Рис. 26. Испытательная установка ЛТП2-3:

/ - станина; 2 - задний опора; 3 - амортизатор; 4, /4 - блоки; 5 - каретка; 6 - трос; 7 - рычаг нагружения; 8 - кронштейн: 9 - тяга; iO - образец; . 13 - вннты; \2 - стол; /5, 16 - лебедка; /7 - передняя опора; /8 - ось рычага; 19 - кассета с набором грузов; 20 - грузы; 21 - шкала, см.

Рис. 27. Жесткая скоба ЛТП2-6:

1 корпус; 2 - шток; 3 - гайка; 4 - пуансон; 5 - образец; 6 7- устройство для измерения прогиба

Размеры скобы, мм

- опоры;

образцы выдерживают в течение 20 ч. Наличие трещин выявляют визуальным осмотром поверхности образца или его излома по максимально нагруженному сечению. Перед изломом образец травят 5%-ным раствором HNO3 и высушивают. Протравленные участки излома считают трещинами. Сопротивляемость трещинам оценивают критическим разрушающим напряжением

Р 2L?-f2s-s2

где f j - полный прогиб в центре образца; /о -остаточный прогиб на базе/.j; k - переменный коэффициент, учитывающий возрастание момента сопротивления при изгибе при развитии пластической деформации (при fo~0 k= 1; при fo = 2/у k = 0,80; при /о = 4/у /г = 0,65; /у - упругий прогиб при fo= 0).

Метод оценки сопротивляемости сталей холодным трещинам при сварке, заключающийся в испытании сварных образцов на замедленное разрушение в условиях нагружения постоянным усилием, получил широкое распространение в СССР [21, 22 и др.] и за рубежом [34 и др.]. Результаты испытаний некоторых промышленных марок стали приведены в табл. 8 [12]. Минимальное разрушающее напряжение зависит от режима сварки, глубины проплавления и формы поверхности шва, термического цикла сварки, регулируемого применением зажимных приспособлений и подкладок под корень шва из меди и других материалов.

8. Сопротивляемость различных сталей образованию холодных трещин при сварке [12]

Условия испытания. 1. Тип и размеры образцов - плоский, круглый, толщина 3 мм, рабочий диаметр 100 мм. 2. Способ н режим сварки: аргонодуговой переплав вольфрамовым электродом / =160-170 А;

НИИ: метод .ПТП2, вдоль его оси.

3. Способ нспыта-

установка ЛТП2-5. 4. Расположение трещ,ин: на поверхности шва

% = 12 м/ч.

Испытания образцов основного металла на замедленное разрушение (табл. 3, Б.3.1). Испытания предусматривают растяжение или изгиб серии образцов различными по величине постоянными длительно действующими нагрузками. Под нагрузкой образцы из сталей перлитного и мартенситного классов выдерживают в течение 20 ч. За прочность при замедленном разрушении принимают минимальное напряжение, при котором происходит разрушение образцов или в них образуются трещины. Перед испытанием в образцах воспроизводят структурное состояние, характерное для околошовной зоны.

Метод ЛТПЗ [14, 21] (рис. 28 и 29). Образцы подвергают воздействию имитированного сварочного термического и деформационного циклов, а также насыщению водородом. Возможно испытание при имитации только термического цикла или его сочетания с насыщением водородом. Образцы нагревают проходящим электрическим током от контактного сварочного трансформатора. Максимальная температура нагрева Т зависит от состава стали и должна соответствовать

началу оплавления границ аустенитных зерен, поскольку этому состоянию соот-

ветствует минимальная прочность при замедленном разрушении [21]. Эту температуру определяют путем металлографического исследования поверхности тонко-шлифованных образцов, нагретых в атмосфере инертного газа, по появлению на границах темной фазы, имеющей округлую форму.

Водородом образцы насыщают электролитическим способом перед обработкой термическим циклом. Насыщение выполняют в растворе H2SO4 в дистиллированной воде концентрации 0,1 и с добавкой 0,5 г NagSgOs на 1 л в качестве стимулятора при плотности тока 10 А/см (образец-катод, платиновая пластина или спираль - анод). Насыщение в течение 0,5 ч при указанном режиме обеспечивает среднюю концентрацию диффузионного водорода (по вакуумному методу [1]) до Усм/ЮОг. После обработки термическим циклом концентрация понижается до 1,0-2,5 см/100 г. Такая последовательность позволяет получить равномерное распределение водорода по сечению образца.

