для руп (Конспект лекций 4302), страница 2

). Этот интервал получил название температурного интервала хрупкости (ТИХ). Наличие ТИХ, в котором минимальная пластичность может

снижаться до 0,1—0,5 . является одной из основных причин образования горячих трещин. Холодные трещины

Наиболее часто холодные трещины возникают в легированных сталях в тех случаях, когда металл под действием термического цикла сварки претерпевает полную или частичную закалку. В этих случаях холодные трещины при сварке появляются в результате замедленного разрушения свежезакаленной стали от действия оста­точных сварочных напряжений. Холодные трещины в зависимости от состава и класса стали могут быть вызваны: а) мартенситным пре­вращением аустенита у среднелегированных сталей мартенситного и перлитного классов; б) сегрегацией примесей на границах аустенит-ных зерен при повторном нагреве до 400—700 при сварке с на­сыщением водородом у низкоуглеродистых среднелегированных сталей бейнитного класса; в) выделением у высокохромистых фер-ритных сталей карбонитридных фаз по границам зерен; г) скопле­нием в околошовных зонах перлитнй-ферритных сталей неметалли­ческих включений в элементах полосчатой микроструктуры стали (ламелярные трещины в околошовной зоне)..

. Изменение свойств металлов при понижении температуры

О б изменении свойств металлов при понижении температуры обычно судят, ориентируясь на их свойства при комнатных температурах (18—20°С). Следует различать поведение металлов, установленное на гладких образцах и при статическом нагружений (предел текучести σ0,2, предел прочности σв, истинное разрушающее напряжение σp, относительное удлинение б, поперечное сужение ψ), и поведение металлов при испытании образцов с надрезами при статическом или ударном нагружений. У подавляющего большинства металлов при понижении температуры предел прочности, предел текучести, твердость увеличиваются, и, казалось бы, эти изменения свойств могут быть использованы для назначения более высоких допускаемых напряжений, и облегчения конструкций. Однако это удается сделать редко. Во-первых, многие конструкции эксплуатируются как при низких, так и при повышенных температурах, что заставляет ориентироваться на более низкие значения σ0,2 и σв. Во-вторых, почти во всех деталях и конструкциях имеется концентрация напряжений,а при понижении температуры чувствительность многих металлов к надрезам резко возрастает. На первый план выступает сопротивляемость хрупким разрушениям. Лишь в отдельных случаях, когда максимальные рабочие нагрузки действуют только при низких температурах, а металл при этом нечувствителен к концентрации напряжений, удается повышать допускаемые напряжения. Такие примеры известны в криогенной технике.

Характер изменения свойств металлов при понижении температуры зависит от многих факторов — вида кристаллической решетки химического состава, величины зерна, термической обработки — и проявляется по-разному в зависимости от условий нагружения и напряженного состояния. Отметим еще ряд особенностей в изменении свойств металлов при понижении температуры.

1. Пластичность обычно уменьшается. Более резко — у конструкционных углеродистых и низколегированных сталей. Слабее — у других металлов. В некоторых случаях происходит увеличение пластичности (у ряда алюминиевых и медных сплавов).

2. Сопротивление усталости при переменных нагрузках в большинстве случаев возрастает.

3. Чувствительность к концентрации напряжений при острых надрезах возрастает, а ударная вязкость (работа разрушения) уменьшается наиболее заметно у железа, углеродистых и низколегированных сталей невысокой прочности, которые имеют резко выраженную область температур перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Понятие хрупкого разрушения в первую очередь следует связывать с энергоемкостью распространения разрушения, т.е. с глубиной зоны пластических деформаций, возникающей при прохождении трещины, и значением пластической деформации у поверхности разрушения. При

значительной пластической деформации, возникающей как на поверхности, так и в глубине, поверхность разрушения волокнистая. При отсутствии пластической деформации или крайне малом ее значении поверхность излома кристаллическая.

К вязким разрушениям относят такие, поверхность которых имеет полностью волокнистый излом. К хрупким разрушениям относят разрушения с кристаллической поверхностью излома. Промежуточное положение занимают полухрупкие разрушения, у которых часть поверхности имеет кристаллический, а часть поверхности — волокнистый излом. Понижение температуры, увеличение скорости нагруження, увеличение концентрации напряжений способствуют переходу от вязких форм разрушения к хрупким.

Высокая работоспособность многих деталей машин, сварных соединений и элементов сварных конструкций при пониженных температурах решающим образом зависит от их способности сопротивляться хрупким разрушениям. Следует, однако, отметить, что для многих материалов даже комнатные температуры могут быть областью их хрупкого поведения и лишь при повышенных температурах разрушения становятся вязкими.

Рассмотрим основные методы оценки свойств металлов при изменении температуры в связи с возможным их охрупчиванием. Наиболее распространенным и простым методом оценки изменения свойств является испытание на ударную вязкость. При этом испытании выявляется как абсолютный уровень ударной работы разрушения αн, который довольно сильно зависит от типа и остроты надреза, так и характер разрушения — вязкий или хрупкий (рис. 5.4). Чем острее надрез, крупнее зерно, больше размеры образца и выше скорость нагружения, тем правее и ниже располагается кривая αн. Так же смещается и кривая В. Принято определять так называемую первую критическую температуру Ткр1, при которой площадь волокнистого излома составляет 50 %.

Для деталей, в которых возможно присутствие трещин или других трещиноподобных дефектов, проводят сериальные испытания *

. 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.

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.

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. 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.