2.1. Матеріали для зварних конструкцій

Процес зварювання супроводжується впливом на властивості матеріалу зварного з'єднання.

Для виготовлення зварних конструкцій (отримання зварного з'єд­нання) використовуються в основному так звані конструкційні матері­али. Під конструкційними матеріалами розуміються матеріали, що використовуються для виготовлення деталей машин і споруд, в яких в процесі експлуатації мають місце напруження від механічних, термічни та інших навантажень. Такі вироби потребують розрахунків на міцність з використанням характеристик опору цих матеріалів деформуванню і руйнуванню.

За характером руйнування і деформування конструкційні матеріали поділяють на чотири групи: пластичні метали і сплави (сталі та сплави на основі алюмінію, титану та ін.), малопластичні та крихкі матеріали (чавуни), пластмаси (на основі полімерів) і композіційні матеріали (на основі металів і полімерів).

Основними вимогами до конструкційних матеріалів є:

• міцність (визначається складом та станом);

• питома міцність (визначається відношенням значення межі міцності до значення питомої ваги матеріалу);

• низька чутливість до технологічних дефектів (вплив дефектів на міц­ність);

• міцність в умовах низьких температур (опір крихкому руйнуванню);

• локальна міцність (опір корозії, зносу);

• стабільність властивостей в процесі експлуатації;

• технологічність обробки та збереження властивостей при обробці;

• здатність до зварювання;

• економічність виготовлення виробу.

Для зварних конструкцій найширше використовуються сталі та сплави на основі алюмінію та титану, як матеріали, що найбільше відповідають цим вимогам, особливо, через їх високу здатність до зварювання.

2.1.1. Сталі для зварних конструкцій

Сталеві зварні конструкції використовуються в багатьох галузях промисловості: будівництві, машинобудуванні, котлобудуванні, мосто­будуванні, суднобудуванні та в інш. Крім того, що сталі, які використо­вуються для їх виробництва повинні відповідати вимогам експлуатації (мати відповідні механічні властивості), усі вони (сталі) повинні бути здатними до зварювання.

Сталь - це сплав заліза і вуглецю (до 1,7%). Для отримання необхідних властивостей до сплаву додаються легуючі елементи. Зміною кількості вуглецю і легуючи)? елементів можна отримати різні структури та фазовий склад сталей, що забезпечує різноманітність їх властивостей в тому числі і здатність до зварювання.

Як відомо, здатність до зварювання оцінюється за кількістю так зва­ного еквівалентного вуглецю С_екв, який характеризує вплив легуючих елементів.

Існує багато формул для визначення еквівалентного вуглецю. Най­більш вживаною є формула стандарту WES 135 Японського товариства зварювальників:

де С, М_п, Si і інш. - кількість вуглецю та відповідних легуючих елементів у відсотках по масі.

Приймається, що усі сталі за технологічною здатністю до зварювання можуть бути розподілені на такі групи:

1. сталі, які здатні до зварювання без обмежень (С_ет < 0,35%);

1. сталі з обмеженою здатністю до зварювання, для яких признача­ються спеціальні технології зварювання (0,35% < С_ет < 0,60%);

2. сталі умовно не здатні до зварювання (С_екв > 0,60%).

Сталі здатні до зварювання без обмежень. Сталі низьковугле­цеві звичайної якості. В залежності від кількості вуглецю сталі вуглецеві звичайної якості поділяють на низьковуглецеві (С < 0,25%), середньовуглецеві (0,25% < С< 0,35%) та високовуглецеві (С> 0,35%). Основним матеріалом для зварних конструкцій є низьковуглецева сталь. Середньовуглецева сталь використовується в обмежених випадках, а високовуглецева сталь для зварних конструкцій не використовується зовсім.

Згідно стандарту вуглецеві сталі звичайної якості поділяються на три групи:

група А - сталь, що поставляється за механічними властивостями; група Б - сталь, що поставляється за хімічним складом; група В - сталь, що поставляється за механічними властивостями і хіміч­ним складом.

