ТЕОРИЯ сварочных процессов

Хрупкое разрушение металла сварных соединений

Различают пластичное (вязкое) и хрупкое разрушение метал­лов. Характерная особенность пластичного разрушения — боль­шая предшествующая пластическая деформация, составляющая десятки и даже сотни процентов относительно поперечного суже­ния или удлинения. Высокопластичные материалы разрушаются путем среза (соскальзывания) под действием максимальных ка­сательных напряжений (рис. 13.38, а), менее пластичные полу­чают разрушение типа «конус-чашечка» (рис. 13.38, б). Излом имеет матовый оттенок и волокнистый характер Пластичное раз­рушение требует затрат большого количества энергии, поэтому при эксплуатации конструкций случается сравнительно редко.

Хрупкое разрушение 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 (рис. 13.38, в). Хрупкое разрушение, как правило, внутрикристаллическое. Разрушение происходит под действием нормальных напряжений и распро­страняется вдоль наименее упакованной кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скола (отрыва). При некото­рых условиях хрупкое разрушение бывает межкристаллитным (например, при водородной хрупкости). 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 ОЦК решеткой могут разру­шаться пластично или хруп­ко в зависимости от условий эксплуатации: температуры, скорости приложения на­грузки, вида напряженного состояния, наличия острых

надрезов и других факторов. Склонность к хрупкому разрушению зависит от состава и структуры сплавов. 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 трещины, медленное (стабильное) ее развитие и лавинообразное (нестабильное) распространение разрушения. В зависимости от материала, геометрии изделия и условий на­гружения продолжительность стадии медленного развития может быть различной: либо совсем отсутствовать, либо быть весьма длительной. В последнем случае отдельные конструкции допус­кают к эксплуатации с трещиной или трещиноподобным дефек­том при условии контроля за их медленным развитием и своевре­менного предупреждения лавинообразного разрушения Для это­го необходимо знание скорости медленного развития и критиче­ского размера трещины, свыше которого начинается ее неста­бильное распространение.

Существуют способы оценки склонности металла к возникно­вению хрупкого разрушения и его сопротивления распростране­нию хрупкой трещины. Наиболее распространенным способом оценки склонности к хрупкому разрушению являются испытания серии образцов Шарпи с V-образным надрезом на ударный изгиб при различных температурах. Критерий оценки — критическая температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению Гкр или порог хладноломкости (рис.

13.39), который соответствует температуре достижения мини­мальной ударной вязкости, рав­ной 200 кДж/м2. Чем выше Гкр, тем больше склонность метал­ла к хрупкому разрушению. Зна­чение Гкр используют для срав­нительной оценки материалов, от­личающихся составом и струк­турой

Для оценки сопротивления ме­талла нестабильному распростра­нению хрупкой трещины применя­ют один из двух взаимосвязан­ных критериев: критический коэф­фициент интенсивности напряже­ний Кк{Н/м3/2) или вязкость раз­рушения С/с(Дж/м2). Коэффици­ент интенсивности напряжений К, характеризует относительное

повышение растягивающих напряжений в локальной зоне у ведущего края хрупкой трещины:

К = 0]/я7~,

где о — среднее напряжение от внешней нагрузки; I — величина, эквивалентная длине трещины, зависящая от геометрии изделия и расположения трещины.

Значение Кіс— константа, характеризующая свойства мате­риала. При К ^ Кіс начинается нестабильное распространение хрупкой трещины.

Вязкость разрушения Guпредставляет собой затрату энергии на увеличение трещины на единицу длины при нестабильном развитии и константу, характеризующую свойства материала:

где v— коэффициент Пуассона; Е — модуль Юнга.

Значение Ки устанавливают с помощью испытаний на вяз­кость разрушения образцов с искусственно наведенной трещиной путем их статического изгиба или растяжения. Соотношение раз­меров образца (толщины, ширины и длины трещины) выбирают таким образом, чтобы в зоне у вершины трещины создавалось состояние плоской деформации. Нагрузку, соответствующую началу нестабильного роста трещины (скачкообразное увеличе­ние ее длины на 2%), считают критической и по ней рассчиты­вают Kic.

Константы Ки и Glc используют для сравнительной оценки материалов и расчета работоспособности конструкций, при нали­чии трещин или технологических трещиноподобных дефектов (например, непроваров, несплавлеиий, макротрещин в сварных соединениях). Зная Ки можно рассчитать допустимые средние напряжения от внешней нагрузки или критический размер тре­щины, до достижения которых конструкция может эксплуатиро­ваться с наличием трещины.

Сварные соединения стальных конструкций в ряде случаев склонны к хрупкому разрушению в условиях работы при отри­цательных температурах и условиях динамического нагружения. Этому способствует охрупчивание металла в ЗТВ вследствие воздействия СТДЦ, а также наличия геометрических концентра­торов напряжений и остаточных сварочных напряжений. В соеди­нениях низкоуглеродистых сталей наиболее склонны к хрупкому разрушению участки ЗТВ, нагреваемые до 470...770 К. Их охруп­чивание связано с деформационным старением стали.

В соединениях легированных сталей наибольшую степень охрупчивания получают участки ОШЗ на расстоянии около 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 характерна для многослойных сварных соединений некоторых легированных сталей, подверженных отпускному ох­рупчиванию. Степень охрупчивания различных зон сварного сое­динения может быть оценена по повышению 7Кр относительно основного металла. Сопротивление зон распространению трещин также оценивают соответствующими им значениями Ки и G 1е

Снижение степени охрупчивания металла сварных соединений или обеспечение заданных ТкРуКса G и 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 эффективны, например, 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 низкие значения Ткр.