CC BY
28
MODERNIZATION OF THE EQUIPMENT FOR THE SITE OF THE OFFSET PRINT IN THE PUBLISHING HOUSE OF TULGU
D.A. Yolkina
The process of modernization of production, its utility and economic benefits are considered. For example, a site of offset printing is used on the basis of the Publishing House of the Tula State University, where a replacement of a printed machine is proposed and the benefits of modernization are justified.
Key words: modernization, offset printing, polygraphy.
Yolkina Darya Alekseevna, the student-master, Venera953@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 669.019; 620.194.22
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ИСПЫТАНИЙ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО НАВОДОРОЖИВАНИЯ
Д.М. Хонелидзе, А.Н. Чуканов, А.Е. Гвоздев, Д.С. Метелкина, О.В. Пантюхин
Выполнен анализ влияния агрессивной (водородсодержащей) среды, режимов поляризации, температуры и способа создания напряженного состояния на значения длительной прочности и характеристики механических свойств натурных образцов из высокопрочных арматурных сталей (20ГС2, 30ГС) для уменьшения времени, необходимого на проведение испытаний. Предлагаемые испытания на длительную прочность натурных образцов из высокопрочной арматурной стали при электролитическом наводороживании в водном растворе 4,5 % H2S04+2,5 % NH4CNS и плотностью катодного тока jK=60 A/м2 при одноосном растяжении с постоянной нагрузкой уменьшают затраты на разработку образцов, сокращают сроки испытаний натурных образцов до нескольких часов, повышают оперативность получения и обработки результатов.
Ключевые слова: арматурные стали, электролитическое наводороживание, длительная прочность, водородная стресс-коррозия.
Введение. Работа высокопрочной напряженной арматуры из малоуглеродистых сталей в условиях повышенной влажности и агрессивных сред (в том числе, водо-родсодержащих) ведет к внезапному хрупкому разрушению и катастрофическим последствиям. Эти стали проявляют особую чувствительность к водородной коррозии под напряжением (водородная стресс-коррозия - ВСК) [1] вследствие близости их предела прочности к эксплуатационным напряжениям.
Проникновение водорода внутрь металла (сплава) может происходить в процессе производства (при очистке, травлении, нанесении гальванических покрытий), эксплуатации (в ходе реакций катодной защиты или коррозионного процесса). Водород может проникать внутрь металла (сплава) из окружающей среды в результате продолжительного хранения готовой продукции на складе до ее эксплуатации [2].
В связи с расширением использования предварительно напряженного железобетона (ж/б), появлением сообщений об обрывах его арматуры и обрушениях конструкций [3] к проблеме ВСК высокопрочных арматурных сталей приковано пристальное внимание. Особые требования к высокопрочным арматурным сталям по стойкости к воздействию внешних факторов, безотказности, долговечности и другим параметрам
532
качества привели к увеличению трудоемкости испытаний [4]. Например, в соответствии с ГОСТ Р 9.915-2010 испытания на водородное охрупчивание требуют изготовления сложнопрофильных мембран из исследуемой стали и проведения опытов в течении, как минимум, 48 часов [2]. Испытания по ГОСТ 10145-81 на длительную прочность (ДП) сталей требуют изготовления цилиндрических образцов диаметром 5, 7 и 10 мм, проведение опытов в течении, - минимум 50 часов [5]. Назрела необходимость в разработке ускоренных, недорогих испытаний по оценке ДП натурных образцов из арматурной стали в условиях ВСК. Они уменьшат затраты на процесс изготовления образцов (требуется обрезать исследуемую арматуру до нужной длины, без её обтачивания до стандартных образцов и мембран), сократят сроки испытаний натурных образцов до нескольких часов, тем самым повысив оперативность получения и обработки результатов.
Цель данной работы - анализ влияния электролитического наводороживания при различных режимах поляризации, температуре и способе создания напряженного состояния на величину длительной прочности и характеристики механических свойств натурных образцов из высокопрочной арматурной стали (20ГС2, 30ГС) для уменьшения времени необходимого на проведение испытаний.
Объектами исследования являлись натурные образцы, в горячекатаном (А) и термомеханически упрочненном состояниях (Ат), без предварительного нанесения концентраторов напряжений из сталей 20ГС2 (класс прочности Ат1000 по ГОСТ 1088494) и 35ГС (класс прочности А800 по ГОСТ 5781-82), свойства которых представлены в табл. 1.
