1. Намалюйте структуру умовного позначення зварних швів на креслені.

2. Розшифруйте усі елементи структури.

3. Назвіть перелік стандартів на основні типи зварних з'єднань для різних способів зварювання.

Тема: Вплив температур схильність з’єднань до тріщин.

План:

1. Холодостійкість зварних з’єднань.

2. Заходи попередження деформації при низьких температурах.

3. Жароміцність зварних з’єднань.

4. Заходи попередження деформації при високих температурах.

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с.208 - 216

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002

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 (впливає 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 (впливає на механічні властивості металу; збільшення кількості вуглецю знижує пластичність металу, а збіль­шення кількості хрому, міді і нікелю підвищує пластичні 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 Т_кр1 (50% волок­нистого характеру злому) і Т_кр2 (відсутність волокнистості). При температурі Т_кр2 середні напруження σ_с в перерізі, що руйнується, дорівнюють значенню межі текучості металу σ_Т при відповідній температурі (рис. ). Прийма­ється, що при температурі Т > Т_кр1 - (область 1) метал руйнується в'язко; при температурах Т_кр1 > Т > Т_кр2 (область 2) має місце квазікрихке руйну­вання, а при температурі Т > Т_кр2 - (область 3) - крихке руйнування. Критичні температури вказують лише на перехід з одного стану до іншого, але не характеризують кількісно холодостійкість металу.

Рис.

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 холодноломкість 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 плас­тичність 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.

Жароміцність зварних з’єднань.

Жароміцність - це здатність матеріалу чинити опір навантаженню при підвищеній температурі. Із зростанням температури підвищується теплова енергія коливання атомів, зростає інтенсивність дифузійних про­цесів і знижується міцність міжатомних зв'язків, що призводить до змен­шення міцності металів і зростання їх пластичності. На рис. наведені дані про характер впливу підвищення температури на механічні власти­вості деяких металів.

Рис. Вплив підвищення температури на міцність сг_в (суцільна лінія) і

пластичність 8 (пунктирна лінія): 1 - сталь низьковуглецева,

2- легована перлітна сталь, 3 - жароміцна сталь.

В умовах, сприятливих для пластичного деформування, в металах мають місце два процеси - повзучість і релаксація.

Повзучість - здатність металу до безперервного пластичного деформування при постійному навантаженні (рис. ).

Рис.

При навантаженні стержня силою Р в ньому виникне загальна дефор­мація

ε = ε_пр + ε_пл. Під час витримки при температурі Т пружна деформа­ція є_пр залишається незмінною, а пластична складова ε_пл буде безпе­рервно зростати, що призведе і до збільшення загальної деформації ε.

Релаксація - це перехід пружної деформації в пластичну в умовах постійної загальної деформації елемента, що навантажується. Розтягне­мо стержень до деформації ε = ε_пр + ε_пл жорстко його закріпимо. При цьому в стержні утворяться напруження, пропорційні пружній деформації σ = ε_пр Е . В умовах постійної загальної деформації є і витримки при температурі Т пружна деформація буде трансформуватися у пластичну (тобто зменшуватися), що призведе до зниження напружень σ.

Основною розрахунковою характеристикою міцності металу зварного з'єднання при високих температурах є межа тривалої міцності σ_тм- нап­руження, які викликають руйнування при заданій температурі за роз­рахунковий термін експлуатації.

При проектуванні зварних з'єднань, працюючих в умовах високих тем­ператур, напружено-деформовний стан металу визначається як і у випад­ку експлуатації при звичайних температурах. Умова міцності має вигляд:

σ ≤ [σ]_тм

де [σ]_тм - граничні напруження; [σ]_тм = σ_тм /К, К - коефіцієнт запасу міцності К = 1,6...2,0.

На рис. представлені залежності номінальних граничних напру­жень від температури для деяких металів: 1 - сталь 10; 2 - сталь СтЗ;

За температурними умовами роботи доцільно виділити дві групи ви­сокотемпературних конструкцій: 1) працюючих при підвищених темпера­турах (до 350-400°С для перлітних і 500°С для аустенітних сталей), коли ефектом повзучості можна зневажити; 2) працюючих при більш високих температурах в умовах повзучості.

Для першої групи зварних вузлів, до яких належать такі відповідальні конструкції, як атомні енергетичні установки, барабани парових котлів і судини нафтохімічних установок, вибір матеріалів підпорядковується за­гальним конструктивно-технологічним вимогам. Сталі, звичайно викорис­товувані для зварних вузлів, що працюють у нормальному діапазоні тем­ператур, можна застосовувати й у даному випадку. Виключення склада­ють сталі, чуттєві до деформаційного старіння в інтервалі температур 200-300°С, а також до 475-градусної крихкості. Наприклад, вироби з кип­лячих низьковуглецевих сталей можна застосовувати лише в умовах до 150-200°С, а феритно-аустенітні сталі у відповідальних зварних вузлах

можна використовувати лише до 300-350°С. Яких-небудь обмежень застосування аустенітних сталей, що зварюються добре, в умовах до 500°С, як, наприклад сталі 12Х18Н10Т, не існує.

При виборі матеріалу й умов виготовлення відповідальних зварних конструкцій з товщиною елементів понад ЗО мм (судини, барабани, ро­тори) для роботи при високих температурах необхідно враховувати не тільки надійну роботу виробу в експлуатаційних умовах, але і відсутність крихких руйнувань під час виготовлення, гідравлічних і інших випробу­вань. Тому матеріал конструкції повинен мати не тільки необхідні влас­тивості при високих температурах, але також і необхідний запас в'язкості при кімнатній і зниженій температурах.

Вибір матеріалів для зварних вузлів другої групи більш складний. Крім загальних вимог щодо здатності до зварювання, ці матеріали повинні забез­печити максимальну однорідність зварного з'єднання і відсутність у ньому розвинутих маломіцних і крихких зон при високих температурах. Виходячи із зазначених вимог, найбільш придатними матеріалами для розглянутих умов роботи є сталі і сплави не здатні до термічного зміцнення. Так, з теплостійких сталей кращими є хромомолібденові сталі: з аустенітних сталей - леговані молібденом і в першу чергу сталі марок Х16Н9М2 і 08Х16Н13М2Б. Зварні з'єднання, виконані з цих сталей, не схильні до падіння міцності і крихких високотемпературних руйнувань в навколошовній зоні. Вони практично мають однакову міцність з основним металом.

Хоча розглянуті вище сталі за умовою експлуатаційної надійності є найпридатнішим матеріалом для зварних вузлів, що працюють в умовах повзучості, по жароміцності вони помітно поступаються сталям і сплавам здатним до термічного зміцнення, і тому застосовуються обмежено. Найбільш розповсюдженими для високотемпературних установок є хромомолібденованадійові сталі, жароміцні високохромісті сталі, леговані ванадієм, ніобієм і вольфрамом; аустенітні сталі і сплави на нікелевій основі з титаном, ніобієм і алюмінієм. У зв'язку з розвинутою неоднорідністю їхніх зварних з'єднань необхідно застосовувати додаткові заходи, що підвищують їхню жароміцність і виключають небезпеку крих­ких руйнувань. Найважливішими з них є:

1. Обмеження міцності основного металу. За цією вимогою межа міц­ності хромомолібденованадійових теплостійких сталей у зварних з'єд­наннях не повинна бути вищою 60-65 кгс/мм², а високохромистих жароміцних сталей перевищувати 80 кгс/мм².

2. Застосування сталей і сплавів на нікелевій основі після електрошла­кового і вакуумно-дугового переплаву.

3. Усунення концентраторів у районі з'єднання і розташування зварних стиків поза зоною дії високих напружень. З цією метою необхідно вводити обов'язкове зачищення чи механічну обробку зовнішньої і внутрішньої поверхонь стиків до плавного сполучення з основним металом. Розташовувати зварні стики поза зонами різкої зміни пере­тину елементів, що з'єднуються.

2. Проведення термічної обробки за режимами, що забезпечують від­сутність утворення крихких зон. Кращими є режими високотемпера­турної термічної обробки - нормалізації з відпуском для зварних з'є­днань теплостійких хромомолібденованадійових сталей і аустенизації з наступною стабілізацією для аустенітних сталей і сплавів на ніке­левій основі.

Питання для самоконтролю:

1. Що називають жароміцністю?

2. Назвіть основні заходи попередження руйнувань при високих температурах.

3. Що називають холодостійкістю матеріала?

4. Які заходи попередження руйнувань при низьких температурах?

Тема: Заходи попередження напружень в зварних швах.

План:

1. Перелік заходів попередження напружень.

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с.

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002

На практиці вико­ристовують наступні заходи.

Поверхнева обробка зварних швів. Вона має за мету забезпечення плавного переходу металу шва до основного металу. Цю операцію вико­нують, застосовуючи механічну обробку або аргонодугову, чи повітряно-плазмову обробку.

Механічна обробка виконується ручним абразивним інструментом чи спеціальними фрезами. Випуклість стикового шва знімається повністю або ретельно обробляється перехідна зона. Після такої обробки концентрація напружень відсутня майже повністю. Границя витривалості зварних з'єд­нань встик після механічної обробки різко зростає і практично досягає рівня границі витривалості основною металу. Ефективність механічної обробки значно менша у випадку обробки таврових з'єднань і з'єднань внакладку. Підвищити опір таврових з'єднань на 5-25% можливо лише у випадку, коли з'єднання виконані з повним проваром кореню шва з одночасним забезпеченням плавного переходу шва до основного металу. Механічна обробка мало ефективна для з'єднань внакладку з лобовими швами.

Аргонодугова і повітряно-плазмова обробка полягають в утворенні плавного переходу від шва до основного металу шляхом оплавлення границь шва неплавким вольфрамовим електродом в середовищі аргону без присадкового дроту. У порівнянні з механічною обробкою аргоно­дугова обробка має практично однакову ефективність. Ефективність повітряно-плазмової обробки не відрізняється від аргонодугової.

Термообробка (високий відпуск). Цей вид оброки застосовують голов­ним чином для зменшення негативного впливу залишкових напружень розтягу у зонах поблизу концентраторів, що утворились внаслідок зварю­вання. Найбільш ефективна термообробка у випадку навантаження си­метричним циклом, а зі зростанням значення К (характеристики циклу, зменшення асиметрії) ефективність термообробки падає. При високих значеннях і? термообробка внаслідок падіння міцності металу може при­звести і до зниження опору втоми. Зі зростанням концентрації напружень (з'єднання внакладку, таврові з'єднання зі швами, що безпосередньо передають навантаження) різниця між границями витривалості з'єднань, що пройшли термообробку і без такої, зменшується.

Одноразове або вібраційне навантаження конструкцій. Воно поля­гає у короткочасному навантаженні конструкції навантаженням, що пере­більшує робоче з метою зменшення залишкових напружень розтягу особ­ливо поблизу концентраторів. Таку обробку рекомендують використо­вувати замість термообробки для крупногабаритних конструкцій (резер­вуари, підкранові балки і інші). Ефективність способу залежить від зна­чення напружень від перевантаження, типу зварного з'єднання та часу обробки (для вібраційної обробки).

Поверхневий наклеп. Поверхневе пластичне деформування швів і прилеглих до нього зон призводить до підвищення опору втомі зварних з'єднань до рівня опору основного металу. Цю операцію виконують за допомогою спеціального пневматичного бойкового інструменту, застосо­вуючи вибухову локальну обробку або прокатку роликами. Крім наклепу, така локальна обробка викликає утворення на поверхні, що обробля­ється, напружень стиску, які позитивно впливають на опір втомі.

Питання для самоконтролю: