Задание выполнить в электроном виде и скинуть на электронную почту:

Задание выполнить в электроном виде и скинуть на электронную почту:[email protected]
или в контакте
Задания будут проверяться с выходом на занятия
Практическая работа № 6
Тема урока: Подбор марки стали и чугуна для различных деталей и конструкций
Цель: Закрепить подбор марки стали для деталей и конструкций
Порядок выполнение работы:
1. Ознакомиться с порядком выполнения лабораторной работы, кратким теоретическим сведениям по
данной теме. Подготовить в рабочей тетради протокол испытаний.
2. Записать в протоколе испытаний расчет строительных конструкций
3. Записать в протоколе испытаний элементы сварной конструкции
4. Записать в протоколе испытаний предел текучести стали
5. Записать в протоколе испытаний виды металла используемые для сварных конструкций
6. Записать в протоколе испытаний характеристика чугуна
7. Записать в протоколе испытаний виды чугунов и их характеристика
8. Записать в протоколе испытаний свойства чугуна и влияние примесей
9. Написать вывод
Методические указания
Расчет строительных конструкций завязан на выборе марки стали. Многие просто в расчетах
принимают марку стали С245 как самую низкую и не парятся по этому поводу — в случае если
необходимой марки нет, заменяют на более прочную, а сечение оставляют тоже, что это ведет к
перерасходу металла и завышению стоимости строительства.
Также многие ошибочно полагают, что из-за того что самая низкая марка дешевле, то и конструкция
будет дешевле. На самом деле увеличение прочности стали ведет к снижению общей массы
конструкции и итоговая стоимость всего проката может оказаться ниже. Кроме этого снижается
нагрузка на фундамент и сейсмические нагрузки. Однако использование высокопрочных сталей не
оправданно для элементов, сечение которых подбирается из условия устойчивости.
Кроме того при подборе марки стали будет не лишним обзвонить поставщиков на наличии и
возможность поставки профиля из необходимой марки стали т.к. при замене марки стали на менее
прочную придется менять профиль и узлы, что займет некоторое время, а при замене на более прочную
будет перерасход стали. Одни из самых распространенных марок стали для прокатного профиля на
рынке — 09Г2С и Ст3сп/пс5.
В первую очередь для выбора марки стали нам необходимо определить к какой группе относятся
будущий элемент здания. Описание групп написано в приложении В СП 16.13330.2011. Всего их 4:
1) Сварные конструкции либо их элементы, работающие в особо тяжелых условиях (согласно ГОСТ
25546), в том числе максимально стесняющие развитие пластических деформаций или подверженных
непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок. В этот список
входят подкрановые балки, балки рабочих площадок, балки путей подвижного транспорта, элементы
конструкций бункерных и разгрузочных эстакад, непосредственно воспринимающие нагрузки от
подвижных составов, главные балки и ригели при динамической нагрузке, пролетные строения
транспортерных галерей, фасонки ферм, стенки, окрайки днищ, кольца жесткости, плавающие крыши,
покрытия резервуаров и газгольдеров, бункерные балки, оболочки параболических бункеров, стальные
оболочки свободно стоящих дымовых труб, сварные специальные опоры больших переходов линий
электропередачи (ВЛ) высотой более 60 м, элементы оттяжек мачт и оттяжечных узлов.
2) Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке при наличии
растягивающих напряжений. В этот список входят фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий,
косоуры лестниц, оболочки силосов, опоры ВЛ, за исключением сварных опор больших переходов,
опоры ошиновки открытых распределительных устройств подстанций (ОРУ) опоры транспортных
галерей, прожекторные мачты, элементы комбинированных опор антенных сооружений (АС) и другие
растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы, а также конструкции и их элементы 1-ой
группы при отсутствии сварных соединений и балки подвесных путей из двутавров по ГОСТ 19425 и
ТУ 14-2-427 при наличии сварных монтажных соединений.
3) Сварные конструкции или их элементы, работающие при статической нагрузке, преимущественно
на сжатие. В этот список входят колонны, стойки, опорные плиты, элементы настила перекрытий,
конструкции, поддерживающие технологическое оборудование, вертикальные связи по колоннам с
напряжениями в рассчетных сечениях связей свыше 0,4Ry, анкерные, несущие и фиксирующие
конструкции (опоры, ригели жестких поперечин, фиксаторы) контактной сети транспорта, опоры под
оборудование ОРУ, кроме опор под выключатели, элементы стволов и башен АС, колонны
бетоновозных эстакад, прогоны покрытий и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы, а также
конструкции и их элементы 2-ой группы при отсутствии сварных соединений.
4) Вспомогательные конструкции зданий и сооружений. В этот список входят связи, кроме
указанных в группе 3, элементы фахверка, лестницы, трапы, площадки, ограждения,
металлоконструкции кабельных каналов, вспомогательные элементы сооружений и т.п., а также
конструкции и их элементы 3-ей группы при отсутствии сварных соединений.
Далее нам необходимо определить климатический район строительства, а точнее нам необходимо
узнать расчетную температуру наружного воздуха. Ее можно найти в СП 131.13330.2012
(Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*).
За расчетную температуру для определения стали по СП 16.13330.2011 принимается температура
наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,98.
За расчетную температуру для определения стали по СНиП II-23-81 принимается температура
наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92.
