Технология металлов и сварка

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Рудненский индустриальный институт

ЛЕКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС

по дисциплине «Технология металлов и сварка»

для студентов специальности 050729 «Строительство»

Составила

Е.В. Дергунова

Заведующий кафедрой

А.И. Олейник

Рудный 2009



1. Металловедение

1.1 Общие сведения

Цель изучения дисциплины - формирование у студентов обобщенной системы знаний об особенностях поведения металла в конструкциях и практических навыков по вопросам сварочного производства в строительстве. сплав металлический кристаллизация

Задачи изучения дисциплины: в результате изучения курса студенты должны узнать процессы и явления, происходящие в неживой природе и возможности современных научных методов для решения естественнонаучных и профессиональных задач; атомное строение металлов; свойства и физико-механические характеристики металлов; направления совершенствования технологии производства строительных материалов и изделий; ознакомиться со способами обработки стали и с современными видами сварки в строительстве. Научиться: использовать нормативные документы, техническую литературу для получения необходимых сведений по вопросам расчета сварных соединений; выполнять расчет различных видов сварных соединений и ознакомиться с опытом выполнения сварочных работ.

Основоположник отечественной науки о металле - великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711г.-1765г.), один из образованнейших людей своего времени. Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым (1799г.-1851г.) и Д.К. Черновым (1839г.-1921г.), впервые установившим связь между строением и свойствами металлов и сплавов.



1.2 Атомное строение металлов и сплавов

В твердом состоянии все металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов.

Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен - кристаллитов, внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической решетке атомы находятся на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах, такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллическое тело от аморфного.

1.3 Типы кристаллических решеток

Пространственная кристаллическая решетка любого металла слагается из множества сопряженных друг с другом элементарных ячеек, внутри которых в известном порядке размещаются отдельные атомы. Существует несколько основных типов кристаллических решеток. На рисунке 1.1 представлена пространственная кристаллическая решетка и элементарная ячейка простой кубической решетки металла.

Элементарная ячейка простой кубической решетки состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах (1Е = 10 ^-8 см) или килоиксах (1 кх = 1,00202·10^-8 см).

Каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми ячейкам, т.е. на каждую ячейку в этой вершине приходится 1/8 атома. На всю ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая решетка сокращенно обозначается индексом К6.

В кубической объемноцентрированной решетке, рисунок 1.2, а, кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба, имеется один атом внутри решетки, принадлежащий только одной элементарной ячейке. Таким образом, на каждую элементарную ячейку приходится два атома. Эта решетка обозначается К8. Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Базис характеризует плотность решетки, т.к. кроме объема, занимаемого атомами, остается еще свободное пространство.

Коэффициентом компактности называется отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки. Чем больше коэффициент компактности, тем больше плотность элементарной ячейки.

В кубической гранецентрированной решетке К12, рисунок 1.2, б, число атомов равно четырем: 1/8·8=1атом от числа атомов, расположенных в вершинах куба и плюс 1/2·6=3 атома от числа атомов, расположенных в центре граней куба.

Взаимную связь атомов друг с другом характеризует координационное число. Под координационным числом понимают число атомов-соседей, находящихся на равном и наиболее близком расстоянии от избранного атома. Так, в простой кубической решетке на таких расстояниях находятся 6 соседних атомов. Чем больше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов.

Число атомов в различных сечениях пространственной кристаллической решетки неодинаково, вследствие этого механические, электрические и др. свойства кристаллических тел в разных направлениях будут различными - это явление называют анизотропией. Например, предел прочности монокристалла чистой меди в различных направлениях изменяется от 140 до 360 МПа, а относительное удлинение от 10% до 50%.

1.4 Аллотропические превращения в металлах

Некоторые металлы (железо, олово, титан, цирконий, кобальт и др.) способны испытывать превращения в твердом состоянии при изменении температуры, т. е. подвергаться так называемой вторичной кристаллизации. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в элементарной ячейке решетки называется аллотропией, а процесс изменения кристаллической решетки -- аллотропическим, или полиморфным превращением. Аллотропические формы металла называют модификациями и обозначают начальными буквами греческого алфавита (б, в, г, д и т.д.). Модификацию, устойчивую при низких температурах, обозначают буквой б, при более высоких -- в, следующие (по температурной шкале) модификации -- г, д и т.д.

При вторичной кристаллизации происходит перестройка кристаллической решетки из кристаллов прежней формации и образование новых кристаллов.

На кривой охлаждения при температуре 1539°С появляется первая горизонтальная площадка (остановка), отмечающая переход железа из жидкого состояния (ж) в твердое Fe_д с выделением значительного количества тепла. Образующиеся кристаллы Fe_д имеют кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку со стороной а = 2,93Е.

Вторая остановка наблюдается при 1401°С (точка А₄). При этом Fe_д переходит в Fe_г с более плотной кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. Третья остановка происходит при 898°С (точка Аr₃,), во время которой Fe_г переходит в Fe_в и имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку.

Последняя остановка наблюдается при 768°С (точка А₂), что соответствует переходу из состояния Fe_в в Fe_б без изменения кристаллической решетки.

Выделение тепла при переходе Fe_в в Fe_б связано с внутриатомными изменениями, в результате которых у Fe_б появляются резко выраженные магнитные свойства. Таким образом, фактически имеются две модификации железа с разными кристаллическими решетками.

