Испытания арматурной стали на растяжение

Физико-механические испытания арматурной стали заключаются в испытании ее на растяжение для определения относительного удлинения после разрыва, предела текучести и временного сопротивления разрыву, а также в испытании стержневой арматуры на загиб в холодном состоянии и арматурной проволоки на перегиб.

Для испытания арматурной стали на растяжение полную длину образца выбирают с таким расчетом, чтобы его рабочая длина (часть образца, расположенная между губками захвата разрывной машины) составляла: для стали диаметром (d) до 20 мм – не менее 200 мм, свыше 20 мм – не менее 10 мм.

Таким образом, полная длина образца для стали диаметром до 20 мм принимается 300…350 мм, при диаметре 20…30 мм – 400…450 мм и при диаметре 32…40 мм – 550…600 мм.

Отобранные для испытания образцы измеряют и взвешивают с точностью до 1 г – при диаметре образца менее 10 мм, 2 г – при диаметре 10…20 мм и 10 г – при диаметре образца более 20 мм. Длину измеряют с точностью до 0,5 мм. По значениям длины и массы определяют площадь поперечного сечения образца F₀, м²:

,

где m – масса образца, кг; l – длина образца, м; r – плотность стали (r = 7850 кг/м³).

Для круглых гладких образцов диаметром от 3 до 40 мм допускается вычислять площадь поперечного сечения по фактическому диаметру образца. Для этого с помощью штангенциркуля определяют фактический диаметр образца в трех местах по длине (в середине и по концам рабочей части образца), каждый раз в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Затем вычисляют средний фактический размер.

После определения площади поперечного сечения образца производят его кернование. Для этого по длине рабочей части образца вручную с помощью кернов или на делительной машине наносят риски.

Подготовленный к испытаниям образец устанавливают в захваты машины и закрепляют в них.

При проведении испытаний следят за нарастанием нагрузки по движению стрелки силоизмерительного прибора и за деформацией образца по диаграмме растяжения. Сначала стрелка будет двигаться равномерно, и на диаграмме растяжения (рис. 2.11),
выражающей зависимость между нагрузкой (вертикальная ось) и
абсолютным удлинением образца (горизонтальная ось), это выразится наклонной прямой (от начала координат до точки 1), которая свидетельствует о том, что удлинение образца возрастает пропорционально нагрузке. Через некоторое время стрелка на какой-то момент остановится, а затем вновь начнет двигаться.

 

P

а б

Удлинение, Dl, мм

S

K

0

0,2 % от l0

Dt

Pс,2

Pр

Pмакс

Pт

 

Рис. 2.11. Диаграмма растяжения:
а – с площадкой текучести, б – без площадки текучести

Явно выраженная остановка стрелки силоизмерительного прибора указывает, что нагрузка достигла величины Р_т (точка 2), при которой деформация образца происходит без заметного увеличения нагрузки, т.е. образец самопроизвольно вытягивается, металл течет. На диаграмме растяжения появляется горизонтальный участок «2 – 3». Напряжение, при котором появилась текучесть стали, называется пределом текучести. После кратковременной остановки стрелка вновь начинает двигаться, что свидетельствует о возрастании нагрузки и деформации образца. Увеличение нагрузки производится до момента разрушения образца. Величину нагрузки Р_макс, вызвавшую разрушение образца, определяют по показанию контрольной стрелки на шкале силоизмерительного прибора и записывают в протокол. На диаграмме максимальная нагрузка наблюдается в точке 4.

При отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести (рис. 2.11, б) рассчитывают условный предел текучести — напряжение, при котором остаточное удлинение (пластические деформации) достигает заданной величины, обычно 0,2 %. Соответственно условный предел текучести обозначается σ_0,2 и рассчитывается по формуле (2.3) с использованием в числителе Р_0,2 взамен Р_т.

 

Наиболее точная оценка величины σ_0,2 может быть выполнена при использовании тензометров. Поскольку допуск по удлинению для расчета условного предела текучести относительно велик, его часто определяют графически по диаграмме растяжения, если последняя записана в достаточно большом масштабе (не менее 10:1 по оси деформаций).

Физический предел текучести арматурной стали (σ_т, МПа) вычисляют с точностью до 5 МПа:

,(2.3)

где Р_т – нагрузка, соответствующая пределу текучести, Н; F₀ – площадь поперечного сечения образца, м².

Временное сопротивление разрыву арматурной стали (σ_в, МПа),

,

где Р_макс – наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Н.

