Проектирование подкрановой конструкции

Кремний также вводят в сталь  для раскисления. Кремний присутствует в сталях и сплавах в твердом  растворе в α-железе и как технологическая  примесь влияние на свойства стали  не оказывает. Кремний растворяется в феррите, способствуя его упрочнению.

Фосфор и сера вредные примеси, но их не удается полностью удалить в процессе плавки стали. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера не растворима в стали. Она образует с железом соединение FeS – сульфид железа. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика (tпл=988˚С), растворяющаяся, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800˚С и выше, т.е. в районе температур красного каления. Растворяясь в α-железе, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние, иначе вызывает хладноломкость стали.

Водород, находясь в твердом растворе, особенно сильно делает сталь хрупкой.

Углеродистую сталь обыкновенного  качества в соответствии с ГОСТ 380-94 подразделяют на три группы.  Сталь группы А поставляют по механическим свойствам и для производства сварных конструкций не используют(группу А в обозначении стали не указывают). Сталь группы Б поставляют по химическому составу, а группы В - по химическому составу и механическим свойствам. Для ответственных конструкций используют сталь группы В.

Механические свойства предопределяются содержанием углерода в составе  стали, степенью ее раскисленности, видом  и режимами термообработки, влияющей на структурное состояние. Прочность стали закономерно возрастает с увеличением содержания углерода в ее составе и уменьшается с увеличением толщины проката. Механические свойства стали в зависимости от  толщины сечения показаны в таблице 2.2.

Термическое упрочнение – закалка с отпуском – позволяет повысить на 35 – 40% предел текучести, а временное сопротивление разрыву на 10 –15%. Важным показателем сталей, особенно применяемых для конструкций, эксплуатируемых при пониженных температурах, является ударная вязкость (КСU=0,5 МДж/м² при температуре +20; -20 ⁰С). Применение таких видов термообработки, как нормализация и в особенности термическое упрочнение, позволяет повысить в 1,5 – 2,5 раза  уровень ударной вязкости стали.

 

 

 

 

Таблица 2.2 – Механические свойства стали ВСт3сп при комнатной температуре.

Сечение, мм	σ02,  МПа	δ,%
До 20	250	26
От 20 до 40	240	25
От 40 до100	220	23
От 100 до 160	210	23

 

 

2.3 СВАРИВАЕМОСТЬ

Под свариваемостью понимают получение  монолитных сварных сварных соединений  и получение соединений с разнородными металлами. Также рассматривается как свойство материалов, характеризующее термодеформационный цикл.

В сварочной практике понятие свариваемости  имеет несколько аспектов. Первоначально  использовались понятия физической и технологической свариваемости. Первое характеризовало принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относилось к разнородным материалам. Второе рассматривалось как свойство материалов, характеризующее их реакцию на сварочный термодеформационный цикл. Степень этой реакции оценивалась по отношению отдельных механических свойств металла сварных соединений к одноименным свойствам основного металла (например, твердости, ударной вязкости и др.).

Понятие технологической свариваемости, или просто свариваемости, часто используется в лабораторной практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных

изделий.

В настоящее время получил широкое  применение прикладной аспект понятия свариваемости материалов, учитывающий назначение изготовленных из них сварных конструкций. Соответствующее определение понятия свариваемости дано в ГОСТ 26001—84: свариваемость — свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Исходя из вышеприведенного определения, свариваемость зависит с одной  стороны от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, с другой — от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции.

Эксплуатационные свойства сварных  конструкций определяются предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может быть одно свойство или  комплекс свойств в зависимости от назначения конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются, то свариваемость материалов считается достаточной. Если не обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость материала считается недостаточной. Следует отметить, что при таком подходе свариваемость одного и того же материала может быть различно оценена от назначения изделия.

