Их характеристики и области применения

Свойства и качество сталей определяются основными техни­ческими характеристиками - механическими свойствами и хими­ческим составом. Механические свойства сталей характеризуются модулем упругости Е, пределом текучести σ_Т, временным сопро­тивлением разрыву при растяжении σ_В, относительным удлине­нием ε, ударной вязкостью а_н, изгибом в холодном состоянии на 180°. Эти показатели определяют прочность, упругость, пластичность материалов, а также их склонность к хрупкому раз­рушению, оцениваемую косвенно ударной вязкостью. Механизм возникновения пластических сдвигов (течение металла) объясняет теория дислокаций, т. е. несовершенств в реальной кристалли­ческой решетке. При этом различают следующие виды разруше­ний: вязкое (пластичное) - при напряжениях больше σ_Т; хруп­кое - без признаков пластических деформаций при низких зна­чениях а_н;усталостное - в результате многократного действия нагрузок. Пластические деформации при косом срезе связаны с движением дислокаций и определяют причины вязкого раз­рушения. Вместе с тем хрупкое и усталостное разрушения мате­риала происходят в результате отрыва. При этом накопленная энергия трещин превышает энергию атомных связей. Хрупкое разрушение (отрыв) возникает при ограниченности пластических сдвигов. Важнейшая причина - низкая температура эксплуата­ции. Большое значение при выборе стали имеют технологические характеристики - свариваемость, осадка, расплющивание и др. Характеристики сталей определяются на основе стандартных испытаний проб, образцов.

В зависимости от предела текучести и временного сопротивле­ния разрыву при растяжении все стали, применяемые для метал­лических конструкций, подразделяются на условные группы обыч­ной, повышенной и высокой прочности. Вводимые в расчеты зна­чения пределов текучести (σ_Т = 235 МПа; σ_Т = 295 МПа; σ_Т = 325 МПа: σ_Т = 390 МПа и т.д.) являются минимальными (браковочными), полученными в результате большого числа испы­таний образцов.

Механические свойства металла в значительной степени зави­сят от его химического состава и технологии металлургического производства. По способу выплавки стали подразделяют на марте­новские и конверторные. При поставке углеродистых сталей спо­соб их выплавки обычно не различают. Углеродистые стали по ГОСТ 380-71 * по группе А поставляются с гарантиями по механическим свойствам; по группе Б - с гарантиями по хими­ческому составу: по группе В - с гарантиями по механическим свойствам и химическому составу. Сталь группы В является основной для сварных металлических конструкций подъемно-­транспортных машин. По каждой плавке стали даются сведения об ее химическом составе, которые, как и механические характе­ристики, записываются в сертификате. Содержание в стали хими­ческих элементов нормируется ГОСТ 380-71 * наряду с показа­телями механических свойств. Химический состав стали характе­ризуется процентным содержанием в ней различных компонентов и примесей. Так, содержание углерода ограничивается 0,2 % для сварных крановых конструкций. Углерод повышает предел текучести, временное сопротивление растяжению стали, однако пластичность стали уменьшается. С уменьшением содержания углерода улучшается свариваемость стали и снижается падение ударной вязкости при низких температурах. В зависимости от нормируемых показателей стали всех групп (А, Б, В) подраз­деляются на категории.

Основной маркой стали обычной прочности по ГОСТ 380-71 *, применяемой в металлических конструкциях ТТ, является Ст3, которая обладает достаточно высокими механическими свойствами, в том числе и удовлетворительной ударной вязкостью (а_н≥70 Дж/см² при 20^оС и а_н ≥ 30 Дж/см² при – 20^оС), а также хорошими технологическими свойствами - свариваемостью, пла­стичностью. Различают стали спокойную ВСт3сп5, полуспокойнуюВСт3пс5 и кипящую ВСт3кп2 (индексы сп, пс, кп - спокойная, полуспокойная, кипящая; 5; 2 - категории в зависимости от нормируемых показателей).

Механические показатели кипящей стали практически те же, что и у спокойной. Однако кипящие стали имеют большую склон­ность к хрупким разрушениям. Полуспокойная сталь - проме­жуточная между спокойной и кипящей и применяется широко. Кипящая сталь имеет мень­шую стоимость. У нее заметно снижается ударная вязкость при пониженных температурах, что важно для сварных конструкций, она имеет также большую склонность к старению, чем спокойная. Несущие элементы кранов следует изготовлять из спокойной или полуспокойной стали, а для вспомогательных элементов (перила, обшивка, кожухи и т. п.) - использовать кипящую сталь. Сталь марки Ст2, имеющая высокие пластические свойства, находит применение для нерасчетных элементов конструкций (настилы и т. п.). Наряду со сталью марки Ст3, применяется сталь марки М16С по ГОСТ 6713-75, содержащая меньше вредных примесей (фосфора ≤ 0,045%, серы ≤ 0,05 %). Для конструкций из труб­чатых элементов применяются, стали марок 10 и 20 по ГОСТ 8731-74*.

