Свойства сварных швов при повышенных температурах

Свойства сварных соединений при высоких температурах эксплу­атации отличаются от свойств основного металла при тех же темпе­ратурах главным образом по двум причинам.

1. В сварных соединениях возникают участки (металл шва и зоны термического влияния) с иными механическими свойствами, чем у основного металла. Отличия обусловлены иным химическим составом металла шва и его структурой по сравнению с основным металлом. В зонах’термического влияния могут происходить глубо­кие изменения вследствие ослабления границ зерен в результате перегрева, дисперсионного упрочнения этих зон в процессе действия рабочих температур.

2. В сварных соединениях возникает концентрация напряжений, которая при высоких температурах действует как фактор концен­трации пластических деформаций ползучести и как фактор посто­янно действующего напряжения в местах объемных схем напряжен­ного состояния, где ползучесть затруднена.

Оценка механических свойств шва и зон термического влияния в отдельности не может дать ответа на вопрос о поведении свар­ного соединения в целом, так как при высоких температурах в про­цессе ползучести металла происходит сложное механическое взаимо­действие отдельных зон, приводящее как к исчерпанию пластич­ности металла некоторых мест, так и к образованию объемных напряжений в прослойках с последующим хрупким разрушением. Неоднородность механических свойств, обусловленная условиями сварки, реакцией основного металла на термический цикл, выбо­ром присадочных металлов, может быть уменьшена термической обработкой.

Предел ползучести сварного соединения, который характери­зует сопротивление ползучести на установившейся стадии, обычно не определяют, так как участок сварного соединения составляет лишь небольшую часть сварной конструкции и не может оказать заметного влияния на общее изменение его при эксплуатации. Предел ползучести отдельно для металла шва определяют, чтобы выбрать такую композицию шва, которая обеспечивает предел пол­зучести, не уступающий основному металлу. Для этого достаточно провести сравнительное испытание образцов разных составов при температуре эксплуатации и одном уровне напряжений.

Главными свойствами сварных соединений являются длительная прочность и пластичность. Представление об уровне длительной прочности основного металла, металла шва и сварных соединений дают результаты испытаний, приведенные в табл. 6.1.

Сварные соединения для определения длительной прочности чаще всего испытывают на одноосное растяжение. Образец включает в себя металл шва, околошовные зоны и основной металл. Такое испытание при расположении шва поперек образца позволяет выя­вить наименее прочный участок, а при расположении шва вдоль образца —наименее пластичный участок сварного соединения. При таких испытаниях из-за малого сечения цилиндрического образца не удается в полной мере выявить эффект контактного упрочнения и возможную локализацию пластических деформаций в отдельных зонах, а также пластичность отдельных очень узких участков, так как общее удлинение образца регистрируется как сумма пластиче­ских деформаций всех зон. Эффект контактного упрочнения, соответ­ствующий реальным условиям работы соединений, может быть выяв­лен на боЛее крупных образцах. Степень разупрочнения сварного соединения относительно основного металла зависит от свойств ос­новного металла и его реакции на термический цикл сварки, а также от температуры испытания и времени до разрушения. Сварные соединения термически неупрочненных сталей, таких, как углеро­дистые, хромомолибденогые и аустенитные с карбидным упрочне­нием, равнопрочны основному металлу, и разрушение обычно про­исходит вне границы сплавления.

Длительная прочность сварных соединений термически упроч­ненных сталей может быть существенно ниже вследствие разупроч­нения в зонах термического влияния. В хромомолибдёнованадиевых сталях разупрочкяется участок высокого отпуска и неполной пе­рекристаллизации, в аустенитных сталях и сплавах с интерметал — лидным упрочнением — участок вблизи линии сплавления, нагре­ваемый до температур аустенизации. Зоной разупрочнения может быть и сам шов, если не обеспечена его равнопрочность основному металлу, что обычно более вероятно в сталях с высокой степенью легирования. Разупрочненные участки выступают в роли мягких прослоек (см. гл. 3). Общая закономерность подкрепляющего дей­ствия соседних более прочных участков на мягкую прослойку при высоких температурах сохраняется, если разрушение прослойки
происходит вязко. Влияние высоких температур из-за ползучести металла проявляется в слабом подкрепляющем действии соседних участков, но более важно, что при длительных выдержках разру­шение в прослойке может произойти хрупко, причем уровень проч­ности при этом может оказаться даже ниже уровня прочности металла мягкой прослойки. На рис. 6.8 показана зависимость дли­тельной прочности мягкой прослойки от времени, если прочность основного металла выше прочности прослойки. Металл мягкой про­слойки, испытанный отдельно, на участке 1 разрушается вязко, а на участке Г при длительных выдержках — хрупко. При контакт­ном упрочнении прочность соединения с прослойкой при вязких разрушениях выше прочности самого металла прослойки (линии 2 и <3), причем для тонкой прослойки (линия 3) эффект упрочнения

проявляется сильнее. Вслед­ствие эффекта контактного упрочнения напряжение в мягкой прослойке не являет­ся одноосным, что уменьшает пластическую деформацию ползучести. Уменьшение пла­стической деформации из-за объемности напряженного со­стояния приводит, в свою очередь, к более раннему переходу мягких прослоек от вязкого разрушения к хрупкому, причем их проч­ность оказывается ниже проч­ности металла мягкой про­слойки. На рисунке переход от вязкого разрушения к хрупкому показан скачкооб­разно. На самом деле разру­шения в мягкой прослойке имеют обычно смешанный характер, сочетая в разной пропорции участки внутризеренных и межзерен — ных трещин. При более длительных выдержках преобладают меж — зеренные (хрупкие) участки разрушения.

