19.1. Общие свойства и классификация сталей

В современных машиностроительных кої іструкцшіх, изготовля емых в помощью сварки, используются разнообразные материалы, отличающиеся по своим механическим и физическим свойствам, технологическим характеристикам. Выбор материала определяете і соответствием его свойств требованиям, обусловленным назначе­нием и условиями работы конструкции. Общепринятыми характе­ристиками материала являются предел прочности ав, предел текучести стт относительное удлинение б, относительное поперечное сужение vp, ударная вязкость а. Однако непосредственное исполь­зование их для оценки поведения материала в конструкции и большинстве случаев является недостаточным. Например, приве-* денные характеристики не позволяют судить о поведении материала при вибрационных нагрузках, тем более ничего нельзя сказать и сопротивлении металла статическим нагрузкам при низких или при высоких температурах. Поэтому необходимы дополнительные дан ные о сопротивлении металла усталости, ударным воздействиям, хрупким разрушениям, особенно при низких температурах, о чуві ствительности к надрезу и концентраторам напряжений и др.

С целью снижения металлоемкости и уменьшения массы кон­струкций необходимо учитывать не только абсолютные показатели прочностных свойств, но и отношение их к плотности металла так называемые удельные прочностные показатели материала. Ис­ходя из этого конструкции из стати с ср = 1570 МПа могу: выдерживать меньшую нагрузку, чем аналогичные и одинаковые по массе, но выполненные из титанового сплава со„= 1000 МПа или алюминиевого сплава с ств = 600 МПа.

Важная характеристика свойств конструкционных материа лов — отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении. Для различных материалов, используемых в сварных конструкциях, это отношение находится в пределах 0,5—0,9. Дли большинства сталей это отношение 0,75—0,8, для аустенитно-мар­тенситной стали при комнатной температуре —0,9, при 5001,С —0,8.

В зависимости от температуры материал может находиться в нязком или хрупком состоянии, что резко влияет на его поведение под нагрузкой. В вязком состоянии его разрушение происходит после значительных пластических деформаций. В хрупком состоя­нии способность пластически деформироваться сильно снижена. Во время эксплуатации такого материала может произойти мгно­венное разрушение при случайных перегрузках из-за малой его энергоемкости. Хрупкость нс является постоянным свойством ма­териала, и переход из пластического состояния в хрупкое зависит от многих факторов — химического состава и структуры, темпера­туры, скорости нагружения, вида напряженного состояния.

Оценкой хрупкости материала служит ударная вязкость. Этот показатель является одной из существенных характеристик сопро­тивляемости металла разрушению.

Во многих случаях главным при выборе металлов является их способность работать при повышенной температуре в агрессивных средах. Также необходимо учитывать их поведение при сварке. В сварных конструкциях основной металл в процессе сварки подвер­гается термическим, механическим и химическим воздействиям. Эго приводит к изменениям его химического состава, структуры, механических свойств, напряженного состояния. Поэтому при вы­боре металла для сварных конструкций необходимо считаться не только с его исходными свойствами, но и с теми, которые он приобретает под воздействием сварочного процесса. Это характе­ризуется свариваемостью материала. Таким образом, технологиче­ская свариваемость является важнейшей комплексной характеристикой материала.

Для сварных изделий в машиностроении в качестве конструк­ционных материалов щироко используют конструкционные стали, легкие сплавы на основе алюминия и магния, титановые сплавы, медь и ее сплавы и др.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2% С. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Содержание углерода в конструкционных углеро­дистых сталях составляет 0,06—0,9%. Углерод является основным легирующим элементом сталей этой группы и определяет механи­ческие свойства и их свариваемость. В зависимости от содержания углерода конструкционные углеродистые стали могуч быть низко­углеродистые (С < 0,25%), среднеуглеродистые (С = 0,26 ч - 0,45%), ньтсокоуглеродистые (С — 0,46 - 0,76%). По качественному признаку различают углеродистые стали обыкновенного качества и качест­венные. Качественные стали имеют пониженное содержание вред­ных примесей (серы, фосфора). Примером низкоуглеродистой стали обыкновенного качества, широко используемой в сварных конст­рукциях, является сталь ВСтЗ, содержащая 0,14—0,22%С, 0,40— 0,65% Мп, 0,12—0,30 % Si, с пределом прочности ст„ = 380 э - 490

МПа и относительным удлинением 6 = 23-^ 26%. В качестве примера углеродистой качественной стали можно назвать сталь 20, содержа­щую 0,17—0,24%С, 0,35—0,65% Мл, 0,17—0,37% Si, с пределом прочности сгв = 420 МПа и относительным удлинением 5 = 26%.

Легированными называют стали, содержащие специаль­но введенные элементы для придания стали определенных свойств и структуры. В зависимости от содержания легирующих элементов легированные конструкционные стали разделяют на следующие группы:

низколегированные, в которых содержание одного легирующего элемента не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих элементов менее 2,5—4%;

среднелегированные, в которых содержание одного легиру­ющего элемента составляет 2—-5% при суммарном содержании 2,5—10%;

высоколегированные, в которых содержание легирующих эле­ментов составляет более 10%.

По назначению различают легированные стали: конструкцион­ные повышенной прочности, жаропрочные, жаростойкие, корро­зионно-стойкие. В зависимости от вводимых в сталь легирующих элементов различают стали марганцовистые, кремний-марганцови­стые, хромистые, хромоникелевые и т. п. По содержанию углерода легированные стали, как и углеродистое, могут быть низко-, средне - и высокоуглсродистыми. В зависимости от структуры различают стали перлитного, ферритного, аустенитного, мартенситного и про­межуточных классов. Класс стали определяют структурой в ней, образующейся после операции термической обработки —нагрева до температуры точки Ас, и последующего охлаждения на воздухе.