Машиностроение и механика

Article Index
Проектирование сварных конструкций: прочность, материалы, строение сварного соединения
Расчетная и конструкционная прочность
Жесткость и устойчивость деталей
Расчет строительных конструкций по методу Предельных состояний
Метод расчета по предельным состояниям
Обозначение на чертежах швов сварных соединений
Материалы сварных конструкций
Измерение твердости
Испытания на ударный изгиб
Правила нанесения показателей свойств материалов
Стали. Классификация. Маркировка
Углеродистые стали
Низколегированные стали
Цветные металлы
Сварочные материалы
Строение сварного соединения
Растяжение поперек шва
Растяжение вдоль шва
Механические свойства металла сварных соединений
All Pages

Прочность сварных конструкций

Классификация сварных конструкций

Сварные конструкции делят на стержневые, листовые и машиностроительные.

· Стержневые конструкции – каркасы строительных зданий, специальные конструкции (мачты, каркаса ЛА).

· Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, котлы, корпуса ЛА.

· Машиностроительные конструкции – валы рамы, станины и др.

Любая деталь, узел, конструкция, сооружение должны отвечать требованиям работоспостобности и надежности.

Работоспособность. Работоспособностью называют состояние объектов, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Надежность. Под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. Любая современная машина или прибор, какими бы высокими характеристиками они не обладали, будут обесценены при ненадежной работе. Надежность зависит от всех этапов создания и эксплуатации изделий. Отказы в основном связаны с разрушениями (статическими, малоцикловыми и усталостными), изнашиванием и недостаточной жесткостью. Поэтому задачи обеспечения прочности, жесткости и износостойкости являются основными в проблеме надежности.

Работоспособность и надежность деталей машин оцениваются определенными условиями и показателями – критериями. Важнейшими из них являются:

1) прочность – способность детали сопротивляться разрушению;

2) жесткость – способность деталей сопротивляться изменению формы, является одной из характеристик работоспособности деталей машин;

3) износостойкость, коррозионная стойкость, виброустойчивость и др.

При расчете и проектировании деталей обычно используют один или два критерия, а остальные критерии удовлетворяются заведомо или не имеют практического значения для рассматриваемых объектов.

Прочность

Прочность – понятие довольно широкое. Существует инженерное и научное понятие прочности.

Под инженерной прочностью понимают способность материала сопротивляться пластическому деформированию, разрушению, способность конструкции сопротивляться потере устойчивости, потере коррозионной стойкости и др.

В научном более узком смысле понимают сопротивление разрушению материала.

Расчетная и конструкционная прочность

Конструкционная прочность – прочность, определенная путем испытаний конструкции или ее имитатора с учетом материала вида нагружения, условий эксплуатации и технологии ее изготовления.

Кроме экспериментальных методов на прочность используют методы расчетные.

Расчетная прочность – прочность найденная расчетом, путем использования простейших характеристик материала и аппарата теории связывающего эти характеристики с величиной прочности.

Запас прочности – отношение одноименных величин одна из которых соответствует предельному состоянию, а другая состоянию эксплуатации.

При расчете необходим учет условий нагружения, и возможный характер разрушения.

Нагрузки могут быть:

· статическими – характеризуются весьма малыми скоростями нагружения;

· повторностатическими – один цикл не чаще чем раз в секунду;

· вибрационными – частота цикла превышает 1Гц;

· ударными – характеризуются весьма высокими скоростями нагружения.

Разрушение может быть:

· вязким – разрушение идет по телу зерна, место разрушения имеет матовый цвет под микроскопом;

· хрупким – разрушение идет по границам зерен, место разрушения имеет блестящий цвет под микроскопом;разрушающие напряжежения ниже предела текучести материала.

· полувязким – разрушение идет частично по границам зерен, а частично по телу зерна.

Жесткость и устойчивость деталей

Жесткость - способность деталей сопротивляться изменению формы, является одной из характеристик работоспособности деталей машин. Жесткость оценивают по величине силы, вызывающей единичное перемещение (линейное или угловое) некоторой точки или сечения детали. Так, удлинение при растяжении стержня силой P

Δl=Pl/(EA) ( 2.1)

а жесткость стержня при растяжении, Н/мм

c=P/∆ℓ=EA/ℓ ( 2.2)

Характеристику, обратную жесткости, называют податливостью (мм/Н)

λ=1/c=ℓ/EA ( 2.3)

т. е. податливость равна перемещению сечения стержня (детали) под действием силы в 1Н.

Устойчивость

Расчеты на прочность и жесткость всегда ведутся исходя из предположения о том, что нагруженная конструкция занимает единственно возможное положение, в котором уравновешиваютя внешие силы, и вызманные ими внутренние силовые факторы.

В действительности же в деформированном состоянии равновесие между внешними и вызываемыми ими внутренними силами упругости может быть не только устойчивым, но и неустойчивьм.

Упругое равновесие будет устойчивым, если деформированное тело при любом малом отклонении от состояния равновесия стремится возвратиться к первоначальному состоянию и возвращается к нему после удаления внешнего воздействия, нарушившего первоначальное равновесное состояние. Упругое равновесие неустойчиво. если деформированное тело, будучи выведено из него каким-либо воздействием, приобретает стремление продолжать деформироваться в направлении данного ему отклонения и после удаления воздействия в исходное состояние не возвращается. Между этими двумя состояниями равновесий существует переходное состояние, называемое критическим, при котором деформированное тело находится в безразличном равновесии: оно может сохранить первоначально приданную eму форму, но может и потерять ее от самого незначительного воздействия.

Можно утверждать, что достижение нагрузками критических значений равносильно разрушению конструкции, так как неустойчивая форма равновесия неминуемо будет утрачена, что связано с практически неограниченным ростом деформаций и напряжений. Особая опасность разрушения вследствие потери устойчивости заключается в том, что обычно она происходит внезапно и при низких значениях напряжений, когда прочность элемента еще далеко не исчерпана.

До момента наступления критического состояния упругие деформации по величине весьма незначительны и нарастание их происходит почти незаметно для глаза. Но с момента наступления критического состояния до момента разрушения остаточные деформации нарастают крайне быстро, и практически нет времени принять меры по предотвращению грозящей катастрофы. Таким образом, при расчете на устойчивость критическая нагрузка подобна разрушающей при расчете на прочность. Для обеспечения определенного запаса устойчивости необходимо, чтобы удовлетворялось условие.

Расчет строительных конструкций по методу Предельных состояний

Расчет на прочность может производиться по одной из двух методик - по предельному состоянию, или по допускаемым напряжениям. Методика расчета по допускаемым напряжениям принята при расчете машиностроительных конструкций, и основы ее использования приведены в курсе «Сопротивления материалов». При расчете строительных конструкций принята методика расчета по предельному состоянию, более совершенная, чем методика расчета по допускаемым напряжениям.

Предельное напряженное состояние – состояние, когда в точке возникает напряженное состояние, ведущее к возникновению нового процесса. Например, к развитию пластической деформации, к образованию трещины и т.д. Различные ПНС возникают при различных видах нагружения.

Предельное состояние – такое состояние, при котором конструкция теряет работоспособность или ее состояние становится нежелательной. Усилия вызывающие предельное состояние называются предельными

Следует различать предельные состояния и предельные напряженные состояния. Не всегда эти понятия совпадают. Примеры:

Увеличение напряжений при изгибе балки до предела текучести приводит достижению ПНС в точках максимально удаленных от нейтральной линии. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к достижению напряжениями уровня предела текучести во всем сечении – предельного состояния в сечении, в конструкции происходит качественные изменения, перемещения резко увеличиваются, поскольку в наиболее нагруженном сечении образуется пластический шарнир.

