Холодостійкість зварних з’єднань

Службові характеристики (властивості) зварних з'єднань з низько­вуглецевих і низьколегованих сталей значно змінюються при зниженні температури. Зі зниженням температури для цих сталей межа текучості, міцності і витривалості підвищуються, а відносне подовження і поперечне звуження зменшуються. Тобто падає в'язкість і підвищується крихкість. Для інших металів, наприклад алюмінієвих і титанових сплавів, аусте­нітних сталей, ця тенденція малопомітна і виявляється тільки при дуже низькій (кріогенній) температурі. В умовах низької температури голов­ною службовою характеристикою зварних з'єднань є їх здатність чинити опір крихкому руйнуванню, тобто холодостійкість. Тому питання холодо­стійкості прийнято розглядати у тісному зв'язку з крихкістю металів.

Крихкість металу - це не властивість металу, а його стан. На перехід від в'язкого стану до крихкого впливають фактори, які знижують здатність металу до пластичного деформування. Основними з них є:

- зниження температури (впливає на механічні властивості; значення межі текучості наближається до значення межі міцності);

- наявність концентрації напружень, залишкових напружень (вплива­ють на ступінь об'ємності напруженого стану; підвищення об'ємності напруженого стану зменшує здатність металу до пластичного дефор­мування);

- товщина металу (впливає на об'ємність напруженого стану, чим біль­ша товщина, тим вища об'ємність напруженого стану);

- хімічний склад металу (впливає на механічні властивості металу; збільшення кількості вуглецю знижує пластичність металу, а збіль­шення кількості хрому, міді і нікелю підвищує пластичні властивості). Для оцінки холодостійкості зварних з'єднань використовують багато

критеріїв. Одним з них є температура переходу від в'язкого руйнування до крихкого. При в'язкому руйнуванні поверхня злому має волокнистий вигляд

(результат пластичної деформації), а при крихкому руйнуванні поверхня злому стає кристалічного виду (відсутність пластичної деформації). В за­лежності від співвідношення наявності волокнистого і кристалічною характе­ру злому розрізняють дві так звані критичні температури Т_кр1 (50% волок­нистого характеру злому) і Т_кр2 (відсутність волокнистості). При температурі Т_кр2 середні напруження σ_с в перерізі, що руйнується, дорівнюють значенню межі текучості металу σ_Т при відповідній температурі (рис.). Прийма­ється, що при температурі Т > Т_кр1 - (область 1) метал руйнується в'язко; при температурах Т_кр1 > Т > Т_кр2 (область 2) має місце квазікрихке руйну­вання, а при температурі Т > Т_кр2 - (область 3) - крихке руйнування. Критичні температури вказують лише на перехід з одного стану до іншого, але не характеризують кількісно холодостійкість металу.

Рис.

Процеси зварювання (теплові, металургійні, деформаційні та інші) суттєво впливають на холодостійкість (значення критичних температур) зварних з'єднань внаслідок:

1. Утворення крихких зон в металі шва через зміну хімічного складу металу шва в порівнянні з основним металом за рахунок невдалого легування або забруднення небажаними речовинами і газами.

2. Утворення крихких при низьких температурах біляшовних зон за рахунок термічного впливу зварювання - швидкого охолодження, рос­ту зерна, структурних змін. Ступінь цього впливу вирішальним чином залежить від хімічного складу основного металу, способу його виробництва і вихідного стану. Наприклад, на холодноломкість металу в зоні великого зерна електрошлакових з'єднань впливає ступінь роз­кислення, вміст фосфору і сірки, спосіб одержання заготівки (кування, лиття); на холодноломкість біляшовних зон термічно-зміцнювальних катаних сталей при електродуговому зварюванні - величина погонної енергії зварювання.

3. Концентрація пластичних деформацій і деформаційне старіння ме­талу в зонах непровару і різкої зміни форми з'єднань, тріщинах і т. п., що знаходяться в межах зони термічного впливу зварювання. Цей випадок є найбільш розповсюдженою причиною крихких руйнувань зварних з'єднань при низьких температурах; він багаторазово відтво­рювався в лабораторних умовах.

