Хрупкие разрушения сварных конструкций

Хрупкость – это свойство металла, разрушенное без заметного пластичного деформирования. Хрупкие разрушения характеризуются следующими признаками:

· такое разрушение происходит при напряжениях меньших предела текучести, а в некоторых случаях и ниже, чем допускаемые;

· хрупкие разрушения реализуются в форме самопроизвольного развития трещин, т.е. хрупкая трещина растет под влиянием запаса упругой энергии.

Хрупкие разрушения развиваются по границам зерен, и имеют кристаллическую поверхностью излома. Вязкие разрушения идут по телу зерна, и имеют волокнистый излом. Промежуточное положение занимают полухрупкие разрушения, у которых часть поверхности имеет кристаллический, а часть поверхности — волокнистый излом.

Аварии, связанные с хрупким разрушением, составляют 10–15 % от аварий различных инженерных конструкций. Главная опасность хрупких разрушений связана с неожиданностью их разрушений, которые происходят при низком уровне напряжения, когда, казалось бы, все требования выполнены.

Наиболее распространенным и простым методом оценки изменения свойств при понижении температуры является испытание на ударную вязкость. Чем острее надрез испытуемого образца, крупнее его кристаллы, скорость ударяющего тела, тем меньше ударная вязкость.

В настоящее время наука не располагает расчетными методами, позволяющими оценить способность конструкции противостоять хрупкому разрушению. Трудность решения э ой задачи объясняется двойной природой металла: вязкой и хрупкой, то есть металл может быть пластичным и хрупким.

При наличии трехосного сжатия даже чугун разрушается после пластической деформации.

Основные факторы, определяющие переход от вязкого разрушения к хрупкому:

1) Температура. При отрицательной температуре пластичность почти всех конструкционных материалов значительно ниже чем при нормальной.

Характер изменения свойств металлов при понижении температуры зависит от многих факторов: вида кристаллической решетки, химического состава, величины зерна, термической обработки — и проявляется по-разному в зависимости от условий нагружен и я и напряженного состояния.

У металлов и сплавов с гранецентрированной решеткой (γ-Fe, Cu, Al) с понижением температуры предел текучести по сравнению с пределом прочности повышается незначительно пластичность и ударная вязкость с понижением температуры почти не меняется. Такие материалы относятся к хладостойким.

У металлов и сплавов, имеющих объемно-центрированную решетку (α-Fe, Cr) предел текучести повышается значительно сильнее, чем предел прочности. Такие материалы относятся к хладноломким.

Железа, углеродистые и низколегированные стали высокой прочности, имеют резко выраженную область температур перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Высокая работоспособность многих деталей машин, сварных соединений и элементов сварных конструкций при пониженных температурах решающим образом зависит от их способности сопротивляться хрупким разрушениям.

Рис. 10.1 Характер изменения доли площади с волокнистым изломом В (%) работы разрушения аН, предела текучести σТ и среднего разрушающего напряжения σСР. Р в зависимости от температуры испытания для низкопрочных сталей

Принято определять при понижении температуры так называемую первую критическую температуру Ткр, резко уменьшающую ударную вязкость, при которой площадь волокнистого (вязкого) излома составляет 50% общей разрушенной площади, либо как температуру при которой ударная вязкость снижается ниже 30 Дж/см².

На Рис. 10.1 показаны изменения процентного содержания волокнистого излома В, работы разрушения KCU, предела текучести σт среднего разрушающего напряжения σСР. Р в зависимости от температуры испытаний.

На хладостойкость сталей оказывают влияние химический состав металла, структура, которая меняется под действием термообработки или термического цикла сварки.

2) Влияние скорости нагружения на хрупкие разрушения.

Увеличение скорости удара с 5 до 15 м/с при испытании на удельную вязкость приводит к переходу стали Ст.3 от вязкого к хрупкому разрушению.

Переход к хрупкому разрушению связан с увеличением степени снижения деформаций по мере увеличения скорости нагружения.

3) Масштабный фактор.С уменьшением толщины проката пластичная деформация протекает более свободно, снижает степень трехосности напряженного состояния, то есть переходит к двуосному напряженному состоянию. Вследствие снижения толщины проката сопротивление хрупкому разрушению увеличивается.

4) Влияние концентраций напряжения.Практически всегда разрушение зарождается в области конструктивных и технологических концентраторов напряжения. С увеличением концентрации напряжения все характеристики, описывающие характер разрушения, снижаются.

Переход от вязкого к хрупкому разрушению с ростом концентрации напряжения смещается в сторону положительных температур.

Отсутствие малых радиусов перехода, непроваров, скоплений швов, применение неразрушающего контроля позволяет заметно повысить сопротивляемость хрупким разрушениям как при нормальных, так и при низких температурах.

влияние сварки:

а) концентрация напряжения конструкции и технологические дефекты;

б) остаточное напряжение;

в) неблагоприятные изменения структуры металла, вызванные термическим воздействием сварочной дуги.

Воздействие термического цикла на металл многообразно, свойства шва определяются его химическим состоянием, наличием в электродном и присадочном материале легирующих элементов и т.д. В процессе охлаждения при низких скор. св. возможен рост зерна, а при быстром охлаждении – уменьшение зерна. В обоих случаях шов может стать источником хрупкого разрушения.

Во время остывания в сварном шве развивается пластическая деформация удлинения 1,5-2 %. Если шов накладывается вблизи концентратора напряжений, то пластическая деформация приближается к предельным. И при незначительном нагревании может начаться разрушение, то есть сварка может сильно уменьшить способность сопротивления хрупкому разрушению.

Сочетание пластической деформации и нагрева при 200…300 °С вызывает охрупчивание, называемое динамическим старением. Именно в этих зонах нередко образуются хрупкие разрушения при последующем действии низкой температуры в эксплуатационных условиях.

При старении металла имеет место снижение сопротивления удару и пластических свойств, а именно пластического удлинения.

Для предупреждения хрупкого разрушения необходимо:

рациональное конструктивное оформление сварных соединений уменьшающее концентрацию как рабочих так и остаточных сварочных напряжений, то есть выполнение сварных соединений с плавными переходами от шва к о.м.;

назначение последовательности сборочных и сварочных операций исключающих концентрацию напряжений в зоне пластических деформаций;

применение присадочных материалов и режимов обеспечивающих высокую пластичность при низких температурах;

выбор режимов сварки обеспечивающих оптимальную с точки зрения сопротивляемости хрупким разрушениям структуру, в первую очередь правильное назначение погонной энергии при сварке; при неправильно выбранных параметрах режима в отдельных зонах сварных соединений могут старение, происходить рост зерна, закалка, отпуск.

выбор основного металла исходя из двух условий:

а) не имеющий склонность к деформационному старению;

б) с высокой ударной вязкостью при низкой температуре.

Назначение термообработки сварных соединений

Влияние высоко отпуска:

а) сниженный уровень остаточной деформации;

б) устранение области деформационного старения и повышение пластичности.