Холодные трещины в сварных соединениях

Холодные трещины (XT) – локальное хрупкое межкристаллическое разрушение металла сварных соединений – дефект в соединениях углеродистых и легированных сталей, если при сварке они претерпевают частичную или полную закалку.

XT образуются после окончания сварки в процессе охлаждения ниже температуры 150...200 °С. Они могут возникать во всех зонах сварного соединения (рис. 24).

Наиболее часты продольные XT в ОШЗ. Образование трещин начинается с возникновения их очагов на границах аустенитных зерен на участке ОШЗ, примыкающем к линии сплавления (рис. 25).

Протяженность очагов трещин не более двух-трех диаметров аустенитных зерен. Разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое.

Рис. 24. Виды холодных трещин в сварных соединениях легированных сталей

Рис. 25. Характер разрушения на участке очага холодной трещины (А) и смешанный на участке её развития (В) в ОШЗ

Дальнейшее развитие очага в холодную микро- и макротрещину может носить смешанный характер, т.е. проходить как по границам, так и по телу зерен. Излом XT светлый, без следов окисления: блестящий крупнокристаллический в зоне очага и матовый мелкокристаллический в зоне развития трещин.

Характерными особенностями образования XT являются следующие:

– наличие инкубационного периода до образования очага трещины;

– образование трещин происходит при значениях напряжений, составляющих менее 0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки.

XT – один из случаев замедленного разрушения "свежезакаленной" стали. Зарождение очага замедленного разрушения "свежезакаленной" стали связывают с микропластической деформацией (МПД) в приграничных зонах зерен. Наличие в структуре такой стали незакрепленных, способных к скольжению дислокаций при действии сравнительно невысоких напряжений обусловливает МПД.

Особенно высокая плотность дислокаций в свежезакаленном мартенсите непосредственно после воздействия термического цикла.

Величина МПД лежит в диапазоне 10^-6...10^-4 и проявляется при напряжениях микроскопического предела текучести s_а (рис. 26).

МПД является термически активируемым процессом, т.е. её скорость зависит от температуры и величины приложенных напряжений. После "отдыха" способность закаленной стали к МПД исчезает.

Конечная высокая твердость и s_в закаленной стали – результат старения, при котором происходят закрепление дислокаций атомами углерода.

Рис. 26. Характер деформирования свежезакаленной стали

Рис. 27. Схема образования трещин при проскальзывании по границам зерен

При длительном нагружении по границам зерен развивается локальная МПД. В результате последней реализуется межкристаллическое разрушение по схеме Зипера-Стро, предполагающей относительное проскальзывание и поворот зерен по границам (рис. 27).

Основными факторами, обуславливающими образование XT, являются:

1) структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типа и размером с действительное аустенитное зерно;

2) концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения трещин Н_д;

3) уровень растягивающих сварочных напряжений I рода.

Превращения А–М сопровождаются изменением объёма, значительным повышением прочности и снижением пластичности. Завершение мартенситных превращений происходит при низких температурах, когда металл уже обладает высокой прочностью. Между различными зонами сварного соединения возникает сложное напряженное состояние, которое может способствовать образованию XT.

Водород в металле сварного соединения подразделяют на диффузионный, связанный с дефектами решетки в атомарной форме (Н) или в форме протонов (Н⁺), и остаточный, скопившийся в микро- и макропорах, вероятно, в молекулярной форме.

Растворенный Н легко диффундирует при охлаждении в области с меньшей его концентрацией и в различные несплошности, образуя молекулярный водород Н₂.

Диффузионный водород вызывает хрупкость металла, а молекулярный водород создает дополнительные напряжения за счет давления его в порах, которые суммируются со сварочными.

Полагают также, что диффузионный водород в виде протонов Н⁺, обладая высокой подвижностью, взаимодействует с атомами железа, ослабляет силы связи в решетке Fe, что выражается в уменьшении эффективной поверхностной энергии и охрупчивании. Так, увеличение содержания Н₂ до 6...8 см³/100 г резко (в 10...12 раз) уменьшает работу зарождения трещин.

Следует иметь в виду, что в ОШЗ у границ со швом действуют продольные напряжения сжатия s₁ (рис. 28) и поперечные напряжения растяжения s₂. В примыкающих участках шва возникают напряжения -s₁ и -s₂.

Рис. 28. Схема зарождения околошовной трещины по границам зерен

В этих условиях на границе раздела возникают значительный перепад продольных напряжений и значительные напряжения сдвига по границам зерен. Такое напряженное состояние способствует зарождению ХТ. В реальных сплавах зародыши трещин могут образовываться в местах расположения дефектов (поры, неметаллические включения и т.п.).