книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

Поскольку влияние различных методов снятия напряжений на прочность сварных конструкций обсуждается в общих чер­ тах, то неизбежно возникает вопрос, какова роль собственно остаточных напряжений и физических факторов, сопровождаю­ щих процессы возникновения остаточных напряжений. Послед­ ние следует разделить на факторы, вызванные только пласти­ ческой деформацией материала, только нагревом и одновремен­ ным воздействием пластической деформации и нагрева. Ответить на этот вопрос весьма трудно, однако полезно рас­ смотреть следующие важные положения, вытекающие из анали­ за результатов исследований и опыта эксплуатации сварных конструкций.

1. Остаточные напряжения, несомненно, являются одним из важнейших факторов, вызывающих разрушение при низких напряжениях.

2. Остаточная пластическая деформация материала, являю­ щаяся результатом процесса сварки, уменьшает общий ресурс пластичности конструкции, который не может быть восстановлен механическим снятием напряжений.

3. Для ослабления вредного влияния остаточных напряже­ ний (и остаточной пластической деформации) путем термиче­ ской обработки необходимо обеспечить такое температурное поле, которое не приводит к возникновению дополнительных термических напряжений значительной величины.

Первое из этих положений опирается на многочисленные экспериментальные исследования развития и остановки трещин в надрезанных сварных пластинах, в которых остаточные напря­ жения (и их роль) можно оценить количественно.

То обстоятельство, что влияние остаточных напряжений можно не учитывать почти всегда, когда проведено снятие напряжений (механическое или тепловое), упрощает рассмотре­ ние вопросов хрупкой прочности с позиций механики разруше­ ния. Условия разрушения возникают, когда лекальная дефор­ мация становится равной (или больше) некоторой предельной деформации, которая зависит от исходного размера дефекта; при этом с помощью корреляции, показанной на рис. 14 и 15 гл. б, можно предсказать результаты испытаний на ударную вязкость (с Ѵ-образным надрезом по Шарли), если они прове­ дены на материале, подвергнутом предварительной обработке, воспроизводящей операции при монтаже (сварке) конструкции и снятии напряжений путем термической обработки или предва­ рительной — «теплой» перегрузки.

Второе положение основано на глубоком рассмотрении условий пластического деформирования, из которого следует, что пластическая деформация механически необратима в любом твердом теле с надрезами, изготовленном из однородного изо­ тропного материала. Это положение подтверждается тем, что механическое снятие напряжений (предварительная перегруз­

191

ка) повышает прочность конструкций, но уменьшает пластич­ ность, если испытания проводятся при более низкой температу­ ре, чем предварительное нагружение. В этом отношении механическое снятие напряжений отличается от термического, при котором, как правило, повышается и прочность, и пла­ стичность.

Третье положение является особенно важным, если производится местное термическое снятие напряжений. Так, например, одно время считали (а на практике все еще продол­ жают считать на многих предприятиях), что сварной шов можно удовлетворительно обработать газовой горелкой, перемещая ее с такой скоростью, чтобы наплавленный металл имел макси­ мальную температуру, равную температуре, необходимой для снятия напряжений. Этот метод, несомненно, вреден, что было показано английскими исследованиями надрезанных сварных пластин [20]. При нагреве узкой полосы поле температур и деформаций качественно будет таким же, как и при сварке, так что результирующие остаточные напряжения (и деформации) могут распространиться на еще более широкую зону, чем после сварки. Поэтому наиболее целесообразно назначать перепад или распределение температуры так, чтобы пластическая деформа­ ция при охлаждении была минимальной (или невозможной). При соблюдении этого условия эффективность местного нагрева в принципе будет такой же, как и изотермического (объемного), хотя практически довольно трудно реализовать необходимое температурное поле.

Значительное количество данных, подтверждающих приве­ денные рассуждения, было представлено в гл. 4.

Релаксация остаточных напряжений при нагреве

Процесс теплового снятия напряжений вызывает релаксацию остаточных напряжений, а также, по крайней мере в малоугле­ родистой стали, восстанавливает потерю пластичности, обу­ словленную процессами, происходящими при сварке. Оба указанных эффекта установлены экспериментально и связаны между собой, хотя эта взаимосвязь носит, как правило, только качественный характер.

