научная статья по теме СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ ИЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО МОСТА ГАРИНА-МИХАЙЛОВСКОГО В НОВОСИБИРСКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ ИЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО МОСТА ГАРИНА-МИХАЙЛОВСКОГО В НОВОСИБИРСКЕ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 1, с. 51-58

СТРУКТУРА, ^^^^^^^^

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.141.2:539.4.015

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ ИЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО МОСТА ГАРИНА-МИХАЙЛОВСКОГО

В НОВОСИБИРСКЕ © 2015 г. А. А. Никулина, А. И. Смирнов, А. И. Попелюх, А. А. Батаев, П. А. Попелюх

Новосибирский государственный технический университет, 630073 Новосибирск, просп. Карла Маркса, 20 e-mail: lita27@mail.ru Поступила в редакцию 17.01.2014 г.; в окончательном варианте — 26.03.2014 г.

Приведены результаты исследования структуры и механических свойств стальной полосы из первого железнодорожного моста через реку Обь, построенного 120 лет назад. Сталь для строительства была выплавлена на Урале на Воткинском заводе в конце 19 века. В работе проанализирован химический состав стали, проведено сравнение качества материала с современными аналогами. Установлено, что сталь, использованная при изготовлении моста, характеризуется низким содержанием серы и фосфора. В то же время в металле наблюдается повышенное содержание неметаллических включений. Присутствие ориентированных в направлении прокатки включений благоприятно отражается на усталостной трещиностойкости стали. Торможение трещин происходит на границах между включениями и металлической матрицей.

Ключевые слова: сталь, неметаллические включения, структура, уральское железо. БО1: 10.7868/80015323014090095

ВВЕДЕНИЕ

Природные богатства Сибири длительное время привлекали многих российских промышленников. Одна из наиболее сложных задач заключалась в транспортировке леса, металла и других грузов в европейскую часть России. Старый Московский тракт не мог в промышленных масштабах выполнять эту функцию. России требовалась современная железная дорога в Сибирь и далее к Тихому Океану. Сооружение Транссибирской магистрали началось в 1891 году одновременно из двух пунктов — Челябинска и Владивостока. Важнейшая задача заключалась в строительстве множества мостов через малые и крупные сибирские реки, в том числе через Обь. Мост через Обь строился по проекту инженера-мостовика Н.А. Беле-любского. Тем не менее мост носит имя Николая Георгиевича Гарина-Михайловского, который руководил изыскательской экспедицией и выбрал место строительства железнодорожного моста. Это сооружение являлось одним из первых в России консольных мостов с девятью пролетами длиной до 150 метров. Общий вес стальных конструкций мостовых ферм составил 270 тысяч пудов (~4300 т) [1—5]. В 1897 году железнодорожный мост через Обь был открыт (рис. 1а). Появление моста явилось причиной зарождения и последующего бурного развития российского мегаполиса —

Новосибирска. Датой рождения Новосибирска считается 20 июля 1893 г. — день, когда был заложен первый камень в строительство железнодорожного моста [4]. В настоящее время пролетные строения исторического моста через Обь демонтированы. Один из пролетов установлен в городском парке и сохранен как музейный экспонат (рис. 1б).

Сталь для изготовления первого железнодорожного моста через Обь была произведена на Воткинском заводе [4, 5]. В восемнадцатом веке Россия занимала ведущее место в мире по производству металла, основным поставщиком которого являлся Урал [8]. Удачное сочетание природных богатств, топлива и водных транспортных путей способствовало превращению Урала в крупный промышленный регион России. Характерной особенностью уральского железа являлась его "мягкость", что определялось малым содержанием вредных примесей в уральских рудах [6—10].

В настоящей работе изучены структура и свойства стали, использованной для изготовления элементов железнодорожного моста через реку Обь. Цель исследования заключалась в определении качества металла, произведенного 120 лет назад, и анализе изменений, которые могли произойти с металлом за время эксплуатации конструкции.

51

4*

Рис. 1. Мост через реку Обь в период строительства (а) и в наши дни (б) [5].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения исследований была использована стальная полоса сечением 10 х 80 мм, вырезанная из мостовой фермы. Химический анализ стали был выполнен с использованием атомно-эмиссионного спектрометра ARL 3460. Структурные исследования проведены на световом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer Aim в режиме светлого поля и на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50 XVP в режимах вторичных и отраженных электронов. Микрорентгеноспек-тральный анализ материала был выполнен с использованием приставки EDS X-Act. Металлографические шлифы были изготовлены из стальной полосы по стандартной методике, включавшей механическое шлифование, полирование и последующее химическое травление подготовленной поверхности. Неметаллические включения анализировали по ГОСТ 1778 методом сравнения с эта-

Рис. 2. Кинематическая схема установки для определения усталостной трещиностойкости.