Относительное удлинение после разрыва арматурной стали, %,

,

где l₀ – начальная расчетная длина образца, на которой определяется удлинение, мм; l_к – конечная расчетная длина, измеренная после разрыва образца на участке, включающем место разрыва, мм.

Величина l₀ (фактическая) устанавливается стандартом и принимается равной: для арматурной стали с номинальным диаметром 10 мм и более – 5 d; для стали диаметром 9 мм и менее – 100 мм.

Результаты испытаний заносят в протокол и по полученным результатам с использованием данных табл. 2.16, приложений 17, 18, 19 и 20 делают вывод о марке исследуемой стали и классе арматурной стали.

 

Таблица 2.20

 

Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества

Марка стали	Предел текучести, кгс/мм2 (МПа)	Предел прочности при растяжении, кгс/мм2 (МПа)	Относительное удлинение, %
Ст0 Ст1 Ст2 Ст3 Ст4 Ст5 Ст6 Ст7	– – 19…22 (190…220) 21…24 (210…240) 24…26 (240…260) 26…28 (260…280) 30…31 (300…310) …	Не менее 32 (320) 32…40 (320...400) 34...42 (340...420) 38...47 (380...470) 42...52 (420...520) 50...62 (500...620) 60...72 (600...720) 70 (700) и более	18...22 28...33 26...31 21...27 19...25 17...20 11...16 8...11

2.6.4. Изучение структуры сплавов
системы «железо-карбид железа»

Состояние технических сплавов железа (стали и чугуна) в зависимости от их химического состава и температуры описывается диаграммой состояния системы «железо-углерод» (рис. 2.12).

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие составляющие:

аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе с предельной концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1145 °С; с пони­жением температуры до 727 °С концентрация углерода уменьшается до 0,8 %. Сталь со структурой аустенита немагнитна; имеет высокую пластичность и вязкость, низкий σ_в;обладает хорошей ковкостью и твердостью (HB = 1700…2200 МПа);

феррит – твердый раствор углерода в α-железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 °С; имеет малую твердость (НВ = 800 МПа) и высокую пластичность;

цементит – химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (6,67 % С); имеет большую твердость (НВ = 8000 МПа) и хрупкость, слабомагнитен, плохо проводит электрический ток и тепло;

перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита; сталь (0,8 % С), имеющая структуру перлита, обладает большой прочностью (σ_в до 820 МПа) и твердостью (НВ до 2000 МПа);

ледебурит (4,3 % С) – механическая смесь (эвтектика) аустенита или перлита и цементита; при температуре ниже 727 °С аустенит превращается в пер­лит, при этом образуется смесь перлита и цементита; отличается высокой твердостью (НВ = 7000 МПа) и хрупкостью;

графит – углерод в свободном состоянии, располагающийся в ос­новной массе металла и имеющий развитую объемную форму в виде пластинок; кроме пластинчатого графита можно получить графит компактных форм (шаровидный или хлопьевидный), образующийся в результате распада цементита или выделяющийся из пересыщенных твердых растворов железа с углеродом. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Основные свойства сплава определяются содержанием главной примеси – углерода. Взаимодействие углерода с α- или
γ-модификациями железа приводит к образованию железоуглеродистых сплавов, различных по строению и свойствам. Построение диаграммы состояния железо-углерод (цементит) дает представление о температурных и концентрационных границах существования этих сплавов.

На диаграмме состояния «Железо-цементит» (рис. 2.12) линия ACD – линия ликвидуса, выше ее сплав находится в жидком со­стоянии; линия AECF – линия солидуса, ниже ее сплав находится в твердом состоянии. При температурах, соответствующих линии AECF,заканчивается первичная кристаллизация. В точке С при концентрации углерода 4,3 % образуется эвтектика, которая носит название ледебурит. Линия PSK – эвтектоидная линия, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS – линия нижних критических точек А₁. Линия GSE – начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS – линия верхних критических точек А₃; она показывает температуру выделе­ния феррита из аустенита. Линия SE – линия верхних критических точек А_т; она показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией предельной растворимости углерода в аустените.

 

Рис 2.12 Диаграмма состояния железисто-углеродистых сплавов

Сплавы, содержащие до 2,14 % С, условно называют сталями, более 2,14 % С – чугунами. Сталь, содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной сталью; менее 0,8 % С – доэвтектоидной; более 0,8 % С – заэвтектоидной.

Диаграмму Fe–Fe₃C используют для определения видов и температурных ин­тервалов термической обработки стали; для назначения температур­ного интервала при обработке давлением; для определения темпера­туры плавления и заливки сплава, его литейных свойств (жидкотекучести, усадки).