На работу сталей оказывает существенное влияние ряд различ­ных факторов: характер распределения напряжений в металле (одно-, двух- или трехосное напряженно-деформированное состо­яние), повторность и закономерность нагрузки, температура, технология изготовления деталей, время и т. д. В процессе изго­товления конструкции образуется наклеп (при холодной гибке элементов, пробивке отверстий), возникают остаточные напряже­ния при сварке, сборке, прокатке, штамповке. С течением вре­мени проявляется старение металла (физико-механический про­цесс изменения структуры). При недостаточной защите стальных конструкций они подвергаются воздействию коррозии. Развитие коррозии в виде раковин может представлять опасность для несущей способности элемента.

Низколегированные стали по ГОСТ 19281-73, ГОСТ 19282-73 в виде листового, широкополосного, фасонного проката в метал­лических конструкциях ТТ находят применение для несущих элементов. Типовыми марками являются 09Г2, 09Г2С, 15ХСНД. 17Г1С, 10ХСНД, 14Г2АФ. Из сталей повышенной прочности для кранов применяются, стали марок 16Г2АФ, 18Г2АФпс и др. По­ставка низколегированных сталей осуществляется одновременно по механическим свойствам и химическому составу. Отдельные марки сталей поставляются горячекатаными или термически обработанными. В сравнении со сталью типа Ст3 низколегирован­ные стали имеют большее значение предела текучести, менее склонны к хрупкому разрушению при пониженных температурах, обладают повышенной стойкостью против атмосферной коррозии. Их целесообразно применять в тех случаях, когда размеры сече­ний элементов конструкции определяются из прочностных сообра­жений. Вместе с тем низколегированные стали в сравнении со сталями обычной прочности имеют большую стоимость, более чувствительны к концентрации напряжений при действии пере­менных нагрузок. Последнее обстоятельство требует при проекти­ровании и изготовлении изделий дополнительных конструктивно-­технологических мероприятий, направленных на уменьшение коэффициентов концентрации напряжений.

Алюминиевые сплавы

Применение алюминиевых сплавов в ТТ следует считать перспективным в первую очередь с точки зрения создания конструкций облегченного типа. Деформируемые алюминиевые сплавы обрабатываются давлением (прессованием, вытяжкой, штамповкой и т. п.), что позволяет получить элементы, применя­емые для конструкций. Алюминиевые сплавы с целью упрочнения легируют марганцем, медью, магнием, кремнием, цинком, тита­ном и др., а также производят холодную деформацию заготовок – ­нагартовку или термическую обработку (закалка, старение). ­

Состояние поставки алюминиевых сплавов отражается в обо­значениях: М - отожженный (мягкий); П - полунагартованный; Н - нагартованный; Т - закаленный и естественно состарен­ный; Тl - закаленный и искусственно состаренный. Состояние поставки отражается добавлением символа к условному обозначе­нию марки сплава (АМг6-М, АД31Т и т. п.). Термически упроч­няются все сплавы, за исключением марок АМг и AМц(ГОСТ 21631-76, ГОСТ 8617-81).

Положительными свойствами алюминиевых сплавов являются: малая плотность (ρ = 2,7 кг/дм³, что в три раза меньше, чем у стали); сравнительно высокая прочность; высокая коррозионная. стойкость, исключающая покраску конструкций; отсутствие склонности к хрупким разрушениям, что существенно при работе конструкций в условиях низких температур; хорошие пластич­ность и обрабатываемость. Так, сплав АМгбl-М имеет σ_В ≥ 380 МПа, σ_0,2 ≥180 МПа и δ ≥ 12 %. На диаграммах растя­жения алюминиевых сплавов отсутствует площадка текучести. Поэтому вместо физического предела текучести σ_Т принимается условный предел текучести σ_0,2 – напряжение при остаточном относительном удлинении ε_ост = 0,2 % (рис. 62). Алюминиево-марганцевые и алюминиево-магниевые сплавы хорошо свариваются (аргоно-дуговым методом). Дюралюмины свариваются хуже, стойкость против коррозии у них ниже, чем у сплавов типа АМг и AМu, прочность высока. Их целесообразно применять в клепа­ных несущих конструкциях.

Общими недостатками алюминиевых сплавов являются следующие: высокая стоимость; сравнительно низкий модуль упругости (Е = 7·10⁴ МПа); плохая сопротивляемость усталости; возможность возникновения местной коррозии при контакте со сталью; достаточно высокий коэффициент линейного расширения, приводящий к увеличению деформации конструкций при изготовлении и эксплуатации.