Материалы для изготовления сварных конструкций

При изготовлении сварных конструкций используют различные материалы: стали, цветные металлы и сплавы, а также неметаллические материалы (различные пластмассы). Наибольшее применение имеют стали различных классов и групп.

Классифицируют стали по следующим признакам:

  • ? по способу производства - бессемеровские, мартеновские, конвертерные, тигельные и электростали;
  • ? химическому составу - углеродистые и легированные;
  • ? назначению - конструкционные, инструментальные, с особыми свойствами (жаропрочные, теплоустойчивые, коррози- онно- и жаростойкие);
  • ? структуре - перлитные, аустенитные, ферритные, мартенситные, карбидные;
  • ? качеству (по содержанию S и Р) - обыкновенного качества (S и Р менее 0,1%), качественные (S и Р менее 0,035%), высококачественные (S и Р менее 0,025%) и особо высококачественные (S менее 0,015%, Р менее 0,025%).

Содержание углерода в стали определяет ее основные физические, механические и технологические характеристики.

Углеродистые стали по назначению подразделяются на конструкционные, инструментальные, котельные, электротехнические и специальные.

Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин, приборов и инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Изделия из таких сталей работают при невысокой температуре (до 450 °С) и в неагрессивных средах.

Инструментальные стали используют для изготовления различного режущего инструмента. Они должны обладать высокой твердостью, прочностью, износо- и теплостойкостью.

Котельные стали применяют при изготовлении котлов, которые должны удовлетворять условиям работы при температурах до 450 °С и при воздействии переменных механических нагрузок.

Электротехнические стали используют при изготовлении магнитопроводов различных видов и форм.

Специальные стали применяют как конструкционный материал с особыми свойствами в специальных областях машиностроения, например химическом машиностроении.

Углеродистые стали п о содержанию углерода подразделяют:

  • ? на низкоуглеродистые (до 0,25%);
  • ? среднеуглеродистые (0,26-0,6%);
  • ? высокоуглеродистые (0,6-1,8%).

С увеличением содержания углерода повышается прочность (ств, стг), но снижается пластичность (8) и падает вязкость стали (K.CU). Временное сопротивление разрыву (предел прочности) ств низкоуглеродистых сталей обычно составляет 440-540 МПа, среднеуглеродистых - примерно 800 МПа, высокоуглеродистых - свыше 1000 МПа.

По своей структуре низкоуглеродистая сталь является однородным кристаллическим телом, состоящим из зерен (кристаллов) феррита, занимающих почти весь объем стали, а также перлитных включений между зернами феррита.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в а-железе. Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК); представляет собой кристаллы чистого железа, он мягок и пластичен, предел его прочности ов = 250 МПа, предел текучести стт = 120 МПа, относительное удлинение 8 = 50%, твердость 80-100 НВ (~ 10 HRC).

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом Fe3C (карбид железа). Цементит очень тверд (800 НВ), прочен и упруг. Его предел прочности ав = 800-1000 МПа при удлинении всего 1%.

Перлит является смесью цементита (Fe3C) с ферритом, образующимся по границам зерен феррита. Механические характеристики перлита занимают среднее положение: ст„ = 600 МПа, 5 = 5-20%. С увеличением содержания углерода в стали количество перлита возрастает.

Вкрапления и прослойки перлита, обволакивая зерна феррита, создают как бы жесткую и упругую «сетку» вокруг мягкого и пластичного феррита. Такое строение стали объясняет ее работу под нагрузкой и ее пластические свойства.

Прочностные свойства низкоуглеродистых сталей повышаются благодаря введению различных легирующих элементов, которые входят в твердый раствор с ферритом стали и этим его упрочняют.

Легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся:

  • ? на низколегированные (содержание каждого из легирующих компонентов не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих компонентов менее 3,5%);
  • ? среднелегированные (суммарное содержание легирующих компонентов 3,5-10%);
  • ? высоколегированные (суммарное содержание легирующих компонентов свыше 10%).

