CC BY
1
УДК 691:539,5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Т. В. ПАШКОВА1,2, А. А. КРАСНОВ1
i
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново 2 ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет», Российская Федерация, г. Иваново Е-mail: pashtavi@yandex.ru,krasnow.a.a@mail.ru
При выборе сталей для строительных металлических конструкций уровень прочностных свойств является определяющим. Термическая обработка сталей позволяет существенно увеличить эксплуатационные характеристики. В работе исследуется влияние различных способов термической обработки стали 45 на ее прочностные свойства. Объектами исследования являлись образцы стали 45, подвергнутые различным видам термической обработки, а именно: закалка на воздухе, закалка на воздухе + высокий отпуск, закалка в воде + высокий отпуск, отжиг 20 минут. Анализировалась микроструктура обработанных образцов, их микротвердость и связанные с ней прочностные характеристики. В ходе проведенных исследований установлено, что, во-первых, все применяемые виды термической обработки приводят к мелкодисперсной структуре стали 45 (размер зерна уменьшается на один, два порядка); во-вторых, в ходе обработки не происходит структуризации зерен перлита в исследуемых образцах стали, зерна перлита имеют произвольную форму, как до, так и после обработки образцов; в-третьих, изменение микроструктуры стали 45 (измельчение зерен перлита) приводит к увеличению прочностных характеристик: твердости, предела прочности и предела текучести; в-четвертых, закалка на воздухе позволяет получить образец стали с наилучшими прочностными параметрами.
Ключевые слова: стали, термическая обработка, микроструктура, прочностные характеристики
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY OF INCREASING THE STRENGTH CHARACTERISTICS OF STEEL IN ORDER TO INCREASE THE RELIABILITY OF BUILDING STRUCTURES
T. V. PASHKOVA1'2, A. A. KRASNOV1
i
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo State University»
Russian Federation, Ivanovo Е-mail: pashtavi@yandex.ru, krasnow.a.a@mail.ru
When choosing steels for building metal structures, the level of strength properties is decisive. Heat treatment of steels can significantly increase the performance characteristics. The paper investigates the influence of various methods of heat treatment of steel 45 on its strength properties. The objects of the study were 45 steel samples subjected to various types of heat treatment, namely: air quenching, air quenching + high tempering, water quenching + high tempering, annealing for 20 minutes. The microstructure of the processed samples, their microhardness and related strength characteristics were analyzed. in the course of the conducted studies, it was found that, firstly, all the types of heat treatment used lead to a fine structure of steel 45 (grain size decreases by one, two orders of magnitude); secondly, during processing, there is no structuring of perlite grains in the steel samples under study, perlite grains have an arbitrary shape, as before, so it is after processing the samples; thirdly, a change in the microstructure of steel 45 (grinding of per-lite grains) leads to an increase in strength characteristics: hardness, tensile strength and yield strength; fourth, air hardening allows you to obtain a steel sample with the best strength parameters.
Key words: steels, heat treatment, microstructure, strength characteristics
© Пашкова Т. В., Краснов А. А., 2023
В настоящее время в строительстве широко используют стали при изготовлении различных строительных конструкций, их элементов, а также оборудования и приспособлений для строительных работ. Металлические конструкции обладают рядом преимуществ. Во-первых, они обладают высокой несущей способностью, что позволяет им воспринимать огромные нагрузки при относительно небольших сечениях благодаря прочности металла. Во-вторых, такие конструкции отличаются высокой надежностью, т.к. их можно рассчитывать с высокой точностью. В-третьих, металлические конструкции легкие и транспортабельные, что делает их наиболее удобными и экономичными для транспортировки и монтажа. Они почти в 4 раза легче железобетонных и часто легче деревянных, что особенно важно для больших конструкций. Также важно отметить сплошность материала и соединений, что обеспечивает водо- и газонепроницаемость конструкций. Наконец, металлические конструкции удобны в эксплуатации, т.к. легко усиливаются при увеличении нагрузок и легко ремонтируются, что делает их наиболее актуальным выбором для реконструкций. Наконец, использование сталей на 12-15 % удешевляет строительные конструкции, [1-3].
Среди главных требований, которым должна отвечать строительная сталь - прочность, свариваемость, пластичность и другие показатели, регламентируемые соответствующими нормативами. При выборе сталей для строительных металлических конструкций ключевым фактором является уровень прочностных свойств, поскольку для большинства существующих конструкций единственным доступным к измерению показателем механических свойств является твердость, так как выбор проб и образцов для лабораторных исследований является практически невозможным. Поэтому метод твердометрии является основным методом при анализе фактического состояния конструкций, что важно и для оценки безопасности работы строительных конструкций.
