Сравнение качества высокопрочных болтов класса прочности 12.9, изготовленных различными производителями

Возведение вместительных развлекательно-спортивных комплексов, стадионов, выставочных залов, высотных зданий с большими пролётами и толщиной элементов металлоконструкций 60–120 мм обусловливает интерес строителей к высокопрочным (в/п) болтам с более высоким классом прочности. Замена сварных соединений на болтовые сокращает сроки строительства и снижает требования к квалификации строителей. Кроме того, увеличение класса прочности болтов сокращает количество отверстий под болты и время их установки. По данным [1] при замене болтов из стали 40Х по ГОСТ Р 52643-2006 [2] с временным сопротивлением 1078 МПа на болты класса прочности 12.9 с временным сопротивлением 1274 МПа или на сверхпрочные болты с временным сопротивлением 1400 МПа и выше теоретическое снижение количества болтов в соединениях составит соответственно 15% и 23% и более.

В связи с введением с 01.01.2006 г. ГОСТ Р 52643-2006, открывшим для практического применения класс прочности болтов 12.9, возникает вопрос об их качестве и надёжности, под последним чаще всего понимают обеспечение длительной долговечности болтов в болтовых соединениях металлоконструкций. Согласно ГОСТ Р 52643-2006, для болтов класса прочности 12.9 рекомендуется сталь 20Х2НМТРБ (авторское свидетельство СССР на изобретение 954493). Опытные партии болтов М24 с временным сопротивлением 1590 МПа, т. е. с классом прочности значительно выше 12.9, из этой стали успешно выдержали испытания в промышленной атмосфере крупных предприятий горного и металлургического комплекса и при ускоренных испытаниях в условиях воздействия слабоагрессивной промышленной атмосферы с SO₂. Снижение содержания углерода в высокопрочной хромистой стали и дополнительного ее легирования элементами Ni, Mo, Nb, Ti, B позволяют повышать сопротивление коррозионному растрескиванию (КР) и водородному охрупчиванию (ВО) в слабоагрессивной промышленной атмосфере болтов из стали 20Х2НМТРБ (по сравнению с болтами из стальи 40Х) [3]. Устойчивыми против КР после закалки с низким отпуском при температуре 240 °С оказались стали 30Х2НМАФ, 20Х2СНМФТАР, 20Х2НМФТАР и 20СМТАР [4]. На сталь 25Х2НМФАТ получено авторское свидетельство СССР № 1347493, кл. С22 С38/50 1987 г.

Последующие события перестройки прервали переход к промышленному производству в/п болтов класса прочности 12.9 из стали 20Х2НМТРБ и из других марок стали . В настоящее время болты класса прочности 12.9 поставляются зарубежными фирмами.

С целью гарантии качества крепежа для ответственных объектов применяется входной контроль. Так, при возведении металлоконструкций покрытия аэровокзального комплекса «Внуково-1» был использован входной контроль высокопрочных болтов М24 производства фирмы PEINER. Площадь покрытия здания составила 100 тыс. м². В болтовых соединениях использовали 13000 болтов М24 с длиной стержней от 50 до 110 мм.

Благодаря контролю качества болтов за весь период строительства не было ни одного случая разрушения болтов М24 класса прочности 10.9 [5]. Переход к высокопрочным болтам более высокого класса прочности 12.9 требует увеличения внимания к качеству этих болтов.

Проведена работа по сравнению качества высокопрочных болтов, производимых фирмами PEINER (ФРГ) и GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD (Китай). Химический состав исследованных сталей приведён в табл. 1.

 
Таблица 1. Химический состав исследованных болтов

Методика проведения исследования

Измерения твёрдости по методу Бринелля проводили согласно ГОСТ Р 52627-2006 на гранях шестигранных болтов на твердомере 2109ТБ. Определение механических характеристик целых болтов при испытании на разрыв на косой шайбе осуществляли на гидравлическом прессе П-250. Испытания на динамический изгиб производили на маятниковом копре КМ-30 на образцах тип 1 по ГОСТ 9454-78, изготовленных из болтов М24х155, М30х220 и М30х155. Испытания на замедленное хрупкое разрушение (ЗХР) проводили на образцах, выточенных из болтов в соответствии с ГОСТ Р 52643-06 (Приложение Б). Образцы закрепляли в динамометре совместно с захватными приспособлениями в электрохимической ячейке, заполненной наводораживающим раствором (0,05 н. раствор Н₂SO₄ + 20 мг/л SeO₂). Катодную поляризацию осуществляли источником постоянного тока плотностью 45-50 мА/см². В качестве анода использовали платину.

Необходимое растягивающее усилие создавали в образце с резьбой М10 путём закручивания гайки обычным ключом. Уровень растягивающего напряжения устанавливали по автоматическому электронному измерителю деформаций АИД-4. Уровень напряжений в образцах варьировали в диапазоне (0,6–0,8)·σ/σ_В, где σ_В – фактическое временное сопротивление образца, изготовленного из болта.

Металл болтов М24х155 производства фирмы PEINER по содержанию Mn, Cr, Ti близок к химическому составу стали 30ХГТ по ГОСТ4543-71. Сталь 30ХГТ для изготовления высокопрочных болтов по ГОСТ Р 52643-2006 не предусмотрена. Металл болтов М24х155 по сравнению с марочным составом стали 30ХГТ содержит 0,003 % бора и 0,010 % ванадия. Бор существенно повышает прокаливаемость стали, а ванадий измельчает зерно стали 30ХГТ. Оба типоразмера болтов М30 изготовлены из стали марки 38ХМ по ГОСТ 4543-71 с пониженным (на 0,02 %) содержанием молибдена и повышенным (на 0,03–0,06 %) содержанием марганца. Близость по химическому составу болтов М30х155 и М30х95 указывают на то, что их изготовили из одной плавки.

