ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В достаточно широкой практике эксплуатации сварных конструкций наблюдались как вязкие, так и хрупкие разрушения, причем в опреде­ленных условиях однотипные конструкции разрушались по-разному.

Обычно процесс вязкого разрушения происходит достаточно мед­ленно. сопровождается значительными пластическими деформациями металла. Замечено, что для того чтобы вызвать пластическую деформа­цию реальной решетки металла путем сдвига по плоскостям скольже­ния, нужно преодолеть сопротивление сдвигу (срезу) т. При одноос­ном растяжении т достигаются при напряжениях, равных пределу текучести металла а.

Хрупкое разрушение происходит пугем отрыва, причем скорость хрупкого разрушения (скорость распространения хрупкой трещины)

может, как показывают опыты, достигать очень большой величины (мно­гих сотен метров в секунду). Столь значительная скорость распростра­нения хрупкой трещины предопределяет, что энергия, необходимая для образования новой поверхности трещины, связана только с накопленной в металле упругой энергией. Поэтому для продвижения трещин доста­точно сравнительно небольшого среднего напряжения - сопротивления отрыву а. Возможность возникновения хрупкого разрушения даже при малом уровне внешнего нагружения делает этот вид разрушения чрез­вычайно опасным, особенно для конструкций, характеризующихся зна­чительной жесткостью.

В соответствии с двумя видами возможного разрушения следует го­ворить о двух типах сопротивления металла: сопротивлении сдвигу (вяз­кое разрушение) и сопротивлении отрыву (хрупкое разрушение). Если в определенных условиях при растяжении раньше достигается предел текучести, то металл находится в пластичном состоянии, наоборот, если раньше достигается сопротивление отрыву, то состояние металла хруп­кое. Указанные характеристики а и а по-разному реагируют на изме­нение ряда внешних и внутренних факторов.

Влияние температуры - преобладающий фактор, определяющий соотношение между величинами омі а. Явление перехода металла при понижении температуры из пластического состояния в хрупкое полу­чило название хладноломкости металлов. Механическое объяснение этого явления впервые дано академиком А. Ф, Иоффе и развито акаде­миком Н. Н. Давпденковым. Согласно гипотезе Иоффе, критическая температура хрупкости определяется точкой пересечения двух кривых 0 (7} и а (Г)(рис. 20.8, а). Сопротивление отрыву практически не за­висит от температуры, в то время как предел текучести с повышением температуры понижается. Из графика видно, что при высоких темпера­турах предел текучести значительно ниже, чем сопротивление отрыву, и металл пластичен. При понижении температуры сопротивление пла­стической деформации значительно повышается, и при температурах ниже Г сопротивление отрыву меньше значения предела текучести - металл переходит в хрупкое состояние. Разброс реальных значений от а до а, определяемый вероятностным количеством дефектов

[НШ 0ГР..»х

в кристаллических решетках реальных металлов и сплавов, предопре - деляет температурный интервал от Г ( до Г перехода от вязкого раз­рушения к хрупкому (хрупковязкое разрушение), называемый крити­ческим интервалом хрупкости (рис. 20.8, б).

Как следует из графиков (см. рис. 20.8). критическая температура хрупкости или критический интервал хрупкости перемещается вправо в сторону увеличения температуры, если кривая о (7) сдвигается вверх пли кривая ош1(7) - вина. Эти направленные сдвиги могут быть обус­ловлены:

а) б)

1) увеличением скорости деформации (динамическое нагружение), при этом растет сопротивление пластической деформации, т. е. предел текучести металла увеличивается;

2) наличием концентраторов напряжений. В местах концентрации напряжений происходит увеличение предела текучести металла. Это увеличение обусловлено увеличением сопротивления плас­тической деформации в условиях сложного напряженного состо­яния (двух - или трехмерного);

3) наличием в основном металле и металле сварного соединения внутренних дефектов (непроваров. газовых и неметаллических включений и др.), понижающих сопротивление отрыву;

4) укрупнением зерна, наличием ликвационных прослоек, умень­шающих межзеренную связь, т. е. снижающих сопротивление отрыву;

5) увеличением размеров швов и деталей. Снижение сопротивле­ния отрыву при этом обусловлено тем, что вероятность наличия опасных дефектов, определяющих сопротивление отрыву, в боль­ших объемах металла выше, чем в малых. Это явление носит на­звание «масштабный фактор».

