книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

Если, например, критическая скорость растяжения VKp со­ ставляет 9 мм/мин, L < 1 0 MM (ширина шва), а скорость охлаж­

Для испытания металла шва в условиях многопроходной сварки применяют образцы, которые сваривают швом испытуе­ мого состава без растяжения, с последующим переплавом этого шва неплавящимся электродом на Vs часть его высоты и растяжением в процессе переплава до появления ГТ в непереплавленной части шва путем прямого или обратного изгиба образцов.

Испытания растяжением с имитацией термического цикла проводят в фазе -охлаждения до 2/з Tmzx на стержневых или пластинчатых образцах, подвергнутых электроконтактному или индукционному нагреву. Рабочая зона таких образцов может иметь строение основного металла или строение сварного шва. Главная особенность таких испытаний — назначение темпера­ туры максимального нагрева. Она должна соответствовать ми­ нимальной температуре, при которой достигается оплавление границ зерен по их периметру. Это устанавливают по темпера­ туре практической потери сопротивления деформированию. По ГОСТ 26 389—84 регламентируется для стали определение Тшах по температуре снижения прочности до 0,15 кг/мм2 путем нагрева под указанным напряжением и фиксировании темпера­ туры разрушения. Окончание деформации — при 2k T max. Вто­ рая особенность испытания при имитации — учет дилатации образца в ТИХ при определении показателей VKP и Вкр.

Испытания образцов в ТИХш проводят в изотермических условиях, с оценкой пластических свойств и сопротивления деформированию с малыми скоростями перемещения актив­ ного захвата.

Для испытания динамическим изгибом (Varestreint, Transvarestreint) применяют серию образцов, проплавляемых на толщины при варьировании радиуса оправки. В качестве ко­ личественного показателя находят екр — критическую величипх деформации (%), при которой возникают ГТ кристаллизаци­ онного и подсолидусного типа, а также измеряют длину ГТ, яв­ ляющуюся косвенным критерием протяженности ТИХг.

Испытания в ТИХш проводят по определению показателя критического напряжения, в условиях послесварочной упроч­ няющей обработки, когда в металле имеют упругие свойств.-], а запас потенциальной энергии сварного образца и закрепляю щих приспособлений ограничен. При этом определяют работе разрушения в ТИХШ и сравнивают ее с металлом, не подвер гающимся сварочному воздействию.

В качестве ицтегрального критерия режима, учитывающего величину отдельцых параметров сварки (сила тока, напряже­ ние на дуге, скорость сварки), предложен критерий R = q-v [квт-м/с], каждый сомножитель которого по мере увеличения оказывает негативное влияние на сопротивляемость ГТ при сварке. Его физический смысл — энерговложение на секундную длину шва. С Помощью указанного критерия выявлена типо­ вая зависимость BHP^f(R)> представленная на рис. 6.7. В по­ лулогарифмических координатах она имеет линейный харак­

где Кв — коэффициент чувствительности сплавов к изменению режима сварки.

В связи С тем, что положение максимума на рис. 6.7 харак­ теризует сопротивляемость ГТ при однотипной схеме кристал­ лизации, изменение показателя В1(р на нисходящей части функ­ ции записывается следующей формулой:

^ к р (Ri) ~ ^кр(Ло) — Кв lg — — •

АО

Составляющая BKp(R0) оценивает сопротивляемость обуслов­ ленную химическим составом сплава, на оптимальном режиме

кой плите по флангам швом с катетом 20 мм. Канавки изго­ тавливают с шагом ЮО мм. При толщине образца >70 мм ка­ навки выполняют с двух сторон, они могут иметь форму пазов; при этом испытании относят к сварке по щелевой разделке.

Сварка образцов проб производится на минимальных ско­ ростях, указанных в п. 6.З.1.5.

При наличии ГТ металл сварного соединения считают склонным к образованию трещин, а степень склонности опре­ деляют относительными коэффициентами длины ГТ, площади

Степень стойкости оценивают по коэффициенту критической ширины ( \ ---- —V ЮО % и критической скорости сварки.

\"max '

Чем больше эти коэффициенты, тем выше стойкость против ГТ для сравниваемых составов шва.

Скорость сварки меняют в пределах качественного форми­ рования шва. При отсутствии ГТ на всех режимах и образцах любой ширины металл сварного соединения считают стойким против ГТ.

6.3.2.4. Расчетно-экспериментальный метод оценки стойко­ сти против ГТ. Метод имеет два вида: детерминированный и вероятностный. При детерминированной оценке находят функ­ цию Вкр{Ю путем применения расчетных или машинных ме­ тодов, а также функцию В • (•/?) применительно к одной из кон­ струкций технологических проб, описанных в п. 6.3.1.6, адек­ ватной по геометрической жесткости исследуемой конструкции сварного узла. Затем по значениям /Сгт определяют область ре­

жимов (tfm ln —Rmax, ГДв /Сгт>0 И Ив МОГУТ ВОЗНИКЭТЬ ГТ П ри

принятом химическом составе шва.

Более точно определяется рабочий диапазон режимов при вероятностной оценке стойкости против ГТ. Она отличается тем, что выявляют как значения функций BKP(R) и В (R), так и их дисперсию путем многофакторного эксперимента или рас­ четного анализа (рис. 6.9)

Это позволяет определить область вероятного образования ГТ при действии технологических возмущений и рассчитать ве­ роятность Р гт[7]

Ргт = Вер [W> S] .

6.4. Холодные трещины (XT)

6.4.1. Природа и причины образования XT

Холодные трещины (XT) объединяют категорию трещин в сварных соединениях, формальными признаками которых яв­ ляются появление визуально наблюдаемых трещин практиче­ ски после охлаждения соединения; блестящий кристаллический излом трещин без следов высокотемпературного окисления [8]. XT — локальные хрупкие разрушения материала сварного со­ единения, возникающие под действием собственных сварочных напряжений. Размеры XT соизмеримы с размерами зон свар­ ного соединения. Локальность разрушения объясняется частич­ ным снятием напряжений при образовании трещин, а также ограниченностью зон сварного соединения, в которых возможно развитие трещин без дополнительного притока энергии от внеш­ них нагрузок.

Характерными особенностями большинства случаев возник­ новения XT являются следующие:

1) наличие инкубационного периода до образования очага трещин;

2) образование трещин происходит при значениях напря­ жений, составляющих менее 0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки.

Эти особенности позволяют отнести XT к замедленному разрушению материала.

К образованию XT при сварке склонны углеродистые и ле­ гированные стали [8], некоторые титановые [9] и алюминиевые сплавы [1].

При сварке углеродистых и легированных сталей XT могут образоваться, если стали претерпевают частичную или полную закалку. Трещины возникают в процессе охлаждения после сварки ниже температуры 150 °С или в течение последующих нескольких суток. XT могут образовываться во всех зонах сварного соединения и иметь параллельное или перпендику­ лярное расположение по отношению к оси шва. Место образо­ вания и направление трещин зависят от состава основного ме­

талла и шва, соотношения компонент сварочных напряжений и некоторых других обстоятельств. В практике холодные тре­ щины в соответствии с геометрическими признаками и харак­ тером излома получили определенные названия: «откол» — про­ дольные в ЗТВ, «отрыв» — продольные в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного), «частокол» — поперечные в ЗТВ и др. (рис. 6.10). Наиболее частыми являются XT вида «откол».

Образование XT начинается с возникновения очага разру­ шения, как правило, на границах аустенитных зерен на околошовном участке ЗТВ, примыкающих к линии сплавления (рис. 6.11). Протяженность очагов трещин составляет несколько

диаметров аустенитных зерен. При этом разрушение не сопро­ вождается заметной пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое. Это позволяет отнести XT к меж­ кристаллическому хрупкому разрушению. Дальнейшее разви­ тие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер.

Отмеченные выше закономерности послужили основанием для формулирования предположительных механизмов разру­ шения при образовании очагов XT. Эти механизмы в разных вариантах включают два основных процесса: низкотемператур­ ную ползучесть [8, 10] и диффузионное перераспределение во­ дорода. /

Низкотемпературная ползучестьУ реализуется путем разви­ тия микроплабтической деформации (МПД) в приграничных зонах зерен [8]. МПД обусловлено наличием в структуре све­ жезакаленной стали незакрепленных, способных к скольжению Краевых дислокаций при действии сравнительно невысоких на­ пряжений. Особенно высока плотность дислокаций в мартен­ сите непосредственно после воздействия термического цикла. Величина МПД лежит в диапазоне 10_6—10-4 и проявляется при напряжениях выше предела неупругости стл (или микроско-

пического предела текучести) (рис. 6.12). МПД является тер­ мически активируемым процессом, т. е. ее Скорость зависит от температуры и величины приложенных напряжений. После «от­ дыха» способность закаленной стали к МПД исчезает. Конеч­ ные высокая твердость и предел текучести закаленной стали — результат старения, при котором происходит Закрепление дис­ локаций атомами углерода. Особенности развития МПД до­ статочно хорошо объясняют приведенные выше закономерно­ сти замедленного разрушения.

При длительном нагружении по границам зерен развива­ ется локальная МПД. В результате последней реализуется

7

межкристаллическое разрушение по схеме Зинера—Стро, пред­ полагающей относительное проскальзывание и поворот зерен по границам (рис. 6.13).

Действие диффузионного водорода при образовании XT наиболее соответствует одному из механизмов обратимой во­ дородной хрупкости [8]. Ее особенность заключается в том, что в условиях медленного нагружения источники водородной хрупкости образуются вследствие диффузионного перераспре­ деления водорода и исчезают через некоторое время после сня­ тия нагрузки. Разновидностью обратимой хрупкости является водородная статическая усталость, которая проявляется при длительном действии постоянных напряжений, превышающих некоторую критическую величину. Для описания процесса раз­ рушения используются различные механизмы: молекулярного давления, адсорбционный, максимальных трехосных напряже­ ний и др. При этом важная роль отводится взаимодействию водорода с дислокациями.

нитного типа (5Д, размером действительного аустенитного

зерна (d3);

2) концентрация диффузионного водорода в зоне зарожде­

ния очага трещины (Нд) 5

3) уровень растягивающих сварочных напряжений I рода

(<Тсв).

Критической структурно-водородное и напряженное состоя­ ние в ЗТВ, обусловливающее образование XT, может быть опи­

сано регрессионными уравнениями, полученными статистиче­ ской обработкой результатов испытаний на замедленное раз­ рушение (см. стр. 190) [11, 12]. Критериями критического со­ стояния служат критические значения одного из факторов тре-

верхностей с определенной вероятностью соответствует отсут­

ния трещин в титановых сплавах менее исследованы, чем для случая сварки легированных сталей. Установлено, что они имеют характер замедленного разрушения. При этом период до разрушения значительно больше, чем у сталей, и может до­ стигать несколько десятков суток. Образование трещин свя­ зано с метастабильным состоянием металла шва и зоны тер­ мического влияния после сварки, обусловливающим их пони­ женную пластичность.

Склонность технического титана и малолегированных а-сплавов к XT связывают с интенсивным ростом зерна при сварке и насыщением газами (Н2, 0 2, N2) свыше допустимой концентрации. Водород, имеющий пониженную растворимость в a-фазе (до 0,001 %), способен образовывать хрупкий гидрид титана. Последний образуется со значительным положитель­ ным объемным эффектом (15,5%) и наряду с охрупчиванием металла может привести к повышению уровня микронапряже­ ний 2-го рода. Водород также способен адсорбироваться на границах зерен, снижая их когезионную прочность. Отмечено, что действие водорода усиливается при одновременном насы­ щении металла сварного соединения кислородом и азотом. За­ медленный характер разрушения, по-видимому, объясняется диффузионным перераспределением водорода и релаксацион­ ными процессами в зонах локального действия пиков микро­ напряжений, в том числе и по границам зерен.

Склонность к XT наблюдается у а + р-сплавов титана, леги­ рованных главным образом эвтектоиднообразующими р-стаби- лизирующими элементами (Fe, Сг, Мп и др.). Образование трещин связывают с выделением в процессе фазовых превра­ щений хрупких фаз. В процессе охлаждения после сварки при

соединений. Образование интерметаллидов возможно при пе­ реходе метастабильных фаз со временем в стабильное состоя­ ние. Выделение to-фазы и интерметаллидов на границах зерен ведет к снижению пластичности и повышению склонности к об­ разованию XT.

Рост зерна в указанных сплавах ограничен в связи с отно­ сительно высокой концентрацией легирующих элементов. Охрупчивающее действие водорода проявляется в меньшей степени у этих сплавов по сравнению с а-сплавами, поскольку растворимость водорода в p-фазе на несколько порядков больше, чем в a-фазе. Замедленный характер разрушения, повидимому, объясняется развитием во времени превращений в метастабильных фазах и релаксационными процессами в зо­ нах действия межфазных напряжений на границах зерен.

Склонность к XT наблюдается при сварке некоторых высо­ колегированных термоупрочняемых алюминиевых сплавов си­

стем Al—Mn—Zn и A1-:Zn—M&—1Си [1]. Природа и механизм образования Трещин еще недостаточно исследованы. Их воз­ никновение связывай с выделением хрупких интерметаллид-

ных фаз в процесе ст^Рения ПРИ охлажДении ПРИ сварке и в послесварочный период- В РезУльтате дисперсионного твердения имеет место оТноситеДьное упрочнение тела зерна по отноше­ нию к приграничным зонам. В процессе релаксаций сварочных напряжений нроисхоДит локальное накопление пластических деформаций на гранйцах зеРених перенапряжение и замед­ ленное разрушение.

6.4.2. Способы и КритеРии °Ченки склонности к XT

Способы оценки склойности к трещинам можно классифициро­

сравнительные и приклаДныеКосвенные способы позволяют получать оценку склонности

к трещинам расчетным путем без непосредственного испыта­

ния материалов.

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб, специализированные испытания сварных соединений или образующих его материалов в условиях, имитирующих сва­

рочные.

Критерии оценки или показатели склонности к трещинам, как правило, выражаются через характеристики одного или совокупности изменяющихся факторов, обусловливающих об­ разование трещин. Качественные критерии не имеют количест­ венного выражения и по существу имеют смысл «материалы склонные» или «несклонные» к трещинам. Количественные критерии имеют численное выражение, связанное с изменением одного из факторов, контролирующих процесс образования трещин, и однозначно оценивают склонность (стойкость или сопротивляемость) к трещинам. Если при определении показа­ телей склонности к трещинам одновременно изменяются не­ сколько активных факторов, а критерий оценки является чис­ ловой характреистикой одного из них, то есть следует считать полуколичественным.

Способы оценки, критерии которых могут быть использо­ ваны только для сопоставления материалов или технологиче­ ских вариантов сварки по их склонности к трещинам, относят к сравнительным. Количественные критерии, которые могут быть использованы для оценки стойкости сварных соединений конструкций против трещин, относят к прикладным.