CC BY
46
УДК 624.21.037
Я. А. БАЛАБУХ (Львiвський регюнальний науково-техшчний центр ДерждорНД1)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ МЕТАЛУ БАЛОК ТРИВАЛОГО ЗБЕР1ГАННЯ
Приведено результаты металознавчих дослвджень балок тривалого збер^ання. Визначено, що сталь балок в1дпов1дае вимогам норм. Балки можуть використовуватись для буд1вництва моспв.
Ключовi слова: балка мобшзацшного резерву, макроструктура, спектральний анал1з, сталь 15ХСНД.
Приведены результаты исследований металлических балок длительного хранения. Определенно, что сталь балок отвечает требованиям норм. Балки могут использоваться для строительства мостов.
Ключевые слова: балка мобилизационного резерва, макроструктура, спектральный анализ, сталь 15ХСНД.
Results of metal researches of long-term storage beams are considered. It is determined that the steel of beams meets the requirements of Norms. Their acceptability for construction of bridges is established. Keywords: mobilization reserve beam, macroscopic structure, spectrum analysis, steel 15HSND
Актуальшсть проблеми
Швидке зростання штенсивност та обсяпв автоперевезень в Украш, збшьшення ваги ав-тотранспортних засоб1в зумовлюе необхщшсть шдвищення вимог до експлуатацшно1 надшно-сп транспортних споруд. Стр1мке подорожчан-ня цементу, кам'яних матер1ал1в сприяе шир-шому використанню в нашш кра1ш сталезал> зобетонних прогонових будов, переважно для перекриття середшх, а в особливих умовах та у важкодоступних прських районах - i малих прольот1в моспв. У сталезалiзобетонних прогонових будовах рацюнально використовують-ся властивостi та особливосп основних будiве-льних матерiалiв - сталi та залiзобетону.
Важливим резервом металу для будiвництва моспв е металевi конструкцiï тривалого збер> гання - мостовi балки мобшзацшного резерву, пiдкрановi балки, якi не були у використанш, тощо. Завдяки застосування ïx для будiвництва сталезалiзобетонниx мостiв забезпечуеться ефективне використання наявних матерiальниx ресурсiв, але постае завдання теxнiчноï оцiнки ïxньоï придатностi для тривалоï надiйноï та безпечноï експлуатаци.
Так, до цього часу в Укрш'ш експлуатуються мости, збудованi у шслявоенний час (1945-50 рр.) iз металевих конструкцiй, демонтованих iз будь вель та споруд. Незважаючи на значний термiн експлуатацiï (близько 60 роив), щ мости за своь ми експлуатацiйними якостями придатнi для сприйняття сучасних навантажень. Тому доцшь-но використовувати пiд час будiвництва автодо-рожнix мостiв, особливо на дорогах мюцевого значення, металевi конструкций якi тривалий час не використовуються i зберiгаються на складах.
Це так зваш балки мобiлiзацiйного резерву, яю зберiгаються на випадок надзвичайних ситуацш, не використанi конструкцii для заводiв: шдкрано-вi балки, балки перекритпв та iншi.
Аналiз лтературних джерел [1, 2] свiдчить про те, що сталезалiзобетоннi мости е досить ефективними транспортними спорудами i нада-лi набувають усе бшьшого розповсюдження. Рiзноманiття статичних i конструктивних схем сталезалiзобетонних мостiв показуе можливосп перекриття рiзних прогонiв. Доцiльно для вла-штування прогонових будов сталезалiзобетон-них будов мостiв використати металевi конс-трукцii, якi тривалий час зберталися. Але використання конструкцш тривалого зберiгання можливе тiльки при забезпеченш надiйноi ро-боти таких конструкцш. Для визначення iх на-дiйностi необхiдно виконати комплекс спеща-льних дослiджень. В даний час в Украш вщсу-тнi нормативы документи, якi б регламентува-ли склад i обсяг таких робгг, тому доцiльно провести теоретичнi i експериментальнi досл> дження щодо ощнювання надiйностi та забез-печення експлуатацшних якостей конструкцiй тривалого зберiгання при використанш iх для будiвництва сталезалiзобетонних мостiв.
Мета роботи - за допомогою металознавчих дослiджень визначити вщповщшсть металу балок мобiлiзацiйного резерву тривалого збер> гання вимогам норм з проектування мостiв.
Балки мобшзацшного резерву зберiгалися на складi у м. Львова Висота балок - 1040 мм, ширина поличок - 450 мм, iх товщина - 30 мм, товщина стiнки 12 мм. Довжина балок 18530 мм, вони мають монтажний стик на накладках з об'еднанням на металевих заклепках.
