Эксплуатации и влияние на них механической неоднородности

Свойства сварных соединений при высоких температурах эксплуата-ции отличаются от свойств основного металла при тех же температурах по двум причинам:

1 В сварных соединениях возникают участки (металл шва и зоны термического влияния) с иными механическими свойствами, чем в основ-ном металле. Отличия обусловлены разным химическим составом металла шва и его структурой в сравнении с основным металлом. В зоне термичес-кого влияния (ЗТВ) могут происходить глубокие изменения из-за ослабле-ния границ зерен в результате перегрева, дисперсионного упрочнения этих зон в процессе действия рабочих температур.

2 В сварных соединениях возникает концентрация напряжений, кото-рая при высоких температурах действует как фактор концентрации плас-тических деформаций ползучести и как фактор постоянно действующего напряжения в местах объемных схем напряженного состояния, где ползу-честь затруднена.

Оценка механических свойств шва и зон термического влияния в от- дельности не может дать ответа на вопрос о поведении сварного соедине-ния в целом, так как при высоких температурах в процессе ползучести ме-талла происходит сложное механическое взаимодействие отдельных зон, приводящее как к исчерпанию пластичности металла некоторых мест, так и к образованию объемного напряженного состояния в прослойках с пос-ледующим хрупким разрушением.

Предел ползучести сварного соединения, характеризующий сопро-тивление ползучести на установившейся стадии, обычно не определяют, так как участок сварного соединения составляет лишь небольшую часть сварной конструкции и не может оказать заметного влияния на общее из-менение ее при эксплуатации. Предел ползучести в отдельности для метал-ла шва определяют, чтобы выбрать такую композицию шва, которая обес-печивает предел ползучести, не уступающий основному металлу. Для это-го достаточно провести сравнительные испытания образцов разных сос-тавов при температуре эксплуатации и при одном уровне напряжения. Главными свойствами сварных соединений являются длительная проч-ность и пластичность (табл.8.1) .

Таблица 8.1 – Пределы длительной прочности основного металла, металла шва и сварного соединения σ_дп, МПа

Сварные соединения для определения длительной прочности чаще всего испытывают на одноосное растяжение. Расположение шва поперек образца позволяет выявить наименее прочный участок, а при расположе- нии шва вдоль образца – наименее пластичный участок сварного соедине-ния. Но из-за малого сечения цилиндрического образца в полной мере не удается обнаружить эффект контактного упрочнения и возможную лока-лизацию пластических деформаций в отдельных зонах, а также пластич-ность отдельных очень узких участков, так как общее удлинение образца регистрируется как сумма пластических деформаций всех зон.

Эффект контактного упрочнения может быть выявлен на образцах больших размеров. Степень разупрочнения сварного соединения относи-тельно основного металла зависит от свойств основного металла и его ре-акции на термический цикл сварки, а также от температуры испытания и времени до разрушения. Сварные соединения термически неупрочненных сталей (углеродистые, хромомолибденовые и аустенитные с карбидным упрочнением) равнопрочны основному металлу и разрушение происходит вне границ сплавления.

Длительная прочность сварных соединений термически упрочнен-ных сталей может быть существенно ниже из-за разупрочнения в зонах термического влияния. В хромомолибденованадиевых сталях разупрочня-ется участок высокого отпуска и неполной перекристаллизации; в аусте-нитных сталях и сплавах с интерметаллидным упрочнением – участок вблизи линии сплавления, нагреваемой до температур аустенизации. Зо-ной разупрочнения может быть и сам шов, если не обеспечена его равно-прочность основному металлу, что характерно для сталей с высокой сте-пенью легирования. Разупрочненные участки выступают в роли мягких прослоек.

Общая закономерность подкрепляющего действия соседних более прочных участков на мягкую прослойку при высоких температурах сохра-няется, если разрушение прослойки происходит вязко. Влияние высоких температур из-за ползучести металла оказывается слабее в подкрепляю- щем действии соседних участков, однако при длительных выдержках раз-рушение в прослойке может проходить хрупко, причем уровень прочности при этом может оказаться даже ниже уровня металла самой мягкой прос-лойки.