лонными шкалами на нетравленых шлифах при увеличении 100 крат. Для выявления структуры стали использовали три типа химических реактивов: трехпроцентный раствор азотной кислоты в этиловом спирте; насыщенный раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте и слабый водный раствор хлорного железа. Прочностные свойства стали оценивали по схеме одноосного растяжения плоских образцов, вырезанных в направлении прокатки. Поведение материала в условиях циклического нагружения определяли путем построения и анализа кинетических диаграмм усталостного разрушения. Усталостные испытания проводили на установке, реализующей мягкий цикл нагружения (рис. 2).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

Химический состав исследованных образцов представлен в таблице. В стали зафиксировано присутствие меди, ванадия, титана, кобальта и других элементов. Содержание серы и фосфора в исследуемых образцах стали очень низкое (0.01%), что согласуется с данными работ [11, 12]. Количество кремния в стали достигает 1.71%, марганца — 0.64%. В зонах со скоплениями неметаллических включений зафиксировано повышенное содержание алюминия (до 1.49%). Характерной особенностью исследуемой стали является значительная неоднородность по содержанию углерода. Минимальное количество этого элемента составляет 0.05%, максимальное — 0.41%. Однако участки с повышенным содержанием углерода наблюдаются крайне редко. Отмеченная особенность связана, вероятно, с ликвацией углерода, обусловленной недостатками металлургической технологии.

Анализ результатов структурных исследований позволяет сделать вывод о повышенной загрязненности исследуемой стали экзогенными неметаллическими включениями. Крупные строчки

включений видны на шлифах даже невооруженным глазом. Неметаллические включения идентифицируют по физическим, геометрическим, механическим и химическим признакам: цвету, способности к отражению света, размеру и форме, способности к изменению формы при пластической деформации, а также по отношению к различным химическим реактивам [13—16]. В продольном направлении исследуемых образцов отчетливо просматриваются крупные включения шарообразной формы, расположенные в виде ориентированных в направлении прокатки скоплений и строчек (рис. 3а). Кроме дефектов такого типа наблюдаются хрупкие включения, также вытянутые в направлении прокатки (рис. 3б). На их фоне заметны более светлые пластичные, деформированные в процессе прокатки включения длиной более миллиметра (рис. 3в). В поперечном направлении длина ориентированных неметаллических включений существенно меньше, чем в продольном (рис. 3г). В соответствии с ГОСТ 1778, балл наблюдаемых включений составляет более пяти. Таким образом, по современным стандартам металл является особо загрязненным.

Химический состав стали, примененной для изготовления конструкций железнодорожного моста через реку Обь

Химический элемент, вес. %

С от 0.05 до 0.41 V 0.03

Мп 0.64 И 0.02

Si до 1.71 А1 до 1.49

Р 0.01 W 0.2

S 0.01 Со 0.01

Си 0.03 РЬ 0.02

№ 0.003 Mg 0.06

Сг 0.004 Fe Остальное

Микрорентгеноспектральный анализ показал, что наиболее часто в исследуемой стали встречаются включения сложного химического состава (рис. 4а, 4б), хотя присутствуют и более простые включения (рис. 4в—4е). В пределах комбинированных включений находятся участки с повышенным и пониженным содержанием кремния и марганца (рис. 5).

Рис. 3. Неметаллические включения в металле моста:

а — строчечные шарообразные и мелкие пластичные (продольное направление); б — хрупкие комбинированные (продольное направление); в — шарообразные и пластичные строчечные (продольное направление); г — включения в поперечном направлении.

Рис. 4. Включения в стали (а, в, д) и спектры, полученные от них (б, г, е) соответственно.

Исследование образцов на просвечивающем электронном микроскопе показало, что для большинства силикатных включений характерно кристаллическое строение (рис. 6а), что также подтверждается картиной микродифракции (рис. 6б). В феррите наблюдается достаточно высокая плотность дислокаций (рис. 6в).

Химическим травлением выявлено феррито-перлитное строение стали (рис. 7). Следствием многолетней выдержки металла явилось выделение по границам ферритных зерен и межфазным границам третичного цементита (рис. 6г, 7б). Средний условный диаметр ферритного зерна в областях, свободных от неметаллических включений, определенный методом секущих по ГОСТ 5639, со-

ставил 36 мкм. Особенностью исследуемых образцов является особо неравномерное распределение углерода, что проявляется в формировании зон со скоплениями перлитных колоний (рис. 7в). Размер таких зон составляет -0.5...2 мм. Объемная доля перлита в них может достигать 50%. Зона, практически свободная от перлита, представлена на рис. 7г.

Механические свойства исследуемой полосы были оценены при одноосном растяжении и усталостном нагружении плоских образцов по схеме трехточечного изгиба. Испытания на растяжение показали, что прочность исследуемого материала находится на уровне горячекатанной стали 20. Предел текучести составляет 240 МПа, предел

(а)

> » '1 '

< ч ; ;* >

1

(б)

Ж •«ЩТь. Ш. -¿еЖ "^ЖйШш^ Щ з" . ....... : * . ^ ' * * * щ! 1

" 4 : ... ' . .. ■ ••;'.- г; - : ■•■ .:, -''Л "•>■- •? . ' • -Л-'•,,-

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком