Некоторые вопросы материаловедения и технологии сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Что такое дислокация? Виды дислокаций и их влияние на механические свойства металла

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Эти несовершенства называются дислокациями.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рисунок 1).

а) б)

Рисунок 1 - Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рисунок 2).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация - положительная (+), если в нижней, то - отрицательная (T). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Рисунок 2 - Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации.

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация. Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рисунок 3) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки - левая.

Рисунок 3 - Механизм образования винтовой дислокации

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают. В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³:

(см^-2; м^-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10⁵…10⁷ м^-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^-2.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 4).

Рисунок 4 - Влияние плотности дислокаций на прочность

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций м^-2

Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов - нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - «усы» с прочностью, близкой к теоретической: для железа у_В = 13000 МПа, для меди у_В =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^-2. В противном случае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно «захлопывание» их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

2.Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграмм. Укажите линии ликвидус и солидус, опишите превращения происходящие в системе железо- карбид железа (перитектическое, эвтектическое, эвтектоидное). Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит? Укажите области существования сплавов: технически чистое железо, стали, чугуны

Карбид железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния “железо-цементит” (Fe-Fe3C).

Диаграмма состояния железо - цементит представлена на рис.6.

Рис. 6. Диаграмма состояния железо - цементит

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо - переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления - 1539^o С 5^o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392^o С превращения - точкой А₄.

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше - парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности - , предел текучести - ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение - , а относительное сужение - ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления - 3500 ⁰С, плотность - 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления - 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения - цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe₃C) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа - металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит - соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо-углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) (C) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную - 0,02 % при температуре 727^o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость - 130 НВ, предел прочности -) и пластичен (относительное удлинение -), магнитен до 768^o С.

3. Аустенит (А) (С) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную - 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение - ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит - характеристика дана выше.

Перлит (П) -- эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% С; образуется при 727°С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения: Fе_b(С)--Fе_а(С)+FезС. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет механические свойства перлита.

При комнатной температуре зернистый перлит имеет прочность = 800 МПа, пластичность = 15 %, НВ 160... ...200.

Ледебурит (Л) -- механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при 1147°С и при содержании 4,3% С. Твердость НВ 600,..700, хрупок. Так как при температуре ни же эвтектоидной (ниже 727°С) аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже эвтектоидной прямой Е'К состоит из цементита и перлита.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении - вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Линия АВСD - ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD - кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF - линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Эвтектика системы железо - цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727^o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии HN начинается превращение феррита () в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита () в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо - цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret - остановка):

А1 - линия PSK (7270С) - превращение П А;

A2 - линия MO (7680С, т. Кюри) - магнитные превращения;

A3 - линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение Ф А;

A4 - линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение ;

Acm - линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении - букву r, т.е. .

3. Укажите содержание углерода и структуру (при комнатной температуре) доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали

доэвтектоидная сталь, содержит до 0,8 % С, структура которой состоит из феррита и перлита;

эвтектоидная сталь, содержит около 0,8 % С, структура которой состоит только из перлита;

заэвтектоидная сталь, содержит 0,8-2,14 % С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

Укажите содержание углерода и структуру (при комнатной температуре) доэвтектических, эвтектическом и заэвтектических чугунах.

Чугун, содержащий от 2,14 % С до 4,3 % С называется доэвтектическим. Структура - перлит + ледебурит + цементит вторичный

Чугун с содержанием 4,3 % С называется эвтектическим или ледебуритным. Структура - ледебурит (Л)

Чугун, содержащий более 4,3 % С называется заэвтектическим. Структура - ледебурит + цементит первичный

Белый чугун с содержанием углерода 5.0 % С - это чугун заэвтектический (содержание углерода в пределах 4,3-6,67%).

4. Опишите процесс кристаллизации сплава, содержащего 2,3% С

Доэвтектические белые чугуны

Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 - 4.3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава П рис.19. От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита - точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита - ледебурит 1147 °С.

Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Ц_{вторичн.}). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики - претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 5в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики - ледебурита.

Рис.5. Кристаллизация белых чугунов. в) - кривые охлаждения сплавов со схемами микроструктур при нормальной температуре

Расшифруйте маркировку сталей(нажначение, качество, химический состав): Ст2пс, сталь 65, сталь К13А, 6ХВ2С.

Марка стали Ст2пс.

Назначение- неответственные детали, требующие повышенной пластичности или глубокой вытяжки; малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и при положительных температурах.