Таблица 1
Материалы исследований__
№ п/п Марка стали/класс прочности Профиль поверхности Диаметр, мм Химический состав, % Механические свойства
С Мп Б1 Б Р ов, МПа 00,2, МПа 85, %
1 20ГС2 Ат1000 Периодический 10 0,19 1,1 2,2 0,04 0,02 1300 1140 14,6
2 Гладкокатаный 10 0,18 1,3 2 0,03 0,02 1200 1080 15
3 35ГС А800 Периодический 10 0,31 0,8 1 0,01 0,02 1120 990 19
Химический состав сталей определяли с помощью стилоскопа «Спектр» по ГОСТ 12344-2003, ГОСТ 12345-2001; испытания на определение характеристик механических свойств (ов, 00,2(т) и 85) по ГОСТ 1497-84 поводили на универсальной электромеханической испытательной машине 1т1гоп 5882.
Результаты и их обсуждение.
Влияние состава агрессивной среды и режимов поляризации. Точно воспроизвести реальный состав среды эксплуатации очень сложно. Считали необходимым выбрать универсальный состав агрессивной среды, который удовлетворял бы основному требованию подобия по сравнению с реальной средой - обеспечивал бы именно хрупкое разрушение исследуемых образцов за счет водородной хрупкости при электролитическом насыщении [6].
Для определения состава и концентрации агрессивной среды, были проведены испытания на длительную прочность в коррозионной камере, изображенной на рис. 1 (анод был изъят из камеры) при одноосном растягивающем напряжении о = 0,6ов тер-моупрочненной арматурной стали 35ГС концы которой были зафиксированы в испытательной машине. При испытании образцов в водных растворах серной и соляной кислот (табл. 2, №1, 2) было обнаружено, что арматурные стали имеют склонность к хрупкому разрушению даже при малых концентрациях кислот. Причиной разрушения считали водородное охрупчивание и общую коррозию. В дальнейших испытаниях в рас-
творы добавляли роданистый аммоний ЫИ4СЫ8 (табл. 2, № 3-5), который тормозит общую коррозию и ускоряет процесс абсорбции и диффузии водорода. Из-за этого хрупкое разрушение происходило без признаков коррозии поверхности образцов.
Рис. 1. Камера для наводороживания: 1 — пробка; 2 — камера; 3 — платиновая спираль; 4 — крышка; 5 - образец; 6 - гайка
Разрушение в ходе водородного охрупчивания и общей коррозии указывает на протекание как анодных, так и катодных электрохимических процессов. Образцы после различной длительности насыщения должны были иметь различный уровень микронапряжений в поверхностном слое, обусловленный развитием эффекта Ребиндера. Для выявления превалирующего фактора, ответственного за хрупкое разрушение, далее в качестве способа насыщения использовали метод электрохимической поляризации в коррозионной камере (с анодом, выполненным в виде платиновой спирали, диаметром витков, равным 40 мм) изображенной на рис. 1.
Таблица 2
Влияние состава среды и плотности тока на длительную прочность _стали 35ГС (Ат800)__
N п/п Состав коррозионной среды Плотность катодного тока, А/м2 ДП при о=0,6ов, мин
1 4,5% H2SO4 310
2 3% HCl 960
3 2,5% NH4CNS 2880 *
4 4,5% H2SO4 + 2,5% NH4CNS 820
5 3% HCl + 2,5% NH4CNS 1440
6 4,5% H2SO4 + 2,5% NH4CNS 60 62
7 3% HCl + 2,5% NH4CNS 60 45
* - образцы не разрушились.
На рис. 2 представлена полная кривая ДП арматурной стали 35ГС при анодной и катодной поляризации. Видно, что при незначительном увеличении плотности катодного тока наблюдается резкое увеличение ДП с последующим, таким же резким, ее снижением. Перелом кривой происходит при плотности тока ук=55 А/м2. Резкое увеличение ДП при малых плотностях катодного тока показывает, что в данном растворе, наряду с водородной деполяризацией, активно протекают анодные процессы, которые подавляются при катодной поляризации. При плотности тока 60 А/м2 наблюдается уменьшение интенсивности снижения ДП. При плотности тока большей 300 А/м2 - изменения незначительны. Это свидетельствует о том, что дальнейшее увеличение плотности катодного тока не приводит к усилению эффекта водородного охрупчивания в
связи с ограниченной возможностью поверхности металла поглощать водород, а также из-за образования вокруг катода сплошной рубашки из пузырьков Н2, препятствующих контакту среды с образцом.