Влияние температуры и времени выдержки на релаксацию напряжений измеряется путем специальных релаксационных испытаний, при которых образец выдерживается в условиях практически постоянной заданной деформации. При этом испытательная машина для исследования релаксационной стой­ кости должна быть очень жесткой по сравнению с образцом. При недостаточной жесткости применяются устройства, компен­ сирующие деформацию частей машины. Механизм релаксации напряжений по существу, по-видимому, мало отличается от механизма ползучести, и можно предполагать, что преобладаю-

192

щим фактором в этом процессе является максимальное или октаэдрическое касательное напряжение, а влияние дополни­ тельной гидростатической составляющей напряженного состоя­ ния весьма мало. Это дает возможность сопоставлять резуль­ таты испытаний на релаксацию или ползучесть при различных состояниях (растяжении, кручении, изгибе).

Результаты испытаний на изгиб сильно зависят от толщины (высоты) образца (точнее от отношения толщины к ширине), и большинство исследователей считают их неточными. Испыта­ ния на кручение обладают тем достоинством, что на них не влияют ошибки, вызванные линейным (температурным) расши­ рением, а испытательное оборудование сравнительно простое. Однако преимущества этого метода несколько уменьшаются при испытании сплошных образцов вследствие радиальной неодно­ родности напряженно-деформированного состояния материала. Трубчатые (тонкостенные) образцы позволяют исключить этот недостаток, однако они более дороги в изготовлении. В сравни­ тельном исследовании, предпринятом Комиссией X Междуна­ родного института сварки [21], испытывались на ползучесть при кручении и растяжении сплошные цилиндрические образцы из стали с 0,5% Мо и 1% Сг и 0,5% Мо (без хрома). Предполага­ лось, что в случае кручения начальные максимальные каса­ тельные напряжения (на поверхности) должны быть вдвое меньше нормальных напряжений при растяжении, чтобы обес­ печить пропорциональность между углом закручивания и удли­ нением. Исходя из предположения о линейности радиального распределения касательных напряжений при кручении, их рас­ считывали как отношение крутящего момента к полярному мо­ менту сопротивления. Не считая двух случаев, когда в стали с 0,5% Мо начальные напряжения были очень высоки, скорость ползучести при кручении оказалась несколько больше, чем при растяжении, однако совпадение было достаточно хорошим, что­ бы рекомендовать метод кручения сплошных образцов для тех­ нологических испытаний на ползучесть или релаксационную стойкость стали.

В зависимости от степени точности поддержания постоян­ ства температуры и длительности испытаний существенную роль играет фактор времени. В начале испытания либо нагру­ жается холодный образец и затем начинается нагрев, либо, наоборот, нагружение производится после нагрева образца. В обоих случаях создается неопределенность, поскольку началь­ ная скорость ползучести (релаксации) высока. Первый случай ближе к условиям термического снятия напряжений в реальных конструкциях, но при этом должны быть установлены опреде­ ленные начальные скорости нагрева. В крупных сварных кон­ струкциях, для которых снятие остаточных напряжений особен­

приведенные на рис. 3, а, где показаны кривые релаксации напряжений, относятся к английской стали различных марок, для которых имеются результаты многочисленных испытаний надрезанных сварных пластин. Образцы нагревались в печи в атмосфере азота и после равномерного прогрева до заданной

6 при 20°С, кгс/пп2

5)

ния от температуры при ее равномерном повышении со скоро­ стью 5, 10 и 15°С/ч в образцах, изготовленных из толстой пла­ стины малоуглеродистой, раскисленной алюминием стали, под­ вергнутой двухкратной нормализации.

В соответствующих образцах, изготовленных из металла сварных швов, напряжения релаксировали при скорости нагрева

194

тивных элементах при их отпуске протекает так же, как при ла­ бораторных испытаниях на релаксацию. Возможная разница может быть связана главным образом с неравномерностью охлаждения конструкций после выдержки при заданной темпе­ ратуре отпуска.

