Цветные сплавы, полимеры и композиционные материалы

В промышленности наряду с применением стали получают рас­пространение цветные сплавы: в авиации, судостроении, строитель­стве. Сплавы на основе алюминия и титана обладают значительно меньшей плотностью по сравнению со сталями, хорошо сохраняют свои свойства при работе в условиях низких температур. С другой стороны, цветные сплавы имеют в несколько раз меньший, чем сталь, модуль упругости, что понижает устойчивость элементов конструк­ций, увеличивает их деформируемость.

По сравнению со сталями обыкновенного качества цветные сплавы обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напря­жений. Это повышает требования к качеству обработки изделий и особенно к качеству сварочных работ.

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые и недеформируемые. В сварных конструкциях применяется первый из наз­ванных видов, недеформируемые - литейные сплавы - исполь­зуются главным образом в отливках.

Алюминиевые сплавы не имеют площадки текучести, предел те­кучести определяется при остаточной деформации, равной 0,2%. С понижением температуры σ_B, σ_т и δ несколько повышаются, поэ­тому алюминиевые сплавы хорошо работают при низких темпера­турах. С повышением температуры σ_B, σ_т резко снижаются.

Существенным преимуществом алюминиевых сплавов перед сталями является их коррозионная стойкость.

Сплав АМц и группа сплавов системы Al - Mg относятся к де­формируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой. Эти сплавы свариваются наиболее хорошо. Они применяются в мяг­ком отожженном состоянии, а также в слабо и сильно нагартованном, т. е. подвергнутом пластической деформации с целью повыше­ния предела текучести. При нагартовке показатели прочности су­щественно повышаются (особенно σ_т) при некотором снижении относительного удлинения.

Наиболее распространены алюминиевые сплавы, легированные магнием, особенно АМг6, который имеет предел прочности в ненагартованном состоянии около 0,8 от предела прочности Ст3, предел текучести σ_т<0,5σ_B, относительное удлинение δ = 18 - 20%. Остальные алюминиевые сплавы упрочняются терми­ческой обработкой.

Сплавы, легированные медью, обладают повышенной прочностью, но плохо свариваются. Их применяют преимущественно в закален­ном и искусственно состаренном состояниях. Сплав В92 дуговой сваркой сваривается значительно лучше, чем сплав Д16, но соеди­нения чувствительны к коррозии под напряжением. Сварные соеди­нения сплава Д16 по прочности ниже, чем основной металл, но удовлетворительно работают при повышенных и низких темпера­турах.

Методом порошковой металлургии получают теплопрочные мате­риалы САП (спеченная алюминиевая пудра). САП обладают проч­ностью до 330 МПа при комнатной температуре и 70-80 МПа при Т = 500 ºС.

При соответствующей дегазации материалы САП свариваются удовлетворительно.

В сварных конструкциях начали применять титановые сплавы. Они пока еще дороги, но обладают многими ценными свойствами.

Титановые сплавы, как и алюминиевые, имеют малую плотность (около 4500 кг/м³) и высокие механические показатели.

Пределы прочности и текучести основного металла могут иметь значения до 1000 МПа и выше, причем отношение σ_т/σ_B = 0,85 - 0,95. У технического титана ВТ1-0 это отношение приближается к 0,75. Близость значений σ_т и σ_B является причиной повышенной чувствительности к концентраторам напряжения, что отрицательно сказывается на работе конструкций из титановых сплавов. Пре­делы прочности сварных соединений составляют от 0,8 до 1 прочно­сти основного металла.

Конструкции, изготовленные из титана, при относительно малой массе обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими механическими свойствами и красивым внешним видом. Они приме­няются в химическом машиностроении, в некоторых видах летательных аппаратов, в судостроении, приборостроении, а также при возведении монументов.

Конструкции из магниевых, медных и других сплавов встре­чаются редко.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью и не­высокими прочностными характеристиками. Разработаны методы их сварки различными способами. Медные сплавы обладают высокой плотностью, хорошей электропроводностью; свариваются различ­ными способами.