Зл <— -> )к А/м-
Рис. 2. Влияние катодной и анодной поляризации на хрупкое разрушение стали 35ГС при напряжении 600 МПа в растворе (4,5 % N2804+2,5 % NN€N8)
Анодная поляризация препятствует адсорбции водорода на поверхности образца, а также снижает разность потенциалов, обусловленную концентраторами напряжений, что приводит к увеличению ДП. При увеличении плотности анодного тока ускоряется электрохимическое растворение образца, что приводит к образованию микротрещин и коррозионному растрескиванию.
Из приведенных результатов видно, что добавка роданистого аммония и катодная поляризация образца резко сокращают длительную прочность. Незначительная разница в ДП коррозионных сред № 6 и № 7 (табл. 2) объясняется различными воздействиями анионов 804 и С1 в сочетании с группой СЫБ. Хлор является активатором анодного процесса и вследствие очень малых размеров иона обладает способностью проникать в мельчайшие поры и несплошности в окисных пленах на металлах, ускоряя процесс разрушения последних. Для устранения этого эффекта, способного маскировать водородное охрупчивание, в качестве коррозионной среды для дальнейших испытаний был принят водный раствор 4,5% И2£04+2,5% ЫИ4СЫ8 и режим катодной поляризации ук=60 А/м2, позволяющий быстро проводить электролитическое наводорожи-вание, но не доводить до критической скорости насыщения, при которой трудно наблюдать кинетику охрупчивания из-за скоротечности процесса.
Воздействие на напряженный металл агрессивной среды, приводит к более резкому изменению механических свойств (рис. 3). Дополнительная катодная поляризация образца в напряженном состоянии ведёт к еще более резкому изменению характеристик механических свойств (рис. 4). С изменением уровня растягивающих напряжений происходит ускорение процесса зарождения микротрещин и их лавинообразное развитие, ведущее к резкому разупрочнению образца.
Из рис. 3 и 4 видно, что диффундирующий водород при наличии растягивающих напряжений может привести к водородной хрупкости. Основную роль в зарождении и развитии коррозионной микротрещины играют внешние растягивающие напряжения. Наличие коррозионной среды лишь способствует более быстрому протеканию локальных процессов.
Влияние температуры. При испытаниях в среде контролировали также влияние повышения температуры эксперимента на изменение ДП стали. На рис. 5 представлены кривые ДП стали 20ГС2, испытанной при 25 и 100 °С.
Рис. 3. Механические свойства стали 20ГС2 при выдержке в среде (4,5% N2804+2,5% NИ4CNS) под напряжением: 1 - 0,5ая; 2 - 0,6ая; 3 - 0,7об
Рис. 4. Механические свойства стали 20ГС2 при выдержке в среде 4,5% N2804+2,5% NИ4CNS с катодной поляризацией (¡ж = 60 А/м2) под напряжением: 1 — 0,5ав; 2 — 0,6об; 3 — 0,7ав
1И»
300
1? (У
а
№ |Ь0
Время до разрушения г 111111
не
Рис. 5. Влияние температуры эксперимента на длительную прочность в растворе 4,5 % И2804+2,5 % МИ4С№ с катодной поляризацией (¡к = 60 А/м2) при температуре: 1 — 25 С; 2 —100 С
При высоких уровнях растягивающих напряжений наблюдается уменьшение ДП при испытании в нагретой среде. Т.к. ж/б конструкции в основном эксплуатируются при температуре окружающей среды, то испытания рекомендуется проводить при комнатной температуре.
Влияние способа создания напряженного состояния. Далее выяснили уменьшит ли время необходимое на проведение испытаний способ создания напряженного состояния. Предварительно напряженная арматура в ж/б конструкциях испытывает растягивающие нагрузки, а также нагрузки на изгиб (в горизонтальных ж/б конструкциях). Поэтому испытания по определению ДП проводили с помощью одноосного растяжения при постоянной нагрузке и при постоянной деформации, а также в условиях изгиба при постоянной нагрузке. Результаты испытаний по определению ДП стали 20ГС2 в растворе 4,5 % #2504+2,5 % ЫИаС^ с катодной поляризацией при плотности тока]к=60 А/м2 приведены на рис. 6.
Зоны ДП изображены на рис. 6 разными цветами. Различное расположение зон ДП говорит о том, что при одноосном растяжении (зона 1) с постоянной нагрузкой реализуются самые «жесткие» условия. В процессе зарождения и развития трещин происходит уменьшение живого сечения образца, что приводит к возрастанию растягивающих напряжений и деформации образца [7].
1200
я
= 1000 ^
С 800
«I
в 601) а
я
к 400 с.
