2.3.4. Технологічні дефекти

Аналіз причин невідповідності машин, агрегатів, конструкцій вимогам експлуатації показує, що в більшості випадків це є наслідком наявності такого виду неоднорідності, як дефекти в конструкційних елементах, які виникли в процесі виготовлення або експлуатації. В процесі виготовлен­ня виробу матеріали піддаються різним технологічним операціям, а експлуатація має місце в різних умовах. Тому дефекти, що утворились в матеріалах і конструкційних елементах в процесі їх технологічних переділів або експлуатації, бажано класифікувати за відповідними групами (технологічні дефекти, експлуатаційні дефекти), а в середині груп - за найменуванням дефекту. Технологічні дефекти складають майже 30% причин відмовлення виробів, а серед них майже 90% -дефекти зварювання.

Виготовлення зварних конструкцій може бути пов'язане з утворенням наступних технологічних дефектів зварювання:

Газові пори (сферичні, ланцюжок nop, скупчення газових nop). Вони утворюються внаслідок металургійних реакцій, що супроводжу­ються виділенням газів. Це явище пов'язане з перенасиченням металу, що кристалізується, газами (в основному азотом та воднем) внаслідок різкого, зменшення їх розчинності при падінні температури. Крім азоту та водню, пороутворення може бути викликане і оксидом вуглецю внаслідок реакції:

С+0=СО.

Шлакові включення (одинокі, сферичні, строкаті). Внаслідок неізотермічності умов зварювального процесу реакції відновлення, які протікають у високотемпературній зоні, з пониженням температури в хвостовій частині ванни, що кристалізується, змінюються на окисні. Утво­рення оксидів (SiO; FeO; MnO і інш.) має місце в умовах, коли їх вида­лення з металу, що кристалізується, супроводжується труднощами і час­тина оксидів залишається в металі шву у вигляді різного типу шлакових включень, які впливають на властивості металу шва. Крім оксидів, мож­ливе створення сульфідів (FeS, MnS), нітридів (AIN.TiN) та фосфоро-утримуючих включень ((Са0₃)Р₂0₅).

Тріщини (гарячі, холодні). Гарячі тріщини при зварюванні - це крих­кі міжкристалічні руйнування металу шва, які виникають у твердо-рідкому стані в процесі кристалізації, а також при високих температурах в твер­дому стані на етапі розвитку в'язко-пластичної деформації. Головною причиною з'явлення гарячих тріщин у твердо-рідкому стані є наявність рідких прошарків між стовбчастими кристалами шва. Якщо під час існу­вання прошарків на метал шва діють певні деформації розтягнення (як наслідок нерівномірного нагріву), то можливе утворення гарячих тріщин. У твердому стані існує інтервал температур, в якому має місце падіння пластичності металу. Якщо деформації розтягнення в цьому темпера­турному інтервалі перебільшують пластичні можливості металу, утворю­ються гарячі тріщини. Як правило, гарячі тріщини утворюються при тем­пературах вище 900°С.

Холодні тріщини - це локальне міжкристалічні руйнування металу зварних з'єднань. Основними факторами утворення холодних тріщин є: 1) структурний стан металу зварного з'єднання (наявність складових мартенситного або бейнітного типу); 2) рівень напружень розтягнення першого роду (в тому числі і від зварювання); 3) наявність і розподіл водню в металі зварного з'єднання після зварювання, що залежить від концентрації водню в атмосфері дуги, початкової кількості водню в основному металі та інших умов. Холодні тріщини утворюються при охолодженні в інтервалі температур 200-100°С, а також після зварю­вання протягом декількох діб.

Дефекти техніки зварювання (непровари, підрізи, тощо). Цей вид дефектів є наслідком незадовільної техніки зварювання і призво­дять до утворення своєрідних концентраторів напружень.

Частота утворення дефектів при зварюванні низьколегованої і легованої сталі приблизно така: 50% - холодні тріщини, 20% - гарячі тріщини, 10% - пори і включення, 10% - непровари, 10% - інші дефекти.

Дефекти типа nop, включень мало знижують міцність зварного з'єд­нання при статичному навантаженні. Для низьковуглецевих сталей пори, які займають до 10% площі поперечного перерізу зварного шва, не зни­жують його статичної міцності, для перлітних сталей ця межа - 6-8%, для алюмінієвих сплавів - 3-4%. Пори діаметром 1,8-2,0 мм знижують статичну міцність швів на 6%. Ланцюжок nop діаметром 2 мм загальною довжиною не більш 30% довжини шва зменшує його міцність на 11-15%.

Несучу здатність зварного з'єднання з порами можна визначити за формулами:

де d_n - діаметр пори (для ланцюжка nop - середній діаметр); В_ш^тах -максимальна ширина шва, - відстань між сусідніми порами, В_п -глибина пори, [о] - граничні напруження.

При наявності непровару статична міцність зменшується пропор­ційно зменшенню робочої площі руйнування.

При циклічному навантаженні пори, шлакові включення, ланцюжки nop, включень і непровари значно впливають на опір руйнуванню від втомле­ності, особливо, якщо вони розташовані в зоні напружень розтягнення.

Ступінь небезпечності таких дефектів прийнято оцінювати при цикліч­ному навантаженні за допомогою коефіцієнта зниження міцності на витри­валість K_f. Так, для низьковуглецевих і низьколегованих сталей при наяв­ності nop K_f= 1,6 - 3,0; шлакових включень - 2,0-4,0; непроварів -4,0-9,0. В цілому питання про вплив такого виду дефектів на статичну і циклічну міцність конструктивних елементів потребує подальшого вивчення.

Вплив дефекту типа «тріщина» на міцність найбільш суттєвий. Проб­лема ця дуже складна і є об'єктом спеціальних досліджень.