книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

а — наплавленный металл; б—зона сплав­ ления; в — зона закалки; г — зона высо­ кого отпуска; д —основной металл, не под­ вергавшийся влиянию нагрева при сварке. Кратковременный разрыв — сплошная линия, разрыв через 1000ч — пунктирная

Рис. 59. Распределение деформации по длине образцов сварного соедине­ ния стали 12ХМФ с поперечным швом, при 565° С:

20ХЗМБФ (ЭИ415) или высокохромистых мартенситовых типа 2X13, 1Х12В2НМФ (ЭИ802), Х12ЛБ, относящихся к улучшаемым и термически нестабильным, как правило, наименее прочной ока­ зывается зона высокого отпуска основного металла. В некоторых случаях в этих сталях возникают хрупкие прослойки на участках,

которые в процессе сварки претерпели закалку.				структуры
Многообразие
в разных зонах сварного соеди­
нения, а также малая протя­
женность		большинства из			них
не позволяют оценить их свой­
ства	в	отдельности.		Поэтому
в большинстве случаев в допол­
нение	к	исследованию свойств
свариваемой стали определяют
лишь	длительную			прочность
металла шва. Условия же совме­
стной	работы		различных		зон
оценивают по результатам испы­
тания на длительную прочность
сварного		соединения		в целом
[179,	180].
Характерное			для	высоких
температур с увеличением					вре­

мени до разрушения понижение пластичности, конечно, справед­ ливо и для сварных соедине­ ний. В этих условиях различия в свойствах отдельных состав­ ляющих соединения проявляют­ ся резче, чем при обычных кратковременных испытаниях [168, 169].

На рис. 59 показано измене­ ние поперечного сужения на раз­ личных по длине образца участках с поперечным швом после ис­

пытаний на кратковременный разрыв (сплошная линия) и после длительных испытаний в течение около 1000 ^(пунктирная линия). Значительное снижение пластичности при длительных испытаниях связано с развитием межзеренного разрушения. Иногда увеличе­ ние времени до разрушения смещает места разрыва в зону сплав­ ления.

Основные закономерности деформации образцов сварных соеди­ нений с поперечным швом в условиях испытания на длительную прочность могут быть выявлены при рассмотрении рис. 60. Предста­ вим сварное соединение, основной металл которого имеет характе­ ристики: сопротивляемость ползучести, длительную прочность и

пластичность при длительных испытаниях, соответствующие ли­

ниям 2. Характеристики металла шва изображены линиями	У,
а интересующего нас участка околошовной зоны — линиями	3.

В большинстве случаев длительная прочность металла шва свар­ ных соединений из перлитных сталей несколько выше, а околошовиой зоны немного ниже, чем основного металла. С увеличением длительности испытания, как правило, разница в свойствах от­ дельных зон уменьшается.

Обычно зависимости напряжение — скорость ползучести (рис. 60, а) и длительная прочность — время на логарифмическом

	графике		имеют			вид	прямых.
	Изменение деформации при раз­
	рушении		со		скоростью			ползу­
	чести	показано в				соответствии
	с предложенной в гл. I и II
	зависимостью				между			относи­
	тельным		удлинением				при дли­
	тельных		испытаниях				и	скоро­
	стью ползучести (6).
	В	случае			действия			усилий
	поперек шва				при	относительно
	высоком уровне напряжений /
	(рис. 60, ау б) скорость							ползу­
	чести	металла				околошовной
	зоны заметно выше, а металла
	шва ниже, чем основного ме­								Рис. 60.	Обобщенная диаграмма пол­
	талла.	При			этом	напряжении
	разрушение в околошовной зоне								зучести	для сварных соединений:
									1 — металл шва; 2 — основной металл;
	произойдет			через		относительно
										3 — околошовная	зона
	короткое		время.			При		напря­
	жении	II		будет		наблюдаться			аналогичный характер		разрыва,
	но разница			в длительности до					разрушения сварного соединения

иосновного металла будет меньше.

Втабл. 30 приведены результаты испытания образцов сварных соединений из сталей 12МФХ и 15X11МФ с поперечным швом. Разрушение таких соединений происходит либо по околошовной зоне, либо по основному металлу вдали от линии сплавления. При этом для относительно слаболегированной стали 12ХМФ, малочувствительной к сварочному нагреву, разрушение произойдет по основному металлу, вдали от зоны сплавления. Для хромистой стали 15X11МФ, являющейся термически малостабильной, свой­ ства околошовной зоны (участка высокого отпуска) заметно отли­ чаются от свойств основного металла и разрушения по этому участку происходят при меньших значениях длительной проч­ ности. Такое же явление наблюдается при испытании сварных соединений из более легированных, чем 12ХМФ, перлитных ста­ лей, например 20Х2ВФМ (ЭИ415), 15Х1М1Ф и др. Из-за сравни-

Т А Б Л И Ц А	30
Длительная прочность и пластичность сварных соединений из сталей 12Х1МФ
(при 565° С) и 15X11МФ (при 550° С)
		Длительная прочность			V	%
Сталь		М н / м 2	(кГ / ммi) за время (ч)				Место разрушения
	Характеристика образца					Ф
							сварных образцов
		103	ю«	10»
12Х1МФ	Основной металл	167	108	69	15,2—24,9	37,1—61,2	—
		(17,0)	(11,0)	(7,0)
	Металл шва, электроды
	ЦЛ20	181	112	69	11,3—22,0	22,4—28,6	—
		(18,5)	(П,5)	(7.0)
	Сварное соединение	167	108	69	12,7— 19,6	20,6—58,5	Основной металл
		(17,0)	(11,0)	(7.0)
15X11МФ	Основной металл	216	196	169	16—23	42—63	—
		(22,0)	(20,0)	(17,0)
	Металл шва, электроды-
	КТИ9	265	245	226	3,7—8,5	7,4— 18,8	—
		(27,0)	(25,0)	(23,0)
	Сварное соединение	206	176	152	2,0— 14,2	3,5—79,5	Зона термического
		(21,0)	(18,0)	(15,5)			влияния

тельно малой ширины разупрочненных участков зоны термиче­ ского влияния в некоторых случаях суммарная деформация в об­ разце до разрушения оказывается крайне низкой, несмотря на значительную местную деформацию околошовной зоны.

Чтобы определить деформационные характеристики металла в отдельных зонах, необходимо замерить относительное сужение по длине образца после испытания, как это показано на рис. 59. В ряде случаев в условиях испытания сварных соединений с по­ перечным швом и при эксплуатации сварных конструкций энерго­ оборудования при высоких температурах [181 ] наблюдаются хруп­ кие разрушения по линии сплавления.

Для объяснения причин, вызывающих разрушение в зоне сплав­ ления, предложенной ранее схемы (см. рис. 60) недостаточно. В этом случае необходимо рассмотреть условия совместного де­ формирования околошовной зоны и шва. Если предположить, что шов более прочен, чем околошовная зона, то при поперечном на­ гружении свободное деформирование вблизи зоны сплавления за­ труднено, поэтому в зоне сплавления будут возникать концентра­ ции напряжений [170, 171]. При кратковременных испытаниях и достаточной пластичности металлов соединения указанная кон­ центрация напряжений приведет лишь к незначительной допол­ нительной пластической деформации и практически не окажет влияния на свойства сварного соединения. В условиях же длитель­ ной работы при сравнительно невысоких нагрузках концентрация напряжений сохраняется и зона сплавления подвергается действию более высоких напряжений, чем остальные зоны, что приводит к преждевременному разрушению ее. Можно также полагать, что длительная прочность в зоне сплавления снижается из-за искаже­ ния кристаллической решетки в месте сопряжения шва и около­ шовной зоны, наличия промежуточных прослоек диффузионного характера [170] и некоторых других факторов.

Вышеизложенные соображения справедливы, если главные рас­ тягивающие напряжения направлены поперек сварного шва. В то же время во многих конструкциях из жаропрочных металлов сварные соединения подвергаются действию усилий, направлен­ ных вдоль шва. Например, стыки паропроводов, коллекторов и барабанов паровых котлов, находящиеся под действием внутрен­ него давления, и т. д.

Исследование сварных соединений, на которые действовала

продольно	приложенная нагрузка, было проведено Окерблю-
мом [172]	применительно к условиям кратковременного нагру­

жения. Было показано, что определяющим показателем разруше­ ния является в данном случае уже не наименьшая прочность той или иной зоны, а их пластичность. При кратковременных испы­ таниях абсолютный уровень деформационной способности соеди­ нения является достаточно высоким и заметно превышающим уро­ вень пластических деформаций при эксплуатации конструкции.

10 А. В. Станюкович

1435

145

Следовательно, возможная разница в пластичности отдельных зон сварного соединения практически не оказывает влияния на его свойства. При длительной работе вследствие снижения деформа­ ционной способности разница в пластических свойствах отдель­ ных зон может уже заметно сказаться на работоспособности свар­ ного соединения.

Условия деформирования сварных соединений с продольным швом могут быть выяснены из рассмотрения рис. 60. Отдельные зоны сварного соединения при заданной скорости ползучести могут иметь различную пластичность. В сварных соединениях из угле­ родистой, молибденовой, хромомолибденовой, хромомолибденова­ надиевых сталей наименьшую пластичность при разрушении имеет металл шва.

В зависимости от величины растягивающего усилия и устано­ вившейся для всего сварного соединения скорости ползучести, разрушение его отдельных элементов может происходить при раз­ личной пластической деформации. Так, при скорости ползу­ чести III различие в относительном удлинении отдельных зон сварного соединения практически не будет сказываться, а пласти­ ческая деформация при разрыве будет велика. При скоростях IV и V пластичность основного металла и зоны термического влияния (кривые 2 и 3 рис. 60, в) несколько понизятся. Разрушение же металла шва (кривая 1) будет происходить при значительно мень­ ших относительных удлинениях, что в условиях совместного де­ формирования будет приводить к преждевременному разрушению сварного соединения.

Обычно для сварных соединений из малолегированной перлит­ ной стали с продольным швом характерным является повышенное значение предела длительной прочности по сравнению с соответ­ ствующими значениями для основного металла и сварных соеди­ нений с поперечным швом; это обусловлено участием в совместном деформировании металла шва с более высоким сопротивлением ползучести. При увеличении длительности испытания разница в сопротивлении ползучести металла шва и основного металла уменьшается и значения пределов длительной прочности сварного соединения с продольным швом и основного металла становятся практически одинаковыми за 104 и 105 ч [168].

Таким образом, характер разрушения сварных соединений при продольном и поперечном действии напряжений различен. Если для сварных соединений с поперечным расположением шва разру­ шение наступало по менее прочному основному металлу, то началом разрушения аналогичных образцов с продольным расположением шва являются участки менее пластичного шва вблизи линии сплав­ ления.

В большинстве случаев уровень деформационной способности перлитных сталей, составляющих сварные соединения, оказы­ вается достаточным для обеспечения безопасности от хрупких раз-

ного — двух зерен от линии сплавления. Образование трещин не сопровождалось заметной пластической деформацией. Подобные локальные разрушения в некоторых случаях носили массовый характер. Например, на Черепетской ГРЭС 40% сварных стыков трубопроводов из сталей 1Х14Н14В2М (ЭИ257) и 1Х18Н9Т было поражено трещинами в околошовной зоне [121, 170, 175, 176, 182]. Столь многочисленные случаи повреждений заставили про­ вести коренную реконструкцию паропроводов. Аналогичные раз­ рушения паропроводов из аустенитных сталей наблюдались и в за­ рубежной практике [177, 178, 182]. Появление трещин в около­ шовной зоне происходит также в процессе термической обработки сварных конструкций повышенной жесткости при больших тол­ щинах свариваемых элементов из аустенитной стали [144].

Оценка склонности к локальным разрушениям

На основании данных, полученных при исследовании причин,- вызывающих трещины в сварных стыках паропроводов, можно считать установленным следующее:

1)трещины образуются под действием изгибающих напря­ жений;

2)при высоких рабочих температурах сопротивление длитель­ ному разрушению в околошовной зоне сварного соединения пони­ жено по сравнению с основным и наплавленным металлом.

Специфические условия работы металла сварных швов не поз­ воляют судить о работоспособности сварного соединения с по­ мощью общепринятых методов испытаний [168, 170]. Даже в тех случаях, когда химические составы наплавленного и основного металлов близки, их механические свойства заметно различаются. Если учесть, что по технологическим причинам приходится при­ менять наплавленный металл несколько иного по сравнению с ос­ новным состава, а в зоне термического влияния материал претер­ певает значительные структурные изменения, то различие в свой­ ствах отдельных зон сварного соединения из аустенитных сталей становится очевидным. При разработке электродов, технологии сварки и последующей термической обработки стремятся к умень­ шению указанной неоднородности, но это не всегда удается. Не­ однородность свойств в сварном шве лишает возможности опре­ делить для него сопротивляемость ползучести, предел текучести, характеристики пластичности и т. д.

