книги / Сварка при низких температурах

УСТАЛОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Вопросы

усталости

металлов и сварных швов

при

низких

температурах изучены

еще

недостаточно. Как

правило,

предел

усталости

черных

металлов при симметричном

цикле составляет

примерно

половину от величины

предела

прочности при статиче­

ском разрыве.

Предел

усталости, как и предел прочности, воз­

растает с понижением температуры.

Ученые в своих исследованиях указали, что существует за­

висимость между вибрационной

прочностью сварных соединений

и склонностью стали к хрупкому разрушению, т. е. чем ниже порог

хладноломкости

стали,

тем выше

предел

выносливости сварных

соединений. При выборе стали для сварных конструкций, подвер­

гающихся

вибрационным

нагрузкам,

независимо

от того, рабо­

тают ли они при положительных или низких температурах, необ­

ходимо

применять

сталь

с возможно

более

низким

порогом

хладноломкости [6].

С.

Е. Беляев указывает, что е понижением температуры сопро­

тивление усталости

увеличивается {15].

известно, не является

Процесс

усталостного

разрушения, как

мгновенным;

после

того

как в. изделии появляется

усталостная

трещина,

она

продолжает расти

и разрушение наступает тогда,

когда оставшееся

неразрушенное сечение

уже

не

выдерживает

прилагаемой

нагрузки.

Однако острый надрез при определенных

условиях может стать очагом

хрупкого разрушения конструкции

при напряжениях, значительно меньших предела текучести. Уста­

лостная трещина, достигнув определенных размеров, может мгно­

венно перейти

в

хрупкую,

сквозную

трещину

до

того, как

полностью исчерпается

несущая

способность

конструкции под

действием

.переменных

напряжений. Институтом

электросварки

им. Е. О. Патона

предлагается

с целью

получения

расчетных

данных для конструкций, работающих в условиях низких тем­

ператур, за критерий усталостного разрушения при испытании

образцов на выносливость принимать не окончательный излом

образца,

а

момент

наступления

критического

состояния

раз­

вивающейся трещины усталости. Ученые полагают, что приме­

нительно

к мостам было бы правильнее проводить вибрацион­

ные испытания не при положительных, а при переменных тем­

пературах,

в том числе, конечно, и низких,

соответствующих

условиям работы мостов. Это позволит наблюдать хрупкое разру­

шение

образца,

когда

в нем

возникает

усталостная

трещина.

Трудность проведения таких испытаний заставила исследователей сделать попытки определить прочность сварных соединений с тре­ щинами усталости путем испытаний при .низких температурах. Однако эти .испытания не дали ожидаемых результатов, так как прочность образцов с трещинами усталости оказалась равной прочности соединений без дефектов. Поэтому высказывается пред­ положение, что в случае вибрационных испытаний при низких

71

температурах можно не наблюдать хрупкого разрушения образ­ цов после зарождения в них усталостных трещин, та'к как для этого, кроме низкой температуры, должны быть еще некоторые дополнительные условия. Ученые в 1959 г. провели исследова­ ние по методике, которая позволила определить хотя бы в пер­ вом приближении, при каких дополнительных условиях уста­ лостная трещина переходит в хрупкую, а также при какой глубине трещина усталости может стать очагом хрупкого разрушения сварного соединения. Опыты проводились на образцах из листовой стали марки ML6C и бессемеровской стали с отверстиями посре­

дине с охлаждением их		до	температуры —65° С и последующем
испытании их на разрыв.			Образцы имели первые трещины уста­
лости у отверстия.	Испытания показали, что источником добавоч­
ной энергии, необходимой для				начальной стадии хрупкого разру­
шения, является	удар.	При		каждом увеличении статической
натрузки на 5 г небольшие			удары ручным молотком наносили по

тому месту, где имелась усталостная трещина, н-о с •противополож­ ной стороны места ее зарождения. Если образцы, испытанные без ударов, разрушались при напряжениях, близких к пределу проч­ ности основного металла, то у образцов, испытанных с примене­ нием ударов, прочность оказалась ниже предела текучести метал­ ла, приблизилась к расчетным напряжениям; еще более снизилась прочность на образцах из бессемеровской стали. С целью опреде­ ления размеров трещины усталости, при которых статическая прочность -сварных соединений еще не понижается, были исследо­ ваны три вида соединений — нахлесточное, с косынкой и сты­ ковое.

