Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

17. Ударная вязкость по Шарли стали С

18. Ударная вязкость по Шарли (кгс м/см2) стали D после различной степени предварительной деформации

ТВЕРДОСТЬ

Некоторые авторы [11, 12] сообщают об очень хорошей кор­ реляции между ударной вязкостью и твердостью охрупченного материала. Такая корреляция может быть полезной, поскольку измерение твердости является очень простым и практически не­ разрушающим методом. Для иллюстрации такой корреляции в табл. 19 приведены значения твердости по Бринелю для стали марок А, В и С, охрупченных пластической деформацией при

19. Твердость по Бринелю*1 стали марок А, В и С

166

различных температурах. Химический состав стали этих марок см. в табл. 5 (исследования Зута), а значения ударной вязкости после предварительной деформации при различных температу­ рах— в табл. 15—17.

ВЛИЯНИЕ СВАРКИ

Вполне очевидно, что местный нагрев, неизбежный при свар­ ке, вызывает пластическую деформацию в зоне термического

ждении может произойти самопроизвольное разрушение от тре­ щин.

Этим, по-видимому, можно объяснить охрупчивание зоны термического влияния при сварке и, по крайней мере, частично объяснить хрупкое разрушение под действием низких напряженйй в крупных сварных пластинах с центральным надрезом, ко­ торое обсуждалось в гл. 2.

Рассмотрим две широкие пластины, которые надо сварить встык (рис. 5). Для упрощения рассуждений предположим, что

167

зона / равномерно нагрета до температуры t, а зона II останется при комнатной температуре.

При нагреве зона I расширится и если бы она была совер­ шенно свободной, ее длина после нагрева была бы /і = /о (1 + + at). Однако обе зоны должны иметь одинаковую длину, вслед­ ствие чего зона I будет сжата, а зона II растянута, так что ко­ нечная длина их будет

1 \ — (1 еі) = ^о(1 + Ец)>

где еі и ен — деформации растяжения и сжатия соответственно в зонах / и //;

откуда следует, что чем больше будет еі, тем меньше ец. Если пластина широкая, ец будет малой и еі практически будет равна

------- , что для температуры t = 250° С составит величину поряд-

I ссг

ка 0,3%. Это значит, что зона I будет сжата приблизительно на 0,3%. При охлаждении же (см. рис. 5) зона / будет пласти­ чески растянута на 0,3%.

Такой термомеханический цикл будет повторяться при каж­ дом проходе электрода или горелки во время сварки, в резуль­ тате чего может появиться отрицательное влияние сварки, осо­ бенно, если деформация будет сосредоточена около какой-ни­ будь несплошности.

На основании этих рассуждений можно сделать вывод, что количество проходов при сварке может существенно влиять на пластичность металла в зоне термического влияния. Каждый проход представляет собой механический и термический цикл, охрупчивающий сталь. Наихудшие, с точки зрения охрупчива­ ния, условия получаются при использовании небольших электро­ дов с перерывами для охлаждения после каждого прохода. В этом отношении наилучшей является сварка за один проход, что подтвердил Уэллс, которому не удалось получить хрупкого раз­ рушения от низких напряжений на широких пластинах, сварен­ ных электрошлаковым методом, при котором металл наплав­ ляется за один проход.

В связи с этим следует напомнить, что предприятия, произво­ дящие электроды, рекомендуют для получения высокой ударной вязкости наплавленного металла производить сварку за несколь­ ко проходов. Более высокая температура в сварном шве, кото­ рая получается при последующих проходах электрода, действи­ тельно благоприятно сказывается на пластичности наплавленно­ го металла, но снижает пластичность основного металла, если его температура достигает 200—300° С. Наилучшая технология сварки должна обеспечивать одинаковую пластичность наплав­

168

ленного и основного металла; для обеспечения требования необ­ ходимы соответствующие условия подвода тепла в процессе сварки.