Качество- Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества.

Химический состав в % материала сталь Ст2пс.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
0.09-0.15	.05-0.15	.25-0.5	до 0.3	до 0.05	до 0.04	до 0.3	До 0.008	до 0.3	до 0.08

Сталь 65.

Назначение. рессоры, пружины и другие детали, от которых требуется повышенные прочностные и упругие свойства, износостойкость; детали, работающие в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок.

Химический состав в % материала 65

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.62 - 0.7	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до 0.25	до 0.035	до 0.035	до 0.25	до 0.2

Сталь У13А

Назначение. Инструменты повышенной износостойкости, работающие при умеренных и значительных давлениях без разогрева режущей кромки.

Качество- Сталь инструментальная углеродистая.

Химический состав в % материала сталь У13А.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
1.26-1.34	0.17-0.33	0.17-0.28	до 0.2	до 0.018	до 0.025	до 0.2	до 0.2

Сталь 6ХВ2С.

Назначение. Ножи для холодной резки металла, резьбонакатные плашки, пуансоны и обжимные матрицы при холодной работе, штампы сложной формы, работающие с повышенными ударными нагрузками.

Качество. Сталь инструментальная штамповая.

Химический состав в % материала сталь ХВ2С.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W	Cu
0.55-0.65	0.5-0.8	0.15-0.4	до 0.35	до 0.03	до 0.03	1-1.3	до 0.3	2.2-2.7	до 0.3

Расшифруйте маркировку чугунов СЧ21, ВЧ40, КЧ63-2.

Чугун СЧ21.

Назначение. Для двойников, крышек, опор и других деталей

Качество. Чугун с пластинчатым графитом для отливок.

Химический состав в %

C	Si	Mn	P	S(не более)	Cr	Ni
2,8	1,5	0,5	До 0.3	0.12	0.1	До 0.5

Чугун ВЧ40.

Назначение. Для изделий с высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью.

Качество. Чугун с шаровидным графитом.

Химический состав в %

C	Si	Mn	S	P	Cr
2.7 - 3.8	0.5 - 2.9	0.2 - 0.6	до 0.02	до 0.1	до 0.1

Чугун КЧ63-2

Назначение. Применяют для изготовления деталей, которые обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью, хорошими антифрикционными свойствами.

Качество. Ковкий чугун.

Химический состав в %

C	Si	Mn	S	P	Cr
3.0	1.6	1.2	до 0.08	до 0.12	до 0.12

5. Режущий инструмент из стали У10 был перегрет при закалке. чем вреден перегрев и как можно исправить этот дефект

Если сталь нагреть до температуры выше критической точки , то начинается интенсивный рост зерен. При слишком крупных зернах сцепление между ними уменьшается, прочность металла понижается и он становится непригодным для изготовления деталей. Такое явление называется перегревом. При ковке перегретого металла образуются трещины. Перегрев можно исправить отжигом.

Отжиг -- вид термической обработки металлов и сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига -- снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.

Отжиг инструментальной углеродистой стали У10проводится с непрерывным охлаждением, изотермический, маятниковый, по режимам, приведенным на рис.1, а, б и в.

Рис.1. Графики рекомендуемых режимов предварительной термической обработки сталиУ10
а -- отжиг с непрерывным охлаждением; б -- изотермический отжиг; в -- маятниковый отжиг; г -- низкотемпературный отжиг; д -- нормализация; е -- улучшение

Выдержка при температуре отжига и изотермическая выдержка при 680--700^oC составляет 1--2 ч. При маятниковом отжиге выдержка на каждой ступени 0,5--1 ч. Структура после отжига -- зернистый перлит.

Перед повторной закалкой, а также для снятия внутренних напряжений от обработки резанием и снятия наклепа после холодной пластической деформации производится низкотемпературный отжиг (рис. 1, г) с выдержкой 2 - 3 ч.

Для устранения цементной сетки и измельчения зерна применяется нормализация (рис. 1, д).

Для получения повышенной чистоты поверхности (при нарезании резьбы и т.п.) применяют улучшение (рис. 1, е).

6. Опишите строительные и арматурные стали. Состав, маркировка, свойства и применение этих сталей. Охарактеризуйте основное свойство строительных сталей - свариваемость

Строительные стали

Строительная сталь предназначается для изготовления строительных конструкций -- мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т. д. Все строительные конструкции, как правило, являются сварными, и свариваемость -- одно из основных свойств строительной стали.

