CC BY
90
Таблица 6
Усредненные результаты содержания тяжелых металлов при выщелачивании из бетона
на основе природного песка, мг/л
Модельная среда Время отбора проб, сут
1 14 21 30
Марганец
Вода 0,01 ± 0,001 0,01 ± 0,001 61,59 ± 6,590 0,01 ± 0,001
Буфер (рН = 4,8) 673,7 ± 70,2 630,0 ± 64,465 685,07 ± 75,254 165,16 ± 17,82
Медь
Вода 0,01 ± 0,001 0,01 ± 0,001 0,22 ± 0,026 0,08 ± 0,007
Буфер (рН = 4,8) 0,01 ± 0,001 0,12 ± 0,013 0,08 ± 0,007 0,08 ± 0,007
Свинец
Вода 0,09 ± 0,009 0,77 ± 0,082 0,34 ± 0,034 1 ± 0,113
Буфер (рН = 4,8) 0,01 ± 0,001 1,77 ± 0,168 1,57 ± 0,103 0,28 ± 0,050
Кадмий
Вода 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003 0,024 ± 0,003 0,03 ± 0,003
Буфер (рН = 4,8) 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003 0,03 ± 0,003 0,06 ± 0,008
Коэффициент вариации находится в пределах 10 - 20 %.
Таким образом, использование гранулированного шлака силикомарганца и доменного гранулированного шлака экономически и экологически целесообразно, т. к. позволяет уменьшить использование природных материалов, а увеличением использования отходов промышленности - уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Выводы. Использование гранулированных шлаков как вторичных материальных ресурсов решает ряд важных народнохозяйственных задач, таких как экономия природного сырья, предотвращение загрязнения водоемов, почвы и атмосферы, а также позволяет увеличить объемы производства строительных материалов и изделий. Кроме того, себестоимость строительных материалов, которые изготовлены с использованием гранулированных шлаков, меньше, чем традиционных.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Дворкин Л. И. Строительные материалы из отходов промышленности : учеб.-справ. пособ. / Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин. - Ростов н/Д. : Феникс, 2007. - 368 с.
2. Металлургические шлаки в строительстве : для науч. работников, инженеров и студентов высших тех. учеб. заведений. / [В. И. Большаков, В. З. Борисовский, В. Д. Глуховский и др.]. - Д., 1999. - 114 с.
3. Напрямки i перспективи використання вiдходiв металургшно!, прничорудно! та хiмiчноl промисловост в будiвництвi. / [В. I. Большаков, Г. М. Бондаренко, А. I. Головко та ш.]. - Д. : Gaudeamus, 2000. - 140 с.
4. Никопольские ферросплавы / [М. И. Гасик, В. С. Куцин, Е. В. Лапин и др.]. - Д. : Системные технологии, 2004. - 272 с.
УДК 669.01:539.4;539.2
РОЛЬ ПРОЧНОСТИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ В ОЦЕНКЕ КОНСТРУКЦИОННОГО КАЧЕСТВА СТАЛЕЙ
Ю. Я. Мешков, д. т. н., член.-корр. НАНУ, С. А. Котречко, д. ф.-м. н., А. В. Шиян, к. ф.-м. н. Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев
Ключевые слова: прочность, механическая стабильность, охрупчиваемость, стабильность прочности, конструкционное качество
Введение. Основным признаком пригодности стали для использования ее в конструкции есть качество этой стали, заключенное в комплексе ее важнейших механических
характеристик. При этом в основе суждения о качестве конструкционной стали так или иначе лежит степень ее защищенности от хрупкости, в первую очередь, за счет рационального использования свойства прочности.
Анализ публикаций. Прочность является основным (базовым) механическим свойством любого конструкционного материала. Для конструкционных сталей и сплавов она определяется стандартными показателями условного предела текучести о 0 2 или предела прочности а В , но
для обеспечения надежности при использовании данного материала в конструкции к имеющейся характеристике прочности обязательно прилагаются дополнительные механические характеристики - пластичности ^ К (относительное поперечное сужение при разрыве образца), 5 р (относительное равномерное удлинение при разрыве), ударной вязкости (удельная работа при разрушении образца с регламентированным надрезом, КСУ или КСи), трещиностойкости К1С и др. [1 - 3]. Все указанные дополнительные характеристики, так или
иначе, отражают одно важнейшее свойство испытуемого металла - его сопротивляемость к переходу из пластичного состояния в хрупкое или, другими словами, свойство «охрупчиваемости» металла. Однако каких-либо физически обоснованных нормативов достаточности показателей свойств пластичности или вязкости для заданной прочности металла применительно к конкретной конструкции и условиям ее эксплуатации в нынешней инженерной практике пока не выработано, а существующие нормативы основаны на сугубо эмпирическом и статистическом опыте.
