Сварные конструкции. Расчет и проектирование

СВЕРХ ПЛАСТИЧНЫЕ СПЛАВЫ

При особых условиях многие сплавы обладают сверхпла­стичностью [1], которая представляет собой аномально вы­сокое удлинение материала. Оно наблюдается преимущест­во при ультрамнкроскопическом размере зерен (1. . . 10 мкм). Сверхпластичность достигается деформированием при температуре окато 0,4 Тпл.

Основные признаки сверхпластнчного течения — суще­ственное увеличение деформативности, удлинение при раз­рыве, достигающее сотен, а в некоторых случаях превы­шающее тысячу процентов, заметное снижение сопротив­ляемости деформированию в пластической зоне и очень резкая зависимость характера текучести от скорости дефор­мации, которую варьируют с относительной деформацией 0,1. . .0,0001 в секунду. Эффект сверхпластнчностн суще­ственно зависит от скорости деформирования металла и резко повышается с ее уменьшением. Например, алюминие­вые сплавы при уменьшении скорости деформирования в 16 раз способны увеличить пластическое деформирование в восемь раз.

Свойства сверхпластнчностн зависят также от темпера­туры, при которой происходит деформирование, от струк­туры сплава, создаваемой направлением прокатки. Упоря­дочение направленности зерен повышает сверхпластичность. Последнее зависит от характера границ зерен (эффекта зернограничного проскальзывания); движения дислокаций; массоперсноса путем диффузии и т. д.

Важным условием получения сверхпластичности явля­ется наличие мелкозернистой структуры. Промышленным путем измельчение структуры достигается металлургиче­скими процессами за счет введения в состав сплава хими­ческих элементов, оказывающих влияние на процесс кри­сталлизации; применением рекристаллизационного отпуска, термоцнклированием, термомеханическими операциями, использованием методов порошковой металлургии и т. д.

Наиболее эффективные результаты в области сверхпла­стичности имеются в области титановых сплавов, например титановый сплав (а+Р) при сверхпластичности достигает удлинения сотни процентов от своих первоначальных раз­меров при 7'=900. . .1000 °С.

Сплав сохраняет высокие механические свойства после остывания в условиях обычных температур:

о, = 1350... 1500 МПа, от= 1200... 1400 МПа,

6„ = 5...8%, ая = 0,26.. .0,29 кДж/м*.

Алюминиевые и магниевые сплавы также позволяют получить эффективные результаты в деформировании за

счет сверхпластичности. Некоторые из этих сплавов при Т—420 °С деформировались на величину е=400%.

Менее эффективно получение сверхпластичного удлине­ния в жаропрочных сплавах или низколегированных ста­лях. Никелевый сплав НП2 при Г=800°С доводится до удлинения 180%. Сталь 15ХСНД при Г—800 °С можно удлинить на 150%.

Все приведенные данные убедительно показывают эф­фективность использования свойств сверхпластичности ма­териалов конструкции, в частности с целью последующей обработки их штамповкой со сложной конфигурацией.

Нет сомнений, что ряд сплавов, подвергнутых сверхпла - стичному деформированию, можно соединять методами свар­ки: диффузионной, холодной, а также пайкой.

§ 2.8. ПЛАСТМАССЫ

В настоящее время в промышленности широко приме­няются пластмассы — полимеры с заполнением.

Термопластичные полимеры (термопласты) — высоко­молекулярные материалы, которые при нагреве до некото­рой температуры переходят в вязкотекучее состояние, а при последующем охлаждении возвращаются в исходное. Эти материалы хорошо соединяется сваркой. К таким материалам относятся: полистирол, полиметилметакрилат, полиэтилен и многие другие. В сварных конструкциях целесообразно применять винипласт и полистирол, которые обладают относительно высокой прочностью, легко обра­батываются и свариваются, хотя и имеют несколько повы­шенную чувствительность к надрезу.

Механические свойства полимеров разнообразны, не­редко достаточно высоки. Полимеры склонны к старению — ухудшению физико-механических свойств с течением вре­мени.

В состав полимеров вводят в качестве наполнителей пластификаторы для повышения пластических свойств, добавки для уменьшения горючести, красители, отвердите- ли и др. Плотность массы полимеров очень мала (I. . . 2 г/см5); коэффициент теплового расширения во много раз больше, чем у сталей, химическая и электроизоляционная стойкости высоки. Механические свойства повышаются при использовании в качестве наполнителя стеклянного во­локна.

При нагреве прочность полимеров понижается. Поливи­нилхлорид, полистирол используют при температуре ниже

50 °С. При температуре ниже 25 °С прочность указанных полимеров повышается, но одновременно растет и хрупкость материала.

Большинство пластмасс не реагируют с водой.

Следует учитывать, что полимеры огнеопасны, особенно полистирол, горючесть которого уменьшают введением специальных добавок.

