- •Конспект лекций по курсу Металловедение и сварка Для специальности
- •Введение
- •1. Основы металловедения
- •1.1. Общие представления о строении металлов
- •1.1.1. Общие сведения
- •1.1.2. Понятие о плавлении и кристаллизации металлов и сплавов
- •1.1.3. Строение слитка
- •1.2. Структурное строение металлов
- •1.3. Полиморфизм (аллотропия)
- •1.4. Реальное строение металлов
- •1.4.1.Точечные дефекты
- •1.4.2. Линейные дефекты
- •1.5 Диаграмма прочность – плотность дефектов
- •1.6 Строение сплавов
- •1.7 Твердые растворы
- •1.8 Химические соединения
- •1.9 Механические смеси
- •1.10 Правило фаз (закон Гиббса)
- •1.11 Правило обрезков или правило рычага
- •1.12 Диаграмма состояния 1-го рода для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов
- •1.13 Диаграмма состояния 2-го рода для сплавов с полной растворимостью компонентов в твердом и жидком состоянии
- •1.14 Диаграмма состояния 3 рода для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии
- •1.15 Диаграмма состояния 4 рода сплавов образующих химические соединения
- •1.16 Диаграммы состояния системы с наличием полиморфного превращения
- •1.17 Связь между типом диаграммы состояния и свойствами сплавов
- •2. Железо и его соединение с углеродом
- •2.1 Диаграмма состояния Fe – цементит (метастабильная)
- •2.2 Классификация сталей
- •3 Физико-механические свойства материалов
- •3.1 Общие сведения
- •3.2 Определение механических свойств при растяжении
- •3.3 Ударная вязкость
- •3.4 Твердость материалов
- •3.4.1 Статические методы определения твердости
- •3.4.2 Динамические методы определения твердости
- •4. Сварка
- •4.1 Классификация способов сварки
- •4.2 Сварные соединения
- •4.2.1 Основные типы сварных соединений
- •4.2.2 Условные изображения и обозначения швов сварных соединений
- •4.3 Расчет сварных соединений на прочность
- •4.4 Понятие о свариваемости
- •4.5 Сварочные материалы
- •4.5.1 Проволока стальная сварочная
- •4.5.2 Порошковая проволока
- •4.5.3 Стальные покрытые электроды
- •4.54 Сварочные флюсы
- •4.5.5 Газы для сварки
- •4.5.6 Сварочные материалы для сварки арматурных и закладных изделий
- •4.6 Источники питания сварочной дуги
- •4.6.1 Свойства электрической сварочной дуги
- •4.6.2 Электрические характеристики источников питания
- •4.6.4 Требования к источникам питания
- •4.6.5 Классификация источников питания
- •4.6.6 Обозначение источников питания
- •4.6.7 Сварочные трансформаторы
- •4.6.3 Регулирование силы сварочного тока в трансформаторе
- •4.6.8 Сварочные генераторы
- •4.6.9 Сварочные выпрямители
- •4.6.10 Классификация сварочных полуавтоматов
- •4.6.12 Конструктивные особенности основных узлов сварочных полуавтоматов
- •4.6.13 Инструменты и приспособления сварщика
- •4.6.14 Обслуживание сварочного оборудования
- •5. Контроль сварных соединений
- •5.1 Дефекты сварных соединений
- •5.2 Методы контроля сварных швов
- •5.2.1 Внешний осмотр и измерения
- •5.2.2 Контроль аммиаком
- •5.2.3 Капиллярная дефектоскопия
- •5.2.4 Радиационная дефектоскопия
- •5.2.5 Ультразвуковой метод контроля
- •5.2.6 Магнитный метод дефектоскопии
- •5.2.7 Магнитографический метод контроля
- •5.2.8 Контроль плотности соединений
- •5.2.9 Методы контроля с разрушением сварных соединений
- •5.3 Устранение дефектов сварки
- •5.4 Последствия дефектов сварки
- •Литература
- •Приложение а – Выбор электродов
- •Приложение б – Выбор проволоки при сварке закладных изделий
- •Приложение в – Выбор проволоки для монтажных соединений
4.3 Расчет сварных соединений на прочность
При проектировании сварных конструкций прочность их определяется на основании расчетов, которые сводятся к определению напряжений, возникающих в элементах изделия от нагрузки.
