книги из ГПНТБ / Майзель В.С. Сварные конструкции учебник

Необходимо стремиться к тому, чтобы свойства металла свар­ ных швов в готовой конструкции были такими же, как и свойства основного металла. Снижение пластичности металла сварных швов по сравнению с основным металлом является нежелательным. Поэтому, учитывая некоторые изменения свойств в процессе сварки, целесообразно сварочные материалы выбирать таким об­ разом, чтобы наплавленный металл обладал несколько большей пластичностью. При этом будет скомпенсирована некоторая потеря а) ( пластичности, которая происходит

*5в,кгсімм7(іо’мпв) в процессе сварки. Подобным же

Возможности, открывающиеся при этом, иллюстрируются дан­ ными, представленными в табл. 1.7.

Как видно из приведенных данных, применение стали повышен­ ной прочности, легких сплавов и пластмасс дает большие возмож­ ности для снижения веса конструкций. Для более полной оценки свойств различных сплавов в табл. 1.7 кроме коэффициента веса приведено также значение удельного модуля, по которому в за­ висимости от условий работы элемента конструкции можно оце­

(по сравнению с эффективностью, определяемой по коэффициенту веса).

Дальнейшее совершенствование процессов получения новых материалов и снижение их стоимости будет способствовать более широкому применению их в народном хозяйстве.

При выборе марки материала для сварной конструкции сле­ дует иметь в виду, что для обеспечения надежности ее работы не­ обходимо учитывать достаточно сложный комплекс условий экс­ плуатации. Конструкция должна удовлетворять не только ус­ ловиям прочности, но также и условиям устойчивости, жесткости, выносливости.

Условия прочности могут быть оценены по пределу прочности ав и пределу текучести ат.

Для оценки условий устойчивости большое значение имеет • модуль упругости Е. Критические значения напряжений при потере устойчивости прямо пропорциональны значению Е. Поэтому сни­ жение значения модуля упругости (или снижение его относитель-

Е \

ного значения е = ----) повышает опасность потери устойчивости.

Жесткость элемента конструкции также зависит от модуля упругости. С уменьшением Е жесткость элемента понижается. Снижение относительного значения модуля упругости может привести к дополнительным излишним затратам материала.

Повышение предела прочности материала не всегда приводит к повышению его выносливости при действии вибрационной на­ грузки в условиях работы его в составе реальной конструкции. Более прочные при статической нагрузке материалы часто оказы­ ваются более чувствительными к действию вибрационной на­ грузки. Это обстоятельство также требует более детального учета конкретных условий.

Иногда бывает необходимым считаться также и с дополнитель­ ными условиями эксплуатации конструкции и учитывать такие свойства материала, как коррозионная стойкость, хладностойкость, жаропрочность и др.

Необходимо учитывать также и технологические условия из­ готовления сварной конструкции.

Поэтому вопрос о выборе материала для сварной конструкции является достаточно сложным и должен решаться в каждом кон­ кретном случае с учетом комплекса условий.

Некоторые экономические расчеты, произведенные для усло­ вий эксплуатации наиболее распространенных строительных кон­ струкций общего назначения, показывают, что применение ста­ лей повышенной прочности вместо малоуглеродистой стали яв­ ляется эффективным для растянутых элементов. Для сжатых элементов подобная замена может быть эффективной только при условии, когда гибкость элементов мала. При большой гибкости элементов применение сталей повышенной прочности не эффек­ тивно. Подобные соображения относятся и к изгибаемым элемен­ там, для которых условия устойчивости и жесткости имеют боль­ шое значение.

Преимущества легких сплавов. Основным преимуществом кон­ струкций из легких сплавов является возможность достижения значительного уменьшения их веса, что во многих случаях повы­ шает эксплуатационные качества конструкций. Малый удель­ ный вес и достаточно высокая прочность делают легкие сплавы наиболее эффективными прежде всего в конструкциях транспорт­ ного типа. В силу этого алюминий продолжает оставаться глав­ ным строительным материалом в самолетостроении. С каждым годом расширяется применение алюминия в судостроении, где он используется не только для изготовления отдельных деталей, но и как основной материал для корпуса судна. Все шире стано­ вится применение алюминиевых сплавов в автомобилестроении, в вагоностроении и других областях транспортного машинострое­ ния.

Применение алюминия в транспортной технике позволяет значительно повысить грузоподъемность и скорость транспорт­ ных средств при одновременном уменьшении мощности двига­ телей.

Большие перспективы имеет применение легких сплавов в краностроении и грузоподъемных машинах.