Между тем, в ряду механических характеристик сталей свойство прочности занимает особое, ключевое место, однако роль этого свойства с точки зрения его влияния на хрупкость и конструкционное качество металла пока явно недооценивается. То, что с ростом прочности металлических сплавов опасность хрупкого разрушения нарастает, - общеизвестный факт, но проблема состоит в том, что необходимо указать характеристику, которая отражает степень этой опасности в определенной количественной мере.
Цель статьи. Показать ведущую роль свойства прочности в общем комплексе механических характеристик конструкционной стали, которое, в сочетании с характеристикой механической стабильности, определяет конструкционное качество металла.
Постановка задачи. Прочность, как и другие механические свойства металла, сильно зависит от природы сплава, его состава, структуры (термообработки) и внешних факторов воздействия (температуры, скорости нагружения, вида напряженного состояния). Исследование влияния внешних факторов на прочность особенно интересно в том смысле, что в этом случае мы имеем дело с изменением механического поведения (свойств) металла с данной фиксированной структурой и, поэтому, имеется возможность в спектре возможных уровней прочности выделить некоторую базовую характеристику, отражающую лишь вклад структурной «атермической» составляющей и лишенную влияния всех внешних факторов. Примером такой базовой характеристики может быть, например, прочность при низких (криогенных) температурах и квазистатической скорости нагружения при одноосном растяжении. Эту характеристику прочности можно считать исходной и только структурно -детерминированной, в отличие от текущей прочности, изменяющейся под влиянием различных факторов внешнего воздействия, например, таких как температура, динамика нагружения и жесткость напряженного состояния.
Как правило, для большинства конструкционных сплавов низкотемпературная «структурная» или «атермическая» часть прочности практически совсем или весьма существенно лишена пластичности и поэтому проявляет себя, как вполне или почти «хрупкая» прочность. Но с повышением температуры испытания прочность снижается, а пластичность нарастает (рис. 1) и это придает прочности некое специфическое свойство, которое можно назвать стабильностью прочности. Стабильность прочности означает, что с достижением предела текучести о0 2 (или любого другого выбранного рубежа прочности, например, оВ) деформирование образца продолжается, идет пластическое формоизменение и упрочнение вплоть до достижения предельного напряжения разрушения 8К при конечной пластической деформации ц/к . По мере снижения температуры от комнатной Тк до критической вязко-хрупкого перехода Твх прочность стали постепенно теряет признак стабильности (в виде
снижения пластичности ^К) и, в конечном счете, при условии с0 2 ~ ^^ (или сВ ~ 8К), где
*
у/К ^ 0, прочность с0 2 становится нестабильной, или прочностью хрупкого состояния, которую можно назвать хрупкой прочностью ЯХ .
С , МПа
со2 ^ ■ %
4 п 100
80 60 40 20 0
50 100 150 200 250 300
Т, К
Рис. 1. Температурные зависимости механических характеристик конструкционной стали 15Х2НМФА для определения хрупкой прочности ЯХ
Заметим, что хрупкая прочность ЯХ является наибольшим значением стабильной
*
прочности с02 и наименьшим значением нестабильной, но по своей сути КХ — это именно та, упомянутая выше, исходная (базовая) структурно-детерминированная прочность, которая задается только составом и структурным состоянием металла. Эта хрупкая прочность КХ , являясь наибольшей стабильной прочностью, может рассматриваться как особая предельная прочность, т. к. представляет собой точку перехода от предельной нестабильной прочности хрупкого разрушения (ниже КХ на температурной кривой прочности) и участка стабильной прочности с02 в температурном интервале пластического поведения металла. Весь интервал стабильного поведения свойства прочности с0 2 (при комнатной температуре Тк) до ЯХ (при
температуре вязко-хрупкого перехода Твх) является интервалом механической стабильности металла (см. рис. 1).
Механическая стабильность, как важнейший признак свойства прочности, принципиально дополняет характеристику прочности с точки зрения оценки степени подверженности металла угрозе его охрупчивания под воздействием всех внешних факторов влияния на прочность - температуры, динамики, вида напряженного состояния и др.
Механическая стабильность металла. В качестве конкретной количественной меры такого свойства прочности как механическая стабильность в работах [4; 5] было предложено
использовать «коэффициент механической стабильности» Кш:
Кш, --, (1)
где RMC — хрупкая прочность (сопротивление микросколу) как минимальная прочность разрушения при критической степени деформации ec ~ 2 % в области криогенных температур [5]; <j2 — стабильная прочность стали на стадии критической деформации ec ~ 2 % в диапазоне температур от Тк до Твх.
