Mgr inż. Grzegorz Żwirski, dr inż. Stanisław Kańka, Politechnika Krakowska. konstrukcje elementy materiały. 1. Wprowadzenie. 2.

Transkrypt

1 kostrukcje elemety materiały 26 tatystycza aaliza własości mechaiczych splotów stalowych a podstawie wyików badań wykoaych w laboratorium badawczym materiałów i kostrukcji budowlaych Mgr iż. Grzegorz Żwirski, dr iż. taisław Kańka, Politechika Krakowska 1. Wprowadzeie Przedmiotem artykułu jest aaliza statystycza własości mechaiczych splotów stalowych stosowaych między iymi do sprężaia kostrukcji betoowych. Aalizę przeprowadzoo a podstawie wyików badań wykoaych w Laboratorium Badawczym Materiałów i Kostrukcji Budowlaych. Proces produkcyjy przedmiotowych splotów moża podzielić a trzy zasadicze etapy: produkcję walcówki, ciągieie a zimo, splataie drutów. Materiał a walcówkę wytapiay jest w kowertorach. Uzyskaa stal ma zawartość węgla ok. 1. laby do walcowaia a gorąco wytwarzae są obecie zastosowaiu techologii ciągłego odlewaia. W wyiku walcowaia a gorąco powstaje pręt o średicy 5 8 mm będący wyjściowym materiałem do ciągieia. Reguloway proces chłodzeia w powietrzu po walcowaiu pozwala a uzyskaie wymagaej struktury wewątrz materiału. Ze względu a dalszy przerób a zimo optymalą jest struktura baiitycza w całej objętości, gdyż ma oa droby i rozproszoy cemetyt [2]. Pręt walcoway a gorąco ma a powierzchi warstwę zgorzeliy składającej się z tleków żelaza FeO, Fe 3 O 4, Fe 2 O 3, która uiemożliwia proces ciągieia, gdyż tleki te są twarde i kruche. Z tego względu usuwae są chemiczie podczas trawieia w kwasie solym lub siarkowym z zastosowaiem ihibitora, aby ie doprowadzić do przetrawień. Następie a walcówkę o czystej metaliczej powierzchi akłada się w odpowiedich kąpielach warstwy fosforaów magau, żelaza lub cyku, które umożliwiają zwiększeie szybkości ciągieia oraz wielkości pojedyczych giotów. Warstwa fosforaów częściowo także chroi powierzchię przed korozją [2]. Celem procesu ciągieia a zimo jest dalsza redukcja przekroju poprzeczego i uzyskaie odpowiedich parametrów wytrzymałościowych. Podczas ciągieia metal ie odkształca się rówomierie. Tylko środkowa warstwa poddawaa jest czystemu rozciągaiu, atomiast wszystkie warstwy oddaloe od części środkowej podlegają siłom pochodzącym od acisku ormalego metalu a cięgo i aprężeń styczych wywołaych tarciem, co skutkuje powstaiem trzyosiowego stau aprężeń. Im warstwa oddaloa jest bardziej od osi, tym wpływ tych aprężeń jest większy[3]. W wyiku procesu ciągieia ziara mające orietację padkową odkształcają się wzdłużie i stają się zorietowae zgodie z kierukiem rozciągaia. Pod wpływem odkształceia materiał umacia się, co skutkuje wzrostem własości wytrzymałościowych jedoczesym spadku plastyczych. Jest to zjawiska pożądae. Drut po przejściu przez ciągadła awijay jest a szpule, które przemieszczae są do zespołów splatających. Wytwarzay w ich splot jedostroy utworzoy jest z jedego drutu rdzeiowego, dookoła którego awiięta zostaje śrubowo jeda warstwa drutu o jedakowej średicy [2]. Końcowym etapem jest obróbka termomechaicza, która polega a przeciągięciu przez zespoły rozciągające i przejściu splotu przez piec idukcyjy o wysokiej częstotliwości. tabilizoway splot jest astępie zwijay. 2. Metodyka badań Własości mechaicze badaej populacji splotów określoo a podstawie statyczej rozciągaia, która pozwala a wyzaczeie szeregu wielkości charakteryzujących własości mechaicze oraz aalizę jakościową i ilościową po ziszczeiu. Jedoosiowe rozciągaie umożliwia, do pewego określoego etapu rozciągaia, uzyskaie jedorodego stau aprężeń w rozciągaym splocie, co odwzorowuje jego rzeczywiste zachowaie w czasie sprężaia kostrukcji [4]. Próba rozciągaia wykoywaa była zgodie z ormą IO 6892:2010. Na jej podstawie wyzaczoe zostały dla całej badaej populacji badaego materiału astępujące parametry: F m ajwiększa siła przeoszoa przez rozciągay splot, PRzeglĄd budowlay 11/2015

