Механическая и микроструктурная оценка сварных соединений распорных штырей из обычной углеродистой и нержавеющей стали

Почему важны скрытые части мостов

Каждый день миллионы людей пересекают автомобильные мосты, не подозревая, что их безопасность зависит от небольших металлических штифтов, называемых распорными штырями. Эти штыри связывают бетонную плиту с расположенными ниже стальными балками, помогая всей конструкции работать как единое жесткое целое. Поскольку дорожные службы переходят на новые, более стойкие к коррозии стали, чтобы сократить расходы на обслуживание, им необходимо удостовериться, что эти невидимые соединители по‑прежнему надежны. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: если в мостах используют современные нержавеющие стали, стоит ли также менять штыри — с обычной углеродистой стали на нержавеющую — чтобы сохранить прочность и долговечность конструкции?

От ржавых балок к коррозионно‑устойчивой стали

Традиционные балки мостов изготовлены из углеродистой стали, которая прочна, но уязвима к коррозии, особенно в районах с реагентами на дорогах, морским аэрозолем или длительной влажной погодой. Владельцы мостов пробовали стали атмосферостойкого типа, образующие защитный слой ржавчины, но в хлорсодержащих условиях этот слой может разрушаться, что вызывает неожиданные ремонты. Более свежая альтернатива, известная как Grade 50CR, — это низколегированная хромистая нержавеющая сталь, спроектированная для сопротивления коррозии в течение десятилетий при минимальном обслуживании. Многие владельцы мостов хотят сочетать такую сталь с равностойкими деталями, но это вызывает опасение: если обычный углеродистый штырь приварить к балке из нержавеющей стали, два несхожих металла могут в присутствии соли и влаги образовать микрогальванические элементы, ускоряющие коррозию менее благородного металла. Очевидный выход — переходить на сами штыри из нержавеющей стали, но нормативы дают мало указаний о том, как такие нержавеющие штыри ведут себя при сварке в реальных мостовых узлах.

Испытания: как разные штыри выдерживают нагрузки

Исследователи собрали и испытали три типа узлов «штырь‑пластина», моделирующих реальные мостовые решения. В одной группе использовалось традиционное сочетание низколегированного углеродистого штыря и углеродистой пластины. Вторая группа представляла собой намеренно «несоответствующее» соединение — тот же углеродистый штырь, приваренный к пластине Grade 50CR. Третья группа использовала штыри из 316L нержавеющей стали на пластинах Grade 50CR, что отражает полностью нержавеющую, коррозионно‑устойчивую систему. С помощью специальных оснасток в универсальной разрывной машине они растягивали отдельные штыри на растяжение и сдвигали пары штырей на сдвиг, измеряя максимальную нагрузку и величины удлинения или сдвига до разрушения. Во всех трех конфигурациях общая прочность на сдвиг и растяжение оказалась в целом сопоставимой, однако нержавеющие штыри выделялись способностью существенно деформироваться перед разрушением, демонстрируя большую пластичность и поглощение энергии.

Исследование сварных швов на микроскопическом уровне

Одна лишь прочность не рассказывает всей истории, поэтому команда рассекла сварные соединения и изучила их под микроскопом, затем выполнила измерения твердости с мелким шагом, чтобы отобразить изменения материала вблизи шва. В как углерод‑на‑углерод, так и углерод‑на‑нержавеющую сварке были обнаружены очень твердые, игловидные структуры — мартенсит — сосредоточенные в термически измененной зоне вокруг шва. Эти области отличались резко повышенной твердостью, иногда превышающей уровни, которые инженеры рассматривают как предупреждение о хрупком поведении. В смешанной конфигурации с углеродным штырем на Grade 50CR зона шва становилась особенно твердой, что указывает на более высокую долю хрупких фаз, способных треснуть в суровых условиях эксплуатации. Напротив, в соединениях штырь из нержавейки — пластина из нержавейки также образовывались твердые участки, но их пик твердости был ниже и распределялся более плавно, что указывает на более «прощающее» поведение шва. Важно, что исследователи не обнаружили проблемной фазы сигма, которая в некоторых нержавеющих швах может ухудшать коррозионную стойкость.

Чему учат разрушения о запасах прочности

Большинство образцов разрушались в самом штыре с классическим пластическим разрывом, что предпочтительно с точки зрения конструкторов: это означает, что базовый стержень уступает первым, а не происходит внезапный отказ сварного шва. Однако небольшая часть образцов, особенно в группе «нержавеющий‑на‑нержавеющий», лопнула в или рядом со швом. Авторы связывают эти исключения с локальными дефектами сварки или участками чрезвычайно твердой микроструктуры, подчеркивая, что даже в в целом надежной системе плохое качество сварки может сместить место отказа из штыря в соединение. Их измерения показывают, что размер шва, площадь провара и локальные всплески твердости все вместе определяют, будет ли соединение разрушаться постепенно и очевидно или более хрупко. Это подтверждает действующие правила сварки, требующие надлежащего тепловложений, осадки штыря и чистоты, и указывает, что тонкая настройка параметров сварки для нержавеющих систем может дополнительно снизить риск образования хрупких зон.

Почему штыри из нержавейки на нержавеющих пластинах выглядят перспективно

Для владельцев мостов главный вывод обнадеживающий. Применение штырей из 316L нержавеющей стали на балках Grade 50CR обеспечивает характеристики на сдвиг и растяжение, соответствующие или превосходящие традиционные углеродистые штыри, при этом устраняются проблемы гальванической коррозии, возникающие при сочетании несхожих металлов. Хотя в сварке любого материала могут появиться твердые участки или дефекты при ненадлежащем контроле, исследование показывает, что пластины Grade 50CR можно успешно сваривать без образования особенно опасных фаз, а нержавеющие штыри благодаря высокой пластичности способны обеспечить прочные и надежные соединения. Проще говоря, переход на систему «нержавеющий‑на‑нержавеющий» выглядит практичным путем к более долговечным и малообслуживаемым мостам — при условии, что процедуры сварки тщательно квалифицируют и контролируют.

Цитирование: Sajid, H.U., Slein, R. Mechanical and microstructural assessment of conventional carbon and stainless steel shear stud welded connections. Sci Rep 16, 7049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37051-7

Ключевые слова: коррозия мостов, штифты из нержавеющей стали, композитные мосты, микроструктура сварного шва, Grade 50CR