Сварные конструкции1 134-199стр. (Сварные конструкции), страница 5

Существуют специальные методы для определения температур торможения движущихся трещин (при более низких температурах в ответственных конструкциях металл применять нельзя). В частности, метод Робертсона предусматривает испытание листовых образцов (рис. 5.5, а) относительно большой ширины (несколько сотен миллиметров) с натуральной толщиной металла 5. Перед разрушением образец с одной стороны подогревается, а с другой — охлаждается. Различные образцы испытывают при различных напряжениях. К образцу вначале прикладывают растягивающее напряжение а, а затем наносят удар для создания движущейся трещины. В некоторой зоне с известной температурой трещина останавливается. Простейшая обработка результатов испытания состоит в построении диаграмм, показанных на рис. 5.5, б. Точки соответствуют температуре остановки трещины. Ломаные линии делят область графика на две зоны. В левой верхней части рисунка находится область температур и уровней напряжений, где трещина распространяется. При более низких напряжениях или более

высоких температурах трещина останавливается. Естественно, что эти результаты справедливы лишь для элементов конструкций, близких по размерам и энергоемкости к испытываемым образцам. При значительной накопленной энергии трещины могут распространяться и в области более высоких температур. Так как фронт трещины не является прямолинейным (рис. 5.5, в), то имеется некоторая неопределенность в определении температуры остановки

трещины. Поэтому применяют другую обработку результатов. Имеется участок совершенно хрупкого излома (косая штриховка), затем появляются зоны сдвига (прямая штриховка), которые увеличивают свою ширину по мере перехода в область более высоких температур. При температуре выше Тs хрупкие участки исчезают полностью. В средней по толщине части листа трещина проходит до точки Ттр. Оценку можно производить по температуре Т0,5 (при ширине зоны сдвига 0,5 мм) и по температуре Тs (точки окончания зоны хрупкого излома).

§ 2. Основные факторы, снижающие хладостойкость сварных соединений

Хладостойкость сварных соединений в основном определяется маркой основного металла. Однако присадочные материалы, технология выполнения сварных соединений, их конструктивное исполнение также в значительной мере определяют поведение сварных конструкций при низких температурах. Рассмотрим кратко факторы, вносимые сваркой и влияющие на хладостойкость. Следует отметить, что указанные ниже факторы, как правило, действуют в совокупности, и выделить влияние каждого из них в отдельности бывает трудно. Можно приближенно проводить такую оценку, оставляя постоянными остальные факторы. Последующей оптимизацией можно получить высокие показатели хладостойкости.

Химический состав металла шва зависит от состава присадочного металла, степени смешивания с основным металлом, легирования элементами и выгорания их при сварке, защиты зоны расплавленного металла. Свойства металла шва также зависят от способа сварки, погонной энергии сварки, характера кристаллизации, температуры изделия и окружающей среды при сварке и многих других факторов. При определении приемлемого варианта получения шва обычно проводят совокупную оценку влияния всех факторов, оптимизируя отдельные из них.

Наиболее простой способ сравнительной оценки свойств — испытание на ударную вязкость с определением как абсолютного уровня вязкости металла при температуре выше порога хладноломкости, так и самого температурного порога хладноломкости Ткp1.Верхним порогом хладноломкости принято считать температуру, при которой полностью исчезают в изломе образ-

цов хрупкие участки. Свойства металла шва нередко различаются в зависимости от направления разрушения надрезанного образца — вдоль направления сварки или против. На рис. 5.6 приведен пример, когда оптимизация условий сварки шва (погонной энергии) проводилась по порогу хладноломкости. Естественно, что при изменении условий сварки одновременно изменялись химический состав шва и его кристаллизация. Лучшие результаты получились при погонной энергии сварки от 1800 до 2400 кДж/м.

Термический цикл сварки весьма существен для зон термического влияния, удовлетворительные свойства которых при неизменном составе основного металла могут быть получены только за счет рационального термического цикла. Термический цикл, который зависит от погонной энергии и скорости сварки, определяет скорость охлаждения. Он способен вызывать рост зерна, закалку

металла, его старение, отпуск и т. д. Одни и те же условия сварки неоднозначно влияют на порог хладноломкости шва и околошовных зон двух близких по составу сталей СтЗсп и 20 (рис. 5.7). (Штриховкой показан диапазон погонных энергий, благоприятный для металла шва.)

Вредное влияние термического цикла сварки на свойства металла околошовных зон и шва можно уменьшить, применяя подогрев или последующую термическую обработку сварного изделия. В табл. 5.1 приведены данные по испытанию образцов на ударный изгиб. На брусья размером 60 Х 60 X 650 мм из стали 35ГЛ электродами МЭЗ-04 наплавлялись поперечные валики, которые создавали на границе наплавки в районе концентратора хрупкие зоны закалки.

Образцы, прошедшие отжиг, не разрушались, так как была устранена неоднородность, вызванная локальной закалкой. Об-

разцы с зоной закалки разрушались хрупко. Как будет показано ниже, для улучшения свойств зоны, претерпевшей закалку, во многих случаях достаточно проводить лишь высокий отпуск.