2 kostrukcje elemety materiały F 01 umowa ieproporcjoalym 0,1, A gt procetowe wydłużeie maksymalej, E moduł. Do wyzaczeia modułu, siły rozciągającej, wywołującej umowe trwałe wydłużeie 0,1 oraz go procetowego wydłużeia, ajwiększej, zastosowao ekstesometr o rozdzielczości 0,001 mm. został wyzaczoy metodą sieczych wyzaczoych przez pukty leżące a liiowej części wykresu siła wydłużeie. Jako początek wyzaczaia modułu jęto 300 MPa, zaś jako koiec 1200 MPa. Badaie wykoao wg metody B ormy IO 6892:2010. Ozacza to, że w zakresie odkształceń plastyczych aż do osiągięcia siły F p01 sterowaie ruchem trawersy maszyy wytrzymałościowej realizowao za pomocą stałego rostu obciążeia. Po przekroczeiu wartości F p01 maszya wytrzymałościowa przełączoa została a sterowaie stałą prędkością odkształceia. Pojedycza partia do badań składała się z ośmiu, sześciu lub czterech splotów pochodzących od jedego produceta mających tą samą średicę. Każdorazowo producet deklarował średicę zewętrzą splotu, a także pole powierzchi przekroju. Była oa astępie weryfikowaa przed rozpoczęciem rozciągaia. Badae sploty miały całkowitą długość 700 mm, zaś bazę pomiarową ekstesometru ustawioo a 200 mm. Ekstesometryczy pomiar odkształceia prowadzoo aż do wyzaczeia wartości A gt. Pomiar siły oraz odkształceia rejestroway był za pomocą programu sterującego maszyą wytrzymałościową. Parametry rozciągaia ustaloo astępująco: do osiągięcia wartości F 01 rozciągaie ze stała szybkością rostu obciążeia 30 MPa/s, po wyzaczeie wartości F p01 sterowaie rostem odkształceia 0,004/s, siła wstępa przed zapięciem ekstesometru 5 kn. zczególie istote dla możliwości porówywaia wyików było zachowaie stałej prędkości rostu obciążeia dla całej populacji badaych splotów do osiągięcia wartości F p01. Im bowiem większa prędkość rozciągaia, tym wyższa wartość umowej graicy plastyczości [1]. W celu uzyskaia rówomierego docisku w szczękach maszyy wytrzymałościowej a końce próbek ałożoo rury alumiiowe o grubości ściaki 1 mm, które zapobiegały pękaiu splotów w zaciskach maszyy wytrzymałościowej. Wartości F m,, F p01 zostały odczytae a podstawie wskazań maszyy wytrzymałościowej z dokładością 1 kn, zaś wartość A gt wyzaczoo z dokładością 0,01. tatyczą próbę rozciągaia przeprowadzoo w maszyie wytrzymałościowej o klasie dokładości 1. PRzeglĄd budowlay 11/ Prezetacja wyików Aalizie poddao sploty o astępujących średicach omialych: 12,5 mm, 12,9 mm, 15,2 mm, 15,7 mm. Dla każdej grupy średic obliczoo wartości średie wyzaczaych parametrów oraz odchyleia stadardowe i współczyiki. Uzyskae wyiki odiesioo do wymagań zwartych w stosowych ach techiczych. Do porówaia wykorzystao sploty stalowe pochodzące od sześciu producetów. Wszystkie uzyskae wyiki spełiały wymagaia zawarte w ach techiczych. Ziszczeie próbek przebiegało wg dwóch schematów. W pierwszym pękały jedocześie wszystkie druty w splocie. W drugim ziszczeie rozpoczyało się od pękięcia drutu o ajmiejszej wytrzymałości (po wcześiejszym osiągięciu wartości F m ) i astępie Rys. 1. Drut ze splotu Ø15,7 mm po ziszczeiu Rys. 2. Środek drutu ze splotu Ø15,7 mm po ziszczeiu 27