Одной из важнейших характеристик сталей является их углеродистость. С увеличением процентного содержания углерода в сплаве растет его твердость и некоторые другие важные свойства, но одновременно повышается склонность к хрупкому разрушению и снижается свариваемость. Сталь 45 относится к классу конструкционных углеродистых качественных сталей с феррито-перлитной структурой. Благодаря своим механическим свойствам, она находит широкое применение в
различных областях. Кроме того, данная марка характеризуется доступной ценой.
Известно, что термическая обработка сталей повышает их прочностные свойства, что увеличивает срок службы деталей. Так, сталь 45 очень часто подвергается закалке, за счет которой заметно повышается твердость поверхности. В данной работе исследовалось влияние различных способов термической обработки стали 45 на ее прочностные характеристики.
Результаты и обсуждение
Объектами исследования являлись образцы стали 45, подвергнутые различным видам термической обработки, а именно: закалка на воздухе, закалка на воздухе + высокий отпуск, закалка в воде + высокий отпуск, отжиг 20 минут. Анализировалась микроструктура обработанных образцов, их микротвердость и связанные с ней прочностные характеристики. Для исследования микроструктуры образцов использовался металлографический микроскоп 1М 7000. Оценка размера зерна образцов стали проводилась методом средней длины пересекающего зерна отрезка d на плоских сечениях образцов
(1)
где I - общая длина секущей линии, п - число зерен, попавших на линию.
Оценку микротвердости (Н^ проводили на микротвердомере FM-800. Использовали метод вдавливания в испытуемый материал алмазного наконечника Виккерса с квадратным основанием четырехгранной пирамиды, [5-7]. Для расчета прочностных характеристик (предел прочности ав и предел текучести а0) использованы следующие соотношения [8]
НУ =ЗЛ6а„
HV - 3.62а ,
(2)
(3).
Микрофотографии образцов стали после термической обработки представлены на рис. 1. Из полученных фотографий оценивался средний размер перлитного зерна. Как видно на фотографии исходного образца сталь является крупнозернистой, зерна перлита которой имеют произвольную форму. Все образцы, которые подвергались термической обработке, оказываются мелкодисперсными. Средние размеры зерен в образцах приведены в табл.
д
Рис. 1. Микрофотографии образцов стали 45: а - исходный образец (увеличение 10х), б - после закалки на воздухе (увеличение 50х), в - после закалки на воздухе + высокий отпуск (увеличение 50х), г - после закалки в воде + высокий отпуск (увеличение 50х), д - после отжига в течение 20 минут (увеличение 50х).
Любой вид термической обработки, закалка, отжиг, приводит к измельчению зерен перлита. Как видно из приведенных в таблице расчетов, после термической обработки происходит уменьшение размера зерна на один -два порядка. При этом самую мелкодисперсную структуру имеет образец, подвергнутый закалке на воздухе. Такие виды термической обработки, как отжиг, а также закалка на воздухе плюс высокий отпуск, в нашем случае дают структуру с примерно одинаковым размером зерна. При этом форма зерен перлита
остается неправильной.
Известно, что сталь с очень тонкими выделениями цементита, диспергированными в феррите, отличается более высокими твердостью и прочностью по сравнению со сталью такого же состава, но с более грубой фазовой структурой [3]. Подобная закономерность наблюдается и для анализируемых образцов стали 45, таблица, рис. 2. Действительно, любой вид обработки увеличивает твердость НV с 1526,8 МПа до 2992,6 МПа. Аналогичным образом ведут себя и другие прочностные харак-
теристики, величины которых приведены в таблице. При этом наименьшее увеличение твердости достигается для образца, подвергнутого закалке в воде и высоком отпуске. Образец после закалки на воздухе, имеющий самую мелкодисперсную структуру, обладает и наибольшей твердостью. При всех остальных
способах обработки образцы стали имеют близкие значения твердости и пределов прочности и текучести.
Погрешность измерений размеров зерен составляет 0,001 мм, твердости - 0,1 МПа. Погрешности расчета пределов прочности и текучести - 0,1 МПа.
Таблица. Размер зерен перлита в структуре стали и твердость исследуемых образцов стали
Исходный образец Закалка на воздухе Закалка на воздухе + высокий отпуск Закалка в воде + высокий отпуск Отжиг 20 мин.