Выводы, к которым пришли ученые, сводятся к следующему. Если отсутствуют дополнительные условия, то трещина устало­

сти не может вызвать хрупкого разрушения					сварного	соеди­
нения даже	при	низких	температур ах, -при напряжениях			ниже
предела текучести		металла.		При ударе, даже незначительном,
усталостная	трещина переходит в хрупкую				сквозную трещину
при низких	номинальных		напряжениях. Установлено также, что
трещина усталости		становится		опасной лишь	после того,	когда

глубина ее достигнет 4 мм; поэтому за критерий усталостного раз­

рушения рекомендуется принимать не окончательный				излом об­
разца, а	момент	достижения	усталостной трещиной	глубины
2—3 мм.
В НИИ мостов [193] исследователями проведено испытание
образцов	сварных	соединений	из стали марки Ст. 3 переменной

нагрузкой при температурах от —30 до —40° С. Результаты испы­ таний показали небольшое увеличение предела выносливости (от 2 до 10%) при незначительном понижении пластических свойств. Генке (США), изучая свойства аустенитных нержавеющих сталей при низких температурах, также отметил возрастание предела уста­ лости с понижением температуры: например, у холоднотянутой стали при комнатной температуре предел усталости достигает при

72

63 000 циклах	нагружения,	а при температуре	—40° С —при
76000 циклах.	усталостной	прочности стальных	конструкций в
Изучением

Японии, занимались в основном Морское ведомство и лаборатория проф. Описи в университете в Киото, а также Институт железно­ дорожного транспорта. Ими установлено, что предел усталости сварных соединений выше, чем клепаных, и что для повышения предела усталости рекомендуется снимать остаточные напряже­ ния отжигом или механической обработкой [52]. Веделер [22] (Норвегия), изучая случаи хрупкого разрушения сварных корпу­ сов крупных морских судов, установил, что они являются следст­ вием развития трещин усталости, которые после достижения определенной критической длины под воздействием знакоперемен­ ных напряжений начинают распространяться с большой скоростью и приводят к раскалыванию корпусов.

Итак, важнейшими мероприятиями конструктивного характера, соблюдение которых предупреждает хрупкое разрушение, явля­ ются применение таких конструктивных форм сварных соедине­ ний, которые имеют наиболее равномерную эпюру рабочих напря­ жений, а также отсутствие резких геометрических концентраторов напряжений. Подобные концентраторы весьма опасны в тех уча­ стках конструкции, где . имеются высокие местные напряжения и если они неблагоприятно ориентированы по отношению к ука­ занным напряжениям.

ГЛАВА VI

ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ НА ХРУПКОСТЬ

КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ХРУПКОСТИ

Критическая температура хрупкости, определяемая относи­

тельной волокнистостью		излома,	характеризует вероятность рас­
пространения хрупких	разрушений, а также возможность их за­
тормаживания металлом		конструкции. Критическая температура
хрупкости зависит от	химического состава, скорости деформиро­
вания стали и обработки		поверхности .(наклепа и т. д.). По мере
увеличения содержания		углерода	в стали критическая темпера­

тура хрупкости повышается, но гораздо большее влияние оказы­ вают фосфор, сера, кремний, азот и кислород. Стали с большим содержанием серы и фосфора (бессемеровские и томасовские) отличаются повышенной хрупкостью. Ученые указывают [162], что томасовская и бессемеровская стали имеют критическую тем­ пературу хрупкости; в этом же направлении действует на сталь увеличение скорости деформирования. Например, для малоугле­

родистых сталей

критическая температура хрупкости

находится

в пределах от —20 до

—40° С. При

действии

различных

фак­

торов,

например,

удар,

неравномерное

распределение

примесей

и т. д. критическая температура повышается

и

сталь

становит­

ся

хрупкой.

