Показатели технологической прочности

Под технологической прочностью понимают способность металлов сохранять свою сплошность без разрушения в процессе технологической обработки с помощью сварки.

Технологическую прочность металлов при сварке можно оценивать показателями сопротивляемости и стойкости против образования трещин. Сопротивляемость образованию трещин определяют машинными испытаниями сварных образцов; в условиях приложения внешних нагрузок. Она характеризует технологические свойства металла в различных зонах сварного соединения. Стойкость против образования трещин, определяемая с помощью технологических проб, - это комплексная характеристика, зависящая от технологических свойств металла и величины сварочных деформаций и напряжений в сварном образце пробы.

Показатели технологической прочности применяют для сравнительной оценки металлов. Вероятность образования трещин при сварке конструкций можно определить только после корреляции результатов испытаний на технологическую прочность и поведением: металлов в производственных условиях и установления допустимых значений показателей.

Ряс. 4.13. Схема машины ЛТП1-6 для испытаний на горячие трещины при сварке: 1, 2 - неподвижный и подвижный захваты; 3 - свариваемый образец; 4-6 - механический привод.

Методы машинных испытаний. Испытания на образование горячих трещин по методу ЛТП-1 заключаются в деформировании растяжением образцов в процессе их сварки и затвердевания металла шва с помощью испытательной машины (рис. 4.13). Испытанию подвергается серия сварных образцов (рис. 4.14) при последовательном увеличении от образца к образцу скорости деформации. Минимальная скорость деформации, при которой образуются трещины в шве или околошовной зоне, служит количественным показателем сопротивляемости металлов их образованию. На образование горячих трещин испытывают все без исключения металлы и сплавы.

Испытание на образование холодных трещин по методу ЛТП-2 заключается в нагружении серии образцов непосредственно после сварки внешними различными по величине длительно действующими постоянными нагрузками. Для испытания образцов (рис. 4.15) применяют испытательные машины и установки (рис. 4.16), в которых для создания постоянного усилия используют грузы, упругие элементы и другие устройства. Минимальное растягивающее напряжение от внешней нагрузки, при котором происходит образование трещин в околошовной зоне или сварном шве после испытания в течение установленного периода времени (для стали – 20 ч), служит количественным показателем сопротивляемости материала их образованию. На образование холодных трещин испытывают металлы, претерпевающие при сварке фазовые превращения в твердом состоянии. К таким материалам относятся перлитные, мартенситные, высокохромистые ферритные стали, ряд титановых, алюминиевых и некоторых других сплавов.

Рис. 4.15. Схема образцов для испытаний на холодные трещины: а - тавровые, б - стыковые.

Рис. 4.16. Установка для испытаний на холодные трещины а - ЛТП2-3 для тавровых образцов; б - ЛТП2-6 для стыковых образцов; 1 - жесткая скоба; 2 - опоры; 3 - сварной образец; 4 -. пуансон;5 - фиксирующая прогнб образца гайка; 6 – направляющая втулка; 7 - шток; 8 сварной образец; 9 - рычаг.

Технологические пробы. Пробы на образование горячихтрещин представляют собой испытание путём сварки образцов, конструкция которых обеспечивает интенсивное развитие сварочных деформаций при температурах затвердевания шва.

Проба с набором образцов (проба ЛТП) согласно РС СЭВ 3641-72 предусматривает сварку образцов различной ширины (рис. 4.17), которая принимает значения 4, 6, 8, 12, 16 и 20δ - толщин испытываемого металла. Сварку начинают с образцов минимальной ширины и продолжают на образцах возрастающей ширины до тех пор пока трещины в сварном шве перестанут образовываться. Необходимое условие работы пробы - полное проплавление перемычки в корне разделки. В этом случае половинки образца пробы вслед­ствие неравномерного распределения температур при нагреве к сравнительно небольшой жесткости интенсивно деформируются, раскрывая кромки сварного шва и вызывая образование трешин

За количественный показатель стойкости против образования трещин принимают минимальную ширину образца, в котором уже не образуется трещин. Наличие трещин определяют визуально на поверхности шва и по его излому, где за горячую трещину принимают окисленные участки, имеющие междендритный характер разрушения.

Тавровая проба согласно РС СЭВ 3641-72 проводится путем сварки таврового образца (рис. 4.18), стенку которого прикрепляют к полке только одной прихваткой в начале шва. Это позволяет стенке во время сварки легко поворачиваться (особенно при наложении первого шва), что вызывает деформацию и, как следствие этого, образование трещины в корне шва. После наложения двух швов по обе стороны стенки и их визуального осмотра полку с обратной стороны вдоль продольной оси между швами разрезают механическим способом. Разрезанные части полки отгибают для установления наличия трещин в изломе шва.

Испытание тавровой пробы дает качественную оценку металлов: яри отсутствии трещин их считают стойкими против образования трещин, при наличии трещин - склонными к их образованию.

Пробы на образование холодных трещин предусматривают сварку образцов, конструкция которых обеспечивает высокий уровень остаточных сварных напряжений.

Рис. 4.19. Лихайская проба; а — образец; 6 разделка кромок

Лихайская проба состоит в сварке плоского образца» имеющего в центре разделку в виде щели (рис. 4.19). Необходимое условие испытания - сварка с непроваром корня шва. Высокий уровень напряжений обеспечивается жестким закреплением шва и концентратором напряжений в его корне. Трещины при испытании возникают в корне соединения либо в металле шва, либо в околошовной зоне в зависимости от формы разделки прямой или косой соответственно (рис. 4.19, б). Уровень напряжений регулируется за счет различной длины прорезей на краях пластины. Косая разделка применена впервые в японской пробе «Тэккен».

За количественный показатель стойкости против образования трещин принимают глубину прорезей Ь, при которых еще не образуется трещина.

Крестовая проба согласно РС СЭВ 4102-73 заключается в сварке двойного таврового образца (рис. 4.20) четырьмя последовательными угловыми швами.

Каждый следующий шов укладывают после полного охлаждения предыдущего. По мере сварки каждого шва возрастает жесткость их закрепления, ускоряется отток теплоты и повышается общее насыщение сварного соединения водородом. Наиболее вероятно образование трещин в третьем шве и его зоне термического влияния. Через четверо суток после сварки из центральной части образца вырезают три поперечных темплета шириной по 25 мм, из которых изготовляют металлографические шлифы. Шлифы исследуют при 10-кратном увеличении на наличие трещин.

При испытании крестовой пробы получают качественную оценку металлов, относя их к стойким или склонным к образованию тре­щин в зависимости от отсутствия или наличия трещин на шлифах. Иногда усложняют испытание, изменяя исходную температуру образца путем охлаждения углекислотой или подогревом. В этом случае за количественный показатель стойкости против трещин принимают начальную температуру образца, при которой уже трещины не образуются.

4.6.3. Валиковая проба

Валиковую пробу согласно ГОСТ 13585-68 применяют для оценки изменений механических свойств основного металла в околошовной зоне, вызванных термическим циклом дуговой сварки. Сущность пробы заключается в наплавке валиков на составные пластины исследуемой стали (рис. 4.21) при различной погонной энергии (q/v), обусловливающей различйую скорость охлаждения, и последующем определении ударной вязкости, угла изгиба, твер­дости, микроструктуры и других показателей околошовной зоны (см. 4.14).

После охлаждения образца снимают усиление шва до поверхности пластины методом, исключающим её нагрев. Из брусков, составляющих нластияу, изготовляют образцы для механических испытаний и шлифов. По результатам испытаний в соответствии с требованиями к механическим свойствам и микроструктуре околошовной зоны сварных соединений из исследованной стали устанавливают интервал допустимых скоростей охлаждения, по которым расчетным путем с учетом типа соединения и толщины стали определяют режим сварки.