© Балабух Я. А., 2011
Вщбирання заготовок i таврування зразкчв для випробувань
Заготовки для виготовлення та таврування зразюв були вирiзанi з металоконструкцш, вщ-повiдно до вимог ГОСТ 7564 полуменевим спо-
собом за допомогою газово-кисневого рiзака (рис. 1) з подальшою обробкою поверхонь на металорiзальних верстатах. Напрямок вирiзу-вання заготовок позначено арабськими цифрами в колах (вщ «1» до «8»).
Рис. 1. Схема вщбору проб та таврування заготовок для виготовлення зразшв: 1.1; 2.1; 1.3; 2.3 - тавра на фрагментах 1з нижньо! полички; 1.5; 2.5; 1.7; 2.7 - тавра на фрагментах 1з верхньо! полички; 1.2; 2.2; 1.6; 2.6 - тавра на фрагментах зварних з'еднань; 1.4; 2.4 - тавра на фрагментах з1 стшки
Зразки для структурных дослщжень, встано-влення хiмiчного складу i проведения мехашч-них випробувань з метою визначення вщповщ-ностi нормативним характеристикам мщносп, пластичностi, в'язкостi та твердосп таврували згiдно з вимогами стандарт до мiсця вщби-рання та методиками дослщжень.
Методика макро- та мжроструктурного аналiзу
Макроструктурний аналiз проводили за методикою вщбитюв для виявлення i встановлен-ня характеру розташування сульфiдiв та фосф> дiв. У випадку дослiдження будови зварного з'еднання застосовували також методику трав-лення реактивом Гейна.
Мшроструктуру зразкiв сталi дослiджували за допомогою металографiчного мiкроскопа МИМ-8М за збшьшення вiд 100 до 500 разiв. Зразки для дослiджень вирiзали вздовж та впо-перек прокатування. Неметалевi включення виявляли на полiрованих зразках. Стутнь за-брудненостi сталi неметалевими включеннями оцiнювали за еталонними шкалами (ГОСТ 1778-70). Мшроструктуру у вихщному станi та пiсля вiдпалу при 950 °С 1 год. виявляли хiмiч-
ним контрастуванням 4 % розчином азотно! кислоти в етиловому спирта Документування мiкроструктури здiйснювали фотокамерою «Зе-нит-Е» з мiкрофотонасадкою МФН-12 на фо-топлiвцi «Микрат-200», номер зерна визначали вiдповiдно до ГОСТ 5639.
Методика кшьккного та емкшного атомного спектрального аналiзу
Кiлькiсний емюшний атомний спектральний аналiз проводили на кварцовому спектрографi ИСП-28 з дев'ятистушнчатим послаблювачем свiтла та генераторi дуги ДГ-2.
Аналiз проводили за методом трьох етало-нiв, вимiрюючи почорншня на мiкрофотометрi МФ-2 для гомолопчно! пари лiнiй Мп, 81, Сг, Си та N1 з вщповщними лiнiями залiза (Ре):
Я мп = 2933,06 ■
10
-10
Х81 = 2506,90 -10
X Сг = 2677,16 -
10
10
10
X Си = 3273,96 -10
10
>Х Ре = 2933,06 -10 X Ре = 2507,90 -10 >Х Ре = 2684,75 -10" >Х Ре = 3286,76 -10
10
10
10
10
згiдно з умовами, наведеними в атестацшних документах на стандартш зразки. Також анал> зували наявнють у складi сталей А1, Мо, Nb, V.
Методики мехашчних випробувань
Випробування зразкiв на розтяг проводили на розривнш машиш УММ-5 на цилiндричних пропорцiйних коротких зразках (тип III, № 6), виготовлених зпдно з ГОСТ 1497-84
Твердють за Брiнелем визначали на прилащ ТШ-2. Умови проведення випробувань вибира-ли згiдно з ГОСТ 9012-59: дiаметр кульки -В = 5 мм; навантаження - Р = 7500 Н; витри-мка шд навантаженням ^ = 10 с.
Твердють вимiрювали на зразках для макро-структурного аналiзу. Число твердостi визначали, як середне арифметичне трьох вiдбиткiв на кожному зразку.
Випробування на ударну в'язкють проводили на приладi МК-30 на зразках типу 1 зпдно ГОСТ 9454.
