книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

Г л а в а 5

ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Свойства низкоуглеродистых и низколегированных сталей, а также сварных соединений из них наиболее заметно изменяются при понижении температуры. При испытании гладких образцов из этих сталей пределы текучести, прочности и выносливости повышаются, а относительное удлинение и поперечное сужение понижаются, У других металлов, например алю­

ние Гкр1 обычно невелико (в пределах 10—20° С). Положение Ткр1 зависит от химического состава, способа производства и термической обработки стали, а так­ же других факторов. Чем Гкр1 стали ниже, тем более широко эту сталь можно применять для изготовления сварных конструкций различного назначения. Поло­ жение ТКр1 указывает лишь на область перехода от вязкого разрушения к хруп­ кому, но не характеризует количественно способность металла сопротивляться разрушению при быстром распространении трещины. Количественной характе­ ристикой является величина GÂ кгс-м/см2, Чем больше 6 Д, тем меньше вероят­ ность разрушения.

Под влиянием процесса сварки за счет термического и пластического воздей­ ствий, например роста зерна, закалки, отпуска, деформационного старения, поло­ жение Ткр1 и величина для отдельных участков и зон сварного соединения изме­ няются. Накопление усталости за счет циклических нагружений в процессе экс­ плуатации также изменяет Г|(р1 и б д. Быстрое динамическое распространение тре­ щины является предельно жестким условием испытания сопротивляемости металла разрушению. Практически всякому распространению трещины предшествуют ее зарождение или начало ее движения, если трещина существовала ранее. Имеется много характеристик свойств металла и сварных соединений, определяющих их сопротивляемость началу разрушения. Эти характеристики существенно сильнее, чем Gд и Ткр1, зависят от размеров и формы образцов, концентрации напряжений, характера приложения нагрузки, влияния технологического процесса сварки и других причин. Они рассмотрены ниже.

Критическая температура хрупкости низкоуглеродистых сталей по сравнению с критической температурой низколегированных сталей, как правило, более вы­ сокая. Кипящие низкоуглеродистые стали уступают по хладостойкости полуспокойным и спокойным сталям, более склонны к деформационному старению. Наи­ большей хладостой костью обладают стали взакаленном высокоотпущен ном состоя­ нии, хладостой кость понижена у горячекатаных и отожженных сталей. С ростом зерна стали ее критическая температура хрупкости повышается. С увеличением толщины проката склонность к хладноломкости низкоуглеродистой стали также повышается.

ОЦЕНКА СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Для оценки свойств сварных соединений и элементов сварных конструкций при пониженных температурах применяют многочисленные методы и критерии, в том числе и стандартизованные (ГОСТ 11150—75). Критерии и методы испыта­ ний могут быть классифицированы по разным признакам. В частности, различают методы, с помощью [которых определяется способность металла сопротивляться началу разрушения, и методы, с помощью которых оценивают свойства металла в процессе распространения трещины.

Критерии классифицируют также по роду регистрируемой величины, разде­ ляя, например, их на критерии, связанные с напряжениями, деформацией, пере­ мещением или затраченной энергией. В табл. 1 приведены основные характерис­ тики, которые используют для оценки свойств основного металла и сварных соеди­ нений в связи с их хладостойкостью. Наиболее распространена оценка сварных соединений и элементов сварных конструкций по разрушающей силе Рр (моменту) или среднему разрушающему напряжению ар. С их помощью можно выявить так называемую вторую критическую температуру Гкр2 (рис. 2) [5]. При Ткр2 среднее разрушающее напряжение испытываемого элемента становится равным пределу текучести металла ат при соответствующей температуре.

Для сравнения на рис. 2 приведено изменение площади излома и положение ГКР1. Положение Гкр2 зависит от многих факторов. Чем выше концентрация напря­ жений, скорость приложения нагрузки, остаточные напряжения, уровень свароч­ ной пластической деформации, содержание газов и вредных примесей в шве, скорость охлаждения при сварке, приводящая к закалке, крупнее зерно и больше сечение испытываемого элемента, а также хуже защита металла при сварке, тем правее располагается Ткр2, смещаясь в сторону положительных температур. При крайне неблагоприятных сочетаниях отрицательных факторов в ограниченной области сварного соединения свойства металла существенно ухудшаются. При этом Ткр2 может оказаться даже правее Гкр1. При небольших размерах такой зоны возникшая трещина, дойдя до основного металла, остановится. При крупных размерах такой зоны и большом запасе потенциальной энергии в конструкции

шения к линейному участку диаграммы ОС (рис. 3, а), где происходят хруп­ кие разрушения. Недостаток характеристики еср. р состоит в трудности ее определения. Как правило, необходимо иметь решение задачи пластичности, чтобы, зарегистрировав по время испытания деформацию еБ на какой-либо

базе Б в пределах ослабленного сечения (рис. 3, б), пересчитать ее затем в среднюю деформацию еср.

