ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Влияние технологических дефектов на прочность сварных соединений при статических и переменных нагрузках из "Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением " Опыт эксплуатации сварных конструкций показывает, что технологические дефекты могут существенно снижать работоспособность сварных соединений.. В конструкциях, работающих в условиях статического нагружения, дефекты нередко становятся очагами хрупких трещин, возникающих при низких уровнях рабочих напряжений (сТраз а , а в конструкциях, работающих при переменных нагрузках, они снижают предел выносливости сварных соединений. Механизм влияния дефектов на прочность в обоих случаях различен, в связи с чем влияние дефектов на прочность в условиях статического и динамического нагружения рассмотрено отдельно. [c.277] Влияние дефектов на статическую прочность сварных соединений. Острые трещиноподобные дефекты (трещины, непровары, несплавления, подрезы) нередко становятся очагами хрупких разрушений. Вместе с тем далеко не каждый дефект представляет опасность в этом отношении. Для определения надежности сварных конструкций и установления требований, предъявляемых к качеству сварных соединений, необходимо располагать сведениями о влиянии наиболее вероятных дефектов на прочность соединений в условиях, близких к реальным. [c.277] 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. [c.278] 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 распростртаняется 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. [c.278] 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. [c.278] 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. [c.279] 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). [c.279] 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. [c.279] 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. [c.279] 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 усугубляться водородным охрупчиванием. [c.280] 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 поперечном стыковом шве, выполненном секционно электродами УОНИ-13/55. Прочность обогащенных водородом соединений (сварка осуществлялась электродами с увлажненным 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. [c.280] Влияние охрупчивания, связанного с увеличением содержания углерода в швах. При сварке среднеуглеродистых сталей наблюдаются случаи повышения содержания углерода в металле швов, в частности при некачественной очистке кромок после воздушнодуговой резки угольным электродом. С повышением содержания углерода уменьшается вязкость металла, и можно ожидать, что чувствительность швов к технологическим дефектам в этом случае будет повышенной. Испытания образцов из стали 17ГС с острым искусственным надрезом в поперечном стыковом шве (см. рис. 6-49), сваренном специальными электродами, подтвердили такое предположение. С увеличением содержания углерода чувствительность шва к острым концентраторам напряжений возрастает (рис. 6-52). Это проявляется как в повышении температуры, соответствующей переходу металла из вязкого в хрупкое состояние, так и в повышении критической температуры, при которой прочность сварного соединения начинает резко снижаться. [c.281] Влияние непроваров. Непровары создают резкую концентрацию напряжений и вызывают существенное снижение выносливости стыковых соединений. Так, например, составляя всего 10% толщины сечения, непровар может понизить усталостную прочность соединения наполовину, а при глубоких ненроварах, занимающих 40—50% толщины шва, пределы выносливости для стали снижаются, например, с 15 до 6,0 кгс/мм (рис. 6-53). Долговечность возрастает с уменьшением глубины непровара и увеличением радиуса его вершины. [c.283] Дополнительное влияние могут оказывать остаточные напряжения. Один и тот же дефект по-разному изменяет усталостную прочность соединения в зависимости от того, в каком поле остаточных напряжений он находится. Располагаясь в поле сжимающих остаточных напряжений, непровар в меньшей степени снижает усталостную прочность по сравнению с тем случаем, когда он находится в поле растягивающих остаточных напряжений (рис. 6-54). [c.283] Глубина непровара Рис. 6-53. [c.283] При прочих равных условиях сопротивление дефектных соединений усталостным разрушениям предопределяется свойствами металла шва и, в частности, содержанием в нем остаточного водорода. В этой связи предпочтения заслуживают электроды с основным покрытием или другие сварочные материалы, обеспечивающие низкое содержание водорода в металле шва. [c.284] Иллюстрацией могут служить результаты испытания однотипных образцов, сваренных электродами 48Н-1 и УОНИ-13/45 с основным покрытием и электродами АНО-4 с рутил-карбонатным покрытием. Стыковые образцы в средней части шва имели непровары глубиной 5 мм и протяженностью 50 мм. Соединения, выполненные электродами с основным покрытием, имеют более высокий предел выносливости, чем сваренные электродами с рутил-карбонатным покрытием, хотя данные на рис. 6-56 для электродов 48Н-1 несколько завышены. Этот эффект следует использовать с целью увеличения долговечности и предотвращения преждевременных усталостных разрушений сварных соединений, если в них нельзя гарантировать отсутствия дефектов. [c.284] Подрезы. Усталостная прочность швов с подрезами зависит от глубины подреза, уровня остаточной напряженности и вида соединения. В случае стыковых соединений влияния концентрации напряжений и остаточных напряжений могут быть соизмеримыми. На рис. 6-57 приведены результаты испытания образцов с подрезами различной глубины, расположенными в зонах высокой и сравнительно низкой остаточной напряженности. Под влиянием изменения глубины подреза с 1—1,5 мм до 2—3,5 мм предел выносливости снижается дополнительно на 15%. Падение предела выносливости такого же порядка наблюдалось и в результате изменения растягивающих остаточных напряжений с 5,0 до 20 кгс/мм . Суммарное влияние этих факторов может привести к снижению предела выносливости соединения вдвое. [c.285] Для проявления влияния пор существенное значение имеет вид соединения. В длинных продольных швах растягивающие остаточные напряжения достигают обычно предельных значений и пора может быть единственным концентратором напряжений. Такое сочетание может оказаться более опасным, чем нахождение поры в коротких поперечных швах, поскольку остаточные напряжения в них невелики. В этой связи поры становятся очагами усталостных разрушений чаще всего в соединительных угловых и стыковых швах, а также в поперечных стыках на участках высоких растягивающих остаточных напряжений. В то же время пористость практически не влияет на выносливость нахлесточных соединений, форма которых и без того создает высокую концентрацию напряжений. Размеры пор играют меньшую роль в изменении долговечности сварного соединения, чем место нахождения поры. Внутренние поры опаснее выходящих на поверхность. [c.285] Предел выносливости швов с порами на участках высоких растягивающих остаточных напряжений составляет И кгс/мм при пульсирующем цикле и 5 кгс/мм при симметричном цикле (стали низкоуглеродистые и низколегированные). [c.285] Вернуться к основной статье