Сварные конструкции1 134-199стр. (Сварные конструкции), страница 7

который может определяться двояко. Для машин и установок с малой общей длительностью работы — не более сотен часов — за предел ползучести принимают напряжение, при котором деформация за заданный промежуток времени достигает значения, установленного техническими условиями. В деформацию включают как существенную часть и деформацию на первой, неустановившейся, стадии ползучести. Для деталей установок, работающих

д лительное время, учитывают деформации на установившейся стадии. Пределом ползучести в этом случае является напряжение, при котором скорость деформации соответствует. установленной техническими условиями. Для деталей стационарных энергетических установок скорость деформации обычно принимают 1 % за 10⁵ ч (или примерно 11,5 года) и предел ползучести обозначают как αТ10⁵где Т — температура испытания, °С. Испытания обычно проводят в течение 2·10³— 6·10³ч при заданной температуре и разных (обычно трех) уровнях напряжений. Затем, используя формулу (6.1), откладывают результаты испытаний на графике lgσ — lgέmin и экстраполируют прямую в точку установленной скорости деформации, например 10^-5 %/ч, для получения σп, (рис. 6.3).

Испытание металла на длительную прочность проводят до разрушения образца. Чем выше температура и напряжение, тем раньше происходит разрушение. Точка перелома прямой линии (рис. 6.4, а) соответствует переходу от вязких разрушений с образованием шейки, которые характерны для высоких напряжений, невысоких температур и сравнительно коротких промежутков времени до разрушения, к хрупким межзеренным (интеркристаллическим) разрушениям, которые происходят при более низких напряжениях, высоких температурах и длительных выдержках. Переход к хрупким разрушениям происходит за счет постепенного ослабления границ зерен.

На каждом из прямолинейных участков справедлива степенная зависимость

г де t — время до разрушения; А и т— постоянные для данного материала, температуры и характера разрушения. Зависимость (6.2) позволяет экстраполировать результаты кратковременных испытании на более длительный срок, но во избежание существенных ошибок не более чем на порядок.

П рочность материала при высокой температуре, находящегося под напряжением в течение длительного времени, оценивается пределом длительной прочности σд.п — напряжением, вызывающим разрушение при заданной температуре через определенный промежуток времени. Для стационарных установок принимают σд.п = σ10⁵, вызывающее разрушение через 10⁵ ч. Для транспортных установок используют σ10², σ10³, σ10⁴. На рис. 6.5 приведены значения σ10⁵ для ряда

материалов.

Для сокращения времени испытаний на длительную прочность используют параметрические зависимости между температурой испытания и временем до разрушения при неизменном напряжении. Одной из наиболее распространенных является зависимость Ларсона—Миллера (рис. 6.6)

Р=Т(С+lgt), (6.3)

где Р — параметр, который является постоянным числом для конкретного металла и уровня приложенных напряжений; Т— температура, К; С— постоянная, часто близкая к 20; I— время, ч.

Параметрическая зависимость позволяет по данным относительно кратковременных испытаний при более высоких температурах определять длительную прочность при более низких (эксплуатационных) температурах. Для получения значения параметра необходимо иметь результаты нескольких испытаний при постоянном








напряжении, разных температурах и однотипном разрушении. При этом максимальная температура испытания не должна превышать рабочую более чем на 50—100 °С.

П ластичность металла, оцениваемая по удлинению образцов до разрушения, существенно зависит от характера разрушения (рис. 6.4, б). При вязком разрушении происходит монотонное уменьшение пластичности по мере увеличения времени до разрушения. При переходе от вязкого разрушения к хрупкому межзеренному (t3, t2) пластичность резко снижается. Разрушения конструкций, в том числе и сварных, при высоких температурах, как правило, происходят без заметной пластической деформации, т. е. хрупко. Изучение причин хрупкости по результатам испытании на длительную прочность требует большого времени и затруднено разбросом значений пластической деформации. Более стабильные результаты по высокотемпературной пластичности могут быть получены за сравнительно короткие промежутки времени при испытаниях с постоянной скоростью деформации, обеспечиваемой равномерным перемещением захватов машины. Установлены закономерности изменения пластичности при высоких температурах. При

относительно невысоких температурах в случае вязкого разрушения пластичность снижается с уменьшением скорости деформации. Однако это снижение невелико. При более высоких температурах с уменьшением скорости деформации происходит переход к межзеренному разрушению, что влечет за собой существенное умень-





шение пластичности. В некотором диапазоне скоростей деформации пластичность достигает минимума, и при дальнейшем уменьшении скорости либо не меняется, либо слабо повышается. Значение ми-

нимальной пластичности может быть одним из критериев склонно-

сти стали к хрупкому разрушению.

П ри испытаниях с постоянной скоростью деформации, но различных температурах пластичность имеет минимум, положение которого смещается в область более низких температур при меньшей скорости деформации. В перлитных сталях минимальная пластичность наблюдается в области 500—600 °С и составляет 3—5 %. Аустенитные стали более склонны к хрупким разрушениям. Минимальная пластичность у них составляет доли процента в диапазоне 550—600 °С. У сплавов на никелевой основе пластичность падает при 600—750 °С. Значения минимальной пластичности определяются характером легирования, структурой, зависящей от термической обработки, предварительной пластической деформацией, которая снижает пластичность.

Концентраторы напряжений снижают прочность и пластичность при высоких температурах. Чувствительность материала к концентрации напряжений выявляется при растяжении цилиндрических образцов со спиральным надрезом и оценивается следующими коэффициентами:

где σд.пн, δн — длительная прочность и пластичность надрезанного образца; σд.пг, δг — то же, гладкого образца. Значения Кδ находятся в пределах 0,5—1, а Кδ может изменяться в большом диапазоне от 0,8 до 0,04; особенно низкие значения Кδ у высокопрочных аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе.

Процесс простой релаксации протекает при постоянной полной деформации, которая включает в себя упругую и пластическую составляющие:

где σ0 — начальное напряжение, вызывающее полную деформацию σ0/Е; σ/Е — упругая составляющая деформации, переменная в времени; εпл — пластическая деформация ползучести. Упругая составляющая деформации непрерывно уменьшается, а пластическая — увеличивается. Характер кривой а при постоянной температуре показан на рис. 6.7.

Для сварных конструкций процесс релаксации напряжений представляет интерес как средство снижения собственных остаточных напряжений после сварки (см. гл. 7).

§ 2. Свойства сварных соединений при высоких температурах

Свойства сварных соединений при высоких температурах эксплуатации отличаются от свойств основного металла при тех же температурах главным образом по двум причинам.

1. В сварных соединениях возникают участки (металл шва и зоны термического влияния) с иными механическими свойствами, чем у основного металла. Отличия обусловлены иным химическим составом металла шва и его структурой по сравнению с основным металлом. В зонах термического влияния могут происходить глубокие изменения вследствие ослабления границ зерен в результате перегрева, дисперсионного упрочнения этих зон в процессе действия рабочих температур.

2. В сварных соединениях возникает концентрация напряжений, которая при высоких температурах действует как фактор концентрации пластических деформаций ползучести и как фактор постоянно действующего напряжения в местах объемных схем напряженного состояния, где ползучесть затруднена.

Оценка механических свойств шва и зон термического влияния в отдельности не может дать ответа на вопрос о поведении сварного соединения в целом, так как при высоких температурах в процессе ползучести металла происходит сложное механическое взаимодействие отдельных зон, приводящее как к исчерпанию пластичности металла некоторых мест, так и к образованию объемных напряжений в прослойках с последующим хрупким разрушением. Неоднородность механических свойств, обусловленная условиями сварки, реакцией основного металла на термический цикл, выбором присадочных металлов, может быть уменьшена термической обработкой.

Предел ползучести сварного соединения, который характеризует сопротивление ползучести на установившейся стадии, обычно не определяют, так как участок сварного соединения составляет лишь небольшую часть сварной конструкции и не может оказать заметного влияния на общее изменение его при эксплуатации. Предел ползучести отдельно для металла шва определяют, чтобы выбрать такую композицию шва, которая обеспечивает предел ползучести, не уступающий основному металлу. Для этого достаточно провести сравнительное испытание образцов разных составов при температуре эксплуатации и одном уровне напряжений.

Главными свойствами сварных соединений являются длительная прочность и пластичность. Представление об уровне длительной прочности основного металла, металла шва и сварных соединений дают результаты испытаний, приведенные в табл. 6.1.

Сварные соединения для определения длительной прочности чаще всего испытывают на одноосное растяжение. Образец включает

в себя металл шва, околошовные зоны и основной металл. Такое испытание при расположении шва поперек образца позволяет выявить наименее прочный участок, а при расположении шва вдоль образца—наименее пластичный участок сварного соединения. При таких испытаниях из-за малого сечения цилиндрического образца не удается в полной мере выявить эффект контактного упрочнения и возможную локализацию пластических деформаций в отдельных зонах, а также пластичность отдельных очень узких участков, так как общее удлинение образца регистрируется как сумма пластических деформаций всех зон. Эффект контактного упрочнения, соответствующий реальным условиям работы соединений, может быть выявлен на более крупных образцах. Степень разупрочнения сварного соединения относительно основного металла зависит от свойств основного металла и его реакции на термический цикл сварки, а также от температуры испытания и времени до разрушения. Сварные соединения термически неупрочненных сталей, таких, как углеродистые, хромомолибденогые и аустенитные с карбидным упрочнением, равнопрочны основному металлу, и разрушение обычно происходит вне границы сплавления.

Таблица 6,1