Результати металознавчих дослщжень балок тривалого зберiгання
Макроструктурш до^дження. Аналiз в> дбиткiв за Бауманом (рис. 2, а) показав наяв-нють сульфiдiв та фосфадв в усiх зразках. Вод-ночас у зразках полички двотавра була виявле-на лшващя цього типу неметалевих включень -спостерiгаеться рядкове !х розташування пере-важно у центральнiй частит полички. У стiнцi двотавра розподш сiрки та фосфору рiвномiр-ний.
Зварний шов виконаний автоматичним ду-говим зварюванням якiсними матерiалами з
_
а
У станi виготовлення зварно! конструкцii матерiал полички мае структуру характерну для термiчно полiпшеноi сталi, у той час як сталь, використана для стшки - близьку до рiвноваж-но!.
Мiкроструктура зразкiв пiсля травлення 4 % розчином азотно! кислоти в етиловому спиртi складаеться з фериту i перлiту (рис. 4), вщносна кiлькiсть останнього в сталях рiзних елементiв
набагато меншим вмiстом шрки та фосфору порiвняно з основним матерiалом зварно! конс-трукцii.
Травлення реактивом Гейна (рис. 2, б) ви-явило непровар в кореш шва, порiвняно неве-лику зону термiчного впливу та дендритну бу-дову наплавленого металу.
Рис. 2. Макроструктура зразшв дослщжуваних сталей:
а - методика Баумана (натуральна величина); б - травлення реактивом Гейна, х1,5
Мжроструктурш до^дження. Для проведення мшроструктурних дослщжень викори-стовували зразки в станi виготовлення констру-кцii та пiсля вщпалу, вирiзанi вздовж та поперек прокатування.
Типовими неметалевими включеннями в м> кроструктурi зразкiв у нетравленому сташ (рис. 3) вiдповiдно до ГОСТ 1778-70 с силшати пластичш СП та силiкати, що не деформуються СН; оксиди точковi ОТ; сульфщи С.
I'
конструкцш становить приблизно 20 % (див. рис. 4, б, г, е). За вщносною кшькютю перлiту вмют вуглецю у сталях становить близько 0,15 %. Номер зерна у матерiалi стшки та полички при виготовленш 07 - 08, а пiсля вiдпалу 05 - 06 (поличка) i 07 - 08 (стiнка) вiдповiдно до ГОСТ 5639, мшроструктура сталi - незначно рiзно-зерниста (див. рис. 4, д).
Рис. 3. Мжроструктура нетравлених зразшв дослщжуваних сталей:
а, в, г - силжати. що не деформуються СН та оксиди точков1 ОТ, х200; б - силжати пластичш СП, х400; а, б - поличка; в, г - стшка
Рис. 4. Мшроструктура травлених зразшв дослвджуваних сталей:
а, б - стшка; в, г, д, е - поличка; а, в, д - тсля виготовлення; б, г, е - тсля ввдпалу; а, б, в, г - х200; д, е - х100
Спектральний аналiз. Хiмiчний склад сталi подано у табл. 1. Вмют марганцю, кремшю та хрому встановлювали кiлькiсним емюшним атомним спектральним аналiзом.
Таблиця 1 Хiмiчний склад досл1джуваних сталей
Елемент
Вмгст елементш* %
конструкцп С Мп Сг Си N1
Поличка 0,15 0,80 0,75 0,85 0,20 0,40
Стшка 0,15 0,80 0,70 0,90 0,20 0,35
Примггка: «*» - виявлеш сл1ди алюмшш; лшп мол1бдену, нюбш та ванадш у спектр1 дослщжува-них сталей ввдсутш.
Хiмiчний склад сталi вiдповiдае марщ 15ХСНД. Проте вмiст кремнiю дещо переви-щуе передбачуваний стандартом [3].
Мехашчт випробування. Показники мщносп, пластичностi, в'язкостi та твердостi за Бр> нелем подано у табл. 2.
Особливiстю процесу пластичного дефор-мування усiх зразкiв дослiджуваних сталей е незначна рiчниця мiж зусиллям текучосп та тимчасового опору; особливо це характерне для матерiалу полички.
Товстий лист, використаний для виготовлення стшки, вщповщае класу мiцностi 390. Отримаш результати механiчних випробувань матерiалу полички вказують, що для не1' був використаний товстий лист тсля термiчного полiпшення, тому показники мщносп переви-щують нормованi показники для рiзних класiв мiцностi листового прокату [3].
