Глава 1. Сведения о конструкционных материалах

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 58Следующая ⇒

Требования к свойствам конструкционных материалов

Успех в создании конструкций - возможность их индустриального изготовления, надежность и долговечность в эксплуатации, технико-экономическая эффективность во многом зависит от правильного выбора материала. В последние десятилетия благодаря совместным усилиям металлургов, металловедов и специалистов-сварщиков улучшены существующие и разработаны новые эффективные марки стали и виды проката, значительно расширившие возможности проектирования. При этом были сформулированы определенные требования к стальному прокату (основному конструкционному материалу) для металлоконструкций.

Накопленный опыт проектирования и длительной эксплуатации эффективных по уровню воспринимаемых нагрузок и архитектурному оформлению конструкций позволяет выделить пять основных служебных свойств, которыми в той или иной мере должны обладать конструкционные материалы:

· прочность,

· свариваемость,

· сопротивление хрупкому разрушению,

· сопротивление вязкому разрушению,

· технико-экономическая эффективность.

Прочность

Эффективность повышения прочности стали проявляется в снижении массы металлической конструкции. Если за основу (нижний уровень прочности) принять наименее прочную углеродистую сталь обыкновенного качества с пределом текучести σ_т=230 МПа и временным сопротивлением σ_в=380 МПа, то анализируя опыт создания металлоконструкций с пределом текучести до 1000 МПа можно сделать вывод, что особенно интенсивное снижение массы конструкции наблюдается при относительном повышении прочности - до двух, - трехкратного уровня. При этом максимальное снижение массы достигается в сооружениях, в которых значительная часть несущей способности конструкции расходуется на поддержание собственного веса, например, в элементах тяжелого пролетного строения; хорошие результаты дает использование высокопрочной стали в элементах, испытывающих растяжение, несколько худшее в конструкциях, включающих сжато-изогнутые элементы. Не удается получить снижение массы при повышении прочности стали в элементах с малой жесткостью. Не достигается оно и в элементах сварных конструкций, испытывающих интенсивные переменные силовые воздействия с большим числом циклов нагружения и малой асимметрией циклов.

Из этого следует, что наиболее эффективными в части снижения массы (и стоимости) могут оказаться комбинированные конструкции, включающие элементы из сталей разных уровней прочности (бистальные), которые выбираются исходя из условий нагружения и конструктивных особенностей элементов.

На основании приведенных представлений для проката строительных сталей были выбраны семь основных унифицированных уровней прочности, которым соответствует:

σ_т - предел текучести не менее: 225, 285, 325, 390, 440, 590 и 735 МПа;

σ_в - временное сопротивление разрыву не менее: 375, 430, 450, 510, 590, 685 и 830 МПа.

Свариваемость

Традиционный способ повышения прочности стали состоит в увеличении содержания углерода и легирующих элементов. Установлено, однако, что при этом возрастает опасность появления в околошовной зоне закалочных микроструктур, хрупких холодных трещин и трещин задержанного хрупкого разрушения. Действие углерода в этом отношении особенно отрицательно. Влияние легирующих элементов и примеси выражают количественно сравнением с влиянием углерода. По формуле Международного института сварки:

С_э = С + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15.

По свариваемости стали делят на четыре группы:

хорошая: С_э <= 0,25

Углеродистые стали: Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, 08,10, 15, 20, 25;

Конструкционные низколегир.:15Г, 20Г, 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХМ, 20ХГСА, 10ХСНД, 10ХГСНД, 15ХСНД

Эти стали при обычных способах сварки не дают трещин. Сварка таких сталей выполняется без предварительного и сопутствующего подогрева, без последующей термообработки.

удовлетворительна я: С_э = 0,25 - 0,35

Углеродистые стали: Ст5, 30, 35;

Конструкционные низколегир.: 12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХН, 20ХГСА, 30Х, 30ХМ, 25ХГСА;

Такие стали допускают сварку без образования трещин только в нормальных производственных условиях, когда температура окружающей среды выше 0º С и отсутствует ветер или сквозняки.

ограниченная: С_э = 0,35 - 0,45

Углеродистые стали: Ст6, 40, 45, 50;

Конструкционные низколегир.: 35Г, 40Г, 45Г, 40Г2, 35Х, 40Х, 45Х, 40ХМФА, 40ХН, 30ХГС, 30ХГСА, 35ХМ, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 4ХС:

Эти стали в обычных условиях сварки склонны к образованию трещин. Как правило, сварка таких сталей производится по специальной технологии, регламентирующей режимы предварительной термообработки, подогрева и тепловой обработки после сварки.

плохая: С_э > 0,45

Углеродистые стали: 65, 70, 80, 85, У7, У8, У9, У10, У11, У12;

Конструкционные низколегир.: 50Г, 50Г2, 50Х, 50ХН, 45ХН3МФА, ХГС, 6ХС, 7Х3.

Эти стали склонны к образованию трещин. Сварка их выполняется с обязательной предварительной термообработкой подогревом в процессе сварки и с последующей термообработкой.

Кроме эквивалента углерода, образование закалочных микроструктур и связанных с ними трещин зависит от скорости охлаждения металла шва и околошовной зоны, на которую влияют тепловые параметры сварки (тепловложение, начальная температура) и конструктивные особенности соединения (форма, толщина). При сварке стали с одним и тем же углеродным эквивалентом с возрастанием скорости охлаждения вероятность образования закалочных микроструктур увеличивается, что находит отражение в монотонном росте максимальной твердости в околошовной зоне. Поэтому ограничение максимальной твердости некоторой критической величиной может служить хорошим критерием для выбора стали и условий ее применения. Так, в японских стандартах на сталь для сварных конструкций, помимо ограничений по эквиваленту углерода с 70-х годов введено ограничение по максимальной твердости в околошовной зоне: не свыше 350 HV.

Предложено много способов экспериментальной оценки свариваемости, включая механизированные способы испытаний в условиях имитированных термодеформационных циклов сварки. Однако их применение необходимо только при разработке новых сталей или при использовании существующей стали в той области, в которой она ранее не применялась. Для проката традиционных свариваемых сталей при их обычном использовании достаточной гарантией свариваемости является соответствие химического состава и механических свойств нормам технических условий и стандартов.

Склонность к образованию горячих трещин для класса хромоникелевых сталей может быть оценена по хромоникелевому эквиваленту (Cr_экв/Ni _экв):

Cr _экв =Сr + 1,5 Si + Mo +0,8 V + 0,5 Nb + W + 3,5 Al + 4 Ti;

Ni _экв = Ni + 0,5 Mn + 0,5 Cu + 30 C +30 N;

К = (Cr _экв)/(Ni _экв) =1,6 - 1,3 сваривается без ограничений;

К = (Cr _экв)/(Ni _экв) = 1,3 - 1,0 ограниченно свариваемая;

К = (Cr _экв)/(Ni _экв) <1 трудно свариваемая.

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов