Сварные конструкции1 134-199стр. (Сварные конструкции), страница 6

Выше были рассмотрены факторы, вносимые сваркой и снижающие сопротивляемость хрупким разрушениям. Существует также

несколько факторов, увеличивающих опасность хрупкого разрушения и зависящих от условий эксплуатации. Одной из основных причин подобного рода является устал ость, металл а. Проявляется она двояко. На первой стадии вследствие циклических нагрузок в зоне концентрации напряжений возникает усталость металла и появляются микротрещины. На этой стадии нет еще отдельных видимых трещин, однако сопротивляемость металла началу разрушения понижается. При ударном нагружении снижается работа начала разрушения— это увеличивает скорость распространения трещины, повышает критическую температуру хрупкости. На рис. 5.10 показаны значения ударной вязкости металла околошовной зоны, испытавшего после нанесения надрезов циклические нагрузки. Позднее, на второй стадии, появляются трещины усталости. Они весьма опасные концентраторы, так как, достигая критических размеров, вызывают внезапное разрушение сварной конструкции. Данные о количестве разрушений, регистрируемых на работающем оборудовании, показывают, что число их растет по мере увеличения срока службы. Эго вызвано как накоплением усталости в металле, так и появлением усталостиых макротрещин. Примеры разрушения сварных конструкций от усталости и лабораторных образцов при низких температурах приведены в книге [55].

На сопротивляемость хрупким разрушениям сварных конструкций помимо усталости отрицательно влияют также старение (изменение свойств металла в процессе длительного его пребывания при высоких температурах), наводороживание и радиация. Эти факторы уменьшают вязкость металла и повышают критические температуры.

§ 3. Оценка хладостойкости сварных соединений

Для сварных соединений характерна неоднородность механических свойств металла в различных зонах сварного соединения. Поэтому хладостойкость металла определяют в нескольких местах сварного соединения по вязкости при ударном изгибе надрезанных образцов. Надрез располагают в различных зонах. В многослойных швах возможна неоднородность свойств по высоте поперечного сечения вследствие различных условий охлаждения металла и сегрегации вредных примесей по мере укладки отдельных слоев. Соответственно образцы изготовляют из корневой, верхней и средней частей шва. Для швов, выполненных за малое число проходов, такое различие свойств, как правило, не наблюдается. В однопроходных швах, как указывалось выше, на сопротивляемость металла шва разрушению оказывает влияние направление кристаллитов, формирующееся в процессе его кристаллизации. Наиболее слабым участком обычно является ось шва. Располагая надрез по оси шва, свойства металла определяют по работе разрушения при движении трещины как по направлению сварки, так и в противоположном направлении. Непровар в шве создает концентрацию пластиче-

ских деформаций металла при сварке и, как показывают опыты, в некоторых случаях при определении Кс представляет собой более опасный надрез, чем усталостная трещина. В тех случаях, когда оценивается сопротивляемость металла шва разрушению в условиях пониженных температур, испытания шва проводят с натуральным концентратором в виде непровара и при вычислении Кс по результатам испытаний принимают его в виде трещины.

Заранее бывает трудно сказать, какие участки зоны термического влияния обладают минимальной сопротивляемостью хрупкому разрушению. Надрезы располагают с небольшим шагом, чтобы проследить изменение свойств металла в зависимости от уровня максимальной температуры при сварке. Обычно исследуют ряд сечений от линии сплавления до зон с температурой нагрева 200—250 °С.

Вторая особенность определения хладостойкости сварных соединений состоит в оптимизации условий сварки. Ориентируясь на наименее хладостойкую.зону, варьируют режимы сварки, чаще всего погонную энергию, добиваясь наилучших показателей по ударной вязкости. Существуют методы испытаний, использующие образцы, по форме и размерам близкие к натуральным сварным соединениям или даже узлам. Они позволяют оценить агрегатную сопротивляемость соединения или сварного узла. При испытании таких образцов определяют вторую критическую температуру Ткр2, при кото- рой σср.р = σ 0,2. Следует заметить, что в лабораторных условиях сварные узлы обычно дают более низкие критические температуры из-за малого числа испытываемых образцов. Рассеяние свойств металлов, режимов сварки, форм концентраторов, а главное, их радиусов приводит на практике к тому, что отдельные экземпляры изделий имеют более высокую критическую температуру хрупкости. Чтобы выявить свойства сварных узлов при температуре выше Ткр2, определяют пластичность как при низких, так и при более высоких температурах. Значения температуры, при которых регистрируются стабильные высокие результаты по пластичности, обеспечивают максимально возможные механические свойства. При наличии отдельных выпадов низкой пластичности данная температура не может рассматриваться как исключающая хрупкие разрушения.

Расчетную оценку допустимости трещин при эксплуатации сварных конструкций проводят, ориентируясь на кривую минимальных значений К1с как функции температуры. Характер кривой К1с по виду сходен с кривой αн на рис. 5.4. В § 11 гл. 3 был изложен метод расчета, в котором использовалась кривая Кс в зависимости от длины трещины. При использовании в расчетах К1с, поскольку его значение не зависит от длины трещины, находят предельно допустимую минимальную температуру, при которой еще выполняются все требования прочности при различных коэффициентах запаса.