Рис. 1. Общий вид узла 9-5В фермы 61TR-9 в месте присоединения фасонки и раскоса к узлу 9Н

Общим свойством сравниваемых болтов М24 и М30 является высокая степень чистоты металла по вредным примесям: S 0,005–0,008 % и P 0,010–0,014 %. Высокий уровень чистоты сравниваемых сталей 30ХГТ и 38ХМ выявляется и по содержанию цветных примесей: никелю и меди (см. табл. 1).

Болты класса прочности 12.9 производства фирмы GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD (Китай), были отобраны от необетонированных конструкций 61-63 ауттригерных этажей башни «Восток» комплекса «Федерация». Кроме того, с необетонированных участков конструкций были отобраны 3 разрушенных болта для установления их фактических механических свойств. Количество разрушенных болтов не превышала 0,1 % от общего количества установленных болтов. В металлоконструкции фермы 61ТR-9, узел 9-5В выявлено 3 разрушенных болта М30х155, что составляет 1,8 % от общего количества болтов в этом узле (168 штук) и существенно превышает процентное соотношение разрушенных болтов в пределах обследованной необеотонированной конструкции (рис. 1).

В табл. 2 представлены результаты испытаний на разрыв на косой шайбе целых болтов производства фирм GEM-YEAR INDUSTRIAL CO .LTD и PEINER. Как видно из табл. 2, один из исследованных болтов М30х220 китайского производства имеет повышенное временное сопротивление (на 53 МПа) по сравнению с нормируемым значением по ГОСТ Р 52643-2006 для болтов класса прочности 12.9. На этом болте установлены повышенные значения твёрдости (432…435 НВ). Остальные болты производства GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD и PEINER удовлетворяют требованиям, предъявляемых ISO 898/1:1999 к высокопрочным болтам (σ_В ≥ 1220 МПа).

Таблица 2. Результаты испытаний на разрыв на косой шайбе

 
Согласно результатам измерения твёрдости, выполненных на гранях головок болтов, выявлено заметное различие между болтами производства фирмы PEINER и GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD (табл. 3). Если все значения твёрдости болтов М24х155 удовлетворяют требованиям, предъявляемым ГОСТ Р 52643-2006 к высокопрочным болтам класса прочности 12.9, то для некоторых болтов М30х220 и М30х155 наблюдается отклонение от этих требований.

Таблица 3. Результаты измерения твёрдости болтов

На двух болтах М30х155 (усл. № 12 и № 13) из трёх исследованных установлены повышенные значения твёрдости (417…429 НВ) по сравнению с нормированными значениями по ISO 898/1:1999 (< 414 HB) и ГОСТ Р 52643-2006 (≤ 415 НВ).

Определение твёрдости на торцах стержней трёх разрушенных болтов М30х220 (табл. 4) показывает заметное различие в значениях твёрдости по сечению стержня. Максимальная разница между значениями твёрдости у края резьбы и в центральной части стержня достигает 61 НВ.

Таблица 4. Результаты измерения твёрдости по сечению стержня болтов

Результаты испытаний высокопрочных болтов на ударный изгиб представлены в табл. 5. Видно, что болты М24х155 и М30х220 удовлетворяют требованиям, предъявляемым ГОСТ Р 52643-2006 к высокопрочным болтам класса прочности 12.9 исполнения ХЛ. Полученные значения ударной вязкости на образцах № 11 и № 14 не являются показательными, так как эти образцы имели дефект в виде продольной трещины (рис. 2).

​

Рис. 2. Внешний вид «половинки» ударного образца изготовленного из болта М30х220 после испытаний

Таблица 5. Результаты испытаний на ударный изгиб

* В образцах на боковой поверхности выявлена продольная трещина.

Один из двух образцов, изготовленных из болта М30х155, показывает КСU всего лишь на ~ 4 Дж/см² ниже нормативного значения. Учитывая достаточно заметный уровень вязкой составляющей в изломе двух испытанных образцов при температуре –60 °С, следует признать удовлетворительными результаты испытаний на ударный изгиб болтов М30х155.

С целью более надёжной оценки качества болтов М30х155 провели испытания на замедленное хрупкое разрушение (табл. 6).

Таблица 6. Результаты испытаний на ЗХР

Видно, что время до разрушения образцов при нагрузке 0,6 σ_В выше нормативного значения по ГОСТ Р 52643-2006. При нагрузках 0,7 σ_В и 0,8 σ_В получены неоднозначные результаты: на одном образце (из двух исследованных) время до разрушения ниже нормативного значения. Однако следует иметь в виду, что коэффициент концентрации напряжений К_i для болта М30 составляет 2,40, а для используемого образца с резьбой М10 К_i = 2,75. Таким образом, при уровне напряжений 0,7 σ_В…0,8 σ_В есть вероятность обнаружения склонности некоторых болтов к ЗХР. Последнее действительно выявлено при обследовании болтовых соединений металлоконструкций 59-65 аутригерных этажей башни «Восток» комплекса «Федерация». При этом контроль натяжения болтов по моменту закручивания с помощью динамометрического ключа с мультипликатором не выявил ослабленных болтов. Средняя величина момента затяжки составила 2400 Нм. Фактическая средняя величина усилия натяжения высокопрочных болтов после 2,5 лет эксплуатации составила 473 кН (48,3 тс).