§ 2. Выбор материалов для сварных конструкций

Правильный выбор материала представляет собой трудную задачу для проектанта. Для уменьшения веса конструкции целе­сообразнее применять стали, обладающие высокими значениями предела текучести и прочности. Однако разные стали по-разно­му работают в условиях различных нагружений и сред. Высоко­прочные стали, как правило, обладают повышенной чувствитель­ностью к концентраторам напряжений. Поэтому многие высоко­прочные стали, например ЗОХГСА, плохо работают при уста­лостных нагрузках, а также при ударах. Их следует подбирать умело.

Имеются низколегированные конструкционные стали, принад­лежащие к категории трудно свариваемых; они требуют строго­го соблюдения правил технологического процесса. Незначитель­ные отклонения ведут к перегреву и росту зерна в зоне соеди­нений или, напротив, к образованию закалочных структур. В обоих случаях резко понижается сопротивление ударным

281

■нагрузкам. Аустеиитные нержавеющие стали, которые не стаби­лизированы введением титана или ванадия, при сварке значи­тельно понижают свои антикоррозионные свойства; наличие ста­билизаторов устраняет это явление.

Имеются стали, обладающие хорошей прочностью и пластич­ностью при работе в условиях одноосных напряжений, но рабо­тающие менее удовлетворительно в конструкциях при двухосных напряжениях. Их конструктивная прочность оказывается недо­статочной. Многие сорта сталей, обладающие хорошими меха­ническими свойствами при комнатных температурах, оказывают­ся неудовлетворительными при низких, например, кипящие малоуглеродистые стали и т. п.

Проектанты должны предвидеть условия работы конструкции и в соответствии с ними сделать рациональный выбор материа­ла. В последние годы стремятся выбирать материал с учетом его достаточно хорошего сопротивления хрупким разрушениям при статических нагрузках, в особенности при низких темпера­турах. Освещению вопроса рационального выбора металла с указанных позиций посвящено много исследований, проведен­ных в СССР и за рубежом. При выборе материала следует учи­тывать ряд факторов: условия эксплуатации, форму конструк­ции, технологическую обработку и т. д.

Материал, работающий удовлетворительно при более легких условиях, может оказаться непригодным при более тяжелых. Выработаны методы оценки пригодности металла для использо­вания в конструкциях е позиций его сопротивляемости образо­ванию третин. Считают, что факторами, оказывающими влия­ние на сопротивление хрупких разрушений сварных конструк­ций, являются следующие:

1. Химический состав основного металла. Наиболее хорошо свариваются стали с химическим содержанием:

С '0.22%; Мп ■-"I,o<¹,;: Si -'0,5%; С- ~ -.' CUV

К нам относятся малоуглеродистая сталь, стали, модифициро­ванные ниобием, ванадием, никелем и др.

При сварке низколегированных сталей следует учитывать химические и механические свойства основного металла и около­шовной зоны, а также характеристику сопротивляемости образо­ванию кристаллизационных и холодных трещин.

2. Температура эксплуатации. По этому признаку конструк­ции делят на четыре группы, работающие в пределах Г>15°С; Г> —10°Т, Г> — 30°С и Г<— 30° С. Последний случай являет­ся наиболее опасным.

3. Толщина соединяемых элементов s.

4. Начальные пластические деформации в зоне холодной об­работки гнутьем, штамповкой и т. д. При этом изделия разде-

282

ляют на две группы, у которых пластические деформации¹ менее 2,5%, и те, у которых они находятся в пределах от 2,5

до 5%;

5. Жесткость напряженного состояния конструкции, которая учитывается одним из трех коэффициентов: Ai —1; /G—1>4; Хз = 2.

Конструкция является наиболее жесткой при применении отливок, проката больших толщин без последующей термиче­ской обработки, при наличии многоосных полей остаточных напряжений, вызванных пространственным расположением ;libob; при резком изменении геометрических размеров частей, создающих зоны высокой концентрации напряжений.

Степень опасности распространения трещин может быть оце­нена коэффициентом S, который принимает значение от 0,5 до 1. Чем больше вероятность, что образовавшаяся в процессе сварки пли эксплуатации трещина вызовет разрушение всего отрезка, тем выше должен быть принят коэффициент 5.

Таким образом, опасность хрупких разрушений для сварных конструкций может определяться произведением коэффициентов К и S, которое принимается равным 0,5; 1,0; 1,4; 2.

