RSS

Городской портал госуслуг
 

Применение твердомеров в строительстве

11:55 02.03.2018

Уже в XVIII веке для оград, мостов впервые начали применять чугунное литье в сочетании с кованым железом. Потихоньку человечество стало понимать преимущество стальных конструкций перед деревянными, и работать в направлении замены материалов на более прочные и долговечные. Девятнадцатый век, век промышленной революции, уже активно применяет чугун в строительстве. Получаемое методом пудлингования железо. В 1856 году Генри Бессемер изобретает конвертер и вскоре резко подешевевшая сталь уже в привычных для нас уголках, швеллерах и т. п. приходит на стройку. Нержавеющие стали в разы более прочные, чем алюминиевые сплавы, позволили создать конструкционные элементы, выдерживающие значительные нагрузки, эффективно сопротивляющиеся агрессивным воздействиям и при этом имеющие привлекательный внешний вид. Строительство металлических конструкций набирало колоссальные обороты, возводились десятки новых красивых металлических сооружений, но к сожалению по разным причинам происходили массовые обрушения: Мост через р. Кевду (Россия). Крушение произошло в 1875 г. (вскоре после окончания сборки) при проходе по мосту рабочего поезда. Основная причина — потеря устойчивости верхних поясов ферм в плоскости, перпендикулярной плоскости ферм. Тэйский мост (Англия). Крушение произошло в 1879 г. через 19 месяцев после начала эксплуатации. Основные причины — недоучет ветровой нагрузки, недостаточная прочность и устойчивость высоких опор моста на опрокидывание. Мост через р. Бирс у дер. Менхенштейн (Швейцария). Крушение произошло в 1891 г. Основная причина — потеря устойчивости вследствие недостаточной жесткости средних раскосов. Квебекский мост через р. Св. Лаврентия (Канада). Мост обрушивался дважды — первый раз в 1907 г. во время строительства. Среди причин главной была потеря устойчивости сжатых стержней при недостаточности решеток связей. Такомский мост через залив Такома (США). Крушение произошло в 1940 г. после четырехмесячной эксплуатации. Основная причина аварии — чрезмерные динамические крутильные колебания, вызванные ветром. Эти и многие другие обрушения заставили человечество задуматься о более подробном изучении свойств материалов и усилить контроль качества.

Одним из важных свойств стали является твердость. Твердостьэто способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела: режущего инструмента, бойков молота, штампа и т. п.

Существует два основных способа контроля твердости металлов. Первый - прямой или классический. Осуществляется стационарными установками, путем внедрения инденторов различной формы (в зависимости от шкалы) с приложением значительных усилий. Значение твердости получается путем пересчета по соответствующим формулам, используя значения приложенного усилия и геометрические параметры отпечатка. Преимущества – дает точное значение твердости вне зависимости от металла или сплава. Недостатки – высокая стоимость, наличие отпечатка на изделии, иногда разрушение, необходимость контроля отпечатка и ручного пересчета значения твердости, при контроле массивных или габаритных изделий необходимость вырезки образцов, отсутствие мобильности, контроль по одной шкале, низкая производительность.

Второй – косвенный. Осуществляется ручными, портативными, электронными приборами. Преимущества – компактность – помещаются на ладони;• мобильность – идеально подходят для экспресс анализа прямо «на месте»; позволяют проводить замеры твердости по нескольким шкалам; сами производят пересчет и мгновенно выдают значение твердости; не требуют наличия электросети, т.к. комплектуются обычно батарейками либо аккумуляторами; оставляют еле заметный отпечаток. Недостатки –• наличие погрешности, т.к. метод все же косвенный, но для большинства задач величина погрешность вполне приемлема; необходимость иметь навыки выполнения ручных операций, которые ,к слову, приобретаются довольно быстро, «нетвердая рука» может приводить к большому разбросу значений; откалиброваны обычно только на стальных мерах твердости, для контроля других металлов или сплавов потребуется наличие образцов из этих материалов с известной твердостью (выполняется на стационарных твердомерах) и, соответственно, дополнительная калибровка приборов на этих образцах; В ручных приборах получили распространение два метода – динамический (первый в мире — твердомер портативный динамический: модель Equotip. Швейцария 1975 г.) и ультразвуковой (он же акустический, контактно-импедансный, первый в мире — твердомер портативный ультразвуковой: модель MicroDur, ФРГ 1977 г.). Принцип работы динамических твердомеров основан на измерении отношения скоростей индентора (твердосплавный шарик) при падении и отскоке его от поверхности контролируемого изделия. Отношение скоростей перемещения индентора при отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия, оставляет отпечаток до 300-400 мкм, но имеет ограничение по массе и размерам контролируемых изделий, масса изделия не ниже 3-5 кг для разных приборов, толщина стенки не менее 10 мм. Ограничения обусловлены необходимостью исключения влияния паразитных колебаний и упругих деформаций, что может приводить к значительным погрешностям. Это делает его не пригодным при контроле твердости ножей, клинков и т.д. Преобразователь ультразвуковых твердомеров это стальной стержень с алмазной пирамидой на конце, который является акустическим резонатором (вибратором) встроенного автогенератора ультразвуковой частоты. При внедрении пирамиды в контролируемое изделие под действием фиксированного усилия калиброванной пружины происходит изменение собственной частоты резонатора, определяемое твёрдостью материала. Относительное изменение частоты резонатора преобразуется электронным блоком в значение твёрдости. Ультразвуковые твердомеры практически не имеют ограничений по массе и толщине изделий, масса от 100 грамм, толщина от 1 мм, оставляют еле заметный отпечаток 40-50 мкм, идеально подходят для контроля упрочненного или закаленного слоя, непригодны для контроля крупнозернистой структуры (тут лучше динамический твердомер).

В строительстве металлоконструкций этот параметр играет не малую роль. К 21-му веку твердость стали стала регламентироваться обязательными нормативными документами: например в СП 70.13330.2012 п.4.6.11 Под каждую головку болта и гайку должно быть установлено по одной высокопрочной шайбе с твердостью не менее 35 единиц HRC.

Сварка наплавка и термообработка раздел 4 «Контроль твердости металла шва сварных соединений проводится для проверки качества термической обработки в объеме 100 % на сварных соединениях труб с наружным диаметром 150 мм и более и в объеме 20 % соединений труб с наружным диаметром от 100 до 150 мм.»

Важно понимать, что всё хорошо в меру и каждый материал имеет определённые границы твердости, превышая которые снижаются другие не маловажные показатели. Например увеличение в стали углерода на 1,2 % увеличивает твердость и прочность, но при этом понижается пластичность и свариваемость. Естественно у каждой мар ки стали имеются и нижние границы твердости, например твердость Стали 20 не может быть ниже 145 НВ, а сталь 40Х применяемая для высокопрочных болтов имеет твердость не ниже 200 НВ.

ГБУ «ЦЭИИС» в 2017 году приобрело 1 ультразвуковой твердомер ТКМ-459С с комплектом мер твердости. Данный прибор применяется при выполнении работ: 1.3.1 «Оценка соответствия сварных соединений конструкции требованиям технических регламентов и проектной документации» для проведения диагностики применяемых материалов непосредственно на строительной площадке и 1.3.3 «Оценка соответствия качества монтажных соединений на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением требованиям технических регламентов и проектной документации», с целью контроля твердости шайб и высокопрочных болтов.

1.png

Ультразвуковой толщиномер ТКМ -459С