На рисунке 8.8 приведена зависимость длительной прочности мягкой прослойки от времени, если прочность основного металла выше прочности прослойки.

Металл мягкой прослойки, испытанный в отдельности, на участке 1 разрушается вязко, а на участке 1^/ при длительных выдержках – хрупко. При контактном упрочнении прочность сварного соединения с прослойкой при вязких разрушениях выше прочности самого металла прослойки (ли-нии 2 и 3), причем для тонкой прослойки (линия 3) эффект упрочнения оказывается сильнее. Вследствие контактного упрочнения напряжение в мягкой прослойке не является одноосным. Оно уменьшает пластическую деформацию ползучести, которая, в свою очередь, приводит к более ран-нему переходу мягких прослоек от вязкого разрушения к хрупкому, при-чем их прочность оказывается ниже прочности металла мягкой прослойки. На рисунке 8.8 переход от вязкого разрушения к хрупкому показан скачко-образно.

1 – длительная прочность мягкой прослойки при пластической деформации в вязком (1) и хрупком (1^/ ) состояниях;

2, 3– прочность мягкой прослойки в хрупком состоянии при

контактном упрочнении ( );

2^/, 3^/ -прочность мягкой прослойки в хрупком состоянии;

D – диаметр образца

Рисунок 8.8 – Схема изменения длительной прочности металла

мягкой прослойки шириной d

На рисунке 8.9 приведены графики длительной прочности и пла-стичности сварного соединения с мягкими прослойками разной толщины, первый из которых (1) более прочен, а второй (2) более пластичен.

При t < t₁ разрушение происходит по основному металлу. При t = t₁ разрушение переходит в прослойку большей толщины (3), поперечное су-жение резко падает. При t > t₁ наклон линии прочности 3 больше, чем линии 1, что объясняется объемным напряженным состоянием и сниже-нием уровня пластической деформации. При этом увеличивается число фрагментов межзеренного излома.

Рисунок 8.9 – Схема изменения длительной прочности (а) и пластичности (б) сварного соединения с мягкой прослойкой

В случае более тонкой прослойки (4) разрушение её происходит позднее (t = t₂), но наклон прямой 4 оказывается круче, а уменьшение пластичности значительнее из-за более сильного эффекта объемного охрупчивания. При большей длительности уровни прочности соединения с прослойкой могут стать даже ниже уровня прочности самого металла мягкой прослойки (2).

Степень проявления эффекта контактного упрочнения зависит от различия свойств основного металла и мягкой прослойки, а также от отно- сительной толщины прослойки.

В зависимости от относительной толщины мягкой прослойки (рис.8.10) изменяется отношение предела длительной прочности свар- ного соединения σ'_д.п к пределу длительной прочности основного металла σ_д.п , а также пластичность металла до разрушения(δ или Ψ). Причем это изменение зависит от времени t до разрушения.

Для широкой прослойки ( >0,5) контактного упрочнения недоста-

точно и прочность сварного соединения отвечает прочности мягкой про-

слойки. В случае непродолжительного времени до разрушения (кривая t₁) прочность сварного соединения оказывается равной прочности основного металла и при сравнительно широких прослойках ( = 0,3-0,4). Соедине- ния с узкими прослойками равнопрочны основному металлу и при боль-шем времени до разрушения, но имеют меньшую пластичность. При очень большом времени до разрушения (кривая t₄) принципиально возможно разрушение, при котором прочность соединения окажется даже ниже прочности металла мягкой прослойки.

Из рис. 8.10 видно, что уменьшение длительной прочности сопро-вождается снижением пластичности и служит надежным признаком пе-рехода сварного соединения к хрупкому разрушению.

Рисунок 8.10 – Влияние относительной толщины мягкой прослойки на длительную прочность (а) и пластичность (б) сварного соединения