Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

У подавляющего большинства металлов при понижении температуры пределы прочности, текучести, твердости увеличиваются, и, казалось бы, эти изменения свойств могут быть использованы для назначения более высоких допускаемых напряжений и облегчения конструкций. Од­нако почти во всех деталях и конструкциях имеется кон­центрация напряжений, а при понижении температуры чувствительность многих металлов к надрезам резко воз­растает.

Характер изменения свойств металлов при понижении температуры зависит от многих факторов: вида кристал­лической решетки, химического состава, величины зерна, термической обработки — и прояатяется по-разному в зависимости от условий нагружения и напряженного состояния.

.Металлы и сплавы, у которых с понижением температуры предел текучести по сравнению с пределом прочности повышается незначительно, относятся к хладостойким. Пластичность и ударная вязкость с понижением темпера­туры у них почти не меняется.

Металлы и сплавы, в которых предел текучести повы­шается значительно сильнее, чем предел прочности, пла­стичность заметно понижается, относятся к хладноломким.

С понижением температуры у металлов и сплавов:

пластичность обычно уменьшается более резко у кон­струкционных углеродистых и низколегированных сталей;

слабее — у других металлов. У ряда алюминиевых и мед* ных сплавов происходит увеличение пластичности;

сопротнмение усталости при переменных нагрузках в большинстве случаев возрастает;

чувствительность к концентрации напряжений при острых надрезах возрастает, а ударная вязкость (работа разрушения) уменьшается наиболее значительно у железа, углеродистых и низколегированных сталей высокой проч* ности, которые имеют резко выраженную область темпе­ратур перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

К вязким разрушениям относят такие, поверхность которых имеет полностью волокнистый излом. К хрупким разрушениям относят разрушения с кристаллической по­верхностью излома. Промежуточное положение занимают полухрупкие разрушения, у которых часть поверхности имеет кристаллический, а часть поверхности — волокни­стый излом. Понижение температуры, увеличение ско­рости нагружения, увеличение концентрации напряжений способствуют переходу от вязких форм разрушения к хрупким.

Высокая работоспособность многих деталей машин, сварных соединений и элементов сварных конструкций при пониженных температурах решающим образом за­висит от их способности сопротивляться хрупким раз­рушениям.

Наиболее распространенным и простым методом оценки изменения свойств при понижении температуры является испытание на ударную вязкость. Чем острее надрез испы­туемого образца, крупнее его кристаллы, скорость ударя­ющего тела, тем меньше ударная вязкость.

Принято определять при понижении температуры тан называемую первую критическую температуру Тнр, резко уменьшающую ударную вязкость, при которой площадь волокнистого (вязкого) излома составляет 50% общей разрушенной площади.

На рис. 4.15 показаны изменения процентного содер­жания волокнистого излома В, работы разрушения Ов, предела текучести <гт среднего разрушающего напряжений а в в зависимости от температуры испытаний.

На хладостойкость сталей оказывают влияние химиче­ский состав металла и термический цикл сварки.

Термическим циклом устраняют вредную неоднород­ность, вызванную локальной закалкой при сварке; иногда достаточно применить лишь высокий отпуск.

Сильное отрицательное влияние на повышение хруп*

кости оказывают концентраторы напряжений, непровары в корне многослойных швов, в концах фланговых швов, в линиях перехода от шва к основному металлу, а также в зонах сближенных продольных коротких швов, где поперечная их усадка вызывает концентрацию пластиче­ских деформаций.

Воздействие при пластической деформации нагрева при Т=200. . .300 °С вызывает охрупчивание, называемое

динамическим старени­ем. Именно в этих зо­нах нередко образуются хрупкие разрушения при последующем действии низкой температуры в эксплуатационных усло­виях.

При старении метал­ла имеет место сниже­ние сопротивления уда­ру и пластических свойств, а именно пла­стического удлинения.

Значительную опас­ность представляют в от­ношении стойкости к хрупким разрушениям стыковые и тавровые соединения с неполным проваром, а также соединения с малыми радиусами закругления в зоне сплавления швов с основным металлом, в частности в местах окончаний швов, в местах вырезов с малым радиусом в результате термической резки, в участках расслоения металла, скоп­ления пор или шлаковых включений во всех участках с нарушением плавного распределения силового потока.

Сопротивляемость металла разрушениям при нагру­жениях падает в результате неблагоприятного направления к силовому потоку кристаллитов, образовавшихся в про­цессе кристаллизации, неоднородности свойств металла по толщине шва вследствие различных условий охлаж­дения разных слоев и явлений химической неоднородности, концентрации пластических деформаций при непроваре и т. д.

Важным мероприятием по повышению хладостойкостн соединений является правильное назначение погонной энергии при сварке.

Очень полезно производить испытания на хладостой- кость не только образцов, но и целых узлов проектиру­емого объекта.

На рис. 4.16, а. . .м приведены примеры хрупких раз­рушений: в тавровом профиле (а); в крестовом соединении (б); в зоне фланговых швов (в); при сварке продольными

и

ДА Ё, J

в_5

А А

1=1

-фЦ,

Рис. 4.16. Примеры разрушений в сварных конструкциях

швами круглых стержней (г); при приварке ребра к обе­чайке (б); в зоне сближенных параллельных швов (е); в зонах резкого перехода в коробчатых профилях (ж); в перечисленных угловых швах (з, и); в зонах непроваров стыковых швов (к); скопления швов (л, л).

Отсутствие малых радиусов перехода, непроваров, скоплений швов, применение контроля качества без раз­рушений позволяет заметно повысить сопротивляемость хрупким разрушениям как при нормальных, так и при низких температурах.