Материалы для металлических конструкций и деталей машин
Для изготовления металлических конструкций машиностроения обычно применяются прокатные углеродные и низколегированные стали различных марок. В некоторых случаях металлические конструкции изготовляются из алюминиевых сплавов.
Химический состав стали
Сталью называется сплав железа(Fe) углеродом(С),содержание которого в стали обычно не превышает 1.2%. Кроме углерода сталь содержит в виде естественных примесей или специальных добавок кремний(Si),марганец(Mn), медь(Cu) и другие элементы ,а также фосфор(Р) и серу(S),остающиеся после переплавки чугуна в сталь.
С изменением содержания углерода и легирующих добавок изменяются и механические свойства стали.
C увеличением содержания углерода повышается прочность стали (временное сопротивление и предел текучести, но уменьшается е пластичность (относительное удлинение и относительное поперечное сужение) и ухудшается свариваемость. Поэтому верхний предел содержания углерода в стали, применяемой для сварных конструкций, ограничивается 0,20 - 0.22%.
Марганец повышает прочность стали без заметного уменьшения ее пластичности и уменьшает вредное влияние серы. В низколегированных сталях марганец применяется как заменитель никеля.
Кремний повышает твердость и прочность стали , но снижает ее пластичность и стойкость против коррозии , а также ухудшает свариваемость, особенно при высоком содержании углерода, поэтому верхний предел содержания кремния в углеродистой стали, из которой изготавливаются сварные металлически конструкции, ограничивается 0,22 - 0,25%.
Хром и никель повышает прочность и твердость стали, уменьшая при этом ее чувствительность к естественному старению. Наличие хрома в стали незначительно уменьшает ее пластичность, а присутствие никеля значительно повышает ударную вязкость.
Медь является полезной, но более дорогой добавкой, увеличивающей прочность (хотя и в более слабой степени, чем марганец и кремний) и стойкость стали против атмосферной коррозии, а также улучшающей ее свариваемость.
Фосфор делает сталь хладноломкой, т.е. хрупкой при пониженной температуре, хотя несколько и увеличивает ее прочность и стойкость против коррозии. В сталях с повышенным содержанием фосфора легко образуется трещины при низких температурах и при холодной обработке.
Сера делает сталь красноломкой (трещиноватой при температуре 800 - 1000 градусов), а потому не пригодной для горячей обработки.
Кроме серы и фосфора к вредным примесям относятся также азот и кислород, действие которых на сталь соответственно такое же, как действие фосфора и серы. Поэтому при сварке расплавленную сталь необходимо защищать от воздействия атмосферы.
По способу производства различаются стали мартеновские и конвертные (бессемеровские и томасовские).Мартеновская сталь значительно лучше и чище конвертерной, которая по условиям производства (продувание) получается засоренной азотом и кислородом ,а также пузырями воздуха. В конвертерной стали обычно больше фосфора и серы, углерода же значительно меньше, чем в мартеновской, так как он выгорает во время дутья. Несмотря на это, прочность конвертерной стали не ниже соответствующих марок мартеновской; это получается за счет присадок, а также повышенного содержания фосфора.
Из стали выплавляемой конвертным способом, не допускается изготовление основных (расчетных) элементов конструкций, так как она обладает повышенной хладноломкостью и склонностью к старению.
Стали могут быть кипящей и спокойной плавки. Кипящая сталь сразу после кипения переливается из ковша в изложницы, вследствие чего она оказывается более засоренной газами и имеет однородную структуру, чем спокойная сталь, которая выдерживается в ковше и раскисляется ферросилицием или алюминием, поддерживающими высокую температуру, благодаря чему газы могут выделятся в большом объеме; раскислители, соединяясь с растворенным кислородом, уменьшают вредное влияние последнего.
Кипящая сталь имеет большую склонность к старению и к переходу в хрупкое состояние при низких температурах, чем спокойная сталь. Это особенно существенно для сварных конструкций, как имеющих высокие местные напряжения.
Ответственные конструкции, особенно работающие при низких температурах, а также подвергающиеся действию переменных динамических нагрузок, следует изготовлять из спокойной мартеновской стали. Последняя дороже кипящей стали соответствующих марок примерно на 25%.