Лекции ТСП_2 / L_5

ЛЕКЦИЯ 5

ХОЛОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ В СТАЛЯХ

Сопротивляемость образованию XT

К категории XT относятся такие трещины в сварных соединениях, формальными призна­ками которых являются образование визуально наблюдаемых трещин практически после ох­лаждения соединения, блестящий кристалличе­ский излом их без следов высокотемпературно­го окисления. XT - локальные хрупкие разру­шения материала сварного соединения, возни­кающие под действием остаточных сварочных напряжений. Размеры XT соизмеримы с разме­рами зон сварного соединения. Локальность разрушения объясняется частичным снятием напряжений при образовании трещин, а также ограниченностью зон сварного соединения, в которых возможно развитие трещин без дополнительного притока энергии от внешних нагрузок.

Для большинства случаев возникновения XT характерны:

• наличие инкубационного периода до образования очага трещин;

• образование трещин при значениях напряжений, составляющих <0,9 кратковре­менной прочности материалов в состоянии после сварки.

Эти особенности позволяют отнести XT к замедленному разрушению свежезакаленного материала.

К образованию XT при сварке склонны углеродистые и легированные стали, некото­рые титановые и алюминиевые сплавы.

Рис. 1 Вид XT в сварных соединениях легированных сталей:

1 - откол; 2 - частокол; 3 - отрыв; 4 - продольные в шве

При сварке углеродистых и легированных сталей XT могут образоваться, если стали пре­терпевают частичную или полную закалку. Трещины возникают в процессе охлаждения после сварки ниже температуры 150 °С или в течение последующих нескольких суток. XT могут образовываться во всех зонах сварного соединения и иметь параллельное или перпен­дикулярное расположение по отношению к оси шва. Место образования и направление трещин зависят от состава основного металла и шва, соотношения компонент сварочных напряже­ний и некоторых других обстоятельств. В практике XT в соответствии с геометриче­скими признаками и характером излома полу­чили определенные названия: «откол» - про­дольные в ЗТВ, «отрыв» - продольные в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного), «частокол» - поперечные ЗТВ и др.. Наиболее частыми являются XT вида «откол».

Образование XT начинается с возникно­вения очага разрушения, как правило, на границах аустенитных зерен на околошовном уча­стке ЗТВ, примыкающих к линии сплавления ЛС. Протяженность очагов трещин составляет несколько диаметров аустенитных зерен. При этом разрушение не сопровождает­ся заметной пластической деформацией и на­блюдается как практически хрупкое. Это по­зволяет отнести XT к межкристаллитному хрупкому разрушению. Дальнейшее развитие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер.

Для образования холодных трещин в зоне сварного соединения должны существовать три условия.

1. Микроструктура зоны термического влияния или металла сварного шва должна быть чувствительна к водороду. Такой структурой является мартенситная структура или структура нижнего бейнита, которая образуется в основном при, сварке сталей повы­шенной прочности.

2. В зоне сварного соединения должен быть определенный минимум диффузионного водорода, источником которого является преи­мущественно металл сварного шва.

3. В зоне сварного соединения должны действовать растягивающие напряжения.

Критическое сочетание этих факторов приводит к образованию XT.

Роль структуры связывают с развитием микропластической деформации (МПД) в при­граничных зонах зерен. МПД обусловлена на­личием в структуре свежезакаленной стали незакрепленных, способных к скольжению краевых дислокаций при действии сравнитель­но невысоких напряжений (σ<<σ_0,2). Особен­но высока плотность дислокаций в мартенсите непосредственно после сварочного термиче­ского цикла. МПД является термически акти­вируемым процессом, т.е. ее скорость зависит от температуры и величины приложенных на­пряжений. При длительном нагружении по границам зерен развивается локальная МПД, которая приводит к относительному проскаль­зыванию и повороту зерен по границам. В результате этого происходит межзеренное разрушение на стыке границ зерен. После «от­дыха» способность закаленной стали к МПД исчезает. Конечные высокая твердость и пре­дел текучести закаленной стали - результат старения, при котором происходит закрепление дислокаций атомами углерода. Особенности развития МПД достаточно хорошо объясняют приведенные ранее закономерности замедлен­ного разрушения.

