Таблица 4-1

Относительная удельная прочность при растяжении алюминиевых сплавов по сравнению со сталями

Конструкции из бейнитнЫХ сталей весьма стойки против хрупкого разрушения. В Советском Союзе к этому типу принадлежат стали 14ХМНДФР и 14Х2ГМР. Разработана технология их ручной дуговой, полуавтоматической и автоматической сварки. Эти стали находят применение в экскаваторах, шахтных подъемниках, резервуарах для хранения горючих веществ, напорных гидроприводах и т. п.

Алюминиевые сплавы все шире применяют в качестве заменителя стали благодаря следующим преимуществам (табл. 4-1): более высокой удельной прочности (отношение временного сопротивления к объемной массе); высоким механическим свойствам, в частности ударной вязкости при низких и весьма низких температурах; более высокой стойкости против коррозии.

Удельная прочность алюминиевых сплавов значительно выше, чем сталей, и особенно низкоуглеродистой стали СтЗ. Весьма важной особенностью алюминиевых сплавов является их высокая технологичность при обработке прессованием, прокаткой и ковкой. При проектировании имеется возможность выбирать наиболее эффективные и рациональные профили проката (рис. 4-1), обеспечивающие дополнительную экономию металла и снижение трудоемкости. При этом резко сокращаются объем сварочных работ и количество наплавленного металла.

Для ответственных сварных конструкций могут быть рекомендованы алюминиево-магниевые сплавы АМг, АМгЗ, АМг5В, АМгб, АМг61 с пределом прочности соответственно 14, 20, 26, 32 и 34 кгс/мм. При сварке этих сплавов околошовная зона практически не разупрочняется. Более прочные дюралюминиевые термо-обрабатываемые сплавы для сварных конструкций применять пока нецелесообразно, так как при сварке прочность околошовной зоны снижается. Восстановить полностью прочность путем естественного старения не удается. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести сравнительно низкий модуль упругости (в 3 раза меньше, чем у стали) и более высокий коэффициент температурного расширения. Этим обусловлены большие деформации при сварке.

rut

Рис. 4-1. Профили сплавов

из алюминиевых

-60 -w ~го

Рис. 4-2. Ударная вязкость ме-та.члов:

/ - АМгб,

2 - ВСтЗкп;

3 - 15ГФ

На рис. 4-2 приведены кривые значения ударной вязкости, полученные при испытании алюминиевого сплава АМгб, низкоуглеродистой стали ВСтЗкп и низколегированной стали 15ГФ. Характерно, что с понижением температуры ударная вязкость алюминия почти не снижается.

Исследования статической прочности различных типов сварных соединений из алюминиевого сплава АМгб показали, что несмотря на значительную концентрацию напряжений, вызываемую накладками, статическая прочность сварных соединений с понижением температуры до -60° С не отличается от прочности при нормальной температуре. Приближения предела текучести к пределу прочности с понижением температуры практически не наблюдается, что свидетельствует о малой склонности сплава к переходу в хрупкое состояние. Испытания сварных соединений на ударную прочность при различных температурах также подтвердили преимущества алюминиевого сплава перед низкоуглеродистой и низколегированными сталями.

При усталостных испытаниях сварных соединений установлена повышенная чувствительность алюминиевых сплавов к концентрации напряжений. Однако при обеспечении плавного перехода от шва к основному металлу прочность сварных соединений при переменных нагрузках практически такая же, как и самого сплава.

Из изложенного видны значительные преимущества алюми-ниево-магниевых сплавов перед низкоуглеродистой сталью и сталями повышенной прочности. Меньший эффект получается при применении алюминиевых сплавов в конструкциях вместо сталей высокой прочности с пределом текучести 50-60 кгс/мм и более. Однако эти стали пока еще очень мало используются. Таким образом, имеются все основания широко применять алюминиевые сплавы для сварных конструкций, в частности, эксплуатирующихся в северных районах, где температура может быть ниже -50° С.

Титан и его сплавы среди новых конструкционных материалов занимают значительное место. Титан и его сплавы обладают сравнительно малой плотностью и поэтому могут быть отнесены к числу легких металлов.

Чистый титан не находит широкого применения, так как обладает небольшой прочностью - около 25 кгс/мм. В отличие от чистого технический титан содержит ряд примесей, из которых важнейшими являются азот, кислород, водород, а также углерод. Эти примеси повышают прочность, однако несколько снижают

пластичность металла. Такой титан с временным сопротивлением 40-55 кгс/мм и относительным удлинением 20-30% находит применение в качестве конструкционного материала. При повышенных температурах прочность технического титана падает, однако даже при температуре 500° С все еще достигает 30 кгс/мм.

Холодная обработка оказывает большое влияние на механические свойства титана: она снижает пластичность и повышает прочность и твердость металла. Так, 10%-ное обжатие приводит к повышению временного сопротивления на 20-25% и снижению относительного удлинения при разрыве на 25-30%.

Титан и его сплавы обладают замечательными свойствами. Они сочетают большую прочность при нормальной и высоких температурах с весьма большой коррозионной стойкостью. Благодаря этому они являются ценнейшим конструкционным материалом в авиационной промышленности, судостроении, химическом машиностроении и других отраслях промышленности.

Титан, так же как и алюминий, весьма чувствителен к концентрации напряжений. Поэтому при работе сварной конструкции в условиях переменных нагрузок следует обеспечивать плавный переход от шва к основному металлу. Это достигается путем механической обработки либо оплавления кромок аргоно-дуговой горелкой.

§ 4-2. Свариваемость металлов и сплавов

Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке, и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие свариваемость . Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или сплава, подобным физическим свойствам. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимом сварки, составом дополнительного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.

В зависимости от марки основного металла и условий эксплуатации конструкции изменяется и совокупность показателей, определяющих понятие свариваемости. Так, под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом, без трещин в металле шва и без снижения пластичности в околошовной зоне. Металл шва и околошовной зоны в рассматриваемом случае должен быть стойким против перехода в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкций и при концентрации напряжений, обусловленной формой узла.