CC BY
130
УДК 669.1.018.29
А.Г. Корчунов1, К.Г. Пивоваров;!1, Б.А. Коломиец2, Н.В. Литвинова2, А.В. Лысенин1, Д.К. Долгий1
1 - ФГБОУВПО «МГТУ»
2 - ОАО «ММК-МЕТИЗ»
СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УРОВНЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНОЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Основным несущим элементом в конструкции железобетонной шпалы (ЖБШ) является высокопрочная арматура диаметром до 10 мм. Показатели качества высокопрочной арматуры для железобетонных шпал оцениваются по механическим свойствам, длительной прочности, величине потерь напряжения от релаксации, стойкости к коррозионному растрескиванию, уровню сцепления с бетоном. Регламентируются также требования к качеству поверхности, предельно допустимые отклонения по овальности и массе погонного метра арматуры.
В ОАО «ММК-МЕТИЗ» разработана и в настоящее время осваивается технология производства высокопрочной стальной арматуры периодического профиля диаметром 9,6 мм для ЖБШ нового поколения.
По комплексу требований данный вид продукции существенно отличается от своих аналогов по ГОСТ 5781, ГОСТ 10884, ГОСТ 7348, применяемых для армирования напряженных железобетонных изделий (перекрытия зданий, пролетные строения, опоры мостов, железобетонные сваи, опоры ЛЭП, мачты освещения, телебашни и др.) [1-3]. Повышенные показатели релаксационной и длительной стойкости обеспечат эксплуатационную надежность и долговечность шпал (снижение межремонтного интервала и затрат на обслуживание пути), а, следовательно, и железнодорожных магистралей. Высокие показатели качества продукции позволяют сократить обрывность арматуры при натяжении, снизить энергоемкость процесса армирования шпал, повысить его производительность, обеспечат существенное повышение срока эксплуатации шпалы.
Технология производства стальной высокопрочной арматуры периодического профиля диаметром 9,6 мм включает следующие операции: подготовку поверхности катанки, волочение, профилирование (протяжку через неприводную роликовую клеть), финишную механотермическую обработку.
Контроль механических свойств арматурной стали производится в лаборатории механических испытаний. Лаборатория оснащена необходимым современным испытательным оборудованием, в том числе разрывной машиной LFM с усилием разрыва 250 кН.
Одним из основных вопросов, требующих решения при разработке технологии изготовления арматурной стали, является разработка эффективных методов упрочнения металла для формирования регламентированного уровня его механических свойств.
В условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» проводили исследование механических свойств арматурных прутков из стали марок 80ХФЮ, 85ФЮ.
Для описания всего корреляционного поля механических свойств отбирали по 3 образца готовой продукции и горячекатаного металла от каждой плавки. Одновременно были исследованы статистические распределения содержания химических элементов.
Данные выполненного анализа вариации параметров механических свойств и химического состава приведены в табл. 1.
Функции распределения всех параметров механических свойств и химического состава подчиняются нормальному закону. Существенно значимые величины коэффициентов вариации имеют распределения параметров Al, Cr, Ni, V, у(гк), Si, Mn, ё4(арм), 34(гк) (в порядке
понижения V).
У распределений механических свойств у <т(арм), HRC,
<е(гк) коэффициенты вариации почти на порядок ниже и близки к
погрешностям измерений, поэтому их можно считать детерминированными величинами. Причина заключается в том, что механические свойства I рода - <г, <JT и HRC - это интегральные характеристики, усредняющие свойства частиц микроструктуры (зерен), а , ö4 - параметры, чувствительные к структурным аномалиям свойств микрочастиц материала.
Используя математический аппарат программы STATISTICA 6.0, выполнили регрессионный анализ по методу включения переменных. Программа предусматривает оценку достоверности регрессионных уравнений с помощью множественного коэффициента детерминации R2, оценку значимости влияния каждого фактора и исключение из уравнений малозначимых факторов. Окончательные регрессионные зависимости только от значимых факторов представлены в табл. 2.
