ТЕОРИЯ сварочных процессов

Оценка сопротивляемости хрупкому разрушению

Хрупкое разрушение характеризуется тем, что оно не сопро­вождается заметной пластической макродеформацией и происходит
при действии напряжении, не превышающих предела текуче­сти. Траектория разрушения близка к прямолинейной, излом нормален к поверхности и име­ет кристаллический характер (рис. 12.76). Хрупкое разруше­ние, как правило, является внутрикристаллическим. Оно 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 межкристаллическим (меж - зеренным). 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 разрушаются вязко или хрупко в зависимости от состава и условий эксплуатации. Примеси и легирующие элементы, блокирующие подвижность дислокаций, повышают склонность к хрупкому разрушению. Переход от вязкого к хрупкому разрушению может произойти при снижении темпера­туры, при увеличении объемности напряженного состояния (боль­шие толщины, острые надрезы и трещиноподобные дефекты), при повышении скорости деформирования (ударное нагружение).

Процесс хрупкого разрушен™ может включать три этапа: воз­никновение трещин (например, усталостные трещины при цикличе­ском нагружении), медленное (стабильное) их развитие и лавинооб­разное (нестабильное) распространение разрушения. Отдельные конструкции допускают к эксплуатации с трещиной или трещино­подобным дефектом при условии, что рабочие нагрузки относи­тельно малы и не приводят к страгиванию трещин, или при условии непрерывного контроля за их медленным развитием и своевремен­ного предупреждения лавинообразного разрушения.

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

Наибольшая степень охрупчивания, которую в соединениях легированных сталей получают участки околошовной зоны на рас­стоянии «0,1 мм от линии сплавления, объясняется наличием крупных бывших аустенитных зерен и образованием твердых и малопластичных (закалочного типа) составляющих структуры в результате превращения аустенита (так называемое трансфор­мационное охрупчивание). Одной из причин охрупчивания может быть сегрегация примесей на границах зерен, обусловливающая межкристаллическое (межзеренное) хрупкое разрушение. Эта при­чина характерна для многослойных сварных соединений некоторых легированных сталей, подверженных отпускному охрупчиванию.

Наиболее распространенным способом оценки склонности к

хрупкому разрушению являются испытания серии образцов с

V-образным надрезом на ударную

вязкость при различных тем - Т

пературах (KCV ). Критерий оцен­ки - критическая температура пе­рехода от вязкого к хрупкому раз­рушению Гкр или порог хладно­ломкости (рис. 12.77). Температура Гкр соответствует температуре достижения определенной мини­мальной ударной вязкости KCV,

2

например 200 кДж/м. Чем выше

Ткр, тем больше склонность метал­ла к хрупкому разрушению. Темпе­ратура Гкр служит для сравнитель - ^

ной оценки материалов, отлича­ющихся составом и структурой.

Применительно к испытанию свар­ных соединений V-образный надрез наносится в исследуемой зоне со­единения: по оси сварного шва, зоне сплавления или зоне термического влияния.

Сопротивление нестабильному распространению трещины или трещиностойкость металла при статическом растяжении оценива­ют по одному или нескольким критериям (ГОСТ 25506-85):

1) силовому - критическому коэффициенту интенсивности на­пряжений (Кс)

2) деформационному - критическому раскрытию в вершине трещины (5С);

3) энергетическому - критическому значению J-интеграла (J! c); (работы пластической деформации и разрушения).

Для экспериментального определения критериев трещиностой - кости применяют несколько типов образцов (рис. 12.78) с надре­зами и наведенной в них трещиной. Испытания выполняют стати-

6 > St (6 >50);

21 ош (0,3-0,5 )Ь

Тип III

А

<>■

Ь = 2 Г, Ь = 1,256;

Н— 1,26; 2а = 0,556;

/0 = (0,45-0,55)6; ґ>20

Рис. 12.78. Образцы для определения критериев трещиностойкости: тип 1-е центральным надрезом для осевого растяжения; тип II - с боко­вым надрезом для осевого растяжения; тип III - с боковым надрезом для вне - центренного растяжения; тип IV - с боковым подрезом для трехточечного

изгиба

ческим нагружением, в процессе которого регистрируют диаг­рамму Р - v или Р -/, где v - смещение берегов надреза, фикси­руемое специальными датчиками, а/- прогиб в точке приложения силы Р. В результате обработки диаграммы по специальной мето­дике определяют Кс, МПа • м0,5.

Применительно к образцам со сварными соединениями при­веденный выше метод испытаний используется для оценки трещи - ностойкости отдельных зон соединения, в которых наносится над­рез и наводится усталостная трещина.

Однако трудно точно изготовить надрез для испытаний зоны сплавления и зоны термического влияния, и возможен увод усталостной трещины из нужной зоны.

Наиболее подходящими в этом случае являются образцы с К-образным свар­ным соединением, в которых надрез изготовляют со стороны вертикальной кромки.

Хрупкое разрушение сварных со­единений с трещиноподобными дефек­тами, металл которых находится в хрупком состоянии (например, закален­ная зона термического влияния), стано­вится возможным, если действительный Рис. 12.79. Схема распре - коэффициент интенсивности напряже- деления напряжений cv

около острия трещин:

НИИ у острия трещины К превысит кри - _ с

J г ст- среднее напряжение; о -

ТИЧЄСКИЙ критерий Кс. Коэффициент толщина листа; - длина

трещины

К характеризует интенсивность нарас­тания локальных напряжений при при­ближении к острию трещины (рис 12.79) и может быть рассчитан по формулам линейной механики разрушения:

Kl(x>0) = Yia^,

где а - среднее напряжение в сечении без трещин; /тр - длина трещины; У,- - функция, учитывающая расположение трещины и

отношение ДЛИНЫ трещиноподобного дефекта К толщине (Утр/5). Значения функции У, для протяженных трещин (длина 25 > 4/тр) приведены в табл. 12.2.

В табл. 12.3 приведены значения Кс для металла сварных со­единений труб из стали 17Г1С (С = ОД 7 %; Мп = 1,15 %; Si = 0,6 %).

Плазму столба сварочной дуги при атмосферном давлении можно отнести к категории термической плазмы, свойства которой определяются температурой и давлением. В отличие от изотерми­ческой плазмы, в которой grad Т = 0, в термической плазме столба дуги температура меняется от точки к точке, но в каждой точке сохраняется локальное термодинамическое равновесие с одной и той же равновесной температурой для всех частиц и процессов. Считается, что, хотя весь объем плазмы в целом и не находится в равновесии, его отдельные макроскопически малые части прихо­дят в состояние равновесия, так что можно говорить о локальном равновесии в небольших частях рассматриваемой плазменной сис­темы.

Важнейшей характеристикой плазмы является ее состав. Рас­чет состава плазмы, находящейся в состоянии термодинамическо­го равновесия, основан на законе действующих масс. Равновесный состав плазмы не зависит от того, как происходят реакции, а зави­сит только от условий, в которых она находится. Поэтому при вы­воде условия равновесия можно предполагать, что реакции проис­ходят при заданных постоянных температуре Т и объеме V.

Приведем простейшие примеры применения закона действую­щих масс. Можно рассматривать термическую ионизацию как об­ратимую химическую реакцию газов

А+ + е <=> А° + работа ионизации.

Напомним, что степень ионизации - это отношение числа за­ряженных частиц (ионов или электронов) в плазме к числу всех

частиц: % = пе!{па + пе) = щ 1(па + щ).

Степень ионизации х определяется из константы равновесия реакции с помощью уравнения Саха, которое справедливо при ма­лой степени ионизации х^ 1. Если входящие в уравнение Саха ве­личины выражены в единицах СИ, то оно имеет вид

х = 0,18 (gegi/gaf’5T5/4p~°'5 expf-M, (2.50)

где ge, gu ga - статистические веса квантовых состояний соответ­ственно электрона, иона и атома; [/, - потенциал ионизации, В. Для электрона ge = 2, что соответствует двум направлениям спи­
на. Для ионов и нейтральных атомов значения gj и ga вычисляют, учитывая строение атомов. Концентрацию электронов определяют по формуле

і о о і л22 0,5^0,25 =1,33-10 р Т дехр

где а = gegilga = 2gi /ga ~ квантовый коэффициент.

2

Значения а, вычисленные К. К. Хреновым для различных хи­мических элементов, находятся в диапазоне 1.. .4: для атомов с регулярным строением оболочки

Группы таблицы Менделеева....................... I...... III III V V VI VII VIII

а.................................................................... 1................ 4 1 4/3 3/2 8/3 3 4

для атомов с нерегулярным строением оболочки

Элементы.............................................. N С Сг Мп Fe Си Nb La W Th

а......................................................... 8/5 3 8/7 7/3 12/5 3 1 1 8/5 4/3

Кривые зависимости степени ионизации от температуры, по­строенные по уравнению Саха, имеют S-образный вид (рис. 2.17).

при 11 ООО К; для водорода (С// =13,5 В) % ~ 1 ПРИ 24 ООО К; для ге­лия (Uj = 24,5 В) % ~ 1 при 50 ООО К. Надо иметь в виду, что урав­нение Саха дает результаты, близкие к экспериментальным, только при малых степенях ионизации (% <к 1). При 6000 К расчет по