вО±0,1

фТМтд.

Рис. 28. Образцы основного металла для испытаний на замедленное разрушение после обработки имитированным сварочным термодеформационным циклом по методике ЛТПЗ растяжением (а) и изгибом [б)

Деформационный цикл воспроизводят на этапе охлаждения путем растяжения образцов с заданной постоянной скоростью либо во всем диапазоне температур от Г до 20 °С, либо в заданном интервале температур. Скорости деформации

ГПЗ X

и конечные величины деформаций выбиряют того же порядка, что и при сварке. После воспроизведения в образцах сварочного термодеформационного цикла их нагружают постоянной нагрузкой путем растяжения или изгиба в приспособлениях к машине ЛТП2-3 (рис. 29). На образцах, предназначенных для испытаний изгибом, делают боковой надрез камнем в течение 1 мин после обработки термическим циклом. Разрушающие напряжения определяют условно по формуле для чистого изгиба с учетом только рабочего сечения образца.

Воспроизведение в образцах термических и деформационных сварочных циклов выполняют на мапшнах типа ЛТПЗ-5 (стр. 395) или установке ЛТПЗ-бм ]14]. Последняя обеспечивает вертикальное расположение образцов, что позволяет нагревать образцы на большой базе до весьма высоких температур без потери устойчивости. Оно также снабжено быстродействующим дилатометром, фиксирующим изменения ширины образца как при термическом, так и деформационном цикле.

Определение запаса стойкости против трещин (табл. 3, Б.5.1). Показатель сопротивляемости тре!цинам не может быть непосредственно применен для оценки стойкости сварных соединений конструкций против трещин, поскольку он отражает только свойства материалов. Стойкость соединений помимо этого зависит еще от величины, сварочных напряжений. Запас стойкости в принципе может быть определен сопоставлением показателя сопротивляемости и сварочных напряжений с помощью определенного критерия прочности. Однако в настоящее время еще затруД1!ено определение напряжений в большинстве слоновых по форме конструкций и не разработан указанный критерий прочности. Одним из возможных путей определения запаса стойкости является сопоставление показателей

сопротивляемости исследуемого материала с эталонным, т. е. материалом того же класса, при применении которого в сварных конструкциях отсутствовали трещины. Другой путь - сопоставление показателя сопротивляемости исследуемого материала с допустимым для данного типа конструкций. Последний определяется путем параллельного проведения испытаний по методу ЛТП2 и сварки соответствующих сварных конструкций или заменяющих их натурных образцов

Рис. 29. Схема испытания образцов основного металла на замедленное разрушение на машине ЛТП2-3:

а - растяжением; б - изгибом; / - стол; 2 - основание захвата; з, 6 - захваты; 4 - образец; 6 - стойка; 7 - опоры; 8 - траверса

[3]. При этом соблюдается идентичность термических циклов, влажности электродных материалов и окружающего воздуха. Последние условия задаются в двух-трех вариантах так, чтобы они обусловливали как образование, так и отсутствие трещин в сварной конструкции. Показатель сопротивляемости по методу ЛТП2, соответствующий условиям, при которых отсутствовали трещины в конструкции, принимают за допустимый. Равенство или превышение показателя сопротивляемости материала показателю эталонного материала или допустимого гарантирует стойкость против трещин при сварке конструкций из новых материалов.

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ СТАЛЕЙ ОБРАЗОВАНИЮ ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН

Способы повышения сопротивляемости сталей перлитного и мартенситного классов трещинам направлены на устранение отрицательного действия основных факторов, обусловливающих их образование. В соответствии с этим способы можно разделить на группы.