Одним из главных факторов, влияющих на образование холодных трещин, является водород. Водород попадает в металл сварного шва из покрытия электродов, флюса, влажной окружающей среды, неочищенных защитных газов или загрязнений, присутствую­щих на поверхности проволоки и свариваемых кромок. Сваривае­те кромки, покрытые ржавчиной, являются мощным источником водорода, поступающего в металл сварного шва. При ручной дуговой сварке наиболее частым источником водорода является покрытие электрода. Чтобы уменьшить опасность насыщения металла сварного шва водородом, электроды или флюсы перед сваркой необходимо сушить при температуре 300—350° С в течение нескольких часов. Источником водорода при сварке может быть присадочный материал (сварочная проволока), которую в процессе изготовления (волочения) протравливают в соляной кислоте. Количество водорода в металле сварного шва выражается в миллилитрах на 100 г наплавленного металла. В зависимости от технологии сварки количество изменяется в пределах от 1 до 30 мл. Растворимость и распределение водорода в металле сварного шва зависят от концентрации и типа включений, микропор и их дислокаций, макро пор и скорости охлаждения. Из металла сварного шва водород диффундирует в зону термического влияния главным образом во время γ → α -превращения металла сварного шва. Так как при превращении γ → α растворимость водорода в металле сварного шва резко снижается, его большая часть диффундирует в зону термического влияния. Водород, который зафиксирован в зоне сварного соединения при повышенных температурах находится в атомарном состоянии. При падении температурь примерно ниже 200° С водород может перейти на определенные свободных поверхностях из атомарного состояния в молекулярное при этом возникает высокое давление газа в этих местах.

Однако, как правило, водород диффундирует и к свободным поверхностям сварного соединения, а оттуда в атмосферу. Измерение количества диффузионного водорода в сварном соединении основано на этом его свойстве. Для измерения образец сварного сое­динения непосредственно после сварки помещают в пробирку, за­полненную глицерином или ртутью. Пробирку закупоривают, и диф­фундирующий водород скапливается в верхней части пробирки виде пузырьков, где его объем измеряют. Измеренное таким cпосoбом количество водорода в миллилитрах на 100 г наплавленного металла позволяет определить содержание диффузионного водорода. Замеры с применением ртути более точные, чем с применением глицерина. Диффузия водорода к свободным поверхностям длится несколько дней, иногда и месяц, что зависит от размеров (особенно толщины) сварного соединения. Значения коэффициента диффузии зависят не только от содержания легирующих элементов внедрения и замещения, но и от плотности дислокаций и величины упругих напряжений. Таким образом, диффузию водорода в сварных соединениях после сварки характеризует не только второй закон Фика, но и градиент химического потенциала. При сварке без предварительного подогрева или последующего нагрева за счет диффузии концентрация водорода в зоне термического влияния увеличивается еще в течение нескольких дней после сварки.

Тепловой режим, в особенности применение нагрева после сварки, весьма благоприятно влияет на выход водорода из металла сварного соединения. Если при комнатной температуре максимальное содержание водорода достигается по истечении пяти дней, то при нагреве после сварки до 150° С максимальное содержание водорода остается практиче­ски на уровне состояния непосредственно после окончания сварки.

Шкала уровней водорода

Используемые уровни водорода в любом дуговом сварочном процессе существенно зависят от содержания способного диффундировать водорода (в соответствии с EN ISO 3690) и может иметь значения, приведённые в таблице

Таблица . Шкала уровней водорода

Содержание способного диффундировать водорода (мл/100 г отложенного материала)	Уровни водорода
> 15	A
10  15	B
5  10	C
3  5	D
 3	E

Для развития схемы использованы данные широкой области процессов сварки. Они включают ручную дуговую сварку металлов, газовую с проволокой сплошного сечения, порошковой проволокой, и, наконец, оба типа с газовой защитой и самозащитой и дуговую сварку под флюсом.