Якість сталі залежить від технології виготовлення і пов'язана з розкисленням. Залежно від" ступеня розкислення розрізняють сталі киплячі («кп»), напівспокійні («пс») і спокійні («сп»). Сталі груп «А» і «Б» можуть бути «кп»,«пс» і «сп», але сталі групи «В» - тільки «пс» або «сп». Ступінь розкислення головним чином впливає на кількість кремнію (Si). Спокійна сталь має 0,1...0,3% Si, кипляча - до 0,07% Si, напівспокійна - між ними. Сталь з низькою кількістю кремнію дужечутлива до температурного стану, тобто до умов формування тріщин. Отже, якість сталей тим вища, чим більший ступінь розкислення (від «кп» до «сп»).

Як вже зазначалось, сталі поставляються за певною кількістю показ­ників механічних властивостей та хімічного складу. Щоб позначати цю кількість, використовують поняття «розряду» сталі. Група «А» має три розряди, група «Б» - два, група «В» - шість. Розряд позначається відповідною цифрою. За винятком першого розряду, коли цифра «1» не ставиться.

Низьковуглецева сталь звичайної якості має такі марки: група «А» -СтО, Ст1, Ст2, СтЗ; група «Б» - БСтО, БСт1, БСт2, БСтЗ; група «В» -ВСт1, ВСт2, ВСтЗ. Цифра в марці сталі означає тільки номер марки, а не кількість вуглецю. Збільшення номера марки означає збільшення кіль­кості вуглецю, внаслідок чого відповідно змінюються механічні власти­вості сталі: межа текучості і міцності зростає, а відносне подовження падає. Приклади маркування: СтЗкп - сталь групи «А», «З» - порядковий номер марки сталі, «кп» - сталь кипляча, відсутність цифри розряду -сталь першого розряду; ВСтЗспб - сталь групи «В», «З» - порядковий номер марки сталі, «сп» - сталь спокійна, «5» - п'ятого розряду.

В таблиці 2.1 наведені хімічний склад і механічні властивості низько­вуглецевої сталі широкого використання ВСтЗ.

Таблиця 2.1. Хімічний склад і механічні властивості низьковуглецевої сталі ВСтЗ

Марка сталі	Хімічний склад, % по масі								Мех. властивості
	С	Мп	Si	Р	S	Сг		Си
ВСтЗкп	0,14-0,22	0,30-0,60	<0,07	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	360-460	215-235	27-24
ВСтЗпс	0,14-0,22	0,40-0,65	0,08-,0,17	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	370-480	225-245	26-23
ВСтЗсп	0,14-0,22	0,80-0,1,1	0,12-0,30	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	380-490	230-250	25-22

Сталі марок СтО - Ст2 призначаються для малонавантажених, невідповідальних зварних конструкцій, що працюють при статичному навантаженні і позитивних температурах. Сталі марки СтЗкп викорис­товуються для другорядних і малонавантажених елементів зварних конструкцій, які працюють в інтервалі температур від -10 до +400°С. Сталі марок СтЗпс і СтЗсп в основному призначаються для несучих зварних конструкцій, що експлуатуються в умовах змінного навантаже­ння в інтервалі температур від -40 до +400°С.

Сталі вуглецеві якісні конструкційні. На відміну від сталей звичайної якості ці сталі підлягають термічній обробці. Вони поділяються на дві групи. До першої групи відносяться сталі зі звичайною кількістю марганцю, а до другої - з підвищеною. Для зварних конструкцій використовуються відповідні марки: сталь 10,15, 20, 12К, 15К, 20К та сталь 10Г, 15Г, 20Г. В цьому випадку цифри вказують кількість вуглецю у сотих долях відсотка. В таблиці 2.2 наведені хімічний склад і механічні властивості цих сталей. Сталі 10,15,20 призначаються для деталей і елементів конструкцій, які мають високу пластичність при температурі від -40 до +450°С, а сталі з індексом «Г» після термічної обробки для відповідальних деталей; без термообробки -для зварних конструкцій. Види поставки: сортовий та фасонний прокат, листовий прокат (товстий і тонкий), пруток, полоса, труби. Сталі з індексом «К» використовуються у котлобудуванні для елементів котлів, посудин, що працюють під тиском і температурі до 450°С.