Увеличение напряжений при растяжении приводит к последовательному появлению следующих предельных напряженных состояний: а) начала равномерной пластической деформации; б) образования шейки; в) разрушения.

Метод расчета по предельным состояниям

В соответствии с ГОСТ 27751-88 "Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету" предельные состояния подразделяются на две группы:

· первая группа включает предельные состояния, которые ведут к полной непригодности к эксплуатации конструкций, оснований (зданий или сооружений в целом) или к полной (частичной) потере несущей способности зданий и сооружений в целом;

· вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (оснований) или уменьшающие долговечность зданий (сооружений) по сравнению с предусматриваемым сроком службы.

Предельные состояния первой группы характеризуются:

· разрушением любого характера (например, пластическим, хрупким, усталостным);

· потерей устойчивости формы, приводящей к полной непригодности к эксплуатации;

· потерей устойчивости положения;

· переходом в изменяемую систему;

· качественным изменением конфигурации;

· другими явлениями, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации (например, чрезмерными деформациями в результате ползучести, пластичности, сдвига в соединениях, раскрытия трещин, а также образованием трещин).

Предельные состояния второй группы характеризуются:

· достижением предельных деформаций конструкции (например, предельных прогибов, поворотов) или предельных деформаций основания;

· достижением предельных уровней колебаний конструкций или оснований;

· образованием трещин;

· достижением предельных раскрытий или длин трещин;

· потерей устойчивости формы, приводящей к затруднению нормальной эксплуатации;

· другими явлениями, при которых возникает необходимость временного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-за неприемлемого снижения их срока службы (например, коррозионные повреждения).

Первое предельное состояние для растянутых и сжатых элементов выражается соотношением:

( 2.4)

При расчете на прочность растянутых элементов эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести:

( 2.5)

где – расчетное сопротивление по пределу текучести;

– предел текучести;

– коэффициент надежности по материалу (γ_С>1);

– расчетное сопротивление по пределу прочности;

– предел прочности;

– коэффициент условий работы (γ_С <1);

-коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность с использованием расчетных сопротивлений R_u;

– площадь поперечного сечения растянутого (сжатого) элемента.

Для изгибаемых элементов:

( 2.6)

Формально величину в правой части неравенств ( 2.4), ( 2.5), ( 2.6), мы можем принять за допускаемое напряжение, приемы расчета по предельному состоянию и допускаемым напряжениям совпадают, однако при расчете по предельным состояниям общий и неизменный коэффициент запаса прочности заменяется несколькими переменными величинами. Это позволяет при расчете по предельному состоянию проектировать эксплуатационно равнопрочные конструкции.

При определении расчетных сопротивлений для сварных швов R_W учитываются следующее: основной материал сварной конструкции, вспомогательные материалы используемые при сварке (марки покрытых электродов, электродных проволок), наличие либо отсутствие физических методов контроля сварного шва.

Обозначение на чертежах швов сварных соединений

Обозначение швов сварных соединений выполняется в соответствии с ГОСТ 2.312

Шов сварного соединения, независимо от способа сварки, условно изображают:

видимый - сплошной основной линией;

невидимый - штриховой линией;

Видимую одиночную сварную точку, не зависимо от способа сварки, условно изображают знаком "+", который выполняют сплошными основными линиями.

Невидимые одиночные точки не изображают.

От изображения шва или одиночной точки проводят линию-выноску, заканчивающуюся односторонней стрелкой. Линию-выноску предпочтительно проводить от видимого шва.

На изображение сечения многопроходного шва допускается наносить контуры отдельных проходов, при этом их необходимо обозначить прописными буквами русского алфавита.

Шов, размеры конструктивных элементов которого стандартами не установлены (нестандартный шов), изображаются с указанием размеров конструктивных элементов, необходимых для выполнения шва по данному чертежу).

Границы шва изображают сплошными основными линиями, а конструктивные элементы кромок в границах шва - сплошными тонкими линиями.

Рис. 2.1 Изображение сечения многопроходного шва

Рис. 2.2 Изображение нестандартного шва

В условном обозначении шва вспомогательные знаки выполняют сплошными тонкими линиями.

Вспомогательные знаки должны быть одинаковой высоты с цифрами, входящими в обозначение шва.

Примечание:

1. За лицевую сторону одностороннего шва сварного соединения принимают сторону, с которой производят сварку.

2. За лицевую сторону двустороннего шва сварного соединения с несимметрично подготовленными кромками принимают сторону, с которой производят сварку основного шва.

3. За лицевую сторону двустороннего шва сварного соединения с симметрично подготовленными кромками может быть принята любая сторона.

Структура условного обозначения стандартного шва или одиночной сварной точки приведена на Рис. 2.3

Некоторые из стандартов на сварные соединения:

ГОСТ 5264 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. ГОСТ 8713 Сварка под флюсом. ГОСТ 14771 Дуговая сварка в защитных газах.

Знак выполняют сплошными тонкими линиями. Высота знака должна быть одинаковой с высотой цифр, входящих в обозначение шва.

Структура  условного обозначения нестандартного шва или одиночной сварной точки приведена на Рис. 2.4

Рис. 2.3 Структура условного обозначения стандартного шва

Рис. 2.4 Структура условного обозначения нестандартного шва или одиночной сварной точки

В технических требованиях чертежа или таблицы швов указывают способ сварки, которым должен быть выполнен нестандартный шов.

Условное обозначение шва наносят:

а) на полке линии-выноски, проведенной от изображения шва с лицевой стороны (Рис. 2.5, а);

б) под полкой линии-выноски, проведенной от изображения шва с оборотной стороны (Рис. 2.5, б).

а) б) Рис. 2.5 Условное обозначение сварного шва. а) - с лицевой стороны; б) - с оборотной стороны.

Обозначение шероховатости механически обработанной поверхности шва наносят на полке или под полкой линии-выноски после условного обозначения шва, или указывают в таблице швов, или приводят в технических требованиях чертежа, например: "Параметр шероховатости поверхности сварных швов ..."

Если для шва сварного соединения установлен контрольный комплекс или категория контроля шва, то их обозначение допускается помещать под линией-выноской (Рис. 2.6)

Рис. 2.6 Обозначение контрольного комплекса или категории контроля шва

Рис. 2.7 Обозначение одинаковых швов

В технических требованиях или в таблице швов на чертеже приводят ссылку на соответствующий нормативно-технический документ.

Сварочные материалы указывают на чертеже в технических требованиях или таблице швов.

Допускается сварочные материалы не указывать.

При наличии на чертеже одинаковых швов обозначение наносится у одного из изображений, от изображений остальных одинаковых швов проводят линии-выноски с полками. Всем одинаковым швам присваивают одинаковый номер, который наносят:

а) на линии-выноске, имеющей полку с нанесенным обозначением шва (Рис. 2.7);

Упрощенное обозначение швов сварных соединений.

При наличии на чертеже швов, выполненных по одному и тому же стандарту, обозначение стандарта указывают в технических требованиях чертежа (запись по типу: "Сварные швы ... по ...") или таблице.

Допускается не присваивать порядковый номер одинаковым швам, если все швы на чертеже одинаковы и изображены с одной стороны (лицевой или обратной). При этом швы, не имеющие обозначения, отмечают линиями-выносками без полок.

