4 (Практические занятия)

практическое занятие №4. Определение стойкости шва против образования холодных трещин.

Трудоемкость _6__ часов.

Определение стойкости металла шва против образования холодных трещин. Определение механических свойств сплавов после затвердевания. Хрупкое разрушение сварных швов. Технологические пробы. Качественные пробы. Количественные пробы. Критерии для оценки склонности к образованию трещин.

Стойкости металла против перехода в хрупкое состояние.

Любая, в том числе и низкоуглеродистая сталь в зависимости от условий эксплуатации может разрушаться пластично или хрупко. В обоих случаях происходит транскристаллическое разрушение, т. е. разрушение по телу зерна.

Для пластичного разрушения стали характерны следующие признаки: поверхность излома обычно расположена наклонно (приблизительно под углом 45°) по отношению к направлению главных нормальных напряжений; поверхность излома матовая; края разрушенного участка значительно деформированы. Для хрупкого разрушения характерны следующие признаки: поверхность излома обычно расположена перпендикулярно к направлению главных нормальных напряжений; поверхность излома блестящая; края разрушенного участка деформированы мало.

При нормальных температурах сталь имеет объемноцентри-рованную кубическую решетку. Пластическая деформация является результатом сдвигов, вызванных касательными напряжениями, и происходит в кристалле по плоскостям, проходящим по диагоналям куба. Разрушения от касательных напряжений называют разрушением путем среза. Хрупкое разрушение проходит по граням кубической решетки и обусловлено нормальными напряжениями. Оно называется разрушением путем отрыва.

В соответствии с двумя видами разрушения можно говорить о двух типах сопротивления разрушению: сопротивление срезу и сопротивление отрыву (хрупкая прочность). Приведенная на рис. 4-7 схема объясняет механизм перехода одного типа разрушения в другой. Кривая А отображает изменение хрупкой прочности, а кривая Б — изменение предела текучести в зависимости от температуры. Выше температуры пересечения кривых А и Б (T1) разрушение данного материала будет пластичным, а ниже— хрупким. Кривая В проведена в предположении, что надрез в металле повысил его предел текучести в 3 раза. Известно, что предел текучести металла у корня надреза повышается. При температуре выше Т2 материал у надреза будет разрушаться пластично, а ниже Т2 - хрупко. Температура перехода от хрупкого разрушения к пластичному находится в интервале Т1-Т2 в зависимости от наличия надреза и его формы.

Процесс хрупкого разрушения металла состоит из двух стадий. На первой стадии в металле возникают значительные пластические деформации. В хрупком изломе начальную стадию разрушения можно обнаружить по матовой поверхности. Вторая стадия разрушения металла является процессом непрерывного роста хрупких трещин, которые возникают на разных участках.

Развитие хрупкой трещины представляется следующим образом. Впереди фронта главной трещины (рис. 4-8) образуются микротрещины. Каждая такая микротрещина, развиваясь, распространяется в радиальном направлении до тех пор, пока не встретит на своем пути другие развивающиеся микротрещины или фронт главной трещины. Так как возникающие впереди фронта главной трещины отдельные микротрещины не лежат с ней в одной плоскости, то после их слияния образуются уступы в виде характерного, так называемого «шевронного узора». Конец главной трещины имеет форму параболы. При наличии шевронного узора можно определить направление движения хрупкой трещины. Этим пользуются для того, чтобы найти место, откуда началось разрушение конструкции.

Как показывают опыты, скорость распространения хрупкой трещины может достигать 1800 м/с. С возрастанием скорости распространения трещины шевронные уступы становятся все мельче и, наконец, могут совсем исчезнуть. Увеличение скорости распространения трещины может привести к ее разветвлению, так как примерно одинаковые напряжения возникают по широкой дуге трещины. Скорость распространения хрупкой трещины настолько велика, что на ее распространение не успевают влиять внешние силы. Поэтому надо считать, что энергия, необходимая для образования новой поверхности трещины, поступает из накопленной в металле упругой энергии.

Различные стали в зависимости от их химического состава и структуры имеют разную стойкость против перехода в хрупкое состояние. Чтобы судить о сопротивляемости данной стали переходу в хрупкое состояние, принято испытывать несколько одинаковых образцов при разных температурах. Та сталь, которая имеет более низкую температуру перехода в хрупкое состояние, считается лучшей.

В настоящее время широко распространено испытание на поперечный изгиб стандартных образцов с условным надрезом. На рис. 4-9, а—в показаны образцы с полукруглым, остроугольным и ключевидным надрезами, применяемые для испытания на ударный изгиб. Образцы вырезают из подлежащего исследованию металла поперек или вдоль прокатки и испытывают при разных температурах. При понижении температуры наступает такой момент, когда значение ударной вязкости резко падает. На рис. 4-10 видно, что в интервале температур T1-T2 имеет место рассеяние результатов испытаний. Температура T1 называется верхней, а T2 — нижней критическими температурами перехода в хрупкое состояние.

Вырезая из стыкового соединения образцы для ударного изгиба так, чтобы разрез располагался в металле шва, околошовной зоне или основном металле, и испытывая эти образцы при различных температурах, можно определить для каждого участка металла температуры T1 и T2. Сравнение этих температур показывает, какой из участков стыкового соединения имеет более высокую критическую температуру. Эти испытания были предложены в конце XIX в. и благодаря их простоте нашли весьма широкое распространение. Однако описанный метод имеет существенные недостатки, которые не позволяют использовать его для решения ряда возникающих в технике задач. Основные недостатки метода испытания надрезанных образцов на ударный изгиб следующие:

Образец имеет малые размеры и надрез произвольно выбранной формы. При других размерах и форме надреза результаты испытаний образца будут другими. Поэтому получают только сравнительные характеристики сталей. На основании таких испытаний нельзя предвидеть температуру, при которой может произойти хрупкое разрушение стали при работе ее в определенной конструкции. Величина ударной вязкости состоит из работы, затрачиваемой на образование первой стадии хрупкого разрушения, на протекание второй стадии разрушения и на пластическую деформацию сжатого участка образца. Так как в различных сталях энергия, затрачиваемая на каждую из указанных стадий разрушения, может быть различна и соотношение между этими энергиями также может быть разное, нельзя быть уверенным в том, что получаемые при испытаниях данные дадут правильную сравнительную оценку исследуемых сталей.

В последнее время разработан ряд способов испытания образцов на ударный изгиб с определением энергии, необходимой для зарождения и распространения трещин. Усилия многих ученых направлены на создание методик, обеспечивающих получение достоверных и воспроизводимых результатов таких испытаний. Сопротивление распространению трещины может служить объективной характеристикой склонности материала к хрупкому разрушению. Эти способы испытаний, вероятно, найдут широкое применение.

Большое количество хрупких разрушений сварных морских судов типа «Либерти», наблюдавшихся в 1942—1945 гг. в США, а также ряд аварий больших резервуаров для хранения жидкостей и газов и других конструкций в значительной степени способствовали изысканию методов испытаний, позволяющих судить о надежности стали в условиях работы конструкции. В настоящее время имеется более 30 типов образцов разнообразной формы с надрезами различных видов, которые при испытаниях подвергаются растяжению, изгибу и другим видам нагрузки при различных температурах.

На рис. 4-11, а изображен образец для испытания на растяжение и изгиб, представляющий собой пластину размером 126Х X 75 X 5 мм с надрезом на одной стороне. На рис. 4-11, б изображен другой тип образца для испытания на изгиб. При испытании указанных образцов исследуют различные критерии определения перехода металла в хрупкое состояние. Такие критерии, как угол изгиба при максимальной нагрузке, сужение площади поперечного сечения и удлинение, характеризуют пластичность стали перед тем, как начнет распространяться трещина, т. е. характеризуют наступление первой стадии разрушения. Такие критерии, как внешний вид излома и работа после максимальной нагрузки, отражают поведение стали при распространении в ней трещины.

Если эти две группы критериев отражают различные свойства стали, то можно ожидать, что температура перехода стали в хрупкое состояние, установленная на основании этих критериев для одной и той же стали, будет различна. Проведенные исследования показали, что могут быть две температуры перехода металла в хрупкое состояние. Первую из них определяют на основании критерия внешнего вида излома. Этот критерий устанавливает температуру, ниже которой наблюдается хрупкая по внешнему виду поверхность излома стали. Вторую температуру определяют на основании критерия пластичности (угол изгиба, относительное удлинение и т. п.). Этот критерий устанавливает температуру, при которой сталь снижает свою пластичность ниже определенной условной величины.

Температура перехода стали в хрупкое состояние, определяемая на основе критерия пластичности, меняется в зависимости от условий сварки, остроты и глубины надреза. При изменении указанных факторов в неблагоприятную сторону температура перехода стали в хрупкое состояние повышается и приближается к температуре, установленной на основании критерия внешнего вида поверхности излома. С учетом этого можно считать, что критерий внешнего вида отражает поведение стали при самых неблагоприятных условиях, т. е. при наличии бесконечно острого надреза.

Для изучения способности различных сталей сопротивляться распространению хрупкой трещины предложен образец, изображенный на рис. 4-12, а. На одном конце образца высверлено отверстие, в котором сделан надрез. Образец устанавливают в разрывной машине. Конец образца с отверстием охлаждают жидким азотом, противоположный конец образца нагревают. После установления стабильного перепада температуры образец нагружают до постоянной величины поперечных напряжений. Затем наносят удар крупнокалиберной пулей по охлажденному концу. Удар вызывает образование хрупкой трещины, которая под действием поперечных напряжений распространяется в образце и на каком-то расстоянии останавливается. Фиксируется температура участка образца, где остановилась трещина.

Испытания ряда образцов при разных нагрузках позволяют построить кривые (рис. 4-12, б), показывающие, как в зависимости от температуры стали изменяются критические поперечные напряжения, т. е. напряжения, при которых идет распространение хрупкой трещины. Область, лежащая выше и левее кривой, характеризует условия (напряжения и температуру), при которых однажды возникшая хрупкая трещина будет распространяться и пересечет весь образец. Ниже и правее кривой находится область, характеризующая условия, при которых однажды возникшая трещина остановится и не будет распространяться в металле.

Каждая марка стали в зависимости от ее химического состава, структуры и толщины имеет свою, характерную для нее кривую. Для подобных кривых типично наличие почти горизонтального участка, расположенного на уровне сравнительно невысоких поперечных напряжений, и почти вертикального участка.