Таблиця 2.2. Хімічний склад і механічні властивості якісної сталі

Марка сталі	Хімічний склад, % по масі				Мех. властивості
	С	Si	Мп	Cr,Ni,Cu кожного	МГІа	мпа
СтальЮ	0,07-0,13	0,17-0,37	0,35-0,65	<0,25	340	220	31
Сталь15	0,12-0,18	0,17-0,37	0,35-0,65	<0,25	380	240	27
Сталь20	0,17-0,24	0,17-0,37	0,35-0,65	<0,25	420	260	25
СтальЮГ	0,07-0,13	0,17-0,37	0,70-1,0	<0,25	440	230	28
Сталь15Г	0,12-0,18	0,17-0,37	0,70-1,0	<0,25	480	250	26
Сталь20Г	0,17-0,24	0,17-0,37	0,70-1,0	<0,25	520	280	24
Сталь12К	0,08-0,16	0,17-0,37	0,40-0,70	<0,30	395	215	24
Сталь15К	0.12-0,20	0,15-0,30	0,35-0,65	<0,30	425	215	26
Сталь20К	0,16-0,24	0,15-0,30	0,35-0,65	<0,30	455	235	24

Сталі низьколеговані. Сталі низьколеговані характеризуються підвищеною міцністю. Підвищення міцності досягається введенням до складу сталі легуючих елементів (до 5%). Основні легуючі елементи

мають такі умовні позначання: марганець - Г, кремній - С, нікель - Н, хром - X, молібден - М, ванадій - Ф, алюміній - Ю, мідь - Д, титан - Т, азот - А і інш.

Сталь позначається таким чином: перши дві цифри вказують на кількість вуглецю у сотих долях відсотка, а цифри праворуч від умов­ного позначення елементу - вміст легуючого елементу у відсотках. У таблиці 2.3 наведені характеристики найбільш поширених низьколего-ваних сталей.

Таблиця 2.3. Хімічний склад і механічні властивості низьколегованої сталі

Марка сталі	Хімічний склад, % по масі							Механічні властивості
	С	Si	Мп	Сг		Си	V				ан.МДж/м2 Т= -40°С
09Г2	0,12	0,26	1,6	<0,3	<0,3	<0,3	—	450	305	21	0,35
14Г2	0,15	0,26	1,4	<0,3	<0,3	<0,3	-	465	335	21	0,33
16ГС	0,15	0,55	1,1	<0,3	<0,3	<0,3	-	480	310	21	0,35
09Г2С	.0,12	0,65	1,5	<0,3	<0,3	<0,3	-	480	320	21	0,38
10Г2С1	0,12	1,10	1,5	<0,3	<0,3	<0,3	-	500	360	21	0,35
15ГФ	0,15	0,26	1,1	<0,3	<0,3	<0,3	0,6	500	360	21	0,35
15ХСНД	0,12	0,55	0,6	0,7	0,5	0,3	-	500	350	21	0,30
10ХСНД	0,12	1,0	0,6	0,7	0,6	0,5	-	530	400	19	0,50
16Г2АФ	0,16	0,45	1,5	<0,3	<0,3	<0,3	0,1	590	435	20	-

мають такі умовні позначання: марганець - Г, кремній - С, нікель - Н, хром - X, молібден - М, ванадій - Ф, алюміній - Ю, мідь - Д, титан - Т, азот - А і інш.

Сталь позначається таким чином: перши дві цифри вказують на кількість вуглецю у сотих долях відсотка, а цифри праворуч від умов­ного позначення елементу - вміст легуючого елементу у відсотках. У таблиці 2.3 наведені характеристики найбільш поширених низьколего-ваних сталей.