Одной из особенностей легких сплавов является также их высокая работоспособность при низких температурах. Поэтому конструкции из легких сплавов имеют еще преимущество перед стальными конструкциями при эксплуатации их в условиях край­ него севера.

В судостроении особо важным обстоятельством для крупных пассажирских кораблей является возможность значительного снижения веса их верхних надстроек, что повышает остойчи­ вость корабля и дает возможность значительного расширения числа мест для пассажиров.

Высокая коррозионная стойкость сварных конструкций из легких сплавов способствует их применению для сосудов и аппа­ ратов химического машиностроения.

Высокая коррозионная стойкость при работе в морской воде используется при изготовлении сварных трубопроводов из лег­ ких сплавов, прокладываемых через морские участки.

Особенности работы сварных конструкций из легких сплавов.

Модуль упругости легких сплавов значительно меньше, чем у стали.

Малое значение модуля упругости является одной из особен­ ностей конструкций из легких сплавов, существенно влияющих на условия их работы.

Это прежде всего сказывается при расчете сжатых стержней. Снижение значения модуля упругости для легких сплавов значительно уменьшает величину критических напряжений и уве­

личивает опасность потери устойчивости.

Местная устойчивость отдельных элементов сечения сжатых стержней и сжатых участков изгибаемых элементов из легких сплавов — также ухудшается в связи со снижением значения мо­ дуля упругости. Это приводит к тому, что необходимость под­ крепления отдельных участков конструкций из легких сплавов ребрами жесткости повышается.

Снижение местной устойчивости легких сплавов приводит также к тому, что применяющиеся для них прокатные и штампо­ ванные профили рекомендуют изготовлять с местным утолщением кромок.

Пониженное значение модуля упругости для легких сплавов приводит также к необходимости в еще большей степени счи­ таться с требованиями обеспечения жесткости конструкций при изгибе.

Диаграмма растяжения алюминиевых сплавов отличается от диаграммы растяжения малоуглеродистой стали главным образом тем, что у нее отсутствует ярко выраженная площадка текучести.

о том, что алюминиевые сплавы обладают повышенной чувстви­ тельностью к концентрации напряжений при действии вибрацион­ ной нагрузки. Поэтому при выборе форм сварных соединений следует обращать особое внимание на плавность сопряжений и принимать меры к снижению концентрации напряжений в отдель­ ных сопряжениях и узлах.

Допуски на качество сварных соединений в этом случае должны быть повышены по сравнению с допусками в стальных конструк­ циях. Для устранения пороков формы сварных швов (подрезов, чрезмерных утолщений и других неровностей) можно рекомендо­ вать местную механическую обработку.

Марки легких сплавов. Учитывая особенности процесса сварки, при выборе марки легких сплавов для сварной конструкции необходимо иметь в виду, что выбранный сплав должен обладать таким комплексом физических свойств, при котором высокие проч­ ностные характеристики сварных соединений могли бы быть полу­ чены при применении в процессе изготовления конструкции сравни­ тельно простых технологических приемов сварки, без предвари­ тельного подогрева и последующей термической обработки (ко­ торые возможны лишь при изготовлении малогабаритных из­ делий).

Это возможно для тех марок легких сплавов, которые мало­ чувствительны к термическому воздействию и которые наряду с высокими прочностными характеристиками обладают еще вы­ сокими пластическими свойствами.

Характеристики некоторых алюминиевых сплавов, приме­ няемых в сварных конструкциях, приведены в табл. 1.8.

гк — после горячей прокатки. Прессованные профили подобной отметки не имеют.

§ 3. НОВЫЕ СПЛАВЫ И ПЛАСТМАССЫ

Перспективы применения новых материалов. Среди проблем, связанных с дальнейшим развитием современной науки и тех­ ники, разработка новых материалов, обладающих особыми свой­ ствами, занимает важное место.

Высокие скорости, большие давления, высокие температуры и некоторые другие особые параметры процессов, характерные для атомной энергетики, электроники, космической техники, большой химии и других областей современного производства, предъявляют значительно более высокие требования к материалам конструкций. Конструкционный материал должен выдерживать высокие нагрузки при быстрых сменах температур. При этом он должен быть устойчив к условиям вакуума, к облучению продук­ тами ядерного распада, действию особых агрессивных жидкостей и газообразных сред, а также и к другим особым воздейст­ виям.

В перспективных конструкциях новой техники получают при­ менение такие тугоплавкие и редкие металлы, как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и др., обладающие высокой

жаропрочностью, коррозионной стойкостью и другими спе­ цифическими свойствами. Однако в ряде случаев даже эти ме­ таллы не могут полностью удовлетворить всем особым условиям работы агрегатов современной техники.

