-taniya. Konstruktsionnaya prochnost' [Mechanical Properties of Metals. Part 2. Mechanical Tests. Structural Strength]. Monograph. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1972, 368 p. (In Russian).
About the authors: Gustov Yuriy Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Mechanical Machinery, Details of Machines and Technology of Metals, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-94-95; moidm@mgsu.ru;
Pyatnitskiy Aleksandr Arkad'evich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Building Design and Urban Planning, head, Research and Production Laboratory "Design and Construction", Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mahovio@ya.ru;
Makhov Igor' Olegovich — postgraduate student, Department of Building Design and Urban Planning, junior research worker, Research and Production Laboratory "Design and Construction", Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mirymir89@mail.ru.
For citation: Gustov Yu.I., Pyatnitskiy A.A., Makhov I.O. Issledovanie mekhanicheskikh svoystv i struktury metallov restavriruemykh stroitel'nykh ob"ektov [Research into Mechanical Properties and Structure of Metals as Part of Restored Construction Facilities]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 11, pp. 90—97. (In Russian).
