Область применения металлов определяется их свойствами. Например, изделия, предназначенные для хранения и транспортирования химически активных продуктов, должны изготавливаться из стойких к коррозии металлов; работающие под действием переменных нагрузок — из. пластичных металлов; ковши экскаваторов, траки гусеничных машин выпускаются из износостойкого металла и т. д.
Свойства металлов подразделяются на механические, технологические, физические и химические. В практике сварочного производства большое значение имеют механические и технологические свойства.
Механические свойства. К основным механическим свойствам относятся ударная вязкость, пластичность, прочность и твердость металла.
Под ударной вязкостью понимают способность металла противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ударная вязкость металла определяется при испытании образцов на ударный изгиб при помощи маятникового копра. Это один из основных показателей наплавленного металла и сварного соединения: чем он выше, тем работоспособнее металл сварного шва.
Пластичность — это способность металла, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки, а затем сохранять ее после снятия нагрузки. Пластичность характеризуется относительным удлинением при спокойных (статических) нагрузках.
Для определения пластичности металла сварного шва образец испытывают на загиб: чем больше угол загиба, тем выше, пластичность металла.
Прочность — это способность металла не разрушаться под действием внешних сил. Прочность металла устанавливается испытанием образца на разрывной машине.
В процессе испытания разрывное усилие нарастает постепенно, вызывая некоторое удлинение образца. До определенного момента это удлинение будет пропорционально приложенному усилию. Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение (отношение приложенного усилия к поперечному сечению образца), при котором образец деформируется по закону пропорциональности. Предел пропорциональности почти всегда совпадает с пределом упругости, так как при напряжениях, не достигших предела пропорциональности, деформация, как правило, исчезает после снятия нагрузки.
|
|
При дальнейшем испытании образца наступает такой момент, при котором нагрузка не увеличивается, а образец продолжает удлиняться.
Отношение этой нагрузки к поперечному сечению образца называется пределом текучести. Затем нагрузку снова увеличивают и при определенном (максимальном для данного образца) ее значении образец разрывается. Напряжение, при котором наступает разрыв образца, называется пределом прочности или временным сопротивлением материала.
Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других, более твердых тел Твердость проверяется вдавливанием стального шарика или алмазного конуса в испытываемый материал. Существуют и другие способы определения твердости.
Технологические свойства. К этим свойствам относятся физическая и технологическая свариваемость, ковкость, жидкотекучесть, обрабатываемость резанием.
Под свариваемостью понимается свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне плавления свариваемых материалов.
|
|
Технологическая свариваемость характеризует поведение металла при данном методе и режиме сварки и может быть проверена прямым или косвенным способами.
При первом способе сваривают определенные образцы, а при втором — сварку заменяют другими процессами, имитирующими влияние сварки на металл (например, термическая обработка). Широкое распространение для оценки свариваемости получила валико-вая проба МВТУ имени Баумана. Валик направляют на составные пластины из испытываемой стали на 4— 6 погонных энергиях. Затем изготавливают образцы и определяют ударную вязкость, величину зерна, критическую температуру хрупкости, твердость околошовной зоны и структуру.
По свариваемости стали делятся на хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся.
К хорошо сваривающимся относятся стали, которые свариваются без предварительного, сопутствующего подогревов и последующей термической обработки (Ст1кп, Ст1пс, БСт2сп, БСтЗпс, 15Г, 20Г, 20К, 20Х, 20ХГСА, 2ХН2, 10ХСНД, 0Х18Н10, Х18Н9Т, Х23Н18 и др.)- При Сэ<45% сталь считается хорошо сваривающейся.
В группе удовлетворительно сваривающихся сталей (БСтбсп, 15ХСНД, 12Х2Н4А, 9Х14А, 12Х14А) необходимость термообработки до и после сварки зависит от марки стали.
Ограниченно сваривающиеся стали (Стбпс, БСтбпс, 35ХМ, ЗОХГС, 5ХНМ, Х18Н9, 2Х18Н9) также подвергаются термообработке, режим которой выбирается в соответствии со свойствами стали.
Плохо сваривающиеся стали (50ХГ, 50ХН, 50ХГА, 40Г, Х12М, ЗХ2В8Ф, 5ХВ2С, 5ХНВ и др.) независимо от толщины свариваемых изделий и вида сварного соединения предварительно подогревают до температуры не ниже 200°С, а после сварки подвергают термообработке, режим которой зависит от марки стали.
|
|
Ковкость характеризует способность металла в холодном или горячем состоянии принимать необходимую форму под действием внешних сил.
Обрабатываемость резанием — это свойство металла поддаваться механической обработке режущим инструментом.
Жидкотекучесть — способность металла заполнять литейные формы.
К физическим свойствам металлов относятся цвет, удельная масса, тепловая и электрическая проводимость, магнитные качества. Химические свойства металлов — это стойкость против коррозии, жаропрочность.
Свойства металлов можно разделить на четыре основные группы: физические, химические, механические и технологические. К физическим свойствам относят цвет, плотность, плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность намагничиваться.
Химические свойства характеризуются такими явлениями, которые вызывают изменение вещества. В окружающей нас среде непрерывно происходят изменения такого характера. Например, сгорание топлива и превращение его в золу и газы, гниение дерева. К химическим свойствам металлов относят коррозионную стойкость, жаропрочность, окалиностойкость, жароупорность.
