Питання для самоконтролю до розділу 4

1. Які основні характеристики циклічного навантаження?

2. Чим характеризується опір матеріалу впливу перемінних напружень?

3. Що таке малоциклове навантаження?

4. Що таке баготоциклове навантаження?

6. Як оцінюється опір матеріалу малоцикловому руйнуванню?

7. Як оцінюється опір матеріалу багатоцикловому руйнуванню?

8. Як характер циклічного навантаження впливає на опір втомі?

9. Яким чинником оцінюється вплив концентрації напружень на опір втомі?

10. Яким чином залишкові напруження від зварювання впливають на границю витривалості?

11. В чому полягає розрахункова оцінка опору втомі?

12. Назвіть заходи підвищення опору втомі зварних з'єднань.

5.1. Холодостійкість зварних з'єднань

Службові характеристики (властивості) зварних з'єднань з низьковуглецевих і низьколегованих сталей значно змінюються при зниженні температури. Зі зниженням температури для цих сталей межа текучості, міцності і витривалості підвищуються, а відносне подовження і поперечне звуження зменшуються. Тобто падає в'язкість і підвищується крихкість. Для інших металів, наприклад алюмінієвих і титанових сплавів, аустенітних сталей, ця тенденція малопомітна і виявляється тільки при дуже низькій (кріогенній) температурі. В умовах низької температури голов­ною службовою характеристикою зварних з'єднань є їх здатність чинити опір крихкому руйнуванню, тобто холодостійкість. Тому питання холодостійкості прийнято розглядати у тісному зв'язку з крихкістю металів.

Крихкість металу - це не властивість металу, а його стан. На перехід від в'язкого стану до крихкого впливають фактори, які знижують здатність металу до пластичного деформування. Основними з них є:

• зниження температури (вппиває на механічні властивості; значення межі текучості наближається до значення межі міцності);

• наявність концентрації напружень, залишкових напружень (впливають на ступінь об'ємності напруженого стану; підвищення об'ємності напруженого стану зменшує здатність металу до пластичного деформування);

• товщина металу (впливає на об'ємність напруженого стану, чим більша товщина, тим вища об'ємність напруженого стану);

• хімічний склад металу (вппиває на механічні властивості металу; збільшення кількості вуглецю знижує пластичність металу, а збільшення кількості хрому, міді і нікелю підвищує ппастичні властивості). Для оцінки холодостійкості зварних з'єднань використовують багато критеріїв. Одним з них є температура переходу від в'язкого руйнування до крихкого. При в'язкому руйнуванні поверхня злому має волокнистий вигляд (результат пластичної деформації), а при крихкому руйнуванні поверхня злому стає кристалічного виду (відсутність пластичної деформації). В залежності від співвідношення наявності волокнистого і кристалічною характеру злому розрізняють дві так звані критичні температури (50% волокнистого характеру злому) і (відсутність волокнистості). При температурі середні напруження в перерізі, що руйнується, дорівнюють значенню межі текучості металу при відповідній температурі (рис. 5.1). Приймається, що при температурі - (область 1) метал руйнується в'язко; при температурах ~ (область 2) має місце квазікрихке руйнування, а при температурі - (область 3) - крихке руйнування. Критичні температури вказують лише на перехід з одного стану до іншого, але не характеризують кількісно холодостійкість металу. Кількісною характеристикою холодостійкості металу є ударна в'язкість (див. розділ 1).

Процеси зварювання (теплові, металургійні, деформаційні та інші) суттєво впливають на холодостійкість (значення критичних температур) зварних з'єднань внаслідок:

1. Утворення крихких зон в металі шва через зміну хімічного складу металу шва в порівнянні з основним металом за рахунок невдалого легування або забруднення небажаними речовинами і газами.

2. Утворення крихких при низьких температурах біляшовних зон за рахунок термічного впливу зварювання - швидкого охолодження, росту зерна, структурних змін. Ступінь цього впливу вирішальним чином залежить від хімічного складу основного металу, способу його виробництва і вихідного стану. Наприклад, на металу в зоні великого зерна електрошлакових з'єднань впливає ступінь роз­кислення, вміст фосфору і сірки, спосіб одержання заготівки (кування, лиття); на холодноломкість біляшовних зон термічно-зміцнювальних катаних сталей при електродуговому зварюванні - величина погонної енергії зварювання.

3. Концентрація пластичних деформацій і деформаційне старіння металу в зонах непровару і різкої зміни форми з'єднань, тріщинах і т. п., що знаходяться в межах зони термічного впливу зварювання. Цей випадок є найбільш розповсюдженою причиною крихких руйнувань зварних з'єднань при низьких температурах; він багаторазово відтворювався в лабораторних умовах.

Шляхом росту концентрації деформацій і ефекту старіння можна викликати практично будь-яке зниження міцності сталей при низьких температурах. Деформаційне старіння підсилюється, якщо воно відбувається в зоні великого зерна. По кількості крихких руйнувань, зареєстрованих у зварних конструкціях при низьких температурах, на першому місці знаходяться руйнування, що виникли від концентраторів, розташованих у зоні зварювання, де протікали значні пластичні деформації, виникали залишкові напруження розтягу, і відбувалося старіння металу. Значна частина крихких руйнувань була викликана тріщинами від втоми, що з'явилися через незадовільне конструктивне оформлення з'єднань, у сполученні з низькою опірністю основного металу поширенню крихких руйнувань. Зареєстрована деяка частина руйнувань, що виникли від ділянок металу з низькими пластичними властивостями через забруднення металу і його поганого захисту в нагрітому стані.

У статично навантажених об'єктах руйнування з'являлися переважно при різкому зниженні температури, коли внаслідок нерівномірного охолодження конструкції виникали додаткові напруження.

Поширення руйнувань за межі зон пластичних деформацій, де вплив зварювання практично був відсутній, відбувалося, звичайно, внаслідок низьких механічних властивостей основного металу (наприклад, крихкості) і не залежало від умов зварювання.

Попередження крихких руйнувань зварних з'єднань і конструкцій при низьких температурах може бути здійснене усуненням причин, що їх викликають. Існує кілька основних шляхів підвищення опору крихкому руйнуванню:

1. Вибір основного металу для зварних конструкцій, що характеризуються малою схильністю до деформаційного старіння і досить високим опором поширенню руйнувань при температурах експлуатації виробу. Розвиток руйнування при використанні основного металу з високою енергією руйнування при поширенні в ньому тріщини можливий лише при наявності дефектів у зонах ушкодження металу значної довжини (наприклад, у поздовжніх швах трубопроводів). У більшості зварних конструкцій зміни внаслідок зварювання носять локальний характер, через що руйнування, що почалося, не буде поширюватися по основному металу. Загартування і відпуск основного металу є ефективним засобом підвищення енергії руйнування сталей при низьких температурах.

2. Нормалізація чи загартування з відпуском зварних деталей. Такі операції не тільки усувають негативні наслідки впливу зварювання на структуру металу зварних з'єднань, але і поліпшують властивості основного металу.

3. Застосування високого відпуску. Високий відпуск є ефективним засобом, що дозволяє відновити пластичні властивості металу, втрачені в результаті протікання пластичних деформацій і старіння металу в концентраторах. Одночасно загальний високий відпуск значно знижує залишкові напруження і накопичену потенційну енергію при зварюванні. Місцевий відпуск застосовують головним чином як засіб відновлення пластичності металу.

4. Конструктивне оформлення окремих елементів, що зменшує як концентрацію власних деформацій у процесі зварювання, так і концентрацію робочих напружень у процесі експлуатації конструкції.

5. Призначення послідовності складально-зварювальних операцій і технологічних прийомів виконання зварних з'єднань, що виключають різкі концентратори напружень у зоні пластичних деформацій, у тому числі дефекти у виді непроварів, тріщин, несплавок, підрізів і інш.

6. Застосування присадкових металів, що забезпечують високу ппастичність і в'язкість металу швів при низьких температурах.

7. Використання раціональних режимів зварювання, що виключають появу зон зі зниженими механічними властивостями при низьких температурах.

Отже, при проектуванні зварних з'єднань, працюючих в умовах низьких температур, головне завдання полягає у виборі відповідного металу, враховуючи значення критичних температур та ударної в'язкості. Чим нижча критична температура і вища ударна в'язкість, тим вища холодостійкість металу. Розрахунки напружено-деформованого стану (на міцність) проводять аналогічно випадку експлуатації конструкції у звичайних умовах.