Сварка разнородных сталей

Механизм влияния структурной неоднородности нестабильной зоны сплавления на работоспособность сварного соединения

О влиянии механической неоднородности сварного соединения на его работоспособность известно давно. Еще Н. О. Окерблом пока­зал, что характер деформирования и место разрушения сварного соединения при его растяжении зависит от степени отличия (соот­ношения) предела прочности основного металла и металла шва. В это же время А. М. Макара и Б. С. Касаткин, испытывая сварное соединение на изгиб, установили, что угол загиба также зависит от соотношения прочностных характеристик основного металла и металла шва. По полученным ими данным даже сравнительно небольшое изменение этого соотношения вследствие снижения проч­ности металла шва по сравнению с прочностью основного металла вызывает локализацию деформации в шве, что сопровождается уменьшением угла загиба сварного соединения. При исследовании' причин преждевременных разрушений стыков трубопроводов в процессе их эксплуатации установлено, что разрушения эти вы­званы различием пределов текучести основного металла и металла шва.

Последующие экспериментальные, а также расчетные иссле­дования напряженного состояния и характера деформирования образцов показали, что при наличии в испытуемом образце мягкого, т. е. с пониженными прочностными свойствами (предел текучести, временное сопротивление), или твердого (повышенные прочностные характеристики) слоя деформация образца и место его разрушения зависят от относительной толщины этих слоев (к), представляю­щей собой отношение их толщины к толщине (диаметру) образца. Если относительная толщина слоя имеет значительную величину
(х> 1), деформация образца при растяжении происходит по за­кону, определяемому общей диаграммой для этого нагружения. Разрушаются такие образцы по металлу с меньшими прочностными характеристиками при нагрузках, отвечающих его временному со­противлению. При относительной толщине слоя меньше единицы характер деформирования образца и место его разрушения зависят ют степени так называемого контактного взаимодействия, приводя­щего к упрочнению мягкого слоя и смягчению твердого.

В § 2 гл. III показано, что наиболее характерная структурная неоднородность, образующаяся в зоне сплавления разнородных сталей, представляет собой узкие прослойки — светлотравящуюся со стороны менее легированной стали и темнотравящуюся со сто­роны высоколегированной. По механическим свойствам первая является мягкой прослойкой, вторая — твердой (рис. 44).

Влияние механической неоднородности — мягких и твердых прослоек сравнительно малых толщин — на работоспособность сварных соединений при различных видах деформации исследовано довольно обстоятельно [2, 3]. Положительным в указанных иссле­дованиях является то, что в них на основе теоретического анализа напряженного состояния прослоек, существенно отличающихся своими прочностными и пластическими характеристиками от ос­новной массы деформируемого образца, получены расчетные фор­мулы, которые позволяют оценить работоспособность сварного со­
единения при наличии в нем механической неоднородности. При выводе этих формул исходили из того, что в процессе растяжения образца с мягкой прослойкой в тот момент, когда средние напря­жения достигают предела текучести металла прослойки, в послед­ней возникает пластическая деформация. Однако развитию такой деформации препятствует соседний более прочный металл, еще продолжающий работать упруго, что приводит к возникновению на контактных поверхностях касательных напряжений. В результате эта прослойка в приконтактной области даже в случае одноос­ного растяжения становится объемно напряженной. Возникающее в приконтактных областях мягкой прослойки сложнонапряжен­ное состояние распространяется лишь на некоторую глубину. По­этому его влияние на свойства мягкой прослойки зависит от раз­меров (относительной толщины) последней.

При растяжении образца с толстой прослойкой с ростом растя­гивающего усилия возникающие на контактных поверхностях ка­сательные напряжения увеличиваются и достигают предела теку­чести металла прослойки для чистого сдвига. В результате этого вдоль контактных поверхностей начинается процесс скольжения, что приводит к вязкому разрушению образца по мягкой прослойке. При толстой мягкой прослойке разрушение по ней возможно и под воздействием нормальных напряжений, если они достигнут уровня временного сопротивления металла прослойки. Следовательно, в сварном соединении с мягкой прослойкой значительной толщины, если прочностные характеристики ее заметно отличаются от таких характеристик основного соседнего металла, возможно прежде­временное разрушение от растягивающих нагрузок.

