книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

деформация) при 26° С и около 50—61% при — 26° С. Старение

Автор отметил одно интересное явление: на поверхности об­ разцов в районе шейки появлялись точечные поры, однако это происходило задолго до разрушения. В большинстве случаев по­ лосы скольжения начинались от этих пор. Прямой связи между этими порами или даже внутренними трещинами, появлявшими­ ся при деформации на 10% и более, и хрупким разрушением, происходившим при растяжении лишь на 1%, замечено не было.

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ИЗГИБОМ

Исследования Кёрбера с сотрудниками показали, что для каждой температуры предварительной деформации существует критическая степень этой деформации, при превышении которой сталь при испытании на растяжение разрушается хрупко. Эта критическая степень деформации названа Майлонасом пределом потери пластичности, который зависит как от температуры пред­ варительной деформации, так и от температуры последующего испытания на растяжение. Хотя испытания, подобные тем, что проводил Кёрбер, и дают ясный ответ, как определить предел по­ тери пластичности, методика испытания на сжатие и последую­ щее растяжение занимает слишком много времени; в связи с этим были предложены более простые испытания на изгиб. Ре­ зультаты испытаний на изгиб оценивались по деформации, рас­ считанной по радиусу кривизны и толщине бруска.

Майлонас и Рокки [9] осуществили непрерывные испытания на изгиб при 232° С на 85% расчетной деформации, а затем про­ должили его при — 26° С до разрушения, которое произошло при дальнейшей деформации, составившей около 3%.

Рокки, Ладли и Майлонас [9] для воспроизведения пластиче­ ской деформации сжатием предложили испытание на изгиб с из­ менением знака деформации путем распрямления образца, что позволяло получить растяжение на вогнутой стороне образцов. Такое испытание представляется ценным для исследователя не только своей простотой, но также тем, что оно может быть весь­ ма удобным для установления предела потери пластичности. Ав­ торы применили этот метод к стали, отвечающей следующим американским маркам: Е, ABS-С, А-7, Т1 и НѴ-80. Предвари­ тельный изгиб и разрушение при обратном изгибе проводились при 26° С и — 26° С соответственно. Величина пластической де­ формации была 30—77%.

Химический состав и некоторые механические свойства иссле­ дованной стали приведены в табл. 11.

Испытания проводились на состаренных и несостаренных об­ разцах. Старение осуществлялось нагревом предварительно изо­

гнутых образов при 150°С в течение 1,5 ч. Значения предела по­ тери пластичности, или предварительной пластической деформа­ ции, выше которой происходило резкое снижение пластичности при обратном изгибе, приведены в табл. 12.

II. Химический состав и механические свойства исследованной стали

Майлонас и Рокки описали также испытания, в которых пер­ воначальная (предварительная) деформация изгибом осуществ­ лялась при различных высоких температурах, а последующий обратный изгиб при —26° и +26° С. Результаты этих испыта­ ний показаны на рис. 3 и 4. Следует заметить, что предваритель­ ная пластическая деформация влияла на свойства стали. Более того, понятие переходной температуры для стали в условиях экс­ плуатации (например, под влиянием деформационного старения) не имеет достаточно четкого смысла, если отсутствуют сведения о механической и термической обработке, которой подвергалась сталь в конкретной конструкции.

ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ ПОСЛЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Многие авторы исследовали влияние предварительной плас­ тической деформации при различных температурах на ударную вязкость стали. Результаты таких исследований обычно оцени­ вают по повышению переходной температуры.

162

Рис. 3. Испытания «обратным» изгибом несостаренных образцов стали Е при +26° С, подвергнутых предвари­ тельной пластической деформации (изгибом) при раз­ личных температурах [1, 9]. По оси абсцисс — степень предварительной деформации сжатием: / — переходный интервал при +26°С для состаренных образцов; 2 — пе­ реходный интервал при +26°С для образцов без старе­ ния. По оси ординат — температура предварительного

изгиба

Т, °С

И с п ы т а н и я , п р о в е д е н н ы е Т е р а д з а в а [10]

Сталь (см. табл. 4) была охрупчена пластической деформа­ цией сжатием и растяжением. Ударные образцы с Ѵ-образным надрезом по Шарли были изготовлены из материала после пла­ стической деформации; для определения переходной температу­ ры образцы были испытаны при различных температурах. В табл. 13 и 14 приведены значения переходной температуры, для

13. Переходная температура стали, пластически деформированной растяжением при различных температурах

определения которой использованы два критерия: ударная вяз­ кость 2,1 кгс-м и доля вязкой части излома 50%. Результаты в общем не требуют дополнительных разъяснений и подтвержда­ ют, что пластическая деформация приблизительно на 35% при 200—300° С существенно повышает переходную температуру.