§ 4. Примеры хрупких разрушений и методы повышения

хладостойкости сварных соединений

Практика изготовления и эксплуатации сварных конструкций располагает, к сожалению, большим числом примеров разрушений из-за концентраторов в местах, где сварка вызывала заметные изменения свойств металла. На рис. 5.11 представлены примеры неудовлетворительного или неудачного проектирования и изготовления сварных соединений, которые явились очагами разрушений при низких температурах. На рис. 5.11, а—г показаны элементы, которые перед сваркой не были соединены между собой. Элементы на

рис. 5.11, д—ж были предварительно сварены, но имели непровар, от которого распространилась трещина. Стыковое соединение на рис. 5.11, к имело непровар в корне шва. На рис. 5.11, з окно, образованное газовой резкой, имело острый угол, на рис. 5.11, и процесс сварки остановлен на листе, в результате чего произошел надрез от подплавления и от него возникла трещина; на рис. 5.11, л электрошлаковый шов 1 заварен последним в жестком контуре; на рис. 5.11, м шов 3 пересекал листовой элемент 7, в котором было расслоение металла 4. От расслоения возникла трещина в шве и зоне растягивающих напряжений листа 2. Трещины на рис. 5.11 показаны волнистыми линиями.

Методы повышения хладостойкости сварных соединений и конструкций состоят в следующем. Используются такие сварочные ма-



териалы, которые при оптимальных режимах сварки и последующей термической обработке дают металл шва, не уступающий по хладостойкости основному металлу. Осуществляется подбор режима сварки, обеспечивающий достаточную хладостойкость зон термического влияния. При этом стремление уменьшить зону термического влияния и разупрочнения в диапазоне температур высокого отпуска приводит к необходимости сваривать при малых погонных энергиях, а это, в свою очередь, создает высокие скорости охлаждения и вызывает сильную закалку в зоне перекристаллизации. Применение последующего отпуска может облегчить задачу подбора режимов сварки. Известно, что в ряде случаев высокий отпуск снижает выносливость сварных соединений. Опасность хрупкого разрушения представляется более существенной, чем некоторое снижение выносливости, поэтому для конструкций, работающих при низких температурах, обычно назначают высокий отпуск. Однако выбор режимов для сталей сложного легирования, в которых возможны процессы необратимого изменения свойств металла, может оказаться трудным. Возможное образование холодных и горячих трещин нередко диктует свои требования к режимам сварки, которые входят в противоречие с требованиями хладостойкости. Например, малые скорости электрошлаковой сварки, позволяющие избежать горячих трещин, вызывают сильный рост зерна вблизи линии сплавления. Для восстановления вязкости металла зоны термического влияния необходимо проводить нормализацию изделия с отпуском.

Рациональное конструктивное оформление сварных узлов, устранение малых радиусов перехода, отсутствие непроваров и применение эффективных методов контроля качества также позволяют существенно повысить сопротивляемость хрупким разрушениям. Для повышения сопротивляемости хрупким разрушениям при низких температурах можно предварительно нагружать конструкции при нормальных температурах, когда невозможны хрупкие разрушения. Появление в концентраторах больших пластических деформаций, которые должны были бы возникнуть при низких температурах, увеличивает радиус концентратора и создает после разгрузки в зоне концентратора остаточные сжимающие напряжения. Последующее нагружение при низких температурах вызывает незначительные пластические деформации в концентраторе или не вызывает их вовсе.

ГЛАВА 6

ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

§ 1. Свойства основного металла

С ростом температуры в металле снижается прочность межатомных связей. Поэтому деформации и напряжения могут изменяться во времени даже при постоянных нагрузках. Различают два основных процесса— ползучесть и релаксацию. Изменение деформаций

во времени при постоянных напряжениях называют ползучестью металл а, а изменение напряжений во времени, при постоянных деформациях — простой релаксацией или р е л а к с а ц и е и.

У большинства конструкционных металлов при нагревании до температур (0,4 ÷ 0,5) Тпл (где Тпл выражена в К) процесс ползучести выражен сравнительно слабо. При более высокой температуре характер кривых ползучести зависит от уровня приложенных напряжений (рис. 6.1). Типичная кривая ползучести, например при σ = 190 МПа, содержит три участка, что соответствует трем стадиям ползучести. Первая стадия — неустановившаяся, когда скорость пластической деформации ползучести dε/dt уменьшается. На второй, установившейся, стадии процесс протекает с минимальной скоростью. На третьей стадии скорость пластической деформации возрастает и наступает разрушение. При невысоких температурах и малых напряжениях вторая и третья стадии могут отсутствовать. При высоких температурах и напряжениях первая стадия может непосредственно перейти в третью и кривая будет иметь вид, аналогичный кривой с σ = 200 МПа.

В эксплуатационных условиях наибольший интерес представляют вторая (когда недопустимы существенные изменения размеров деталей) и третья стадии ползучести, связанные с разрушением. Так как вторая стадия обычно продолжается намного больше, чем первая, деформацию ползучести оценивают, как правило, по второй стадии. С ростом напряжения и температуры возрастает скорость ползучести. Многие экспериментальные данные хорошо описываются зависимостью

где έmin — скорость пластической деформации dε/dt на второй стадии; п и k — постоянные коэффициенты, зависящие от температуры и состава металла; а—напряжение при одноосном растяжении. На рис. 6.2 представлены экспериментальные точки и линии в соответствии с формулой (6.1), которые в логарифмических координатах являются прямыми. Значения 1г и п приводятся в справочной литературе.

Для деталей установок, работающих при высоких температурах, нередко бывает необходимо устанавливать допускаемое напряжение в зависимости от пластической деформации, возникающей вследствие ползучести. В качестве условной характеристики сопротивляемости металла ползучести принимают предел ползучести σп,