С уменьшением толщины мягкой прослойки ее прочность в про­цессе растяжения увеличивается вследствие контактного упроч­нения. При определенной (довольно малой) толщине прослойки ис­пытываемый образец или сварное соединение с мягкой прослойкой становится равнопрочным металлу их основной части, в связи с чем разрушение может происходить вне прослойки и она, следователь­но, в таких случаях не влияет на работоспособность сварного соеди­нения в условиях растяжения. Такая толщина прослойки названа критической.

Следует отметить, однако, что при относительной толщине мяг­кой прослойки, равной или меньшей критической, разрушение вне ее непременно происходит лишь. в том случае, если металл этой прослойки обладает стойкостью против охрупчивания. В противном случае с переходом прослойки в объемнонапряженное состояние снижается ее сопротивление отрыву. В результате этого нормаль­ные напряжения в прослойке могут достигнуть сопротивления от­рыву, что приведет к разрушению элемента по прослойке. Причем, разрушение в этом случае будет хрупким. Следовательно, кри­тическое значение толщины мягкой прослойки зависит от конкрет­ных условий ее работы и должно определяться с учетом свойств материалов и, прежде всего, запаса вязкости металла самой прослойки, определяемого отношением сопротивления отрыву к пре­делу текучести.

При исследовании влияния твердой прослойки на работоспособ­ность сварного соединения исходили из того положения, что с по­явлением в приконтактной области мягкой прослойки объемно-на­пряженного состояния последнее создается и в приконтактной об­ласти соседнего твердого металла. Однако напряженное состояние в твердом основном металле имеет иной характер, чем в мягкой прослойке. Возникающие здесь касательные напряжения являются сжимающими, а не растягивающими. В связи с этим приконтактная область твердого металла будет менее напряженной, чем при одно­осном растяжении.

Снижение напряженности твердого металла приводит к тому, что твердая прослойка при совместной работе с мягким металлом вовлекается в пластическую деформацию при напряжениях, зна­чительноменьших предела текучести ее металла в случае одноосно­го растяжения. При появлении пластической деформации в твердой прослойке снижается вероятность хрупкого разрушения, которое может быть причиной преждевременного (аварийного) выхода из строя элемента, содержащего такую прослойку.

Твердая прослойка при совместной работе с мягким металлом вовлекается в пластическую деформацию тем больше, чем меньше ее относительная толщина. При определенной величине послед­ней, названной критической, твердая прослойка полностью вовле­кается в пластическую деформацию. Если относительная толщина твердой прослойки равна или меньше критической, то влияние этой прослойки на работоспособность содержащего ее элемента, в том числе и сварного соединения, полностью исключается.

Приведенные выше сведения относятся к деформации механи­чески неоднородного образца (элемента) кратковременным растя­жением или сжатием. Закономерности влияния мягкой и твердой прослоек на работоспособность сварного соединения, присущие деформированию растяжением (сжатием), качественно сохраня­ются также при изгибе, кручении, ударном и импульсном нагруже­нии, усталостном разрушении и длительном растяжении в условиях высоких температур [2, 98].

Следует отметить, что эффект контактного упрочнения при дли­тельном растяжении в условиях высоких температур, которое при­суще работе большинства сварных соединений разнородных сталей, наблюдается только при нормальных напряжениях, не достигающих уровня хрупкой прочности металла прослойки. Если же металл мягкой прослойки в процессе ползучести охрупчивается интенсив­но, длительная прочность сварного соединения резко снижается [981. В области хрупкого разрушения длительная прочность мягкой прослойки становится даже ниже, чем прочность ее металла при свободном деформировании.