В сварочной практике традиционно принято различать несколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая. Однако четко не определены признаки, характеризующие ту или иную степень свариваемости. По одной из классификаций они подразделяются по следующим признакам. При достаточной свариваемости, т. е. когда в заданных технологических и конструктивных условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений, она классифицируется как хорошая. При недостаточной свариваемости удовлетворительная соответствует случаю, когда достаточную свариваемость можно обеспечить выбором рационального режима сварки; ограниченная, когда для этой цели необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменить способ сварки; плохая, когда никакими мерами невозможно достичь достаточной свариваемости. Степень свариваемости материала устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от заданной технологии, конструктивного оформления сварного соединения и требуемых эксплуатационных свойств.

В практике исследований свариваемости, как правило, применяются специальной  конструкции сварные образцы  или образцы с имитацией сварочных  термических или термодеформационных циклов. В результате испытаний таких образцов определяются условия появления дефектов, характеристики структуры, механические и специальные свойства сварных соединений или зон имитации, абсолютные или относительные значения которых принимаются за количественные показатели свариваемости. Наряду с экспериментальными используются расчетные методы определения показателей свариваемости, учитывающие химический состав, тип соединения, способ и режимы сварки и другие факторы.

В лабораторной практике при сопоставлении  материалов и технологий показатели свариваемости используются непосредственно в качестве критериев сравнения. При прикладном применении сведений о свариваемости по отдельным показателям или их сочетаниям судят о поведении сварного соединения при эксплуатации. В принципе количество показателей может быть равно количеству характеристик и свойств, определяющих работоспособность сварных соединений. Практически пользуются набором основных показателей, типовых для каждого вида материалов и условий эксплуатации изготовленных из них сварных конструкций. Выбор основных показателей производится в каждом конкретном случае учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами сварных соединений при эксплуатации.

Для установления методического единства при рассмотрении вопросов, касающихся трещинообразования при сварке, целесообразно придерживаться следующих понятий и терминов.

Склонность к образованию  трещин как показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту образования трещин в сварном соединении и оценивается качественно или количественно критической величиной одного из факторов, обусловливающих трещинообразование.

Стойкость против образования  трещин как показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту отсутствия трещин и оценивается качественно или количественно подкритической величиной одного из факторов трещинообразования.

Сопротивляемость образованию  трещин означает свойство материала в структурном и напряженно-деформированном состоянии шва или зоны термического влияния сопротивляться разрушению, соответствующему по характеру разрушению при образовании трещин.

Основными требованиями, которые предъявляются к свойствам сварных соединений, являются обеспечение их равнопрочности с основным металлом и отсутствие дефектов в металле шва и в зоне термического влияния. К сварным соединениям ответственных конструкций предъявляются дополнительные требования по ударной вязкости. Например, в соответствии с ОСТ 291—81, значения KCU сварных соединений при температуре 20 °C должны составлять не менее 0,5 МДж/м2, а при температуре ниже —20 °С — не менее 0,3 МДж/м2. другим дополнительным показателем является угол загиба, значение которого должно быть не менее 100°.

Свойства сварных соединений в  значительной степени предопределяются  параметрами термического цикла  сварки—скоростью нагрева, длительностью пребывания выше температуры интенсивного роста зерна аустенита при нагреве и охлаждении, скоростью и длительностью охлаждения в интервале температур распада аустенита, соответствующего 800—500 °С

Для анализа кинетики фазовых превращений в сталях при сварке используют анизотропические диаграммы превращения аустенита.

С помощью этих диаграмм определяют характеристические длительности охлаждения до появления в структуре отдельных  структурных составляющих. Сопоставляя  их значения со значениями длительности для заданного вида сварки, определяют ожидаемый структурный состав металла в зоне термического влияния сварных соединений.

Металл шва и зоны термического влияния (ЗТВ) сварных соединений имеют, как правило, феррито-перлитную структуру.

В отдельных участках сварного соединения структура отличается по соотношению  структурных составляющих, по характеру  строения и дисперсности.

Феррит представляет собой твердый  раствор углерода в α-железе. В  зависимости от температуры аустенитизации, а следовательно, от размера исходного зерна аустенита и условий его охлаждения возможно образование следующих разновидностей феррита. При медленном охлаждении из аустенита образуется полиэдрический феррит, а при быстром - игольчатый феррит. Крупнозернистый аустенит сталей, содержащих 0,08—0,04 % углерода, при относительно быстром охлаждении распадается с образованием видманштеттового феррита. Появление в структуре металла шва и ЗТВ видманштеттового феррита определяется относительно небольшой удельной поверхностью границ и повышенной химической однородностью крупнозернистого аустенита, что наиболее характерно для термических циклов электрошлакового процесса сварки с низким уровнем интенсивности нагрева и охлаждения и длительным пребыванием металла в интервале температур интенсивного роста зерна аустенита.

Перлит — смесь феррита с  цементитом — характеризуется такими параметрами, зависящими от интенсивности  охлаждения в процессе γ - α-перехода, как межпластиночное расстояние И размер колоний. Зародыши цементита  появляются в обогащенных углеродом участках γ-фазы, на границах бывшего зерна аустенита, на нерастворившихся карбидных частицах. Снижение температуры образования перлита, вызванное увеличением интенсивности охлаждения, приводит к образованию собственно перлита (межпластиночное расстояние 0,5—0,7 мкм), сорбита (межпластиночное расстояние 0,3—0,4 мкм) и троостита (межпластиночное расстояние 0,1—0,2 мкм).

Низкоуглеродистые стали имеют  благоприятные показатели свариваемости  и при соблюдении определенных условий  могут быть сварены всеми видами сварки, имеющими промышленное значение [1]. При этом сварные швы обладают необходимой стойкостью против образования кристаллизационных трещин вследствие пониженного содержания углерода. Образование кристаллизационных трещин возможно лишь в случае неблагоприятной формы провара, например в угловых швах, первом слое многослойного стыкового шва, односторонних швах с полным проваром кромок, когда содержание углерода приближается к верхнему пределу (0,22—0,25 %).

Для углеродистых сталей косвенным показателем свариваемости считается эквивалентное химическое содержание углерода С_ЭХ, в котором влияние легирующих элементов пересчитывается с помощью цифровых коэффициентов на влияние углерода.[10]

 

Для стали Ст3сп значение Сэ_Х=0,34

Если С_Э≤0,38, то сталь относится к I группе, к группе хорошо сваривающихся сталей.[10]

Сталь Ст3сп обладает хорошей свариваемостью. Основными  требованиями, которые предъявляются  к свойствам сварных соединений, является обеспечение их равнопрочности с основным металлом и отсутствие дефектов в металле шва и зоне термического влияния. Свойства сварных соединений определяются параметрами термического цикла сварки, скоростью нагрева, длительностью пребывания выше температуры интенсивного роста зерна аустенита при нагреве и охлаждении, скоростью и длительностью охлаждения в интервале температур распада аустенита, соответствующего 800 – 500 ⁰С. По соображениям обеспечения благоприятной свариваемости содержание углерода в стали ограничивают верхним уровнем соответствующим 0,38 %./10/

Металл шва  и зоны термического влияния сварных  соединений имеет ферритно-перлитную  структуру. В зависимости от температуры  аустенизации, а следовательно от размера исходного зерна аустенита  и условий его охлаждения возможно образование следующих разновидностей феррита. При медленном охлаждении из аустенита образуется полиэдрический феррит, а при быстром – игольчатый феррит. Крупнозернистый аустенит сталей, содержащих 0,08 – 0,04%С, при относительно быстром охлаждении распадается с образованием видманштеттового феррита./10/

Перлит – смесь  феррита с цементитом. Зародыши цементита  появляются в обогащенных углеродом  участках γ-фазы, на границах бывшего  зерна аустенита, на не растворившихся карбидных частицах. Снижение температуры  образования перлита, вызванное увеличением интенсивности охлаждения, приводит к образованию собственного перлита, сорбита и троостита./10/