Untitled Document

Относно някой особености на структурата и свойствата на армировъчна стомана клас AIII и качествата на заварените съединения
Проф.дтн Р.Русев, Гл.ас.П.Петров, Доц.К.Камбуров, инж.Ж.Димитров, Ст. ас Я. Петрова
ТУ-Варна, Акредитирана лаборатория по структурен анализ, ВСУ
(Email:alsa@buldata.com www.alsa.buldata.com)
За арматурни стомани клас A-III съгласно БДС 4758-84 се регламентират три марки нисколегирани стомани 25ГСТ, 25Г2С и 35ГС, състава и свойствата на които трябва да съответствуват на БДС 2591-71 (Taбл.1).

Табл.1

Стомана

Химически състав,%

MPa

25ГСТ

0,22-0,29

0,40-0,60

1,00-1,40

0,03-0,10

До 0,05

До 0,30

До 0,08

412

590

25Г2С

0,22-0,29

0,60-0,90

1,20-1,60

До 0,045

До 0,04

До 0,30

До 0,08

390

590

35ГС

0,30-0,37

0,60-0,90

0,8-1,2

До 0,045

До 0,04

До 0,30

До 0,08

390

590

Съгласно т.2.3. от БДС 4758-84, ако механичните свойства на стоманата отговарят на стандартните изисквания, то се допускат за стомани клас АIII по-големи отклонения на С, Si и Mn от регламентирания състав в табл.1., като се спазват изискванията за въглеродния еквивалент(С_екв), а имено:

С_екв= %С + %Mn/6 +Si/10

В нашия стандарт е регламентиран въглероден еквивалент С_екв=0,62 за стомани 35Г2С и 25Г2С и С_екв=0,54 за стомана 25ГСТ, а за подобните чужди стомани данните за химическия състав и механичните свойства са посочени в табл.2

Табл.2

Стомана	Стандарт	Химически състав,%			С_екв	Re	Rm	A
Стомана		С	S	P	С_екв	MPa	MPa	%
A-III	ГОСТ 5781	<0,37	<0,05	<0,04	-	390	590 (560 за 25Г2С)	14
A-II	ГОСТ 5781	<0,37	<0,05	<0,04	-	295	490	19
BSt 500S	DIN 488	<0,22	>0,05	<0,05	0,50	500	550	10
Grade 460	BS 4449	<0,25	>0,05	<0,05	0,48	460	510	12
Grade 60	ASTM A615	<0,28	>0,05	<0,05	0,50	415	621	8
Grade 40	ASTM A615	<0,28	>0,05	<0,05	0,50	300	490	12
FeE 400	NF A35-016	<0,28	>0,05	<0,05	0,50	400	460	14
SD 345	JIS 3112	<0,25	<0,045	<0,045	0,50	345	490	18

За разлика от нелегираните нисковъглеродни стомани, тези стомани притежават определена склонност към термично и термомеханично уякчаване, което е възможно да се проведе още в етапа на тяхното производство. Нещо повече, поради предевените по-големи изисквания към механичните свойства отколкото към химическия състав в стандартите и нормативните документи, производителите на тези стомани често прибягват към допълнителното им уякчаване, особено когато се наруши химическия им състав. Например в БДС 4758-84 e указано, че ако стоманата отговаря на изискванията за механични свойства, то минусовите отклонения на C и Si не се ограничават и при евентуални отклонения на тези елементи извън посочените в стандартa (Табл.1) стоманите се приемат.

Провеждането на допълнителната уякчаваща обработка специално за тези стомани може да се съчетае и съвмести в основния процес на горещо валцоване чрез извършване на ускорено охлаждане на проката (термично уякчаване) или по-често контролируема прокатка (термомеханично уякчаване-ВТМО), което в руската и украинска практика е широко навлязло. Струкрурата на стоманата след този вид обработки е от бейнитен тип (фиг.1) и обезпечава якост над 650 MPa и особено повишена условна граница на провлачване от около 450 MPa.

Фиг.1. Структура на aрматурна стомана клас А-III

При изпълнение на заваръчните работи на така уякчените стомани, ако структурата е с влошена термическа устойчивост, което може да се получи например при понижено съдържание на Si, то в зоната на термично влияние около завареното съединение се наблюдава чувствително спадане на якостните свойства и повишаване на пластичността на стоманата. Особено това е характерно за случаите на електросъпротивителното заваряване, при което осъществяването на завареното съединение е съпроводено с неминуемо прегряване на стоманата в по-голями обеми около съединението. Поради метастабилния характер на бейнитната структура и особено ако тя е получена след термомеханична обработка, при нагряването й протичат наред с прекристализационни процеси, така също и рекристализация. В околозаваръчните зони се наблюдават поредица от структурни състояния, характеризиращи се с нарастваща видманщетеност и едрина на зърното по направление на центъра на съединението и издребняване и формиране на полиедрична ферито-перлитна структура в зони граничещи с основната структура на стоманата, в които е протекла частична аустенизация и рекристализация-Фиг.3. На фигурата са представени макро- и микроструктурите на челно електросъпротивително заварено съединение на арматурна стомана клас АIII N^o25 (номинален диаметър ф25). В зависимост от режима на заваряване размерите на зоната на термично влияние е различна. Най-голямо разякчаване се получава в зоната на частична прекристализация. Именно поради това разрушаването на изпитваните на опън проби се концентрира в тази зона. Там се регистрира и най-голямо понижение на твърдостта, достигащо до 140HB спрямо изходната твърдост на стоманата от 250-260HB.

