§ 2. Причины хрупких разрушений сварных конструкций

Очевидно, что сварным конструкциям свойственны те же при­чины хрупких разрушений, которые наблюдаются в металлокон­струкциях вообще. Однако сварка вносит много специфического в хрупкие разрушения и процесс их распространения.

Наиболее характерными особенностями соединения сварных конструкций являются: а) изменение свойств металла под воз­действием термического цикла сварки в сочетании с пластиче­ской деформацией; б) наличие концентраторов напряжений. Кроме того, значительное влияние на состояние металла оказы­вают остаточные напряжения.

Воздействие термического цикла сварки на металл многооб­разно. В зоне шва, где металл расплавляется, его свойства после сварки существенно зависят от химического состава образующе-

251

гося сплава. Он может изменяться за счет легирования, попада­ния вредных примесей и насыщения газами. Кристаллизация шва создает ориентированное расположение зерен металла, что оказывает, как правило, отрицательное влияние при разруше­нии. В процессе охлаждения возможен как рост зерна при мед­ленном, так и закалка при быстром охлаждении. Механические свойства наплавленного металла зависят от совокупного воздей­ствия этих факторов. В случае получения хрупкой наплавки сопротивляемость конструкции хрупкому разрушению может резко снизиться, так как наплавка может явиться началом раз­рушения всего сечения, 6g_sn,% включая и пластичные

объемы металла. Хруп­кие разрушения в виде горячих трещин могут возникнуть в процессе сварки (см. гла­ва VIII).

Во время остывания металл сокращается и в зоне пластических деформаций вследст­вие препятствия со сто­роны холодного метал­ла возникают пласти­ческие деформации уд­линения. Вне концент­раторов пластические деформации в сталях обычно не превышают 1,5—2%. Если концент­ратор находится в зоне пластических дефор­маций, то величина де­формации может воз­расти в десятки и сот­ни раз. В этом случае даже при отсутствии других причин, снижа­ющих пластичность металла, одна только пластическая дефор-> мация повышает напряжение в концентраторе до уровня, близ-j кого к разрушающему. Вследствие объемности напряженного состояния в концентраторе для достижения разрушающих нз^ пряжений требуется меньшая деформация, чем на гладком об­разце. Таким образом, вследствие значительной деформаций, вызванной концентрацией, а также вследствие объемности на-* пряженного состояния бывает достаточно небольшого прирдще-

6пр>"/°

Рис. 11-4. Зависимость дополнительной де­формации надрезанных образцов £д_ОЦ при температуре испытания от предварительной деформации е_Нр, созданной при температу­ре +20° С-

светлые кружки и квадратики — предваритель­ное иягружеине в нашшю без последующей раз­грузки, темные — предварительное нагружение путем создания пластических остаточных дефор­маций прокзткой

252

							£ад'	с
						х f	^
		\
		О j
„*и	^Jr-л			л.--"г""-'			—
		/	-.—*
	™"	»■/

т;^о£

-я?

-w

-го

+20

ния деформации, например, от рабочих нагрузок, чтобы произо­шло разрушение без заметной пластической деформации.

На рис. 11-4 показана зависимость дополнительной деформа­ции, которую необходимо сообщить образцу с надрезом при 7"=20° С или 7"™— 30°С, от величины предварительной дефор­мации, созданной при температуре +20° С. Оказывается, что предварительная де­формация при комнат­ной температуре суще­ственно снижает де­формацию, необходи­мую для разрушения образца при понижен­ной температуре.

Перлитные стали склонны к деформаци­онному старению, кото­рое сильно изменяет свойства металла, сни­жая его пластичность. Так как металл при сварке испытывает

пластическую дефор­мацию и в течение не­которого времени пре­бывает при температу­рах 150—300° С, когда интенсивно протекают процессы старения, то пластичность металла в концентраторах по­нижается еще замет­нее. Нередко процессы старения играют реша­ющую роль в наступле­нии хрупких разру­шений,

На рис. 11-5 пред­ставлены результаты испытаний специаль­ных образцов с надре­зами (см. рис. 9-3) в исходном состоянии и после предваритель­ной пластической деформации металла около 1% в зоне концент­ратора и деформационного старения при Г—250° С в течение 3 ч. Старение вызвало дополнительное снижение средней пластич­ности примерно на 2% и хрупкие разрушения при температурах ниже —40° С при средних напряжениях, меньших предела

-ВО -10 -2В 0 ⁺20

Рис. П-5. Влияние деформационного старе­ния и высокого отпуска на прочность и пла­стичность образцов с надрезами из стали 15ХСНД.

/ — исходное состояние, 2 — деформационное ста­рение в течение 3 ч при Г=250° С после предва­рительной средней деформации 1% «а образцах с надрезом, 3 —• после деформационного старе­ния и последующего отпуска в течение 3 я при Г"650³ С

253

текучести. Очевидно, что в зоне, где протекают пластические де­формации удлинения, одновременно действуют и растягивающие собственные напряжения. Значение их при возникновении хруп­кого разрушения состоит в том, что во-первых, при добавлении малых нагрузок возникает дополнительная пластическая дефор­мация вследствие суммирования напряжений, а, во-вторых, пос­ле наступления разрушения собственные напряжения, снимаясь, освобождают накопленную энергию, необходимую для распро­странения разрушения,

Известны многочисленные примеры разрушений сварных конструкции, когда по достаточно пластическому металлу разру­шение распространялось лишь потому, что началось от концент­ратора, находившегося в зоне пластических деформаций, и рас­тягивающих остаточных напряжений. Сферический резервуар (газгольдер) диаметром 11,7 м с толщиной стенки 16,5 мм был рассчитан на рабочее давление 50 ат, а разрушился при 3,5 ат при резком снижении температуры воздуха до —12° С, одна сто­рона газгольдера была освещена солнцем. Считают, что разру­шение, вероятно, началось от места перехода сферической части к смотровому люку п связи с большой концентрацией напряже­ний. Известны также случаи разрушения сварных станин прес­сов, которые начинались от различных концентраторов (места остановки электрошлакового процесса, лепровары, резкие закруг­ления от газовой резки)- Разрушения происходили в сварных судах, резервуарах, трубопроводах и вагонах.

Распространенной причиной начала хрупких разрушений сварных конструкций является усталость металла в зоне кон­центраторов напряжений. Для сварных конструкций вообще характерны более резкие конструктивные очертания, чем, напри­мер, для литых или для конструкций, полученных путем механи­ческой обработки. Усталостные трещины, образующиеся в вяз­ком металле, распространяются медленно. При низкой тем­пературе, когда сталь обладает большей хрупкостью, уста­лостное разрушение, возникшее от концентратора, может распространиться как хрупкое па значительные расстоя­ния.

По количеству хрупких разрушений, зарегистрированных в сварных конструкциях, на первом месте находятся разруше­ния, возникшие от концентраторов, расположенных в зоне свар­ки, где протекали значительные пластические деформации, возникали трехосные остаточные напряжения и происходило ста­рение металла. Значительная часть хрупких разрушений была вызнана усталостными трещинами, возникшими от различных концентраторов, характерных для сварпьдх конструкций, в пери-; од, когда металл находился при пониженных температура* и обладал пониженной сопротивляемостью распространению хрупких разрушений.

254

Некоторая часть разрушений зарегистрирована как возник­шая от участков металла с низкими пластическим!! свойствами вследствие загрязнения металла и плохой защиты его в нагретом состоянии.

Распространение разрушений на значителеныс расстояния (за пределы зон пластических деформаций от сварки), как пра­вило, происходило вследствие недостаточно высоких механиче­ских свойств металла в отношении хрупкости и в какой-либо зависимости от условий сварки не находилось. Наоборот, извест­ны многочисленные случаи, когда хрупкая трещина останавлива­лась, встречая на своем пути вязкий наплавленный .металл шва.

Хрупкие разрушения с трещинами, протяженность которых была значительна и определялась влиянием сварки, сравнитель­но малочисленны. Это разрушения вдоль сварных соединений, выполненных электрошлаковой сваркой, по зоне крупного зер­на, разрушения вдоль швов, выполненных в жестком контуре, когда от поперечной усадки возникали значительные растягива­ющие напряжения, так называемые холодные трещины (отко­лы), располагающиеся вдоль сварных соединений легированных сталей.

Остаточные растягивающие напряжения оказывают отрица­тельное влияние главным образом при наличии концентраторов. При разгоне и распространении трещины в пределах зоны пла­стических деформаций потенциальная энергия остаточных на­пряжений переходит в кинетическую.

В подавляющем большинстве случаев надлежащее конструк­тивное оформление сварных соединений, достаточно высокое качество наплавленного металла и технологического процесса сварки в целом обеспечивают отсутствие хрупких разрушений сварных конструкций. Современные технологические процессы позволяют получать высокую ударную вязкость металла шва и околошовиых зон. В некоторых случаях это достигается допол­нительной нормализацией и высоким отпуском сварных кон­струкций.