На вязкость и пластичность образцов с наплавкой

Для сталей, чувствительных к термическому циклу сварки, особенно если металл сваривается в термически обработанном состоянии, в первую очередь необходимо оптимизировать условия сварки по термическому воздействию на околошовную зону, затем в случае недостаточно высоких свойств металла шва улучшать их соответствующим выбором присадочных материалов.

Пластические деформации металла и деформационное старение относятся к наиболее сильным отрицательным факторам, вызывающим хрупкость при понижении температуры в случае, если они происходят в неблагоприятно ориентированных концентраторах напряжений, расположенных в зоне нагрева от сварки. К неблагоприятно ориентированным относятся концентраторы, плоскость которых расположена перпендикулярно направлению главной деформации удлинения. Это, например, непровары в перпендикулярно пересекающихся стыковых швах, непровары в корне многослойных швов, где концентрируются пластические деформации по мере укладки слоев, это стыки двух не сваренных между собой элементов, пересекаемые перпендикулярными швами, концы фланговых швов в зоне перехода стержневого элемента к косынке, места остановки процесса сварки, в которых возник непровар, плоскость которого перпендикулярна оси шва, места пересечения соединений с неполностью проваренными швами. К неблагоприятно ориентированным концентраторам относятся также линии перехода от шва к основному металлу и непровары в тех случаях, когда на некотором небольшом расстоянии от них параллельно укладываются короткие швы, поперечная местная усадка которых вызывает концентрацию пластических деформаций.

Пластические деформации создаются, как правило, вследствие усадки металла или при его гибке. Пластическая деформация в концентраторе, накопленная при температуре, когда металл находится в вязком состоянии, отрицательно сказывается затем в случае работы металла при низкой температуре. Если низкоуглеродистую

или низколегированную сталь, склонную к деформационному старению, после пластической деформации нагревают до 200—300 °С, то происходит заметное ее охрупчивание. Такой же эффект возникает, когда пластические деформации происходят непосредственно при температуре 200—300 °С; это называют условно динамическим старением. Перечисленными примерами не ограничиваются случаи концентрации пластических деформаций и старения металла. Од-

нако на указанные выше случаи падает большинство зарегистрированных примеров хрупких разрушений при пониженных температурах. На рис. 5.8 показаны результаты испытаний на растяжение образцов. Регистрировались среднее разрушающее напряжение

σср.р и средняя разрушающая деформация εср.р в ослабленном сечении. В первом случае на образцах из стали 15ХСНД при комнатной температуре производилась прокатка средней части вдоль образца для создания деформации около 1 % (у дна надреза возникала, естественно, существенно большая пластическая деформация). Затем образцы проходили старение при Т == 250° С в течение 3 ч. Старение вызывало дополнительное снижение средней пластической деформации примерно на 2 %, и (Тср.р при Т < —40 °С становилось ниже σ0,2. Последующий отпуск образцов при Т = 650 °С в течение 3 ч устранил вредное влияние старения. Во втором случае (рис. 5.9, а, б) по кромке образца из стали 22К с размерами, как на рис. 5.8, производилась наплавка валика. Сварочная пластическая деформация вызывала в корне надреза динамическое деформационное старение непосредственно в процессе сварки. Это привело к снижению σср.р во всем диапазоне температур и смещению Ткр2 примерно в область от —30 до —40 С. Последующий отпуск восстановил прочность и пластичность.

Форма сварных соединений в случае вязкого состояния металла и отсутствия дефектов, как правило, при однократном нагружении не является причиной разрушения сварных конструкций при средних напряжениях, меньше расчетных или близких к ним. При хрупком или полухрупком состоянии металла неудачная форма сварных соединений может оказаться достаточной причиной, чтобы произошло разрушение из-за концентрации напряжений. Опасность тех или иных конструктивных форм зависит от степени охрупчива-

ния металла. Количественные соотношения пока не установлены и можно лишь указать порядок возрастания опасности разрушения. Наименьшей концентрацией обладает стыковое соединение с плавными переходами от шва к основному металлу. Затем следуют соединения с угловыми швами с полным проваром. Нахлесточные соединения, когда швы работают как лобовые или фланговые, уже обладают значительной концентрацией напряжений, но благодаря высоким вязким свойствам металла шва и относительно небольшим размерам катетов обычно не являются причиной хрупких раз- рушений. Наибольшую опасность представляют стыковые и тавровые соединения с неполным проваром. Следует иметь в виду, что опасность разрушения при тех или иных формах соединений зависит от радиусов закругления и абсолютных размеров участвующих в сварном соединении элементов. Чем меньше радиусы и больше размеры свариваемых деталей, тем опаснее концентратор. В нахлесточных соединениях широких элементов с косынками даже радиус закругления, формируемый концом флангового шва, может оказаться достаточным для начала хрупкого разрушения основного металла при низких температурах.

Дефектами сварных соединений, способными вызвать разрушения при низких температурах, могут быть в первую очередь несплавления, трещины, плоские по форме шлаковые включения, острые подрезы, места пересечения швов с участками расслоения металла, мелкие невидимые трещины в угловых швах нахлесточных соединении, непроваренные места остановки процесса сварки, а также резкие вырезы с малыми радиусами после термической резки, не- плавные переходы корневых валиков к основному металлу в многослойных швах, глубокие неровности от чешуйчатости поверхности шва сильные сужения швов из-за нарушения режима сварки.

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. Проявляется она двояко. На первой стадии вследствие циклических нагрузок в зоне концентрации напряжений возникает усталость металла и появляются микротрещины. На этой стадии нет еще отдельных видимых трещин, однако сопротивляемость металла началу разрушения понижается. При ударном нагружении снижается работа начала разрушения— это увеличивает скорость распространения трещины, повышает критическую температуру хрупкости. На рис. 5.10 показаны значения ударной вязкости металла околошовной зоны, испытавшего после нанесения надрезов циклические нагрузки. Позднее, на второй стадии, появляются трещины усталости. Они весьма опасные концентраторы, так как, достигая критических размеров, вызывают внезапное разрушение сварной конструкции. Данные о количестве разрушений, регистрируемых на работающем оборудовании, показывают, что число их растет по мере увеличения срока службы. Эго вызвано как накоплением усталости в металле, так и появлением усталостиых макротрещин. Примеры разрушения сварных конструкций от усталости и лабораторных образцов при низких температурах приведены в книге [55].

На сопротивляемость хрупким разрушениям сварных конструкций помимо усталости отрицательно влияют также старение (изменение свойств металла в процессе длительного его пребывания при высоких температурах), наводороживание и радиация. Эти факторы уменьшают вязкость металла и повышают критические температуры.

Дата добавления: 2015-07-08