Наибольшее распространение для изготовления сварных конструкций получили низколегированные стали марок 10Г2СД, 14ХГС, 10ХСНД, 12ХГН, 14Г, 19Г, 15ГС, 18ГС2,25ХГСА, ЗОХГСА, 40Г2, ЗОХГТ и др.

Главный легирующий компонент, обеспечивающий стали коррозионную стойкость, - хром в количестве не менее 12%. При высоком содержании хрома (выше 12%) сталь приобретают ет устойчивую ферритную структуру, сохраняющуюся при всех температурах.

При повышении содержания никеля в высокохромистой стали такая сталь приобретает способность закаливаться с получением мартенситной структуры.

В маркировке легированных сталей первые две цифры означают содержание углерода в сотых долях процента, буквы - условные обозначения легирующих элементов, а цифры после букв - примерное содержание легирующих элементов, при этом при содержании элемента до 1 % цифры не указывают.

Условные обозначения основных легирующих элементов:

марганец (Мп) - Г; медь (Си) - Д; молибден (Mo) - М; никель (Ni) - Н; кремний (Si) - С; хром (Cr) - X; титан (Ti) - Т;

ванадий (V) - В; ниобий (Nb) - Б; алюминий (AI) - Ю; вольфрам (W) - В; цирконий (Zr) - Ц; кобальт (Со) - К.

Элементы, обеспечивающие получение ферритной структуры (ферритизаторы), - Si, Mo, Ti, Cr, Nb, а аустенитной структуры (аустенизаторы) - С, Си, Ni, Mn, W, V и др.

Большое влияние на свойства стали оказывает способ ее раскисления при выплавке. В зависимости от полноты раскисления различают спокойные, полуспокойные и кипящие стали. Обозначение марки кипящей стали сопровождается буквами «кп», а полуспокойной - «пс», например Ст2кп, Ст4пс. В марках спокойной стали могут указывать дополнительные буквы «сп», но могут и не указывать, например СтЗсп или СтЗ.

Углеродистые стали обыкновенного качества, выплавляемые в мартеновских печах, поставляют по ГОСТ 38-94 и обозначают следующим образом: буквы Ст, цифровое обозначение номера марки стали и буквенное обозначение степени раскисления стали (например, СтЗкп, Ст2пс). Если сталь имеет повышенное содержание марганца, то в марке стали указывают букву Г, например СтЗГсп, СтЗГпс.

Качественные углеродистые конструкционные стали, выплавляемые в мартеновских или электрических печах, поставляют по ГОСТ 1050-88. Поставляемые по этому стандарту стали имеют гарантированный химический состав и механические свойства. Число в обозначении марки стали означает содержание углерода в сотых долях процента (например, стали марок 15, 30, 45).

Углеродистые качественные стали производят двух групп:

  • ? группа I - с нормальным (0,25-0,8%) содержанием марганца;
  • ? группа II - с повышенным (0,7-1,2%) содержанием марганца (в обозначения марок сталей этой группы дополнительно вводят букву Г).

Низколегированные стали поставляют по ГОСТ 5520-79, ГОСТ 5521-93 и ГОСТ 19281-89. Такие стали применяют в электроэнергетике, судостроении, химической промышленности, мостостроении, вагоностроении и др.

Низколегированные стали ненамного дороже углеродистых сталей, но имеют лучший комплекс механических свойств, повышенную хладостойкость, лучшую свариваемость и т.п.

Хорошая свариваемость низколегированных сталей обеспечивается за счет низкого содержания углерода и легирующих элементов. В зависимости от набора регламентированных характеристик, низколегированные стали делятся на 15 категорий, при этом для всех категорий регламентирован химический состав. Механические характеристики дифференцированы в зависимости от толщины проката и марки стали.

Все легированные стали спокойные. Легированные конструкционные стали выпускают по ГОСТ 4543-71, теплоустойчивые - по ГОСТ 20072-74 и высоколегированные и жаростойкие - по ГОСТ 5632-72. Буква А в конце марки стали означает, что сталь высококачественная, т.е. с пониженным содержанием серы и фосфора (например, 30ХГСН2А). Особую маркировку имеют судостроительные стали различных категорий (например, А32, Д36, Е40) и трубные стали различных классов прочности (например, К50, К54, Х60, Х70 и т.д.).

Механические характеристики некоторых конструкционных углеродистых и низколегированных сталей приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Механические характеристики конструкционных сталей

Марка

Временное сопротивление разрыву а„, МПа

Предел текучести, а,, МПа

Пластичность

5, %

Вязкость КСU при температуре -40 °С, Дж/см2

СтЗкп

370

200

24

-

Ст5сп

500

260

17

-

09Г2

520

400

19

50

09Г2С

500

370

19

50

Марка

Временное сопротивление разрыву ав, МПа

Предел текучести, ст.,, МПа

Пластичность

5, %

Вязкость K.CU при температуре -40 °С, Дж/см2

16ГС

520

400

18

40

15ХСНД

600

500

17

40

10

340

210

31

-

20

420

250

25

-

30

500

300

21

80

45

610

360

16

50

20ХГСА

800

650

12

70

30ХГСА

1100

850

10

50

Сплавы на железоникелевой и никелевой основе маркируют теми же буквами, что и стали, но содержание углерода и легирующих элементов не указывают.

Цветными металлами и сплавами, используемыми при изготовлении сварных конструкций или их элементов, являются медные сплавы (бронзы и латуни), алюминиевые, магниевые и титановые сплавы.

Медные сплавы имеют достаточно высокие механические и антифрикционные свойства, а также коррозионную стойкость. Эти сплавы делятся на три основные группы: бронзы, латуни и медно-никелевые сплавы.

Для изготовления сварных конструкций используют медь марок Ml, М2, М3, М1р, М2р, МЗр и др., алюминиево-железные бронзы марок БрА9Ж4, БрА9ЖЗЛ, БрА10ЖЗМц2, БрАЖ9-4, оловянные бронзы марок БрОЗЦ12С5, Бр08Ц4, БрОФ4-0,25, БрОФ7-0,2, латуни Л63, Л68, ЛК80-3, ЛО90-1, ЛМцС58-2, а также медно-никелевые сплавы, например МНЖМцЗО-1-1 и др. Бронзы выпускают по ГОСТ 5017-74 и ГОСТ 18175-78, а латуни-по ГОСТ 15527-70.

При сварке конструкций из меди и медных сплавов применяют ручную дуговую сварку, сварку под флюсом, сварку в защитных газах и электрошлаковую.

Алюминиевые и магниевые ставы обладают достаточно высокой прочностью, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и вследствие низкой плотности находят широкое применение в авиастроении. Различают деформируемые (для получения полуфабрикатов - листов, плит, прутков профилей, труб и т.п.) и литейные сплавы.

Сварку конструкций выполняют из деформируемых сплавов покрытыми электродами, по слою флюса, в защитных газах неплавящимся или плавящимся электродами, в ряде случаев используют электрошлаковую и электронно-лучевую сварку.

Для изготовления сварных конструкций используют алюминиевые и алюминиево-магниевые сплавы марок АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг4, АМг5, АМгб и др.

Алюминиевые сплавы выпускают по ГОСТ 4784-97 и ГОСТ 2685-75, а магниевые сплавы по ГОСТ 14957-76 и ГОСТ 2856-79.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими конструкционными материалами: сравнительно низкую плотность (4540 кг/м3), высокую прочность (1200— 1400 МПа) при температуре 450-500 °С, высокую коррозионную стойкость и нейтральность ко многим агрессивным средам.

Сварные конструкции из титановых сплавов изготавливают дуговой сваркой в среде аргона. Для сварки сплавов толщиной более 3 мм применяют сварку под флюсом.

Для изготовления сварных конструкций используют титановые сплавы марок ВТ1-0, ВТ1-00, ВТЗ-1, ВТ-4, ВТ-5, ВТ-6, ВТ-14, ВТ-20, ОТ-4, ОТ-4-1, АТ-2 и др. Такие сплавы находят широкое применение в летательных аппаратах, химической аппаратуре, транспорте и судостроении. Титановые сплавы выпускают по ГОСТ 19807-91.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >