Разрушение в большинстве случаев происходит под воздействием нормальных напряжений и распространяется вдоль наименее упакованной кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скола (отрыва) . Но при некоторых условиях эксплуатации (водородное насыщение, коррозия и др.) хрупкое разрушение может быть межкристаллитным (межзеренным).
Хрупкое разрушение часто происходит внезапно и распространяется с большой скоростью при малых затратах энергии. В ряде случаев оно приводит к катастрофическим разрушениям сварных конструкций в процессе эксплуатации.
Рис. 1. Образцы для испытаний по методу «Веритас»
Металлы и сплавы c объемно-центрированной кубической решеткой разрушаются вязко или хрупко в зависимости oт состава и условий эксплуатации. Примеси и легирующие элементы, блокирующиe подвижность дислокаций, повышaют склонность к хрупкому разрушению. Перехoд oт вязкого к хрупкому разрушению мoжeт произойти пpи снижении температуры, увеличeнии объемноcти напряженного состояния (большиe толщины, острыe надрезы и трещиноподобные дефекты), повышeнии скорости деформирования.
Процесс хрупкого разрушения в зависимости от характера нагружения (статическое, циклическое) может включать три этапа: возникновение трещин, медленное (стабильное) их развитие и лавинообразное (нестабильное) распространение разрушения. Отдельные конструкции допускаются к эксплуатации c трещиной или трещиноподобным дефектом пpи условии, чтo рабочие нагрузки относительнo малы и нe приводят к страгиванию трещин, или в случае непрерывного контроля зa иx медленным развитием и своевременного предупреждения лавинообразного разрушения. В сварных соединениях низкоуглеродистых сталей наиболее склонны к хрупкому разрушению участки ЗТВ, нагреваемые до 200…500оС . Их охрупчивание связано с деформационным старением.
хрупкое разрушение
Наиболее распространенным способом оценки склонности к хрупкому разрушению являются испытания серии образцов с V-образным надрезом на ударный изгиб при различных температурах KCVT Критерий оценки — критическая температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению Ткр- или порог хладноломкости. Ткр соответствует температуре достижения определенной минимальной ударной вязкости, например равной 200 кДж/м 2 . Чем выше Ткр, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Ткрслужит для сравнительной оценки материалов, отличающихся составом и структурой. Применительно к испытанию сварных соединений V-образный надрез наносится в исследуемой зоне соединения: по оси сварного шва, зонам сплавления или термического влияния.
Дефекты сварных соединений. Ацетиленовые генераторы
... норм и технических требований, которые уменьшают прочность и эксплуатационную надежность сварных соединений и могут привести к разрушению всей конструкции. Наиболее часто встречающиеся дефекты можно разделить на ... следующие основные группы: дефекты формы и размеров сварных; швов; дефекты макро- и ...
Сопротивление нестабильному распространению трещины, или трещиностойкость металла при статическом растяжении, оценивают по одному или нескольким критериям (ГОСТ 25.506-85):
- силовому — критическом у коэффициенту интенсивности напряжений КIс;
- деформационному критическому раскрытию в вершине трещины дс;
- энергетическому — критическому значению J-интеграла JIс (работы пластической деформации и разрушения).
Для экспериментального определения критериев трещиностойкости применяют несколько типов образцов (рис. 2): с надрезами и наведенной в них трещиной.
Рис. 2. Образцы для определения критериев трещиностойкости: тип I- с центральным надрезом для осевого растяжения; тип II — с боковым надрезом для осевого растяжения; тип III — с боковым надрезом для внецетренного растяжения; тип IV — с боковым надрезом для трехточечного изгиба.
Испытания выполняют статическим нагружением, в процессе которого регистрируют диаграмму Р — v или Р — f, где v — смещение берегов надреза, фиксируемое специальными датчикам и; f — прогиб в точке приложения Р. В результате обработки диаграмм мы по специальной методике определяют критерий КIс, МПа vм.
Рис. 3. Схема распределения напряжений уу около острия трещин
Применительно к образцам со сварными соединениями рассмотренный выше метод испытаний используется для оценки трещиностойкости отдельных зон соединения, в которых наносится надрез и наводится усталостная трещина. Однако при испытаниях зоны сплавления и ЗТВ затруднительно точное изготовление надреза и возможен увод усталостной трещины из нужной зоны. Наиболее подходящими в этом случае являются образцы с К-образным сварным соединением, в которых надрез изготовляется со стороны вертикальной кромки.
Хрупкое разрушение сварных соединений с трещиноподобными дефектами, металл которых находится в хрупком состоянии (например, закаленная ЗТВ), становится возможным, если действительный коэффициент интенсивности напряжений у острия трещины КI превысит критерий КIс. КI может быть рассчитан по формулам линейной механики разрушения вида (рис. 3)
(КI характеризует интенсивность нарастания локальных напряжений при при ближении к острию трещины);
где Yi — функция, учитывающая расположение и отношение длины трещиноподобного дефекта к толщине (lтp/ д ) (табл. 1); у- — среднее напряжение по сечению от рабочей нагрузки.
Таблица 1. Значения функции Yi
|
Параметр |
Yi |
||||
|
lтp/ д |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
|
|
Поверхностный дефект |
2,11 |
2,43 |
2,65 |
2,76 |
|
|
Внутренний дефект |
1,255 |
1,288 |
1,328 |
1,392 |
|
Расчет продольных пластичных перемещений
Рассмотрим перемещение кромок при сварке пластин встык с зазором (Рис. 9.86).
Металл при нагреве расширяется не только в направлении Ох, но и в перпендикулярном направлении Оу. Характер перемещения края пластины, по кромке которой движется источник тепла, показан кривой v на Рис. 9.86, а. При подходе источника тепла (точка О) кромка интенсивно перемещается (участок CBD), достигая максимального перемещения vMAX в точке О. Затем по мере остывания металла край пластины постепенно возвращается в исходное положение. Чем больше теплоотдача в воздух, тем интенсивнее перемещение кромки. Если свариваются две пластины с зазором (Рис. 9.86, б), то кромка каждой из пластин испытывает поперечное перемещение v . В момент сваривания перемещения достигают максимальной величины vMAX . а взаимное приближение кромок составляет 2vMAX .
Рис. 9.86 Схема образования поперечной усадки при однопроходной сварке встык
На участке ОА металл обладает небольшим сопротивлением пластической деформации, в результате чего он испытывает удлинение 2(VMAX -VA). В точке A пластическое удлинение металла прекращается и таким образом фиксируется взаимное сближение кромок, равное 2VA . В процессе остывания пластины подтягиваются друг к другу, и возникает поперечная усадка ДПОП=2VA . В пластинах, которые свариваются без зазора, перемещение кромок впереди источника тепла не может осуществляться беспрепятственно. До некоторой точки В (Рис. 9.86, а) происходит упругая деформация; а от точки В до точки D — пластическая. Поперечная усадка оказывается меньше, чем при сварке с зазором.
Максимально возможное перемещение кромок при отсутствии теплоотдачи в воздух
(9.0)
где q — эффективная мощность источника нагрева, вводимая в обе кромки (в каждую вводится q/2);
s — толщина пластины;
v — скорость сварки;
б — коэффициент линейного расширения;
сс — объемная теплоемкость.
Фактически величина поперечного укорочения, как было объяснено выше, меньше теоретически возможного. При электродуговой однопроходной сварке металла встык толщиной до 12—16 мм поперечное укорочение равно ДПОП?(0,5ч0,7)2vMAX , а иногда и меньше.
Формулой (9.0) можно пользоваться также для приближенного определения поперечного укорочения, когда шов укладывается на целую пластину без полного провара, например при сварке внахлестку или втавр. Определение эффективной тепловой мощности qП вводимой в лист толщиной sП , к которому приваривается лист толщиной sP производится по формуле:
Распределение остаточных напряжений в основных типах сварных соединений исследовано экспериментально и теоретически довольно широко. Продольные остаточные напряжения в сварных соединениях, выполненных внахлестку, угловых и втавр, как по величине, так и по распределению в основном аналогичны напряжениям в стыковых соединениях, т. е максимальные их значения в конструкциях из низкоуглеродистых и аустенитных сталей близки к уТ . Помимо продольных, в сварных однопроходных соединениях возникают также и поперечные остаточные напряжения.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/trebovaniya-k-svarnyim-konstruktsiyam/
1. Гитлевич А.Д., Животинский Л.А., Жмакин Д.Ф. Техническое нормирование технологических процессов в сварочных цехах: М.: Машгиз, 1962. — 170 с.
2. Белоконь В.М. Производство сварных конструкций. Могилев: ММИ,1998.-139с.
3. Сварка и машиностроение / под ред. В.А. Винокурова. М.: Машиностроение, 1979. — 394 с.