Критическая

температура

не

является

одинако­

вой

даже

для

данной

марки

стали, так как она находится в

зависимости от многих

факторов конструктивного и технологиче­

ского характера, например,

от

наличия

острых надрезов, струк­

турных

неоднородностей и дефектов

сварки

(непроваров,

пор,

трещин, шлаковых включений и т. д., которые вызывают местное объемно-напряженное состояние), размеров и формы конструктив­ ных элементов, напряженного состояния стали й т. д. Но все же при определении годности применения сталей для конструкций, эксплуатируемых при низких температурах, в ряде случаев оста­ навливаются на каком-то вполне определенном типе образца (имеется в виду с одинаковой формой и размерами) и при одина­ ковых условиях проводят испытания, получая при этом какие-то-

74

сопоставимые относительные результаты значений критической температуры хрупкости.

В н а с т о я щ е е в р е м я е ще не т о б щ е п р и н я т о й ме­ т о дик и о п р е д е л е н и я к р и т и ч е с к о й т е м п е р а т у р ы х р у п к о с т и . Большое количество существующих методов испы­ тания на хрупкость свидетельствует о том, что все еще не найде­

но оптимального метода		оценки		склонности сталей к хрупкому
разрушению,	несмотря	на	большую		потребность производства в
простых и общедоступных			методах		определения хрупкости. Это
имеет особенно важное		значение		при внедрении новых сталей.
В ряде работ	указано,	что	путем		незначительных изменений в

обычных испытаниях на ударную .вязкость по Шарли, заключаю­

щихся в снижении энергии

удара,

кГп/сн2

можно повысить точность определе­

!2 Г ^

ния критической температуры хруп-

щи

кости. При

этом

исходят из предпо- g

ложеиия,

что

хрупкое разрушение

развивается

непрерывным

освобож­

дением упругих напряжений в об­

ласти начавшейся трещины.

Динамические испытания стан- 3

дартных образцов Меиаже на уда-р,

предложенные

Н. Н.

Давиденко-

-20

- 40

- 60 ■

вым, с определением

температуры

Температура

испытания

резкого падения

ударной

вязкости

Фиг. 27. Изменение вязкости мало­

являются

критерием

для

сравни­

углеродистой стали

при пониже­

тельной

качественной

оценки

хруп­

нии температуры.

кости различных

сталей.

Вначале

ударная

вязкость, например, малоуглеродистой ста­

ли с понижением

температуры уменьшается сравнительно равно­

мерно

до

определенной температуры, а затем происходит резкое

ее падение

(фиг.

27). Определение величины ударной вязкости с

использованием

охлажденных и надрезанных

образцов произво­

дится с целью

выявления

возможности работы изделия при низ­

ких температурах. Кроме того, по

испытаниям на

удар можно

оценивать

работоспособность

стали в условиях воздействия слу­

чайных

ударов

и толчков,

наблюдающихся

при

эксплуатации

оварных

конструкций,

работающих под статической

нагрузкой,

например, резервуаров для хранения жидких продуктов.

Инотда в зависимости от

технических условий за температуру

порога

хладноломкости принимают температуру, при которой зна­

чения ударной вязкости равняются 2—3 кГм/см2.

За рубежом существует в настоящее время огромное количест­ во различных методов определения температуры перехода сталей в хрупкое состояние, причем этот переход рассматривается как следствие влияния низких температур и трехосного напряженного состояния. Имеется много способов испытания сталей в условиях статического растяжения (пробы Робертсона, Нурена, Суте и др.),

* 75

вусловиях статического изгиба (Ван дер Вин), Кинцель, Коммерель), а также в условиях динамического изгиба (сюда отно­ сятся ударные испытания образцов различных типов). При испы­ таниях во многих случаях определяют возможности и условия пластических деформаций основного металла при наличии трещин

внаплавленном металле. Один ряд проб характеризуется много­ осным напряженным состоянием и небольшими скоростями при­ ложения нагрузок. Область резного снижения пластичности или

перехода от вязкого разрушения к хрупкому определяют испы­ таниями в широком температурном интервале. Другой ряд проб, в отличие от предыдущего, характеризуется приложением быстрых ударных нагрузок (Шнадт, Менаже).