Изложенное выше позволяет судить о механизме влияния, ко­торое может оказать образуемая в зоне сплавления разнородных
сталей структурная неоднородность на работоспособность сварного соединения. Если считать, что характерная для нестабильной зоны сплавления разнородных сталей структурная неоднородность пред­ставляет собой мягкую прослойку со стороны менее легированного металла и твердую — со стороны более легированного (рис. 44), то влияние неоднородности на работоспособность сварного соеди­нения определяется изложенными выше закономерностями. Исходя из этих закономерностей, можно считать, что влияние рассматривае­мой структурной неоднородности зоны сплавления разнородных сталей на работоспособность сварного соединения зависит от сте­пени ее развития, которая определяет размеры (относительную тол­щину) образуемых при этом прослоек с измененными механичес­кими свойствами.

Практически в зоне сплавления сварного соединения разнородных сталей даже в усло­виях, вызывающих весьма интенсивное раз­витие структурной и механической неодно­родности, трудно представить образование прослойки с относительной толщиной больше упомянутой выше критической, определенной расчетом [2, 3]. И все же известно немало слу­чаев преждевременного разрушения сварных соединений разнородных сталей по зоне сплав­ления. В связи с этим можно было бы предпо­ложить, что в условиях работы комбинирован­ных конструкций эксплуатационная проч­ность сварных соединений разнородных ста­лей определяется не столько образуемой в зоне сплавления структурной неоднородностью, сколько дру­гими факторами, например, различием коэффициентов линейного расширения сплавляемых металлов. Однако специально проведен­ные эксперименты не подтверждают такого предположения. Сущ­ность этих экспериментов состояла в испытании на термическую усталость цилиндрических образцов с диаметром 15 мм и дли­ной 55 мм, изготовленных из наплавок, выполненных высоко­никелевым сплавом Х25Н60М10 на углеродистой стали марки СтЗ таким образом, что одна половина образца в поперечном сечении состояла из сплава Х25Н60М10, а вторая — из стали марки СтЗ.

Характерным для испытанных образцов являлось то, что коэф­фициенты линейного расширения сплавленных металлов практи­чески равны (табл. 4).

Металл наплавки части образцов дополнительно легировали марганцем до 9—11%. Такое количество марганца не изменяет коэффициент линейного расширения аустенитного металла, осо­бенно с высоким содержанием никеля, но способствует (13] образо­ванию структурной неоднородности в зоне сплавления последнего с неаустенитным металлом.

Испытания заключались в поочередном нагреве образца в печи до температуры 550° С и быстром охлаждении его в воде. Получен­ные результаты показали, что в образцах с наплавкой, дополни­тельно легированной марганцем, после 500 циклов при 11% мар­ганца и 1000 циклов при 9% в зоне сплавления образовались уста­лостные трещины, характерный вид которых приведен на рис. 45, а. В образцах с наплавкой без марганца трещин не обнаружено даже после 2000 циклов. Микроструктура в зоне сплавления этих образцов приведена на рис. 45, б. Из рис. 45 видно, что в образцах с трещинами в зоне сплавления имеет место структурная неодно­родность, характерная для сварных соединений разнородных ста-

лей, в то время как в образцах без трещин такой неоднородности не наблюдается.

Весьма четко также видна связь разрушения сварного соедине­ния разнородных сталей по зоне сплавления с образованием в ней структурной неоднородности на рис. 46 [4]. На этом рисунке при­ведена микроструктура в месте разрушения сварного соединения перлитной стали 1Х2М, выполненного аустенитными электродами ИМЕТ-4П (наплавленный металл — сплав на никелевой основе Х16М25), которое вызвано термической усталостью после 1500 цик­лов нагрева описанных выше цилиндрических образцов в печи до температуры 550° С и охлаждения в воде.

