Свойства сварных соединений при высоких температурах

Свойства сварных соединений при высоких температурах эксплуатации отличаются от свойств основного металла при тех же температурах главным образом по двум причинам.

1. В сварных соединениях возникают участки (металл шва и зоны термического влияния) с иными механическими свойствами, чем у основного металла. Отличия обусловлены иным химическим составом металла шва и его структурой по сравнению с основным металлом. В зонах термического влияния могут происходить глубокие изменения вследствие ослабления границ зерен в результате перегрева, дисперсионного упрочнения этих зон в процессе действия рабочих температур.

2. В сварных соединениях возникает концентрация напряжений, которая при высоких температурах действует как фактор концентрации пластических деформаций ползучести и как фактор постоянно действующего напряжения в местах объемных схем напряженного состояния, где ползучесть затруднена.

Оценка механических свойств шва и зон термического влияния в отдельности не может дать ответа на вопрос о поведении сварного соединения в целом, так как при высоких температурах в процессе ползучести металла происходит сложное механическое взаимодействие отдельных зон, приводящее как к исчерпанию пластичности металла некоторых мест, так и к образованию объемных напряжений в прослойках с последующим хрупким разрушением. Неоднородность механических свойств, обусловленная условиями сварки, реакцией основного металла на термический цикл, выбором присадочных металлов, может быть уменьшена термической обработкой.

Предел ползучести сварного соединения, который характеризует сопротивление ползучести на установившейся стадии, обычно не определяют, так как участок сварного соединения составляет лишь небольшую часть сварной конструкции и не может оказать заметного влияния на общее изменение его при эксплуатации. Предел ползучести отдельно для металла шва определяют, чтобы выбрать такую композицию шва, которая обеспечивает предел ползучести, не уступающий основному металлу. Для этого достаточно провести сравнительное испытание образцов разных составов при температуре эксплуатации и одном уровне напряжений.

Главными свойствами сварных соединений являются длительная прочность и пластичность. Представление об уровне длительной прочности основного металла, металла шва и сварных соединений дают результаты испытаний, приведенные в табл. 6.1.

Сварные соединения для определения длительной прочности чаще всего испытывают на одноосное растяжение. Образец включает

в себя металл шва, околошовные зоны и основной металл. Такое испытание при расположении шва поперек образца позволяет выявить наименее прочный участок, а при расположении шва вдоль образца—наименее пластичный участок сварного соединения. При таких испытаниях из-за малого сечения цилиндрического образца не удается в полной мере выявить эффект контактного упрочнения и возможную локализацию пластических деформаций в отдельных зонах, а также пластичность отдельных очень узких участков, так как общее удлинение образца регистрируется как сумма пластических деформаций всех зон. Эффект контактного упрочнения, соответствующий реальным условиям работы соединений, может быть выявлен на более крупных образцах. Степень разупрочнения сварного соединения относительно основного металла зависит от свойств основного металла и его реакции на термический цикл сварки, а также от температуры испытания и времени до разрушения. Сварные соединения термически неупрочненных сталей, таких, как углеродистые, хромомолибденогые и аустенитные с карбидным упрочнением, равнопрочны основному металлу, и разрушение обычно происходит вне границы сплавления.

Таблица 6,1

Пределы длительной прочности основного металла, металла шва и сварных соединений σд.п, МПа

Длительная прочность сварных соединений термически упрочненных сталей может быть существенно ниже вследствие разупрочнения в зонах термического влияния. В хромомолибденованадиевых сталях разупрочняется участок высокого отпуска и неполной перекристаллизации, в аустенитных сталях и сплавах с интерметаллидным упрочнением — участок вблизи линии сплавления, нагреваемый до температур аустенизации. Зоной разупрочнения может быть и сам шов, если не обеспечена его равнопрочность основному металлу, что обычно более вероятно в сталях с высокой степенью легирования. Разупрочненные участки выступают в роли мягких прослоек (см. гл. 3). Общая закономерность подкрепляющего действия соседних более прочных участков на мягкую прослойку при высоких температурах сохраняется, если разрушение прослойки

происходит вязко. Влияние высоких температур из-за ползучести металла проявляется в слабом подкрепляющем действии соседних участков, но более важно, что при длительных выдержках разрушение в прослойке может произойти хрупко, причем уровень прочности при этом может оказаться даже ниже уровня прочности металла мягкой прослойки. На рис. 6.8 показана зависимость длительной прочности мягкой прослойки от времени, если прочность основного металла выше прочности прослойки. Металл мягкой про- слойки, испытанный отдельно, на участке 1 разрушается вязко, а на участке 1’ при длительных выдержках — хрупко. При контактном упрочнении прочность соединения с прослойкой при вязких разрушениях выше прочности самого металла прослойки (линии 2 и 3), причем для тонкой прослойки (линия 3) эффект упрочнении проявляется сильнее. Вследствие эффекта контактного упрочнения напряжение в мягкой прослойке не является одноосным, что уменьшает пластическую деформацию ползучести. Уменьшение пластической деформации из-за объемности напряженного состояния приводит, в свою очередь, к более раннему переходу мягких прослоек от вязкого разрушения к хрупкому, причем их прочность оказывается ниже прочности металла мягкой прослойки. На рисунке переход от вязкого разрушения к хрупкому показан скачкообразно. На самом деле разрушения в мягкой прослойке имеют обычно смешанный характер, сочетая в разной пропорции участки внутризеренных и межзеренных трещин. При более длительных выдержках преобладают межзеренные (хрупкие) участки разрушения.