Ряд ценных свойств имеют сплавы на основе бериллия. Они обла­дают высокой прочностью, пластичностью, высоким модулем упру­гости, но используются крайне редко ввиду, с одной стороны, своей высокой стоимости, а с другой - сложности их обработки. Бериллиевые сплавы очень токсичны и без применения особых мер предосторожности могут принести большой вред здоровью человека.

В промышленности широко применяются никелевые сплавы.

Никелевые сплавы хорошо свариваются под флюсом, аргонодуговым способом. Разработан ряд марок электродов для ручной дуговой сварки. Механические свойства швов при сварке никелевых сплавов имеют достаточно высокие показатели, часто не уступают свойствам основного металла.

Развивается применение полимеров. Полимеры используются в декоративных изделиях, в ряде деталей машин, например, подшип­ников, в деталях транспортных конструкций.

Термопластичные полимеры (термопласты) - высокомолекуляр­ные материалы, которые при нагреве до определенной температуры переходят в вязкотекучее состояние, а при последующем охлажде­нии возвращаются в исходное. Эти материалы хорошо соединяются сваркой. К хорошо свариваемым материалам относятся полистирол, полиметилметакрилат, полиэтилен и многие другие. В сварных кон­струкциях целесообразно применять винипласт и полистирол, которые обладают относительно высокой прочностью, легко обра­батываются и свариваются, хотя и имеют несколько повышенную чувствительность к надрезу.

Механические свойства полимеров разнообразны, они нередко достаточно высоки. Полимеры часто склонны к старению - ухуд­шению физико-механических свойств с течением времени. В слабо нагруженных конструкциях полимеры заменяют металл.

В последние годы получили развитие конструкции из составных композитных материалов, представляющих компактную массу с раз­нородными составляющими, в частности, с вкраплением в матрицу высокопрочных или тугоплавких составляющих. Разрабатываются методы сварки композитных материалов.

Созданы порошковые материалы. Из них легко выполняются изделия любой формы. Порошковые материалы получают спеканием, прессованием. Многие порошковые материалы имеют хорошие меха­нические свойства и могут свариваться.

Сортамент проката

В сварных конструкциях применяют металл в виде проката, от­ливок, поковок и штампованных изделий. Наиболее часто сварные конструкции изготовляют из проката. Его разделяют на группы: листовой, простой сортовой, фасонный и периодический.

Листовой прокат. Листовую сталь получают прокаткой между валками, без бокового давления. Сортамент на толстую листо­вую сталь (ГОСТ 5681-57) включает листы толщиной от 4 до 160 мм. Листовой прокат приобретает все большее значение в про­мышленности. Стоимость проката зависит от его сорта и размеров. Наименьшую стоимость имеют профили типовых размеров.

Двутавровые балки (двутавры) - профильные элементы с боль­шими моментами инерции при относительно небольших площадях поперечного сечения. Номер двутавра указывает его высоту в сан­тиметрах. Начиная с № 18 и выше двутавры прокатывают с различ­ной площадью поперечного сечения при одной и той же высоте про­филя (ГОСТ 8239-72).

К простому сортовому прокату относят сталь круглую, шестигранную, полосовую. Круглую сталь (ГОСТ 2590-71) широко используют в качестве арматуры железобетонных сооруже­ний, а также в строительных конструкциях, работающих под не­большими нагрузками, например, в фермах легкого типа.

Фасонные профили общего назначения. Если элемент конструкции подвергается изгибу, то рациональ­ность профиля с позиции минимальной массы при заданной несущей способности определяется отношением W/F, где W - момент сопро­тивления изгибу, F - площадь поперечного сечения. Чем больше W/F, тем эффективнее используется профильный прокат.

Более экономичны двутавры с параллельными гранями полок (так называемые широкополочные двутавры), широко применяемые за рубежом. С пуском в 1978 г. нового универсального балочного стана такие двутавры выпускаются в Нижнем Тагиле в России по ГОСТ 26020-83. Двутавры применяют в различных строительных и машиностроительных конструкциях.

Угловая сталь (уголки) состоит из двух полок равной или нерав­ной ширины. Сортамент угловой стали определяют ГОСТ 8509-93 и 8510-86. Уголки широко применяют в конструкциях ферм и рам.

Швеллеры используют при конструировании станин, рам, эле­ментов ферм и других видов конструкций. Сортамент швеллеров определяет ГОСТ 8240-89.