Таблиця 2.3. Хімічний склад і механічні властивості низьколегованої сталі

Марка сталі	Хімічний склад, % по масі							Механічні властивості
	С	Si	Мп	Сг		Си	V				ан.МДж/м2 Т= -40°С
09Г2	0,12	0,26	1,6	<0,3	<0,3	<0,3	—	450	305	21	0,35
14Г2	0,15	0,26	1,4	<0,3	<0,3	<0,3	-	465	335	21	0,33
16ГС	0,15	0,55	1,1	<0,3	<0,3	<0,3	-	480	310	21	0,35
09Г2С	.0,12	0,65	1,5	<0,3	<0,3	<0,3	-	480	320	21	0,38
10Г2С1	0,12	1,10	1,5	<0,3	<0,3	<0,3	-	500	360	21	0,35
15ГФ	0,15	0,26	1,1	<0,3	<0,3	<0,3	0,6	500	360	21	0,35
15ХСНД	0,12	0,55	0,6	0,7	0,5	0,3	-	500	350	21	0,30
10ХСНД	0,12	1,0	0,6	0,7	0,6	0,5	-	530	400	19	0,50
16Г2АФ	0,16	0,45	1,5	<0,3	<0,3	<0,3	0,1	590	435	20	-

Низьколеговані конструкційні сталі широко використовуються в різних галузях промисловості для зварних конструкцій, які працюють в умовах статичного та змінного навантаження в температурному інтервалі від -70 до +450°С.

Сталі з обмеженою здатністю до зварювання. Сталі середньо-вуглецеві звичайної якості. Це сталі марок Ст4, Ст5, Стб (таблиця 2.4). Сталі марок Ст4, Ст5 постачаються у вигляді сортового та фасонного прокату, листа (товстого і тонкого), труби і використовуються для кон­струкцій підвищеної міцності, а також для малонавантажених деталей типу валів, штирів, стержнів.

Сталь марки Стб в основному призначається для деталей підви­щеної міцності (після термообробки) з сортового, фасонного і листо­вого прокату, а також для стержневої арматури періодичного про­філю

Таблиця 2.4. Хімічний склад і механічні властивості сталей середньовуглецевих звичайної якості

Марка сталі	Хімічний склад, % по масі								Мех. властивості
	С	Мп		Р	S	Сг		Си
ВСт4кп	0,18-0,27	0,40-0,70	<0,07	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	400-510	225-255	25-22
ВСт4пс	0,18-0,27	0,40-0,70	0,05-0,17	0,04	0,05	0,30	0,30	0,30	410-530	235-265	24-21
ВСт4сп	0,18-0,27	0,40-0,70	0,12-0,30	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	420-540	240-270	23-20
ВСт5пс	0,28-0,37	0,50-0,80	0,05-0,17	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	490-630	255-285	20-17
ВСт5сп	0,28-0,37	0,50-0,80	0,15-0,35	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	490-630	255-285	20-17
ВСтбпс	0,38-0,49	0,50-0,80	0,05-0,17	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	590	295-315	15-12
ВСтбсп	0,38-0,49	0,50-0,80	0,15-0,35	<0,04	<0,05	<0,30	<0,30	<0,30	590	295-315	15-12

Сталі загартовано-відпалені, економно-леговані високої міц­ності. Тільки загартуванням звичайної низьколегованої сталі типу 14Г2,16ГС, 14ХГС можна одержати досить високі механічні властивості

. Однак, така сталь під дією тепла зварювальної дуги на деякій ширині в зоні зварного шва розміцнюється на 15-30%. Легування цих сталей молібденом (від 0,15 до 0,40%), ванадієм (від 0,07 до 0,15%), а також деякими іншими елементами у,незначній кількості забезпечує збереження

високої міцності в стані після загартування і відпалу, дозволяє суттєво зменшити ступінь розміцнювання та ширину зони розміцнювання. Для зварних конструкцій рекомендоване використання наступних марок сталей: 12Г2СМФ, 14ГН2МФАЮ, 14Х2ГМР, 12ХГН2МФБАЮ.

