Глава 10 ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Назад: 9.2 Характеристика свариваемости.

10.1 Общая характеристика сталей

К сварным сооружениям, использующимся при низких температурах в течение длительного времени, относятся холодильные установки, дорожно-строительная техника, мостовые конструкции, фермы, транспортные средства, магистральные трубопроводы и т.д., а также конструкции, эксплуатирующиеся в условиях Крайнего Севера, под водой, в космосе. Основными критериями использования конструкционных материалов для низких температур являются:

необходимый уровень прочности при нормальной температуре (20 ⁰С), обеспечивающий надежность и оптимальную металлоемкость конструкции;

низкая чувствительность к хрупкому разрушению, определяемая запасом пластичности и вязкости при рабочих температурах;

технологичность при металлургическом и машиностроительном переделе (свариваемость, штампуемость и т.п.).

Эти критерии полностью относятся и к сварным соединениям. В практике создания сварных узлов принято, что при Т –100 ⁰С используются низкоуглеродистые и низколегированные стали ферритно-перлитного, перлитного, а иногда и бейнитного классов, а при более низких (криогенных) температурах – аустенитные, аустенитно-мартенситные стали или цветные сплавы (алюминий, медь). В данной теме рассматриваются стали первой группы.

К этой группе следует отнести низкоуглеродистые ВстЗсп, Ст20 и низколегированные стали 09Г2Д, 1ОГ2, 17ГС. 14ХГС для Т_эксп до –40...–50 ⁰С и 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 14Г2САФ, 16Г2САФ, 12ХГН для Т_эксп до –60 ⁰С.

Эти материалы отличаются заметным изменением механических свойств при снижении температуры (рост значений _в, _т, _–1 и снижение значений d, y, KCU, повышением чувствительности к концентраторам напряжений).

Определяющей характеристикой этих сталей, является их способность сопротивляться хрупким разрушениям. Поэтому вопросы хладостойкости принято рассматривать в связи переходом материала в хрупкое состояние в зависимости от технологических воздействий на него и условий эксплуатации конструкции.

Экспериментально при таком переходе наблюдается изменение внешнего вида поверхности излома при динамических (ударных) испытаниях образцов: доля волокнистости в площадке разрушения снижается, а доля зернистости увеличивается. В достаточно узком интервале температур испытаний, разном для различных металлов и марок сталей, доля площади разрушения F_изл с волокнистым характером излома (сдвиговая деформация) часто изменяется от 100 % до нулевой величины, уступая место хрупкому зернистому излому (деформация отрыва). При этом резко снижается величина работы G_g разрушения металла. Температуру, при которой поверхность разрушения визуально имеет 50 % площади хрупких участков и 50 % вязких участков, принято называть первой критической Т_кр1 температурой хрупкости, а показателем сопротивляемости металла хрупкому разрушению является значение работы разрушения, приходящейся на единицу площади, т.е. ударная вязкость KCU (Дж/см²) (рис. 10.1). В практике создания сооружений условно принято называть температуру, при которой значение KCU = 25...30 Дж/см², порогом хладноломкости. Эта температура свидетельствует о принципиальной возможности перехода металла в хрупкое состояние. Однако такая оценка не является полной. При испытаниях крупных образцов или увеличении скорости нагружения эта температура сдвигается вправо, т.е. порог хладноломкости повышается на 10...30 ⁰С.

Рис.10.1 – Влияние температуры на переход в хрупкое состояние

Кипящие низкоуглеродистые стали, легированные стали с крупным зерном, закаливающиеся стали имеют более высокую температуру перехода в хрупкое состояние, а значит быстрее охрупчиваются.

Под влиянием процесса сварки за счет термического и деформационного воздействия, например, роста зерна, степени закалки отдельных участков, эффекта деформационного старения и т.п. значение Т_кр повышается, а значение KCU для этих участков сварного соединения снижается.

Накопление усталости за счет циклических нагружений, радиационное и коррозионное воздействие среды, содержание примесей в шве также могут способствовать повышению температуры перехода в хрупкое состояние. Ускоряющим фактором охрупчивания является наличие в металле или сварном соединении концентраторов (внешних или внутренних) напряжений, форма и размеры, которых могут существенно ограничивать возможность практического применения сварной конструкции для тех или иных условий эксплуатации. Основными концентраторами являются подрезы, непровары, несплавления, неметаллические включения. Поэтому экспериментальная оценка сопротивляемости хрупким разрушениям согласно ГОСТ 11150-75 и ГОСТ 945478 производится на стандартных образцах с искусственно создаваемыми надрезами U-образной или V-образной формы (последние предпочтительны для сварных соединений).

Несмотря на жесткость подобной оценки к охрупчиванию, численное значение ударной вязкости не всегда является достаточной характеристикой перехода металла в хрупкое состояние. Имеются примеры, когда значение KCU < 25 Дж/см² для сварного шва, а сварное соединение работает достаточно долго без хрупких разрушений. Это объясняется тем, что всякому распространению трещины предшествует ее зарождение или начало ее движения, если трещина существовала раньше. Испытания на ударную вязкость оценивают лишь работу движения трещины. Существуют методики оценки свойств металла, определяющие его сопротивляемость началу разрушения. [8]

Известны несколько способов оценки свойств охрупченного металла сварных соединений. К ним относятся: силовые, деформационный и энергетические.

Далее: 10.2 Особенности сварки.