Анализируя сказанное, можно утверждать, что одни и те же ме­таллы могут находиться в двух разных состояниях, причем анали­тически оценить возможное состояние не представляется возмож­ным. Учет влияния только отмеченных факторов в совокупности на хрупкую прочность сварных соединений и конструкций стано­вится чрезвычайно сложным.

Поэтому для практической опенки перехода металла в хрупкое со­стояние (для оценки хладпол омкостп основного металла и металла свар­ных соединений) прибегают к специальным испытаниям, оценивающим либо склонность металла к началу хрупкого разрушения, либо способ­ность к распространению хрупкой трещины.

1. Определение порога хладноломкости путем испытаний образцов. В настоящее время имеется несколько десятков типов образцов самой разнообразной формы с различного рода надрезами, кото­рые испытывают растяжением, изгибом, ударом и другими вида­ми нагрузки. Широкое распространение получили испытания на ударный изгиб. Образцы для этих испытаний обычно вырезают­ся таким образом, чтобы вершина надреза (различной степени остроты) располагалась либо в литой зоне, либо в ЗТВ па опре­деленном расстоянии от границы сплавления. Испытания про­водят при различных, последовательно понижающихся темпера­турах. В результате получают графики зависимости ударной вязкости КСU (KCV) от температуры (рис. 20.9).

Переход из пластического состояния в хрупкое проявляется в рез­ком уменьшении энергии, затрачиваемой на разрушение образ­ца при понижении температуры. В результате таких испытаний можно получить сравнительные характеристики сталей, отдель­ных зон сварного соединения в отношении их к переходу в хруп­кое состояние. Однако определить температуру перехода стали, металла сварных соединений в хрупкое состояние при работе их

в конкретной конструкции в настоящее время не представляется возможным.

Определение температуры перехода в хрупкое состояние путем испытании специальных образцов, имитирующих эксплуатаци­онные разрушения материалов в пределах всей сварной конст­рукции. Обычно образцы для таких испытании имеют значи­тельные размеры и конструктивно могут повторять, например, самый жесткий фрагмент (узел) реальной сварной конструкции. В исследуемом месте делается острый надрез или инициирует­ся предварительная трещина. Затем образец устанавливают в зажимы разрывной машины, охлаждают до определенной тем­пературы и статически нагружают до определенного уровня на­пряжений в месте надреза. Последующее ударное воздействие на образец вызывает хрупкое развитие трещины. Испытания ряда образцов при различном уровне напряжений и темпера­тур позволяет построить кривые (рис. 20.10).

Область, расположенная выше и левее кривой, характеризует температуру и напряжения, при которых возникшая трещина

будет распространяться и пересечет весь образец. Область, рас­положенная ниже и правее кривой, характеризует температуру и напряжения, при которых однажды возникшая трещина оста­новится и не будет распространяться. Для каждой стали, для металла конкретного сварного соединения наблюдается харак­терное для них расположение такой кривой.

3. Определение чувствительности стали к ТЦ сварки. Для оценки пригодности стали для изготовления сварных конструкций при­меняют также комплексные методы испытаний. Цель этих мето­дов - выбор режимов сварки, обеспечивающих получение свойств околошовной зоны, удовлетворяющих определенным требовани­ям, а также установление зависимости между свойствами ЗТВ и режимом сварки. В результате комплексных испытаний опреде­ляют оптимальный диапазон скоростей охлаждения околошов­ной зоны при сварке, в котором свойства металла благоприятны: сохраняется высокая стойкость против трещинообразования и перехода в хрупкое состояние.