Большое развитие получила механика разрушения. Одним из основных поня­ тий в механике разрушения является коэффициент К интенсивности напряжений. Он характеризует напряженное состояние вблизи конца трещины, находящейся

Рис. 3. Диаграммы зависимости среднего напряжения о от сред­ ней деформации еср (а) и характер распределения деформации е

вослабленном сечении (б)

внагруженном элементе. В момент начала продвижения конца трещины при меха­ нических испытаниях материала регистрируется критический коэффициент интен­

сивности напряжений К1с или /Сс, который является характеристикой материала

и служит для оценки его способности сопротивляться началу движения трещины при статической или ударной нагрузке в зависимости от условий проведения испы­ таний.

Механика разрушения накладывает определенные ограничения на условия

проведения испытаний металлов; в частности, необходимо, чтобы средние разру­ шающие напряжения не превосходили напряжений, несколько меньших предела текучести при температуре испытания. Если это условие не выполняется, необхо­ димо увеличивать размеры образцов, чтобы повысить коэффициент концентра­ ции напряжений. Для высокопрочных металлов с пределом текучести более 100 кге/мм-, а также при температурах ниже Гкр1, при которых малопрочные ме­ таллы разрушаются хрупко и имеют невысокие К\с, затруднений с проведением

испытаний не возникает, так как образцы оказываются умеренных размеров. Критерии Кс и /С1с в этих случаях можно использовать для определения свойств

металла шва и околошовных зон, а также и основного металла. При подходе к 7 кр1 слева и выше TK]Uвеличины Кс и К\с резко возрастают, указывая на высо­

кую сопротивляемость металла разрушению. В этом случае необходимы крупные образцы для получения точного количественного результата. Если сварную кон­ струкцию изготовляют из проката определенной толщины, то получить сварные соединения большей толщины либо невозможно, либо нецелесообразно вследствие изменения условий сварки. Поэтому определяют условные характеристики при использовании образцов уменьшенных размеров. Один из путей состоит в еле-

дующем. Условия, соответствующие плоской деформации, при значительных

деформации частей образца, удаленных от надреза. По известным в механике раз­ рушения формулам на линейном участке ОЕдиаграммы подсчитывают коэффициент К интенсивности напряжений как линейную функцию от Д или 0, т. е. К = аД, а затем коэффициент пропорциональности а используют для приближенного опре­

Графически это можно представить как экстраполяцию линейной зависимости до некоторой условной точки Рс. усл (см. рис. 4, б). Точка N на диаграмме — точка действительного разрушения об­ разца. На основе численных ра­ счетов в пластической области установлено, что такой процеду­ рой получения К 1с усл можно

пользоваться, если разрушение образца произошло до образо-

Рис. 4. Схемы испытания образ­

вания пластического шарнира в ослабленном сечении, что соответствует встрече зоны 1 пластических деформаций, распространяющейся от конца трещины, с зоной 2 пластических деформаций, распространяющейся от тыльной гладкой стороны образца (рис. 4, в).

Для определения К\с металла шва, с учетом его сопротивляемости разруше­

нию от непровара, целесообразно использовать естественный непровар как кон­ центратор, заменяющий надрез (см. рис. 4, а).

Сварные соединения часто имеют концентраторы, радиус закругления дна которых может не быть нулевым, как это принимают для трещин (рис. 5). Это места переходов от шва к основному металлу в стыковых (рис. 5, а) и угловых (рис. 5, б и о) швах, места сопряжений с фасовками (рис. 5, г) или в некоторых слу­ чаях места непровара с плавным радиусом. Сопротивляемость разрушению сече­ ний с такими концентраторами целесообразно характеризовать средней разрушаю­ щей деформацией еср. р, а саму зону концентратора — критическим коэффициентом интенсивности деформаций Vр [3]. Критический коэффициент интенсивности де­ формаций зависит как от свойств металла вблизи концентратора, в частности, от разрушающей максимальной деформации етах , так и от радиуса концентратора г.

Процедура испытаний для экспериментального определения Кр и требования к образцам изложены в работе [3].

В случае трещины, расположенной в растянутой бесконечной пластине,

„УпУЕ

где Е — модуль упругости.