Размер зерен перлита d, мм 0,195 0,0086 0,013 0,014 0,011
Твердость, МПа 1526,8 2992,6 2142,7 1847,5 2144,7
Предел прочности ав, МПа 483,2 947,0 678,1 584,7 678,7
Предел текучести ао, МПа 421,7 826,7 591,9 510,4 595,5
Рис. 2. Диаграмма твердости образцов стали после обработки
Таким образом, в ходе проведенных исследований установлено, что
- все применяемые виды термической обработки приводят к мелкодисперсной структуре стали 45 (размер зерна уменьшается на один, два порядка);
- в ходе обработки не происходит структуризации зерен перлита в исследуемых образцах стали, зерна перлита имеют произ-
вольную форму как до, так и после обработки образцов;
- изменение микроструктуры стали 45 (измельчение зерен перлита) приводит к увеличению прочностных характеристик: твердости, предела прочности и предела текучести;
- закалка на воздухе позволяет получить образец стали с наилучшими прочностными параметрами.
Список литературы
1. Арзамасова Б. Н., Мухина Г. Г. Материаловедение. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 646 с.
2. Лившиц Б. Г. Металлография. М.: Металлургия, 1990. 236 с.
3. Л. Ван Флек. Теоретическое и прикладное материаловедение. М.: Атомиздат, 1975. 473 с.
4. Улыбин А. В. О выборе методов контроля прочности бетона построенных сооружений // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 4 (22). С. 10-15.
5. Дрозд М. С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965. 71 с.
6. Хомич В. М. Экспериментальное исследование взаимосвязи предела текучести и некоторых чисел твердости строительных сталей // Известия вузов. Строительство. 1999. № 11. С.133-137
7. Оценка фактических параметров металла технических объектов нефтегазового комплекса / Л. А. Ефименко, О. А. Коновалова,
B. П. Камардинин [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1999. № 4.
C. 35-36.
8. Методы исследования материалов / Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев [и др.]. М: Мир, 2004.161 с.
References
1. Arzamasova B. N., Mukhina G. G. Ma-
terialovedenie [Materials Science]. Moscow: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2001. 646 p.
2. Livshits B. G. Metallografiya [Metallography]. Moscow: Metallurgiya, 1990. 236 p.
3. L. Van Fleck. Teoretitheskoe I priklad-noe materialovedenie [Theoretical and applied materials science]. Moscow: Atomizdat, 1975. 473 p.
4. Ulybin A. V. O vibore metodov kontrol-ya prothnosti betona postroennih sooruzenii [On the choice of methods for controlling the strength of concrete constructed structures]. Inzenerno-stroitelnii zurnal, 2011, issue 4 (22), pp. 10-15.
5. Drozd M. S. Opredelenie meha-nitheskih svoistv metalla bez razrusenia [Determination of mechanical properties of metal without destruction]. M.: Metallurgiya, 1965. 171 p.
6. Khomich V. M. Eksperimentalnoe is-sledovanie vzaimosvyazi predela tekuthesti I nekotorih thisel tverdosti stroitelnih stalei [Experimental study of the relationship between the yield strength and some hardness numbers of building steels]. Izvestia vuzov. Stroitelstvo, 1999, issue 11, pp.133-137.
7. Ozenka faktitheskih parametrov metalla tehnitheskih obektov neftegazovogo kom-pleksa [Assessment of actual metal parameters of technical objects of the oil and gas complex] / L. A. Efimenko, O. A. Konovalova, V. P. Komardin [et al.]. Himitheskoe I neftegasovoe masi-nostroenie, 1999, issue 4, pp. 35-36.
8. Metodi issledovania materialov [Methods of materials research] / L. I. Tusinskii, A. V. Plohov, A. O. Tokarev [et al.]. M: Mir, 2004. 161 p.
Пашкова Тамара Викторовна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
кандидат физико-математических наук, профессор кафедры естественнонаучных дисциплин ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет», Российская Федерация, г. Иваново
Доцент кафедры фундаментальной физики и нанотехнологий E-mail: pashtavi@yandex.ru Pashkova Tamara Viktorovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo,
candidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the Department of Natural Sciences Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo State University» Russian Federation, Ivanovo
associate Professor of the Department of Fundamental Physics and Nanotechnology E-mail: pashtavi@yandex.ru
Краснов Александр Алексеевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор
E-mail: krasnow.a.a@mail.ru
Krasnov Alexandr Alekseevith
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
doctor of Technical Sciences, professor
E-mail: krasnow.a.a@mail.ru
