СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Хрупкие разрушения

6.7.1. Природа и причины разрушений

Хрупкое разрушение характеризуется тем, что оно не сопро­вождается заметной пластической макродеформацией и проис­ходит при действии средних напряжений, не превышающих предела текучести. Траектория разрушения близка к прямо­линейной, излом нормален к поверхности и имеет кристалли­ческий характер. Хрупкое разрушение, как правило, является внутрикристаллическим. Разрушение в большинстве случаев происходит под действием нормальных напряжений и распро­страняется вдоль наименее упакованной кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скола (отрыва). Однако при некоторых условиях эксплуатации (водородное насыщение, кор­розия и др.) хрупкое разрушение может быть межкристаллит -

ным. Хрупкое разрушение часто происходит внезапно и рас­пространяется с большой скоростью с малыми затратами энер­гии. В ряде случаев оно приводит к катастрофическим разру­шениям сварных конструкций в процессе эксплуатации.

Металлы и сплавы с о. ц. к. решеткой разрушают пластично (вязко) или хрупко в зависимости от состава и условий экс­плуатации. Примеси и легирующие элементы, блокирующие подвижность дислокаций, повышают склонность к хрупкому разрушению. Переход от пластичного к хрупкому разрушению может произойти при снижении температуры, увеличении ско­рости 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 ла­винообразного разрушения.

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

В соединениях легированных сталей наибольшую степень охрупчивания получают участки ОШЗ на расстоянии — 0,1 мм от линии сплавления вследствие укрупнения зерна и образо­вания твердых и малопластичных составляющих структуры в результате превращения аустенита (так называемое «транс­формационное» охрупчивание). Одной из причин охрупчивания может быть сегрегация примесей на границах зерен, обуслов­ливающая межкристаллитное (межзеренное) хрупкое разру­шение. Эта причина является характерной для многослойных сварных соединений некоторых легированных сталей, подвер­женных отпускному охрупчиванию.

Снижение степени охрупчивания металла сварных соедине­ний достигается технологическими и металлургическими спосо­бами. Для низкоуглеродистых сталей это ограничение q/v или высокий отпуск сварных соединений. Для легированных ста­лей технологические меры аналогичны применяемым для пред­отвращения холодных трещин. Весьма эффективными являются металлургические методы. Легирование сталей Mo, Ni, сниже­ние содержания вредных примесей S, Р, 02, N2 и Н2 уменьшает их склонность к хрупким разрушениям. Стали ЭШП и ВДП и металл их сварных соединений имеют достаточно высокое со­противление хрупким разрушениям.

рии К = 0,1+-0,2 и номинальных напряжениях при максималь­ном усилии цикла не более 0,5ао,2

Испытания выполняют статическим нагружением, при этом скорость роста коэффициента интенсивности напряжений (КИН) К должна оставаться в пределах 0,5—1,5 МПа М1/2/с 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 ОБ, накло­ненной к оси v (или f) под углом as, тангенс которого на 5 % меньше тангенса угла а наклона касательной ОА к началь­ному линейному участку диаграммы. По Pq вычисляют Kq по

формулам для расчета КИН:

t л] Ь

Образец тип I Yi —

= 0,2369 [1 + 6,827 (2//6)];

II Кп= { — 0,518 [1 —

— 5,456 (//6)]};

III Уш = { — 5,219 [1 —

— 5,739 (№)]};

IV Yw=Llb { — 1,555 [1 —

— 5,456 (1/6)]},

где I — уточненная после разрушения образца длина исходной усталостной трещины /0.

По величинам Kq и а0,2 вычисляют расчетные размеры се­чения образцов:

^рк — 2,5 (Kq/Oo г)2-

Величину Kq принимают равной Кю, если Pc^,IPq и tph/t^ 1, что соответствует плоской деформации при развитии трещины. Если последнее неравенство не удовлетворяется, то для опреде­ления Кіс следует испытать образцы большей толщины t.

Величину 6с вычисляют для точек С диаграмм Р — v по формуле

2 о)лЕ 0,46 + 0,6/ 1

где Кс* — критический условный КИН, полученный расчетом с заменой Pq на Рс vpc — смещение берегов надреза при раз­рушении образца, определяемое построением на диаграмме Р — v прямой СЕ параллельно касательной ОА.

Величину /ic, пропорциональную площади ОАСЕ ка диа­грамме Р — V (или Р — f), вычисляют по формуле

(1 ->?)кс

J ІС --------------------------------------- .