В практике сварочного производства большое значение имеют механические и технологические свойства. К основным механическим свойствам относят прочность, упругость, пластичность, твердость и ударную вязкость.
Прочность — это способность металлов сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Для испытания прочности применяют специальные разрывные машины различной мощности. При испытании образца наступает такой момент, при котором без увеличения нагрузки образец продолжает удлиняться. Отношение этой нагрузки к лоперечному сечению образца называ-азота в титановых сплавах 0,04—0,05 %. Вредное влияние водорода в титане проявляется даже при небольшом его содержании. Он оказывает сильное охрупчи-вающее действие на титан, усиливая при этом охрупчи-вающее действие кислорода и азота. Растворимость водорода в титане чрезвычайно велика и/превосходит растворимость его в стали в десятки тысяч раз. Водород является также одним из основных йсточников образования пор при сварке титана и его сплавов. Повышение содержания углерода в титане вызывает понижение пластичности. Вследствие малой растворимости углерода содержание его в титане даже нескольких десятых процента приводит к выделению карбидов, заметному повышению прочности и понижению пластичности. Учитывая указанные особенности титана, для получения при сварке плавлением качественных соединений необходимо полностью защищать сварные соединения от взаимодействия с воздухом и вредными примесями сварочной ванны, а также основной металл и металл шва, нагретый выше 600 °С.
Алюминий применяется в строительстве и промышленности благодаря небольшой плотности (2,7 г/см3), примерно в 3 раза меньшей, чем у стали, повышенной хладостойкости, коррозионной стойкости в окислительных средах и на воздухе. Алюминий и его сплавы имеют низкую температуру плавления (660°С для чистого алюминия), высокую электро- и теплопроводность, повышенный по сравнению со сталью коэффициент линейного расширения. Алюминий и его сплавы существуют двух видов: деформируемые (прессованные, катаные, кованые) и литейные (недеформируемые). Специфические свойства при сварке алюминия вызывают определенные трудности. Легкая окисляемость алюминия приводит к образованию на его поверхности плотной тугоплавкой окисной пленки, которая препятствует сплавлению частиц металла и загрязняет шов. Высокая температура плавления окисной пленки и низкая температура плавления алюминия, не изменяющего своего цвета при нагревании, крайне затрудняет управление процессом сварки. Большая жидкотекучесть и малая прочность при температуре свыше 550 °С вызывает необходимость применения подкладок. Значительная растворимость водорода в расплавленном алюминии и резкое ее изменение при переходе из жидкого состояния в твердбе в момент кристаллизации при большой скорости охлаждения приводит к образованию пор. Высокий коэффициент линейного теплового расширения алюминия приводит к значительным остаточным деформациям.
Медь широко применяется в качестве конструкционного материала для изготовления различного рода сосудов, трубопроводов, химической аппаратуры, электрораспределительных устройств и другой аппаратуры. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью, химической стойкостью и сохраняет свои механические свойства в условиях низких температур, когда почти все стали становятся хрупкими. Медь имеет температуру плавления 1083 °С (1356 К), временное сопротивление в отожженном состоянии 200 МП а и плотность 8,9 г/см3. Большое распространение в народном хозяйстве нашли сплавы меди — латунь и бронза. Латунь — это сплав меди с цинком. Ее применению способствует меньшая стоимость и плотность цинка по сравнению с медью. Температура плавления (800—900 °С) зависит от состава — чем больше цинка, тем ниже точка плавления. Бронза представляет собой сплав меди с оловом, алюминием, бериллием и свинцом. Температура плавления 720—1000 °С. Чем больше в бронзе олова, тем ниже температура ее плавления.
Ряд особенностей меди и ее сплавов создают существенные затруднения при сварке. Легкая окисляемость меди в расплавленном состоянии снижает стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. В меди, предназначенной для изготовления сварных конструкций, содержание кислорода не должно превышать 0,03%, а для ответственных изделий — 0,01 %. Высокая теплопроводность меди (почти в 6 раз больше, чем у стали) требует использования концентрированных источников нагрева, а в ряде случаев предварительного и сопутствующего подогрева. Большая растворимость водорода в расплавленной меди и ее падение при кристаллизации вызывают образование пор. Часть растворенного в расплавленном металле водорода, взаимодействуя с окислом меди, образуют водяной пар и углекислый газ, которые при охлаждении металла не успевают выделиться, в результате чего появляются поры. При затвердевании меди пары воды У еличиваются в объеме, образуя в ней трещины. Повышенная жидкотекучесть металла затрудняет сварку меди в вертикальном и потолочном положениях. Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) требует принятия дополнительных мер для предотвращения значительных остаточных деформаций конструкции. Основными факторами, затрудняющими сварку латуни, являются испарение и угар цинка. Выделение цинка ведет к пористости металла шва и насыщению воздуха, окружающего сварщика, парами цинка, вредными для здоровья. При сварке бронзы основной трудностью является окисление олова, алюминия, кремния и водорода в процессе сварки с образованием соединений, осложняющих сварку и придающих металлу сварного шва хрупкость.