Рис. 6-47. Влияние температуры на прочность

? сварных швов с малым плоским де-

~ фектом (сгб. р - разрушающие на-

/ пряжения по сечению брутто; сГн. т -

( то же по сечению нетто):

/ а - металл шва в исходном состоянии;

/ б - металл охрупчен

ские свойства материала в зоне дефекта

изменяются незначительно. При такой

-ЮО -SO с ситуации реальную угрозу для конст-

рукций, работающих в условиях естественно низких температур (до -60° С), могут представлять дефекты относительно больших размеров. Другими словами, когда материал сварного соединения обладает большим запасом вязкости, основное влияние на прочность оказывает относительная величина дефекта. Это подтверждается целым рядом исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом.

При более низких температурах картина существенно изменяется: основным фактором, определяющим прочность, становится интенсивность напряжений в зоне дефекта. Зависимость величины номинальных разрушающих напряжений от температуры в этом случае можно представить таким образом: при положительных и естественно низких температурах (вплоть до -60° С) разрушения имеют вязкий и квазихрупкий характер, а разрушающие напряжения превышают величину предела текучести материала.

В дальнейшем, по мере снижения температуры, вязкость материала продолжает уменьшаться, и в конце концов наступает момент, когда релаксация напряжений у вершины дефекта становится невозможной. В этих условиях хрупкая трещина возникает и распространяется при низком уровне номинальных напряжений (рис. 6-47, кривая а). Температура, при которой начинает наблюдаться это явление, называется нижней критической. Она зависит от ряда факторов и прежде всего от пластических свойств металла шва.

Казалось бы, при естественно низких температурах не следует опасаться дефектов относительно малых размеров, однако практика показывает, что хрупкие разрушения от таких дефектов все же наблюдаются. Достаточно сказать, что почти 40% разрушений транспортных судов США периода военной постройки начинались от технологических дефектов швов и, что характерно, очагом этих разрушений часто были очень малые дефекты. Подобные разрушения свидетельствуют о существовании других факторов, способствующих повышению чувствительности металла швов к технологическим дефектам. Схематически это влияние можно представить изменением положения нижней критической температуры (рис. 6-47, кривая б), соответствующей резкому снижению прочности сварного соединения.

Вероятно, это связано с Тем, что Локальные механические свойства материала в зонах дефектов претерпевают изменения. Наиболее часто эти изменения связаны с деформационным старением стали, значительно снижающим ее сопротивление возникновению хрупкой трещины. Иногда уменьшение вязкости материала обусловлено водородным охрупчиванием. В связи с этим рассмотрим наиболее характерные условия, способствующие локальному охрупчиванию швов в зоне дефектов, и их влияние на прочность сварных соединений.

Влияние предварительного нагружения. Ухудшение пластических свойств стали у вершин дефекта на практике может быть связано с естественным старением металла в зонах концентрации пластических деформаций, возникающих при предварительной перегрузке конструкций. Характерным примером может служить экспандирование сварных труб, когда общие деформации сравнительно невелики (1,2-1,6%), в то время как местные деформации могут достичь значительной величины (10% и более).

В качестве примера на рис. 6-48 показана зависимость величины номинальных разрушающих напряжений от температуры, полученная при испытании образцов-пластин из стали ВСтЗсп (рис. 6-49) со стыковыми швами, выполненными электродами 0ММ5. Примерно одинаковые размеры непроваров в этих образцах обеспечивались увеличением притупления кромок в центральной части пластин. Охрупчивание металла вследствие пластического деформирования и последующего старения стали повышает чувствительность сварного соединения к технологическим дефектам и увеличивает опасность образования разрушений от них.

Влияние термопластических деформаций. Во время остывания сварного соединения в зоне дефекта могут возникать термопластические деформации, вызывающие динамическое старение металла. В результате происходит локальное охрупчивание и, как следствие, снижение сопротивляемости металла возникновению хрупких трещин. Подобные условия наблюдаются, например, в том случае, когда дефект расположен на участке замыкания кольцевых швов или ступеней при обратноступенчатой сварке. Наряду с протеканием термопластических деформаций в подобных случаях возникают и высокие растягивающие остаточные напряжения. Более опасными с точки зрения возникновения хрупких разрушений являются непровары, подвергающиеся повторному нагреву.

В качестве примера на рис. 6-50 представлены результаты испытания двух серий образцов из стали ВСтЗсп с непроварами в поперечном стыковом шве, выполненном электродами 0ММ5. Образцы первой серии сварены напроход, в образцах второй серии первоначально сварены крайние участки шва, а после их остывания - средний участок (см. рис. 6-49). Прочность образцов в случае сварки напроход оказалась достаточно высокой во всем диапазоне температур испытаний (включая -60° С), а в случае

6j. iIc/mm

30 20 10

-0 -50 -W -30 -20 -10 a)

С -70 -60 -50 -W S)

Рис. 6-48. Зависимость разрушающих напряжений от температуры испытания образцов:

а - со сквозным надрезом; - с внутренним иепроваром;

/ - образцы не подвергались предварительной обработке, 2 - образцы после общей деформации растяжением на 0,4% и последующего искусственного старения прн температуре 250° С в течение 2 ч;

2 - образцы после общей деформации растяжением иа 2 - 2,2% и последующего старения при температуре 250° С в течение 2 ч, 5 - а металла шва при комнатной температуре

секционного выполнения швов резкое уменьшение прочности наблюдалось уже при температуре -20° С. Это можно объяснить охрупчиванием металла в зоне дефекта, связанным со старением стали, сопутствующим протеканию термопластических деформаций, и действием высоких растягивающих остаточных напряжений.

Влияние водородного охрупчивания. В процессе сварки нередко происходит обогащение сварных соединений водородом. Интенсивность этого процесса зависит от стечения ряда обстоятельств, среди которых особую роль играет пластическое деформирование металла. В подобных условиях поглощаемость водорода сталью возрастает почти в 100 раз. В связи с этим охрупчивание стали у вершин дефектов-концентраторов термопластических деформаций может усугублятъся водородным охрупчиванием.

Данные, полученные при испытании образцов, показанных на рис. 6-49, свидетельствуют о том, что увеличение содержания водорода в шве существенно повышает чувствительность соединения к непровару (рис. 6-51). Образцы изготовляли из стали 09Г2С с непроварами в аоперечном стыковом шве, выполненном секционно электродами УОНИ-13/55. Прочность обогащенных водородом соединений (сварка осуществлялась электродами с увлалшенным покрытием) значительно снижалась уже при температуре -15° С, в то время как прочность соединений, выполненных просушенными электродами, оказалась достаточно высокой во всем диапазоне естественно низких температур.