Автор: Ивченко А.В., Гуль Ю.П.

Категории: стандартизация

На основе анализа уровня производства и потребления арматурного проката, а также методик контроля его механических свойств, обоснована необходимость  внесения изменений в действующий стандарт на испытание (ГОСТ 12004) путем отказа от определения полного относительного удлинения и испытания арматуры без разрыва образцов.

Ключевые слова: Арматурный прокат, механические свойства, методы испытаний, растяжение, идентификация, экспресс-контроль, класс прочности   

Совершенствование стандартов и методов испытания арматурного проката на растяжение

Ивченко А.В.
Национальная металлургическая академия Украины

Гуль Ю.П.
Национальная металлургическая академия Украины

Стандарт на испытание арматурного проката (ГОСТ 12004-81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение) введен в действие более 30 лет назад. В то время, в начале восьмидесятых годов прошлого столетия, арматурная сталь в большинстве своем изготавливалась класса прочности 400 МПа (класса А-Ш по ГОСТ 5781) из низколегированной стали марок 35ГС и 25Г2С в горячекатаном состоянии. Это арматура сочетала требуемый уровень прочностных свойств с высокой пластичностью, а также характеризовалась наличием физического предела текучести (площадка текучести на диаграмме деформации). Вследствие последнего определение предела текучести по упомянутому стандарту не требовало записи диаграммы деформации.
В настоящее время ситуация в производстве и контроле свойств арматуры существенно изменилась. Основным видом потребляемой арматуры стал прокат класса прочности А500С по ДСТУ 3760 и В500С по ДСТУ EN 10080 (ГОСТ Р 52544 и др.), который изготавливается с использованием технологий упрочнения – термомеханическая обработка (А500С) или холодное деформирование (В500С). Данный прокат изготавливается из менее легированной стали. Арматура, указанных классов имеет более низкие пластические свойства и что более важно, диаграмма деформации при испытаниях характеризуется плавным переходом от макроупругой деформации к макропластической (рис.1). Поэтому определяется не физический, а условный предел текучести, что, естественно, усложняет определение этой характеристики по сравнению с предшествующим периодом и требует использования соответствующего оборудования.

                                  
Рис.1. Схема определения нормируемых свойств арматурного проката по диаграмме деформации  образцов при одноосном растяжении
sв - предел прочности; s0,2 - условный предел текучести; d - полное относительное удлинение после разрыва; dр -  относительное равномерное удлинение; dmax - полное относительное удлинение при максимальной нагрузке.