Превращения, происходящие при нагревании железа, сопровождаются поглощением тепла. Остановки чаще всего происходят при тех же или несколько более высоких температурах, чем при охлаждении. Критические температуры, при которых происходят аллотропические превращения железа, обозначаются А с соответствующими индексами (при нагревании применяют индекс с с цифрой, при охлаждении -- r с цифрой).

1.5 Процессы плавления и кристаллизации металлов

Любое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы.

Переходы из одного агрегатного состояния в другое называют фазовыми превращениями; для чистых кристаллических тел они происходят при строго определенных температурах.

Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов из жидкой или газообразной фазы. Форма, величина, а также ориентировка кристаллов влияют на все свойства металлов и сплавов.

В точке m при температуре t⁰ в расплаве возникают первые центры кристаллизации металла, число которых увеличивается по мере отвода тепла. При этом ранее возникшие кристаллы растут. До тех пор пока весь жидкий металл не затвердеет (в точке n), температура остается постоянной. Этот процесс сопровождается выделением скрытой теплоты плавления. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок, показывающий, что затвердевание металла из расплава происходит при строго постоянной температуре. После затвердевания металла наблюдается плавное понижение его температуры. Температуру, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое, называют температурой первичной кристаллизации. Температура кристаллизации (а следовательно, и плавления) различных металлов находится в широких пределах - от минус 38,9^оС (Hg) до плюс 3410^оС (W). Кроме первичной кристаллизации возможна вторичная - изменение кристаллического строения металла в твердом состоянии.

При быстром отводе тепла некоторые металлы способны переохлаждаться, т.е. находиться некоторое время в жидком состоянии при температуре ниже температуры первичной кристаллизации. Это происходит потому, что в результате быстрого отвода тепла в расплаве образуется большое количество центров кристаллизации и происходит интенсивный их рост. Это приводит к выделению значительного количества тепла, способного некоторое время поддерживать металл в жидком состоянии и даже повышать его температуру вплоть до обычной температуры затвердевания.

Разность между теоретической t_т и фактической t_ф температурами кристаллизации называют степенью переохлаждения

Дt = t_т - t_ф.

1.6 Понятие о теории дислокации

Все реальные кристаллические твердые тела (в частности, металлы) имеют большее или меньшее количество дефектов кристаллической структуры, оказывающих влияние на макроскопические свойства твердых тел.

Такими дефектами являются:

- точечные дефекты - вакансии (узлы кристаллических решеток, незаполненные атомами), межузельные атомы;

- одномерные (линейные) дефекты - дислокации;

- двумерные (поверхностные) дефекты - границы зерен и двойников, дефекты упаковки и др.

Дислокациями называют линейные несовершенства или одномерные дефекты кристаллических решеток реальных металлов, представляющие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.

Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные криволинейные. Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание полей напряжений в кристаллической решетке, приводящих к соответствующим локальным деформациям и смещениям.

Экстраплоскость - это лишняя полуплоскость атомов. Если такая дислокация находится вверху, то ее считают положительной и обозначают T, если внизу - отрицательной, и обозначают +.

Такая дислокация простирается на многие тысячи периодов решетки, ее линия не может быть прямой, она стремится замкнуться в контур. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки.

Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя легко может смещаться вправо или влево от нейтрального положения и устанавливать связь краевых своих атомов 3 с атомами 1, а соседняя справа (слева) полуплоскость будет при этом переходить в промежуточное положение, превращаясь тем самым в экстраплоскость и образуя дислокацию вдоль краевых атомов 2 и т.д. Таким образом, дислокация может перемещаться (вернее - передаваться как эстафета) вдоль некоторой плоскости скольжения, расположенной перпендикулярно к эстраплоскости. Дислокации в металлах можно наблюдать с помощью электронного микроскопа.

Теоретически, при элементарном пластическом сдвиге, а, если учесть силы межатомного взаимодействия для каждой пары сопряженных атомов (относительно плоскости скольжения А-А) 1 - 1', 2 - 2' и т.д. и учитывая, что в плоскости скольжения реального металлического кристалла имеется около 10¹⁴ атомов на каждый см² сечения, требуется чрезвычайно большое усилие (для технического железа).

Согласно дислокационной теории пластический сдвиг в металле следует рассматривать как процесс эстафетного перемещения дислокаций. Упрощенная схема этого процесса.

В результате наличия дислокации, в кристалле по обе стороны скольжения А-А возникает искаженное состояние кристаллической решетки с нарушением порядка идеальных связей между атомами.

В этом случае достаточно приложить небольшое усилие Р, чтобы вызвать распространение волны последовательных смещений вертикальных рядов атомов над плоскостью скольжения А-А, не превосходящих по величине одного межатомного расстояния. В результате прохождения этой волны дислокация, как своеобразная эстафета, будет последовательно передаваться рядам атомов 3, 4 … и в некоторый момент займет положение. В итоге же передачи движения от частного смещения ряда атомов 1 дислокация выйдет на поверхность и исчезнет.

Вывод - процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций имеется в металле. Наоборот, чем меньше в металле таких дислокаций, тем меньше возможностей для сдвига и тем прочнее металл. В металле, в котором не образуются дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения (как целого) одной части кристалла относительно другой.

В этом случае прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Прочность нитевидных металлических кристаллов - так называемых «усов» - оказалась ближе к теоретической, что, согласно, предположениям, обусловлено весьма малым количеством дислокаций.

Кроме получения бездислокационных металлических кристаллов существует другой путь упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций с_Dкр, реальная прочность вновь начинает возрастать. Это объясняется тем, что возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в различных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, т.е. в процесс пластической деформации будут вовлекаться одновременно все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится.

Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп, и термообработка. Легирование (например, внесение в решетку основного металла чужеродных атомов), создающее несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствует свободному перемещению дислокаций.

Однако во всех этих случаях упрочнение далеко не достигает теоретического значения. Следовательно, наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной понижения его прочности.

1.7 Металлические сплавы

Металлическими сплавами называют сложные по составу вещества, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами.

Химические элементы или их устойчивые соединения, образующие сплав, принято называть компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех и более компонентов.

Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, однородны, представляют одну фазу. В некоторых случаях металлы в жидком состоянии взаимно нерастворимы и образуют отдельные слои (например, свинец и железо, свинец и цинк). Однако полная нерастворимость металлов в жидком состоянии - редкое явление; чаще встречается ограниченная растворимость.

Фазой называют однородную часть неоднородной системы, отделенную от других ее частей поверхностями раздела. При переходе сплавов из жидкого состояния в твердое в них может образоваться несколько фаз. После затвердевания, в зависимости от природы компонентов, сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. Могут образовываться твердые растворы, химические соединения и механические смеси, состоящие из двух или нескольких фаз.

Твердыми растворами называют сплавы (из двух или более компонентов), в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке компонента растворителя. При образовании твердого раствора растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа. Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими решетками и вследствие этого неограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии, то растворителем является тот из них, концентрация которого в сплаве превышает 50%.

Различают три типа твердых растворов: замещения, внедрения, вычитания (встречаются сравнительно редко).

Твердый раствор замещения образуется путем замены части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворяемого компонента.

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами кристаллической решетки растворителя.

Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличной от решеток исходных компонентов. Химические соединения, как правило, обладают характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением.

Химические соединения в сплавах образуются между металлами (интерметаллические соединения), а также между металлами и неметаллами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили в технике самостоятельное применение.

Механические смеси образуются при одновременном выпадении из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений.

1.8 Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов

Диаграммы состояния металлических сплавов представляют обобщенные результаты изучения хода затвердевания и структурно-фазовых превращений в выбранных системах. Эти диаграммы позволяют определить температуры начала и конца затвердевания сплавов, их структуру для различных температур и превращения, которые сплавы претерпевают при охлаждении и нагревании.

При построении диаграмм состояния сплавов по оси абсцисс откладывают концентрацию каждого компонента (от 0 до 100%), по оси ординат - температуру. Каждому составу сплава при определенной температуре отвечает определенная точка на диаграмме.

При термическом анализе определяют температуру начала и конца затвердевания сплавов при переходе их из жидкого состояния в твердое, а также температуру всех превращений, происходящих в сплаве в твердом состоянии. Для термического анализа приготовляют ряд сплавов с постепенно изменяющимся содержанием одного из компонентов сплава (например, 10, 20, 30, 40% и т.д.). Серию таких сплавов нагревают и расплавляют, а затем медленно и равномерно охлаждают. Отмечают температуру сплава. На основании полученных данных строят серию кривых охлаждения и нагревания в координатах температура - время, характерные точки которых переносят на диаграмму состояния.

Кривые охлаждения свинца и сурьмы, имеют только по одной горизонтальной площадке, соответствующей температуре их затвердевания. На каждой из кривых охлаждения сплавов имеется перегиб или площадка при температурах, фиксирующих начало и конец затвердевания. Верхние точки, при которых начинается затвердевание рассматриваемых сплавов, существенно отличаются друг от друга по температуре. Нижняя критическая температура затвердевания для всех сплавов свинца и сурьмы одинакова - она равна 243єС.

Перенося точки начала и конца затвердевания кривых охлаждения всей серии сплавов на график состав сплава - температура, получим диаграмму состояния системы Pb - Sb.

Выше линии АС и СВ сплавы любого состава находятся в жидком состояния. Эти линии фиксируют начало затвердевания сплавов, их называют линиями ликвидуса (ликвидус - жидкий). Прямая линия DCE соответствует концу затвердевания сплавов и называется линией солидуса (солидус - твердый). Ниже этой линии сплавы любого состава находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплавы состоят из двух фаз: жидкой и твердой. На линии АС начинается кристаллизация чистого свинца из сплавов, содержащих менее 13% сурьмы. На линии ВС - кристаллизация чистой сурьмы из сплавов, содержащих более 13% сурьмы. В точке С, отвечающей сплаву с 13% Sb и 87% Pb при температуре 243єС, происходит одновременная кристаллизация обоих компонентов сплава с образованием тонкой механической смеси. Полученную после затвердевания структуру сплава называют эвтектикой (на рисунке 4.1 обозначена буквой С), а сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим сплавом. Он обладает самой низкой температурой плавления по сравнению с остальными сплавами. Сплавы, состав которых находится на диаграмме левее точки С, называются доэвтектическими, а правее - заэвтектическими.

