Трубы прямоугольного сечения

При изготовлении и эксплуатации конструкций из таких профилей выяснилось, что они могут обладать пониженным сопротивлением хрупким разрушениям, например хладноломкостью, охрупчиванием при горячем цинковании, что ограничивает область применения этих прогрессивных профилей, в частности не рекомендуется их использование в конструкциях, предназначенных для северных районов.

Исследовали крупные профили (180 х 180 х 8), поскольку с увеличением толщины стенки растет опасность хрупкого разрушения. Изучали неоцинкованные и оцинкованные профили, так как горячее цинкование и операции, его сопровождающие, в первую очередь очистка кислотами, способствуют охрупчиванию металла из-за развития процессов водородной хрупкости. Анализ отказов ферм из названных профилей показал, что трещины распространяются перпендикулярно углам профилей, а также вдоль угловых зон и сварных швов. Известно, что зарождение трещин происходит в наиболее неблагоприятных в рассматриваемом отношении локальных зонах.

При изготовлении прямоугольных профилей по действующей технологии металл претерпевает значительную пластическую деформацию разных знаков, которая может способствовать понижению сопротивления хрупким разрушениям. Особенно большая пластическая деформация имеет место в области углов профиля, поэтому для решения поставленной задачи проводили сравнительные исследования металла, вырезанного как из углов, так и из граней профиля.

Рассматривали структурные факторы, влияющие на сопротивление стали хрупкому разрушению: тип микроструктуры, наличие вредных примесей и остаточных растягивающих напряжений в металле.

При рассмотрении свойств металла из неоцинкованного профиля видно, что металл граней профиля по прочности соответствует толстолистовому материалу аналогичной толщины по ГОСТ 19281-89, однако пластичность его, в частности относительное удлинение, ниже нормативной, что объясняется действием холодной пластической деформации при изготовлении профиля.

Известно, что полученное при холодной пластической деформации упрочнение испытываемой стали достигается главным образом благодаря повышению плотности неупорядоченных сеток дислокаций, хорошо видных при трансмиссионном электронномикроскопическом анализе. Доминирование подобного механизма упрочнения должно вести к понижению сопротивления проката хрупким разрушениям, в первую очередь при воздействии неблагоприятных факторов в процессе изготовления и эксплуатации конструкций. В частности, снижение сопротивления хрупкому разрушению может иметь местапри горячем цинковании. Температура горячего цинкования около 450° С.

Операции горячего цинкования могут особенно сказаться на ударной вязкости. Видно, что оцинкованный металл профилей охрупчивается гораздо сильнее, чем неоцинкованный. В частности, при t = -70° С неоцинкованный металл имеет достаточно большую ударную вязкость (57,5 Дж/см²), а оцинкованный разрушается хрупко: имеет треугольную форму диаграммы разрушения при максимальной нагрузке меньшей, чем предел текучести, не говоря уже о незначительной ударной вязкости (2,9 Дж/см²).

Повышение содержания газов в стали по мере увеличения степени наклепа естественно объясняется ростом дефектности кристаллической решетки при развитии процессов холодной пластической деформации. Микроструктура, формирующаяся в стали в результате наклепа, предопределяет насыщенность водородом поверхностных слоев металла и развитие водородной хрупкости, а упрочнение стали из-за высокой плотности неупорядоченных дислокационных сеток закономерно ведет к снижению эксплуатационных свойств проката.
Ряд факторов, снижающих сопротивление разрушению испытанных профилей, обусловлен структурой гнутосварных профилей в целом, а не особых локальных участков с повышенной степенью наклепа. Было установлено, что в поверхностных участках профиля имеют место значительные остаточные растягивающие напряжения, близкие к пределу текучести. Такие напряжения, определенные по прогибам специально вырезаемых фибровых продольных элементов 200 х 5 х 8 мм, должны облегчать зарождение разрушения профилей и усиливать насыщенность газами поверхностных слоев наклепанного металла.

Отрицательное воздействие на сопротивление хрупкому разрушению оказывает общая неравномерность структуры и свойств, обусловленная технологическими особенностями производства профилей из рулонов. Например, существенной неоднородностью структуры и свойств по длине обладают заготовки — рулонные полосы — из-за различных условий остывания внешних и внутренних витков рулона после окончания их горячей прокатки и смотки. Внутренние витки рулона подвержены большей деформации, чем внешние. Рулонная полоса из стали 09Г2С на металлургических заводах сматывается в рулон диам. от 900 до 1700 мм. Установлено, что металл внутренней части рулона диам. до 1200 мм обладает гораздо более сильной склонностью к деформационному старению и снижению ударной вязкости, чем металл внешней части рулона. При производстве толстой рулонной полосы и профилей из нее металл подвержен существенной деформации, различной по степени, знаку и ориентации к оси профиля. Это обстоятельство вызывает большую неоднородность и анизотропию механических свойств в профиле. Например, внутри одного неоцинкованного профиля при определении предела текучести на гранях наблюдался разброс 25 Н/мм², а в зонах углов — 113 Н/мм². Такая большая неравномерность и анизотропия свойств приводит в ряде случаев к снижению сопротивления хрупкому разрушению металла профилей.

Проведенные исследования показали, что при выпускаемой в настоящее время рулонной полосе из стали марки 09Г2С обычной чистоты и существующей технологии изготовления гнуто-сварных профилей закономерным выглядит появление в ряде случаев трещин, общими причинами чего являются: специфическая микроструктура, формирующаяся в наклепанном металле профилей, в первую очередь в углах; наличие значительных остаточных растягивающих напряжений в поверхностных слоях металла; неравномерность механических свойств, обусловленная неоднородностью исходной заготовки и дальнейшей сложной холодной пластической деформацией при изготовлении профилей.

Общими путями повышения сопротивления хрупким разрушениям гнуто-сварных профилей могут быть использование для конструкций северного исполнения более совершенных сталей, нежели сталь 09Г2С обычного качества, а также применение при изготовлении профилей специальной термической обработки, улучшающей структуру и свойства изделий. Для профилей, в том числе оцинкованных, предназначенных для строительных конструкций, эксплуатируемых в северных районах, может использоваться рулонная полоса, изготавливаемая методами контролируемой прокатки и деформационно-термического упрочнения из стали типа 09Г2ФБ и 10Г2Ф и др. повышенной чистоты. Еще радикальней в данном случае может оказаться использование так называемых двухфазных сталей, специально разработанных как высокотехнологичные материалы для изготовления изделий методами холодной деформации. Применение таких сталей, освоенных отечественной металлургической промышленностью, не повлечет за собой изменения технологии производства рассматриваемых профилей, но приведет к их удорожанию из-за высокой стоимости новых материалов.

Более эффективным, с нашей точки зрения, путем решения поставленной задачи является использование термической обработки типа полигонизационного отжига. Такой отжиг применительно к рассматриваемым сталям проводится при температуре ~650° С в течение 1-2 ч или по специально разработанным ускоренным режимам. После такого отжига и холодногнутых изделий практически снимаются остаточные напряжении, металл становится более однородным и изотропным, значительно улучшается микроструктура стали и сварного соединения, что ведет к повышению эксплуатационных свойств профилей.

Проведенные испытания позволяют сделать ряд выводов. Применяемая в настоящее время технология изготовления холодногнутых сварных замкнутых профилей из стали 09Г2С не обеспечивает высокого сопротивления хрупким разрушениям и поэтому ограничивает применение конструкций из них при расчетных климатических температурах эксплуатации не ниже —40° С.

Конструкции из гнуто-сварных замкнутых профилей будут обладать достаточно высокой хладостойкостью в случае их эксплуатации при температуре ниже -40° С при применении совершенного проката, изготовленного, например, методами контролируемой прокатки, деформационно-термического упрочнения, или подвергнутого специальной термической обработке — полигонизационному отжигу.