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

Рис. 6 25 Сварные образцы для испытаний на трещиносюйкость а и б —с протяженным внутренним и поверхностным непроваром [14], а— с поверх ностным непроваром ограниченной длины [14], г — конструкция образца для получения при сварке непровара ограниченной длины [15]

ниях зоны сплавления и зоны термического влияния затрудни­тельно точное изготовление надреза и возможен увод усталост­ной трещины из нужной зоны. Наиболее подходящими в этом случае являются образцы с К-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, чтобы радиус закругления в вершине дефекта не превышал 1 % от глубины дефекта. При условиях а^0,86ао,2 и />2,5s в вершине трещины достигается состояние плоской деформа­ции, необходимое для определения Кіс. КИН для сварных об­разцов может быть^рассчитан по формулам для образцов I и II типов: К= YiO's/h

TOC o "1-5" h z 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

1,255 1,255 1,288 1,328 1,392 1,490 1,635 1,99 2,11 2,43 2,95 2,76 — —

для образца III типа: K=l,775a - у/а • ^ ; alb > V3 + alQs

A = l,12—0,96a/6; B = l-a/s(l — l,5a/6); C—0,26 alb (б a--2 - .

Применение сварных образцов с непроваром позволяет су­щественно упростить и ускорить их изготовление, испытывать

металл сварного соединения в исход­ном состоянии после сварки или по­следующей термообработки (без его видоизменения при наведении устало­стной трещины), выполнять испыта­ния непосредственно после сварки, когда металл находится в неравно­весном состоянии. Так, например, мо­

жно исследовать процесс развития холодных трещин в соединениях ле­

гированных сталей — их остановки или сквозного выхода на поверхность. При этом разрушение, как правило, происходит по зонам, обладающим минимальным сопротивлением разви­тию трещин [15].

Следует отметить, что если при испытании сварных образцов с не­проваром затруднительно построение диаграммы р — и, то для сравнитель­ной количественной оценки в качестве критерия трещиностой­кости вместо Кіс можно использовать значение Кс*, рассчитан­ное по максимальным разрушающим напряжениям атах.

При возможности фиксирования кинетики медленного роста трещины также могут быть получены пороговые значения КИН: Кт3 —соответствующее зарождению трещины глубиной — 0,1 мм; Ктр —началу медленного роста трещины; Кт0 —ос­тановки трещины (при исследовании роста холодной трещины).

Испытания на трещиностойкость при циклическом нагруже­нии (основные) - выполняются для следующих условий: нагру­жение по простому периодическому закону с синусоидальной формой цикла, коэффициент асимметрии Я = —0,1; частота / = = 10—20 Гц, число циклов iV^lO5 [16]. При специальных испы­таниях имитируются эксплуатационные условия работы кон­струкций, применительно к которым определяются характери­стики трещиностойкости. В процессе испытаний устанавливают скорость роста трещины V(A//A7V, dl/dN), где А/ — средний при­

рост длины трещины при заданных условиях испытаний и зави­симость V от К (рис. 6.26):

dl/dN = V* (Кт*х1К*)п,

где К* и п — параметры зависимости.

Измерение ДI производят различными способами: замером меток на изломе образцов, образующихся в результате действия максимальных и минимальных нагрузок цикла; по разности электрических потенциалов в определенных точках образца при росте трещины и др.

К* соответствует У*, равной 10-7 м/цикл. Величину п опре­деляют по углу наклона средней части зависимости аппрокси­мируемой прямой в двойных логарифмических координатах.

В результате испытаний определяют следующие характери­стики грещиностойкосги при циклическом нагружении: Kth— пороговый КИН, при котором начинается страгивание трещины; Kifc -— критический КИН, при котором происходит лавинооб­разное развитие трещины. Величину К}с принимают равной Kifс при удовлетворении следующих условий:

1) наибольший размер пластической зоны у вершины тре­щины не должен превышать 10 % ее длины и расстояние от ее вершины до края образца;

Кщах ^ 0 |8сГо,2 ЛІI И СГтах ^ 0 ,8СТо,2"

Размер зоны пластической деформации определяют визу­ально на полированной поверхности образца.

Максимальная допустимая нагрузка, при нагружении до которой возможна работа конструкции с медленно растущей трещиной, может быть определена Ко - При КИН свыше Ко на­чинается ускоренный рост трещины, неминуемо приводящий к разрушению конструкции. По аналогии со статическим нагру­жением Ко подобен Kq или Кіс-