книги из ГПНТБ / Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений

4. Изменение хладоетойкости соединений

под влиянием обработок, повышающих выносливость

Для конструкций, работающих при низких температутурах, выбор метода повышения выносливости сварных соедине­ ний, помимо прочего, должен определяться тем, какое влияние он оказывает на сопротивление сварных соединений хрупким разру­ шениям. Известно, что условия возникновения и развития хруп­ кой трещины определяются напряженным состоянием и вязкостью материала. Оба параметра могут существенно изменяться под влия­ нием той или иной обработки металла. В этой связи метод, избирае­ мый для повышения выносливости соединений, не должен сни­ жать хладостойкость конструкций в интервале температур, харак­ терных для ее изготовления, монтажа или эксплуатации.

Механическая обработка, понижающая концентрацию напряже­ ний, уменьшающая степень объемности напряженного состояния и вместе с тем не вызывающая изменений в свойствах металла, есте­ ственно, не может отрицательно сказаться на сопротивлении конст­ рукции хрупким разрушениям. К способам обработки, практически не изменяющим хладостойкость соединений, можно отнести также устройство деконцентраторов, увеличение длины швов и покрытие соединений пластмассами.

Высокий отпуск, снижающий остаточные напряжения и, глав­ ное, восстанавливающий пластические свойства стали в зонах концентрации пластических и термопластических (сварочных) деформаций [28, 57, 2461, существенно повышает сопротивление сварных соединений возникновению и распространению хрупких трещин.

Сложнее сделать вывод о возможном воздействии на сопротив­ ление соединений хрупким разрушениям тех видов обработки, ко­ торые связаны с перераспределением растягивающих и созданием сжимающих остаточных напряжений. Это местный нагрев, пред­ варительная перегрузка конструкции, поверхностный наклеп, пла­ стическое обжатие и микровзрывная обработка. Такое повыше­ ние выносливости оказывает влияние как на характер напряжен­ ного состояния, так и на вязкость металла, причем если в первом случае это влияние может быть положительным, то во втором оно носит сложный и недостаточно ясный характер. Ниже приводятся результаты исследований [172, 251, 252 и др.], посвященные изуче­ нию влияния упомянутых обработок на хладостойкость основного металла и сварных соединений.

Наибольшее охрупчивание металла происходит в результате динамического старения, т. е. старения, протекающего в процессе деформирования металла при температурах 100—550° С. Подобное явление наблюдается и при локальном нагреве металла вследствие развития термопластических деформаций, величина которых су­ щественно возрастает, если в зоне текучести находится геометри-

160

ческий концентратор напряжений. В этих условиях инициирование хрупкой трещины может происходить при сравнительно небольших нагрузках как при наличии растягивающих остаточных напряжений, так и при их отсутствии [57, 59, 2451.

Поскольку с точки зрения повышения выносливости использова­ ние локального нагрева дает наилучшие результаты, когда зона термопластических деформаций располагается в непосредственной близости от концентратора напряжений, даже небольшое смещение точки нагрева от оптимального ее расположения может привести к

-60 -60 -АО -20 0 20 t'C

20 мм. Образцы представляли собой пластины с острым концентра­ тором напряжений, вершина которого подвергалась локальному нагреву до 600—650° С (рис. 100). При испытании регистрировалась величина номинальных разрушающих напряжений, которая сопоставлялась с пределом текучести материала. Параллельно для сравнения испытывались аналогичные образцы без нагрева.

Как видцо из рис. 101, нагрев повышал нижнюю критическую температуру хрупкости более чем на 40° С и несколько снижал уровень разрушающих напряжений в диапазоне между нижней и верхней критическими температурами. Отсюда можно сделать

вывод, что локальный нагрев может заметно уменьшить сопротивле­ ние металла начальной стадии хрупкого разрушения.

На практике точечному нагреву подвергаются менее острые кон­ центраторы, чем те, которые были использованы в описанном экс­ перименте. Тем не менее и при других концентраторах степень охрупчивания может быть заметной, особенно при недостаточном надзоре за выполнением местного нагрева.

Предварительная перегрузка может оказывать как положитель­ ное, так и отрицательное действие на хладостойкость сварных кон­ струкций в зависимости от уровня перенапряжения и некоторых других условий. По данным исследований Николса [251, 2521, по­ ложительный эффект предварительного нагружения в основном свя­ зан со снятием растягивающих и созданием сжимающих остаточных напряжений в зонах концентраторов напряжений. Автор полага­ ет, что в том случае, когда направление и распределение предва­ рительной нагрузки соответствует таковым при последующем нагружении, возможность хрупкого разрушения в условиях низких номинальных напряжений исключается. В этой связи предвари­ тельное перенапряжение рекомендуется для повышения надеж­ ности сварных конструкций, работающих при пониженных темпе­ ратурах.

Высказанное предположение не вызывает возражений, посколь­ ку растягивающие остаточные напряжения повышают нижнюю кри­ тическую температуру и уменьшают разрушающие напряжения в закритической области [32], а сжимающие остаточные напряжения должны вызывать противоположный эффект. Кроме того, небольшая пластическая деформация может несколько улучшить пластич­ ность металла в зонах динамического старения, обусловленного концентрацией термопластических деформации 1321.

