ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Сварные соединения в конструкциях проектируют обычно из условия равной прочности с основным металлом. Современное состояние сварочной науки и техники в большинстве случаев позволяет обеспечить прочность сварного соединения, более высокую или, по крайней мере, равную прочности основного металла.

Если технология сварки правильно выбрана и качественно выполнена, конструкции, как правило, разрушаются вне пределов сварных соединений. Понятие равнопрочности относится, в основном, к сфере эксплуатационной прочности.

Следует различать прочность конструкции в процессе ее технологической обработки (технологическую прочность) и в условиях эксплуатации (эксплуатационную прочность). Несмотря на то, что такое деление весьма условно, его удобно применять при рассмотрении вопросов, связанных с поведением металла при различных видах его технологической обработки.

В процессе изготовления изделия часто испытывают усилия, значительно большие эксплуатационных. Такое несоответствие усилий может привести к недопустимо большим деформациям и разрушению.

Технические мероприятия по предотвращению разрушений и недопустимых деформаций объединены понятием технологической прочности.

Дело осложняется тем, что в течение сварки некоторые участки металла в процессе сварки находятся под воздействием очень высоких температур, резко снижающих прочность металла.

Раздел науки о технологической прочности включает:

• изучение состояния и свойств металла,

• схем и величин, действующих на него усилий,

• величин и характера деформаций, напряжений и других факторов,

от которых зависит возможность появления местных разрушений при изготовлении изделий. Под местными разрушениями понимаются трещины, которые возникают под воздействием напряжений растяжения.

ТРЕЩИНЫ ПРИ СВАРКЕ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

При сварке трещины образуются тогда, когда пластические деформации, возникающие в результате неравномерного нагрева и охлаждения металла, исчерпают его деформационную способность и напряжения, возрастая, достигнут значений предела прочности. Это относится к растягивающим напряжениям.

В процессе нагрева и охлаждения металла при сварке его температура, величины деформаций и напряжений постоянно меняются. Вместе с тем, свойства металла — его пластичность и прочность — также весьма сильно зависят от температуры.

Чтобы раскрыть механизм возникновения трещин при сварке, целесообразно совместно рассмотреть изменение свойств металла и напряжений в нем в зависимости от температуры. На участках нагрева металла (перед дугой) возникают напряжения сжатия, при которых вероятность образования трещин мала, вследствие чего эту область можно не рассматривать.

С начала кристаллизации и охлаждения металла шва в нем могут возникать напряжения растяжения, величина которых по мере снижения температуры быстро растет.

В интервале температурного превращения -Fe  -Fe, которое происходит с увеличением объема, растягивающие напряжения снижаются и могут даже перейти в напряжения сжатия.

Но дальнейшее охлаждение сопровождается ростом напряжений растяжения, что может явиться причиной образования трещин.

Очевидно, что трещины могут возникать только в том случае, когда величина собственных напряжений растяжения в шве достигнет значений предела прочности металла для данной температуры.

Имеется две температурные зоны (два интервала температур), в которых возможно образование трещин при охлаждении металла.

• Одна из них находится в области высоких температур — выше 1300 °С.

Важно отметить, что вблизи температуры солидус (Тс) наблюдается и резкое снижение пластичности, также увеличивающее возможность возникновения трещин в этом интервале температур.

• Вторая зона находится в интервале температур 500—1000 °С, где происходит некоторое снижение показателей пластичности стали. Для Ст.3 это снижение сравнительно невелико и не может служить причиной возникновения трещин. Однако для большой группы сталей и некоторых сплавов в области сравнительно низких температур (ниже 750 °С) наблюдаются резкие провалы пластичности при весьма высоких значениях собственных напряжений, что указывает на опасность возникновения и здесь трещин.

1) Вблизи Тс; Кристаллизационными, или горячими, принято считать трещины, которые появляются в металле на завершающей стадии процесса кристаллизации,— в интервале температур, близких к линии солидус.

2) в области более низких температур с пониженными пластическими свойствами металла. Холодные трещины возникают при более низких температурах, чаще всего в результате структурных превращений в металле.

Механизм образования горячих и холодных трещин различен.

Горячие трещины носят межкристаллический характер, т. е. проходят обычно по границам кристаллов, тогда как холодные чаще всего пересекают кристаллы и границы между ними.

Горячие трещины обычно имеют извилистую форму (рис. 159) и кристаллическую зернистую поверхность излома, холодные — более прямые (рис. 160), поверхность излома их чаще всего бывает гладкой, блестящей.

Нужно иметь в виду, что при больших скоростях охлаждения, которые обычно наблюдаются в условиях сварки, распад аустенита может значительно запаздывать и проходить при температурах, более низких, чем это следует из равновесных диаграмм состояния. Образующиеся в этом температурном режиме трещины называются холодными.

Горячие трещины Температурный интервал хрупкости

Пластичностью называется способность металла деформироваться без разрушения под действием нагрузки.

При испытании на растяжение пластичность определяют двумя величинами: относительным удлинением и относительным сужением.

Для того чтобы понять, как эти величины определяются, следует образец до испытания сопоставить с разрушенным образцом, как это сделано на рис. 22 (выше). После разрушения образец оказался длиннее, но он сузился, особенно в месте образования шейки.

Относительное удлинение определяет, на какую величину образец удлинился после растяжения по отношению к первоначальной длине.

Эта величина обозначается буквой δ (дельта) и выражается в процентах:

где:

• l₀ — начальная расчетная длина образца в мм;

• l — конечное значение расчетной длины в мм.

Предел прочности определяется как

Относительное сужение характеризует степень уменьшения площади поперечного сечения в шейке.

Обозначается эта величина буквой φ (пси) выражается в процентах:

где:

• F₀ — первоначальная площадь в мм²;

• F —- площадь в шейке в мм².

Обычно механические характеристики металла в области высоких температур, достигающих температуры плавления, опре­деляют на специальных установках, включающих в себя нагре­вательное устройство, имитирующее температурный цикл сварки, и механическую часть и оснащенных регистрирующими прибо­рами.

Подлежащий испытанию образец нагревают до темпера­туры, при которой необходимо определить его свойства, и нагру­жают, записывая кривые П = f(Т).

На рис. 12.39 приведены типичные кривые, характеризующие изменение прочности и пластичности сплавов при высоких тем­пературах. В области нагрева до температур, близких к темпе­ратуре равновесного солидуса (Тс), прочность и пластичность сплавов резко падают.

Пластичность остается на весьма низком уровне в некотором интервале температур, а затем опять повы­шается.

Такое неоднозначное изменение свойств можно объяс­нить, рассмотрев процесс кристаллизации металла из жидкого состояния.

Исследуемый металл после расплавления охлажда­ется и, начиная с температуры Тл, в нем образуются зародыши твердой фазы. До тех пор, пока количество твердой фазы неве­лико, металл находится в жидко-твердом состоянии, пластич­ность расплава практически не отличается от пластичности жидкости, так как кристаллы твердой фазы свободно перемеща­ются в жидкости, не ограничивая ее способность перетекать и занимать любую форму (рис. 12.40, а). Металл способен принимать под действием нагрузки новую форму не разрушаясь.

Начиная с некоторой температуры, названной температурой верхней границы интервала хрупкости (Т_ВГ), металл переходит в стадию твердо-жидкого состояния, характеризующегося таким увеличением количества твердой фазы, при котором возможность жидкости перетекать между затвердевшими зернами резко уменьшается.

При деформировании происходит заклинивание зе­рен, и дальнейший процесс становится возможным только в случае пластической деформации самих зерен либо смещения их друг относительно друга.

Однако прочность закристаллизовавшейся твердой фазы в этот период намного больше и поэтому, если наступает разрушение, оно происходит по границам зерен, т. е. имеет межкристаллический характер.

Пластичность металла, находящегося на такой стадии затвердевания, очень мала — доли процента. Металл способен принимать под действием нагрузки новую форму с разрушением по границам зерен, включающим эвтектики, прочность которых ниже прочности затвердевших зерен.

С дальнейшим снижением температуры возрастает прочность прослоек, уменьшается их объем, увеличивается число контактов между зернами. Одновременно с этим повышается и прочность самих границ зерен. При некоторой температуре границы упрочняются настолько, что разрушение начинает про­ходить не по ним, а по телу самих зерен (точка А).

При этом пластические свой­ства материала возрастают, так как деформация уже не концен­трируется по малым прослойкам между зерен, а воспринимается всем агрегатом в достаточной степени равномерно.

Температура резкого возрастания пластических свойств находится ниже тем­пературы равновесного солидуса и носит название нижней грани­цы хрупкости (Т_НГ).

Интервал температур, заключенный между верхней и нижней температурной границами хрупкого состояния металла, называется температурным интервалом хрупкости или сокращенно т.и.х.

Установлено, что на пла­стичность сварных швов сущест­венное влияние оказывает:

• химический состав,

• схема и характер кристаллизации,

• глубина проплавления и форма шва,

• диф­фузионные и ликвационные про­цессы и др.

Для комплексной оцен­ки влияния всех этих факторов, присущих шву, полученному свар­кой на исследуемых режимах, при­меняется методика определения пластичности и значений т.и.х., Твг и Тнг непосредственно на сва­риваемых образцах.

Природа образования горячих трещин при сварке

Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения сварного шва или околошовной зоны, возникающие в области температурного интервала хрупкости в результате воздействия термодеформационного сварочного цикла.

Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выра­женным крупнокристаллическим строением, с повышенной ло­кальной концентрацией легкоплавких фаз.

В МГТУ им. Н. Э. Баумана (1830 г.) Н. Н. Прохоровым была разработана теория технологической прочности металлов при сварке, согласно которой сопротивляемость сварного соединения образованию го­рячих трещин определяется тремя основными факторами:

• показателями температурного интервала хрупкости (Твг - Тнг),

• плас­тичностью металла в температурном интервале хрупкости (пластичность - величина относительного удлинения до разрушения),

• характером нарастания деформации, которая определяется скоростью охлаждения (темпом деформации сварного соединения: от медленного нарастания нагрузки до ударного).

Графически эти представления наглядно могут быть про­иллюстрированы графиками, представленными на рис. 12.43. Кривые пластичности П характеризуют изменение пластичности сварного соединения в т.и.х., а кривые е — интенсивность нарас­тания деформаций в сварном соединении в процессе остывания или темп деформации.

На рис. 12.43,а показано влияние величины минимальной пластичности в т.и.х. на сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин. При тех же значениях т.и.х. и темпа деформации сплав, обладающий большей пластичностью — П3, трещины не даст, так как возника­ющий темп деформации (кривая е) недостаточен для исчерпания его пластичности.

В сплаве, обладаю­щем пластичностью в т.и.х., харак­теризуемой кривой 1, при том же темпе деформации е и температу­ре, соответствующей точке Б, про­изойдет исчерпание пластических свойств и образуется трещина.

У сплава, пластичность которого характеризуется кривой 2, в момент, определяемый точкой А, значения пластичности и воз­никающей деформации равны — кривые касаются. Это критический случай.

У сплава, пластичность которого характеризуется кривой 3, горячей трещины не образуется.

Таким образом, чем больше плас­тичность сплава в т.и.х., тем при равных прочих условиях меньше вероятность образования горячих трещин.

Значение пластичности П и ха­рактер ее изменения в т.и.х. за­висят

• от химического состава сплава,

• схемы кристаллизации сварного шва (усадочная раковина),

• развития химиче­ской и физической неоднородности,

• других факторов, значение и степень влияния которых сущест­венно зависят от методов, прие­мов сварки, применяемых режи­мов и т. д.

На рис. 12.43, б представлен случай, когда сплавы при одина­ковой минимальной пластичности отличаются протяженностью тем­пературного интервала хрупкости. При этом принято, что характер изменения пластичности в т.и.х. у всех трех рассматриваемых спла­вов одинаков и пластичность оста­ется практически неизменной на всем протяжении т.и.х.

В этом случае, чем больше про­тяженность температурного ин­тервала хрупкости, тем больше ве­роятность возникновения трещи­ны.

Значение т.и.х., так же как и значение минимальной пластич­ности, зависит от многих факто­ров, поддающихся управлению, главные из которых:

• химический состав свариваемых материа­лов и применяемых присадочных проволок,

• покрытия электродов и флюсы,

• режим сварки, определяющий форму шва, схему кри­сталлизации, и процессы структурообразования в шве и околошов­ной зоне, размер зерна,

• характер и интенсивность протекания ликвационных процессов и др.

На рис. 12.43, в рассмотрено влияние темпа деформации при одинаковых значениях П и т.и.х.

В сварном шве, при кристал­лизации которого возникает темп де­формации е, характеризуемый кри­вой 1, при температуре T₁ появится трещина, так как в этот момент зна­чение деформации превысит пластич­ность соединения в т.и.х.

Для соеди­нения, темп деформации которого обозначен кривой 2, точка касания при температуре Т₂ будет крити­ческой.

Сплав, характеризуемый кривой 3, трещины не образует; более того, он имеет еще и некоторый запас пластичности П.

Таким образом, чем меньше темп деформации в т.и.х., тем меньше вероятность образования горячих трещин. Темп дефор­мации, характеризуемый наклоном кривой е к оси температур и кривизной самой кривой, зависит от усадки сплава и деформаций, развивающихся в околошовной зоне.

Во всех случаях вероятность образования трещин определяется соотношением пластических свойств соединений в т.и.х. и темпом деформаций.

Однако сте­пень влияния отдельных технологических и металлургических факторов для каждого вида может быть существенно различной в связи с неодинаковыми условиями формирования химической и физической неоднородности в различных зонах сварного соеди­нения.

ВИДЫ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН

По температуре возникновения горячие трещины подразделя­ют на:

• кристаллизационные, возникающие в области температур солидуса,

• п одсолидусные, температура образования которых ниже температуры окончания процесса затвердевания.

По расположению в сварном соединении различают горячие трещины

• в шве,

• в зоне сплавления,

• в околошовной зоне,

• а также в зависимости от ориентировки их относительно направления сварки — продольные и поперечные.

Кристаллизационные трещины образуются, как правило, в сварном шве и реже в зоне полуоплавленных зерен.

Подсолидусные тре­щины возникают в интервале температур второго минимума пластичности, расположенного ниже температуры солидуса.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ МЕТАЛЛА ШВА К ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН

Чтобы сравнить между собой металлы, сварочные материалы и технологию сварки по степени их влияния на возникновение горячих трещин при сварке, нужно иметь какие-то критерии для оценки технологической прочности металла шва. Наиболее правильно оценивать технологическую прочность критерием, одновременно учитывающим все три фактора, которыми она определяется: