Оценка свойств сварных соединений

Прочностные расчеты сварных элементов и конст­рукций производятся на основе учета механических свойств металлов и сплавов. Основными из этих свойств являются прочность, пластичность, вязкость и твер­дость. Конструктор, выбирая материал, использует стан­дартные справочные данные о численных значениях указанных характеристик или результаты специальных испытаний материалов. Технолог, назначая методы и средства изготовления деталей и узлов, обязан учиты­вать также и технологические свойства выбранных ма­териалов (штампуемость, свариваемость, литейные свойства и т. п.) или произвести специальные исследо­вания, определяющие технологичность (пригодность) того или иного металла для конкретного способа про­изводства и вида продукции.

Как известно, по характеру воздействия на объект на­грузки разделяются на статические и динамические, а температуры эксплуатации условно в технике можно расчленить на низкие (включая криогенные) (—60... —250 "С), нормальные (—60...+350 °С), повышенные (350...500 °С) и высокие (более 500 °С). В зависимости от температуры эксплуатации изменяются стандартные характеристики материалов, например, прочность, пла­стичность металла, ползучесть и др.

Среда эксплуатации и температура могут существен­но снижать время работы объекта до разрушения.

Условно все среды эксплуатации можно разделить на:

• нормальные, т. е. не ускоряющие процессы разруше­ния поверхности металла и сварного соединения;

• коррозионные, т. е. ускоряющие процессы разру­шения металлов и сварных соединений за счет хи­мического или электрохимического взаимодей­ствия металла со средой;

• радиационные, т. е. ускоряющие процессы разру­шения металла и сварных соединений за счет из­менения их структурного состояния и свойств под влиянием γ-излучения.

Численные значения механических, химических и физических характеристик сварных элементов конструкций, сталей и технических спла­вов определяются проведением испытаний в стандарт­ных условиях (методика, оборудование, способы вычис­лений и т. д.). Они входят составной частью в процесс аттестации всей технологии производ­ства сварного изделия.

По характеру прилагаемых нагрузок во времени различают статические, динамические и ус­талостные испытания.

Статические испытания осуществляют путем плав­ного и постепенно возрастающего нагружения стандар­тных образцов до их разрушения. Сюда относятся испы­тания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг

или срез. В качестве специальных методов статических испытаний можно отметить испытание на ползучесть.

Динамические (ударные) испытания определяют спо­собность материала за счет пластической деформации поглощать механическую энергию быстро изменяющих­ся во времени внешних сил. Это дает возможность оце­нить склонность металла или сварного соединения к хрупкому или вязкому разрушению.

Усталостные испытания позволяют оценить сопро­тивляемость разрушению в процессе накопления по­вреждений в металле или сварном соединении под дей­ствием знакопеременной или пульсирующей нагрузки за заданный промежуток времени.

Испытания на твердость оценивают сопротивление деформации металла, сварного соединения или отдель­ной его зоны на поверхности или по сечению и осуще­ствляют путем вдавливания в металл специальных стан­дартных инденторов (наконечников). Косвенно эти испытания позволяют судить о механических характе­ристиках объекта испытания, в частности, о величине сопротивления на разрыв.

Для определения способности материала или сварно­го соединения выдерживать определенные величины де­формации без разрушения, вызываемые технологичес­кой обработкой, проводят испытания, называемые технологическими пробами.

Методики и оборудование для всех указанных выше испытаний, отвечающие современному уровню техни­ки, устанавливаются в каждой стране государственны­ми стандартами (ГОСТ, DIN, NF, EN и т. д.).

Какие виды испытаний сварных соединений предусмотрены ГОСТ 6996-66?

Учитывая специфику сварного соединения как еди­ного целого различных по составу, структуре и свой­ствам участков металла, для комплексного определения его механических характеристик предусмотрен ГОСТ 6996-66. Согласно этому стандарту предусмотрено про­ведение следующих видов испытаний:

1. на статическое (кратковременное) растяжение ме­талла различных участков сварного соединения и наплавленного металла;

2. на ударный изгиб металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла;

3. на стойкость против старения металла различных участков сварного соединения;

4. на твердость различных участков сварного соеди­нения и наплавленного металла;

5. на статическое растяжение сварного соединения в целом;

6. на статический изгиб (загиб) сварного соедине­ния;

7. на ударный изгиб сварного соединения в целом.

Указанные механические характеристики сталей и

сварных соединений, а также иные свойства, определен­ные по другим стандартам (ползучесть, усталость, дли­тельная прочность и др.), вводятся в действующую нор­мативно-техническую документацию (ГОСТы, ТУ, РТМ и т. п.) для выбора марки основного металла и свароч­ных материалов при проектировании сварных изделий и технологии их изготовления.

Легирующие элементы и их воздействие на превращения и свойства фаз

Легирующие элементы вводятся в железоуглеродистые сплавы для улучшения механических или придания специальных свойств. К ним относятся С, Cr, Mo, Ni, Ti, V, А1 и др., а также Si и Мn, если их содержание превышает обычное для углеродистой стали. Их влияние основано на изменении количества, формы и свойств фаз, присутствующих в железоуглеродистых сплавах (феррита, аустенита, перлита и цементита), изменении температуры начала и конца полиморфных превращений, эвтектоидной и эвтектических реакций, растворимости углерода в аустените и его содержания в перлите и т. п.

Химические элементы, за исклю­чением С, N и Н, образуют с железом твердые растворы замещения. Если кристаллическая решетка легирующе­го элемента является ГЦК (подобная γ-Fe), то он растворяется в аустените и расширяет температурную область его устойчивого состояния. Такие элементы называются аустенизаторами. К ним в двой­ных системах относятся Ni, Мn, а в малых количествах С, N, Сu. В тройных системах Сr также стабилизирует аустенит.

Легирующие элементы, имеющие кристаллическую решетку ОЦК, подобную α-Fe, стабилизируют феррит и их называют ферритизаторами (Cr, Mo, V, Ti и др.). Они рас­ширяют область устойчивого существования ферритной фазы. При повышенном содержании таких легирующих элементов сплавы при всех температурах состоят из твердого легированного ра­створа - феррита. Такие сплавы называют ферритными.

Изменяя структуру, легирующие изменяют свойства железоуглеродистого сплава (прочность, пластичность, ударную вязкость и т. д.), что широко используется при сварке.

По характеру взаимодействия с углеродом все легиру­ющие элементы делятся на графитизирующие (Si, А1, Сu) и карбидообразующие (Fe, Мn, Сr, Mo, W, Nb, Zr, Ti). При малых концентрациях карбидообразующих, например, Мn, Сr, Мо, они растворяются в цементите Fe₃C, образуя легированный цементит (FeCr)₃C. При их больших концентрациях образуются карбиды, способные растворять в себе железо, например карбид (CrFe)₇C₃.

Все карбиды делятся на две группы: карбиды со сложными кристаллическими решетками типа Ме₃С, Ме₇С₃, Ме₂₃С_б, Ме₆С, легко растворяющиеся при нагре­ве в аустените, и карбиды типа МеС с простыми куби­ческими решетками (VC, TiС, NbC), почти не растворя­ющиеся в аустените при нагреве. Карбиды любого типа являются упрочняющими и часто охрупчивающими фазами.

Если концентрация легирующих в стали очень вели­ка, то они образуют с железом или друг с другом хими­ческие соединения, так называемые интерметаллидные фазы, например Fe₇Mo₆, Fe₃Ti, FeV, FeCr (σ-фаза) и т. д. Некоторые из них благоприятно влияют на упрочнение стали (при их выделении в процессе старения), а мно­гие охрупчивают сталь (например, σ-фаза FeCr).

Таким образом, исходя из формирующейся структу­ры при равновесном охлаждении (например, с печью), стали могут быть разделены на 6 классов: перлитный, ферритный, полуферритный, аустенитный, полуаустенитный и карбидный.

Если же исходить из структуры, получаемой после ус­коренного охлаждения на воздухе стальных образцов, на­гретых до 900 °С (нормализация), то стали можно раз­делить на следующие классы: перлитный, бейнитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный.

Процесс образования аустенита при нагреве являет­ся диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации (появление заро­дышей, рост кристаллитов и т. п.).

Для начала гомогенизации аустенита требуется повы­шение температуры выше Ас₃ и некоторое время. Чем больше углерода, тем быстрее протекает процесс гомоге­низации. Однако легирующие элементы (Cr, Mo, V) задерживают процесс аустенизации при нагреве из-за образования легированного цементита или карбидов легирующих. Процесс задержки усугубляется увеличением скорости нагрева. При дальнейшем повышении температуры выше А_с3 происходят рост зерна аустенита и его гомо­генизация.