Шляхом росту концентрації деформацій і ефекту старіння можна викликати практично будь-яке зниження міцності сталей при низьких температурах. Деформаційне старіння підсилюється, якщо воно відбува­ється в зоні великого зерна. По кількості крихких руйнувань, зареєстро­ваних у зварних конструкціях при низьких температурах, на першому місці знаходяться руйнування, що виникли від концентраторів, розташо­ваних у зоні зварювання, де протікали значні пластичні деформації, ви­никали залишкові напруження розтягу, і відбувалося старіння металу. Значна частина крихких руйнувань була викликана тріщинами від втоми, що з'явилися через незадовільне конструктивне оформлення з'єднань, у сполученні з низькою опірністю основного металу поширенню крихких руйнувань.

Зареєстрована деяка частина руйнувань, що виникли від

ділянок металу з низькими пластичними властивостями через забруд­нення металу і його поганого захисту в нагрітому стані.

У статично навантажених об'єктах руйнування з'являлися переважно при різкому зниженні температури, коли внаслідок нерівномірного охолодження конструкції виникали додаткові напруження.

Поширення руйнувань за межі зон пластичних деформацій, де вплив зварювання практично був відсутній, відбувалося, звичайно, внаслідок низьких, механічних властивостей основного металу (наприклад, крих­кості) і не залежало від умов зварювання.

Попередження крихких руйнувань зварних з'єднань і конструкцій при низьких температурах може бути здійснене усуненням причин, що їх викликають. Існує кілька основних шляхів підвищення опору крихкому руйнуванню:

1. Вибір основного металу для зварних конструкцій, що характеризу­ються малою схильністю до деформаційного старіння і досить висо­ким опором поширенню руйнувань при температурах експлуатації виробу. Розвиток руйнування при використанні основного металу з високою енергією руйнування при поширенні в ньому тріщини мож­ливий лише при наявності дефектів у зонах ушкодження металу знач­ної довжини (наприклад, у поздовжніх швах трубопроводів). У біль­шості зварних конструкцій зміни внаслідок зварювання носять ло­кальний характер, через що руйнування, що почалося, не буде поши­рюватися по основному металу. Загартування і відпуск основного ме­талу є ефективним засобом підвищення енергії руйнування сталей при низьких температурах.

2. Нормалізація чи загартування з відпуском зварних деталей. Такі опе­рації не тільки усувають негативні наслідки впливу зварювання на структуру металу зварних з'єднань, але і поліпшують властивості ос­новного металу.

3. Застосування високого відпуску. Високий відпуск є ефективним засо­бом, що дозволяє відновити пластичні властивості металу, втрачені в результаті протікання пластичних деформацій і старіння металу в концентраторах. Одночасно загальний високий відпуск значно знижує залишкові напруження і накопичену потенційну енергію при зварю­ванні. Місцевий відпуск застосовують головним чином як засіб віднов­лення пластичності металу.

4. Конструктивне оформлення окремих елементів, що зменшує як кон­центрацію власних деформацій у процесі зварювання, так і концент­рацію робочих напружень у процесі експлуатації конструкції.

5. Призначення послідовності складально-зварювальних операцій і технологічних прийомів виконання зварних з'єднань, що виключають різкі концентратори напружень у зоні пластичних деформацій, у тому числі дефекти у виді непроварів, тріщин, несплавок, підрізів і інш.

6. Застосування присадкових металів, що забезпечують високу плас­тичність і в'язкість металу швів при низьких температурах.

7. Використання раціональних режимів зварювання, що виключають по­яву зон зі зниженими механічними властивостями при низьких тем­пературах.

Отже, при проектуванні зварних з'єднань, працюючих в умовах низь­ких температур, головне завдання полягає у виборі відповідного металу,

враховуючи значення критичних температур та ударної в'язкості. Чим нижча критична температура і вища ударна в'язкість, тим вища холодо­стійкість металу. Розрахунки напружено-деформованого стану (на міцність) проводять аналогічно випадку експлуатації конструкції у звичайних умовах.