Почему температура влияет на выбор марки стали? Потому что с уменьшением температуры
увеличивается хрупкость стали.
Марка стали по ГОСТ 27772 характеризует предел текучести металла (С235 означает что сталь имеет
предел текучести 235 Н/мм²), маркировка согласно ГОСТ 353,ГОСТ 14637 и ГОСТ 19281 обозначает
химический состав, прочностные характеристики данной марки можно посмотреть в этих ГОСТ-ах.
а) фасонный прокат толщиной до 11 мм, а при согласовании с изготовителем — до 20 мм; листовой —
всех толщин;
б) требование по ограничению углеродного эквивалента по ГОСТ 27772-88 для толщин свыше 20 мм;
в) требование по ограничению углеродного эквивалента по ГОСТ 27772-88 для всех толщин;
г) для района II4, для неотапливаемых зданий и конструкций, эксплуатируемых при
температуре наружного воздуха, применять прокат толщиной не более 10 мм;
д) при толщине проката не более 11 мм допускается применять сталь категории 3;
е) кроме опор ВЛ, ОРУ и КС;
ж) прокат толщиной до 10 мм и с учетом требований разд. 10;
и) кроме района II4 для неотапливаемых зданий и конструкций, эксплуатируемых при
температуре наружного воздуха.
Чугун отличается от стали по составу - более высоким содержанием углерода, по технологическим
свойствам - улучшенными литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в
обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
- белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;
- серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном
состоянии в форме пластинчатого графита;
- высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в
свободном состоянии в форме шаровидного графита;
- ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь
углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита
(углерода отжига).
Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых
включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.
Белый чугун. Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет.
Структура белого чугуна (при нормальной температуре) состоит из цементита и перлита.
Следовательно, в белом чугуне весь углерод находится в форме цементита, степень графитизации равна
нулю. Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддается обработки
режущим инструментом.
Серый чугун. Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре
серого чугуна имеется графит, количество, формы и размеры которого изменяются в широких пределах.
Таким образом, в сером чугуне имеется графит, а в белом его нет.
В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.
По строению металлической основы чугун разделяют на:
- серый перлитный чугун - структура его состоит из перлита с включениями графита;
- серий феррито-перлитный чугун - структура этого чугуна состоит из феррита плюс перлит и
включения графита.
- серый ферритный чугун - металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в
сплаве, присутствует в форме графита.
По структуре чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются графитные включения,
предопределяющие специфические свойства чугунов.
Графит в чугунах может быть в трех основных формах:
- Пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде прожилок, лепестков.
- Шаровидный графит. В современных высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой
небольшого количества магния или церия, графит приобретает форму шара.
- Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость
цементита с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти
равноосную, но не округлую форму.
Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют серым чугуном, чугун с шаровидным
графитом - высокопрочным чугуном и чугун с хлопьевидным графитом - ковким чугуном.
Свойства чугунов. Влияние примесей
Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут
зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.
Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и по этому
графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда
следует, что чугун можно рассматривать как сталь испещренную большим количеством пустот и
трещин.
Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом
объеме пустот (т.е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения.
Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его металлические свойства, чем грубее
включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна.
Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют
замкнутый скелет.
При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных
включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию
трещины и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где
превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).
Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как, например, при сжатии,
свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали
того же состава и структуры, что и металлическая основа чугуна.
Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения
металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.
Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а так же изгибу, кручению, в основном
обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений. Сказанное относится
главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита.
Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие
включения не являются трещинами, и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую
прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с
шаровидным графитом - высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает
промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.
Графит
Пластинчатый Хлопьевидный Шаровидный
Относительное удлинение, д, %
0,2 - 0,5
5 - 10
10 - 15
Твердость НВ, определяемая структурой металлической основы, имеет следующие значения
Чугун
Ферритный Феррито-перлитный Перлитный
Твердость НВ
150
200
250
Твердость мало зависит от формы графита.
Благодаря наличию графита чугун имеет ряд преимуществ перед сталью:
- облегчает обрабатываемость резанием;
- обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря смазывающему действию графита;
- наличие графитных выделений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;
- нечувствителен к дефектам поверхности, надрезам.
Следует также указать лучшие литейные свойства по сравнению со сталью. Более низкая
температура плавления и окончания кристаллизации при постоянной температуре обеспечивает не
только удобство в работе, но и лучшие жидкотекучесть и заполняемость формы.
Описанные преимущества чугуна делают его ценным конструкционным материалом, широко
применяемым в деталях машин, главным образом тогда, когда они не испытывают значительных
растягивающих и ударных нагрузок.
Обычный промышленный чугун - не двойной железоуглеродистый сплав - он содержит те же
примеси, что и углеродистая сталь, т.е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве,
чем сталь. Эти примеси существенно влияют на структуру и свойства чугуна.
Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна. Содержание кремния в чугунах колеблется в
широких пределах: от 0,3 - 0,5 до 3 - 5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны,
совершенно различные по свойствам и структуре - от малокремнистого белого до высококремнистого
ферритного.
Марганец в отличие от кремния способствует отбеливанию чугуна.
Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает литейные свойства
(снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется. Фосфор - полезная
примесь в чугуне, т.к. он улучшает жидкотекучесть и износоустойчивость чугуна.