Основой процессов термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на базе α- и γ-железа. Поли­морфные превращения стали данного состава происходят в опреде­ленном интервале температур, ограниченном нижней А₁ и верхними А₃ и А_m критическими точками.

В результате полиморфизма происходит перекристаллизация в твердом состоянии. Перекристаллизация – это изменение кри­сталлического строения стали при ее нагреве или охлаждении до определенных температур.

Таким образом, термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержке их при этих тем­пературах и последующем охлаждении с различной скоростью с изменением структуры сплава, а следовательно, и его свойств.

Перемена режима термической обработки позволяет получить различные физико-механические свойства и структуры железоуглеродистых сплавов.

Основными операциями термической обработки являются отжиг, нормализа­ция, закалка и отпуск.

Отжиг – фазовая перекристаллизация, нагрев доэвтектоидной стали выше точки A₃, заэвтектоидной – выше точки А_т с после­дующим охлаждением вместе с печью. При полном отжиге структура сплава состоит из феррита и перлита (доэвтектоидные стали) или из перлита и вторичного цементита (заэвтектоидные стали). Отжиг снимает внутреннее напряжение, понижает твердость и повышает пластичность, устраняет химическую неоднородность. Неполный отжиг – это нагрев выше точки A₁, но ниже А₃; происходит неполная фазовая перекристаллизация.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяют для устранения дендритной или внутрикристаллитной ликвации в слитках легированной стали или крупных отливках. Отжиг проводят при температуре 1100....1200 °С в течение 8…20 часов.

В результате диффузионного отжига получают крупное зерно, поэтому слитки подвергают обработке давлением, а отливки для измельчения зерна – полному отжигу или нормализации.

Рекристаллизационный отжиг – нагрев выше температуры рекристаллизации (Т_рек) – применяют для устранения явлений, связанных с наклепом стальных изделий после их холодной деформации, в качестве промежуточной термической обработки. Температура нагрева в зависимости от состава стали 650...700 ºС. Продолжительность нагрева до 1,5 ч. При таком отжиге происходит рекристаллизация феррита, а также может протекать коагуляция и сфероидезация цементита, что значительно повышает пластичность стали и облегчает обработку давлением.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяют для
отливок, сварных изделий, а также других деталей, в которых в результате неравномерного охлаждения или неоднородной пластической деформации возникают остаточные напряжения. Температура отжига 350...600 ºС. Время отжига составляет обычно несколько часов.

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур
выше точек Ас₃ или Ас₁, выдержке и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига протекают фазовые превращения, приводящие к получению равновесной структуры.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, которая на 30...50 ºС выше точки Ас₃, и выдержке ее при этой температуре. В результате нагрева образуется мелкозернистый аустенит, который при медленном охлаждении превращается в мелкозернистую равновесную структуру, обеспечивающую высокую вязкость и пластичность, а также возможность получения высоких свойств после окончательной термической обработки. Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки.

Нормализация – нагрев стали выше точки А₃ с последующим охлаждением на воздухе; при этом достигается измельчение зерна и повышение прочности.

Закалка – нагрев стали выше точки А₃ ибыстрое охлаждение в воде или масле; при этом повышаются ее твердость и прочность.

Регулируя скорость охлаждения стали из аустенитного состояния, можно получать различные структуры: мартенсит, троостит, сорбит и перлит.

Структура мартенсита образуется при быстром охлаждении в результате перехода решетки твердого раствора γ-железа (аустенита) в решетку твердого раствора α-железа (феррита) без выделения углерода из раствора. Переход γ-железа в α-железо сопровождается изменением объемов кристаллических решеток, что вызывает
появ­ление внутренних дополнительных напряжений. Мартенсит
пред­ставляет собой пересыщенный раствор углерода в α-железе с иска­женной кристаллической решеткой. Сплав со структурой мартенсита обладает большой твердостью и прочностью.

Структура троостита образуется при более медленном охлажде­нии и представляет собой смесь феррита и цементита с высокой дис­персностью. Троостит имеет меньшую твердость и прочность, чем мартенсит.

Для получения структуры сорбита охлажде­ние должно быть еще более медленным. При этом зерна феррита укрупняются, образуется мелкодисперсная ферритокарбидная смесь.

Структура перлита образуется в результате очень медленного охлаждения сплава вместе с печью и является у эвтектоидных сталей конечной структурой распада аустенита; у доэвтектоидных сталей конечной структурой будет грубая смесь феррита и перлита; у заэвтектоидных – смесь перлита и цементита.

Отпуск – нагрев ниже точки А₁ и медленное охлаждение; его применяют как сопутствующую операцию после закалки для по­лучения более устойчивых структур. Высокий отпуск (нагрев до тем­пературы 700 °С) применяют для повышения пластичности и обраба­тываемости при небольшом снижении прочности закаленной стали; низкий отпуск (нагрев до температуры 250 °С) применяют для повышения вязкости закаленной стали при сохранении прочности.

Температурный интервал при горячей обработке давлением находится ниже линии солидуса на 100…150 °С (верхний предел) и выше линии критических точек А₃ на 25…50 °С (нижний предел).

Температуру плавления определяют по линии ликвидуса; температура заливки должна быть выше этой линии.При понижении температуры в аустените происходят превращения, связанные с уменьшением растворимости углерода в Fe_g и с фазовым переходом Fe_g Þ Fe_a (рис. 2.13 и 2.14).

Рис. 2.13. Фрагмент диаграммы состояния и схема структур сталей

При содержании углерода в стали до 0,8 % превращение Fe_g Þ Fe_a начинается на линии GS.

 

В сплавах, содержащих более 0,8 % углерода, превращение аустенита начинается на линии ES с выделения по границам аустенитных зерен избыточного вторичного цементита Ц_II (см. рис. 2.13). Температурные точки, соответствующие превращениям на линии ES, обозначают А_m. При уменьшении количества углерода в аустените до 0,8 при 723 °С процесс распада аустенита продолжается с одновременным выделением цементита и превращением аустенита в феррит. Распад аустенита при температуре 723 °С, обозначаемой А₁, с одновременным выделением феррита и цементита называют эвтектоидным, а образующуюся эвтектоидную смесь – перлитом. Перлит бывает пластичным и зернистым. Механические свойства перлита зависят от дисперсности частичек цементита (s_в = до 820 МПа, δ до 15 %, НВ до 2000 МПа).

 

Рис. 2.14. Характерные линии охлаждения железисто-углеродистых сплавов и схемы формирования структуры

Растворимость углерода в феррите при охлаждении до 20 °С уменьшается с 0,02 до 0,006 %. В результате на границах зерен феррита выделяются прослойки цементита, называемого третичным цементитом Ц_III.

Сплавы с содержанием углерода С более 2,12 % – чугуны при быстром охлаждении кристаллизуются с образованием карбидной эвтектики.

В доэвтектических чугунах (2,12 < С < 4,3 %) при охлаждении ниже температуры ликвидуса – L (линия АС) кристаллизация начинается с выделения аустенита (см. рис. 2.14). Вследствие кристаллизации аустенита расплав обогащается углеродом до 4,3 %.

В заэвтектических чугунах (4,3 < С < 6,67 %) избыточной фазой при кристаллизации по линии ликвидус – CD является цементит. Выделившиеся из жидкости крупные кристаллы цементита называются первичным цементитом – Ц_I.

При температуре солидуса S = 1130 °C кристаллизация жидкой фазы, содержащей 4,3 % углерода, происходит при одновременном выделении из нее кристаллов аустенита, содержащего 2,12 % углерода, и цементита с содержанием углерода 6,67 % (точка F). Образующаяся эвтектика называется ледебурит. В процессе охлаждения при температуре 730 °C (линия PSK, температура А₁) происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Таким образом, при температуре 20 °C конечная структура – ледебурит представляет собой смесь кристаллов цементита и перлита.
Вследствие этого ледебурит отличается высокой твердостью (НВ = 7000 МПа) и хрупкостью.

Диаграмма состояния позволяет определить химический состав фаз сплава и соотношение их количества при заданной температуре и концентрации компонентов. Для этого через заданную точку О (см. рис. 2.13) проводим горизонталь до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими область существования соответствующих данной области диаграммы фаз сплава. Опустив перпендикуляры из полученных точек m и n на ось концентрации компонентов, определим химический состав фаз. В нашем случае при температуре 800 °C структура сплава, как видно из диаграммы, состоит из феррита и аустенита. В феррите содержится 0,01 % углерода, в аустените – 0,54 %. Соотношение массы аустенита и феррита определяется по соотношению длин отрезков, на которых линия сплава делит проведенную через точку О горизонталь:

Из диаграммы видно, что по мере охлаждения доля отрезка on увеличивается, т. е. увеличивается количество выделившегося феррита.