Закладные детали фундамента, изготовленные из низколегированных конструкционных сталей, подвергаются большим нагрузкам. К качеству таких элементов предъявляются повышенные требования. Для антикоррозионной защиты деталей, при эксплуатации в условиях слабоагрессивной среды, применяется горячее цинковое покрытие по ГОСТ 9.307-89 или цинконаполненные краски. Разрушение закладных деталей фундамента — серьёзная проблема, которая может привести к снижению несущей способности и обрушению конструкции.

После того как при монтаже большой партии закладных деталей МД-6 произошло их разрушение по зонам гиба, Заказчик обратился в Испытательный центр «ЦНИИПСК-ТЕСТ» для установления причин возникновения трещин.

Исследования металла, проведенные в другой испытательной лаборатории, а также неразрушающий магнитопорошковый контроль деталей не установили причин их разрушения.

Детали изготовлены одним производителем из сортового проката стали С345 (круг Ø42 мм) и имеют П-образную форму. Загиб сортового проката круглого сечения производили при нагреве резаком при температурах от 700о до 1200оС на гибочном станке до требуемых размеров по чертежу проекта.

Заказчиком для исследования были представлены два фрагмента деталей с зоной гиба. Один фрагмент отобран от разрушенной детали с сохранившейся поверхностью излома, второй фрагмент детали – после изготовления, на объект не устанавливался.

Заказчиком также были представлены сопроводительные документы: сертификат качества на прокат сортовой горячекатаный круглый, технологическая карта и рабочие чертежи проекта, а также протоколы испытаний металла других лабораторий.

Первые результаты исследований и новые трещины в детали

Для установления причин разрушения закладных деталей сотрудниками ИЦ «ЦНИИПСК-ТЕСТ» было решено провести сравнительные исследования двух деталей, а именно, оценить соответствие металла требованиям ГОСТ, а также сведениям, указанным в сертификате качества, и провести металлографические исследования микроструктуры разрушенной детали в зоне излома и неразрушенной детали в зоне гиба. Кроме того, для оценки повышенного уровня локальных напряжений, необходимо было определить значения твердости по сечению деталей в зоне гиба.

После оценки качества (проведения химического анализа, испытаний на статическое растяжение и ударный изгиб), был установлено, что металл деталей (разрушенной и новой) соответствует требованиям ГОСТ 27772, предъявляемым сортовому прокату из стали С345 и соответствует требованиям проекта. Измерение твердости по сечению деталей в зоне гиба показали повышенные значения твердости до 243 – 245HV10 в зоне сжатия, по сравнению с твердостью вне зоны гиба: 156 – 157 HV10.

При металлографическом исследовании разрушенной детали около поверхности излома, изменения микроструктуры и трещин, инициировавших разрушение, не выявлены. Шлифы для исследования структуры изготавливали в поперечном сечении детали в зоне гиба, вблизи поверхности разрушения и исследование микроструктуры проводили как в зоне растяжения, так и в зоне сжатия. Обнаружены были только микротрещины со стороны поверхности сжатия глубиной от 100 мкм до 400 мкм (рисунок 1).

^{Рис. 1. Микроструктура разрушенной детали в зоне гиба со стороны поверхности сжатия, х400}

Тогда было решено исследовать микроструктуру в зоне гиба новой детали. Для этого фрагмент детали механическим способом, без термического воздействия на металл, разрезали вдоль оси, по диагонали (42 мм). И после подготовки, на поверхности макрошлифа проявилась трещина со стороны сжатия, глубиной ~10 мм (рисунок 2 а). Ветвистая, местами раздвоенная траектория трещины расположена перпендикулярно оси детали. (рисунок 2,б). При визуальном осмотре было установлено, что очаг зарождения трещины совпадает со следами механического воздействия (вдавливания) гибочной оправки на поверхность детали.

Результаты исследований полости трещин и установление причины разрушения

При проведении ЭДРС анализа (энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия) в локальной зоне трещины установлено, что полость трещины заполнена цинком. Это позволило сделать вывод, что трещина образовалась при гибке детали, до нанесения цинкового покрытия.

При последующем горячем цинковании детали произошло затекание жидкого цинка во внутренние объемы трещины, что вызвало дополнительное охрупчивание металла, на участке сжатия с высокими напряжениями. Такое явление называется «жидкометаллическое охрупчивание».

^{Рис. 2. Деталь, после разрезки ее по диагонали (а): трещина в зоне гиба со стороны сжатия (б)}

В результате проведенных исследований эксперты ИЦ «ЦНИИПСК-ТЕСТ» установили, что детали, изготовленные из стали С345, соответствующей по химическому составу и механическим характеристикам требования ГОСТ 27772, разрушились в результате образования трещины в зоне гиба при их изготовлении.

Гибка деталей производилась с нарушением технологии. Зарождение трещины со стороны сжатия, в зоне механического воздействия оснастки, свидетельствует о плохой подготовке или неисправности гибочного оборудования. Кроме того, на предприятии-изготовителе не был проведен визуальный и измерительный контроль (ВИК) в зонах гиба деталей перед оцинковкой (на предмет наличия трещин, глубоких царапин, вмятин).

^{Рис. 3. Зона определения элементного состава (а) и результат ЭДРС анализа в зоне трещины (б)}

ЦНИИПСК им. Мельникова рекомендует

В области металловедческой экспертизы наши специалисты часто сталкиваются с разрушениями металлоконструкций и проводят исследования разной сложности в этом направлении. Каждый случай уникален, причины разрушения могут быть разнообразными, а иногда время является критическим фактором.

Перечислим несколько основных рекомендаций при возникновении разрушений металлоконструкций:

1. Обращайтесь в экспертную организацию, специалисты которой уже на этапе описания проблемы могут разработать предварительную программу испытаний. Несистемный подход к анализу разрушений за счет проведения единичных исследований, может привести к потере времени и финансовых средств.
2. Старайтесь четко формулировать цель экспертизы: чем конкретнее будут обозначены задачи анализа, тем быстрее и точнее специалисты могут найти и подготовить ответы по существу.
3. Уточняйте назначение каждого испытания: любое испытание в программе исследований должно иметь конечную цель, отвечать на конкретный вопрос и приближать заказчика к понимаю причин разрушения.
4. Читайте внимательно экспертное заключение. Оно должно содержать полную информацию об объекте исследований, фотоматериалы, описание всех проводимых испытаний, полученных результатов и при необходимости их сопоставление с действующей нормативно-технической документацией, обоснованные выводы с установлением причины разрушения.