Л 200
30 60 90 120 150 180 210 240 Время дбразрушения т,„ мин
270 300 330
Рис. 6. Длительная прочность арматурной стали 20ГС2, полученная при: 1 - одноосном растяжении с постоянной нагрузкой; 2 - растяжении при изгибе с постоянной нагрузкой; 3 - одноосном растяжении при постоянной деформации
При испытании, где образец находится в напряженном состоянии при постоянной деформации, происходит релаксация напряжений, что и обусловливает увеличение времени до разрушения [8, 9]. Релаксационные процессы, сопровождающие зарожде-
537
ние и развитие микротрещин, не изменяют характера зависимости стойкости против водородного охрупчивания от уровня растягивающего напряжения. В последнем случае за счет изгиба создается сложное напряженное состояние, в результате чего за счет изменения напряжения в сечении образца специфически протекают адсорбционные и диффузионные процессы. Все перечисленное приводит к замедлению процесса разрушения. При уровнях растягивающих напряжений 500...600 МПа происходит совпадение результатов испытаний при постоянной деформации и на изгиб. Из приведенных результатов видно, что в зависимости от способа создания напряженного состояния изменяется ДП, но характер зависимости ДП при изменении уровня растягивающих напряжений остается постоянным.
Выводы:
1. Разработаны условия для ускоренных испытаний длительной прочности натурных образцов из арматурной стали в условиях водородной стресс-коррозии, которые уменьшают затраты на изготовление образцов; сокращают сроки испытаний натурных образцов до нескольких часов вместо стандартных 50-ти часовых испытаний, тем самым повышая оперативность получения и обработки результатов.
2. В качестве универсальной агрессивной среды для ускоренных испытаний выбрали водный раствор 4,5% И2804+2,5% ЫИ4СЫ8 который тормозит общую коррозию и ускоряет процесс абсорбции и диффузии водорода в объём образца.
3. Оптимальной считали катодную поляризацию при плотности тока ук=60 А/м2, позволяющей быстро проводить электролитическое наводороживание, не доводя его до критической скорости насыщения, при которой трудно наблюдать кинетику охрупчивания из-за скоротечности процесса.
4. Нагрев агрессивной среды существенно не ускоряет проведение испытаний на длительную прочность высокопрочных арматурных сталей в условиях ВСК
5. Испытания на длительную прочность при одноосном растяжении с постоянной нагрузкой обеспечивают наименьшее время необходимое на разрушение образца из различных металлических материалов.
Список литературы
1. Хонелидзе Д.М., Гвоздев А.Е., Сергеев А.Н., Чуканов А.Н. Влияние химического состава стержневой арматуры на сопротивление водородной стресс-коррозии // VII Международная конференция "Деформация и разрушение материалов и наноматериалов": сб. материалов. Тула: 2017. С. 747-749.
2. ГОСТ Р 9.915-2010 Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Металлы, сплавы, покрытия, изделия. Методы испытаний на водородное охрупчивание. М.: Стандартинформ, 2011. 39 с.
3. Хонелидзе Д.М. Ускоренные испытания в оценке роли водорода при разрушении арматуры железобетонных конструкций // «Физико-химия и технология неорганических материалов»: сб. тр. ХШ Российской ежегодной конф. молодых научн. сотрудников и аспирантов. М: ИМЕТ РАН, 2017. С. 159-161.
4. Хонелидзе Д.М., Чуканов А.Н., Гвоздев А.Е., Сергеев А.Н. Нейронные сети в прогнозировании длительной прочности и выборе сталей для работы в условиях водородной стресс-коррозии // «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах». XV Межд. школа-семинар: Сб. тез. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2018. С. 165.
5. ГОСТ 10145-81. Металлы. Метод испытания на длительную прочность. М.: Издательство стандартов, 1981. 8 с.
6. Хонелидзе Д. М. Ускоренные испытания в оценке роли водорода при разрушении арматуры железобетонных конструкций // XIV Российская ежегодная конф. молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов" (с междунар. участием): сб. тр. ИМЕТ РАН. М., 2017. С. 159-161.
538
7. Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Хонелидзе Д.М., Сапожников С.В. Аномальные механические свойства некоторых металлических систем: монография / под ред. д-ра техн. наук, проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 149 с.
8. Чуканов А.Н., Гвоздев А.Е., Сергеев А.Н., Терешин В.А., Хонелидзе Д.М., Леонтьев И.М. Релаксация напряжений около поры в конструкционных сталях в условиях водородной стресс-коррозии // «Деформация и разрушение материалов и нанома-териалов», VII Межд. конф.: Сб. материалов, ИМЕТ РАН. М., 2017. С. 859-861.
