Раздел V. Технологическая прочность сварных соединений Понятие технологической и эксплуатационной прочности

При проектировании и изготовлении любых, в том числе и сварных, кон-струкций необходимо учитывать различные факторы, действующие в усло-виях их производства и эксплуатации, а также устанавливать определенные запасы прочности. При соблюдении этих условий конструкции не должны разрушаться ранее установленных сроков.

Сварные соединения и конструкции проектируются обычно из условия равнопрочности металла шва и основного металла. Современное состояние сварочной науки и техники позволяет в большинстве случаев обеспечить прочность сварного соединения более высокую или равную прочности свари-ваемого материала.

При правильном выборе технологического процесса и качественном его исполнении разрушение сварных конструкций, как правило, происходит вне пределов сварных соединений. Однако имеются случаи, когда в условиях нормальной эксплуатации конструкции разрушаются в зонах сварных со-единений. Чаще всего причиной этого являются микро- и макроразрушения местного характера, возникающие в процессе технологической обработки.

В связи с указанным различают прочность конструкции в процессе ее тех-нологической обработки (технологическая прочность) и прочность в условиях эксплуатации конструкции (эксплуатационная прочность). Такое деление весьма условно, но оно помогает решать вопросы, связанные с по-ведением материалов при различных видах их технологической обработки и эксплуатации.

В процессе изготовления материал конструкции испытывает усилия, вели-чина которых может быть значительно больше эксплуатационных нагрузок. Такое несоответствие усилий, рассчитанных из условий эксплуа-тации, и усилий, возникающих в материале конструкции в процессе ее изготовления, может привести к недопустимо большим деформациям и раз-рушению конструкции. Эти условия осложняются еще и тем, что различные участки материала зоны термического влияния в процессе сварки подвергаются воздействию очень высоких температур, что приводит к рез-кому снижению прочности материала на этих участках.

Поэтому изучение состояния и свойств материалов, схемы и величины действующих на него усилий, величины и характера деформаций, напряже-ний и других факторов, от которых зависит вероятность появления местных разрушений при изготовлении и эксплуатации конструкций, составляют со-держание науки о технологической прочности.

Трещины при сварке и их классификация

По размерам и влиянию на прочность материала различают две ка-тегории местных разрушений (трещин).

К первой категории относят микротрещины, размеры которых соиз-меримы с размерами параметров кристаллической решетки. Эти трещины представляют собой различного рода несовершенства кристаллической ре-шетки. Они практически всегда имеются в любых реальных кристаллах, по-этому определение показателей механических характеристики (свойств) ма-териалов, проектирование и расчет конструкций производится с учетом того, что эти трещины существуют в материале.

Ко второй категории относят трещины более крупных размеров, возни-кающие в материалах при их технологической обработке или в результате эксплуатации изделия. Такие трещины в сварных конструкциях являются опасным дефектом, так как под действием даже небольших нагрузок они мо-гут развиваться и стать причиной серьезных аварий.

Образование трещин второй категории (макротрещин) при сварке проис-ходит в том случае, когда пластические деформации в материале в резуль-тате неравномерного нагрева и охлаждения исчерпаны и возрастающие напряжения достигнут предела прочности обрабатываемого материала.

В процессе нагрева и охлаждения материала при сварке его температура, величина деформаций и напряжений постоянно меняются, что вызывает из-менение свойств материалов, так как пластичность и прочность материалов в сильной мере зависят от температуры.

С начала охлаждения и кристаллизации металла шва в нем могут воз-никнуть деформации и напряжения растяжения, величина которых по мере снижения температуры быстро растет. Очевидно, что трещины могут возникать лишь в том случае, когда величина собственных напряжений в металле сварного шва достигнет значения предела прочности материала при данной температуре. Исследования показали, что возникновение трещин вероятнее всего в области высоких температур — выше 1300 ^оC. Следует также отметить, что при температурах, близких к линии солидуса (солидус — твердый, плотный), возможно резкое снижение пластичности материала, что увеличивает вероятность возникновения трещин в этом температурном интервале. Вместе с тем установлено, что, если трещины не возникли в об-ласти температур, близких к то при дальнейшем охлаждении металла шва их возникновение мало вероятно, так как во всех более удаленных от источника теплоты участках напряжения значительно ниже предела проч-ности. Кроме того, установлено, что некоторое снижение пластичности ме-таллов наблюдается в интервале температур 500…100 ^оC. Таким образом установлено, что существуют два температурных интервала возникновения трещин:

1. вблизи температур линии солидуса;

2. в области более низких температур с пониженными пластическими свойствами металла.

В зависимости от температурного интервала возникновения различают трещины горячие (кристаллизационные) и холодные.

Горячими принято считать трещины, которые появляются в металле на завершающейся стадии процесса кристаллизации в интервале температур, близких к температурам линии солидуса.

Холодные трещины возникают при более низких температурах, чаще всего в результате структурных превращений в металле.

Механизм образования горячих и холодных трещин различен: горячие трещины имеют межкристаллический характер, т. е. обычно проходят по границам между кристаллами, тогда как холодные трещины чаще всего пере-секают кристаллы и границы между ними.

Горячие трещины обычно имеют извилистую форму и кристаллическую зернистую поверхность излома.

Холодные трещины имеют более прямолинейный характер, их поверх-ность чаще всего бывает гладкой, блестящей.

Различие в характере горячих и холодных трещин приводит к необходи-мости рассматривать их отдельно. Но следует иметь в виду, что борьба с го-рячими и холодными трещинами составляет две стороны общей проблемы повышения технологической и эксплуатационной прочности сварной кон-струкции.