Определение временного сопротивления стали эксплуатируемых строительных металлоконструкций методами «твердометрии» при обследовании.

Известно, что временное сопротивление стали коррелирует с ее твердостью. Переход от значения твердости к временному сопротивлению стали осуществляется путем умножения значения твердости по шкале Бринелля на эмпирический коэффициент, равный 0,34 [4].

Для деталей, изготовленных из стали перлитной группы, используют портативные твердомеры, реализующие методы экспресс-оценки твердости, такие как метод динамического взаимодействия индентора с поверхностью и метод внедрения индентора в поверхностный слой детали под воздействием колебания ультразвуковой частоты.

При динамическом взаимодействии определяется косвенная характеристика - отношение скорости при ударе и отскоке индентора.

При внедрении колеблющегося индентора с ультразвуковой частотой под действием постоянного усилия косвенной характеристикой является площадь отпечатка на поверхности объекта контроля, пропорциональная частоте колебаний индентора.

Значения косвенных характеристик переводятся в условное число твердости.

Результаты испытаний на конструкциях и деталях, не испытывающих нагрузок, показывают хорошую сходимость значений временного сопротивления стали, определенного методами твердометрии и разрушающим методом контроля.

Практика обследования строительных металлоконструкций требует применения, неразрушающих методов оценки прочностных характеристик стали, эксплуатируемых металлоконструкций.

Для определения влияния напряжения в металле конструкции на значение твердости был проведен однофакторный эксперимент. Варьированию подвергалось усилие, прикладываемое к образцу при испытании на растяжение.

Для этого, при обследовании покрытия эксплуатируемого производственного здания из стальных прокатных двутавровых балок, были отобраны образцы, которые после подготовки, были подвергнуты испытанию на разрывной машине. В качестве образцов для испытаний на растяжение использовались стальные пластины прямоугольного сечения с размерами соответствующими требованиям ГОСТ 1497-84 [1], отбор проб производился в соответствии с ГОСТ 7564-97 [2].

Испытания проводились в два этапа. На первом этапе твердость определена на образцах притертых к массивной стальной пластине. На втором этапе образцы устанавливались в разрывную машину, и твердость измерялась при нарастании усилия, приложенного к образцу. При замерах твердости скорость нарастания нагрузки на образцы снижалась, но не останавливалась, то есть испытания проходили при постоянном нарастании пластических деформаций. Для получения значения временного сопротивления стали, образцы были доведены до разрыва.

На образцах были выделены две зоны замеров твердости образцов: первая располагалась на расстоянии 2 см от зажимных устройств, вторая находилась по середине длины зажатого образца (а=5см), в предполагаемом месте образования «шейки разрыва». Для минимизации колебаний образца испытания динамическим методом проводились на его торцевой поверхности.

Значения твердости в ходе испытаний снимались при нагрузке на образец равной 3, 5 и 9 тоннам.

Испытания показали что, на первом этапе испытаний (образцы не испытывают нагрузки), значения временного сопротивления стали определенные по значениям твердости твердомером динамического действия идентичны значениям временного сопротивления стали полученных при разрушающих испытаниях. На втором этапе и на первой ступени нагружения наблюдается существенное снижение значений твердости. На следующих ступенях нагружения снижение значений твердости продолжается, но на существенно меньшую величину, в сравнении с первым этапом нагружения.

По результатам разрыва было определено среднее значение временного сопротивления для всех образцов равное σВ= 432 МПа и назначена марка стали С285.

Согласно ГОСТ 22761-77 и РД-03-380 выполнен переход от твердости стали к временному сопротивлению и назначена марка стали на каждой ступени загружения образцов.

Испытаниями установлено, что на всех этапах испытаний ультразвуковой твердомер давал завышенные значения твердости. Следовательно при переходе получались завышенные значения временного сопротивления стали. Кривые изменения твердости, определенные обоими твердомерами имеют близкий характер.

При использовании твердомера динамического действия до приложения нагрузки на образец определено значение σВ=442 МПа на расстоянии 2 см, и σВ=445 МПа на расстоянии 5 см, что соответствует марке С285, и совпадает с данными полученными при проведении разрушающих испытаний.
После приложения нагрузки происходит падение значений твердости, временное сопротивление на расстоянии 2 см от зажимных устройств в среднем снизилось до σВ=390÷398 МПа, что соответствует стали С275, а на расстоянии 5 см - σВ=319÷346 МПа, что ниже марки С235. Несовпадение кривых можно объяснить влиянием давления, зажимных устройств.

Исходя из проведенных испытаний, можно сделать вывод - при определении временного сопротивления стали эксплуатируемых строительных металлоконструкций методами твердометрии, получаются значения, отличные от действительных значений временного сопротивления стали.

Методика определения временного сопротивления стали по ГОСТ 22761-77 и РД-03-380 неприменима для металлоконструкций, воспринимающих нагрузку.

Для корректного определения временного сопротивления стали элементов эксплуатируемых строительных металлоконструкций методами твердометрии требуется проведение исследований по изучению влияния напряжения на твердость стали.

Список литературы

ГОСТ 1497-84. Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний.

ГОСТ 7564-97. Межгосударственный стандарт. Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний.

ГОСТ 22761-77. Межгосударственный стандарт. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия.

РД-03-380. Инструкция по обследованию шаровых резервуаров и газгольдеров для хранения сжиженных газов под давлением.