Швы считаются одинаковыми, если: одинаковы их типы и размеры конструктивных элементов в поперечном сечении; к ним предъявляются одни и те же требования

Табл. 2.2 Примеры условных обозначений швов сварных соединений

Характеристика шва	Форма поперечного сечения шва	Условное обозначение шва, изображенного на чертеже
с лицевой стороны	с оборотной стороны
Шов стыкового соединения с криволинейным скосом одной кромки, двусторонний, выполняемый дуговой ручной сваркой при монтаже изделия. Усиление снято с обеих сторон. Параметр шероховатости шва: - с лицевой стороны - Rz 20 мкм; - с оборотной стороны Rz 80 мкм
Одиночные сварные точки соединения внахлестку, выполняемые контактной точечной сваркой. Расчетный диаметр точки 5 мм.
Шов соединения внахлестку прерывистый, выполняемый контактной шовной сваркой. Ширина шва 6 мм. Длина провариваемого участка 50 мм. Шаг 100 мм.
Шов соединения внахлестку без скоса кромок, односторонний, выполняемый дуговой полуавтоматической сваркой в защитных газах плавящимся электродом. Шов по незамкнутой линии. Катет шва 5 мм.

Табл. 2.3 Пример условного обозначения нестандартного шва сварного соединения

Характеристика шва	Условное изображение и обозначение шва на чертеже
Шов соединения без скоса кромок, односторонний, выполненный ручной дуговой сваркой при монтаже изделия

Примечание. В технических требованиях делают следующее указание:”Сварка ручная дуговая”.

Обозначения сварных швов металлоконструкций на чертежах выполняется по СН 460-74.  Обозначения швов сварных соединений по указанному документу в этом случае допускается использовать без выносных линий, помещая их непосредственно над или под изображением соответствующего сварного шва вне зависимости от того, является ли сварной шов видимым или невидимым.

 

Материалы сварных конструкций

Правильность выбора материала, является одним из основных вопросов при проектировании сварных конструкций, поскольку материал определяет работоспособность изделия, технологию его изготовления, стоимость изделия.

Исходными данными для выбора материала являются условия эксплуатации, кроме того, материал должен обладать требуемыми для изготовления технологическими свойствами.

При выборе материала учитывают комплекс условий: первоначальные затраты на материал, технологическую обработку (в т.ч. сварку) возможность последующего ремонта и т.д.

К материалам, используемым при изготовлении сварных конструкций, можно отнести стали, цветные сплавы, а также пластмассы, композитные материалы. Но основное место при проектировании и производстве сварных конструкций занимают конструкционные стали и цветные сплавы.

Виды разрушающих испытаний. Механические характеристики сталей и сплавов

Испытания на растяжение

Испытание на растяжение является наиболее распространенным методом определения характера поведения материала при статических нагрузках и оценки характеристик механических свойств материалов, т.е. характеристик упругости, прочности, пластичности, статической вязкости.

· Упругостью называется способность материала восстанавливать первоначальные размеры и форму детали после снятия внешних нагрузок.

· Пластичностью называется способность материала накапливать до разрушения пластические (остаточные) деформации.

· Статической вязкостью называется способность материала поглощать энергию, идущую на деформирование образца.

Количественными оценками свойств материала являются следующие характеристики:

· Предел пропорциональности σ_ПЦ - наибольшее напряжение, до которого деформации прямо пропорциональны напряжениям.

· Предел упругости σ_У - напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций.

· Предел текучести σ_Т - напряжение, при котором деформации растут без заметного увеличения нагрузки.

· Временное сопротивление σ_В (предел прочности) - максимальное напряжение (определенное без учета изменения площади поперечного сечения в процессе нагрузки) выдерживаемое материалом при растяжении.

Характеристики механических свойств материалов получают путем испытания образцов стандартной формы и размеров.

Рис. 3.1 Образец для испытаний на растяжение ОМ

Рис. 3.2Диаграмма растяжения для стали

При испытании образца (Рис. 3.1) на испытательной машине получают первичную диаграмму растяжения в координатах: нагрузка P- удлинение образца ∆l (Рис. 3.2). Эта диаграмма зависит от размеров образца. Для того, чтобы диаграммы не зависели от размеров испытуемых образцов и были сравнимы для различных материалов, первичную диаграмму перестраивают. При этом, удлинения ∆l делят на начальную длину образца l₀ (ε=∆l/l₀), нагрузки на начальную площадь поперечного сечения F₀ (σ=P/F₀). Координаты "ε-σ" используют для построения условной диаграммы растяжения, которая подобна первичной, так как при ее построении абсциссы и ординаты первичной диаграммы делятся на постоянные величины.

Рассмотрим более детально процесс растяжения стального образца. Начальный участок диаграммы 0-1 является прямолинейным и дает пропорциональную зависимость , где . Участок пропорциональности заканчивается напряжением

называемым пределом пропорциональности. Участок 0-1-2 составляет область упругих деформаций. При разгрузке из точки 2 деформации исчезают полностью. Участок заканчивается напряжением

,

которое называется пределом упругости. Практически предел упругости совпадает с пределом пропорциональности. Участок 2-3 составляет физическую площадку текучести: деформация продолжается при постоянном напряжении

,

которое называется пределом текучести.

Рис. 3.3Машинная и истинная диаграммы растяжения для стали.

Участок 3-4 характеризует упрочнение материала:

увеличение деформации вызывает непропорциональное увеличение напряжения. Наибольшее напряжение

на условной диаграмме называется временным сопротивлением (пределом прочности) материала. До точки 4 материал по длине образца растягивается равномерно. При достижении σ_В деформация образца локализуется в одном месте, образуется шейка. Вследствие местного уменьшения площади сечения необходима меньшая нагрузка для продолжения деформации, чем объясняется снижение напряжения на участке 4-5.

В точке 5 происходит разрушение. Условное разрушающее напряжение

не отражает истинной величины действующих в материале напряжений в зоне разрушения (в месте образования шейки).

Условные диаграммы не учитывают изменения площади сечения и длины образца. Если учесть эти изменения, то можно построить истинную диаграмму деформирования в координатах " ". Напряжение  называется истинным сопротивлением разрыву.

Для большинства материалов имеет место закон упругой разгрузки и повторной нагрузки. При разгрузке из точки A на диаграмме растяжения получим прямую линию, параллельную начальному участку (Рис. 3.3). Точка В делит деформацию ε_С на ε_УПР, исчезающую при разгрузке, и ε_ПЛ, остающуюся в образце. При повторном нагружении на диаграмме получается линия, почти совпадающая с линией разгрузки. После достижения точки А зависимость ε-σ изобразится в виде кривой А-4-5 так, как если бы промежуточной разгрузки не проводилось.

Линейный участок АВ при повторной нагрузке больше начального участка 0-1, следовательно, предел пропорциональности повышается. Однако при этом уменьшается величина остаточной деформации. Такое повышение прочности и уменьшение пластичности материала вследствие предварительной нагрузки выше предела текучести называется наклепом материала.

Существуют материалы, у которых отсутствует физическая площадка текучести (Рис. 3.4). Для них определяется условный предел текучести, т.е. напряжение, при котором остаточная деформация составляет заранее заданную малую величину. При этом на оси абсцисс откладывают отрезок, равный 0.002-0.005 от первоначальной длины образца, и проводят линию, параллельную прямой нагружения. Ордината точки пересечения этой линии с диаграммой растяжения соответствует величине условного предела текучести σ_0.2 (или σ_0.5).

При испытании хрупких материалов, например чугуна (Рис. 3.5), шейка на образце не образуется. Разрушение происходит при небольших пластических деформациях. Хрупкие материалы менее строго подчиняются закону Гука, начальный участок диаграммы деформирования слегка искривлен.

Рис. 3.4 Диаграмма растяжения для материала не имеющего площадки текучести

Рис. 3.5 Диаграмма растяжения для хрупкого материала

Второй группой характеристик, получаемых при испытаниях на растяжение, являются характеристики пластичности, по которым можно оценить способность материала накапливать пластические деформации.