Доэвтектический сплав выше линии АС находится в жидком состоянии. При охлаждении ниже линии АС из сплава начинают выпадать кристаллы чистого свинца, обладающего более высокой температурой затвердевания, чем остающаяся жидкая часть сплава, постепенно обогащающаяся сурьмой. Выделение кристаллов чистого свинца из жидкой фазы будет продолжаться вплоть до температуры 243єС, т.е. до линии эвтектики DCE. При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы содержит 13% Sb, и она затвердевает с образованием эвтектики.

При охлаждении заэвтектических сплавов ниже линии ВС из жидкого сплава начинают выпадать кристаллы чистой сурьмы, обладающие более высокой температурой затвердевания, чем остающаяся жидкая часть сплава; поэтому последняя обедняется сурьмой, и ее состав начинает приближаться к эвтектическому. При температуре соответствующей линии DCE (243єС), эта часть сплава будет содержать 13% Sb и по мере дальнейшего понижения температуры затвердеет с образованием эвтектической смеси. Таким образом, заэвтектические сплавы затвердевают аналогично доэвтектическим сплавам с той разницей, что ниже линии ликвидуса из жидкости выделяется не свинец, а сурьма.

Рассмотренная диаграмма относится к первому типу диаграммы состояния и характеризуется тем, что компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, совершенно нерастворимы в твердом состоянии и образуют механическую смесь своих кристаллов.

1.9 Железоуглеродистые сплавы

Железо - металл серебристо-серого цвета, четвертого периода, восьмой группы таблицы Д.И. Менделеева, обладающий очень высокой пластичностью. Чистое железо содержит не более 0,01% примесей и является очень дорогим металлом. На практике применяют техническое железо, содержащее до 0,01% в сумме примесей (С, Mn, Si, S, P и др.).

Механические свойства железа в зависимости от степени его чистоты и величины зерен изменяются в следующих пределах:

- твердость по Бринеллю НВ 580-800 МН/м²(МПа);

- предел прочности при растяжении 180-280 МН/м²(МПа);

- удлинение 30-50 %;

- сжатие 70-80 %;

- ударная вязкость 16-20 МДж/м².

В промышленности применяют сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, хромом, никелем и другими элементами. Если в сплаве железа содержится до 2% углерода, его называют сталью, если более 2% углерода - чугуном.

Углерод - неметаллический элемент второго периода, четвертой группы, имеет три аллотропические модификации: уголь, графит и алмаз. Графит имеет незначительную прочность и слабо выраженные металлические свойства.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов можно рассмотреть под микроскопом на полированном и травленном шлифе.

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в б-железо. Он мягкий (НВ 65-130), пластичный (40%), сильно магнитен, хорошо проводит тепло и электричество.

При комнатной температуре в феррите содержится 0,002%С, а при 727єС содержание углерода в феррите около 0,1%. В феррите кроме углерода может находиться некоторое количество кремния, марганца, фосфора и др. Кристаллическая решетка феррита - кубическая объемно-центрированная с координационным числом 8, такая же, как у чистого б-железа.

Цементит (Ц) - карбид железа Fe₃C. В нем содержится 6,67% С. Цементит имеет металлический блеск и сложную кристаллическую решетку, обладает большой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. Он слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло. Температура плавления цементита около 1500єС. Цементит - неустойчивое химическое соединение и при высоких температурах распадается на железо и углерод по реакции Fe₃C = 3 Fe +С.

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в г-железо, имеющий кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку с координационным числом 12. Аустенит немагнитен, сравнительно мягкий (НВ 170-200). Максимальная растворимость в нем углерода при 1147єС составляет 2%, при 727 єС - 0,8%.

Ледебурит (Л) - механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3% С. Образуется при затвердевании (с распадением на аустенит и цементит) из жидкого расплава при 1147 єС. В интервале температур 1147 єС - 727єС представляет собой механическую смесь аустенита и цементита. Ледебурит отличается высокой твердостью (НВ 700) и хрупкостью.

Перлит (П) - механическая смесь, состоящая из очень тонких пластинок или зерен цементита и феррита; образуется в результате распада аустенита при 727єС. Содержание углерода в перлите 0,8%. Перлит бывает пластичный и зернистый, что определяется формой цементита (пластинки или шарообразные зерна). Механические свойства перлита зависят от размеров и формы цементита - пластинчатого или зернистого (у =820 МН/м²; удлинение 15%, НВ 160).

1.10 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния Fe - C, включает все сплавы (сталь, чугун), имеющие практическое применение. Она является результатом работ многих ученых и непрерывно уточняется вплоть до нашего времени. Практически максимальное содержание углерода в сплавах с железом равно 6,67%. Это значение соответствует содержанию углерода в карбиде железа Fe₃C.

На диаграмме нанесены сплошные и пунктирные линии. Это связано с тем, что углерод в сплавах может находиться в элементарном виде (графит) и в виде химического соединения (цементит).

Таким образом, диаграмма состояния системы железо-углерод может иметь два варианта: 1) система железо-цементит и 2) система железо-графит. Рассмотрим диаграмму состояния системы железо-цементит (сплошные линии).

Верхняя часть диаграммы железо-цементит. Точка А на диаграмме показывает температуру плавления чистого железа, а точка D - температуру плавления цементита. Процесс кристаллизации расплава начинается по линии ABCD (линия ликвидуса). Выше линии ликвидуса (область I) сплав находится в жидком состоянии и представляет собой однородную систему.

Линия AHIECF является линией солидуса. Сплавы, лежащие ниже этой линии, находятся в твердом состоянии. При температурах между линиями ликвидуса и солидуса происходит кристаллизация сплавов. В период кристаллизации одновременно существуют две фазы - жидкий сплав и кристаллы твердых растворов. В затвердевших сплавах при понижении tє наблюдается вторичная кристаллизация, т.е. дальнейшее изменение их структуры, связанные с перекристаллизацией в твердом состоянии. С понижением температуры железо переходит из одной модификации в другую (Fe_г >Fe_б) и растворимость углерода в Fe_г и Fe_б заметно уменьшается.

Линия АВСD показывает, что с увеличением содержания углерода в железе до 4,3% (АВС) температура плавления сплава понижается, а с дальнейшим повышением углерода (CD) - увеличивается. Точка Н показывает предельную растворимость растворимость углерода (0,1%) в Fe_д при 1493єС.

На линии HIB (1493 єС) жидкость, содержащая 0,5% углерода (точка В) реагирует с ранее выпавшими кристаллами д-раствора и образуют кристаллы нового вида. Реакцию подобного типа называют перитектической. В результате этой реакции образуются кристаллы аустенита, содержащего 0,18% С (точка I).



2. Материалы для изготовления металлоконструкций

2.1 Требования к строительным конструкциям

Строительство в наши дни - это поточно-механизированный процесс сборки и монтажа зданий и сооружений из деталей и конструкций, изготовленных в условиях промышленного производства. Важнейшим требованием, предъявляемым к строительным конструкциям, является экономичность их изготовления и эксплуатации. Экономичность конструкции основана на целесообразном использовании свойств применяемых материалов и рациональном их расходовании.

В современном строительстве металлические конструкции применяются в сооружениях с большими пролетами и высотами, а также в специальных сооружениях, где они более эффективны.

Простейшие стальные конструкции - балки, колонны, фермы - целесообразны при возведении отдельных объектов нетипового строительства, устройстве рабочих площадок для обслуживания технологического оборудования, реконструкции существующих зданий и сооружений.

Металлические конструкции применяются для сооружений зданий производственного назначения, спортивных и выставочных павильонов и комплексов, для строительства мостов и башенных сооружений, резервуаров и трубопроводов.

В связи с ростом технико-экономических требований к строительным конструкциям, и особенно к металлическим, необходимо их повседневное усовершенствование и облегчение. Для этих целей при изготовлении строительных конструкций применяются стали повышенной и высокой прочности, легкие сплавы и новые типы прокатных и гнутых профилей. Внедряются новые виды и способы сварки неразъемных соединений.

При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие основные требования:

1) условия эксплуатации - удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации, которое определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него;

2) экономия металла - в строительных конструкциях металл следует применять лишь в тех случаях, когда замена его другими видами материалов нерациональна;

3) транспортабельность - в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки конструкций целиком или по частям (т.н. отправочными марками);

4) технологичность - конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления с ориентацией на более современные и производительные технологические приемы, что снижает трудоемкость;

5) скоростной монтаж;

6) долговечность - определяется сроками ее физического и морального износа, физический износ металлических конструкций связан главным образом с коррозией металла; моральный - с изменением условий эксплуатации;

7) эстетичность, архитектурная выразительность.

2.2 Достоинства и недостатки металлических конструкций

Основными достоинствами металлических конструкций являются:

1) высокая несущая способность - возможность воспринимать значительные нагрузки при относительно небольших сечениях вследствие значительной прочности металла (R_уп = 230 - 750 МПа);

2) высокая надежность работы конструкций, так как конструкции могут быть рассчитаны достаточно точно, что определяется относительно высокой однородностью механических свойств стали; надежность обеспечивается близким совпадением их действительной работы с расчетными предположениями, т.к. материал металлических конструкций обладает большой однородностью структуры, поведение конструкций достаточно близко соответствует расчетным предпосылкам;

3) относительная легкость (в 1,5 - 2 раза легче деревянных, в 8 - 12 раз - бетонных и в 20 раз кирпичных); легкость С, 1/м, определяется отношением плотности материала с, кН/м³, к его расчетному сопротивлению R, кН/м²,

,

чем меньше значение С, тем относительно легче конструкция, благодаря высоким значениям расчетных сопротивлений для малоуглеродистой стали С=3,7Ч10^-4 1/м, для высокопрочной стали С=1,7Ч10^-4 1/м, для дюралюмина С=1,1Ч10^-4 1/м, для бетона В25 С=1,85Ч10^-3 1/м, для дерева С=5,4Ч10^-4 1/м;

4) транспортабельность - благодаря относительной легкости металлические конструкции компактны, поэтому более транспортабельны и легко монтируются;

5) водогазонепроницаемость - сплошность материала и соединений, позволяет осуществлять водо- и газонепроницаемые конструкции;

6) высокая сборность и индустриальность, достигаемая изготовлением конструкций на специализированных заводах.

Металлические конструкции удобны в эксплуатации, так как легко могут быть усилены при увеличении нагрузок. Они наиболее полно используются при реконструкциях и легко ремонтируются.

К недостаткам металлических конструкций относится:

1) низкая коррозионная стойкость, требующая специальных методов защиты и ограничивающая область их применения;

2) малая огнестойкость (при tє = 500єС сталь теряет несущую способность: при tє = 200єС - уменьшается модуль упругости Е, а при tє = 600єС - сталь переходит в пластическое состояние, т.е. металлические конструкции должны быть защищены облицовкой бетоном, керамическими материалами и др. специальными покрытиями);

3) сравнительно высокая стоимость.

Все конструкции должны быть доступны для наблюдения, очистки, окраски, а также не должны задерживать влагу.

В технической документации на сварные конструкции должны указываться: класс и марка стали; способ сварки; рекомендуемые к использованию сварочные материалы.

2.3 Классификация металлических конструкций

Конструкции классифицируются по материалу, назначению, видам соединений, степени заводской готовности, условиям эксплуатации.

По материалу конструкции подразделяются на стальные и алюминиевые.

По назначению конструкции подразделяются на несущие (основные и второстепенные) и ограждающие.

По видам соединений конструкции делятся на сварные, болтовые, клепаные, комбинированные и винтовые.

По степени заводской готовности конструкции подразделяются на полностью изготовленные на заводе и изготовляемые на заводе в виде отправочных марок (элементов), укрупняемых на монтаже.

По степени коррозионной стойкости конструкции подразделяются: на эксплуатируемые в неагрессивных, слабоагрессивных, среднеагрессивных и сильноагрессивных средах.

По температурным условиям конструкции подразделяются: на возводимые или эксплуатируемые в районах с расчетной температурой минус 40єС и выше; возводимые или эксплуатируемые в районах с расчетной температурой ниже минус 40єС (до минус 65єС включительно); подвергающиеся интенсивным температурным воздействиям; эксплуатируемые в отапливаемых или неотапливаемых зданиях.

Классификация сталей

Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.

По способу производства различают мартеновскую, бессемеровскую, томасовскую, кислородно-конверторную, тигельную и электросталь. По химическому составу - углеродистые и легированные стали. По назначению углеродистые стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% углерода, машиностроительные цементируемые - от 0,025 до 0,3% углерода, улучшаемые термообработкой от 0,3 до 0,5% углерода, пружинные - от 0,5 до 0,8% углерода, инструментальные - от 0,7 до 1,3% углерода.

Малоуглеродистые стали обладают большой пластичностью, высокой ковкостью, хорошей свариваемостью, отсутствием тенденций к хрупкому разрушению - все эти свойства в полной мере отвечают высоким требованиям, предъявляемым к строительным сталям.

Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь обыкновенного качества разделяют на три группы А, Б, В, учитывающие условия поставки:

1) сталь группы А - поставляют потребителям по механическим свойствам;

2) сталь группы Б - по химическому составу;

3) сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7. По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а также прочность и твердость, но снижается пластичность и ударная вязкость.

Сталь группы Б изготовляют тех же марок, но перед маркой стали ставят букву Б (БСт0, БСт1кп).

Сталь группы В изготовляют следующих марок: ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5.

По степени раскисления сталь делится на кипящую (кп), полуспокойную (пс) и спокойную (сп). Кипящей называют сталь, в процессе получения которой происходит бурное выделение газов (кипение), способствующее образованию мелких газовых пузырей и концентрации вокруг них различных неметаллических включений и примесей, значительно снижающих качество стали. Спокойная сталь, остывающая без бурного выделения газов, получается путем введения в нее различных раскислителей в виде добавок кремния, марганца, алюминия и др., в результате чего на поверхности слитка (15%) образовывается шлак, идущий на переплавку, а в остальной части слитка высококачественная однородная сталь.

В строительстве преимущественное применение находит полу-спокойная сталь (компромиссный вариант между кипящей и спокойной), обладающая высокими технико-экономическими показателями и более низкой стоимостью, чем спокойная сталь. Однако стали повышенной и высокой прочности выполняются главным образом из спокойной стали, обладающей высокой однородностью и способностью сопротивляться хрупкому разрушению.

В зависимости от механических свойств конструкционные стали подразделяются на стали обычной прочности (обыкновенного качества), повышенной прочности и высокой прочности.

Стали обычной прочности (малоуглеродистые) содержат углерода до 0,22% с пределом текучести 185-285МПа, временным сопротивлением разрыву 365-390МПа, наиболее употребительные стали ВСт3кп2, ВСт3пс6, ВСт3сп5, ВСт3 Гпс5 - они пластичны, хорошо свариваются.

Стали повышенной прочности (низколегированные) с пределом текучести 295-390МПа, временным сопротивлением 430-540МПа, это такие стали как 09Г2, 09Г2С, 14Г2, 10Г2С, 15ХСНД.

Стали высокой прочности (средне- и высоколегированные) с пределом текучести 410-600МПа, временным сопротивлением 570-700МПа, это такие стали как 16Г2АФ, 18Г2АФпс, 15Г2СФт.о., 12Г2СМФАЮт.о.

2.4 Маркировка сталей

В обозначении углеродистых сталей (например ВСт3пс6): буква В определяет группу поставки; Ст3 - собственно марку стали; пс - полуспокойную; цифра 6 - категорию поставки. Для легированных сталей вводят буквенное обозначение легирующих элементов:

У - углерод - повышая прочность cтали , снижает ее пластичность и свариваемость, в марках не обозначается, т.к. присутствует во всех сталях;

С - кремний - повышает прочность, но ухудшает свариваемость и стойкость против коррозии, хороший раскислитель; в малоуглеродистых сталях добавляется до 0,3%, в низколегированных - до 1%;

Ю - алюминий - хороший раскислитель, повышает ударную вязкость, нейтрализует вредное влияние фосфора;

Г - марганец - повышает прочность и вязкость, хороший раскислитель, соединяясь с серой снижает ее вредное воздействие; в малоуглеродистых сталях марганца содержится до 0,64%, в легированных до 1,5%, при большем содержании сталь становится хрупкой;

Д - медь - повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии; содержание меди более 0,7% способствует старению стали;

М - молибден, Р - бор - эти добавки дают возможность получения высокопрочного проката больших толщин;

А - азот - должно быть не более 0,008%, т.к. такое содержание способствует старению стали и делает ее хрупкой при низких температурах; в химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном - улучшает механические свойства;

Х - хром, Ф - ванадий, В - вольфрам, Т - титан, Н - никель - повышают прочность ,твердость, снижают пластичность;

П - фосфор.

При обозначении марки стали содержание каждого элемента в % с округлением до целых значений указывается после буквы, обозначающей данный элемент; содержание элемента в пределах 1% цифрами не указывается; %-ное содержание углерода указывается в сотых долях в начале обозначения марки (например 15Г2СФ - углерода 0,15%, марганца до 2%, кремния и ванадия до 1% каждого).

Вредные примеси:

Фосфор - повышает хрупкость, особенно при низких температурах (хладоломкость) и снижает пластичность при повышенных температурах, его содержание не должно превышать 0,04%;

Сера - делает сталь красноломкой, т.е. образуются трещины при температуре 800-1000єС, поэтому серы в углеродистой стали д.б. не более 0,05%.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии:

Кислород - действует подобно сере, но в более сильной степени;

Водород - приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению, даже незначительное его содержание (0,007%) приводит к снижению временного сопротивления и ухудшению пластических свойств.

Поэтому, расплавленную сталь необходимо защищать от воздействия атмосферы во время сварки.



2.5 Маркировка строительных конструкций

Конструкции и изделия в рабочих чертежах металлических конструкций (КМ) и в рабочих деталировочных чертежах металлических конструкций (КМД) маркируются в соответствии с ГОСТ 26047-83.

Марка конструкции и изделия в чертежах КМ конкретных объектов состоит из буквенно-цифровой группы, в которую входят обозначение типа и порядковый номер конструкции и изделия.

Обозначение типа конструкции должно состоять из условного буквенного обозначения ее наименования. Например, балки подкрановые обозначаются буквами БК, балки подстропильные - БП, балки стропильные - БС, каркасы и панели перегородок - ПГ, колонны - К, и т.д. Порядковый номер конструкции и изделию присваивается в пределах обозначения типа, начиная с единицы. Например, в чертежах КМ обозначено: Б-1, Б-2, Б-3, что означает балка первая, вторая, третья или марки ФС-1, ФС-2 означают - ферма стропильная первая и вторая.

Марка типовых конструкций в чертежах КМ, а также конструкций в стандартах и технических условиях состоит из трех буквенно-цифровых групп. Например, ФС24-31-Д1 или Р18.7-3834. Первая группа марки содержит обозначение типа конструкций, состоящее из условного буквенного индекса наименования и геометрических размеров или других основных параметров конструкций (пролет, длина, ширина, высота). Здесь: ФС - ферма стропильная пролетом 24м, Р - рама пролетом 18 и высотой 7м.

Вторая группа марки содержит характеристики несущей способности конструкции (допускаемые расчетные нагрузки или усилия). Здесь: 31 - допускаемая расчетная нагрузка на ферму 31 кН/м; 3834 - расчетная вертикальная нагрузка, Па.

Третья группа марки содержит дополнительные характеристики (условия монтажа и эксплуатации; сейсмичность, исполнение конструкции для различных климатических районов строительства; конструктивные особенности). Здесь: Д1 - ферма с дополнительной стойкой.

Обозначение первой группы в марке является обязательным для всех конструкций и изделий. Необходимость второй и третьей групп определяется разработчиком документации.

Марка конструкций в чертежах КМД состоит из двух буквенно-цифровых групп. Первая группа содержит обозначение схемы расположения конструкций. Вторая - порядковый номер конструкций на схеме.

Например: Д-5, где Д - обозначение схемы расположения конструкции, а 5 - ее порядковый номер на схеме. Или Д-6т, Д-6н - то же обозначение для элементов зеркального изображения (так и наоборот).



3. Сварка

3.1 Основные сведения о сварке

Сварка - это технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного сплавления или совместного пластического деформирования этих частей по примыкающим поверхностям, в результате чего возникает прочное сцепление материалов, основанное на межатомном взаимодействии.

Сварка была известна еще в глубокой древности, а именно кузнечная сварка меди и некоторых ее соединений. Кузнечная сварка - сварка давлением, при которой соединяемые части подвергают нагреву до температуры, близкой к температуре плавления, а затем осуществляют их пластическое деформирование проковкой. Этот способ сварки из-за низкой производительности в первоначальном своем виде в настоящее время практически не применяется. Освоение литья привело к рождению литейной сварки, когда части деталей помещались в специальную форму, а между соединяемыми поверхностями заливался жидкий металл. Это фактически древняя разновидность сегодняшней термитной сварки плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется жидким термитным металлом, расплавляющим металл соединяемых деталей в месте образуемого сварного стыка по всему сечению и служащим одновременно и присадочным материалом. Когда же были найдены легкоплавкие металлы, появился метод пайки. Пайка - это технологический процесс получения неразъемного соединения различных материалов без их расплавления путем нагрева места пайки и заполнения зазора между соединяемыми поверхностями расплавленным металлом или сплавом.

Газовая сварка (автогенная, ацетилено-кислородная) - сварка плавлением, при которой свариваемые кромки нагреваются пламенем газа, сжигаемого в специальных горелках в смеси с кислородом.

В 1802г. русский ученый В.В. Петров открыл явление электрической дуги, описал ее свойства и предсказал возможность ее применения для освещения и плавления металлов.

Прошло 80 лет и в области физики и электротехники в развитии сварочного производства произошел, как бы взрыв. За короткий срок был создан ряд новых способов сварки, основывающихся на использовании электроэнергии. В 1882г. русский изобретатель Н.Н. Бенардос предложил способ электрической сварки плавлением, использовав для расплавления кромок соединяемых деталей электрическую дугу, горящую между двумя угольными электродами или между угольным электродом и изделием. В 1888г. русский инженер Н.Г. Славянов открыл способ дуговой сварки плавящимся металлическим электродом. Он же впервые разработал технологические и металлургические основы электродуговой сварки плавлением. В начале 20-х годов прошлого столетия была разработана и начала внедряться в промышленность технология автоматической дуговой сварки под флюсом.

Металлургические основы дешевого и высокопроизводительного метода дуговой сварки в среде углекислого газа были разработаны в начале 50-х годов. В послевоенный период стала применяться контактная сварка, являющаяся наиболее механизированным и поддающимся автоматизации способам сварки.

В этот период были созданы первые порошковые проволоки для сварки и наплавки, в том числе сварка взрывом, диффузионная сварка, электронная, плазменная, лазерная, ультразвуковая, высокочастотная.

При сварке труб все больше находит применение дугоконтактная сварка, где дуга, управляемая магнитным полем, оплавляет стыкуемые торцы труб, которые при достижении сварочного жара сжимаются как при стыковой контактной сварке.

Сейчас с помощью сварки соединяют детали из стали и алюминия, из титана и ниобия, тантала и циркония. Свариваются практически все применяемые в промышленности металлы, сплавы, пластмассы. Сварка применяется в заводских цехах и под водой, в условиях невесомости и в операционных.

3.2 Сварочная дуга

Источником энергии при сварке плавлением могут служить газовое пламя или электрическая дуга.

Температура газового пламени может составлять от 700 до 3500єС. При изготовлении стальных строительных конструкций для сварки и термической резки можно использовать тепло, выделяющееся при сгорании смеси пропан-бутана или ацетилена с кислородом. Максимальная температура такого пламени достигает 3000 - 3500єС, но низкая сосредоточенность выделяемого тепла, отрицательно влияющая на производительность процесса, и высокая площадь нагрева металла в зоне сварки, влияющая на величину внутренних напряжений в конструкциях и на величинуих деформаций, а также необходимость обеспечения поста горючим газом и кислородом, горелками и шлангами, редукторами и предохранителями, невозможность автоматизации или механизации процесса привели к тому, что газовая сварка при изготовлении строительных конструкций не применяется и основным способом сварки металлоконструкций признана дуговая сварка плавящимся электродом.

Источником тепла при дуговой сварке является сварочная дуга, устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров металлов, использованных при сварке и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.

Температура сварочной дуги составляет 4500-6000єС, а наименьшая площадь нагрева свариваемой поверхности в несколько десятков раз меньше площади, нагреваемой газовой горелкой эквивалентной мощности.

В промышленном строительстве в качестве источника тепла для сварки применяется дуга прямого действия.

Дуга может быть переменного и постоянного тока. При постоянном токе она может быть прямой или обратной полярности. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу источника и является катодом, изделие, подключенное к положительному полюсу источника, является анодом.

Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность ее использования для сварки.

К физическим свойствам относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные и световые; к технологическим свойствам - мощность и устойчивость дуги.

3.3 Классификация и сущность способов сварки

Сущность сварки заключается в сближении свариваемых частей настолько, чтобы между ними начали действовать межатомные связи. В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, сварка делится: на термическую (дуговую, электрошлаковую, электроннолучевую, плазменную, индукционную, газовую, термитную и др.), термомеханическую (контактную, диффузионную, газлпрессовую, дугопрессовую и др.) и механическую (холодную, взрывом, ультразвуковую, трением, магнитоимпульсную).

При изготовлении строительных металлоконструкций в основном применяют дуговую сварку плавящимся электродом.

Сварка штучными электродами - наиболее распространенный способ сварки, позволяющий осуществить качественное соединение во всех пространственных положениях, в любых погодных условиях. При этом способе длина дуги, подача электрода со скоростью его расплавления и перемещения дуги осуществляется вручную.

...