Т а б л и ц а 5.1

Влияние подогрева и термической обработки

на вязкость и пластичность образцов с наплавкой

Для сталей, чувствительных к термическому циклу сварки, особенно если металл сваривается в термически обработанном состоянии, в первую очередь необходимо оптимизировать условия сварки по термическому воздействию на околошовную зону, затем в случае недостаточно высоких свойств металла шва улучшать их соответствующим выбором присадочных материалов.

Пластические деформации металла и деформационное старение относятся к наиболее сильным отрицательным факторам, вызывающим хрупкость при понижении температуры в случае, если они происходят в неблагоприятно ориентированных концентраторах напряжений, расположенных в зоне нагрева от сварки. К неблагоприятно ориентированным относятся концентраторы, плоскость которых расположена перпендикулярно направлению главной деформации удлинения. Это, например, непровары в перпендикулярно пересекающихся стыковых швах, непровары в корне многослойных швов, где концентрируются пластические деформации по мере укладки слоев, это стыки двух не сваренных между собой элементов, пересекаемые перпендикулярными швами, концы фланговых швов в зоне перехода стержневого элемента к косынке, места остановки процесса сварки, в которых возник непровар, плоскость которого перпендикулярна оси шва, места пересечения соединений с неполностью проваренными швами. К неблагоприятно ориентированным концентраторам относятся также линии перехода от шва к основному металлу и непровары в тех случаях, когда на некотором небольшом расстоянии от них параллельно укладываются короткие швы, поперечная местная усадка которых вызывает концентрацию пластических деформаций.

Пластические деформации создаются, как правило, вследствие усадки металла или при его гибке. Пластическая деформация в концентраторе, накопленная при температуре, когда металл находится в вязком состоянии, отрицательно сказывается затем в случае работы металла при низкой температуре. Если низкоуглеродистую

или низколегированную сталь, склонную к деформационному старению, после пластической деформации нагревают до 200—300 °С, то происходит заметное ее охрупчивание. Такой же эффект возникает, когда пластические деформации происходят непосредственно при температуре 200—300 °С; это называют условно динамическим старением. Перечисленными примерами не ограничиваются случаи концентрации пластических деформаций и старения металла. Од-

нако на указанные выше случаи падает большинство зарегистрированных примеров хрупких разрушений при пониженных температурах. На рис. 5.8 показаны результаты испытаний на растяжение образцов. Регистрировались среднее разрушающее напряжение

σ ср.р и средняя разрушающая деформация εср.р в ослабленном сечении. В первом случае на образцах из стали 15ХСНД при комнатной температуре производилась прокатка средней части вдоль образца для создания деформации около 1 % (у дна надреза возникала, естественно, существенно большая пластическая деформация). Затем образцы проходили старение при Т == 250° С в течение 3 ч. Старение вызывало дополнительное снижение средней пластической деформации примерно на 2 %, и (Тср.р при Т < —40 °С становилось ниже σ0,2. Последующий отпуск образцов при Т = 650 °С в течение 3 ч устранил вредное влияние старения. Во втором случае (рис. 5.9, а, б) по кромке образца из стали 22К с размерами, как на рис. 5.8, производилась наплавка валика. Сварочная пластическая деформация вызывала в корне надреза динамическое деформационное старение непосредственно в процессе сварки. Это привело к снижению σср.р во всем диапазоне температур и смещению Ткр2 примерно в область от —30 до —40 С. Последующий отпуск восстановил прочность и пластичность.

Форма сварных соединений в случае вязкого состояния металла и отсутствия дефектов, как правило, при однократном нагружении не является причиной разрушения сварных конструкций при средних напряжениях, меньше расчетных или близких к ним. При хрупком или полухрупком состоянии металла неудачная форма сварных соединений может оказаться достаточной причиной, чтобы произошло разрушение из-за концентрации напряжений. Опасность тех или иных конструктивных форм зависит от степени охрупчива-

н ия металла. Количественные соотношения пока не установлены и можно лишь указать порядок возрастания опасности разрушения. Наименьшей концентрацией обладает стыковое соединение с плавными переходами от шва к основному металлу. Затем следуют соединения с угловыми швами с полным проваром. Нахлесточные соединения, когда швы работают как лобовые или фланговые, уже обладают значительной концентрацией напряжений, но благодаря высоким вязким свойствам металла шва и относительно небольшим размерам катетов обычно не являются причиной хрупких раз- рушений. Наибольшую опасность представляют стыковые и тавровые соединения с неполным проваром. Следует иметь в виду, что опасность разрушения при тех или иных формах соединений зависит от радиусов закругления и абсолютных размеров участвующих в сварном соединении элементов. Чем меньше радиусы и больше размеры свариваемых деталей, тем опаснее концентратор. В нахлесточных соединениях широких элементов с косынками даже радиус закругления, формируемый концом флангового шва, может оказаться достаточным для начала хрупкого разрушения основного металла при низких температурах.

Дефектами сварных соединений, способными вызвать разрушения при низких температурах, могут быть в первую очередь несплавления, трещины, плоские по форме шлаковые включения, острые подрезы, места пересечения швов с участками расслоения металла, мелкие невидимые трещины в угловых швах нахлесточных соединении, непроваренные места остановки процесса сварки, а также резкие вырезы с малыми радиусами после термической резки, не- плавные переходы корневых валиков к основному металлу в многослойных швах, глубокие неровности от чешуйчатости поверхности шва сильные сужения швов из-за нарушения режима сварки.