Испытание на стойкость против хрупкого разрушения. Хрупким называется разрушение, при котором пластические деформации перед наступлением разрушения осносительно малы по сравнению с упругими. Оно связано с действием максимальных растягивающих напряжений и происходит по плоскостям, перпендикулярным направлению этих напряжений, путем отрыва. Стойкость металлов против хрупкого разрушения зависит от его сопротивления отрыву. Хрупкое разрушение характерно для условий работы, при которых тормозится процесс развития пластической деформации, так, напри­мер, при наличии острых концентраторов, отрицательных темпера­турах. и других условиях. Опасность хрупкого разрушения заклю­чается в том, что оно возможно при сравнительно невысоких средних напряжениях и сопровождается лавинообразным распространением трещины через все сечение конструкции.

4.22. Образец и схема испытаний на вязкость разрушения

Стойкость против хрупкого разрушения согласно РС СЭВ 3642-72 оценивают по критерию вязкости разрушения k_1c, определяемому путем испытаний статическим изгибом образца специально выбранных размеров с надрезом, в вершине которого имеется искусственно созданная усталостная трещина (рис. 4.22). Образец нагружают до момента, когда начинается нестабильное развитие трещины и её длин увеличивается на величину, составляющую около 2 % суммарной длины надреза и исходной трещины. По­казатель k_1c (кгс·мм^-2/3) рассчитывают по величине нагрузки (P_Q) и окончательной суммарной длине надреза и трещины (а), k_1c=f(Р_Q,а^1/2)

Показатель k_1c представляет собой коэффициент интенсивности напряжений, соответствующий началу развития хрупкой трещины. Эти напряжения зависят от длины трещины и не могут быть приняты за константу металла, характеризующую его стойкость против хрупкого разрушения. Показатель k_1c, величина которого определяется с учетом длины трещины, представляет константу сопротивления металла отрыву и принят за критерий стойкости против хрупкого разрушения.

4.6.4. Динамические испытания

Ударный изгиб. Испытания проводят на квадратных или прямоугольных образцах с односторонним надрезом с радиусом закругления в вершине 1,00 или 0,25 мм. В зависимости от назначения испытания надрез располагается на оси сварного шва, зоне сплавления и зоне термического влияния. При испытании определяют ударную вязкость металла в заданной зоне соединения как отно- 'шение работы, затраченной на излом образца, к площади его поперечного сечения в месте надреза до испытания.

Усталостные испытания. Испытаниями на усталостную прочность определяют способность металла сопротивляться действию переменных нагрузок при изгибе, растяжении и кручении. Переменные нагрузки характеризуются амплитудой изменения напряжений и в зависимости от этого могут иметь симметричный, асимметричный и пульсирующий циклы. Испытания проводят на цилиндрических или плоских образцах специальной формы и размеров, вырезанных поперек сварного соединения, в условиях осевого нагружения. При испытаниях определяют предел выносливости, т. е. наибольшее напряжение, которое может вынести образец без разрушения при заданном числе циклов (базы) испытаний. Для сварных соединений база испытаний составляет (2÷10) 10⁶ циклов. Подробно динамические испытания рассмотрены в курсе сварных конструкций.

4.6.5. Металлография и химический анализ

Макроструктура. Макроструктуру рзучают на шлифах и изломах сварного шва при увеличении до 20 раз. Темплеты для шлифов вырезают поперек или в плоскости сварного шва и изготовляют соответственно поперечные и послойные шлифы путем шлифования и травления темплетов реактивами, выбираемыми в соответствии с видом металла и назначением исследования. На макрошлифах выявляют границы шва и зоны термического влияния, слоистость основного металла, макроскопическое строение сварного шва (форму, размеры и направление кристаллитов, ликвационные зоны и усадочную рыхлость), а также дефекты в сварном шве (несплавления, непровары, неметаллические включения, газовые поры и треш,ины).

По виду излома определяют соотношение площадей, имеющих вязкий и кристаллический характер разрушения. Это соотношение используют как качественный показатель пластических свойств сварного шва. На изломе также выявляют дефекты сварного шва: раковины, поры, непровары, трещины и включения.

Для выявления ликваций серы в основном металле и сварном шве применяют метод отпечатка по Бауману. На макрошлиф накладывают засвеченную фотобумагу, предварительно выдержанную в 5 %-ном растворе серной кислоты. Через 3-5 мин бумагу снимают и, фиксируют. Желто-коричневые пятна соответствуют участкам сечения с повышенным содержанием серы.