Фиг.2.Якостни и механични свойства на арматурна стомана клас AIII в неуякчено (а) и уякчено състояние (б)

Относно заваръчните съединения в Наредбата за изменение на Нар.3 от 1994г. е разработена методика за якостно пресмятане на заварените съединения, като са въведени коефициенти, отчитащи допустимото понижаване на якостта на стоманата в околността на шева в зависимост от вида на съединението и класа на стоманата. В стандарта и наредбите не е посочено условиe за късане на изпитваната проба задължително извън шева, но минималната сила на разрушаване се изчислява от действителната сила на разрушаване, а не от посочената допустима стойност за якостта на опън на стоманата. Това условие трудно се изпълнява за стомани доставяни в уекчено състояние, каквито случаи често се констатират при стомани клас АIII с руски и украински произход, за които обикновено горещото валцоване се съчетава с последваща термична обработка или е проведена термомеханична обработка. В този случай по-правилно е, при пресмятането на средната (Fc) и минималната (Fo) сила на разрушаване да се използат други по-занижени коефициенти (к1 и к2). Сравнявайки с аналогични стандарти действащи в Русия ( ГОСТ 10922-90, ГОСТ 10884-90, ГОСТ 5781-82), изискванията за якостта специално на стомана 25Г2С и на заварените съединения са занижени спрямо действуващите у нас нормативи, а именно за нормативна якост на тази стомана е прието снижажане до

Фиг.3. Макроструктура с разпределение на твърдостта и микроструктура на зоната на частична прекристализация (а,б), зоната на пълна прекристализация (в) и централната зона (г)на завареното съединение

стойност от 560МPa (ГОСТ 5781-82 т.2.6, при граница на провлачване не по-малка от 405МPа и относително удължение не по-малко от 20% ) , както и силата на разрушаване на завареното съединение се пресмята не от реалната сила на разрушаване на стоманата, а от нормативната й якост. В ГОСТ 14098-91 УСоединения сварньiе арматур и закладньiх изделий железобетонньiх конструкций. Типьi, конструкции и размерьiФ е прието за критерий за оценка на заварени съединения минимална якост на разрушаване от 500MPa. Очевидно в тези стандарти са отчетени по-точно вероятните по-големи отклонения на якостните качества на стоманата от различните производители и отражението им върху качествата на заварените съединения.
Т.к. отслабването на стоманата в зоната на термично влияние за челно електросъпротивително заварено съединение на уякчено доставена арматурна стомана е по-голямо от 10% спрямо реялната якост на стоманата, каквото е регламентирано в нашите нормативни документи, то независимо повишените якостни качества на стоманата и именно поради това, заварените съединения винаги са с поднормaтивни якостни показатели. Това затруднява нормалното им окачествяване и приемане. За да бъдат изпълнени условията на нормативните документи е необходимо да се оптимизира технологията на заваряване в насока провеждане на скоростно охлаждане на завареното съединение, което не винаги води до желаните качества, т.к. с това се повишава крехкостта на самото съединение.
Разрушаването на завареното съединение при изпитване на опън нормално се получава в зоната на непълна прекристализация извън съединението, където особено за уякчените стомани твърдостта е най-ниска и пластичността най-висока. Там се оформя шийка с по-голямо свиване, отколкото при разрушаване на самата стомана, а ломът е пластичен (фиг.4-а). Ако се проведе допълнителна термична обработка на завареното съединение (скоростното му охлаждане) общата якост на съединението нараства, но вероятността разрушаването да протече в самото съединение също нараства. Това е следствие на силно уядрената структура в съединението. В този случай ломът е крехък със зърнест характер (фиг.4-б). Увеличеното напречно сечение в зоната на челно завареното съединение до голяма степен компенсира намалената му якост вследствие уeдрената структура.
В заключение следва да се отбележи:
Ј Арматурната стомана клас A-III, често се доставя в уякчено състояние, което гарантира безпроблемното й приемане по отношение на механичните показатели, т.к задължително този тип стомани се окачествяват и контролират по механични свойства. Това обаче предполага едно по голямо разсейване в химическия състав и на самите механични показатели, което налага едно по-внимателно сортиране, маркиране и складиране на стоманата, както и по-стриктен контрол на качествата на различните доставки.
Ј При заваряване на този тип стомани се получава едно по-голямо отслабване в околозаваръчните
зони спрямо иначе високата им якост, което се дължи на термично неустойчивия характер на предварително уякчената структура от завода производител. Този факт не е отчетен в разработената методика за пресмятане и контрол на нормативните показатели за якостта на заварените съединенията в Наредбата за изменение на Нар.3 от 1994г., по която у нас те се окачествяват и приемат. Това реялно води до невъзможност да се достигнат тези нормативни показатели. Този казус в ГОСТ10922-90 е решен, чрез окачествяване на якостта на заварените съединения по нормативната якост на стоманата (Rm=590 MPa), а не по реялната и якост.

Фиг.5.Челно заварено съединение на арматурна стомана No25 (а) и фрактура на пластичен лом от разрушаване извън съединението (б) и на крехък лом от разрушаване през съединението (в,г)

Компенсиране на отслабването на якостта на завареното съединение е възможно да се постигне с допълнителна термична обработка, която на практика може да се реализира със скоростно охлаждане (с воден душ) на завареното съединение. За да бъдат изпълнени условията за якост на заварените съединения по БДС 7465-75 и Нар.No3-94 (ДВ,бр.97 от 1994г) и Наредбата за изменение на Нар.No3-94, публикувана в ДВ,бр.53 от 1999г. тази допълнителна обработка задължително трябва да се провежда, а ако съединенията се приемат по ГОСТ10922-90, тя не е необходима.