Характеристиками пластичности являются: относительное остаточное удлинение образца при разрыве

где l_К - длина рабочей части образца к моменту разрыва; l₀ - начальная длина рабочей части образца.

и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца при разрыве

где F₀ - начальная площадь сечения; F_K- площадь поперечного сечения образца в шейке к моменту разрыва.

Формы и размеры образцов стандартизированы. Так как относительное остаточное удлинение образца при разрыве зависит от типа испытанного образца, то его размеры подбираются в соответствии с соотношениями

=11.3 или  =5.65.

В соответствии с указанными соотношениями, длина круглых стандартных образцов для испытания на растяжения будет соответственно в 10 и в 5 раз больше их диаметра. Поэтому определяемые при испытаниях образцов с различной длиной значения относительного остаточного удлинения принято обозначать и .

Площадь, заключенная под первичной диаграммой растяжения (рис.2), численно равна работе, затраченной на разрушение образца. При этом площадь 5-6-7 численно равна работе упругого деформирования, а площадь 0-1-2-3-4-5-7 - работе пластического деформирования образца.

Статическая вязкость материала характеризуется работой, затраченной на пластическое деформирование до разрушение единицы объема материала:

,

где a- удельная работа; A- работа, затраченная на пластическое деформирование до разрушения образца; V₀- начальный объем образца.

Для упрощения расчетов, работу, затраченную на пластическое деформирование, можно определить как площадь прямоугольника с основанием и высотой (Рис. 3.2).

Разницу между площадью этого прямоугольника и площадью под кривой растяжения учитывают поправочным коэффициентом η, называемым коэффициентом полноты диаграммы

.

Измерение твердости

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность. Испытания на твердость – самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (рис.2.3,а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

( 3.9)

При D=10 мм, Р= 29400 Н (Р/D2 =294 МПа) и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость по Бринеллю обозначается символом НВ с указанием числа твердости. При этом размерность (МПа) не ставиться, например 200НВ. При использовании шариков других диаметров (1, 2, 2,5 и 5 мм) изменяется нагрузка вдавливания, а символ твердости НВ дополняется тремя индексами. Например 180НВ2,5/187,5/30 обозначает что при D= 2,5 мм, Р=187,5 кгс (1839Н) и времени выдержки под нагрузкой 30 с число твердости по Бринеллю равно 180.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

При испытании на твердость по методу Виккерса (ГОСТ 2999-75) в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине α=136º (рис.2.3, б). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d1 . Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

=

( 3.11)

Рис.2.3. Схема испытания на твердость

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (МПа) не ставиться. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимается для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Например 450HV10/15 означает , что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р=10 кгс (98,1Н), приложенной к алмазной пирамиде в течении 15 с.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной шарик диаметром 1,588 мм . Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на (рис.2.3, в.)

Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁ под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁, но оставляют предварительную нагрузку Р₀. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h-h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как при испытании алмазным конусом. Число твердости, определённое методом Роквелла, обозначается HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А,С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений. Шкала В используется для измерения наименее твердых металлов, индентором является стальной шарик. По шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.

Числа твердости по Роквеллу подсчитываются по формулам

HRA(HRC) = 100 –[(h-h0)/0,002]

( 3.12)

HRB = 130 –[(h-h0)/0,002]

( 3.13)

где 100 и 130 – предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм. Например 50 HRC означает, что твердость, определенная методом Роквелла по шкале С при вдавливании алмазного конуса, равна 50.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля и Виккерса заключается в том, что значения твердости по методу Роквелла фиксируются непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Для измерения твердости тонких слоев материала и даже их отдельных структурных составляющих применяют метод микротвердости (ГОСТ 9450- 76).

Этот метод по существу не отличается от метода Виккерса, однако при этом используют малые нагрузки вдавливания; 0,049(0,005); 0,098(0,01); 0,196(0,02); 0,49(0,05); 0,98(0,1); 1,962(0,2); 4,9(0,5) Н (кгс).

Испытания на ударный изгиб

Для проверки способности металла сопротивляться ударным нагрузкам применяют особый вид испытний ударным изгибом - определение ударной вязкости надрезанных образцов. Эти испытания проодят на маятниковых копрах. Испытание должно проводиться при ударе маятника со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии.

На Рис. 3.6 показан маятниковый копер и направление удара бойка маятника. Разность высот положения маятника ло и после удара позволяет вычислить работу А, израсходлванную на разрушение образца.

Рис. 3.6 Схема испытания на ударный изгиб.

При испытаниях используются два типа образцов (Рис. 3.7):

· Образец с U образным надрезом (образец Менаже);

· Образец с V образным надрезом (образец Шарпи).

Рис. 3.7 Образцы для испытаний на ударный изгиб

Ударной вязкостью (КСU или КСV в зааисимости от формы надреза) Дж/см² (кгс×м/см²) называется величина работы разрушения образца, тнесенная к плоскости его поперечного сечения в месте надреза. Ударную вязкость вычисляют по формуле:

,

( 3.16)

где А - работа удара, Дж (кгс×м);

F - начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см²,

Хотя данные об ударной вязкости не могут быть использованы при расчете на прочность, но они позволяют оценить особое качество металла – его склонность к хрупкости при динамических нагрузках в условиях сложного напряженного состояния в области надреза, и решить вопрос о применимости того или иного материала для данных условий работы.

Учитывая, что большинство важнейших конструкционных материалов склонно к охрупыванию при понижении температуры работы – явление хладноломкости – испытания образцов материала на ударную вязкость рекомендуется проводить при разных температурах.

Правила нанесения показателей свойств материалов

На чертежах изделий, подвергаемых термической и другим видам обработки, указывают показатели свойств материалов, полученных в результате обработки, например: твердость (HRC_э, HRB, HRA, HB, HV), предел прочности (σ_в), предел упругости (σ_у), ударная вязкость (а_к) и т. п.

Глубину обработки обозначают буквой h.

Величины глубины обработки и твердости материалов на чертежах указывают предельными значениями: «от…до», например: h 0,7…0,9; 40…46 HRC_э

В технически обоснованных случаях допускается указывать номинальные значения этих величин с предельными отклонениям, например, h 0,8±0,1; (43±3) HRC_э.

Допускается указывать значения показателей свойств материалов со знаками ≥ или ≤, например σ_в≥1500 кгс/см², твердость ≥780 HV т.п.

Обозначение твердости HRC_э следует указывать только во вновь разрабатываемой документации. При использовании ранее разработанной документации для перевода значения твердости HRC в HRC_э следует руководствоваться ГОСТ 8. 064 - 79

Допускается на чертежах указывать виды обработки, результаты которых не подвергаются контролю, например, отжиг, а также виды обработки, если они являются единственными гарантирующими требуемые свойства материала и долговечность изделия. В этих случаях наименование обработки указывают словами или условными сокращениями, принятыми в научно-технической литературе (Рис. 3.8).

Рис. 3.8 Указание на чертежах вида обработки

При необходимости в зоне требуемой твердости указывают место испытания твердости (Рис. 3.9)

Если все изделие подвергают одному виду обработки, то в технических требованиях делают запись: «40..45 HRC_э» или «Цементировать h 0,7…0,9 мм, 58…62 HRC_э » или «Отжечь» и т.п.

Рис. 3.9 Указание на чертежах места испытания

Рис. 3.10 Указание поверхности, отличающейся по твердости от остальных поверхностей детали

Рис. 3.11 Указание поверхности, отличающейся по твердости от остальных поверхностей детали

Если большую часть поверхности изделия подвергают одному виду обработки, а остальные поверхности -  другому виду обработки или предохраняют от нее, то в технических требованиях делают запись по типу: «40…45 HRC_э, кроме поверхности А» (Рис. 3.10) или «30..35 HRC_э, кроме места, обозначенного особо» (Рис. 3.11). Если обработке подвергают отдельные участки изделия, то показатели свойств материалов и, при необходимости, способ получения этих свойств указывают на полках линий-выносок, а участки изделия, которые должны быть обработаны, отмечают штрих пунктирной утолщенной линией, проводимой на расстоянии 0,8…1 мм от них, с указанием размеров, определяющих поверхности (Рис. 3.12, Рис. 3.13)

Рис. 3.12 Обозначение показателей свойств материала отдельных участков изделия

Рис. 3.13 Обозначение показателей свойств материала отдельных участков изделия

Размеры, определяющие поверхности, подвергаемые обработке, допускается не проставлять, если они ясны из данных чертежа (Рис. 3.14, Рис. 3.15).

Рис. 3.14 Обозначение поверхности, подвергаемой обработке

Рис. 3.15 Обозначение поверхности, подвергаемой обработке

Поверхности изделия, подвергаемые обработке, отмечают штрих-пунктирной утолщенной линией на той проекции, на которой они ясно определены (Рис. 3.16).

Допускается отмечать эти поверхности и на других проекциях, при этом надписи с показателями свойств материала, относящимися к одной и той же поверхности, наносят один раз (Рис. 3.17).

Рис. 3.16 Обозначение поверхности, подвергаемой обработке

Рис. 3.17 Обозначение поверхности, подвергаемой обработке

При одинаковой обработке симметричных участков или поверхностей изделия отмечают штрих пунктирной утолщенной линией все поверхности, подвергаемые обработке, а показатели свойств материала указывают один раз (Рис. 3.18).

Рис. 3.18 Обозначение симметричных поверхностей, подвергаемой обработке

При наличии на изделии участков поверхностей с различными требованиями к свойствам материала эти требования указывают отдельно для каждого участка (Рис. 3.17).

Если надписи с указанием свойств материала и размеры, определяющие поверхности, подвергаемые обработке, затрудняют чтение чертежа, то допускается приводить их на дополнительном упрощенном изображении.

При обработке поверхностей или участков изделия, определяемых термином или техническим понятием (например, рабочая часть или хвостовик режущего инструмента, поверхности зубьев, зубчатого колеса или поверхности, обозначенные буквами, и т.п.), допускается (если это не приведет к неоднозначному пониманию чертежа) не отмечать их штрих пунктирной утолщенной линией, а в технических требованиях делать запись по типу: «хвостовик h  0,8…1 мм; 48..52 HRC_э». «Поверхность А-45…50 HRC_э».

Стали. Классификация. Маркировка

По содержанию легирующих элементов конструкционные стали делят на:

· Углеродистые стали. Содержат легирующие элементы, кроме углерода в небольших количествах, как примеси.

· Низколегированные стали. Легированны одним или несколькими элементами, содержание каждого из них не превышает 2%. Суммарное содержание легирующих элементов не превышает 5%.;

· Среднелегированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов до 10 %.

· Высоколегированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов превышает 10 %. Содержание железа –не менее 45 %.

Поскольку важнейшим легирующим элементом, определяющим механические и технологические характеристики (свариваемость) является углерод, стали подразделяют по содержанию углерода на:

· малоуглеродистые (до 0,25 %);

· среднеуглеродистые (0,25 – 0,45 %);

· высокоуглеродистые ( свыше 0,45 %).

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

Маркировка.

Маркировка качественных сталей включает слово «Сталь» и цифры, указывающие на содержание углерода в сотых долях процента. В легированных сталях затем идут буквы и цифры, указывающие наличие тех или иных химических элементов и их содержание в процентах.

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).

Высококачественные стали маркируются буквой «А» в конце обозначения стали.

Строительные стали поставляются по ГОСТ 27772. Поскольку основным критерием при выборе стали для строительных конструкций является прочность строительные стали классифицируются не по химическому составу, а в зависимости от прочностных свойств. Маркировка стали начинается с буквы «С», затем идут цифры, характеризующие предел текучести стали в МПа.

Углеродистые стали

По степени раскисления стали делят на:

· кипящие «кп», плавка стали проводится без достаточного количества раскислителей;

· спокойные «сп», стали, раскисленные добавками марганца, 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.

Кроме добавок раскислителей - кремния и марганца, в сталях содержатся вредные примеси – сера и фосфор, содержание которых в стали ограничивают

По содержанию серы и фосфора, неметаллических включений различают углеродистые стали:

· обыкновенного качества;

· качественные;

· высококачестенные.

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

Стали обыкновенного качества поставляются по без термообработки в горячекатанном состоянии. Маркируются стали обыкновенного качества сокращением «Ст.» и цифрой 0…6, цифра ничего не говорит о химическом составе стали, чем выше номер, тем выше прочность. Кроме того, в маркировке стали обыкновенного качества могут присутствовать индексы указывающие степень раскисления.

Качественные стали поставляются по ГОСТ 1050, отдельным стандартам и техническим условиям (ГОСТ 5520 – сталь для котлостроения, ГОСТ 5521 сталь для судостроения, ГОСТ 6713 сталь для мостостроения), механические свойства сталей установлены в зависимости от вида термообработки.

Механические характеристики углеродистых сталей:

от 0,1% углерода: МПа;

МПа;

.

от 0,1-0,25%: МПа;

МПа;

.

Низколегированные стали

К сталям данной группы относятся ещё такие марки сталей, как 14Г, 19Г, 09Г2, 14Г2, 12ГС, 17ГС, 09Г2С, 10Г2С1, 10ХСНД, 15ХСНД и др.

В зависимости от легирования стали рассматриваемого типа подразделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремнемарганцовистые и др.

Стали предназначаемые для сварных конструкций, поставляют в основном в горячекатаном или нормализованном состоянии. Ряд сталей применяют в термоулучшенном состоянии (после закалки и отпуска), что дает возможность повысить их прочность и стойкость против хрупкого разрушения (ударная вязкость в 1,5—2 раза выше чем у низкоуглеродистых).

Низколегированные стали поставляют по ГОСТ 5058 и специальным техническим условиям. Механические свойства наиболее широко применяемых в промышленности сталей обычно находятся в пределах: МПа; МПа; при -40° С KCU>30. Стали, поставляемые в термоулучшенном состоянии, имеют МПа; МПа и при -70° С KCU>30.

По содержанию серы и фосфора низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали могут быть отнесены к качественным сталям. В последние годы находят применение стали с пониженным содержанием серы, например рафинированные в ковше жидким синтетическим шлаком.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на показатели свариваемости сталей. Увеличение содержания элементов, повышающих закаливаемость, сопровождается снижением сопротивления сварных соединений образованию холодных трещин. Элементы, упрочняющие твердый раствор, способствуют, как правило, снижению ударной вязкости металла в околошовном участке ЗТВ сварных соединений.

Применение сварных конструкций и изделий из низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталей постоянно возрастает, поскольку их применение взамен низкоуглеродистых позволяет в ряде случаев снизить металлоемкость конструкций на 20-50%. Они широко используются в строительстве трубопроводов, конструкций газонефтехимических производств, судов, мостов и других сооружений, эксплуатируемых в температурном интервале –70…+475 С

Цветные металлы

В некоторых отраслях промышленности наряду с применением стали получили 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 температурах. Они обладают более высокой коррозионной стойкостью и обеспечивают экономию массы по сравнению с рядом других применяемых материалов. С другой стороны, цветные сплавы имеют в несколько раз меньший, чем сталь, модуль упругости, что снижает 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.