Конструкционные низколегированные стали в горячекатаном или нормализованном состоянии применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефте- и газопроводов. Для изготовления деталей машин их применяют сравнительно редко.Эта группа сталей содержит относительно малые количества углерода 0,1--0,25 %. Повышение прочности достигается легированием обычно дешевыми элементами -- марганцем и кремнием.

Простые углеродистые строительные стали -- Ст1, Ст2 и СтЗ, поставляются по ГОСТ 380--71. Наиболее широко применяется сталь марки СтЗ, которую для сварных конструкций следует поставлять по требованиям группы В, а для несварных конструкций -- по группе А.Из полученных тремя способами раскисления сталей (спокойная, полуспокойная и кипящая) более надежна сталь спокойная, имеющая более низкий порог хладноломкости.Таким образом, следует применять для несвариваемых конструкций (или свариваемых неответственных конструкций) -- кипящую сталь, для сварных расчетных конструкций -- полуспокойную или спокойную сталь. Для ответственных конструкций, а также для сооружений, работающих в условиях низких температур, следует применять нормализованную или термически улучшенную сталь.

Низколегированные или строительные стали повышенной прочности - в отличие от конструкционных легированных сталей, строительные стали повышенной прочности у потребителей не подвергаются термической обработке, т. е. структура и служебные характеристики формируются при производстве сталей.По сравнению с углеродистыми сталями более высокая прочность строительных низколегированных сталей достигается упрочнением феррита за счет легирования сравнительно малыми количествами кремния и марганца, а также хрома, никеля, меди и некоторых других элементов.К низколегированным строительным сталям относятся стали марок 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД, 34Г2АФ, 17Г2АФБ и другие. Сталь 15ХСНД, содержащая никель и медь, работает в конструкциях до --60°С без перехода в хрупкое состояние. Кроме того, введение этих элементов увеличивает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях.Все такие стали имеют низкое содержание углерода (<0,22% С) .

Строительные стали применяют главным образом в виде листов разной толщины, а также в виде сортового проката. Применение в строительных конструкциях более прочных низколегированных сталей вместо углеродистых дает возможность снизить расход металла на 15--25 %. Несмотря на несколько более высокую стоимость их использование экономически целесообразно.

Свариваемость. Способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним помимо химического состава относятся технология сварки (режимы), жесткость сварного узла, а также комплекс требований, предъявляемых к сварному соединению условиями эксплуатации.

Стали легко и глубоко закаливаются, поэтому после сварки обычно необходима последующая термообработка, заключающаяся в низком или высоком отпуске. Часто необходим также предварительный подогрев изделия. Существенное значение может иметь предшествующая термообработка изделия перед сваркой, желательно по возможности равномерное мелкодисперсное распределение структурных составляющих. При сварке плавлением часто отказываются от соответствия наплавленного и основного металла не только по химическому составу, но и по механическим свойствам, стремясь, в первую очередь, обеспечить повышенную пластичность наплавленного металла и устранить образование в нём трещин. Для этой цели при дуговой сварке довольно часто применяют, например, аустенитные электроды.

Арматурная сталь

Бетон, представляет собой искусственный камень, хорошо сопротивляющийся сжатию, и слабо (в 10 - 15 раз меньше) - растяжению. Поэтому в железобетонных элементах, работающих на изгиб и на внецентренное сжатие, бетон, как правило, воспринимает сжимающие усилия, а растягивающие усилия передаются на рабочую арматуру, которую укладывают в растянутой зоне. Так, например, в двухпролетной плите или балке (рис. 1.8) рабочая арматура укладывается в растянутых зонах: в пролетах внизу, а на опоре - вверху. Таким образом, в железобетонных элементах рационально используются механические свойства обоих составляющих - бетона и стали.

Рис. Расположение арматуры в железобетонных элементах

Однако весьма часто арматура вводится так же и в сжатую зону сечения элемента. Причем в одних случаях в центрально или внецентренно сжатых элементах работа сжатой арматуры учитывается и площадь ее определяется расчетом; в других случаях - в элементах, работающих на изгиб, когда отношение сжатой арматуры к растянутой, рабочей, составляется не более 10%, работа сжатой арматуры не учитывается и поэтому рассматривается как монтажная.

Для армирования железобетонных конструкций обычно применяется гибкая арматура из стальных стержней круглого гладкого сечения или периодического профиля. Весьма редко применяется жесткая арматура из фасонного проката (двутавры, швеллеры, уголки).