В Чехословакии применяют пробу Чабелки, которая дает воз­ можность определять изменение ударной вязкости по всей ширине зоны термического влияния, при этом сталь считается хорошо сва­ ривающейся, если минимальное значение ударной, вязкости со­ ставляет не менее 3 K T M J C M 2.

В США дляопределения способности металла гасить распро­ странение трещины применяют испытания падающим грузом и испытание на выпучивание образцов, в которых предварительно создаются условия для хрупкого разрушения. Результаты испы­ тания оценивают по выпучиванию образцов, а также по виду раз­ рушения.

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХРУПКОСТИ МЕТАЛЛОВ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ

Оценка хладноломкости металлов только по ударной вязкости является недостаточной (хотя ударная вязкость и оказывается наиболее чувствительным фактором к изменению температуры). Ударная вязкость характеризует не только способность стали вос­ принимать динамические воздействия, но и склонность ее к обра­ зованию трещин в сварных конструкциях. Поэтому наряду с испы­ танием на ударную вязкость необходимо оценивать сталь по виду излома. Последний может быть хрупким при наименьшем значе­ нии ударной вязкости, волокнистым при наибольших значениях ее или смешанным при большом разбросе значений ударной вязкости.

В. А. Конопасевич считает при оценке ударной вязкости в за­ висимости от температуры испытания весьма важным фактором

является вид излома [67]. Он считает, что более		точное	определе­
ние действительной хрупкости металлов	может	быть	не только
по значениям ударной вязкости, так как	результаты		испытания
на ударную вязкость двух-трех образцов	могут	иногда оказать­

ся случайными и привести к необоснованному забракованию год­ ного металла.

На недостаточность оценки пригодности металла для работы при низких температурах только по ударной вязкости указывает также Г. В. Ужик. [166]. Ученые, признавая оценку хладнолом-

76

кости путем серийных	испытаний ударных образцов необхо­
димой, но недостаточной,	считают целесообразным расширить ме­
тоды определения склонности стали к хрупкому разрушению.

Проф. В. Д. Таран считает, что в некоторых случаях определе­ ние критической температуры по виду волокнистости излома удар­ ных образцов Менаже является более надежным способом, чем оценка по резкому падению ударной вязкости. К этому же мнению присоединяются многие советские ученые. Они считают, что не­ смотря на некоторую неточность оценка хрупкости по виду волок­ нистого излома образца дает более четкое представление о хрупко­

сти	металла, чем испытания на ударную вязкость [2]; [9]; [20];
[26];	[173].

Оценка по виду волокнистости дает представление как о вязко­ сти стали, так и о ее способности при дайной температуре сопро­ тивляться распространению трещины. Известны случаи, когда с понижением температуры сохранялись еще сравнительно высокие значения ударной вязкости, но в то же время вязкие участки в изломе образцов отсутствовали и происходило хрупкое разруше­ ние стали. Поэтому за последнее время начинает применяться ме­ тод, основанный на определении вида излома надрезанных образ­ цов после испытания на ударную вязкость или статический изгиб. При этом количественная оценка производится по отношению площади, занятой участками с волокнистым строением, к общей площади сечения образца.

НОВЕЙШИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХРУПКОСТИ

Проба Робертсона. В связи с тем, что при хрупком разрушении особую опасность представляют трещины, большое практическое значение имеет проба Робертсона, описанная им в его работе, опуб­ ликованной в конце 1953 г. Проба заключается в том, что плоский прямоугольный образец, изготовленный из испытуемой стали, под­ вергается раномерному растяжению в направлении своего мень­ шего размера. Одновременно по длине образца создается перемен­ ная температура в результате нагрева одного конца пламенем го­ релки и охлаждения жидким азотом другого конца (фиг. 28). Пос­ ле того как перепад температур становится устойчивым, конец об­ разца погружается в жидкий азот. Со стороны охлажденного конца образца, как показано на фиг. 28, ударом крупнокалиберной пули вызывается хрупкая трещина, которая начинается в отверстии над­ реза, сделанного ювелирной пилой. Удар наносится по наружному закругленному концу образца. Низкая температура обусловливает возникновение трещины. Последняя, распространяясь из холодной в теплую часть образца, останавливается на участке с вполне оп­ ределенной температурой, которая и является критической. После этого образец испытывается при различной величине напряжений, действующих поперек направления развития трещины. Получен­ ный ряд значений на различных образцах позволил построить

77

Робертсону кривую (фиг. 29), которая устанавливает зависимость между поперечным напряжением и температурой остановки трещи­ ны. Для того чтобы хрупкая трещина могла распространиться, не­ обходимы следующие два условия: первое — температура ниже критического значения (см. фиг. 29), вертикальный участок кривой

и второе — напряжения выше критического значения	(наклонный
участок кривой). Таким образом, в зависимости от	химического

состава и структуры каждая марка стали имеет свои критические температуры и критические напряжения. Кривая фиг. 29 делит

кГ/пп<

	24		|
	22
	20		|
	J8	Зона распростра-	1,
I	1*	нения трещины	И
^	»		Г \
;	*		*1
' ю
	8		Л	Зона
			J
	6			прекращения
				распростра­
	4			нениятрещины
	2			1 1 !

		- 60- 40-20	0	20
			Температура
Фиг. 28.	Схема испытания тто	Фиг. 29. Кривые зависимости между
Робертсону с торможением раз-		критическими напряжениями и тем-
вития	трещины в образце.	пературой, полученные		Робертсоном.

поле графика на две части, одна из которых — верхняя левая со­ держит комбинации напряжений и температур, опасные с точки зрения распространения хрупких трещин, а вторая — правая ниж­ няя содержит сочетания температур и напряжений, при которых возникшая трещина останавливается и поэтому не является опас­ ной для прочности конструкции.

Основное достоинство пробы Робертсона состоит в том, что она, в отличие от ранее применявшихся методов, дает количественную оценку зависимости критической температуры хрупкости от на­ пряжения.

Проба ВНИИСТ. На основе пробы Робертсона в 1955—1956 гг. во ВНИИСТе группой исследователей {46]; [172] была предложена проба количественной оценки хрупкости листовой стали. Сущ­ ность пробы состоит в том, что испытуемый образец при по­ мощи особого устройства подвергается на разрывной машине равномерному растяжению, а в направлении перпендикулярном действию растягивающих усилий, создается температурный пе­ репад. Для этого один конец образца, на котором сделан тон-

78

кий надпил, играющий роль концентратора напряжений, под­ вергается резкому охлаждению жидким азотом. Другой конец об­ разца нагревается при помощи пластинчатого электроподогрева­ теля. По охлажденному концу образца (фиг. 30) наносится удар через клин. Появившаяся от удара и охлаждения трещина будет распространяться из охлажденной части образца в нагретую, в направлении перпендикулярном действию растягивающих сил. Как только трещина достигнет участков образца с высокой темпера­ турой, она остановится. Температура в этой точке будет соответ­ ствовать критической температуре хрупкости при данном напря­ жении. Путем замера напряже­ кГ/пп2 ний и температуры вдоль образца получаем требуемые данные для построения кривых, характери­ зующих зависимость критической температуры хрупкости от вели­ чины растягивающего напряже­ ния. Естественно, подобные опы­ ты необходимо производить над целым рядом образцов из одного

Фиг. 30. Схема испытания образца с переменной тем­ пературой по его оси (ВНИИСТ).

Фиг. 31. Кривые зависимости кри­ тической температуры хрупкости от напряжения (по В. Д. Тарану, А. С. Фалькевнчу и А. С. Ливши­

цу):

/ —сталь	марки БСт. 3: 2 —сталь
марки МСт. 3		кипящая;	сталь МСт 3
спокойная;	4	—сталь	марки МСт. 3

(улучшенного раскисления) и марганцо­ вистая сталь.

листа стали при различных напряжениях. Во ВНИИСТе исследова­

лось этим	-методом пять марок листовой	стали: БСт.З — бессеме­
ровская, МСт. 3 — мартеновская кипящая,		МСт. 3 — мартеновская
спокойная,	МСт. 3 — улучшенного раскисления по предложению

ВНИИСТа и низколегированная марганцовистая сталь. Образцы изготовляли из листовой стали толщиной 10 мм. Результаты опы­ тов приведены в виде графика на фиг. 31. Этот м е т о д от­ л и ч а е т с я б о л ь ш е й ч у в с т в и т е л ь н о с т ь ю по с р а в н е ­ нию С др у:Г и М И.

Проба на трещинообразование в сварочном замкнутом контуре по методу ВНИИСТ. Во ВНИИСТе разработали методику оценки хрупкости резервуарных сталей в условиях замкнутого сварного

79

контура {172]. Разработанные ранее методы оценки хрупкости ре­ зервуарных сталей обладают рядом недостатков в частности, ими не учитывается влияние сложно-напряженного состояния, возни­ кающего в жестких сварных узлах при эксплуатации резервуаров. Для создания сложно-напряженного состояния в испытуемой стали

при приложении внешней нагрузки		в	пробе		ВНИИСТ		круглая
пластина из испытуемой стали вваривается				в отрезок		трубы диа­
	метром 168 мм (фиг. 32). Для обра­
	зования трещин на поверхности ис­
	пытуемой «стали производится хруп­
	кая наплавка, сопровождаемая вве­
	дением в 'сварочную «ванну больших
	количеств		углеродистого ферромар­
	ганца или меди. Затем в образец на­
	ливается охлаждающая смесь и при
	температурах			от	+20	до	—70° С
	в центре пластины создается нагру­
Фиг. 32. Схема определения хруп­	зка.	За	критическую			температуру
кости листовой . стали (проба	хрупкости принимается					температу­
ВНИИСТ):	ра, при которой трещины, имеющие­
1 — исследуемая -пластина; 2 — хруп­	ся в хрупкой наплавке,					распростра­
кая наплавка с трещиной; 3 —труба;	няются в основной металл.
4 —пуансон; 5 —охлаждающая смесь.							что ме­
	Исследования				показали,

тодика ВНИИСТа дает возможность по величине критической тем­ пературы более четко определять разность между хрупкой и не­ хрупкой сталью по сравнению с ранее существовавшими методами испытаний.

Оценка ударной вязкости в околошовной зоне. М. М. Крайчиком предложена методика оценки ударной вязкости и хладноломкости околошовной зоны .[76]; [77]. Оценка производится по результа­ там серийных испытаний при температуре хладноломкости стан­

дартных	и	тавровых	образцов.		Выбор	последних обоснован
тем, что	валиковые		швы	создают максимальную концентрацию
напряжений. Исследовались				низколегированные и малоуглероди­
стые стали.		Сварка	тавровых		образцов	с размерами полки

8x12x70 мм производилась электродами марки ЦМ-7 диаметром 5 мм при погонной энергии 3500 кал!см. Стандартные образцы вы-' резали из пластин толщиной 12 мм, на которые были наплавлены валики при погонной энергии 3400—4200 кал/см. За критическую

температуру хрупкости принимали температуру, при которой удар­ ная вязкость одного из образцов не превышала 2 кГм/см2. Испыта­ ния в интервале температур от +20 до —100° С показали, что раз­ брос значений ударной вязкости тавровых образцов больше, чем стандартных. На стандартных образцах из низколегированной ста­ ли выявляется снижение критической температуры хрупкости на 20—30° С по сравнению с малоуглеродистой сталью, в то время как на тавровых образцах этого не наблюдается. Характер разру­ шения тавровых образцов подобен эксплуатационному. Дополни-

80