9. Сергеев Н.Н., Терешин В.А., Чуканов А.Н., Колмаков А.Г., Яковенко А.А., Сергеев А.Н., Леонтьев И.М., Хонелидзе Д.М., Гвоздев А.Е. Формирование пластических зон около сферической полости в упрочненных низкоуглеродистых сталях в условиях водородной стресс-коррозии // Материаловедение, 2017. № 12. С. 18-25.
Хонелидзе Давид Мамукович, ассистент, dato12122@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Чуканов Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, alexchukanov@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,
Метелкина Дарья Сергеевна, преподаватель, ochhappy@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Пантюхин Олег Викторрович, канд. техн. наук, доцент, olegpantyukhin@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF TEST CONDITIONS ON LONG TERM STRENGTH OF HIGH STRENGTH REINFORCING STEELS IN CONDITIONS OF ELECTROLYTIC HYDROGENA TION
D.M. Honelidze, A.N. Chukanov, A.E. Gvozdev, D.S. Metelkina, O.V. Pantyukhin
The analysis of the influence of aggressive environment, polarization modes, temperature and method of creating a stress state on the values of long-term strength and characteristics of the mechanical properties of full-scale samples of high-strength reinforcing steel to accelerate the tests. It has been shown that testing long-term strength of full-scale samples of high-strength reinforcing steel with electrolytic hydrogenation in an aqueous solution of 4.5% H2S04 + 2.5% NH4CNS and a cathode polarization mode jK = 60 A/m2 under uniaxial tension with constant load reduces the cost of sample development; reduce the time of testing full-scale samples to several hours; increase the efficiency of obtaining and processing results.
Key words: reinforcing steel, long-term strength, electrolytic hydrogenation, hydrogen stress corrosion.
Honelidze David Mamukovich, assistant, dato12122@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University. L.N. Tolstoy,
Chukanov Alexander Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Gvozdev Aleksandr Evgen'yevich, doctor of technical science, professor, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Metelkina Daria Sergeevna, teacher, ochhappy@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Pantyukhin Oleg Viktorovich, candidate of technical science, docent, publishing director, olegpantyukhin@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 655.025
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ МАРКИРОВКИ ПОЛИМЕРОВ
Н.Е. Проскуряков, О.В. Быкова, Т.В. Визавитина
Рассмотрены технологические процессы маркировки полимеров и их поверхностные реакции, исследован принцип работы лазерного устройства типа YAG, проведен термогравиметрический анализ двух полимеров высокой плотности, приведена методика оценки качества проведенной маркировки полимера.
Ключевые слова: полимер, пластмасса, температура, лазер, маркировка, качество, штрих-код, лазер YAG.
Необходимость в маркировке выпускаемой продукции обуславливается сразу рядом причин: безопасностью, удобством, защитой от подделок. Маркировка позволяет производить точную идентификацию продукта, поступающего на рынок, определить место его производства и подтвердить качество. С повышением уровня автоматизации также возникла потребность в маркировке изделий и грузов для упорядочивания их размещения на складах.
Уровень современного производства требует обеспечивать возможность нанесения опознавательных знаков, штрих-кодов и защитных элементов не только на бумажные и картонные поверхности, но и на пластмассы и прочие полимерные материалы. Если маркировка бумажных материалов освещена довольно широко, то работа с полимерными материалами представляет определенный интерес.
Для нанесения на полимерные материалы дат, штрих-кодов и логотипов применяется технология лазерной маркировки. Точность регулировки работы лазера, а также относительная экологичность этого процесса, сделали его более распространенным, чем работа с чернилами и шаблонами. Хотя лазерная маркировка стала известна довольно давно, но не получала развития из-за того, что работала только с заданным набором цветов, а высокая стоимость самого оборудования делала эту процедуру совсем не привлекательной [1].
За последние годы фирмы-производители полимеров и красителей смогли расширить цветовой диапазон работы лазеров, а усовершенствование технологии позволило увеличить производительность, что в конечном итоге подтолкнуло технологию лазерной маркировки к быстрому распространению.
Один из наиболее распространенных лазеров, работающий с длиной волны близкой к инфракрасному спектру (1064 нм) - YAG-лазер на кристалле иттрий-алюминиевого граната с неодимом. Его принцип работы дает возможность повысить не только скорость нанесения маркировок, но также их качество. В сравнение приведем лазер CW CO2, работающий с длиной волны 10,6 мкм, не позволяющий выработать достаточную пиковую мощность для создания маркировок высокой контрастности.
540