В Л И Я Н И Е Т Е Р М О О Б Р А Б О Т К И Н А З О Н Ы

Т Е Р М И Ч Е С К О Г О В Л И Я Н И Я С В А Р Н Ы Х С О Е Д И Н Е Н И И

Кованая углеродистая сталь обладает, как правило, более высокими механическими свойствами, чем литая; ковку обычно производят в интервале температур не ниже 950° С, после чего

деформация в зонах термического влияния продолжается до тех

Так как зона термического влияния обычно узка и занимает относительно небольшой объем, ее роль не так важна для раз­ вития хрупкого разрушения, как для его возникновения. Поэтому в первую очередь необходимо учитывать возможность наличия дефектов в зонах термического влияния сварных швов. Более того, термические циклы при сварке происходят быстро, и часто микроструктурные изменения, на которые они могли бы повлиять, не успевают пройти в полной мере. Пластическая деформация, вызванная нагревом, также относительно невелика (порядка 1%) и не может дать большого эффекта, если она не является многократной и обратимой, как при многопроходной сварке толстолистовых материалов.

В табл. 2 приведены типичные данные, полученные при испы­ таниях на ударную вязкость (переходные температуры) метал­ ла сварного шва и околошовной зоны сварного соединения стали с 0,2% С и 0,6% Мп толщиной 25,4 мм.

Максимальное повышение переходной температуры в свар­ ных соединениях этой и подобной ей стали наблюдается на расстоянии около 5 мм от линии сплавления. При сварке тем-

2.Значение переходной температуры металла сварного шва

носновного металла в околошовной зоне

структура неотличима от микроструктуры основного металла. Имеющиеся данные показывают, что охрупчивание, вероятно, связано с явлением старения. Однако такое же повышение переходной температуры путем искусственного старения основ­ ного металла можно получить лишь при условии предваритель­ ной деформации на 5% с последующим нагревом в течение 1 ч при 200°С или 8 ч при 100° С.

В работе по изучению влияния предварительной пластиче­ ской деформации на хрупкое разрушение Майлонас (см. гл. 5) показал, что при разных знаках предварительной и последующей деформации, т. е. при растяжении образцов, подвергнутых предварительно сжатию, предварительная деформация оказы­ вает более вредное действие. Ему удалось показать, что образцы после предварительного сжатия разрушались при последующем растяжении при малой пластической деформации даже в тех случаях, когда перед испытанием, чтобы предотвратить старе­ ние, их выдерживали при низких температурах. Майлонас, кроме того, обнаружил, что хрупкое разрушение можно полу­ чить при изгибе образцов из американской малоуглеродистой стали Е даже при нормальной температуре, если их предвари­ тельно подвергнуть сжатию на 20% или более при 250—300° С.

Лагасс и Плато [23] провели критический анализ большого количества работ, в которых изучали явление охрупчивания сварных соединений. Один из их выводов состоял в том, что эффект охрупчивания в значительной степени зависит от типа и марки стали. Тем не менее они сочли возможным провести сравнительную оценку собранных результатов для малоугле­ родистой стали по переходной температуре, соответствующей 50% вязкой части излома при испытании на ударную вязкость (с Ѵ-образным надрезом по Шарли), как это показано на рис. 4, а. На графике видно особенно сильное влияние предва­ рительного сжатия и искусственного старения на повышение переходной температуры.

В связи с проблемой охрупчивания зон термического влияния сварных швов авторы от имени Комитета кораблестроительных конструкций обратили также внимание на характеристики деформационного старения (рис. 4,6), определенные для полу­ спокойной и спокойной стали (раскисленной алюминием) и нор­ мализованной стали.

(96

Соответствие между данными испытаний сварных широких пластин с надрезами для английской малоуглеродистой стали нескольких марок различного способа выплавки и данными по ударной вязкости после деформации на 4% с последующим старением в течение 1 ч при 200° С было подробно рассмотрено в гл. 2.

Охрупчивание зон термического влияния в малоуглероди­ стой стали приобретает особое значение при наличии концен­ тратора или дефекта, вершина которого лежит на критическом

расстоянии от линии сплавления. Одним из наиболее важных является случай перпендикулярного расположения пересекаю­ щихся сварных швов, при котором трещина вдоль оси одного шва является поперечным дефектом для другого.

