Основные факторы, снижающие хладостойкость сварных соединений

1) Изменение химического состава металла шва. Зависит от состава присадочной проволоки, степени смешивания с ос­новным металлом, легирования элементами и выгорания их при сварке, защиты зоны расплавленного металла.

2) Наличие острых концентраторов (непроваров, несплавления, трещин). Вызывает снижение Кс, G_с.д.. Опасно, когда размер трещиноподобных дефектов достигает критическо­го значения:

;

3) Деформационное старение металла при сварке (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Образование трещины при старении

При сварке шва 2 идет усадка по оси х-х . интенсивное старение проходит при Т = 200 - 300°С. Снижается хладостойкость на участке шва 1. Деформаци­онное старение является главным факторам наряду с наличием концентрации напряжений.

4) Закалка от термического цикла (снижаются пластические свойства основного металла и металла шва).

5) Наличие примесей (серы), попадание их при сварке.

Хрупкий участок в сварной конструкции опаснее, чем трещина такой же длины, особенно при низких температурах. На хрупком участке разрушение происходит с очень малым поглощением энергии. Высвободившаяся энергия тратится на прохождение трещины за пределами наплавки еще на какую-то длину по вязкому металлу и, если трещина достигает критического размера, идет разрушение.

Примеры некоторых хрупких разрушений приведены на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Примеры хрупких разрушений

Методы повышения хладостойкости сварных

Соединений

1) Использование сварочных материалов, которые при оптимальных ре­жимах сварки и последующей термообработке дают металл шва, не уступаю­щий по хладостойкости основному металлу;

2) правильный выбор режимов сварки;

3) применение высокого отпуска (для большинства ответственных конструкций);

4) рациональное конструктивное оформление сварного узла;

5) предварительное нагружение конструкции при нормальных темпера­турах. При этом на участках концентраторов появляются локальные пластиче­ские деформации, которые увеличивают радиусы округлений. После разгрузки в зонах концентраторов остаются сжимающие остаточные напряжения. После­дующее нагружение при низких температурах вызывает незначительные пла­стические деформации в концентраторах или не вызывает их вовсе.

3.2. Влияние высоких температур на сопротивляемость сварных со­единений разрушению

При высоких температурах деформации и напряжения могут изменяться во времени при постоянных нагрузках. Различают два основных процесса: ползучесть и релаксация.

Ползучесть металлов

Ползучестью металла называют изменение деформаций металла во времени при постоянных напряжениях (рисунок 3.4).

Рассмотрим деформацию нагруженного стержня при повышенных температурах, где s₃<s₂<s₁ - напряжения при Т⁰ = const. * - начало разрушения.

Рисунок – 3.4 Кривые ползучести

Начальная деформация стержня при комнатной температуре:

;

На участке I - скорость деформации (неустановившаяся ползучесть).

На участке II - e=Аsⁿ (где п = 2-6). Это участок установившаяся ползучести.

III - накопление повреждений и разрушение. Чем ниже напряжение s тем больше времени протекает до разрушения (t_paзр), и меньше деформация разрушения e_разр.

Основными характеристиками металла при высоких температурах являются sⁿ - предел ползучести и s_дп - предел длительной прочности.

sⁿ - это напряжение, которое за заданный промежуток времени вызывает пластическую деформацию e_пл. заданной величины.

Характеристика используется для недлительно работающих конструкций. Для работающих стационарно (тысячи часов) - sⁿ - это напряжение, которое вызывает заданную скорость пластической деформации e_пл на участке II (обычно 1% за 10⁵ часов) т.е.

Испытания на ползучесть, с целью уменьшения времени, проводят при нарпяжениях s значительно больше ожидаемого значения s_n, затем прямую продолжают и определяют s_n при e=10^-5 (рисунок 3.5).

Предел длительной прочности s_дп- это напряжение, вызывающее разру­шение при заданной температуре через определенный промежуток времени.

Для стационарных установок принимают t=10⁵ часов. Для транспортных, например, реактивных двигателей, - значительно меньше. Диаграмма определения s_дп приведена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.5 – Определение предела ползучести

Рисунок 3.6 – Определение предела длительной прочности

Если на диаграмме lgs-lgt отложить результаты испытаний об­разцов на ползучесть до разрушения, то на прямой наблюдается перелом при времени t₁, что соответствует смене механизма разрушения (межзеренное, внутризеренное). Точка перелома будет соответствовать s_дп. Одной из характеристик, также чувствительных к высоким температурам, является пластичность металла:

( ).

Уровень пластичности d₁ является косвенным показателем сопротивляе­мости разрушению при высоких Т⁰. Зависимость пластичности металла от времени выдержки при высокой температуре приведена на рисунке 5.7

Рисунок 3.7 – Зависимость пластичности от времени выдержки