Характеристики сталі під час обстеження

Навіщо уточнювати властивості сталі

Під час проєктування нових конструкцій розрахункові характеристики сталі призначають за стандартами, які встановлюють значення на основі статистичної обробки вибіркових випробувань на металургійних заводах. В умовах експлуатації й реконструкції під час технічного обстеження характеристики сталі потрібно уточнювати для кожної конструкції або групи конструкцій. Як показують масові обстеження, такий підхід дає змогу виявити значні резерви несучої здатності конструкцій.

Значущість властивостей залежить від умов роботи. Наприклад, за низьких температур особливо важлива схильність сталі до крихкого руйнування, а для підкранових балок — характеристики втомної міцності. Властивості можна встановити прямими методами (випробування проб і зразків, узятих із конструкцій — точніші, але трудомісткі) і непрямими (неруйнівний контроль — менш точний, але простіший).

Вид і кількість випробувань залежать від аналізу наявної документації: креслень КМ (марки сталі, електродів, металовиробів), креслень КМД (відхилення від проєкту), сертифікатів на сталь, актів і журналів робіт, попередніх звітів про обстеження. Випробування обов’язкові, якщо відомостей про матеріал конструкцій недостатньо, а також якщо виявлено пошкодження, пов’язані з якістю металу (розшарування, тріщини, крихке руйнування).

Під час дослідження й випробування металу визначають:

• хімічний склад: вуглець, кремній, марганець, сірку й фосфор (для всіх сталей), хром, нікель і мідь (для низьколегованих), а за потреби — азот;
• границю плинності, тимчасовий опір і відносне подовження під час розтягу;
• ударну в’язкість за температури −20 °C для вуглецевої сталі й −40 °C для низьколегованої (за потреби — після механічного старіння);
• розподіл сірчистих включень способом відбитків за Бауманом.

Для конструкцій із меншою відповідальністю, що працюють за невисоких напружень і не за дуже низьких температур, частину випробувань можна не проводити.

Кількість проб і зразків, їхні розміри

Кількість проб і зразків, узятих із металу конструкцій, має бути мінімальною за достатньої надійності результатів, як і обсяг вирізаного металу: збільшення кількості й обсягу зразків підвищує трудомісткість і послаблює конструкцію. Щоб ідентифікувати матеріал, метал конструкцій розбивають на партії: до партії належать елементи одного виду прокату (за номерами, товщинами й марками сталі), що входять до одних і тих самих конструкцій. Кількість проб від кожної партії має бути не меншою за визначену нормами.

Для хімічного аналізу з конструкцій беруть стружку, яку отримують свердлінням певних місць, обробляючи весь поперечний переріз прокату або його симетричну половину. Перед взяттям проби поверхню очищають від мастила, бруду, фарби й продуктів корозії до металевого блиску; пробу відбирають без змащення.

Для випробування на розтяг із конструкцій вирізають заготовки, з яких виготовляють циліндричні зразки діаметром від 3 мм або плоскі завтовшки від 0,5 мм; в умовах експлуатації переважні короткі зразки. Основним для циліндричних зразків є діаметр 10 мм; для листової сталі й фасонного прокату завтовшки до 25 мм застосовують плоскі зразки зі збереженням поверхневих шарів прокату. Під час вирізання потрібні припуски, що охороняють зразок від наклепу й нагрівання; за вогневого різання — не менше 15 мм від лінії різу до краю готового зразка при товщині прокату до 60 мм і 20 мм при товщині понад 60 мм. Для ударної в’язкості використовують стандартні зразки з U- або V-подібним концентратором залежно від відповідальності конструкцій.

Де відбирають проби

Місця відбору призначають з урахуванням навантаженості елемента: властивості сталі має бути визначено для найневигідніших меж, тому найбільший інтерес становлять властивості металу найбільш навантажених елементів. Спочатку визначають елементи з найвищим рівнем напружень. В умовах експлуатації заготовки зазвичай вирізають вогнем, а послаблені місця підсилюють електрозварюванням, тому місця відбору мають бути доступні.

Значний вплив на результати має текстура прокату, тому слід визначити напрямок прокатування й відбирати та виготовляти зразки: із сортового й фасонного прокату — вздовж напрямку прокатування; для листових елементів, напрямок прокатування яких не встановлено, — вздовж основного силового потоку.

Аналіз результатів і призначення розрахункових характеристик

Хімічний аналіз визначає відсотковий вміст елементів. Насамперед звертають увагу на вміст шкідливих домішок — сірки й фосфору, що роблять сталь червоно- і холодноламкою: залежно від умов експлуатації підвищений вміст може виключити подальше використання конструкцій. Особливу увагу приділяють ступеню розкислення сталі, який орієнтовно визначають за вмістом кремнію. Для його уточнення (а також за використання розкислювачів без кремнію) застосовують відбитки за Бауманом: на підготовлений шліф накладають аркуш фотопаперу, змоченого 5 % розчином сірчаної кислоти; за 5–10 хвилин проявляється макроструктура з розташуванням сірчистих включень. На відбитку киплячої сталі видно багато темних смуг (сульфідних рядків), напівспокійної — поодинокі рідкі смуги, спокійної — смуг немає або є рідкі точкові включення.

За хімічним складом оцінюють і зварюваність — комплексну характеристику, що включає міцність з’єднання, стійкість до гарячих і холодних тріщин, холодноламкість. В експлуатованих зварних конструкціях непрямою оцінкою є стан зварних швів: якщо тріщин, спричинених самим процесом зварювання, не виявлено, додаткових оцінок зазвичай не потрібно. Зазвичай зварюваність оцінюють за вуглецевим еквівалентом: сталь вважається такою, що добре зварюється, коли він не перевищує 0,45 %; звичайна маловуглецева сталь добре зварюється за вмісту вуглецю до 0,22 %, сірки до 0,055 %, фосфору до 0,050 % і кремнію до 0,22 %.

Основні характеристики міцності встановлюють за результатами механічних випробувань. Оскільки несучу здатність існуючих конструкцій визначають за методикою граничних станів, за результатами випробувань потрібно призначити нормативний і розрахунковий опір сталі. Якщо для кожної партії випробувано 10 і більше зразків, нормативний опір визначають статистичними методами: приймають значення границі плинності із забезпеченістю не нижче 95 % (розподіл границі плинності близький до нормального); за обмеженої вибірки враховують, що статистичні характеристики можуть відрізнятися від параметрів генеральної сукупності, і довірчу ймовірність призначають залежно від відповідальності конструкцій. У всіх випадках нормативний опір не приймають вищим за мінімальну отриману границю плинності.

Якщо кількість випробувань обмежена й безпосередньо використати результати неможливо, за матеріалами випробувань визначають марку сталі або її аналог за нормами періоду будівництва, а розрахункові характеристики призначають із урахуванням досвіду. Коефіцієнти надійності за матеріалом для існуючих конструкцій регламентують чинні норми проєктування сталевих конструкцій.

Експрес-аналіз і непрямі методи

Непрямі методи неруйнівного контролю (твердомір, ультразвук тощо) менш точні, але швидкі й не послаблюють конструкцію; їх застосовують для експрес-оцінки міцності й для вибору місць, де потрібні прямі випробування. Остаточні висновки про несучу здатність ґрунтуються на прямих випробуваннях проб і зразків.