МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

К сварным сооружениям, использующимся при низ­ких температурах в течение длительного времени, отно­сятся холодильные установки, дорожно-строительная техника, мостовые конструкции, фермы, транспортные средства, магистральные трубопроводы и т. д., а также конструкции, эксплуатирующиеся в условиях Крайне­го Севера, под водой, в космосе. Основными критери­ями возможности использования конструкционных ма­териалов и сварных соединений из них для низких температур являются:

• необходимый уровень прочности при нормальной температуре (20 °С), обеспечивающий надежность и оптимальную металлоемкость конструкции;

• низкая чувствительность к хрупкому разрушению, определяемая запасом пластичности и вязкости при рабочих (низких) температурах;

• технологичность при металлургическом и маши­ностроительном переделе (свариваемость, штам- пуемость и т. п.).

В практике создания сварных узлов принято, что при Т > -100 “С используются низкоуглеродистые и низко­легированные стали ферритно-перлитного, перлитного, а иногда и бейнитного классов, а при более низких (крио­генных) температурах — аустенитные, аустенитно-мар - тенситные стали или цветные сплавы (алюминий, медь). В данной главе рассматриваются стали первой группы.

К этой группе следует отнести низкоуглеродистые ста­ли СтЗ сп, Ст20 и низколегированные стали 09Г2Д, ЮГ2, 17ГС, 14ХГС, применяемые для Тэксп до —40...-50 fcC, и стали 09Г2С. 10ХСНД, 10Г2С1Д, 14Г2САФ, 16Г2САФ, применяемые для Тэксп до —60 °С.

Эти материалы отличаются заметным изменением механических свойств при снижении температуры: рост значений сгв, от, о_,, снижение значений 5, р, KCU, по­вышенной чувствительностью к концентраторам напря­жений.

Определяющей характеристикой этих сталей являет­ся их способность сопротивляться хрупким разрушениям при понижении температуры. Поэтому вопросы хладо­стойкости принято рассматривать в связи с переходом материала из вязкого в хрупкое состояние в зависимос­ти от технологических воздействий на него и условий жеплуатации конструкции.

Экспериментально при таком переходе наблюдается изменение внешнего вида поверхности излома при ди­намических (ударных) испытаниях образцов: доля во­локнистости в площадке разрушения снижается, а доля зернистости увеличивается. В достаточно узком интер­вале температур испытаний, разном для различных ма­рок сталей, доля площади разрушения FlT3JI с волокнис­тым характером излома (сдвиговая деформация) часто изменяется от 100% до нулевой величины, уступая мес - го хрупкому зернистому излому (деформация отрыва) При этом резко снижается величина работы Gc разру­шения металла. Температуру, при которой поверхность разрушения состоит из 50% площади хрупких участков и 50% вязких участков, принято называть первой кри­тической Ткр1 температурой хрупкости (рис. 10 I), а по­казателем сопротивляемости металла хрупкому разру­шению является значение работы разрушения, приходящейся на единицу плошали, т. е. ударная вяз­кость KCU (Дж/см2). В практике создания сооружений условно принято называть температуру, при которой значение KCU — 25...30 Дж/см2, порогом ыадоломкосгги. Эта температура свидетельствует о принципиальной воз­можности перехода металла в хрупкое состояние. Одна­ко такая оценка не является полной. При испытаниях крупных образцов или увеличении скорости нагружения эта температура сдвигается вправо (Ткрі' > Ткрі"), т. е. по­рог хладоломкости повышается на 10...30 “С.

Кипящие низкоуглеродистые стали, легированные стали с крупным зерном и закаливающиеся стали име­ют более высокую температуру перехода в хрупкое со­стояние.

Под влиянием процесса сварки за счет термическо­го и деформационного воздействия, роста зерна, степе­ни закалки отдельных участков и т. п. значение Ткр по­вышается, а значение ударной вязкости KCU для этих участков сварного соединения снижается. Поэтому зна­чение ударной вязкости становится одним из основных критериев применимости (свариваемости) материала для сварного соединения.

Установлено, что накопление усталости за счет цик­лических нагрузок, радиационное и коррозионное воз­действие среды, содержание примесей в шве также мо­гут способствовать повышению температуры перехода в хрупкое состояние. Ускоряющим фактором охрупчива­ния является наличие в сварном соединении концент­раторов (внешних или внутренних) напряжений, фор-

ма и размеры которых могут существенно ограничивать возможность практического применения сварной кон струкции для тех или иных условий эксплуатации. Ос­новными концентраторами являются подрезы, непрова - ры, несплавления, неметаллические включения и наводораживание шва. Поэтому экспериментальная оценка сопротивляемости хрупким разрушениям, со­гласно ГОСТ 11150—75 и ГОСТ 9454—78, производится испытанием на ударную вязкость на стандартных образ­цах с искусственно создаваемыми концентраторами гипа надрезов U-образной или V-образной формы (пос­ледние предпочтительны для испытаний сварных соеди­нений).

Несмотря на жесткость подобной оценки охрупчива­ния, численное значение ударной вязкости не всегда яв­ляется достаточной характеристикой перехода металла и хрупкое состояние. Имеются примеры, когда металл шва имеет значение KCU < 25 Дж/см2, а сварное соеди­нение работает достаточно долго без хрупких разруше­

ний. Это объясняется тем, что всякому распростране­нию трещины предшествует ее зарождение или начало ее движения, если трещина существовала раньше. Ис­пытания на ударную вязкость оценивают лишь работу движения трещины. Существуют методики оценки свойств металла, определяющие его сопротивляемость началу разрушения.

Известны несколько способов экспериментальной оценки свойств охрупченного металла сварных соедине­ний. К ним относятся: силовые, деформационные и энергетические [8].