1. Регулирование структуры металла сварных соединений тепловым воздействием путем повышения qlv, предварительным подогревом, сопутствующим нагревом и последующим отпуском. Эффективность различных способов связана с их воздействием на структурно определяющие параметры термического цикла: время пребывания при высоких температурах выше 900 °С (>9оо) скорости охлаждения при 550 и 300 °С (tiDsjo и ffiigoo). Повышение qh увеличивает t

и уменьшает 14)550 и Шзоо в пропорциональной зависимости при многослойной сварке больших толщин и в квадратичной - при однопроходной сварке соединений малых и средних толщин. Предварительный подогрев в пределах 100-400 °С наиболее сильно воздействует на шзоо, а затем по убывающей степени на Шбзо

и Сопутствующий подогрев в основном замедляет шзоо- Изменения

t55o зт по-разному влияют на структуру и сопротивляемость стали трещинам в зависимости от состава и характера ее сварочной анизотермической диаграммы превращения аустенита [24]. Для углеродистых и низколегированных сталей, не содержащих карбидообразующих элементов, с низкой устойчивостью аустенита при температурах перлитного превращения (стали 45, 20Г2, 18Г2ФА и др.) наиболее важным является показатель а 55о. Это объясняется тем, что практически для всех способов сварки, повышая qlv и вводя подогрев, изменением w-q можно получить перлитную или заданную смешанную структуру, стойкую против трещин. Влияние незначительно, так как связанные с ним процессы гомо-

генизации и роста зерна успевают завершиться за короткое время и не поддаются регулированию тепловыми воздействиями. Для среднеуглеродистых среднелегированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы, с высокой устойчивостью аустенита при температурах перлитного и бейнитного превращения (ЗОХГСНА, 42Х2ГСНМА, 43ХЗСНМФА и др.), при сварке в широком диапазоне тепловых режимов характерно мартенситное превращение аустенита. Для этих сталей рекомендуется сопутствующий подогрев до температур несколько выше конца мартенсит1:ого превращения с целью уменьшения woo и обеспечения самоотпуска мартенсита. Важным является уменьшение до, поскольку высокотемпературные процессы замедлены в связи с наличием карбидов в исходной структуре и имеется возможность регулирования величины зерна и однородности аустенита. Поэтому рекомендуется применять концентрированные источники тепла и многослойную сварку и не рекомендуется предварительный подогрев. Для низкоуглеродистых среднелегированных сталей с повышенным содержанием никеля (12ХН4МДА, 18Х2НЗМДА и др.), имеющих высокую устойчивость аустенита при температурах перлитного превращения, при сварке в широком диапазоне тепловых режимов характерно превращение в области нижнего бейнита и частично в области мартенсита. Эти стали занимают промежуточное положение по сравнению с рассмотренными выше группами сталей. При их сварке рекомендуется умеренный подогрев до 100-150 °С, не вызывающий существенного увеличения > 900 и вместе с тем понижающий с целью смещения бейнитного превращения в область более высоких температур и уменьшения количества мартенситной составляющей. Полезен сопутствующий подогрев для самоотпуска мартенситной составляющей и удаления диффузионного водорода из сварного соединения. Отпуск сварных соединений проводят главным образом для среднеуглеродистых среднелегированных сталей при температурах 300-650 °С. Важным является время начала отпуска после сварки, которое составляет от 0,5 до 2 ч. При назначении температуры сопутствующего подогрева и отпуска необходимо учитывать возможность развития процессов отпускной хрупкости и термического старения,

2. Предварительная термическая обработка стали с целью получения в исходной структуре устойчивых коагулированных легированного цементита и специальных карбидов. Такой термической обработкой может быть отжиг на зернистый перлит при Т ~ Асх - 25 °С в течение 4-16 ч в зависимости от содержания углерода и карбидообразующих элементов [21]. Отжиг является эффективным способом повышения сопротивляемости трещинам для сталей, содержащих С 0,30%, и карбидообразующих элементов (Сг, Мо, W, V и др.) в сумме более 1%. При сварке замедленное растворение карбидов ограничивает рост зерна и снижает степень гомогенизации аустенита, что повышает начало превращения аустенита на 100-200 °С и обусловливает образование бейнитно-мартенситной структуры вместо мартенситной.

3. Применение сварочных материалов с возможно более низкой температурой кристаллизации металла шва [10, 22]. Выбор материалов рекомендуется производить по соотношению АТ= Г.о-м - Тс. м. ш (где Гл.о.мИ Т.ь-.-ш - температуры ликвидуса основного металла и солидуса металла шва соответственно). При завер-uiCHBH кристаллизации шва околошовная зона испытывает высокотемпературный герегрев вследствие выделения теплоты затвердевания. При применении свароч-

Рис. 30. Микроструктура околошовной зоны стали 43ХЗСНМВФА, сваренной ферритным (а), мартенситным (б) и аустенитным {в) швами. X 160; / участок полной гомогенизации; и / - участки частичной гомогенизации