В качестве заменителей металлов в производстве начали широко применять полимеры: в подшипниках, транспорт­ных конструкциях, при сооружении резервуаров, трубопро­водов, приборов в судовых объектах, в отделочных конст­рукциях и т. д. Из полимеров изготовляют пленки, во­локна.

Термопласты, свойства которых приведены в табл. 2.10, переходят при высоком нагреве в вязкопластичное состоя­ние и хорошо свариваются. Стеклообразные термопласты при растяжении очень сильно вытягиваются, остаточные деформации при разрыве достигают сотен процентов. При

Таблица 2.11

растяжении шейка постепенно распространяется по всей длине образца.

Термореактнвные пластмассы (табл. 2. И) в вязкотеку­чем состоянии при нагреве не обращаются, а хрупко разру­шаются.

В полимеры добавляют наполнители в количестве 40. . . 70% по массе для повышения механических свойств, сни­жения себестоимости и изменения других параметров.

$ 2.9. КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В последние годы получили развитие конструкции из составных композитных материалов, представляющих ком­пактную массу с разнородными составляющими, в част­ности с вкраплнванием в матрицу высокопрочных и туго­плавких составляющих. Разрабатываются методы сварки композитных материалов.

По удельным значениям прочности, жесткости при высо­кой температуре, сопротивлению, усталостному разруше­нию и другим свойствам композитные материалы нередко превосходят конструкционные сплавы. Материалу придают форму запроектированных готовых объектов.

Композиты — это материалы, которые состоят из отдельных нерастворимых компонентов. Элементарным при­мером композитного материала является железобетон. Железобетон — это бетон, обволакивающий стальную арма­туру.

Основой композитных материалов (матрицей) служат сплавы, полимеры, керамические материалы.

Матрица придает форму материалу. В ней расположены наполнители, которые часто называют улрочнителями.

По форме армирования наполнители разделяют на дву­мерные, имеющие два соизмеримых с объектом размера; одномерные, имеющие одни соизмеримый с объектом размер (волокна); нуль-мерные, имеющие малые размеры по всем трем осям координат (дисперсное упрочнение). По схеме армирования наполнители делятся на одноосные, двух - и трехосные.

В нуль-мерных формах наполнителями часто служат частицы тугоплавких оксидов, карбидов, боридов.

Дисперсно-упрочненные материалы получают методами порошковой металлургии. К ним относится спеченный из алюминиевой пудры материал (САП) с частицами, размеры которых не превышают 1 мкм.

С увеличением содержания дисперсных включений по­вышается твердость и прочность материала. Из САШ, САП2 и т. д. готовят полуфабрикаты, листы, профили для работ в изделиях при 7'=30. . .500 °С.

Применяются дисперсно-упрочненные сплавы на нике­левой основе, упрочннтслями которых служат частицы окси­дов тория, гафния и др.

Очень часто упрочннтелями служат волокна нз нитевид­ных кристаллов чистых элементов или тугоплавких соеди­нений. В качестве матрицы используют также полимеры и керамику. Указанные композиты обладают более высокими прочностными свойствами, чем полимеры.

С повышением модуля упругости волокон повышается воспринимаемая ими нагрузка. В табл. 2.12 приведены механические свойства одноосно-армированных материа­лов.

Связь между компонентами в композитах на металличе­ской основе обеспечивается адгезией.

Физические и механические свойства волокон, вводимых в матрицу, приведены в табл. 2.13.

Тончайшие волокна обладают колоссальными ов и <гт. Свойства волокон зависят от исходного сырья и обработки. Крайне полезно включать их упрочннтелями в матрицы полимеров.

Адгезия между матрицей и упрочннтелем удовлетвори­тельная. Созданы порошковые материалы, нз которых легко выполняются изделия любой формы. Порошковые материа­лы получают спеканием, прессованием. Многие порошковые материалы имеют хорошие механические свойства и могут свариваться.

В деталях, работающих при высоких температурах, например в двигателях внутреннего сгорания, применяют керамику.

В несколько раз повышают прочность алюминиевой матрицы борные и углеродистые волокна при наполнении до 50%.

Керамика из окислов А1403, MgO и Zr02 отличается очень высокой прочностью при сжатии: при комнатных тем­пературах — до 3000 МПа, при 7= 110 °С — 900 МПа.

Керамика из А1аО, успешно используется при изготов­лении резцов, фильтров, для протяжки проволок в деталях машиностроения. Также применяют фосфор кварцево-поле­вошпатовый и другие материалы с о„=90. . .110 МПа.

Изготовляют ситаллы методом спекания порошков с по­следующим формообразованием направленной кристалли­зации и последующей механической обработкой. Наиболее перспективны износо - и химико-устойчивые ситаллы.

Керамика и ситаллы соединяются клеями преимущест­венно на эпоксидной основе, хорошо паяются, обеспечи­вают прочные соединения в результате диффузионной сварки.