Существует два основных метода расчета конструкций: по допускаемым напряжениям и по предельным состояниям. При первом методе условие прочности имеет вид: s £ [s], где s - напряжение в опасном сечении элемента, [s] – допускаемое напряжение, которое составляет некоторую часть от предела текучести материала: [s] = sт/n, здесь n – коэффициент запаса прочности. Например, для обычных строительных конструкций, выполняемых из углеродистой стали обыкновенного качества марки Ст3, допускаемое напряжение составляет [s] = 16×107 Н/м2 (~16 кгс/мм2). Так как предел текучести стали Ст3 sт = 24×107 Н/м2, то коэффициент запаса прочности будет n = 240/160 = 1,5.
При действии осевых нагрузок расчетные напряжения вычисляют по формуле: s = Р/F, где Р - осевое усилие, Н, F - площадь поперечного сечения нагружаемого элемента, м2.
Более точным методом расчета, учитывающим условия работы и однородность материала конструкции, является метод расчета по предельным состояниям. Предельным называют состояние, когда под действием нагрузки происходят качественные изменения свойств материала или наступает физический процесс, по каким-либо причинам недопустимый, нежелательный или опасный. Характерными случаями предельного состояния являются:
наступление текучести в основном сечении элементов конструкции или разрушение под действием статических, повторно-переменных и динамических нагрузок;
предельное состояние, обусловленное наибольшей деформацией конструкции, недопустимыми прогибами при статических нагрузках, колебаниями при динамических нагрузках;
предельное состояние, характеризуемое максимально допустимыми местными повреждениями (деформациями, трещинами). Возможно сочетание различных предельных состояний.
При расчете конструкции по предельному состоянию условие прочности записывается в виде: N/F £ mR, где N – расчетное усилие, Н; F -площадь расчетного сечения, м2, R – расчетное сопротивление материала, H/м2; m – коэффициент условий работы, учитывающий степень ответственности конструкции, возможность дополнительных деформаций при эксплуатации, жесткость узлов. Расчетное сопротивление металла стыковых швов устанавливают по специальным нормативам. Так, по этим нормам для стыковых швов, выполненных ручной или механизированной сваркой металлоконструкций из стали Ст3, расчетное сопротивление при растяжении равно Rсвс = 18 × 107H/M2 (180 МПа), для угловых швов Rсвс = 150 МПа.
Стыковые швы на прочность рассчитывают по формуле: N = Rсвс dl, где N -расчетное действующее усилие в соединении, Н; Rсвс - расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, H/м2; d - толщина металла в расчетном сечении, м; l – длина шва, м.
Расчетное усилие для угловых швов рассчитывают по формуле: N = 0,7Kl Rсвс, где К -катет шва, м; l - длина шва, м; Rсвс - расчетное сопротивление срезу, H/м2; коэффициент 0,7 показывает, что расчет ведется из предположения разрушения шва в плоскости, проходящей по гипотенузе прямоугольного треугольника.
Пример. Определить наибольшее допустимое усилие, которое сможет выдержать сварная тяга, выполненная из двух полос толщиной 5 мм и шириной 300 мм при их стыковом соединении и соединенных внахлестку. Материал - сталь Ст3 по ГОСТ 380-94.
Решение. Расчетное сопротивление при растяжении для стали Ст3 составляет 180 МПа, сопротивление на срез - 150 МПа. Толщина стыкового и катет углового швов равны 5 мм, длина швов в обоих случаях 150 мм.
Расчет усилия для стыкового соединения выполняем по формуле
N = Rсвс dl =180 ×5 ×300 = 270 000 МПа.
Расчет усилия для нахлесточного соединения выполняем по формуле
N = 0,7Kl Rсвс = 0,7 ×5 ×150 ×300 = 157 500 МПа.
Вывод: при сварке полос тяги расчетное усилие стыковго соединения в 1,7 раза больше, чем при их нахлесточном соединении.