Стремление получить сведения о сопротивляемости металла разрушению на небольших образцах, не обращаясь к требованиям механики разрушения в части определения /Сjc и /Сс, привело к разработке кинематического критерия (критерия

перемещения) 6С[8]. Первоначально концепция критического раскрытия Ôc разра­ батывалась на узких надрезах и предусматривала непосредственное определение раскрытия конца надреза путем его измерения лопаточным датчиком, установлен­ ным на дно надреза. Вычитая из конечной ширины надреза Ьк в момент начала

Рис. 5. Сварные соединения:

а — стыковые; б, в — с угловыми швами; г — с фасовкой

разрушения начальную величину bUf можно было определить Ôс = Ьк — Ьп (рис. 6, а). Переход от надрезов к трещинам сделал невозможным непосредствен­ ное определение истинного критического раскрытия 6С, и оно было фактически заменено условной величиной перемещения Дс (рис. 6, б), определяемого как сумма пластических деформаций епл напротив дна надреза или трещины в сечении А—А (рис. 6, а).

Нахлесточные соединения с угловыми швами, а в некоторых случаях и тавро­ вые соединения имеют непровар (рис. 7), который при низких температурах может оказаться опасным концентратором. По аналогии с критерием Дс для оценки

Рис. 6. Изменение конту­ ра надреза (а) и трещины

(б) после протекания пла­ стической деформации

пластичности угловых швов можно применять критерий Др, означающий пере мещение точек С и D, которое достигается к моменту разрушения углового шва [7]. В зависимости от схемы действия сил Plt Ри или Рщ на рис. 7, а следует раз­

личать Др для таврового (/), лобового ( //) и флангового (III) швов. При произ­ вольном положении вектора силы целесообразно определять Др в направлении действия силы. Критерий Др можно использовать для определения запаса плас­ тичности углового шва или для сравнительной оценки между собой свойств наплав­ ленного металла, рациональности режимов сварки или термической обработки.

Большое значение для оценки свойств сварных соединений и основного метал­ ла имеют энергетические критерии (см. табл. 1). Следует различать методы коли­ чественного определения характеристик, которые дают результаты, зависящие от размеров и формы образцов (а3, ар, ац), и такие, которые позволяют получать ре-

зультаты, зависящие только от свойств металла (GIc, Gc, Gfl). Для определения свой­

ств металла околошовных зон и шва широко применяют испытания на ударный и статический изгиб призматических образцов размером 10 X 10 X 55 мм с за­ писью и без записи диаграмм Р (сила) — f (прогиб образца). Диаграмма (рис. 8, а) имеет линейный упругий участок ОА, участок изгиба образца АВ до появления в надрезе трещины или до начала сс движения, если трещина создана заранее, и участок ВС, если трещина распространяется по поперечному сечению образца.

Рис. 7. Схемы действия сил Pj, Яп , Яш на нахлесточное (а) и тавровое (б) соединения

Площадь фигуры OABD представляет собой работу пластической деформации образца на стадии до начала движения трещины, площадь DBE — накопленную (в основном в образце) энергию упругой деформации, площадь DBCF является работой пластической деформации образца во время продвижения трещины. При хрупком распространении трещины (рис. 8, б) удается определить только работу пластической деформации изгиба — площадь OABD. Вертикальный участок диаграммы по линии BE указывает лишь на то, что работа, истраченная на рас­ пространение трещины, меньше величины энергии упругой деформации, выражае­ мой площадью DBE, но какова она в действительности, установить невозможно.

Рис. 8. Характер диаграмм Р — / при вязком (а) и хрупком (б) распространении трещины

Попытки разделить полную работу разрушения образца на ее составляющие привели к разработке нескольких методов [2]. Один из методов заключается в уси­ лении остроты надреза вплоть до предварительного создания трещины в образце, чтобы максимально уменьшить площадь OABD и считать ее практически равной нулю. Тогда при копровых испытаниях вся работа разрушения образца может быть принята как работа распространения трещины. Существуют методы, в кото­ рых испытывается серия образцов с разными радиусами надреза или испытания проводятся с последовательным увеличением энергии маятника с тем, чтобы путем построения диаграмм разделить работу на две составляющие А3 и Лр [2]. Следует, однако, признать, что достаточно правильно определить работу распространения трещины на маленьких образцах с поперечным сечением 10 X 10 мм невозможно

ло следующим причинам. При хрупких разрушениях образцов эти методы неточны, а при вязких размер зоны пластических деформаций в реальном конструктивном элементе может превосходить в несколько раз размер зоны пластических дефор­ маций в образце. Указанные методы пригодны для сравнительных испытаний металлов и качественной оценки изменения свойств в зависимости от темпера­ туры.

Наиболее правильные принципы определения работы разрушения металла устанавливает механика разрушения. Она различает работу GIc и Gc, затрачи­

ваемую на начало движения трещины, и работу б д динамического (быстрого) рас­ пространения трещины. В обоих случаях размер образца должен быть таким, чтобы зона пластических деформаций у конца трещины соответствовала размеру зоны в натуральном массиве металла или в листе больших размеров. Если в листовом элементе при его разрушении не создаются условия плоской деформации, то полу­ чают работу Gc, а если толщина листа велика по сравнению с размером зоны плас­ тических деформаций и обеспечиваются условия плос­

кой деформации, то получают работу GIc. Обычно

струкций [2].