Из (1) видно, что при неизменной структуре (RMC = const) изменение прочности за счет температурнозависимой составляющей прочности j 2 в пределах, где J2 < RMC , механическая стабильность этой стали остается К_„ > 1 , что означает безусловное проявление определенной пластичности (^К > 2 %) в момент разрушения при разрыве. Но принципиальное преимущество показателя Kms перед другими показателями пластичности (ц/К ) или вязкости
(KCV, KCU) заключается в том, что характеристика Kms пригодна для анализа условий
пластического поведения стали и в общем случае сложного напряженного состояния, где достаточно учесть механическое повышение прочности металла в зонах стесненной текучести
по законам механики напряженного состояния [6]. Именно поэтому параметр Kms оказывается
пригодным для расчетного прогнозирования критической температуры хрупкости Tc образцов с надрезом или трещиной [7].
Таким образом, прочность металла (J0 2 и j2 ) является главным, ключевым механическим свойством, которое в сочетании с характеристикой механической стабильности полностью контролирует склонность к охрупчиванию (охрупчиваемость стали). При этом иные показатели (^К, KCV и др.) играют лишь иллюстративную (косвенную), но не определяющую роль в возможности проявления хрупкости металла.
Прочность, стабильность и качество конструкционной стали. Модельное физически обоснованное на субмикроскопическом уровне представление о механической стабильности металлов в процессе их пластической деформации подробно приводится в работах [4; 5] и здесь не рассматривается. Можно лишь подчеркнуть, что для выработки полезного для инженерной практики наглядного представления об одном из ключевых показателей свойств металлов, имеющих прямое отношение к проблеме конструкционной хрупкости металлов («охрупчиваемости») нет необходимости углубляться во внутреннюю микроструктурную природу механических явлений деформируемого металла, а достаточно лишь расширить подход к рассмотрению макроскопического свойства прочности (j02), дополнив его
введением понятия стабильности прочности.
Главный смысл увеличения прочности стали в технике заключается в снижении веса конструкции. Однако на практике экономия веса строительной конструкции далеко не всегда пропорциональна росту прочности <г02 (рис. 2) [8].
Как видно из рисунка 2, замедление темпа роста в экономии веса конструкции от темпа роста прочности <г0 2 обусловлено увеличением риска охрупчивания высокопрочной стали в
конструкции, а также с вынужденным повышением коэффициентов запаса прочности. Таким образом, очевидно ощутимое снижение конструкционного качества прочности группы высокопрочных сталей с <г0 2 = 500 - 1000 МПа в сравнении с группой сталей средней и низкой
прочности j 0 2 < 500 МПа. Это снижение конструкционного качества прочности j 0 2 проявляется в том, что в пределах разбега прочностей в первой группе сталей экономия веса конструкций составляет ~75 — 50 ~ 25 %, а во второй группе сталей средней и низкой
прочности ~ 50 — 0 ~ 50 %. Следовательно, относительная эффективность снижения металлоемкости конструкции (относительный прирост снижения веса Am, % на относительный прирост прочности Aj , МПа) у сталей с прочностью <70 2 < 500 МПа в 2 раза
выше, чем у высокопрочных сталей, например, конструкционное качество прочности на уровне с02 ~ 400 МПа выше, чем у прочности с02 ~ 800 МПа.
Дт ,% 90 ЖО
70 60 50 40 30 20 10 О
1
Стик [рщвн ВЫЕПишрПЧНЫЕ СТиК
■ ЕИЕАЕ
ПРПЧВПЕТК 1 1 1 1 1 Г 1 / 1
/ 1 / 1 / I / 1 / 1 / 1 ~ / 1 / 1 1 1 1 1.1.1.1 1.1.1.1. 1
200 300 400 500 600 ТОО ВОО 900 1000 1100
Рис. 2. Зависимость изменения показателя относительного снижения веса конструкции Аш от прочности конструкционной стали с02 [8]
Причина снижения металлоемкости с ростом прочности с0 2 видна из рисунках 3, где представлено уменьшение характеристики Кш с ростом с0 2 [4; 5].
Лт,% 90
200 300 400 500 600 700 100 900 1000 1100
о , МПа
Рис. 3. Зависимости изменения показателя относительного снижения веса конструкции Аш [8] (кривая 1) и характеристики механической стабильности Кш5 от прочности конструкционной стали с0 2 (аппроксимация экспериментальных данных [4; 5] - кривая 2)
Как видно из рисунка 3, конструкционное качество прочности, отражаемое величиной Кш, снижается по мере увеличения прочности сг0 2. Оценка показывает, что при переходе от
прочности с02 = 395 МПа к с0 2 = 758 МПа, величина Кш, соответственно, снижается от
значения К = 1,8 до значения К = 1,6, (см. рис. 3), т. е. всего на 11 %, что обусловливает
относительную потерю ожидаемого выигрыша в весе изделия на 45 % (от 69 до 38 %). Это сравнение показывает, насколько важным фактором в инженерной практике является понятие конструкционной стабильности (механической стабильности) характеристики прочности, привязанное к ее конкретному уровню с0 2 или с2. Таким образом, при оценке прочности
каждого металлического материала наряду с ее величиной с
0,2
(или с2) должна
присутствовать качественная сторона этой прочности, отражающая ее конструкционную ценность по величине Кш.