Степень проявления эффекта контактного упрочнения зависит от разницы свойств основного металла и мягкой прослойки, а также от относительной толщины прослойки. На рис. 6.9 приведены графики длительной прочности и пластичности сварного соединения с мягкими прослойками разной толщины. Для сравнения взяты основной металл и металл мягкой прослойки, первый из которых (7) более прочен, а второй (2) более пластичен. При t < t1 разрушение происходит по основному металлу. При t = t1 разрушение переходит в прослойку большей толщины (3). поперечное сужение ψ резко падает. При t > t1 наклон линии прочности 3 больше, чем линии1, что объясняется объемным напряженным состоянием и снижением уровня пластической деформации. При этом увеличивается число

фрагментов межзеренного излома. В случае более тонкой прослойки (4} разрушение в нее переходит позже (при t = t2, но наклон прямой 4 оказывается круче, а уменьшение пластичности значительнее вследствие более сильного эффекта объемного охрупчивания. При большой длительности уровни прочности соединения с прослойкой могут стать даже ниже уровня прочности самого металла мягкой прослойки (2).

В зависимости от относительной толщины мягкой прослойки χ (рис. 6.10) меняется отношение предела длительной прочности соединения σ’д.п к пределу длительной прочности основного металла σд.п, а также пластичность металла до разрушения δ или χ. Причем это изменение зависит от времени t до разрушения. Для сравнительно широкой прослойки (х > 0,5) контактного упрочнения недостаточно и прочность соединения соответствует прочности мягкой прослойки.

В случае непродолжительного времени до разрушения (кривая t1) прочность соединения оказывается равной прочности основного металла и при сравнительно широких прослойках (к = 0,3 — 0,4). Соединения с узкими прослойками равнопрочны основному металлу при большем времени до разрушения, но обнаруживают меньшую пластичность. При весьма большом времени до разрушения (t4) принципиально возможно разрушение, при котором прочность соединения окажется даже ниже прочности металла мягкой прослойки. Из рис. 6.10 видно, что уменьшение длительной прочности сопровождается снижением пластичности, служащим надежным признаком перехода сварного соединения к хрупкому разрушению.

Часто местами хрупкого разрушения являются зоны вблизи линии сплавления, охватывающие сравнительно небольшие по протяженности участки. Этот тип разрушения получил название локальных разрушений. Для оценки склонности сварных соединений к локальным разрушениям используют различные методы, которые могут быть разделены на три группы.

1. Технологические жесткие пробы. Для этих проб проводят сварку образцов, в той или иной мере воспроизводящих неблагоприятные условия, оказываемые сваркой на изменение свойств металла и образование остаточных напряжений. Последующая выдержка образцов в печах должна приводить к образованию трещин. Их

выявляют либо осмотром, либо разрезкой образцов на куски для определения числа трещин. Определяют также минимальное время до появления трещин. Технологические пробы подходят в основном для выявления более склонных к локальным разрушениям сталей и относятся к качественным методам испытаний.

2. Имитация термического цикла сварки на образцах. Методы этой группы основаны на воспроизведении термического цикла сварки на основном металле и последующем испытании образца в условиях, отвечающих режиму эксплуатации. Хотя такие методы дают количественные результаты оценки, они не в полной мере воспроизводят влияние сварки, например деформационный цикл и диффузионные процессы. Преимущество их состоит в том, что они

не предусматривают проведения сварки и могут быть использованы для оценки качества стали на металлургических заводах.

3. Испытание образцов, вырезанных из сварных соединений. В этом случае образец несет в себе термодеформационное воздействие сварки, а термические и силовые условия эксплуатации создаются во время испытаний. Недостатком таких испытаний является отсутствие собственных напряжений, свойственных натуральным сварным соединениям. Испытание образцов на изгиб с постоянной скоростью деформации (методика Центрального котлотурбинного института) выявляет склонность сварных соединений к локальным хрупким разрушениям. За показатель стойкости сварного соединения хрупкому разрушению принимают относительное удлинение крайнего волокна до появления трещины в образце (рис. 6.11). Склонность к хрупким разрушениям возрастает с уменьшением скорости деформации, что в данном случае соответствует увеличению длительности испытания.

Одной из главных причин хрупкости является дисперсионное упрочнение. Повышение стойкости к хрупким разрушениям металла шва и околошовной зоны в основном достигается за счет ослабле-

ния эффекта дисперсионного упрочнения путем соответствующего выбора химического состава основного и наплавленного металла,

режимов сварки и термической обработки. Конкретные рекомендации приведены в книге [2].

Дата добавления: 2015-07-08