ОЦЕНКА ПОТЕРИ ПЛАСТИЧНОСТИ

Если металл у вершины трещины охрупчен и если такой об­ разец подвергать растяжению при низких температурах, вероят­ ность хрупкого разрушения при низких напряжениях будет до­ статочно высокой. Уэллс при испытаниях широких пластин до­ бивался охрупчивания с помощью сварки, вызывавшей пласти­ ческую деформацию при высоких температурах. Однако в этих испытаниях измерение степени охрупчивания, требующее специ­ альной аппаратуры, не производилось.

Чтобы лучше разобраться в этом явлении, Зут применил так называемый «рамный» образец (см. рис. 2 в гл. 3); преимущест­ во такого образца, кроме простоты, состояло в том, что он поз­ волял количественно оценить степень охрупчивания. Такой об­ разец описан в Лекции Гудремона в I960 г. (см. работу [6]). В стальной пластине прорезали два длинных продольных паза, так что собственно образец имел вид «мостика» или перемычки меж­ ду боковыми полосами. В перемычке создавалась усталостная трещина длиной 10 мм, перпендикулярная к продольным пазам (размеры этого образца см. в верхней части рис. 12). Охрупчи­ вание металла у вершины усталостной трещины достигалось пу­ тем пластической деформации рабочей (средней) части образца, осуществляемой посредством нагрева боковых полос до опреде­ ленной температуры.

Этот метод позволял точно контролировать величину пласти­ ческой деформации, которую измеряли с помощью муаровой сет­ ки, нанесенной на перемычке в зоне вершины трещины. Если пластическую деформацию производили при высоких темпера­ турах, электронагревательные элементы устанавливали на рабо­ чей части образца (перемычке), а температуру измеряли с по­ мощью термопар.

Охрупченный образец подвергался растяжению внешней на­ грузкой при температуре ниже переходной температуры для этой стали.

Среднее значение разрушающего напряжения определяли пу­ тем деления разрушающей нагрузки на сечение нетто образца (перемычка + боковые полосы). Если это среднее напряжение было ниже предела текучести, считали, что произошло разруше­ ние от низких напряжений; в противном случае — разрушение от высоких напряжений.

Исследовали полуспокойную сталь марки S.M.37; ее переход­ ная температура составляла 0°С (при ударной вязкости по Шарпи 3,5 кгс-м/см2); температура остановки трещины (изотерми­ ческой) по Робертсону составляла 27° С при напряжении

169

16 кгс/мм2. Муаровая сетка имела 20 линий/мм. Муаровую кар­ тину получали, совмещая исходную сетку с деформированной. Каждая линия муаровой картины отвечала деформации (пере­ мещению) 1/20 мм. Это значит, что можно было фиксировать аб­ солютную деформацию не менее 0,05 мм. Показано, что этого до­ статочно для таких испытаний.

Следовательно, «отсутствие пластической деформации» в дан­ ном исследовании в действительности означало, что «деформа­ ция была не более 0,05 мм».

И сп ы тан и е р а зл и ч н ы х о б р а зц о в , н е п о д в ер гн у ты х о х р у п ч и в а ю щ ей о б р а б о т к е

Испытания на растяжение были проведены для определе­ ния переходной температуры неохрупченного образца и степени деформации до разрушения при выбранной температуре испы­ тания. По результатам можно сделать следующие выводы:

выше— 15° С — вязкое разрушение, большая деформация (сотни муаровых линий в зоне надреза);

ниже —20° С — вблизи минимальной температуры испытания (—50° С) — хрупкое разрушение со значительной деформацией

ратурах от 0 до 475° С, а испытания на растяжение производили при —35° С.

На рис. 6, а показана зависимость разрушающего напряже­ ния от температуры предварительной обработки. Измерялась также локальная деформация еь, зависимость которой от темпе­

вале 200—300° С (в этом случае при —35° С дополнительной пластической деформации не происходит);

б) во всех этих случаях рамный образец при —35° С разру­ шался при малой внешней нагрузке;

в) образцы, деформированные предварительно при 425° С, разрушались при большой внешней нагрузке и с большой де­ формацией, но из-за несовершенства методики не удалось опре­ делить точно количество дополнительных муаровых линий в этот момент (пунктирная кривая на рис. 6).

170