164

И с п ы т а н и я , п р о в е д е н н ы е в р а м к а х Е в р а т о м а [6]

Из стали марок А, В и С (см. табл. 5) после предваритель­ ной деформации растяжением при различной температуре были изготовлены образцы с надрезом по Шарли. Аналогичные образ­ цы были сделаны из высокопрочной стали D следующего соста­

рению.

15.Ударная вязкость по Шарля стали А

Ударная вязкость (кгс-м/смг) при температуре, °С

165

17. Ударная вязкость по Шарли стали С

18. Ударная вязкость по Шарли (кгс м/см2) стали D после различной степени предварительной деформации

ТВЕРДОСТЬ

Некоторые авторы [11, 12] сообщают об очень хорошей кор­ реляции между ударной вязкостью и твердостью охрупченного материала. Такая корреляция может быть полезной, поскольку измерение твердости является очень простым и практически не­ разрушающим методом. Для иллюстрации такой корреляции в табл. 19 приведены значения твердости по Бринелю для стали марок А, В и С, охрупченных пластической деформацией при

19. Твердость по Бринелю*1 стали марок А, В и С

166

различных температурах. Химический состав стали этих марок см. в табл. 5 (исследования Зута), а значения ударной вязкости после предварительной деформации при различных температу­ рах— в табл. 15—17.

ВЛИЯНИЕ СВАРКИ

Вполне очевидно, что местный нагрев, неизбежный при свар­ ке, вызывает пластическую деформацию в зоне термического

ждении может произойти самопроизвольное разрушение от тре­ щин.

Этим, по-видимому, можно объяснить охрупчивание зоны термического влияния при сварке и, по крайней мере, частично объяснить хрупкое разрушение под действием низких напряженйй в крупных сварных пластинах с центральным надрезом, ко­ торое обсуждалось в гл. 2.

Рассмотрим две широкие пластины, которые надо сварить встык (рис. 5). Для упрощения рассуждений предположим, что

167

зона / равномерно нагрета до температуры t, а зона II останется при комнатной температуре.

При нагреве зона I расширится и если бы она была совер­ шенно свободной, ее длина после нагрева была бы /і = /о (1 + + at). Однако обе зоны должны иметь одинаковую длину, вслед­ ствие чего зона I будет сжата, а зона II растянута, так что ко­ нечная длина их будет

1 \ — (1 еі) = ^о(1 + Ец)>

где еі и ен — деформации растяжения и сжатия соответственно в зонах / и //;

откуда следует, что чем больше будет еі, тем меньше ец. Если пластина широкая, ец будет малой и еі практически будет равна

------- , что для температуры t = 250° С составит величину поряд-

I ссг

ка 0,3%. Это значит, что зона I будет сжата приблизительно на 0,3%. При охлаждении же (см. рис. 5) зона / будет пласти­ чески растянута на 0,3%.

Такой термомеханический цикл будет повторяться при каж­ дом проходе электрода или горелки во время сварки, в резуль­ тате чего может появиться отрицательное влияние сварки, осо­ бенно, если деформация будет сосредоточена около какой-ни­ будь несплошности.

На основании этих рассуждений можно сделать вывод, что количество проходов при сварке может существенно влиять на пластичность металла в зоне термического влияния. Каждый проход представляет собой механический и термический цикл, охрупчивающий сталь. Наихудшие, с точки зрения охрупчива­ ния, условия получаются при использовании небольших электро­ дов с перерывами для охлаждения после каждого прохода. В этом отношении наилучшей является сварка за один проход, что подтвердил Уэллс, которому не удалось получить хрупкого раз­ рушения от низких напряжений на широких пластинах, сварен­ ных электрошлаковым методом, при котором металл наплав­ ляется за один проход.

В связи с этим следует напомнить, что предприятия, произво­ дящие электроды, рекомендуют для получения высокой ударной вязкости наплавленного металла производить сварку за несколь­ ко проходов. Более высокая температура в сварном шве, кото­ рая получается при последующих проходах электрода, действи­ тельно благоприятно сказывается на пластичности наплавленно­ го металла, но снижает пластичность основного металла, если его температура достигает 200—300° С. Наилучшая технология сварки должна обеспечивать одинаковую пластичность наплав­

168

ленного и основного металла; для обеспечения требования необ­ ходимы соответствующие условия подвода тепла в процессе сварки.

ОЦЕНКА ПОТЕРИ ПЛАСТИЧНОСТИ

Если металл у вершины трещины охрупчен и если такой об­ разец подвергать растяжению при низких температурах, вероят­ ность хрупкого разрушения при низких напряжениях будет до­ статочно высокой. Уэллс при испытаниях широких пластин до­ бивался охрупчивания с помощью сварки, вызывавшей пласти­ ческую деформацию при высоких температурах. Однако в этих испытаниях измерение степени охрупчивания, требующее специ­ альной аппаратуры, не производилось.

Чтобы лучше разобраться в этом явлении, Зут применил так называемый «рамный» образец (см. рис. 2 в гл. 3); преимущест­ во такого образца, кроме простоты, состояло в том, что он поз­ волял количественно оценить степень охрупчивания. Такой об­ разец описан в Лекции Гудремона в I960 г. (см. работу [6]). В стальной пластине прорезали два длинных продольных паза, так что собственно образец имел вид «мостика» или перемычки меж­ ду боковыми полосами. В перемычке создавалась усталостная трещина длиной 10 мм, перпендикулярная к продольным пазам (размеры этого образца см. в верхней части рис. 12). Охрупчи­ вание металла у вершины усталостной трещины достигалось пу­ тем пластической деформации рабочей (средней) части образца, осуществляемой посредством нагрева боковых полос до опреде­ ленной температуры.

Этот метод позволял точно контролировать величину пласти­ ческой деформации, которую измеряли с помощью муаровой сет­ ки, нанесенной на перемычке в зоне вершины трещины. Если пластическую деформацию производили при высоких темпера­ турах, электронагревательные элементы устанавливали на рабо­ чей части образца (перемычке), а температуру измеряли с по­ мощью термопар.

Охрупченный образец подвергался растяжению внешней на­ грузкой при температуре ниже переходной температуры для этой стали.

Среднее значение разрушающего напряжения определяли пу­ тем деления разрушающей нагрузки на сечение нетто образца (перемычка + боковые полосы). Если это среднее напряжение было ниже предела текучести, считали, что произошло разруше­ ние от низких напряжений; в противном случае — разрушение от высоких напряжений.

Исследовали полуспокойную сталь марки S.M.37; ее переход­ ная температура составляла 0°С (при ударной вязкости по Шарпи 3,5 кгс-м/см2); температура остановки трещины (изотерми­ ческой) по Робертсону составляла 27° С при напряжении

169

16 кгс/мм2. Муаровая сетка имела 20 линий/мм. Муаровую кар­ тину получали, совмещая исходную сетку с деформированной. Каждая линия муаровой картины отвечала деформации (пере­ мещению) 1/20 мм. Это значит, что можно было фиксировать аб­ солютную деформацию не менее 0,05 мм. Показано, что этого до­ статочно для таких испытаний.

Следовательно, «отсутствие пластической деформации» в дан­ ном исследовании в действительности означало, что «деформа­ ция была не более 0,05 мм».

И сп ы тан и е р а зл и ч н ы х о б р а зц о в , н е п о д в ер гн у ты х о х р у п ч и в а ю щ ей о б р а б о т к е

Испытания на растяжение были проведены для определе­ ния переходной температуры неохрупченного образца и степени деформации до разрушения при выбранной температуре испы­ тания. По результатам можно сделать следующие выводы:

выше— 15° С — вязкое разрушение, большая деформация (сотни муаровых линий в зоне надреза);

ниже —20° С — вблизи минимальной температуры испытания (—50° С) — хрупкое разрушение со значительной деформацией

ратурах от 0 до 475° С, а испытания на растяжение производили при —35° С.

На рис. 6, а показана зависимость разрушающего напряже­ ния от температуры предварительной обработки. Измерялась также локальная деформация еь, зависимость которой от темпе­

вале 200—300° С (в этом случае при —35° С дополнительной пластической деформации не происходит);

б) во всех этих случаях рамный образец при —35° С разру­ шался при малой внешней нагрузке;

в) образцы, деформированные предварительно при 425° С, разрушались при большой внешней нагрузке и с большой де­ формацией, но из-за несовершенства методики не удалось опре­ делить точно количество дополнительных муаровых линий в этот момент (пунктирная кривая на рис. 6).

170