Выбор уровней водорода

Ниже приводятся основные рекомендации по выбору соответствующего уровня водорода для различных сварочных процессов.

Ручная дуговая сварка электродами с основным покрытием может использоваться в случаях от B до D в зависимости от классификации производителей/поставщиков электродов расходных материалов. Ручную дуговую сварку с рутиловыми или целлюлозными электродами рекомендуется использовать в случае A.

Заполненные флюсом или заполненные металлом расходные материалы, могут быть использованы в случаях от B до D в зависимости от классификации производителями/поставщиками проволоки электродов. Дуговая сварка одним проволочным электродом под флюсом и с расходными материалами, содержащими флюс, допускает уровень водорода от случая B до D, хотя наиболее типичным будет случай C, поэтому следует оценивать уровень для комбинации изделий каждого наименования и условий сварки. Флюсы для дуговой сварки можно классифицировать по производителю/поставщику, но при этом нет необходимости подтверждать, что практическая комбинация проволоки флюса встречается в той же классификации.

Сварочные проволоки для дуговой сварки в защитных газах и для ручной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом могут быть использованы в случае D если специально не оценено и не показано, что имеет место случай E. Можно показать, что случай E подходит для некоторых порошковых проволок и для некоторых покрытых электродов для ручной дуговой сварки, но только после специального оценивания. Для достижения таких низких уровней водорода нужно рассмотреть вклад водорода от смеси защитного газа и атмосферной влаги.

Для плазменной сварки следует провести особую оценку.

.

Влияние диффузионного водорода на свойства сварных соеди­нений можно оценить как временное и как постоянное. Временное влияние проявляется в тех случаях, когда свойства сварного соединения испытывают сразу же или вскоре после сварки. В этом случае могут возникать трудности, особенно при испытании пластических свойств сварных соединений. При испытании на склонность к образованию трещин образцы могут иметь поверхностные трещины уже при небольших углах загиба. Причиной образования этих дефектов является диффузия водорода во время испытания в места зарождения пор или шлаковых включений, а также превра­щение диффузионного атомарного водорода в молекулярный, и при этом образуются блестящие поры типа «рыбий глаз».

Постоянным влиянием водорода является его воздействие на образование холодных трещин. Давление диффузионного водорода при переходе в молекулярное состояние проявляется в области пе­регрева зоны термического влияния в основном тогда, когда в ней образуется мартенсит или твердая фаза распада типа нижнего бейнита. Итак, чувствительность стали к образованию холодных тре­щин тесно связана с ее прокаливаемостью или охрупчиванием вследствие структурного превращения. Зоны границ первичных зе­рен перед самым развитием трещин, вызываемых водородом, могут быть повреждены и в результате процессов, имеющих другие меха­низмы и протекающих при высоких температурах. Таким процессом может быть растворение части сульфидов или карбидов и после­дующее выпадение из твердого раствора сульфонитридов или дру­гих фаз, которые снижают когезионную прочность границ зерен. Это может быть и сегрегация поверхностно-активных элементов, повышающих энергию границ зерен. Наконец, из этого перечня не следует исключать и возможное динамическое воздействие при росте мартенситных игл в направлении к границам зерен. Охрупчивание зоны термического влияния в результате фазового превращения зависит от химического состава стали и от применяемою термического цикла сварки, который выражается, например, скоростью охлаждения ∆t в интервале температур 800—500° С. Термический цикл сварки можно регулировать путем изменения технологии сварки, параметров режима сварки (погонной энергии) и применения предварительного подогрева или последующего нагрева, т. е. путем управления тепловым режимом сварки.

Расчетные методы оценки склонности сталей к образованию XT. Широко применя­ют параметрические уравнения, полученные статистической обработкой эксперименталь­ных данных. Они связывают выходные пара­метры (показатель склонности к трещинам) с входными (химическим составом, режимом сварки и др.) без анализа физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование трещин. Поэтому их применение ограничено областью, в пределах которой из­менялись входные параметры при эксперимен­тах. При этом часто не учитывается все много­образие факторов, влияющих на образование трещин, в том числе и существенно значимых.