На рис. 13-1 приведены примеры конструкций, в которых по степени их жесткости коэффициенты KS могут быть приняты равными: 1,0; 1,4; 2,0. На рис. 13-1, а приведены узлы с соедине­ниями встык и внахлестку. Наиболее опасно загружеиие при двухосных напряжениях, наименее — при усилиях, параллель­ных швам. На рис. 13-1,6 приведены примеры тавровых соеди­нении, а на рис. 13-1, в — балки, работающие на поперечный из­гиб, а также узлы рам и ферм, работающих при изгибе и про­дольных силах,

Проф. Биретом предложена классификация (рис. 13-2), в ко­торой на основе приведенных показателей даны рекомендации для выбора марки стали. Сталь А — наивысшая марка с позиции пластичности и вязкости при низких температурах; сталь Б — спокойная, малоуглеродистая сталь, раскисленная кремнием и алюминием; сталь В — успокоенная; сталь Г—кипящая.

На рис. 13-2 рекомендованы стали в зависимости от темпе­ратуры Т эксплуатации, толщины металла s и от фактора KS. При малых KS_r например, 0,5, для толщины -< 16 мм можно при­менять сталь марки Г, для толщины 20 мм — улучшенную Гили В; при s —20-^-35 мм — только В, при s>35 мм — марку Б. При наличии только сжимающих напряжений, вне зависимости от температуры эксплуатации при s>16 мм применяют сталь Г, при s —16*н-30 мм — сталь Г или В, при s>30 мм — сталь В.

Напряжения сжатия благоприятны для конструкций: при них хрупкие разрушения почти не наступают. Если сжатый элемент подвергнуть холодному деформированию с радиусом изгиба г так, чтобы q/s^> 19 или соответственно деформация 6-^2,5%,

283

VLUJ.Ui'Zl,

pSSESSE

(Ш™»

tzzss^s^su.

\"II'»"II'JT ;

Уггтгп'чл

Ш

\ZZZZZZ2

BSBK^^ZS^

£sss

^^

i=^

i^fe^ ^ZZZ&ZZZZL

\*

~KT ^i--------------------------------!

tr-.nir.--d

■o 4 J_ j_ *__*.

*" MILL

■1=-.

■tr_-----^-

■I_________________________i-

o⁴ f M t *

W+H-+-»-«tt4-H4

*\ I * * \

(fH4fM(tfH+

43

i M +

* i *

^ it

^

*э ча 5J"

то учет толщин производится не по верхней, а по нижней шкале 0—35 мм. Во всем остальном использование таблицы не меняется.

Если холодное деформирование значительно р s> 10 или де­формация й > 2,5%, то учет толщин производится по самой ниж­ней шкале 0 — 30 мм. При этом требования к марке стали ста­новятся жестче- Например, при Г= — 30° С и KS = 2, уже при 5 = 30 мм необходимо применение сталей наивысшего класса А.

Приведенная таблица (рис. 13-2) предназначена для пра­вильного ориентировочного выбора металла проектантами, в за-

. O-j

Нин им. Т°С эксплуатации

Толщина да .... мм

> f5°C

утг\>'30°с

<-зо°с

8 12 15 20 25 30 35 40 45 50

' 1

—

— j -

2,0

; i

ц

<-///,

'фышаа сталь

! 'ИЗ

- | 2,0

1Л

\

им

i-W?

fe 1 l

- | 2,0 | U

1,0

в

или

Г\

X

2,0

1,4 i 1,0

0,7

i £

В

j

; 1

ич

to

0,7

0,5

,,»,

1 ^

0,50,70

0,5 OJ

OJ

' Г

'

1

Напряжения только сжатая

'/

?

Применение де-(рормиро8ания в хоподиом

Слабое ^19-8 4.2,5%

МОСШ! omcve

7 8 W 20 25 30 35мм

состо Побыш тверд

QHUU ение icmu

Значитепьное

па

0 10 20 30мм

р- радиус изгиба

$- толщина зпемеята

Рис, 13-2. Рекомендация Бирета в выборе марок сталей, обеспечивающих от­сутствие хрупких разрушений:

Л — сталь высшей марки: Б — сталь хорошей марки: R — сталь средней марки;

/' — сталь низшей марки

висимости от условий эксплуатации, формы конструкций и тех­нологии изготовления.