Сталі високолеговані, конструкційні. Сталі високолеговані (легу­ючих елементів більше 5%) класифікуються в залежності від основних легуючих елементів та призначення:

1) корозійностійкі - стійкі проти електрохімічної корозії; міжкристале-вої корозії, корозії під дією напружень. Це сталі в основному хромисті (наприклад 1X13, 4X13, Х18) або хромонікелеві (наприклад Х17Н2, 1Х18Н9).

2. жаростійкі (окалиностійкі) - стійкі проти хімічного руйнування в газо­вому середовищі при температурі вище 50°С, що працюють в режимі слабкого навантаження. До них належать сталі хромистокремнієві (наприклад Х9С2), хромистонікелеві (наприклад Х23Н18).

3. жароміцні - здатні працювати при високих температурах на протягом визначеного часу і одночасно відповідають умові жаростійкості. Це в основному сталі хромонікелевомолібденові (наприклад 20ХН2М), хромонікелевомолібденованадієві (наприклад 30ХН2МФА).

Сортамент сталей.

Гарячекатані рівнополичні кутники. Поставляються довжиною 4-13 м з полицями 20-250 мм і товщиною 3-30 мм.

Гарячекатані нерівнополичні кутники. Поставляються довжиною 4-13 м з малими полицями шириною 16-160 мм, великими полицями шириною 25-250 мм і товщиною 16-160 мм.

Холодногнуті кутники. Випускаються у вигляді рівнобокого і не­рівнобокого профілю. Рівнобокі профілі з вуглецевої сталі виготовляють з полицями шириною 16-220 мм і товщиною 1-10 мм. Нерівнобокі профілі з вуглецевої та низьколегованої сталі виготовляють з великими полицями шириною 25-220 мм, малими полицями шириною 20-180 мм і товщиною 1,5-10 мм. Рівнобокі профілі з низьколегованої сталі виготовляють з поли­цями шириною 16-200 мм і товщиною 1-10 мм. Профілі постачаються довжиною 4-12 м.

Гарячекатані швелери. Випускаються з нахилом внутрішніх граней полиць та без нахилів. Висота швелерів 50-400 мм, ширина полиць 32-115 мм, товщина стінок 4,4-8 мм. Швелери постачаються довжиною 4-13 м.

Гнуті рівнополичні швелери. Виготовляються висотою 28-410 мм з ши­риною полиць 20-160 мм; товщиною профілю 1-Ю мм; довжиною 4-12 м.

Холодногнуті нерівнополичні швелери. Постачаються висотою 16-270 мм з великою полицею шириною 20-90 мм, малою полицею шириною 10-80 мм, довжиною 3-12 м.

Двотаври з гарячекатаної сталі. Виготовляють висотою 100-600 мм з полицями шириною 5,5-190 мм, товщиною 4,5-12 мм, довжиною 4-13 м.

Гнуті зетові профілі. Виготовляються з вуглецевої сталі висо­тою 10-265 мм з полицями шириною 30-110 мм, товщиною 2-6 мм, довжиною 3-12 м.

Прокат листовий гарячекатаний. Виготовляється в листах та рулонах. Листовий прокат товщиною від 0,4 до 160 мм, шириною 500-3800 mm, довжиною 710-900 mm; рулонний прокат-товщиною 1,2-12 мм, шириною 500-2200 мм.

Прокат листовий холоднокатаний. Виготовляється в листах та рулонах. Листовий прокат товщиною 0,35-5,0 мм, шириною 500-2300 мм, довжиною 1000-6000 мм; рулонний прокат - товщина від 0,5 до 3,0 мм, ширина 500-2300 мм.

Товстолистова корозійностійка, жаростійка і жароміцна сталь. Виготовляється у вигляді листів товщиною 4-50 мм.

Труби. Різної технології виготовлення (гарячекатані, холоднотягнуті, безшовні, зварні та інш.). Діаметром від 0,32 до 820 мм, товщиною стінки від 0,1 до 75 мм, довжиною 3-12 м.

Вироби зі сталі. Сталь кругла чи квадратна, калібрована, шести­гранна, срібляна, стрічка, полоса, дріт та інш.