У низколегированной стали характер изменения ударной вязкости в зонах термического влияния более сложен. Если металл в зоне термического влияния шва имеет структуру перлита или мелкодисперсного отпущенного мартенсита, то его ударная вязкость обычно не ниже, чем в исходном состоянии. Деформационное старение в сварных соединениях легированной стали также не приводит к существенному охрупчиванию мате­ риала, как это наблюдается для малоуглеродистой стали. На­ пример, при испытании широких надрезанных сварных пластин из низколегированной стали, в которых вершина поперечного

197

надреза, сделанного ювелирной пилкой, находилась в зоне термического влияния, было установлено, что разрушение при относительно низких температурах сопровождалось большой пластической деформацией независимо от того, производилась ли сварка с подогревом или без него.

'' С другой стороны, в одном из английских обзоров аварий сварных конструкций упоминаются случаи, когда разрушение начиналось и развивалось по краю зоны сплавления со стороны основного металла. Имеются также данные о том, что разру­ шения такого характера наблюдались в конструкциях амери­ канского и европейского производства, изготовленных из леги­ рованной стали. Общим в этих случаях, возможно, было то, что

весьма тщательно выбирать положение надреза, чтобы обнару­ жить эту зону. Такие узкие охрупченные зоны имеют большое значение в реальных конструкциях, если имеется неблагоприят­ но ориентированный дефект. Возникновение начальных дефек­ тов (трещин) в этих зонах связано с тем, что, во-первых, кромка сварного шва сама по себе является концентратором напряже­ ний. Во-вторых, может происходить растрескивание при повышенных температурах под воздействием серы или другого вредного элемента, если поверхность пластины, принадлежащая к шву, не была тщательно очищена перед сваркой. Сера может быть адсорбирована также при высоких температурах прокат­ ной окалиной, и это явление еще более усугубляется при весьма продолжительной термообработке, особенно если печные газы имеют повышенное содержание серы. Вредные примеси (напри­ мер, сера) из окалины под влиянием нагрева и пластической деформации могут проникать в основной металл у края шва, вызывая понижение его пластичности.

Влияние такой узкой охрупченной зоны четко проявилось при испытаниях широких пластин толщиной 57 мм из хромо­ молибденованадиевой низколегированной стали: в двух из четырнадцати случаев наряду с «нормальным» поперечным разрушением, начинавшимся от надрезов, нанесенных на кром­ ках пластин до их сварки, происходило продольное разрушение вблизи линии сплавления [15]. В одном из этих двух случаев образец находился в исходном состоянии после сварки, в дру­

ний, а является следствием охрупчивания узкой околошовной зоны.

Поперечные растягивающие напряжения скорее всего возни­ кали вследствие стеснения поперечной деформации при растя­ жении сравнительно коротких пластин.

■ 198

ции это затруднительно или вообще невозможно сделать.

нения в длинных цилиндрических химических реакторах, кото­ рые слишком громоздки для транспортировки. Хотя местная термообработка уже применяется долгое время как стандарт­ ная, перепад температуры между нагретой и ненагретой зонами изделий определяется лишь на основе эмпирических правил. Тем не менее достигаемую при этом степень снятия напряжений

после сварки можно обосновать следующим образом. Цель

для того, чтобы на любой из стадий термической обработки произошла пластическая деформация материала. Необязатель­ но, чтобы термических напряжений не было вовсе, как это требуется обычно при нагреве и охлаждении всей конструкции. Если не было пластической деформации, то термические напря­ жения (упругие) исчезают, как только закончится охлаждение; если же пластическая деформация произошла, то появятся новые остаточные напряжения. В первом приближении остаточ­ ные напряжения приблизительно равны разности между макси­

пределом текучести, причем эту разность берут при температу­ ре, при которой пластическая деформация прекратилась. Если при местной термообработке пластическая деформация не про­ исходит, можно ожидать что местная термообработка, по-видимому, так же эффективна, как и полная (объемная) обработка, при которой остаточные сварочные напряжения и последствия пластической деформации металла при сварке устраняются.

Р а с ч е т р а с п р е д е л е н и я т е м п е р а т у р

Существенной особенностью разных видов местной термиче­ ской обработки элементов конструкций, изготовленных из пластин (плоских и цилиндрических), является создание приблизительно равномерного теплового потока перпендику­ лярно поверхности пластины в поперечной или кольцевой поло-

200