Прочность стали характеризуется браковочным минимумом предела текучести - величиной R^н, выраженной в кг/см². Естественно, что чем прочнее арматура, тем меньше расход стали, чтобы воспринять усилие, действующее на элемент.

Пластичность стали определяется ее относительным удлинением при разрыве в процентах. Пластичность играет большую роль как в работе конструкций из обычного железобетона, так и из предварительно напряженного. В обычном железобетоне большие относительные удлинения арматуры увеличивают прогиб изгибаемых элементов, что является ее отрицательной стороной. Но пластичность способствует возникновению пластичных шарниров в статически неопределимых конструкциях, учет которых ведет к экономии стали и упрощению армирования.

В предварительно напряженном железобетоне пластичность стали улучшает условия изготовления арматурных изделий, так как такие стали менее хрупки и не так чувствительны к загибам в холодном состоянии при заготовке и анкеровке арматуры.

Сцепление стали с бетоном при их совместной работе обуславливается такими факторами, как склеивание арматуры с бетоном, трение и зацепление арматуры о бетон при выдергивании вследствие шероховатости поверхности стержней. Для железобетонных конструкций применяются стержни с кладкой поверхностью и периодического профиля. Стержни с гладкой поверхностью слабо сопротивляются выдергиванию из бетона. Поэтому на концах арматуры из гладких стержней устраиваются крюки (рис. 1.9).

Кроме того, слабое сцепление гладких стержней с бетоном не позволяет использовать прочность арматуры высоких марок, так как скольжение стержней (потеря монолитности) наступает раньше, чем напряжения в арматуре достигают предела текучести. Арматура же периодического профиля - это круглые стержни, поверхность которых покрыта выступами (рис. 1.10).

Такая поверхность создает значительно лучшее (в два и больше раз) сцепление арматуры с бетоном, что позволяет использовать прочность арматуры высоких марок, снизить расход стали и не устраивать крюков на концах стержней. К арматуре периодического профиля относятся также арматурно-проволочные изделия (нераскручивающиеся стальные пряди, стальные канаты и др. с негладкой поверхностью).

В соответствии с указанными свойствами арматурная сталь делится на классы. Механические характеристики арматурных сталей (прочность и деформативность при растяжении) показаны на рис. 1.11.

Мягкие стали отличаются относительно малой прочностью и большой деформативностью (площадкой текучести).

Твердые стали отличаются большой прочностью и малой деформативностью.Арматурную сталь разделяют по классу:

· сталь горячекатная (ГОСТ 5781-61): класса А-I - круглая (гладкая) диаметром от 6 до 40 мм, класса A-II - периодического профиля диаметром от 10 до 90мм, класса A-III - то же, от 6 до 40 мм, класса A-VI - то же, от 10 до 32мм.

· сталь периодического профиля, упрочненная вытяжкой с контролем напряжений и удлинений или с контролем только удлинений (ГОСТ 5781-61): класса A-IIв - диаметром от 6 до 40 мм, класса A-IIIв - диаметром от 6 до 40 мм.

· обыкновенная арматурная проволока (ГОСТ 6727-53) диаметром от 3 до 8 мм.

· высокопрочная гладкая арматурная проволока (ГОСТ 7348-55) диаметром от 2,5 до 8 мм.

· высокопрочная арматурная проволока периодического профиля (ГОСТ 8480-57) диаметром от 2,5 до 8мм.

· арматурные семипроволочные пряди

· многопрядные канаты (тросы) (ГОСТ 3066-55; 3067-55; 3068-55)

Для закладных деталей и соединительных накладок применяется горячекатаная полосовая, угловая и фасонная сталь группы марок 3.

В качестве ненапрягаемой арматуры (для обычного железобетона) следует преимущественно применять мягкие стали периодического профиля класса A-II и A-III, в сварных сетках и каркасах - обыкновенную арматурную проволоку диаметром 3 - 5,5 мм, для поперечной арматуры и монтажной - сталь класса A-I, упрочненную вытяжкой сталь класса A-IIв, A-IIIв и др.

Следует однако иметь в виду, что эффективно использовать прочность стержневой арматуры из сталей высоких марок можно в центрально и внецентренно сжатых элементах, но не во всех случаях в элементах из обычного железобетона, работающих на изгиб, так как по мере увеличения напряжений в растянутой арматуре изгибаемого элемента растут деформации - удлинения, а вместе с ними - трещины в растянутой зоне бетона и прогиб элемента.