3 kostrukcje elemety materiały Tabela 3. Wydłużeie ajwiększej A gt Wydłużeie ajwiększej [] Wymagaia a podstawie techiczych 3,5 16 5,8 0,3 5,9 3,5 16 5,8 0,4 7,3 N2 A gt 3,5 14 5,5 0,4 8,1 3,5 14 5,9 0,2 3,9 Tabela 4. podłużej E Rys. 3. Krawędź drutu ze splotu Ø15,7 mm po ziszczeiu rozerwaiu pozostałych. Bez względu a schemat ziszczeia, przełom próbki był taki sam. Typowy wygląd przełomu przedstawioo a zdjęciach wykoaych w mikroskopie skaigowym. Aaliza zdjęć wskazuje, iż wewątrz próbki przełom ma wygląd typowy dla odkształceia plastyczego. W liczych wgłębieiach zajdują się wtrąceia iemetalicze. Brzeg próbki wskazuje a przewagę pękaia kruchego. Widocze są płaskie stopie a powierzchi ograiczoe fragmetami płaszczyz łupliwości. ta taki spowodoway jest bardzo dużym stopiem giotu dla zewętrzych warstw w procesie ciągieia. W tablicy 1 4 przedstawioo wyiki badań własości mechaiczych splotów Y18607 o średicy 12,5 mm. Tabela 1. Umowa ieproporcjoalym F 01 Wymagaia a podstawie techiczych Umowa ieproporcjoalym N ,0 1,7 1,1 F ,0 2,9 1,8 N ,2 2,4 1,5 H ,7 2,5 1,5 Tabela 2. F. Wymagaia a podstawie techiczych podłużej E N1 E=195±10 GPa ,7 2,0 1,0 F E=195±10 GPa ,0 3,3 1,6 N2 E=195±10 GPa ,1 2,0 1,0 H E=195±10 GPa ,1 3,9 2,0 W tabelach 5 8 przedstawioo wyiki badań własości mechaiczych splotów Y18607 o średicy 12,9 mm. Tabela 5. Umowa ieproporcjoalym F 01 Wymagaia a podstawie techiczych Umowa ieproporcjoalym A ,0 1,6 1,0 H ,8 1,2 0,7 Tabela 6. F m Wymagaia a podstawie techiczych A F m 186 kn 8 196,8 1,3 0,7 186 kn 8 188,3 1,2 0,6 Wymagaia a podstawie techiczych siła zrywająca 173 kn ,1 1,2 0,7 173 kn ,6 1,5 0,8 N2 F m 173 kn ,9 1,5 0,8 173 kn ,3 1,3 0,7 Tabela 7. Wydłużeie ajwiększej A gt Wydłużeie ajwiększej [] Wymagaia a podstawie techiczych A A gt 3,5 8 6,1 0,1 2,2 3,5 8 5,9 0,2 3,5 28 PRzeglĄd budowlay 11/2015

4 kostrukcje elemety materiały Tabela 8. podłużej E Wymagaia a podstawie techiczych podłużej E A E=195±10 GPa 8 196,9 2,5 1,3 H E=195±10 GPa 8 196,0 0,8 0,4 Tabela 13. Umowa ieproporcjoalym F 01 Wymagaia a podstawie techiczych Umowa ieproporcjoalym N ,4 0,5 F ,8 1,0 0,4 W tabelach 9 12 przedstawioo wyiki badań własości mechaiczych splotów Y18607 o średicy 15,2 mm. Tabela 9. Umowa ieproporcjoalym F 01 Wymagaia a podstawie techiczych Umowa ieproporcjoalym N ,1 1,1 0,4 F ,0 1,3 0,5 W ,9 3,3 1,3 Tabela 10. F m Wymagaia a podstawie techiczych 259 kn 8 269,9 0,8 0,3 259 kn 8 276,4 0,5 0,2 W F m 259 kn 8 270,3 0,9 0,3 Tabela 11. Wydłużeie ajwiększej A gt Wydłużeie ajwiększej [] Wymagaia a podstawie techiczych 3,5 8 5,6 0,2 3,6 A ,1 3,1 1,2 N ,7 4,4 1,7 H F kn ,3 4,1 1,5 Tabela 14. F m Wymagaia a podstawie techiczych 279 kn 8 289,6 1,1 0,4 279 kn 8 292,8 0,9 0,3 A F m 279 kn 8 286,0 0,9 0,3 N2 F m 279 kn ,0 1,5 0,5 279 kn ,1 2,6 0,9 Tabela 15. Wydłużeie ajwiększej A gt Wymagaia a podstawie techiczych Wydłużeie ajwiększej [] 3,5 8 5,2 0,3 5,7 3,5 8 6,2 0,2 3,1 A A gt 3,5 8 6,0 0,1 1,4 N2 A gt 3,5 16 5,3 0,3 5,8 3,5 16 5,5 0,3 5,4 3,5 8 5,8 0,1 1,3 W A gt 3,5 8 6,2 0,5 7,4 Tabela 16. podłużej E Tabela 12. podłużej E Wymagaia a podstawie techiczych podłużej E Wymagaia a podstawie techiczych podłużej E N1 E=195±10 GPa 8 197,3 2,4 1,2 N1 E=195±10 GPa 8 194,6 1,8 0,9 F E=195±10 GPa 8 199,8 2,9 1,5 W E=195±10 GPa 8 198,7 4,5 2,2 W tabelach przedstawioo wyiki badań własości mechaiczych splotów Y18607 o średicy 15,7 mm. PRzeglĄd budowlay 11/2015 F E=195±10 GPa 8 198,5 1,7 0,9 A E=195±10 GPa 8 194,6 0,9 0,5 N2 E=195±10 GPa ,3 2,0 1,0 H E=195±10 GPa ,5 1,5 0,8 29