Кроме того, полученные данные [221 довольно четко показы­вают, что образование рассматриваемой неоднородности сказы­вается на прочности и характере разрушения сварных соединений разнородных сталей, подвергнутых длительному нагружению в условиях высоких температур, что характерно для работы боль­шинства комбинированных конструкций. Испытывали десятикрат­ные образцы диаметром 7,0 мм, изготовленные из соединений перлитной стали Х5М с аустенитной Х18Н10Т, выполненных автоматической сваркой под флюсом различными аустенитными проволоками. Испытания производили при температуре 550° С.

Полученные результаты показали, что все образцы из соединений, выполненных проволокой Св-07Х25Н13 и Св-04Х19Н11МЗ, разру­шились по зоне сплавления стали Х5М с металлом шва (рис. 47, о), причем разрушение было хрупким. Металлографическое исследо­вание (рис. 47, б) показывает, что в этой зоне имеет место довольно развитая структурная неоднородность в виде темнотравящейся прослойки со стороны металла шва и светлотравящейся — со сто­роны стали Х5М. Разрушение проходит по светлотравящейся про-

слойке. Лишь в образцах из сварного соединения, выполненного проволокой, содержащей 60% никеля, в зоне сплавления стали Х5М с металлом шва структурная неоднородность не обнаружи­вается (рис. 48, а). Все испытанные образцы из этого соединения разрушились по стали Х5М вдали от зоны сплавления. Разрушение имело вязкий характер (рис. 48, б).

О том, что образование в зоне сплавления разнородных сталей характерной структурной и механической неоднородности приво­дит к разрушению сварного соединения в этой зоне при длитель­ном воздействии на него нагрузок в условиях высоких температур, свидетельствуют также данные других исследователей [47].

Тот факт, что зона сплавления разнородных сталей часто явля­ется местом разрушения комбинированных конструкций, несмотря
на довольно малую относительную толщину образуемых здесь про­слоек металла с заметно измененными механическими свойствами, позволяет предположить, что в условиях работы сварных соедине­ний таких сталей эффект контактного упрочнения мягких прослоек и смягчения твердых проявляется менее интенсивно, чем в образцах. Такое предположение вполне возможно, если учесть, что, как это видно из расчетных формул [2, 3], критическая толщина прослойки зависит от степени механической неоднородности данного элемен­та, т. е. от соотношения пределов прочности металла основной его части и прослойки. Из этих формул отчетливо видно, что чем выше степень неоднородности элемента, тем меньшая толщина прослойки должна быть, чтобы обеспечить его равнопрочность. Не исключено также, что в условиях работы сварных соединений разнородных сталей в мягкой прослойке создается такое напряженное состоя­ние, которое существенно снижает сопротивление отрыву ее металла, а это, как уже указывалось, также приводит к прежде­временному и даже хрупкому разрушению.

Таким образом, можно считать, что образуемая в нестабильной зоне сплавления разнородных сталей структурная неоднород­ность сказывается на работоспособности сварного соединения вследствие появления в нем прослоек с пониженной прочностью и с пониженной пластичностью.

При значительном развитии неоднородности образуются про­слойки такой ширины, при которой они не полностью подвергаются контактному взаимодействию с соседними участками металла свар­ного соединения. В результате этого в процессе нагружения свар­ного соединения прослойки сохраняют пониженную прочность и пластичность. Наличие таких прослоек и приводит к преждевре­менному разрушению сварного соединения. При статической на­грузке оно происходит по мягкой прослойке (обезуглероженная про­слойка). Сварное соединение, работающее в условиях динамической нагрузки, разрушается по твердой прослойке (науглероженная прослойка).

Следовательно, для получения сварных соединений разнород­ных, сталей, работоспособных в условиях, для которых они пред­назначены, следует полностью исключить образование в зоне сплавления структурной и механической неоднородности либо ог­раничить ее до такой степени, чтобы размеры (ширина) получаемых прослоек были меньше критических для данных условий. Кроме того, необходимо также, чтобы получаемая мягкая прослойка была стойкой против охрупчивания, склонность к которому зависит от природы материала.