При дослщженш зруйнованих ударних зраз-кiв були виявленi ч^ю ознаки шаруватого типу зламу, що може бути пов'язане з рядковим роз-ташуванням неметалевих включень (див. рис. 4, б) i обумовленою цим рядковютю структури (див. рис. 4, б, г, е).
Таблиця 2
Мехашчт властивост досл1джуваних сталей
Елементи конструкцп Межа текучосп Межа мщносп В1дносне видовження В1дносне з вуження Ударна в'язюсть КСи, Дж-см-2 Твердють НВ
тт -2 Н, мм %
Поличка 590 650 17 47 88 163
Стшка 390 530 20 55 82 143
Технологична зварюватсть. Технолопчну зварюванiсть через вщсутшсть даних про тех-нолопю 1'х виконання оцiнювали за результатами розрахунюв вуглецевого еквiвалента сталей, використаних для виготовлення елеменпв конструкцш. Бивалент за вуглецем розрахо-
вували на пiдставi результатiв визначення хш> чного складу сталей. У такому разi не беруться до уваги iншi чинники, такi як розмiр зерна фаз, спосiб варiння стал^ ступiнь розкислення металу, попередня термiчна обробка, технологiя обробки тиском, вплив вмюту шкiдливих до-
м1шок, але з являеться можлив1сть опосередко-ваного розрахунку показника, який враховуе ÎMOBÎpmcTb розтрюкування у зош терм1чного впливу зварного з'еднання.
Бивалент за вуглецем розраховували за формулою [3]:
Ca=C+
Mn + Cr + Ni + Mo + Si + 6 5 40 4 24
+—+X+P
13 14 2.
Результати розрахунюв вуглецевого е^ва-лента поданi у табл. 3.
Таблиця 3
Вуглецевий еквiвалент сталей дослщжуваних елементiв конструкци
Елемент конструкци Са
Поличка 0,503
Стшка 0,504
Наведенi результати розрахункiв показують, що вуглецевий е^валент дослiджуваних сталей дещо перевищуе нормований параметр (0,45...0,48) для конструкцiйних сталей, якi ви-користовують для виготовлення металевих еле-ментiв конструкцiй [4].
Збшьшення величини зерна при вiдпалi сталей (950 °С, 1 год.) вказуе, що дослщжуваш сталi е спадково крупнозериистими. У такому разi зростае загроза втрати в'язкост матерiалу у зонi термiчного впливу.
Висновки
Аналiзуючи результати випробувань сталей балок можна зробити такi висновки:
1. Результати хiмiчного аналiзу та досл> дження структури показують, що дослщжуваш сталi елементiв зварних балок вщповщають марцi 15ХСНД, яка може використовуватись для прогонових будов автодорожшх моспв.
2. Сталь, яка використана для виготовлення поличок, мае структуру та мехашчш власти-
востi характерш для термiчно-змiцненого мате-рiалу. Сталь, яка застосована для стшки вщпо-вщае класу мiцностi 390 за ГОСТ 19281.
3. У макро- та мiкроструктурi стат поличок двотавра виявлено рядкове розташування неметалевих включень, що викликае характер-ний шаруватий злам при динамiчних випробу-ваннях на згин.
4. Рядкове розташування неметалевих включень може також негативно позначитися на технолопчнш зварюваносп i викликати шаруватий злам зварного шва. З метою тдвищен-ня якостi зварного шва та забезпечення надш-носп зварного з'еднання слiд вибрати належш матерiали та спосiб зварювання. При викорис-таннi монтажного зварного з'еднання доцшьно провести його випробування.
5. 1ншим можливим способом монтажного об'еднання конструкцii е болтове з'еднання елеменпв.
6. У структурi металу балок тривалого зберiгання не виявлено змш, якi б мали ознаки старшня металу.
Отриманi даш металознавчих дослiджень дають можливiсть проектувати прогоновi будо-ви мостiв iз балок мобiлiзацiйного резерву тривалого збернання.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Стрелецкий, Н. Н. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов [Текст]. - М.: Транспорт, 1981. - 360 с.
2. Гитман, Э. М. Вопросы оптимального проектирования сталежелезобетонных пролетных строений [Текст] // Исследование современных конструкций стальных мостов. - 1975. - Вып. 94. - С. 18 - 39.
3. Сталь углеродистая обыкновенного качества и легированная [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 239 с.
4. Руге, Ю. Техника сварки [Текст]: справ. изд. в 2 ч., Ч.1 Материалы / Пер. с нем. - М.: Металлургия, машиностроение, 1984. - 552 с.
Надшшла до редколегп 14.04.2011. Прийнята до друку 28.04.2011.