Современные способы сварки и применяемые сварочные материалы обеспечи­ вают получение наплавленного металла, не уступающего по хладостойкости основ­ ному металлу аналогичного химического состава, а в некоторых случаях даже превосходящего по своим свойствам основной металл. Однако при сварке имеется ряд факторов, таких как условия производства сварочных работ, качество сва­ рочных материалов, защита расплавленного металла, термомеханическое воздей­ ствие сварки на металл, геометрическая форма соединений и другие, недостаточ­ ное внимание к которым может привести к резкому ухудшению свойств металла и снижению хладостойкости сварных конструкций. Практически все случаи хруп­ ких разрушений сварных соединений и конструкций, имевших место при низких температурах, связаны либо с низким качеством исходного основного металла, либо с нарушением правил технологии производства сварных конструкций и конструк­ тивного оформления сварных узлов.

Влияние сварки на свойства сварных соединений, эксплуатируемых при низ­ ких температурах, многообразно, оно может изменяться в широких пределах и поэтому в большинстве случаев не поддается конкретному количественному вы­ ражению. Характерным является также то, что изменения свойств носят местный, локальный характер.

Наиболее распространены несколько случаев отрицательного влияния сварки.

1. Образование хрупких зон в сварных швах под влиянием изменения хими­ ческого состава металла шва по сравнению с основным металлом за счет нерацнолального легирования или загрязнения металла вредными примесями и газами.

2. Образование хрупких при низких температурах околошовиых зон за счет термического влияния сварки — быстрого охлаждения, роста зерна, структурных изменений. Степень этого влияния решающим образом зависит от химического состава основного металла, способа его производства и исходного состояния. На­ пример, на хладноломкость металла в зоне крупного зерна электрошлаковых соеди­ нений влияние оказывают степень раскисленности, содержание фосфора и серы, способ получения заготовки (ковка, литье); на хладноломкость околошовиых зон термоупрочненных катаных сталей при электродуговой сварке — величина погон­ ной энергии сварки.

3. Концентрация пластических деформаций и деформационное старение ме­ талла в зонах непровара и резкого изменения формы соединений, трещинах и т. п., находящихся в пределах зоны термического влияния сварки. Данный случай яв­ ляется наиболее распространенной причиной хрупких разрушений сварных соеди­ нений при низких температурах; он многократно воспроизводился в лабораторных условиях. Путем роста концентрации деформаций и эффекта старения можно вы­ звать практически любое снижение прочности сталей при низких температурах. Деформационное старение усиливается, если оно происходит в зоне крупного зерна.

По количеству хрупких разрушений, зарегистрированных в сварных конструк­ циях при низких температурах, на первом месте находятся разрушения, возник­ шие от концентраторов, расположенных в зоне сварки, где протекали значитель­ ные пластические деформации, возникали остаточные растягивающие напряжения и происходило старение металла. Значительная часть хрупких разрушений была вызвана усталостными трещинами, явившимися результатом неудовлетворитель­ ного конструктивного оформления соединений, в сочетании с низкой сопротивляе­ мостью основного металла распространению хрупких разрушений. Некоторая часть разрушений зарегистрирована как возникшая от участков металла с низ­ кими пластическими свойствами по причине загрязнения металла и его плохой защиты в нагретом состоянии.

В статически нагруженных объектах разрушения появлялись преимущест­ венно при резком понижении температуры, когда вследствие неодновременного охлаждения конструкции возникали дополнительные напряжения.

Распространение разрушений за пределы зон пластических деформаций, где влияние сварки практически отсутствовало, происходило обычно вследствие низких механических свойств основного металла (например, хрупкости) и не зави­ село от условий сварки. На рис. 10, а—г показаны элементы, которые соединялись, не будучи сваренными между собой.

Типичные примеры неудовлетворительного оформления сварных соединений, которые неоднократно являлись очагами разрушений при низких температурах, представлены на рис. 10. На рис. 10,5—ж , ас стыковые соединения имеют непровар;

Развитие разрушения при использовании основного металла с высокой энергией разрушения при распространении в нем трещины возможно лишь при дефектах или зонах повреждения металла большой протяженности (например, в продоль­ ных швах трубопроводов). В большинстве сварных конструкций изменения, вы­ зываемые сваркой, носят локальный характер, ввиду чего начавшееся разруше­ ние не будет распространяться по основному металлу. Такой путь оправдан в конструкциях, где невозможно обеспечить полное отсутствие дефектов сварки. Закалка и отпуск основного металла являются эффективным средством повышения