5 kostrukcje elemety materiały 4. Aaliza wyików Porówaie własości wytrzymałościowych wskazuje a ieco miejszy rozrzut wartości F m iż F 01. W pierwszym padku współczyik mieści się w przedziale 0,2 1,0, w drugim w przedziale 0,4 1,8. Wiąże się to z faktem, iż dla wyzaczaia umowej siły ieproporcjoalym 0,1, prócz odczytów obciążeia dochodzi dodatkowy czyik iepewości pomiaru związay z pomiarem wydłużeia. Zazaczyć jedak ależy, iż większość techiczych ie podaje miimalych wartości dla tego parametru. Miimalie większy rozrzut wyików F m i F 01 ma miejsce wówczas, kiedy badaa populacja składa się z dwóch partii pochodzących z różych wytopów i okresów produkcyjych. W obu jedak wypadkach współczyiki są a iskim poziomie. Świadczy to, iż własości wytrzymałościowe są bardzo stabile ie tylko w obrębie daej partii, ale rówież całego gatuku i średicy. We wszystkich padkach spełiają oe wymagaia techiczych. Nie moża też wskazać produceta splotów, dla którego wyiki w zaczący sposób odstawałyby od pozostałych. Powyższe uwagi ależy rówież odieść do wartości modułu. zawiera się w przedziale 0,4 2,2. Jest to wartość bardzo mała, biorąc pod uwagę fakt, iż do obliczeia wartości modułu koiecze są pomiary siły i wydłużeia. W padku wartości F 01, F m oraz m E a rozrzut wyików ie wpływa schemat ziszczeia badaych próbek. Własości plastycze splotów charakteryzują wartości wydłużeia go ajwiększej. Aprobaty techicze dla każdej średicy wymagają, aby były oe większe lub rówe 3,5. Wszystkie badae próbki spełiły powyższy waruek, zaś średie wartości A gt wahają się w graicach 5,2 6,2, co jest wielkością zaczie przekraczającą miimale wymagaia. Podobie jak w padku parametrów wytrzymałościowych większy rozrzut wyików ma miejsce wówczas, kiedy badaa populacja składa się z dwóch partii pochodzących z różych wytopów oraz okresów produkcyjych. dla wszystkich badaych partii mieści się w przedziale 1,3 8,1, co świadczy o ieco większym rozrzucie iż w padku parametrów wytrzymałościowych. Najbardziej stabilymi własościami charakteryzowały się sploty produkowae przez produceta A, jedakże badae populacje składały się każdorazowo z jedej partii 8 sztuk. W związku z powyższym ie staowią oe wystarczającej podstawy do formułowaia geeralych wiosków. Reasumując ależy stwierdzić, iż dla wszystkich producetów własości plastycze charakteryzowały się stabilością a zadawalającym poziomie. Na wartość A gt ie miał wpływu schemat ziszczeia próbki. 5. Podsumowaie Współcześie produkowae sploty charakteryzują się bardzo dużą stabilością własości mechaiczych. powodowae jest to ciągłym postępem w techologii ich wytwarzaia. Dotyczy to zwłaszcza: jedorodości struktury oraz składu chemiczego dzięki stosowaiu techologii ciągłego odlewia oraz kotroli zwartości składików stali w trakcie wytopu za pomocą spektrometrów, kotroli procesu obróbki cieplej, przez co uzyskuje się jedorodą strukturę przed procesem ciągieia. Ma oa decydujący wpływ a ostatecze własości drutów, z których wytwarzae są sploty, uzyskaiu wysokiej toleracji wymiarowej w procesie ciągieia. Wszystkie badae sploty mają własości mechaicze, które pozwalają a spełieie wymagań zawartych w stosowych ach techiczych. W trakcie rozciągaia w części splotów druty pękały jedocześie wszystkie, zaś w pozostałych ziszczeie rozpoczyało się od pękięcia drutu o ajmiejszej wytrzymałości, a astępie rozerwaiu pozostałych. Fakt te jedak ie miał wpływu a wartości wyzaczaych własości mechaiczych. Bibliografia [1] Przybyłowicz K., Fizycze podstawy odkształceia plastyczego. Kraków 1989 [2] Kowalczyk J., teiiger Z., Liy talowe. Katowice 1963 [3] Morawiecki M., adok L., Wosiek E., Przeróbka plastycza. Podstawy teoretycze. Katowice 1986 [4] Katarzyński., Kocańda., Zakrzewski M., Badaie własości mechaiczych metali. Katowice Archiwum od ręki archiwale spisy treści a stroach www PRzeglĄd budowlay 11/2015