Вследствие этого в широких масштабах проводится разработка новых искусственных неметаллических материалов.

Пластмассы. Перспективным конструкционным материалом являются пластмассы. Они используются не только как замени­ тели металлов и их сплавов, но и как самостоятельные конструк­ ционные материалы, обладающие особыми свойствами.

ВДирективах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану раз­ вития народного хозяйтва СССР на 1971— 1975 гг. предусмотрено дальнейшее значительное увеличение производства пластмасс. При этом намечается улучшить качество пластмасс и изделий из них, освоить производство высокопрочных, термостойких, коррозионно устойчивых и других новых видов полимерных мате­ риалов.

Внастоящее время пластмассы наиболее широко применяются

вмашиностроении. Из пластмасс изготовляют зубчатые и чер­ вячные колеса, кузова различного транспортного оборудования, детали автомобилей, самолетов, ракет, корпуса приборов и не­ которые другие детали.

Вближайшем будущем намечено более широкое применение пластмасс в самолетостроении, судостроении, вагоностроении, автомобилестроении, в ракетной технике, а также в других от­ раслях промышленности и строительства.

Пластмассы представляют собой материалы, изготовленные на основе высокомолекулярных органических веществ—поли­ меров. В большинстве случаев пластмассы представляют собой сложные многокомпонентные смеси. В них помимо основы поли­ мера входят различные наполнители, пластификаторы, стабили­ заторы и другие специальные добавки.

Полимеры обеспечивают монолитность всей композиции и при­ дают характерные для нее свойства пластичности. Пластмассы обладают рядом весьма ценных специфических свойств, которые уже определили их широкое применение в электротехнике, радио­ технике, электронике, приборостроении и машиностроении.

Кроме того, они обладают весьма высокой корррозионной стойкостью при воздействии различных химических агрессивных сред, обладают хорошими механическими свойствами и имеют малый удельный вес. Это обеспечивает широкие возможности для применения их в качестве конструкционного материала.

По пределу прочности некоторые пластмассы не уступают мало­ углеродистой стали и даже превосходят ее (табл. 1.9). При этом обеспечивается значительное облегчение веса конструкций, о чем свидетельствуют более низкие значения коэффициента веса.

Применяемые в настоящее время способы сварки пластмасс могут обеспечивать достаточно высокую прочность сварных соеди-

Та б л и ц а 1.9. Свойства пластмасс

всопоставлении со сталью

нений при статической нагрузке, которая для стыковых соедине­ ний достигает 50—60% по отношению к основному металлу, а для соединений внахлестку может достигать 100%. Это позволяет уже сейчас применять пластмассы в различных сварных кон­ струкциях.

Необходимо отметить также, что значение модуля упругости для пластмасс является значительно более низким, чем для стали (для различных их видов это снижение может быть в 10— 15 раз).

В связи с этим при проектировании необходимо применять конструктивные меры обеспечения устойчивости конструкций из пластмасс при работе их в условиях действия сжимающих на­ грузок и изгиба. К числу таких мер относятся развитие габарит­ ных размеров сечения, постановка ребер жесткости и создание местных утолщений.§

§ 4. СОРТАМЕНТ

Наиболее широкое применение получили следующие виды листового и профильного проката.

Листовой прокат: листовая сталь, широкополосная универ­ сальная сталь, полосовая сталь, листы из алюминия и алюминие­ вых сплавов.

Профильный прокат: уголки, двутавры, швеллеры, трубы. Применяются стальные гнутые профили в виде угольников, швеллеров и некоторых других видов холодноформованных про­ филей, а также прессованные профили из алюминиевых сплавов в виде уголков, тавров, двутавров, швеллеров, зетовых профи­

лей, труб круглых и прямоугольных.

От правильного выбора марки материала и типа профиля зависит возможность получения наибольшей экономии металла и снижения стоимости изготовления сварных конструкций.

Рис. 1.2. Формы профилей: прокатные: а, б — уголки; в — двутавр; г — дву­ тавр широкополочный с литерами Б, Л,'Т; д — швеллер; холодногнутые: е, ж — уголки; з, и — швеллеры; к — корытный профиль; л — С-образный профиль; м — зетовый профиль; н, о — замкнутые профили — квадратный и прямоуголь­ ный

В Директивах XXIV съезда КПСС по девятому пятилетнему плану намечено увеличить выпуск экономичных видов проката, в первую очередь листового проката, холоднокатаного листа,

Т а б л и ц а 1.10. Характеристики листового проката

алюминиевых сплавов