Механические свойства основного металла и сварных соединений

Для определения прочности и пластичности сварных соединений и металла шва проводят испытания при температурах, предусмотренных техническими условиями эксплуатации в соответствии с ГОСТами. Для определения механи­ческих свойств в отдельных локальных зонах шва и зоны термического влияния производят испытание микрообразцов с измерением микротвердости соответствую­щих участков. Применяют также специальные (нестандартные) методы испытаний. Определяемые характеристики прочности и пластичности могут относиться к металлу шва, зоне термического влияния, к сварному соединению в целом и для сравнения к основному металлу.

Прочность и пластичность сварных соединений углеродистых и легирован­ных сталей. Современные способы сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей обеспечивают равнопрочность сварного соединения основному метал­лу при пластичности, практически не уступающей исходным показателям (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Свойства маталла швов в стыковых сварных соединениях

При ручной электродуговой сварке сталей по ГОСТ 5264-80 тип электрода характеризует механические свойства металла шва или наплавленного металла (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Механические свойства металла шва или наплавленного металла при 20°С

В зависимости от содержания углерода в свариваемом металле и типа электрода и прочность и пластичность сварных соединений меняются (табл. 2.2).

Прочность сварного соединения в значительной степени определяется проч­ностью зоны термического влияния (ЗТВ). Разрушение часто происходит именно в этой области. Сварные соединения углеродистых и низколегированных сталей без последующей термической обработки могут иметь пониженную пластичность ЗТВ при одновременном увеличении прочности в результате подкалки, связанной с быстрым охлаждением.

С увеличением скорости охлаждения металла пределы прочности и текучести возрастают, а относительное удлинение и сужение падают.

Механические свойства зоны термического влияния зависят также от темпе­ратуры наибольшего нагрева. Предел текучести и поперечное сужение практи­чески не зависят от температуры максимального нагрева металла ЗТВ в рассмат­риваемом диапазоне температур. В то же время с уменьшением ее предел проч­ности металла несколько снижается, а относительное удлинение сначала незна­чительно растет, а потом снижается. Небольшое повышение относительного удли­нения отмечается на участке нормализации металла ЗТВ.

Различные химические элементы, вхо­дящие в состав металла, могут улучшать или ухудшать механические свойства. Содержание серы в углеродистых сталях ограничивается 0,05%; повышение содер­жания серы резко снижает прочность металла шва. На свойства сварных швов углеродистых сталей влияет содержание бора. Наличие бора способствует образо­ванию структуры, близкой к структуре зернистого бейнита. Оптимальное содер­жание бора приблизительно равно 0,002%. На свойства сварного шва благопри­ятно влияет марганец; увеличение содер­жания марганца влечет за собой измельче­ние структуры. Различные методы сварки обеспечивают получение швов различной прочности. Так, сравнение сварки под флюсом и металлическим плавящимся электродом в среде защитных газов пока­зывает, что большей прочностью обла­дают швы, полученные сваркой металли­ческим электродом в среде инертного газа. Это объясняется более эффективным переходом марганца в шов, измельчением структуры и уменьшением вносимого тепла. При определении прочности сварных соединений одним из основных яв­ляется вопрос о влиянии дефектов на механические свойства. Несплавле­ния, шлаковые включения, пористость, непровары и другие в различной степени снижают прочностные характеристики металла шва.

При статической нагрузке дефекты, занимающие до 10% площади, заметно не влияют на прочность шва. Поры в сварных швах на стальных соединениях различно влияют на статическую прочность при продольном и поперечном направ­лениях нагрузки относительно шва. При поперечном направлении нагрузки по­ристость оказывает большее влияние. Число пор, уменьшающих поперечное сече­ние на величину менее 7%, практически не влияет на статическую прочность. При увеличении числа пор статическая прочность может резко снижаться. Поры, расположенные цепочкой, более опасны чем одиночный дефект той же площади. Легированные стали содержат до 0,45% С и легированы Сг, Ni, Si, Mn, V, Mo, Ti, что обеспечивает хорошее сочетание прочности (σ_в = 1700 - 2100 МПа) и пластичности (δ₅ ≥ 8 - 10%) (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Механические и технологические свойства легированных сталей

по ГОСТ 4543-71

Механические свойства металла швов некоторых сталей из табл. 2.3, выполненных различными сварочными материалами, приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Сварочные материалы, применяемые для сварки некоторых среднелегированных сталей, и механические свойства металла швов

Свойства сварных соединений сталей зависят от температуры эксплуатации (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Типичные механические свойства металла швов, выполненные электродами для сварки теплоустойчивых сталей

Свойства паяных соединенийопределяют при ударном и стати­ческом нагружениях согласно ГОСТ 23046-78 и 23047-78. Статическую прочность на срез определяют на образцах соединений внахлестку (рис. 2.8 а) или на образцах паяных телескопических соединений (рис. 2.8 б).

Рис. 2.8. Образцы для определения прочности паяных соединений: а – соединение внахлестку; б – соединение по цилиндрической поверхности

Ударные испытания в зависимости от рас­положения спая проводят на различных по форме образцах. Соеди­нения внахлестку испытывают на ударный изгиб или на ударный срез (рис. 2.9, а, б).Паяные соединения встык испытывают на ударный изгиб, располагая ось надреза в плоскости спая (рис. 2.9, в). В случае косого расположения спая под углом 30° или 45° образец для испытания на ударный изгиб имеет более сложную форму (рис. 2.9, г). Во всех случаях ударных испытаний свойства паяных соединений характеризуют работой разрушения А, отнесенной к начальной площади спая F (а = A /F). При прочном и пластичном спае в пластическую деформацию частично вовлекается также и основной металл. Таким образом, удельная работа разрушения а является характеристикой паяного соединения, а не металла припоя.

Рис. 2.9. Образцы для ударных испытаний паяных соединений: а – на ударный изгиб; б – на ударный срез; в - на ударный изгиб стыковых соединений; г - на ударный изгиб для косых соединений