Вместе с тем необходимо отметить, что предварительное иагружение, вызывающее общую текучесть ослабленного сечения, может существенно понизить сопротивление сварных, соединений началь­ ной стадии хрупкого разрушения [2671. Об этом же свидетельству­ ют результаты исследований (рис. 102) [1721. Исследованию подвер­ гались образцы из малоуглеродистой стали ВСт. 3 толщиной 12 мм. Образцы с надрезом в металле шва, выполненного электродами ОММ-5, подвергались предварительной перегрузке различной ве­ личины. Номинальные нетто-напряжения предварительного нагру­ жения составляли 18 и 29 кГ/мм2; в последнем случае общее оста­ точное удлинение образца достигало 0,4%.

Умеренное предварительное нагружение практически не по­ влияло на поведение образцов при температурах до —60°С. В отли­ чие от этого предварительное нагружение, вызывающее общую текучесть ослабленного сечения, значительно повысило нижнюю кри­ тическую температуру и привело к уменьшению уровня разрушаю­ щих напряжений между верхней и нижней критическими темпера­ турами. В результате уже при —10° С разрушающие напряжения не превышали уровня предела текучести, несмотря на то что в дан-

162

преимущественно на сопротивляемость сварных соединений возник­ новению хрупких трещин, то местное пластическое обжатие и им­ пульсивная обработка могут оказывать воздействие на обе стадии разрушения. В том случае, когда наклеп, обусловленный обработ­ кой, и последующее старение вызывают интенсивное охрупчнванне,.

могут создаться благоприятные условия не только для иницииро­ вания, но и для распространения разрушения, так как движущаяся трещина, распространяясь вдоль наименее вязких зон, обладает избирательной способностью.

Поскольку при пластическом обжатии или импульсивной обра­ ботке области, в которых происходит изменение механических свойств, могут иметь значительную протяженность, сопротивляе­ мость сварных соединений разрушению в целом может оказаться пониженной. При этом ярко выраженный отрицательный эффект» вероятно, может наблюдаться только при очень сильном охрупчивании металла. Кроме того, при больших толщинах листа размеры обработанной зоны будут относительно невелики и, следовательно, условия распространения трещины должны определяться главным образом вязкостью неповрежденного материала.

Эти предположения получили подтверждение в работе [172]. Ис­ следование влияния предварительного обжатия и микровзрывной обработки на сопротивляемость околошовной зоны распространению хрупкой трещины выполнялось в соответствии с методикой, изло-

женнои в работе [58]. К одной стороне пластины приваривалось со­ ставное ребро (рис. 103). Плотно подогнанные торцы составного реб­ ра образовывали узкую щель — резкий концентратор напряжений, расположенный поперек поля высоких растягивающих остаточных напряжений. Замороженные до различных температур образцы испытывались на разрыв. Через каждые 5—10 т статической на­

останавливается, и минимальное напряжение, при котором она пе­ ресекает все сечение образца. Между этими двумя напряжениями и находится искомое критическое напряжение, отвечающее распрост­ ранению трещины. Как показала практика испытаний, критичес­

микровзрывной обработке. Пластическое обжатие осуществлялось на прессе с помощью пуансонов; микровзрывная обработка околошов­ ной зоны производилась цилиндрическими зарядами гексогена диа-

i64

метром 4 мм с промежуточным слоем пластилина толщиной 2 мм. Составное ребро приваривалось к образцу после проведения всех операций. Щель в составном ребре размещалась в зоне обжатого ме­ талла.

Результаты испытаний (рис. 104) свидетельствуют о том, что ми­ кровзрывная обработка практически не влияет на условия распро­ странения хрупкой трещины: результаты испытаний обработанных и необработанных соединений лежат в пределах разброса, характер­ ного для подобных опытов. Следует отметить, что в некоторых слу­

хрупкой трещины. Испытанию подвергались образцы, подобные описанным выше (см. рис. 100), с надрезом, расположенным в де­ формированной зоне. Часть образцов испытывалась непосредствен­ но после микровзрывной обработки; другая — подвергалась допол­ нительному искусственному старению (3 ч при 250° С), призванно­ му имитировать возможные изменения в свойствах наклепанного металла с течением времени. Для сопоставления были также проведены испытания образцов в исходном (необработанном) со­ стоянии.

Микровзрывная обработка (рис. 105) незначительно повлияла на прочность образцов. Верхняя критическая температура, соответст­ вующая переходу от вязкого к квазихрупкому характеру разруше­ ния, в результате наклепа и последующего старения несколько по­ высилась; ,в области нижних критических температур в поведении образцов не наблюдалось существенных изменений.

Таким образом, можно сделать вывод, что микровзрывная обра­ ботка практически не снижает стойкость сварных соединений про­ тив хрупких разрушений. Надо полагать, что и пластическое об­ жатие, осуществляемое механическим способом, при соответст-

165