В настоящее время применительно к низ­колегированным сталям используются следующие параметрические уравнения.

Расчет значения эквивалента углерода углеродного эквивалента, вычисляемого соответственно согласно ГОСТ 27772-88

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Si/24 + Cr/5 + Ni/40 + + Мо/4 + V/14 + Сu/13 + Р/2, %

по методу МИС

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Cr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Сu/15, %

по японскому методу

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Si/24 + + Ni/40 + Cr/5 + Мо/4, %,

где С, Мп и др. - символы элементов и их со­держание, %.

Стали, у которых Сэкв > 0,35 %, считаются потенциально склонными к образованию тре­щин. Сэкв является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость. При Сэкв > 0,40 % при сварке стано­вится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может привес­ти к образованию XT. Значение Сэкв вне связи с этими условиями не может служить показате­лем сопротивляемости сварного соединения трещинам.

Применяется несколько параметрических уравнений, из которых наиболее распространенным является уравнение по Ито - Бессио, %:

Рсм = С + Si/30 + (Mn + Cr + Cu)/20 + Ni/60 + (Mo + V)/15 + 5B.

Одним из критериев, указывающих на возможное охрупчивание из-за структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. И хотя связь этих показателей неоднозначна, у большинства конструкционных сталей величины твердости до HV 350 свидетельствует о том, что образование твердых структурных составляющих при распаде аустенита не происходит. Если твердость зоны термического влияния выше HV 350-400, то в структуре уже присутствует смесь твердых продуктов распада аустенита, которые склонны к образованию холодных трещин.

Основным фактором, который влияет на образование холодный трещин, является, однако, воздействие растягивающих остаточных напряжений после окончания сварки. Величина этих напряжений зависит от толщины сварного соединения типа сварного узла и осо­бенно от жесткости свариваемой части конструкции. Обычно эти на­пряжения выражают с помощью коэффициента интенсивности жест­кости К, Н/(мм-мм), который представляет собой силу, приводя­щую к раскрытию на 1 мм зазора в сварном соединении длиной 1 мм. Коэффициент интенсивности жесткости использовали в своих расчетах Йто и Бессио на основе данных, полученных при оценке склонности к трещинам на пробе типа «Тэккен» разной тол­щины с У-образной разделкой кромок. Этот метод испытания поз­воляет выразить коэффициент интенсивности жесткости пробы следующим образом: K=KoS, где Ко — постоянная, равная 69; s — толщина листа, мм.

На основании изучения действия всех трех основных факторов, способствующих образованию холодных трещин, и применения статистической обработки результатов многочисленных измерений Ито и Бессио вывели следующее параметрическое уравнение, ко­торое оценивает чувствительность сталей к образованию холодных трещин:

P_W= P_СМ + Н_ГЛ/60 + К/(40·10⁴),

где Рсм — коэффициент, характеризующий охрупчивание вследст­вие структурного превращения; Н_ГЛ — количество диффузионного во­дорода в металле сварного шва, установленное путем измерения японским методом с применением глицерина (в мл/100 г); при этом если применить метод измерения МИС (с использованием ртути), то Няпон=0,64 Нмис—0,93; К — коэффициент интенсивности жесткости, Н/(мм-мм).

Многочисленные измерения показали, что сталь чувствительна к образованию трещин, если Р_W>0,286%.

Параметр Pw применим для низколегиро­ванных сталей с содержанием углерода 0,07...0,22 %, пределом текучести 500... 700 МПа, погонной энергией сварки q/v =15...20кДж/см.

Условия сварки, при которых нет опасности образования тре­щин, можно определить с помощью испытаний на склонность к об­разованию трещин. В настоящее время существует целый ряд ме­тодов таких испытаний для разных типов сварных соединений (уг­ловых, стыковых, крестообразных), так что для конкретного техно­логического процесса можно выбрать оптимальный метод испы­тания.

7