К вопросу о снижении механических свойств углеродистой конструкционной стали после воздействия высоких температур
Конструкционные материалы – это материалы, из которых изготовляются детали машин или элементы конструкций (сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, твердость и др.
В настоящее время сталь является одним из важнейших конструкционных материалов для создания быстровозводимых конструкций: ангаров, ферм, навесов, павильонов, складов и быстровозводимых зданий.
Однако, металлоконструкции из стали обладают высокой чувствительностью к повышению температуры, которая может достигать высоких значений при возникновении пожара в здании. Достаточно быстрое снижение механических свойств стальных конструкций связано с высокой теплопроводностью железа, входящего в состав стали, поэтому стальная конструкция при пожаре быстро прогревается по всему сечению, что заметно снижает её механические свойства.
Проведенный эксперимент наглядно продемонстрировал, что у стального образца №1, подвергнутого нагреву до температуры 850 ºС в течении 10 минут снизилась твердость по сравнению с таким же стальным образцом, без теплового воздействия, которое можно оценить по изменению диаметра отпечатка (рис.1).
Рис. 1. Образцы из углеродистой конструкционной стали (справа образец после нагревания, слева без теплового воздействия)
Твердость образцов измерялась по методу Бринелля на твердомере ТШ-2М (рис. 2). Условия испытания: нагрузка - 30000 Н, диаметр индентора – 10 мм, выдержка под нагрузкой – 10 сек. После вдавливания индентора в поверхности образцов проводилось измерение диаметров полученных сферических отпечатков с помощью микроскопа Бринелля МПБ-2. Результаты измерений и значение полученной твердости образцов представлены в таблице 1.
Рис. 2. Измерение твердости образцов на твердомере ТШ-2М
Таблица 1. Результаты эксперимента по определению твердости образцов из углеродистой стали
№ | Температура нагревания, ºС | Диаметр сферического отпечатка, мм | Твердость НВ по ГОСТ |
1 | Без теплового воздействия | 3,35±0,05 | 331 |
2 | 850 | 4,20±0,05 | 207 |
Помимо твердости образца №1, подвергнутого нагреванию до высоких температур, также снизилась и его прочность. Для измерения предела прочности стали используют разрушающие методы контроля, а именно испытания стандартных образцов на растяжение на специальных разрывных машинах. Оценить изменение предела прочности стали после воздействия высоких температур можно и без разрушения образца, используя зависимость между твердостью и прочностью металлов (сплавов). Для этого достаточно измерить твердость образца №1 и данное значение твердости умножить на поправочный коэффициент. Например, для стали с твердостью по Бринеллю более 175, предел прочности рассчитывается по следующей формуле:
σв = 3,5*НВ, (1)
где σв - предел прочности материала при растяжении (МПа);
НВ – значение твердости по Бринеллю (МПа)
3,5 – поправочный коэффициент для стали, при НВ>175.
Подставив в данную формулу значения твердости первого и второго образцов получили следующие значения пределов прочности: σв1 = 1158 МПа и σв2 = 724 МПа. Можно сделать вывод, что после нагревания образца №1 (изготовленного из конструкционной углеродистой стали) до температуры 850ºС и последующего охлаждения предел прочности образца снизилась на 37,5 %.
Подведя итог выше сказанному, можно сделать вывод, что, зная поверхностную твердость некоторых металлов и сплавов можно примерно оценить предел прочности данного материала, не прибегая к разрушающим методам контроля механических свойств. Кроме того, следует отметить, что основным недостатком стали как конструкционного материала является высокая чувствительность к повышению температуры.
