книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

сопротивляемости ламелярным трещинам. Потенциальная склонность к трещинам при сварке проявляется при <20 %, особо высокая стойкость ф г^30% . Однако эти показатели не позволяют судить об образовании трещин в конкретных свар­ ных соединениях.

6.6. Трещины повторного нагрева

6.6.1. Природа и причины образования трещин

Трещины повторного нагрева образуются в процессе высокого отпуска сварных соединений с целью снятия сварочных напря­ жений. Они характерны для низколегированных и легирован­ ных сталей, в особености для перлитных жаропрочных Сг —

—Мо — V сталей. Трещины представляют межкристаллическое разрушение в крупнозернистой части ЗТВ. Критический интер­ вал температур растрескивания 500—700 °С.

Образование трещин связывают с локальной пластической деформацией ползучести, обусловливающей релаксацию (сня­ тие) сварочных напряжений. Нагрев и выдержка в критиче­ ском интервале температур приводят к выделению мелкодис­ персных частиц карбидов в теле зерен. Упрочнение последних способствует развитию пластической деформации преимущест­ венно в приграничных областях зерен. В результате относи­ тельного смещения зерен на их стыках появляются пики ми­ кронапряжений, которые являются причиной зарождения оча­ гов микротрещин. Образование микротрещин облегчается се­ грегацией примесей на границах зерен, снижающих их когези­ онную прочность (прочность сцепления).

Склонность к трещинам повторного нагрева зависит от со­ става стали, микроструктуры ЗТВ и величины остаточных сва­ рочных напряжений. Наличие в составе Cr, Mo, V, а также Си, Ti, Nb и примесей Р, S, Sn, As, Sb и др. способствует появле­ нию склонности к растрескиванию.

Меры предотвращения трещин повторного нагрева предус­ матривают выбор рационального легирования стали, особенно уменьшение до возможного минимума содержания Мо и V, сни­ жение уровня остаточных напряжений в сварных узлах и по­ вышение температуры отпуска свыше 700 °С.

6.6.2. Способы и критерии оценки

Расчетные методы. Потенциальную склонность сталей к трещи­ нам повторного нагрева при высоком отпуске сварных конст­ рукций ориентировочно оценивают с помощью параметрических уравнений.

Одно из них [2] имеет вид: AGL = Cr + 3,3Mo-t-8,lV+ЮС—2, где символы легирующих элементов означают их содержание

в %.

Если параметр AGL>2, то при высоком отпуске возможно

склонности к трещинам повторного нагрева получают путем ис­ пользования жестких технологических проб типа «Тэккен», ко­ торые после сварки подвергают высокому отпуску в течение 5—15 ч. Подобные испытания выполняют с использованием проб других конструкций, в которых сварные соединения же­ стко закрепленных элементов имеют высокие сварочные напря­ жения. В указанных пробах металл ЗТВ испытывается в ре­ жиме релаксации напряжений. По результатам испытаний исследуемые стали разделяют на склонные и не склонные к тре­ щинам.

М а ш и н н ы е и с п ы т а н и я . Метод Винкиера [2] (стан­ дарт СЭВ 01.106.18—87) предусматривает испытание образцов основного металла диаметром 6 мм, которые после имитации сварочного термического цикла в процессе повторного нагрева и выдержки при температурах высокого отпуска (500—600 °С) деформируются со скоростью 0,5—0,05 мм/мин до разру­ шения.

За показатель сопротивляемости трещинам принимается относительное сужение ф. На основании анализа полученных ре­ зультатов установлено, что особо высокая потенциальная склон­ ность к трещинам соответствует ф<5%, а отсутствие склон­ ности к трещинам при ф>20% . Однако эти показатели не по­ зволяют судить об образовании трещин в конкретных сварных соединениях при их отпуске.

6.7. Хрупкие разрушения

6.7.1. Природа и причины разрушений

Хрупкое разрушение характеризуется тем, что оно не сопро­ вождается заметной пластической макродеформацией и проис­ ходит при действии средних напряжений, не превышающих предела текучести. Траектория разрушения близка к прямо­ линейной, излом нормален к поверхности и имеет кристалли­ ческий характер. Хрупкое разрушение, как правило, является внутрикристаллическим. Разрушение в большинстве случаев происходит под действием нормальных напряжений и распро­ страняется вдоль наименее упакованной кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скола (отрыва). Однако при некоторых условиях эксплуатации (водородное насыщение, кор­ розия и др.) хрупкое разрушение может быть межкристаллит-

ным. Хрупкое разрушение часто происходит внезапно и рас­ пространяется с большой скоростью с малыми затратами энер­ гии. В ряде случаев оно приводит к катастрофическим разру­ шениям сварных конструкций в процессе эксплуатации.

Металлы и сплавы с о. ц. к. решеткой разрушают .пластично (вязко) или хрупко в зависимости от состава и условий экс­ плуатации. Примеси и легирующие элементы, блокирующие подвижность дислокаций, повышают склонность к хрупкому разрушению. Переход от пластичного к хрупкому разрушению может произойти при снижении температуры, увеличении ско­ рости деформирования и остроты надреза до определенных пределов, характерных для данного сплава.

Процесс хрупкого разрушения может включать три этапа: возникновение трещин, медленное (стабильное) ее развитие и лавинообразное (нестабильное) распространение разрушения. Отдельные конструкции допускают к эксплуатации с трещиной или трещиноподобным дефектом при условии контроля за их медленным развитием и своевременного предупреждения ла­ винообразного разрушения.

В сварных соединениях низкоуглеродистых сталей наиболее склонны к хрупкому разрушению участки ЗТВ, нагреваемые до 200—500 °С. Их охрупчивание связано с деформационным ста­ рением.

В соединениях легированных сталей наибольшую степень охрупчивания получают участки ОШЗ на расстоянии ~0,1 мм от линии сплавления вследствие укрупнения зерна и образо­ вания твердых и малопластичных составляющих структуры в результате превращения аустенита (так называемое «транс­ формационное» охрупчивание). Одной из причин охрупчивания может быть сегрегация примесей на границах зерен, обуслов­ ливающая межкристаллитное (межзеренное) хрупкое разру­ шение. Эта причина является характерной для многослойных сварных соединений некоторых легированных сталей, подвер­ женных отпускному охрупчиванию.

Снижение степени охрупчивания металла сварных соедине­ ний достигается технологическими и металлургическими спосо­ бами. Для низкоуглеродистых сталей это ограничение q/v или высокий отпуск сварных соединений. Для легированных ста­ лей технологические меры аналогичны применяемым для пред­ отвращения холодных трещин. Весьма эффективными являются металлургические методы. Легирование сталей Mo, Ni, сниже­ ние содержания вредных примесей S, Р, 0 2, N2 и Н2 уменьшает их склонность к хрупким разрушениям. Стали ЭШП и ВДП и металл их сварных соединений имеют достаточно высокое со­ противление хрупким разрушениям.

тура перехода от вязК°Г0 к хрупкому разрушению Ткр или порог

Для определения критериев трещиностойкости применяют несколько типов образцов (рис. 6.23).

Надрез h выполняют с помощью специальных фрез, шлифо­ вального круга, пропиливанием от центрального отверстия или электроискровым способом. Усталостную трещину (to—h) на­ носят при переменном растяжении с коэффициентом асиммет­

рии i?= 0,1ч-0,2 и номинальных напряжениях при максималь­ ном усилии цикла не более О.бао.г-

Испытания выполняют статическим нагружением, при этом

В процессе испытаний регистрируют диаграмму Р—v или Р— f, где v — смещение берегов надреза, фиксируемая специальными датчиками, a f — прогиб в точке приложения Р (рис. 6.24). По диаграмме определяют разрушающее усилие Рс и усилие PQ. Последнее устанавливается построением прямой ОВ, накло­ ненной к оси v (или /) под углом as, тангенс которого на 5 % меньше тангенса угла а наклона касательной ОА к началь­ ному линейному участку диаграммы. По PQ вычисляют KQ по

Р — v прямой СЕ параллельно касательной ОА.

Величину Jic, пропорциональную площади ОАСЕ на диа­ грамме P — v (или P — f), вычисляют по формуле

Применительно к образцам со сварными соединениями при­ веденный выше метод испытаний используется для оценки трещиностойкости отдельных зон соединения, в которых наносится надрез и наводится усталостная трещина. Однако при испыта-

Рис. 6.25. Сварные образцы для испытаний на трещиностойкость:

ниях зоны сплавления и зоны термического влияния затрудни­ тельно точное изготовление надреза и возможен увод усталост­ ной трещины из нужной зоны. Наиболее подходящими в этом случае являются образцы с /(-образным сварным соединением, в которых надрез изготавливается со стороны вертикальной кромки.

В образцах со сварными соединениями для испытаний на трещиностойкость надрез и усталостная трещина могут быть заменены трещиноподобным дефектом, искусственно созданным в процессе сварки, например, непроваром с нулевым зазором (рис. 6.25) (14]. Одно из условий такой замены состоит в том,

в вершине трещины достигается состояние плоской деформа­ ции, необходимое для определения Кю- КИН для сварных об­ разцов может быть_рассчитан по формулам для образцов I

и II типов: К= Yio л/h

щественно упростить и ускорить их изготовление, испытывать

ной количественной оценки в качестве критерия трещиностойкости вместо Кю можно использовать значение К*, рассчитан­ ное по максимальным разрушающим напряжениям Стах.

При возможности фиксирования кинетики медленного роста трещины также могут быть получены пороговые значения КИН:

тановки трещины (при исследовании роста холодной трещины). Испытания на трещиностойкость при циклическом нагруже­ нии (основные) -выполняются для следующих условий: нагру­ жение по простому периодическому закону с синусоидальной формой цикла, коэффициент асимметрии R = —0,1; частота / = = 10—20 Гц, число циклов N ^ IO 5 [16]. При специальных испы­ таниях имитируются эксплуатационные условия работы кон­ струкций, применительно к которым определяются характери­ стики трещиностойкости. В процессе испытаний устанавливают скорость роста трещины V(Al/A'N, dl/dN), где Л/ — средний при-

в зависимости от состава, степени раскисления и структурного состояния,

обеспеченного термообработкой.

Раскисление сталей. Механические и технологические свойства сталей в значительной степени предопределяются их раскисленностыо. По степени

0,05 %. Для этих сталей характерна повышенная неоднородность распре­ деления S и Р по толщине проката и пониженная стойкость против хруп­ кого разрушения. Они склонны к старению. Кипящие стали имеют самый низкий уровень качества среди рассматриваемых трех групп сталей. Но вместе с тем они имеют наиболее низкую стоимость, что предопределяет их распространенность в промышленности.

Полуспокойные стали — это стали, раскисленные Мп и AL. Содержание кремния в них составляет 0,05—0,10% . Эти стали в меньшей степени на­ сыщены газами и более однородны по распределению примесных элементов по толщине проката по сравнению с кипящими. По уровню механических свойств и стоимости полуспокойные стали занимают промежуточное поло­ жение между кипящими и спокойными.

Спокойные стали получают посредством их полного раскисления крем­ нием, марганцем и алюминием. При этом N и 0 2 в их составе связаны А1. Для спокойных сталей характерна повышенная дисперсность феррито-пер­ литной структуры. При переходе от полуспокойных к спокойным сталям отмечается увеличение ударной вязкости и снижение склонности металла к старению. При этом возрастает и стоимость стали. Содержание Si в со­ ставе спокойных сталей обычно составляет 0,14—0,30 %.

7.2. Состав сталей

По соображениям обеспечения благоприятной свариваемости содержание углерода в сталях ограничивают верхним уровнем, соответствующим 0,22— 0,25 %. Реже применяются углеродистые стали с содержанием углерода до

группы: обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного ка­ чества поставляют без термообработки в горячекатаном состоянии. В зави­

7.3. Механические свойства сталей

Механические свойства предопределяются содержанием углерода в составе стали, степенью ее раскисленности, видом и режимами термообработки, влияющей на структурное состояние. Показатели механических свойств ряда марок углеродистых сталей представлены в табл. 7.1.

Прочность сталей. Прочность углеродистой стали закономерно возрас­ тает с увеличением содержания углерода в ее составе и уменьшается с увс личением толщины проката. У стали ВСтЗГ с увеличенным до 0,8— 1,1 %