КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

МАТЕРИАЛЫ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

К материалам, используемым при изготовлении сварных конструкций, можно отнести стали, цветные сплавы, а также пластмассы, композитные материалы. По причине того, что основное место при проектировании и производстве сварных конструкций занимают конструкционные стали и цветные сплавы, то их свойства и будут рассмотрены в данной главе.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Конструкционные стали по содержанию углерода подразделяют на:

- низкоуглеродистые (С = 0,09 – 0,25 %);

- среднеуглеродистые (С = 0,25 – 0,46 %);

- высокоуглеродистые (С = 0,46 – 0,75 %).

По суммарному содержанию легирующих элементов конструкционные стали делят на:

- низколегированные, содержание легирующих элементов до 2,5 %;

- среднелегированные, содержание легирующих элементов от 2,5 до 10 %;

- высоколегированные, содержание легирующих элементов свыше 10 %, при условии, что железа в стали содержится не менее 45 %.

Наибольшее распространение при производстве сварных конструкций получили низкоуглеродистые и низколегированные стали.

Углеродистые стали обыкновенного качества согласно ГОСТ 380 – 71 разделяют на три группы:

- группа А – сталь поставляется по механическим свойствам;

- группа Б – сталь поставляется по химическим свойствам;

- группа В – сталь поставляется по механическим и химическим свойствам (наиболее дорогостоящие стали).

В сталях содержатся добавки кремния и марганца (раскислители), а также вредные примеси – сера и фосфор, содержание которых в стали ограничивают.

Сталь получают плавкой чугуна со стальным ломом, легирующими элементами, флюсами в конверторах, мартеновских и электрических печах. Хорошее качество конверторной стали обеспечивается продувкой кислородом. Высшие сорта сталей получают электрошлаковым, вакуумным дуговым, электронно-лучевым, плазменно-дуговым переплавом.

По степени раскисления стали делят на:

- кипящие «кп», плавка стали сопровождается без достаточного количества раскислителей;

- спокойные «сп», стали, раскисленные добавками кремния и алюминия;

- полуспокойные «пс», стали, занимающие промежуточное положение между кипящими и спокойными.

Спокойные и полуспокойные стали по механическим свойствам различаются незначительно. Кипящие стали обладают большей хладноломкостью, неравномерностью распределения примесей, склонностью к горячим трещинам.

Влияние различных элементов на свойства стали неодинаково (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Нормированный химический состав и механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей приведены соответственно в табл. 6.2, 6.3.

Таблица 6.2

Таблица 6.3

Стали Ст2, Ст3, Ст4 предназначены для конструкций общего назначения.

Сталь М16С предназначена для наиболее ответственных конструкций, воспринимающих динамические нагрузки.

Стали 15К, 20К – котельные стали, предназначены для конструкций (котлов, баллонов, труб), работающих при давлении до 6 МПа при температуре до 450 ⁰С.

Для строительных конструкций используют стали, подразделяющиеся на условные классы прочности (табл. 6.4) в зависимости от их механических свойств при растяжении. Знаменатель в дроби, приведенной в обозначении, – предел прочности, числитель – предел текучести в десятках МПа.

Таблица 6.4

При производстве сварных конструкций часто используются качественные углеродистые конструкционные стали согласно ГОСТ 1050 – 74 (табл. 6.5).

Таблица 6.5

Наиболее распространенные в сварных конструкциях низколегированные стали согласно ГОСТ 19281 – 73 и ГОСТ 19282 - 73 имеют химический состав и механические характеристики (табл. 6.6, 6.7).

Легирующие добавки имеют следующие условные обозначения: марганец – Г, кремний – С, никель – Н, хром – Х, молибден – М, ванадий – Ф, медь – Д, титан – Т, вольфрам – В, бор – Р, азот – А (если в середине обозначения), алюминий – Ю (если в середине обозначения).

Таблица 6.6

Таблица 6.7

Первые две цифры обозначения стали указывают на содержание углерода в сотых долях процента, цифры справа от условного обозначения элемента – среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Из приведенных низколегированных сталей стали 10ХСНД и 15ХСНД используют в ответственных конструкциях (мостостроение). Стали 09Г2С, 16ГС применяют в сварных листовых конструкциях.

В тяжелых конструкциях, работающих под высокими нагрузками, применение низколегированных сталей может привести к существенному снижению расхода металла (до 30 – 35 %). При этом, несмотря на более высокую стоимость низколегированной стали по сравнению с низкоуглеродистыми, может быть снижена и стоимость изготовления конструкции за счет меньшего расхода металла.

При изготовлении сварных конструкций используют также среднеуглеродистые и стали от средне- до высоколегированных. Выбор марки стали зависит от ряда параметров, главными из которых являются условия работы конструкции и свариваемость.

ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

В отраслях промышленности, где основными факторами являются низкий вес и высокая удельная прочность конструкции (авиа- и судостроение), широкое применение получили алюминиевые, титановые сплавы. Эти сплавы сохраняют свои свойства при низких температурах, обладают высокой коррозионной стойкостью, тем не менее у данных сплавов более низкий модуль упругости, чем у стали, что увеличивает их деформируемость, они обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений. Данные факторы повышают требования к технологии изготовления изделия.

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и недеформируемые (литейные). В свою очередь деформируемые сплавы могут быть упрочняемыми и не упрочняемыми термообработкой (обладают хорошей свариваемостью). Литейные сплавы не свариваются.

Механические характеристики алюминиевых сплавов (табл. 6.8).

Таблица 6.8

Сплавы АМц и АМГ обладают наиболее высокой свариваемостью и коррозионной стойкостью, сплавы Д16, В95 имеют худшие показатели.

Титановые сплавы обладают ценным свойством: малая плотность при высоких механических характеристиках (табл. 6.9).

Таблица 6.9

Близость значений предела прочности и предела текучести титановых сплавов является причиной повышенной чувствительности к концентраторам напряжений.

Титановые сплавы отличает высокая чувствительность к кислороду, азоту, водороду, что предопределяет необходимость высокого уровня защиты поверхности, корня шва при выполнении сварочных работ.

СОРТАМЕНТ

Наиболее широкое применение при сварке получил листовой и профильный прокат. Характеристики проката определяются соответствующими ГОСТами (табл. 6.10, 6.11, 6.12)

Таблица 6.10

Таблица 6.11

Таблица 6.12