Степень проявления эффекта контактного упрочнения зависит от разницы свойств основного металла и мягкой прослойки, а также от относительной толщины прослойки. На рис. 6.9 приведены гра­фики длительной прочности и пластичности сварного соединения с мягкими прослойками разной толщины. Для сравнения взяты основной металл и металл мягкой прослойки, первый из которых (1) более прочен, а второй (2) более пластичен. При t <с к разрушение происходит по основному металлу. При t = к разрушение переходит в прослойку большей толщины (3), поперечное сужение ф резко падает. При к наклон линии прочности 3 больше, чем линии /, что объясняется объемным напряженным состоянием и снижением уровня пластической деформации. При этом увеличивается число
фрагментов межзеренного излома. В случае более тонкой про­слойки (4) разрушение в нее переходит позже (при t = t2), но накЛбн прямой 4 оказывается круче, а уменьшение пластичности значительнее вследствие более сильного эффекта объемного охруп­чивания. При большой длительности уровни прочности соединения с прослойкой могут стать даже ниже уровня прочности самого металла мягкой прослойки (2).

В зависимости от относительной толщины мягкой прослойки % (рис. 6.10) меняется отношение предела длительной прочности соединения Од. п к пределу длительной прочности основного ме­талла оДЛ1, а также пластичность металла до разрушения б или ф. Причем это изменение зависит от времени t до разрушения. Для сравнительно широкой прослойки (х > 0,5) контактного упрочнения недостаточно и прочность соедине­ния соответствует прочности мяг­кой прослойки.

В случае непродолжительного времени до разрушения (кривая прочность соединения оказывает­ся равной прочности основного металла и при сравнительно широ­ких прослойках (и — 0,3 — ь 0,4).

Соединения с узкими прослойками равнопрочны основному металлу при большем времени до разруше­ния, но обнаруживают меньшую пластичность. При весьма боль­шом времени’ до разрушения (4) принципиально возможно разруше­ние, при котором прочность соеди­нения окажется даже ниже проч­ности металла мягкой прослойки.

Из рис. 6.10 видно, что уменьше­ние длительной прочности сопровождается снижением пластично­сти, служащим надежным признаком перехода сварного соединения к хрупкому разрушению.

Часто, меетами хрупкого разрушения являются зоны вблизи ли­нии сплавления, охватывающие сравнительно небольшие по протя­женности участки. Этот тип разрушения получил название локаль­ных разрушений. Для оценки склонности сварных соединений к ло­кальным разрушениям используют различные методы, которые мо­гут быть разделены на три группы.

1. Технологические жесткие пробы. Для этих проб проводят сварку образцов, в той или иной мере воспроизводящих неблагопри­ятные условия, оказываемые сваркой на изменение свойств металла и образование остаточных напряжений. Последующая выдержка образцов в печах должна приводить к образованию трещин. Их

°) результаты оценки, они не

в полной мере воспроизво­дят влияние сварки, на­пример деформационный цикл и диффузионные про­цессы. Преимущество их состоит в том, что они не предусматривают про­ведения сварки и могут быть использованы для оценки качества стали на металлургических заво­дах.

‘ 3. Испытание образ­цов, вырезанных из свар­ных соединений. В этом случае образец несет в себе термодеформационное воздействие сварки, а тер­мические и силовые усло­вия эксплуатации созда­ются во время испытаний. Недостатком таких испы­таний является отсутствие собственных напряжений, свойственных натуральным сварным соединениям. Ис­пытание образцов на изгиб с постоянной скоростью деформации (методика Центрального кот­лотурбинного института) выявляет склонность сварных соединений к локальным хрупким разрушениям. За показатель стойкости сварного соединения хрупкому разрушению принимают относи­тельное удлинение крайнего волокна до появления трещины в об­разце (рис. 6.11). Склонность к хрупким разрушениям возрастает с уменьшением скорости деформации, что в данном случае соот­ветствует увеличению длительности испытания.

Одной из главных причин хрупкости является дисперсионное упрочнение. Повышение стойкости к хрупким разрушениям металла шва и околошовной зоны в основном достигается за счет ослабле­
ния эффекта дисперсионного упрочнения путем соответствующего выбора химического состава основного и наплавленного металла,

а — без термообработки; б — стабилизация 10 ч при 800 °С; в — аустени»
зация 1 ч при 1150 °С и стабилизация 10 ч при 800 °С

режимов сварки и термической обработки. Конкретные рекоменда­ции приведены в книге [2].