Микроструктура. Микроструктуру исследуют на полированных и травленных реактивами шлифах при увеличении 50-2000 раз. На микрошлифах определяют микроструктуру шва и околошовной воны (вид и соотношение структурных составляющих, наличие и распределение карбидов, нитридов, сульфидных и оксидных включений), размеры зерна, а также выявляют микроскопические трещины и поры.

Твёрдость. Макротвёрдость определяют на макрошлифах с помощью приборов для измерения макротвёрдости по Виккерсу, Роквеллу или Бринеллю. Измерения проводят на поперечных шлифах сварного соединения в двух взаимно перпендикулярных направлениях: по оси шва и вдоль линий, параллельных верхней и нижней поверхности листа. Результаты представляют в виде графика изменения твердости по сечению (рис. 4.23). Макротвёрдость служит для оценки степени закалки вон сварного соединения и неравно- мерности механических свойств по сечению.

Микротвёрдостъ определяют на микрошлифах с помощью прибора ПМТ. Измеряют твёрдость отдельных составляющих микроструктуры. Это служит дополнением к металлографическому анализу при установлении типа структурных составляющих.

Рис. 4.23 Распределение твёрдости по сечению сварного соединения закаливающей стали.

Химический анализ. Химический анализ проводят для контроля состава основного металла, металла шва (в центре и зоне сплавления) и сварочных материалов (проволоки или наплавленного металла). Пробы отбирают в виде стружки по ГОСТ 7122-81. Химический анализ служит для отбраковки материалов по составу, а также установления причин появления дефектов в сварном соединении.

Коррозионные испытания

Испытания проводят для определения коррозионной стойкости сварного соединения или отдельных его зон при работе в различных средах (во влажном загрязненном воздухе, воде, кислотах, щелочах и их растворах и т. п.). Различают испытания на общую (рав­номерную и неравномерную) и местную коррозию. Общая коррозия характерна для углеродистых и низколегированных сталей, местная - для аустенитных и аустенитно-ферритных сталей. Испытания проводят путем выдержки образцов заданных размеров в определенной коррозионной среде в свободном состоянии или под напряжением. Испытания регламентированы ГОСТ 9.908-85 и ГОСТ 6032-2002.

Основные методы оценки стойкости против коррозии:

1) весо­вой по потери веса k_ω [гс/м²·год] и уменьшению толщицы k_d [мм/год] (общая равномерная коррозия);

2) профилографический по глубине поражения (общая сосредоточенная и местная коррозия);

3) механических испытаний на растяжение и изгиб по сравнению прочност­ных и пластических свойств до и после коррозионных испытаний (общая сосредоточенная и местная коррозия);

4) макро- и микро- исследования через установленные интервалы времени по характеру растрескивания (местная межкристаллическая и ножевая под напряжением коррозия).

[1] За размерный показатель принимается: номинальная толщина свариваемых деталей – для стыковых сварных соединений деталей одинаковой толщины (при предварительной обработке концов деталей путем расточки, раздачи, калибровки или обжатия – номинальная толщина свариваемых деталей в зоне обработки); номинальная толщина более тонкой детали – для стыковых сварных соединений деталей различной номинальной толщины (при предварительной обработке конца более тонкой детали – номинальная толщина в зоне обработки); расчетная высота углового шва – для угловых и тавровых сварных соединений с полным проплавлением за размерный показатель допускается принимать номинальную толщину более тонкой детали). При сварке деталей под прямым углом без разделки кромок швом с одинаковыми катетами за расчетную высоту шва можно принять 0,8 К, где К – катет шва.

[2] Сварные швы стыков должны иметь выпуклость (усиление) в следующих пределах

Толщина стенки трубы, мм Выпуклость, мм

Менее 10 0,5 – 3,5

10 – 20 0,5 – 5,0

Более 20 0,5 – 5,5

По ширине выпуклость должна перекрывать наружные кромки на 1 – 2 мм с каждой стороны.

[3] Подрез размером 0,2 мм и менее измерению не подлежит, определяется визуально.