Алюминевые сплавы

По масштабам применения в народном хозяйстве алюминий занимает среди металлов второе место после железа.

Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: МПа; МПа;

Механические свойства отожженного алюминия технической чистоты: МПа; МПа;

Холодная пластическая деформация повышает предел прочности технического алюминия до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6 %.

Модуль упругости алюминия 71000 МПа.

Втрое меньший чем у стали модуль уругости обуславливает малую жесткость конструкций изготовленных из алюминия и его сплавов. Прочность чистого алюминия также низка, однако она может быть существенно увеличена путем легирования.

Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные и более сложные системы с различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами - его процентное содержание;

· АМц - алюминиево-марганцевый сплав.

· АМг - алюминиево-магниевый.

· АВ - алюминиево-кремниевый (авиаль).

· Д - дуралюмин.

· В - высокопрочный сплав.

В маркировке сплавов после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид механической или термической обработки металла. Буквенные обозначения механической и термической обработки алюминиевых сплавов (состояние поставки):

· П - полунагартованные.

· Н - нагартованные.

· М - отожженные.

· Т - закаленные и естественно состаренные.

· TI - закаленные и искусственно состаренные.

Алюминиевые сплавы различают двух видов: литейные, которые применяются в виде отливок, в основном, в машиностроении, и так называемые деформируемые, из которых путем пластических деформаций изготовляются различные профили и листы, применяемые в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

Деформируемые сплавы разделяют на две группы: термически необрабатываемые и термически обрабатываемые.

Общими свойствами группы термически необрабатываемых сплавов являются: невысокая прочность и хорошая свариваемость. Для повышения прочности листов, изготовляемых из сплавов этой группы, применяется полунагартовка.

Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы:

а) Алюминиево-марганцевый сплав АМц.

Содержит 1-1,6%. марганца. Сплав имеет низкий предел прочности - 110-170 МПа. Сваривается. Как правило, используется для ограждающих конструкций.

б) Алюминиево-магниевый сплав АМг-6Т.

По стойкости против коррозии алюминиево-магниевые сплавы занимают первое место после технически чистого алюминия. Хорошо свариваются. Применяются для листовых и для сварных стержневых конструкций.

Наибольшее распространение из алюминиево-магниевых сплавов получил в строительстве сплав АМг-6Т, который содержит около 6% магния и до 0,2% титана (что в марке сплава обозначено буквой Т).

Предел прочности АМг-6Т -320 МПа и относительное удлинение- 15%.

Наиболее качественные сварные соединения алюминия и его сплавов получают при контактной сварке и электродуговой сварке в среде аргона.

Одно из наиболее ценных качеств алюминиевых сплавов - это их относительно малый собственный вес при высокой прочности. Объемный вес сплавов АМг, АМц, АВ-2700 кг/м3, дуралюмина - 2800 кг/м3, то есть вес сплавов почти в три раза (в 2,7-2,9 раза) меньше веса сталей.

В качестве характеристики прочности материала с учетом собственного веса принято оценивать по такому показателю как удельная прочность. Удельная прочность предсталяет собой обношение расчетного сопротивления к объемному весу. Физически, это отношение показывает высоту столба постоянного сечения, в основании которого напряжения от собственного веса равны расчетному сопротивлению. Удельная прочность высокопрочных алюминиевых сталей в несколько раз выше чем у обыкновенных сталей.

Более широкому применению алюминиевых сплавов при изготовлении сварных конструкций препятствуют малая жесткость сплавов алюминия, достаточно сложная технология сварки и разупрочнение сварных соединении нагартованного металла.

Титановые сплавы

Сварные конструкции и изделия из титана и его сплавов находят применение не только в военной промышленности и новых отраслях техники, но во многих областях машиностроения и строительства.

В связи с более высокой удельной прочностью и жесткостью титан и его сплавы имеют неоспоримые преимущества перед алюминиевыми и магниевыми сплавами, особенно для сварных конструкций, работающих при 150—200°С, т. е. у верхнего предела рабочего интервала температур для алюминиевых и магниевых сплавов. В тех случаях, когда сопротивление коррозии играет важную роль, сплавы металлов алюминия и магния выгодно заменять титаном и его сплавами также и в сварных конструкциях, работающих при комнатной температуре. Сочетание высокой удельной прочности с относительно высокой теплоустойчивостью позволит в дальнейшем еще более широко использовать титан и его сплавы вместо аустенитных сталей в сварных конструкциях, предназначенных для эксплуатации при температурах до 500°.

Первое применение сварные конструкции из титана нашли в оборонной технике: авиации, ракетостроении, судостроении, танкостроении, стрелковом и артиллерийском вооружении. В настоящее время титан и его сплавы начинают все более широко использоваться также и в других отраслях, например, в гражданской авиации, атомном, энергетическом, химическом, нефтяном и транспортном машиностроении.

Технический титан имеет МПа; МПа; , , E = 140000 МПа.

Легирование существенно меняет механические характеристики титана. При этом, меняется и фазовый состав сплавов.

По структуре различают однофазные и двухфазные титановые сплавы – α, α+β, β. Однофазные упрочняются механически, двухфазные упрочняются термообработкой.

α: ВТ1-0, ОТ4, ВТ5.

α+β: ВТ4, ВТ6, ВТ14, ВТ22, ВТ8

β: ВТ15, ТС-6.

Β сплавы отдичаются низкой свариваемостью, поэтому в сварных конструкциях используются в основном α и α+β сплавы.

Титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, удельной прочностью.

Однако титановые сплавы имеют склонность к замедленному разрушению, без тщательной подготовки свариваемых кромок и качественной защиты сварные конструкции разрушаются и без нагрузки.

Сварочные материалы

Стальные сварочные проволоки поставляются по ГОСТ 2246, алюминиевые – по ГОСТ 7871, для наплавки – по ГОСТ 10543.

Маркировка стальных проволок начинается с сокращения «св.» - для сварочных проволок, и «нп.» - для наплавочных. В остальном маркировка проволок совпадает с маркировкой сталей.

Электроды поставляются по ГОСТ 9467, 10052 и техническим условиям. Полная маркировка электродов в соответствии с ГОСТ 9466 приведена на Рис. 3.19.

Рис. 3.19 Полная маркировка электродов для ручной дуговой сварки.

1-тип; 2- марка; 3-диаметр, мм; 4-обозначение назначения электродов; 5-обозначение толщины покрытия; 6-группа индексов; указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва по ГОСТ 9467-75, ГОСТ 10051-75 или ГОСТ 10052-75; 7-обозначение вида покрытия; 8-обозначение допустимых пространственных положений сварки или наплавки; 9-обозначение рода применяемого при сварке или наплавке тока, полярности постоянного тока и номинального напряжения холостого хода источника питания сварочной дуги переменного тока частотой 50 Гц; 10-обозначение настоящего стандарта; 11-обозначение стандарта на типы электродов

Согласно ГОСТ 9467-75 электроды изготавливатются следующих типов: Э38, Э42, Э46 и Э50-для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 50 кгс/мм²;

Э42А, Э46А и Э50А-для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 50 кгс/мм², когда к металлу сварных швов предъявляют повышенные требования по пластичности и ударной вязкости;

Э55 и Э60-для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 50 до 60 кгс/мм2;

Э70, Э85, Э100, Э.125, Э150-для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности с временным сопротивлением разрыву свыше 60 кгс/мм².

Электроды для сварки специальных сталей изготавливаются с использованием проволок содержащих легирующие элементы и в обозначении типа Указывается марка проволоки: Э-09М, Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-10Х17Т, Э-08Х19Н10Г2МБ и т.д.

