Конспект (часть 1) (Конспект лекций 4302), страница 2

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 σв, σт, и δ несколько повышаются, поэ­тому алюминиевые сплавы хорошо работают при низких темпера­турах. С повышением температуры σв и σт 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 σт 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 СтЗ, предел текучести σт, ~ 0,5 ав, относительное удлинение δ = 18 ÷ 20 %. Остальные алюминиевые сплавы (см. табл. 1.7) 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.

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_в = 0,85 ÷ 0,95. У технического титана ВТ1-0 это отношение приближается к 0,75. Близость значений σт и σв 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 — сложностью 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 некоторой 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.

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.

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.

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).

Более экономичны двутавры с параллельными гранями полок (так называемые широкополочные двутавры), широко применяемые за рубежом. С пуском в 1978 г. нового универсального балочного стана в Нижнем Тагиле такие двутавры выпускаются в СССР по ТУ 14-2-24—72. 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—72 и 8510—72. 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—72.

Фасонные профили отраслевого назначе­ния применяют в различных областях народного хозяйства: для изготовления рельсов железнодорожного транспорта, тавровых и зетовых элементов строительных конструкций и т. д. Сортамент фасонных прокатных профилей весьма разнообразен (рис. 1.3). Он включает периодические, штампованные, гнутые, прессованные и трубчатые профили.

Периодические профили (переменного сечения) целесообразно применять для арматуры железобетона. Винтообразная форма стержня увеличивает его поверхность и улучшает сцепление металла с бетоном. Применение периодического проката в машино­строении выгоднее, чем обыч­ного, так как позволяет уменьшить массу конструк­ций.

Штампованные профили (толщина s = 5 ÷ 6 мм) по­лучают из листовой стали холодной штамповкой. Осо­бенность этих профилей — большой момент инерции при относительно малых площа­дях поперечного сечения, а следовательно, и малой мас­се. Размеры штампованных элементов зависят от конст­рукции прессов. Имеются прессы, которые позволяют обрабатывать элементы длиной до 5 — 6 м. Штампованные элементы находят широкое применение в авиа­строении, автомобилестроении, строительстве.

Гнутые профили изготовляют из горячекатаной и холодноката­ной отожженной листовой ленточной и полосовой стали обыкновен­ного качества и из низколегированной стали.

Разработаны гнутые уголки, специальные корытообразные про­фили, неравнобокие, С-образные и многие другие, которые приме­няются в тонкостенных конструкциях. Гнутые профили экономичны, гак как при относительно малой площади поперечного сечения и малой массе они обладают повышенной жесткостью, что является существенно важным при работе элементов на изгиб, продольное сжатие, кручение.

Прессованные профили изготовляют из алюминиевых сплавов. Примеры гнутых (а) и прессованных (б) профилей приведены на рис. 1.4.

Трубчатые профили различных очертаний постоянного и пе­ременного поперечного сечения изготовляют сваркой, горячей прокаткой, прессованием, горячим и холодным волочением и раздувкой. Помимо круглого профиля, наиболее распростра­ненного в промышленности, изготовляют также фасонные трубы (рис. 1.5).

Трубы выпускают с широким диапазоном диаметров и толщин стенок. Их используют при монтаже трубопроводов, а также при изготовлении решетчатых конструкций типа вышек, мачт и башен. При проектировании следует учитывать, что стоимость 1 т труб выше, чем стоимость сортового проката, а трубы малого диаметра дороже, чем большого.

Существует несколько наиболее распространенных способов дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка является универсальным технологиче­ским процессом. Этим способом сваривают конструкции во всех пространственных положениях, из разных марок сталей, цветных сплавов в случаях, когда применение автоматических и полуав­томатических методов не представляется возможным, например при отсутствии требуемого оборудования, недостаточного осво­ения технологического процесса.

Соединения при автоматической и полуавтоматической сварке под слоем флюса, разработанной Институтом электросварки им. Е. О. Патона совместно с другими НИИ и заводами, широко применяются на заводах машиностроительной и строительной про­мышленности. Автоматической сваркой под флюсом сваривают из­делия с широким диапазоном изменения толщин, как правило, от 1 до 50 мм, иногда и более.

Применение автоматической и полуавтоматической дуговой сварки в среде защитного углекислого газа, разработанной ЦНИИТМашем, Институтом электросварки им. Е. О. Патона, МВТУ и другими организациями, непрерывно расширяется. Этим способом производится укладка швов во всех пространственных положениях, хорошо свариваются элементы малых, средних и больших (до нескольких десятков миллиметров) толщин из углеро­дистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей.

Конструкции из аустенитных, мартенситных и ферритных жаропрочных, теплоустойчивых сталей, многих алюминиевых, титановых, медных, магниевых и других сплавов также успешно свариваются в среде защитных газов.

Сварные соединения должны быть по возможности равнопроч­ными с основным металлом элементов конструкций при всех тем­пературах во время эксплуатации, а также при всех видах нагрузок (статических, ударных и вибрационных).

Слабыми участками в сварных соединениях могут быть швы, зоны термического влияния и сплавления. Зоной термического влияния называют участок основного металла, прилегающий к швам, который в результате сварки изменяет механические свойства.

Последнее обстоятельство особенно имеет место при сварке термичечески обработанных, а также нагартованных сталей и сплавов.

Улучшение механических свойств сварных соединений достигается: 1) выбором рациональной конструктивной формы соедине­ния; 2) применением рациональных методов сварки; 3) термической и механической обработкой сварных конструкций после сварки.

Конструкции с равнопрочными сварными соединениями отвечают требованиям экономичности. Избыточная прочность сварного сое­динения по сравнению с целым элементом удорожает конструк­цию и не улучшает условий ее эксплуатации. Недостаточная проч­ность сварного соединения снижает несущую способность всей конструкции и не позволяет полностью использовать рабочие сечения ее элементов. Поэтому из условия равнопрочности расчет­ные усилия соединений определяют:

при растяжении