Лекции ТСП_2 / L_9

7

Лекция 9

ЛАМЕЛЯРНЫЕ ТРЕЩИНЫ

Ламелярные трещины - трещины в ЗТВ, образующиеся параллельно поверхности сва­риваемых листов, имеющие ступенчатый (кас­кадный) характер. Они наблюдаются визуально после окончания сварки и завершения охлаж­дения. Излом трещин хрупкий, без следов окисления, большую часть которого составля­ют плоские древовидные участки (имеющие вид расщепленного дерева). Эти участки сов­падают со слоистостью металла, образующейся в результате прокатки, и по этой причине тре­щины получили название ламелярных (слои­стых трещин, или слоистого растрескивания). Такие трещины образуются, как правило, в угловых и тавровых соединениях низколегиро­ванных сталей мартеновской и конвертернойвыплавки под действием сварочных напряже­ний, направленных по толщине свариваемых листов. По многим внешним признакам они напоминают XT, поэтому часто рассматрива­ются как таковые. При этом по мере увеличе­ния содержания углерода в стали становится возможным одновременное образование ламе­лярных и холодных трещин, а при содержании С > 0,30 % преимущественно образуются XT. В последнем случае сопротивляемость XT су­щественно ниже, чем ламелярным. Исследованиями многих авторов уста­новлено, что образование ламелярных трещин связано с наличием в металле вытянутых пло­ских неметаллических включений типа суль­фидов и силикатов. Существует ряд предполо­жений о механизме разрушения при возникно­вении ламелярных трещин: механическое от­деление неметаллических включений от метал­лической матрицы вследствие слабого их сцеп­ления, в результате различной величины тер­мического расширения и сокращения металла и включений, из-за охрупчивающего действия водорода, концентрирующегося на межфазной поверхности, и др. При этом важную роль иг­рают концентрация напряжений у заостренных концов включений, их длина в отношении к критической для дальнейшего распространения трещин, подкалка и охрупчивание водородом металлической матрицы в ЗТВ.

Поскольку отмечено сходство ламеляр­ных и холодных трещин по ряду внешних при­знаков и зависимости от одних и тех же основ­ных факторов (подкалка ЗТВ, водород, свароч­ные напряжения первого рода), то и многие способы оценки склонности к ламелярным трещинам подобны применяемым в отношении XT. При этом учитывается специфика их рас­положения параллельно поверхности свари­ваемых листов, а также то, что наибольшая плотность неметаллических включений имеет место в срединной части листов. Для оценки склонности к ламелярным трещинам применя­ют сварочные технологические пробы.

Проба «Крэнфилд».

Из технологических испытаний следует назвать пробу «Крэнфилд», схема которой показана на рис. 1.

Рис. 1

На опытную пластину естественной толщины устанавливают наклонную пластину указанных на рисунке размеров. В корневой части с площадкой шириной 7 мм начинают наплавлять отдельные слои опытного шва. Обычно наплавляют 7 – 12 слоев, причем их количество должно соответствовать практически применяемому. Напряжение в корневой части вызывается усадкой каждого последующего слоя наплавленного металла и растет с увеличением количества слоев. Под влиянием этого напряжения возникает и угловая деформация наклонной пластины. При угловой деформации более 3º в опытной пластине резко возрастает размер трещины. Появление трещин контролируется металлографически.

Проба методом окна. (рис.2) Опытный лист толщиной 20 мм вставляют в окно и приваривают двумя анкерными швами 1 и 2. Затем выполняют опытные швы 3, 4 и металлографически контролируют появление ламелярных трещин.

Рис. 2

Подобный, но конструктивно гораздо более жесткой является Н-образная проба, при которой опытную пластину вставляют в массивную конструкцию двутаврового профиля (рис. 3), при этом поясные листы со стойкой образуют жесткую раму для опытного листа толщиной 25 мм.

Рис. 3

Проба «Вэритас». К опытному листу приваривают два вспомогательных листа (рис. 4). Можно применить различные способы сварки, например, сварку трением, контактную, стыковую сопротивлением или ручную дуговую сварку, дающую низкое содержание водорода. Технология сварки должна обеспечивать хорошее соединение с минимальным перемешиванием наплавленного металла с металлом опытной пластины. Затем из сварных соединений вырезают образцы для испытания и обрабатывают до диаметра 0,6 толщины листа. Из листьев толщиной более 60 мм опытные образцы изготавливают прямоугольного сечения (рис. 4).

Рис. 4

Критерием оценки при этой пробе является величина поперечного сужения ψ_z. Этот критерий весьма жесткий, чтобы сталь была устойчивой против образования ламелярных трещин; шесть опытных образцов, вырезанных из одного участка пластины, долж­ны иметь ψ_z ≥20%. Если 16%< ψ_z <^|20%, то испытание необходимо повторить. Для листов, от которых требуется особая сопротивляе­мость образованию ламелярных трещин, среднее значение ψ_z долж­но быть не менее 30%.

Проба Лихайского университета. Принцип испытания по методу Лихайского университета состоит в выполнении многопроходного сварного шва на опытной пластине (рис. 5). Приспособление фиксирует опытную пластину в вертикальном положении. При испытании листов толщиной менее 38 мм опытную пластину усиливают, приваривая еще одну пластину толщиной 25 мм во избежания возможной деформации изгиба.

Пробы LZ-LC. Посредством этой пробы можно оценить чувствительность стали к образованию ламелярных трещин, определяя ее свойства в направлении оси Z, является испытание образца с надрезом растяжением в направлении прокатки L. Из листов толщиной t вырезают плоские образцы, размеры которых показаны на рисунке 6.

Рис. 5

Если толщина листа превышает 20 мм, изготавливают образцы сечением 20×20 мм (рис. 6). Образцы имеют концентраторы двух видов; цилиндрическое отверстие диаметром 0,5 t и два надреза U-образной формы шириной 2 мм и глубиной 0,25 t, которые могут быть ориентированы вдоль поверхности листа (пробы LZ) или перпендикулярно этой поверхности (пробы LC).

Рис. 6

Расстояние между надрезами S является переменным фактором. При больших значениях S образуется излом в самом слабом сечении образца, т.е. в месте цилиндрического надреза. При небольшой величине S разрушение распространяется ламелярно между цилиндрическим надрезом и надрезами U-образной формы. Зависимость разрушающей нагрузки от величины расстояния S для образцов обоих типов показана на рис. 7.

Рис. 7

Возрастающие участки кривых представляют область ламелярного разрушения, горизонтальные - область классического разрушения.

На основании результатов многочисленных испытаний японские исследователи предложили следующую классификацию сталей:

1. Класс А, высокоустойчивые

S≤ 0,007%; ψ_Z ≥ 25%.

2. Класс В, устойчивые

S≤ 0,010%; ψ_Z ≥ 15%.

3. Класс С, низкоустойчивые

S≤ 0,020%; ψ_Z ≤ 8%.

Хотя существует несколько технологических и конструктивных путей предупреждения образования дефектов такого типа, наиболее эффективным является выбор стали с хорошими пластическими свойствами в направлении оси Z.

Из технологических возможностей прежде всего следует назвать предварительную облицовку свариваемых кромок и предварительный подогрев.