Кроме отмеченного, в действующих стандартах для арматуры с нормируемым уровнем прочности 500 МПа и выше существует недопустимый, на наш взгляд, разнобой в регламентации методов определения относительного удлинения, как основной характеристики пластичности и сопротивления разрушению арматуры [1]. ГОСТ 5781 и ГОСТ 10884 требуют определения относительного удлинения в месте разрыва на базе пяти номинальных диаметров (δ5) и относительного равномерного удлинения вне участка разрыва (δр) на базе 50 или 100 мм. ДСТУ 3760 кроме этого требует определения полного относительного удлинения при максимальной нагрузке (δmax). DIN 488 нормирует десятикратное относительное удлинение (δ10), а ASTM A722 еще и двадцатикратное (δ20). Помимо относительных удлинений, определяемых на базе кратной номинальному диаметру, регламентируется определение удлинения на фиксированных базах. Так, ГОСТ  6727 нормирует относительное удлинение на базе 100 мм (δ100), а CAN/CSA‑ G30.18 ‑ на базе 200 мм (δ200). Стандарты ASTM А615 и ASTM А370 ‑ на базах 8 и 10 дюймов (соответственно δ8" и δ10"). Очевидно что, это приводит к определенной путанице и невозможности корректного сопоставления пластических свойств арматурного проката, в то время как во многих публикациях и сертификатах приводятся значения относительного удлинения без указания методов их определения. Анализ информативности полного (δ) и равномерного (δр) относительных  удлинений, как характеристик сопротивления разрушения арматуры при эксплуатации дает основания предпочесть последнюю. Значения δр характеризуют не просто пластичность на данном этапе деформирования, но и специфическое сопротивление металла макролокализации деформации при нагружении. С наступлением макролокализации деформации развивается нестабильная стадия разрушения, происходящая при снижении нагрузки. Следовательно значение δр  определяет предельный интервал макропластической деформации выше предела текучести, в котором допустимы возможные перегрузки при эксплуатации без опасности разрушения. С описанных позиций именно δр следует оставить, как регламентированную характеристику и пластичности, и сопротивления разрушению арматуры. Следует отметить далее, что влияние существующих методик подготовки  образцов (разметка) и проведения замеров при определении характеристик пластичности на величину погрешности слабо учтено. Предлагаемые способы нанесения разметки (офсетный, кернение и др.) и последующие замеры при помощи штангенциркуля вносят погрешность в измерения за счет человеческого фактора. Наглядно это можно продемонстрировать на примере использования разметки офсетным способом (рис.2). Толщина разметочных линий составляет 0,3…0,5 мм, поэтому уже только от этого фактора в значение величины остаточной деформации, измеренной на базе 50 мм может вкрасться ошибка в 0,5 мм, что вызовет погрешность в 1% абсолютной величины значения характеристики δр. В то время, когда нормируемое значение этого показателя составляют  для арматурного проката класса В500С – 2,0; А600С -  4,0; А800 и А1000 – 2,0%, искажение действительных значений характеристики может составлять 25…50%. Дополнительные погрешности в определение пластических характеристик вносят такие факторы, как замеры остаточной длины образцов после разрыва, замеренные по меткам (кернениям), расположенных вблизи участка захвата металла плашками разрывной машины, а также ошибки, связанные с замером расстояний по керну, расположенному близко к месту разрушения, или при несовершенстве методов кернения.  Также, ГОСТ 12004 допускается конечные длины после испытания  образца измерять с погрешностью до 0,5 мм, а полное относительное удлинение после разрыва и равномерное относительное удлинение вычислять с округлением до 0,5 %. При этом доли до 0,25 % отбрасывают, а доли 0,25 % и более принимают за 0,5%. Это в совокупности отражается на достоверности результатов.

 
                                                               Рис.2. Внешний вид арматурного проката класса А240С диаметром 10 мм с нанесенной разметкой после испытания на растяжение

Таким образом, можно обоснованно считать насущной и целесообразной необходимость внесения изменений в соответствующие стандарты, на базе, в частности, разработки новых методов контроля свойств при испытаниях на растяжение арматурного проката. На основании изложенного предлагается вариант нового метода испытания и контроля (идентификации) свойств при растяжении арматурного проката. Для определения основных показателей механических свойств: предела текучести (s0,2), временного сопротивления разрыву (sв), полного относительного удлинения при максимальной нагрузке (dmax) и относительного равномерного удлинения (dр), образец не следует доводить до разрушения (разрыва). Достаточно осуществить нагружение до максимальной нагрузки (Рmax), а после начала снижения нагрузки (не более чем на 0,5%) прервать испытание и разгрузить образец [2]. Предварительно нанесенные метки начальной базовой длины в 100 (200) мм позволят оценить деформацию образца и определить относительное равномерное удлинение (dр) с высокой точностью. При этом упрощается сам процесс разметки образца, т.к. достаточно нанести только одну базовую длину (две метки). От определения полного относительного удлинения (d5) следует полностью отказаться, ввиду бесполезности данной характеристики для арматурного проката. Вариант такого отказа уже прописан в ГОСТ Р 52544 для проката класса В500С, а также предложен в проекте межгосударственного стандарта «Прокат арматурный для железобетонных конструкций» [3].  Новый метод идентификации свойств был проверен на партиях арматурного проката класса В500С [4]. Метод включал отбор, подготовку, разметку и испытание натурных образцов периодического профиля на растяжение, регистрацию значений  нагрузки и деформации, последующее вычисление значений характеристик прочности и пластичности. При этом растяжение осуществляется в два приема путем первоначального растяжения образца до пробной нагрузки, соответствующей нормируемому напряжению предела текучести в 500 Н/мм2, после чего образец разгружается, замеряется значение его остаточного удлинения (Dl1), далее  образец повторно подвергается растяжению до максимальной нагрузки (Pmax) с фиксированием этого значения. После этого образец разгружали, замеряли значение его остаточного удлинения (Dl2), после чего вычисляли временное сопротивление (sв) и относительное равномерное удлинение (dр), а соответствие проката классу В500С устанавливали по величине остаточного удлинения (Dl1), которое должно быть не более 0,002 от первоначальной длины и характеристикам sв и dp, которые должны быть не менее 550 Н/мм2 и 2,0 % соответственно. В случае получения значения остаточного удлинения (Dl1) после первоначального растяжения до пробной нагрузки более 0,002 от первоначальной длины, образец повторному растяжению не подвергают, а прокат признают не соответствующим классу прочности В500С.  Для опытного опробования метода идентификации В500С отобрали образцы арматурного проката диаметром 5,5; 8,0 и 11,0 мм (по две партии каждого диаметра) длиной по 350 мм и провели их растяжение на испытательной машине FP – 100/1. Расстояние между захватами испытательной машины составляло 220 мм, а на образце при помощи двух меток наносили базовую длину 200 мм. По площади сечения и нормируемому напряжению предела текучести (500 Н/мм2) вычисляли требуемую пробную нагрузку (Рпр), до которой осуществляли первоначальное нагружение образцов. После чего образцы разгружали и замеряли остаточную деформацию (Dl1), которая не должна была превышать 0,40 мм. По данному действию констатировали факт соответствия образца требованию класса В500С по пределу текучести. Далее образцы повторно нагружали до максимальной нагрузки (Pmax) и фиксировали это значение. После чего образцы разгружали, замеряли значение его остаточного удлинения (Dl2), вычисляли временное сопротивление (sв) и относительное равномерное удлинение (dр). Полученные результаты (см. таблицу) свидетельствую о том, что все образцы подвергнутые испытанию по новой методике, за исключением второй партии образцов диаметром 8,0 мм соответствуют требованиям стандарта для проката класса В500С. Таким образом, идентификация образцов выполнена без проведения разметки образцов по всей длине, без записи диаграммы растяжения и разрыва самих образцов. Это позволяет сократить время испытания (осуществит экспресс-контроль), а сами испытания могут проводиться на машинах любой конструкции.

Заключение                                                                                                                  

 1. Показана необходимость внесения изменений в действующий стандарт на испытание арматурного проката (ГОСТ 12004) на основе отказа от определения полного относительного удлинения после разрыва (d5, d10, d100 и др.) и использования методов экспресс-контроля.                                                                                                               
2. Предложен метод идентификации арматурного проката на соответствие заявляемому классу прочности без разрыва образцов. Новый метод может быть рекомендован для входного контроля механических свойств арматурного проката классов А500С, В500С, А600С, А600 – А1000, что позволит гарантированно идентифицировать его на соответствие требованиям стандартов к продукции конкретного класса прочности при сокращении общей длительности испытаний.

Библиографический список
1. Шеремет В.А. К вопросу о переводе величин относительного удлинения при различных базах / В.А.Шеремет, И.А.Гунькин, И.И.Журавлев, Г.И.Сокуренко // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 22, Часть II. ‑ Днепропетровск: ПГСиА, 2003. ‑ с. 111-113.
2. Спосіб експрес-контролю механічних властивостей холоднодеформованого арматурного прокату класу В500С [Текст]: пат. №86896 Україна: МПК G01N 3/00 / Івченко О. В.; власн. НМетАУ; заявл. 07.08.2013 ; опубл. 10.01.2014, Бюл. №1/2014.
3. Межгосударственный стандарт ГОСТ «Прокат арматурный для железобетонных конструкций. Технические условия» (Проект, первая редакция) [Электронный ресурс]: http://www.cstroy.ru/news/802/.
4. Спосіб ідентифікації холоднодеформованого арматурного прокату класу міцності В500С: заявка №u201409566 в патентне відомство України: МПК G01N 3/00 / Івченко О. В.; власн. НМетАУ; заявл. 01.09.2014.
Авторы с благодарностью примут замечания и пожелания относительно материалов и выводов по данной статье на e-mail: [email protected]