Строение сварного соединения. Влияние неоднородности свойств на прочность сварной конструкции

Сварным соединением как конструктивным элементом называют участок конструкции, в котором элементы отдельные ее элементы соединены с помощью сварки. В сварное соединения входят сварной шов, прилегающая к нему зона основного металла со структурными другими изменениями в результате термического действия сварки (зона термического влияния) и примыкающие к ней участки основного металла.

В той или иной мере для всех сварных соединений характерно различие механических свойств металла в разных участках, соизмеримых с размерами соединения, главным образом с толщиной свариваемых элементов s, называемое механической неоднородностью.

Сварные соединения являются несущими элементами конструкций, в которых неоднородность свойств может быть весьма значительной. При установившемся режиме сварки ширина зон и их механические свойства мало меняются по длине сварного соединения. Обычно рассматривают неоднородность свойств и чередование зон в поперечном сечении сварного соединения.

Сварные соединения, выполненные сваркой плавлением, можно разделить на несколько зон, отличающихся макро- и микроструктурой, химическим составом, механическими свойствами и другими признаками: сварной шов, зону оглавления, зону термического влияния и основной металл (Рис. 4.1). Характерные признаки зон связаны с фазовыми и структурными превращениями, которые претерпевают при сварке металл в каждой зоне.

Рис. 4.1 Характерные зоны сварных соединений

1 - шов; 2 - зона термического влияния;3 - основной металл; 4 - околошовный участок зоны термического влияния.; 5 - зона сплавления; ТЛ, ТС, и ТП - температуры ликвидуса, солидуса и начала фазовых и структурных превращений

Сварной шов характеризуется литой макроструктурой металла.

Зона термического влияния (ЗТВ) — участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздействия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения в твердом металле. В результате этого ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и вторичную микроструктуру. Часто выделяют околошовный участок ЗТВ или околошовную зону (ОШЗ). Она располагается непосредственно у сварного шва и включает несколько рядов крупных зерен. Металл шва, имеющий литую макроструктуру, и ЗТВ в основном металле, имеющая макроструктуру проката или рекристаллизованную макроструктуру литой или кованой заготовки, разделяются друг от друга поверхностью сплавления.

Зона сплавления (ЗС) — это зона сварного соединения, где происходит сплавление наплавленного и основного металла. В нее входит узкий участок шва, расположенный у линии сплавления, а также оплавленный участок ОШЗ.

Основной металл располагается, за пределами ЗТВ и не претерпевает изменений при сварке.

Сварное стыковое соединение, как было сказано выше, в поперечном сечении имеет несколько участков, которые могут существенно различаться между собой по механическим свойствам. Обычно рассматривают неоднородность свойств и чередование зон в поперечном сечении сварного соединения.

Зоны, где металл обладает пониженным пределом текучести по отношению к пределу текучести соседнего металла, называют мягкими прослойками.

Типичным примером образования механической неоднородности и прослоек является сварка термически обработанных сталей. Будем для простоты рассматривать сварку без присадочного металла. Тогда шов и околошовная зона, нагретые до температуры выше АС₃, в процессе охлаждения закаливаются и имеют более высокую твердость и прочность, чем основной металл. Этот участок называют твердой прослойкой.

Рядом с ней по обе стороны находятся участки высокоотпущенного металла, который и по отношению к основному металлу, и по отношению к твердой прослойке имеет пониженный предел текучести. Эти зоны образуют две мягкие прослойки. В случае если термически обработанная сталь сваривается аустенитным швом, возникает еще более сложное сочетание мягкого аустенитного шва, двух твердых и двух мягких прослоек. Если отношение пределов текучести прослойки и соседнего участка больше единицы, то прослойка будет твердой; в обратном случае - мягкой.

Неоднородность имеет место и при с сварке наклепанных термически неупрочняемых сталей и сплавов, например аустенитных сталей или алюминиевых сплавов. Нагрев до высоких температур снимает наклеп, достигнутый при холодной прокатке металла. На Рис. 4.1 показано распределение твердости в сварном соединении из сплава АМг6. Твердость шва и околошовной зоны близки к твердости отожженного металла. Предел прочности и предел текучести оказываются заметно ниже, чем у основного металла, а пластичность повышается. Представление о размерах зоны и степени разупрочнения дает также Рис. 4.2

Паяные стыковые соединения, припой в которых менее прочен, чем основной металл, также содержат мягкую прослойку. Прочность таких соединений зависит не только от прочности металла мягкой зоны, но и от ее относительного размера х = h/s, где h — ширина прослойки; s— толщина металла.

Рис. 4.2 Распределение твердости по Виккерсу сварного шва из сплава АМг6 (s =2,8 мм)

Механические свойства образца, вырезанного из мягкой прослойки и имеющего низкую прочность, еще не свидетельствуют о том, что сварное соединение в целом обладает такими же свойствами. Взаимодействие отдельных зон протекает сложным образом, и агрегатная прочность сварного соединения, как правило, не совпадает с прочностью какой-либо прослойки.

Растяжение поперек шва

Рассмотрим работу мягкой прослойки при растяжении стыкового соединения поперек шва (Рис. 4.3) достаточно большой протяженности за плоскость чертежа. В упругой стадии нагружения мягкая прослойка и соседние участки деформируются однородно, и при достижении предела текучести материала мягкой прослойки в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальнейшем повышении нагрузки и деформации коэффициент поперечной деформации у прослойки будет выше, чем у соседнего металла.

Рис. 4.3 Зависимость , и от относительной толщины прослойки.

По мере развития пластической деформации в прослойке , в то время как в упругих частях . Из-за неодинаковой поперечной деформации возникают касательные напряжения, максимальные на плоскостях раздела. Они будут препятствовать поперечному сужению прослойки в направлении толщины листа. Чем уже прослойка, т. е. чем меньше, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к моменту возникновения в ней истинных разрушающих напряжений. Так как среднее истинное разрушающее напряжение меняется мало, то в более узких мягких прослойках площадь утоненного поперечного сечения прослойки Fy к моменту разрушения будет больше, а следовательно, будет больше и разрушающая сила Р_р:

В этом заключается причина повышения несущей способности (эффект контактного упрочнения). Повышение разрушающей силы не может происходить беспредельно, так как соседние с мягкой прослойкой более прочные участки также при определенных условиях начнут пластически деформироваться. Чем более прочны соседние зоны, тем больше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся рядом с мягкими, усиливают этот эффект.

Относительное поперечное сужение в мягкой прослойке и абсолютное удлинение образца зависят от относительной толщины прослойки и свойств металлов в соединении. На Рис. 4.3 видно, что в широких прослойках, когда эффекта контактного упрочнения еще не наблюдается, остается постоянным при уменьшении , а постепенно падает по мере уменьшения доли длины участка мягкой прослойки в общей длине образца. В области контактного упрочнения резко падает, так как возрастают поперечные касательные напряжения, препятствующие сужению прослоек. Удлинение образца при уменьшении также сначала уменьшается, но затем, когда реализуется повышение прочности, возрастает, поскольку в пластическую деформацию в большей мере вовлекается основной металл.