Таблица 1
Статистические характеристики механических свойств и химического состава металла
Статистические показатели Объем выборки п Среднее значение X Минимальное значение Максимальное значение х Дисперсия Среднеквадратичное отклонение .У Коэффициент вариации Ух,%
<4*»)-МП8 40 1565,937 1454,000 1658,692 1979,881 44,49586 2,84
*»•(,»). МП» 40 1397,747 1332,800 1491,385 1264,740 35,56318 2,54
40 5,677 4,792 7,299 0,254 0,50413 • 8,88
40 41,863 39,963 43,400 0,820 0,90574 2,16
ск„), мм 40 15,320 15,0 16,0 0,123 035000 2,285
40 1190,357 1140,067 1230,667 481325 21,93911 1,84
¿4(в).МШ 40 9,011 7,667 11,000 0,604 0,77729 8,62
40 27,:522 15,889 40333 37,938 6,15935 22,38
С,% 40 0,824 0,775 • 0,880 0,001 0,02810 3,41
Я, % 40 0Д76 0,203 0355 0,002 0,04371 15,82
Л/л, % 40 0,672 0,433 0,790 0,011 0,10498 15,61
Сг, % 40 0,121 0,001 озоз 0,013 0,11534 95,34
N1% 40 0,026 0,010 0,050 0,000 0,01257 48,94
А1, % 40 0,105 0,010 0,400 0,019 0,13687 129,88
40 0,061 0,020 0,080 0,000 0,01725 28,30
Таблица 2
Результаты регрессионного анализа
Показатель качества Уравнение регрессии Номер уравне ния Оценки надежности
Л2 ^таб л
^в(арм)' МПа . °в(арм) = -517,67 + 67,37</(гк) + 0,790<хв(ас) + +1328,90Л7 +342,785/ 1 0,74 7,80 2,02
Ксув = 0,87 + 0,0098Л(гк) - 0,00086<гв(гк) . 2 0,28 10,95 2,02
аТ(арм)' МПа °Парм) = -740,87 + 64,95^(гк) + 0,924<тв(ж) +1971,18М + + 94,19 А1 3 0,85 19,15 2,02
Зцарм)' % КдА{арм) = 1,66 - 0,076£4(гк) - 0,078Л/ - 2,617 4 0,70 38,43 2,02
НКС(арм) #ЯС(арм) = 35,01 - 0,№Цгк) + 0,97^(ГК) 5 0,38 4,62 2,02
При построении уравнений, отображающих свойства арматурного проката, в массив факторов включали химический состав стали и свойства горячекатаного проката. В уравнениях (2) и (4) откликами являются коэффициенты преобразования временного сопротивления и относительного удлинения в результате обработки горячекатаного проката:
= СТв(арм)/СТв(гк) , К34 = ^4(арм)/^4(гк) '
где ^в(арм), &в(гк) - временное сопротивление подката и готовой
продукции; &4(гк), ^4(арм) - относительное удлинение подката и готовой продукции.
Сведения, приведенные в табл. 2, позволяют оценить результаты исследования влияния различных факторов на механические свойства арматурного проката.
Значения коэффициентов множественной детерминации (Я2) показывают, какая доля общей вариации результативного признака связана с независимыми признаками, введенными в анализ. Практически это означает, что для зависимостей (2), (5) возможно допущение о невключении в анализ какого-либо показателя, оказывающего существенное влияние.
Общая оценка показателей, полученных в результате проведения многофакторного статистического анализа, основывается на критерии Фишера (Р). Критическая область ^-критерия описывается как ^факт > Ртабл, т.е. для данного уровня значимости (в нашем случае Р = 0,05) можно утверждать, что при Рфакт > Ртабл, переменные уравнения множественной регрессии существенно меняют значения результативного признака. Это соответствует утверждению достоверности предложенной формы связи.
Согласно уравнениям (1) и (3), увеличение диаметра и временного сопротивления горячекатаной заготовки, а также никеля в стали приводит к повышению временного сопротивления и предела текучести арматурного проката (рис. 1 - 6).
С повышением содержания кремния и алюминия прочностные свойства стали также повышаются (рис. 7, 8).
01ат_ка1
Рис. 1. Влияние диаметра горячекатаного подката на временное сопротивление арматурного проката
в^таУ
Рис. 2. Влияние временного сопротивления горячекатаного подката на временное сопротивление арматурного проката
1680
0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055
№
Рис. 3. Влияние содержания N1 в стали на временное сопротивление арматурного проката
01ат_ка1
Рис. 4. Влияние диаметра горячекатаного подката на предел текучести арматурного проката
в^таУ
Рис. 5. Влияние временного сопротивления горячекатаного подката на предел текучести арматурного проката
№
Рис. 6. Влияние содержания N1 в стали на предел текучести арматурного проката
а
Рис. 7. Влияние содержания 81 в стали на временное сопротивление арматурного проката
А1
Рис. 8. Влияние содержания А1 в стали на предел текучести арматурного проката
В уравнении (2) степень изменения временного сопротивления Кп возрастает при увеличении диаметра подката, что можно объяснить
повышением величины обжатия горячекатаной заготовки.
В уравнении (4) степень изменения относительного удлинения
К$ понижается при увеличении содержания Al и V, что связано с
отрицательным влиянием этих элементов на пластичность стали.
В уравнении (5) твердость арматуры увеличивается при уменьшении относительного удлинения подката и увеличении его диаметра. Это можно объяснить уменьшением пластичности стали и возрастанием степени суммарной деформации при обработке.
Влияние химических элементов и свойств подката на ^4(арм) не
обнаружено. Все уравнения (1)-(5) являются статистически значимыми. Исходя из разницы между ^факт и ^табл, можем считать, что наилучшим отображением связи следует считать уравнения (3) и (4). Однако следует заметить, что для более точного прогноза механических свойств следует продолжать статистические исследования с целью увеличения количества наблюдений. Очевидно, что достоверность уравнений регрессий будет значительно выше при введении новых, статистически значимых параметров технологии.
Выводы
1. Исследованы механические свойства арматурного проката диаметром 9,6 мм с трехсторонним профилем. Уровень механических свойств подтверждает достаточную стабильность технологии производства арматурных прутков.
2. В результате обработки экспериментальных данных методами математической статистики дана количественная оценка доли влияния химического состава на временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение арматурного проката и горячекатаного подката. Дана оценка достоверности полученных зависимостей.
Библиографический список
1. Применение адаптационных механизмов для повышения качества продукции с глубокой степенью переработки / Э.М. Голубчик, А.Г. Корчунов, К.Г. Пивоварова, А.В. Лысенин // Вестник Воронежского гос. технич. ун-та. 2011. № 5. С. 131-134.
2. Корчунов А.Г., Голубчик Э.М., Пивоварова К.Г. [и др.]. Выбор оптимальной конструкции профиля высокопрочной арматуры // Метиз.