Ограничить величину прогиба изгибаемого элемента из обычного железобетона можно либо путем ограничения напряжений в рабочей арматуре до таких пределов, при которых прогиб балки не превысит нормативного, либо увеличением жесткости (отношения h/l) изгибаемого элемента.

Стали класса A-II и A-III не допускается применять в качестве монтажной арматуры, а также тогда, когда она не дает экономии металла по сравнению со сталью класса A-I.

7.Термическая сварка. Автоматическая дуговая сварка под флюсом. Схема процесса

дислокация сталь чугун сварка

К термическому классу сварки относятся соединения, получаемые местным плавлением поверхностей при помощи тепловой энергии. Тепло для сварки можно получить при помощи электрической дуги (дуговая сварка), от сгорания газовой смеси (газовая сварка), электронным или фотонным лучом (электронно-лучевая или лазерная сварка), сжиганием термитной смеси (термитная сварка), при прохождении электрического тока через расплавленный металл (электрошлаковая сварка) и т.д

Сущность процесса сварки под флюсом

При этом способе сварки электрическая дуга горит под зернистым сыпучим материалом, называемым сварочным флюсом (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема сварки под флюсом

Под действием тепла дуги расплавляются электродная проволока и основной металл, а также часть флюса. В зоне сварки образуется полость, заполненная парами металла, флюса и газами. Газовая полость ограничена в верхней части оболочкой расплавленного флюса. Расплавленный флюс, окружая газовую полость, защищает дугу и расплавленный металл в зоне сварки от вредного воздействия окружающей среды, осуществляет металлургическую обработку металла в сварочной ванне. По мере удаления сварочной дуги расплавленный флюс, прореагировавший с расплавленным металлом, затвердевает, образуя на шве шлаковую корку. После прекращения процесса сварки и охлаждения металла шлаковая корка легко отделяется от металла шва. Не израсходованная часть флюса специальным пневматическим устройством собирается во флюсоаппарат и используется в дальнейшем при сварке.

Достоинства способа:

· Повышенная производительность;

· Минимальные потери электродного металла (не более 2%);

· Отсутствие брызг;

· Максимально надёжная защита зоны сварки;

· Минимальная чувствительность к образованию оксидов;

· Мелкочешуйчатая поверхность металла шва в связи с высокой стабильностью процесса горения дуги;

· Не требуется защитных приспособлений от светового излучения, поскольку дуга горит под слоем флюса;

· Низкая скорость охлаждения металла обеспечивает высокие показатели механических свойств металла шва;

· Малые затраты на подготовку кадров;

· Отсутствует влияния субъективного фактора.

Недостатки способа:

· Трудозатраты с производством, хранением и подготовкой сварочных флюсов;

· Трудности корректировки положения дуги относительно кромок свариваемого изделия;

· Неблагоприятное воздействие на оператора;

· Нет возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях без специального оборудования.

Области применения:

· Сварка в цеховых и монтажных условиях

· Сварка металлов от 1,5 до 150 мм и более;

· Сварка всех металлов и сплавов, разнородных металлов.

Пути повышения производительности:

1. Сварка (наплавка) независимой дугой, горящей между двумя электродами (к изделию ток не подводят); при большом расстоянии от дуги до поверхности изделия основной металл вообще не проплавляется.

2. Сварка трёхфазной дугой, при которой глубина проплавления зависит от соотношения токов в дугах, горящих между электродами и изделием.

3. Сварка разнородными дугами. Питание дуги между электродами и изделием осуществляется при этом постоянным током, а дуги между электродами - переменным током.

4. Однофазная двухэлектродная наплавка, основанная на питании электродов и изделия от концов и середины вторичной обмотки сварочного трансформатора.

5. Наплавка с подачей присадочной проволоки в дугу (к проволоке ток не подводят).

6. Сварка (наплавка) по подкладке из металла требуемого химического состава и выполняющую функции теплопоглощения сварочной дуги и повышения коэффициента наплавки.

7. Сварка комбинированной дугой (зависимой и независимой, горящей между основным и дополнительным электродами).

8. Сварка расщеплённым электродом.

9. Сварка (наплавка) ленточным электродом.

10. Сварка многодуговая:

o в общую ванну;

o в разделённые ванны.

Использованная литература

1. Рыбаков В.М. «Дуговая и газовая сварка»

2. Полохин «Металлы и сварка»

3. Храмцов Н.В «Металлы и сварка»

4. http://www.svarka-lib.com/node/29/print/96.html

Размещено на Allbest