Растяжение вдоль шва

Рассмотрим случай, когда растягивающая сила направлена вдоль шва и все прослойки испытывают одинаковые деформации. Деформационная способность соединения и, как показано ниже, его несущая способность ограничены пластичностью металла наименее пластичной прослойки. На Рис. 4.4 показаны диаграммы зависимости напряжения от деформации в различных зонах сварного соединения. Точки А_1, А₂ и А₃ соответствуют разрушению образца. Разрушение наступит при . При этом напряжения в основном металле, в шве и в твердой прослойке будут сильно различаться. Продольная растягивающая сила в основной воспринимается участком основного металла, так как его площадь намного превосходит и площадь поперечного сечения шва, и площадь твердой прослойки. И хотя уровень напряжений в твердой прослойке будет велик, средние напряжения будут близки к что существенно ниже разрушающих напряжений в точке А₁. Это означает, что прочность сварного соединения нагруженного вдоль шва с твердой прослойкой, окажется ниже, чем прочность такого же элемента из основного металла. Отрицательное влияние твердой прослойки сказывается сильнее, если по длине соединения встречаются резкие изменения сечения шва, вызывающие концентрацию напряжений, или еще хуже — поперечные трещины или другие дефекты в твердой прослойке.

При действии силы вдоль шва наличие малопрочных мягких прослоек практически не влияет на общую несущую способность нагруженного элемента, так как площадь прослоек обычно невелика.

Рис. 4.4 Диаграммы зависимости напряжения от деформаций для различных зон сварного соединения при растяжении вдоль шва.

1. Другие схемы нагружения

При испытании соединений с мягкой прослойкой на изгиб до разрушения разрушающий момент М_р, при котором появляются трещины в прослойке, не зависит от относительной ширины прослойки . Это можно объяснить тем, что разрушение при изгибе не связано с образованием шейки и изменением размеров поперечного сечения. Поэтому касательные напряжения, действующие вблизи границ мягкой прослойки, хотя и влияют на процесс пластической деформации во время нагружения, но не изменяют существенно толщины образца и его момента сопротивления. Разрушение наступает, когда максимальное напряжение в крайнем волокне достигает истинного разрушающего напряжения металла мягкой прослойки . Если принять, что зависимость напряжения от деформации при имеет линейный характер и к моменту разрушения эпюра напряжений в сечении выглядит, как показано на Рис. 4.5, то разрушающий момент равен

где W — момент сопротивления сечения; — предел текучести металла мягкой прослойки.

Рис. 4.5 Схематичное распределение напряжений при изгибе полосы с мягко прослойкой

При работе соединений с мягкой прослойкой в элементах конструкций влияние мягкой прослойки на прочность может несколько изменяться. В сосудах с внутренним давлением р, где , мягкая прослойка с малой в кольцевом шве работает аналогично сварному соединению, которое растягивается вдоль прослойки. Пониженной прочности металла прослойки при этой схеме не обнаруживается, так как разрушение происходит вдоль сосуда.

Рис. 4.6 Мягкая широкая прослойка в кольцевом шве цилиндрического сосуда, работающего под внутренним давлением р

Если велика, то мягкая прослойка удлиняется в окружном направлении сильнее, чем остальная часть сосуда, в результате чего искривляется прямолинейная образующая (Рис. 4.6). Разрушение может наступить вдоль образующей сосуда в зоне прослойки вследствие повышенной деформации в окружном направлении или даже по окружности из-за дополнительных деформаций изгиба и растяжения вдоль сосуда. Твердые прослойки в кольцевом сварном соединении разрушаются раньше, чем остальная часть сосуда достигает предельной пластической деформации в окружном направлении. Этот случай аналогичен растяжению сварного соединения вдоль шва при наличии в нем твердой прослойки. Момент разрушения зависит от пластичности твердой прослойки.

Мягкая прослойка в продольном шве ведет себя примерно так же, как при испытании образцов на одноосное растяжение с поперечной мягкой прослойкой. Твердые прослойки в продольных швах сосуда, если они не попадают в зону концентрации напряжений, обычно не снижают прочности сосуда.

В сварных соединениях прослойки могут находиться под углом к направлению действия сил, иметь произвольную форму поперечного сечения и иначе влиять на прочность. Однако общая тенденция их влияния оказывается такой же, как в случаях, рассмотренных выше.

Механические свойства металла сварных соединений

Методы определения механических свойств сварных соединений регламентированы ГОСТ 6996. Стандарт устанавливает методы определения механических свойств при следующих видах испытаний:

1. испытании металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла на статическое (кратковременное) растяжение;

2. испытании металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла на ударный изгиб (на надрезанных образцах);

3. испытании металла различных участков сварного соединения на стойкость против механического старения;

4. измерении твердости металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла;

5. испытании сварного соединения на статическое растяжение;

6. испытании сварного соединения на статический изгиб (загиб);

7. испытании сварного соединения на ударный разрыв.

Следует различать простейшие механические свойства металла отдельных участков сварного соединения и механические свойства сварного соединения в целом.

Простейшие механические свойства металла отдельных зон оценивают временным сопротивлением, пределом текучести, относительным удлинением и поперечным сужением, определяемыми на круглых цилиндрических образцах при статическом растяжении (1-й вид испытаний).

Свойства сварных соединений оценивают в ряде случаев теми же характеристиками или критериями, что и однородный основной металл, но при этом в них вкладывают иное содержание. Например, распространенной характеристикой прочности является временное сопротивление. Можно говорить о временном сопротивлении металла шва или металла околошовной зоны, если образцы взяты достаточно малыми, чтобы содержать в себе относительно однородный по свойствам металл.

Временное сопротивление сварного соединения, напротив, следует определять на достаточно крупных образцах, которые бы включали в себя все типичные зоны сварного соединения и обеспечивали такое взаимодействие их между собой, которое характерно для работы сварного соединения в конструкции (5-й вид испытаний). Такая характеристика, как предел текучести сварного соединения, в большинстве случаев вообще не может быть определена, так как, во-первых, из-за неоднородности механических свойств пластические деформации возникают, не по всей длине образца одновременно, во-вторых, пластические деформации неравномерны в поперечном сечении образца из-за эффекта контактного упрочнения, в-третьих, натуральное сварное соединение с неснятым усилением создает концентрацию напряжений и даже может иметь собственные напряжения, что в принципе делает поле напряжений в образце неоднородным.

Сравнительно экономной в определении и достаточно информативной является твердость металла. Ее распределение в сечении сварного соединения при наличии корреляционных зависимостей между твердостью и другими простейшими механическими свойствами позволяет судить об уровне прочности отдельных зон, а также о степени неоднородности механических свойств. По твердости можно приближенно судить о структурном состоянии металла.

Рис. 4.7 Пример задания мест измерения твердости

Для оценки пластичности стыковых сварных соединений проводят испытания на статический изгиб. Схема испытаний представлена на Рис. 4.8. При испытании определяют способность соединения принимать заданный по размеру и форме изгиб. Эта способность характеризуется углом загиба α (Рис. 4.9), при котором в растянутой зоне образца образуется первая трещина, развивающаяся в процессе испытания. Если длина трещин, возникающих в процессе испытания в растянутой зоне образца, не превышает 20 % его ширины, но не более 5 мм, то они не являются браковочным признаком. Определяют также место образования трещины или разрушения (по металлу шва, металлу околошовной зоны или основному металлу).

В зависимости от требований, установленных соответствующей НТД, испытания проводят до достижения нормируемого угла изгиба или угла изгиба, при котором образуется первая являющаяся браковочным признаком трещина, до параллельности или соприкосновения сторон образца.

Рис. 4.8 Схемы испытаний сварных соединений на статический изгиб.

Рис. 4.9 Определение угла загиба при испытаниях на статический изгиб.

Вместо испытаний на статический изгиб для сварных соединений труб малового диаметра назначают испытания на сплющиваение, а для тавровых сварных соединений назначают испытания на излом.

а)	б)

Рис. 4.10 Схемы испытаний на сплющивание стыковых сварных соединений труб (а), и на излом образцов из таврового сварного соединения (б).