На рисунке 4 дополнительно приведена кривая изменения оптимальных значений характеристики механической стабильности К0Шт от увеличения прочности с0 2 [9]. Величина
КШГ отражает наиболее высокие (оптимизированные для любых сочетаний свойств
пластичности цК, прочности с02 и механической стабильности Кш) из всех возможных
значений Кш при заданном уровне прочности с0 2 для конструкционных сталей и сплавов всех классов прочности и характеризует наивысшее качество металла [10]. Это означает, что для строительных сталей еще имеется неиспользованный резерв повышения их Кш до уровня
КШт и, соответственно, для перевода их из разряда малоэффективных к высокоэффективным в
части выигрыша в металлоемкости при увеличении прочности (см. рис. 4). Препятствием здесь могут стать лишь обстоятельства чисто технологического и экономического порядка, но инженерные предпосылки для такого пути снижения металлоемкости конструкций здесь вполне очевидны.
2500
0,3
Рис. 4. Зависимости изменения оптимального значения характеристики механической стабильности КЩГ (кривая 1) и Кт!, типичных конструкционных сталей от прочности конструкционной стали с0 2 (аппроксимация экспериментальных данных [4; 5] - кривая 2); ■ — экспериментальные данные для сталей с различными уровнями прочности
На рисунке 4 приводится общая картина зависимости КШ!™ от прочности сталей [9, 10],
где видно, что с увеличением прочности ее конструкционное качество обречено на неизбежное
падение, особенно в интервале с02 > 1 000 - 1 500 МПа так, что для строительных сталей
перспективы на такой класс прочности быть не может. Выше по прочности могут быть инструментальные и другие виды сталей, для которых механическая стабильность не столь
~ ^ г -тг опт
актуальна, поэтому значения даже оптимальной механической стабильности здесь
опускаются до минимально приемлемых уровней (~1,1 - 1,2).
Выводы. 1. В общем комплексе механических характеристик конструкционных сталей ведущая роль принадлежит свойству прочности (с02, с2, сВ), которое в сочетании с
дополнительной характеристикой механической стабильности Кш определяет то конечное свойство, которое можно назвать «конструкционным качеством» стали с данным уровнем прочности с0 2.
2. С ростом показателя прочности за счет изменения состава и структуры стали конструкционное качество стали, дополнительно отражаемое ее механической стабильностью
Кш, неизбежно понижается, что сопровождается потерей темпа роста экономии металла за
счет его упрочнения. Это неизбежно приводит к вопросу о пределах экономической и технологической целесообразности применения высокопрочных или особо высокопрочных сталей в строительстве уникальных сооружений.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Когаев В. П., Махутов Н. А., Гусенков А. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. - М. : Машиностроение, 1985. - 224 с.
2. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Шиян А. В. Пластичность и хладостойкость конструкционных сталей // Проблемы прочности, 2010. - № 1. - С. 112 - 119.
3. Броек Д. Основы механики разрушения. - М. : Высш. шк., 1980. - 368 с.
4. Котречко С. А., Мешков Ю. Я. Предельная прочность. Кристаллы, металлы, конструкции - К. : Наук. думка, 2008. - 295 с.
5. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Шиян А. В. Механическая стабильность -универсальная мера сопротивления переходу в хрупкое состояние металла // Успехи физики металлов, 2009. - Т. 10. - № 2. - С. 207 - 228.
6. Механика разрушения и прочность материалов: справ. пособ. / Под ред. В. В. Панасюка.
- К. : Наук. думка, 1988. - № 3. - 436 с.
7. Мешков Ю. Я., Котречко С. А., Шиян А. В., Стеценко Н. Н., Сорока Е. Ф. Роль характеристик мщност в оцшщ конструкцшно! якосп сталей i сплавiв // А.с. Украши № 41447
- 2011. Авторське право i сумiжнi права. - 2011. - № 26.
8. Морозов Ю. Д. Микролегирование как путь повышения механических и технологических свойств строительных сталей // Металознавство та термiчна обробка металiв, 2001. - № 3 (14). - С. 21 - 37.
9. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Шиян А. В., Стеценко Н. Н. Оптимизация свойств пластичности, прочности и механической стабильности сталей и сплавов в виде обобщенной диаграммы // А. с. Украши № 39291 - 2011. Авторське право i сумiжнi права. - 2011. - № 25.
10. Шиян А. В., Котречко С. О., Мешков Ю. Я., Стеценко Н. М., Большаков В. I., Носенко О. П. Спосiб оцшки якосп конструкцшно! стал // Патент Украши № 66341 - 2011. Промислова власшсть. - 2011. - № 24.