Вначальной стадии исследований работоспособность сварных соединений из аустенитных сталей, предназначенных для работы

вусловиях высоких температур, оценивали по результатам испы­ таний длительной прочности на образцах с поперечным швом [168, 179, 180]. При этом полагали, что, определив предел длительной прочности для наименее прочной зоны [168] и задавшись соот­ ветствующим коэффициентом безопасности, можно гарантировать

надежную работу сварного соединения. Данное заключение, спра­ ведливое для перлитных сталей, имеющих в большинстве слу­ чаев удовлетворительную деформационную способность, примени­ тельно к аустенитным сталям не оправдало себя.

В работах А. А. Захарова [181], исследовавшего длительную прочность сварных соединений при растяжении и чистом изгибе, было показано, что в случаях разрушения по околошовной зоне предел длительной прочности сварных соединений стали 1Х18Н9Т примерно на 20% ниже предела прочности основного металла. Од­ нако обнаруженным снижением прочности нельзя объяснить хруп­ кие разрушения паропроводов в первые месяцы работы.

Исследования причин локальных разрушений с помощью мо­ дельных испытаний [182], несмотря на кажущееся их соответствие с условиями работы металла в трубопроводе, далеко не всегда мо­ гут дать ответ на многочисленные вопросы, связанные с выбором металлов и технологии сварки. Сложность установки образцов и их дороговизна неизбежно приводят к уменьшению числа опы­ тов. В результате таких испытаний применительно к условиям станции, в которых участки паропроводов подвергались цикли­ ческому воздействию температуры и напряжения, не удалось сде­ лать определенных выводов о работоспособности сварных стыков из-за малого количества данных.

Так как трубы паропровода в процессе работы, кроме напря­ жений от внутреннего давления паром, подвергаются также из­ гибу, при котором неизбежна некоторая пластическая деформация металла, необходимо оценивать деформационную способность свар­ ных соединений. При испытании образцов сварных соединений с поперечным швом на изгиб при постоянной нагрузке по методу А. А. Захарова [181] возникает разрушение в зоне сплавления, идентичное эксплуатационному, однако при этом не удается опре­ делить относительную деформацию, при которой происходит это разрушение.

Дать оценку деформационной способности сварных соединений как критерия склонности сварных стыков к локальным разруше­ ниям можно, используя испытания на изгиб с постоянной ско­ ростью деформации [93, с. 239; 181, 183, 185]. Такого рода мето­ дика была разработана в ЦКТИ. Испытания проводят на машинах УИМ5 системы Н. Д. Зайцева [97]. Изгиб обрезка диаметром 12лш и расчетной длиной 40 мм с поперечным сварным швом осущест­ вляют в специальном приспособлении (рис. 62). Схема нагружения образца 5 обеспечивает получение чистого изгиба по всей его рас­ четной части. Две наружные подвески 2 приспособления соеди­ няются с верхним захватом машины 1 через вилку 3; две внутрен­ ние подвески 6 — соответственно с нижним захватом. Постоянство расстояния между точками приложения нагрузки к головкам об­ разца 5 обеспечивается втулками 4 с двумя кольцевыми выступами. Тяги экстенсометра 7 крепятся к вилкам приспособления так,

материала минимальная. Для некоторых аустенитных сталей участком с пониженной деформационной способностью является околошовная зона основного металла. Определяя величину де­ формации, предшествующей разрушению, при изгибе с постоянной скоростью, мы оцениваем деформационную способность наименее Пластичной части сварного соединения — околошовной зоны. В указанном месте, как уже говорилось выше, наблюдаются раз­ рушения паропроводов в процессе эксплуатации.

Для правильной оценки деформационной способности отдель­ ных зон сварного соединения необходимо, чтобы изгиб образцов с поперечным швом по всей расчетной длине был равномерным. Внешний вид образцов сварных соединений для испытания на изгиб показан на рис. 63.

Для замера прогиба образцы после испытаний подвергаются измерениям на инструментальном микроскопе. У большинства исследованных сварных соединений из аустенитных сталей сопо­ ставление формы образца после испытаний с дугой соответствую­ щего радиуса показывает, что, несмотря на значительное различие в свойствах отдельных составляющих шва, деформация изгиба равномерна по всей расчетной части. В тех случаях, когда при чистом изгибе не удается получить равномерной деформации для

всех	зон, применяют			образцы	специальной формы	[93, с. 239].
Испытания		ведут	до	появления трещин; момент разрушения фи­
ксируется по диаграмме рис. 64 (показан крестиком).
Относительное удлинение до разрушения определяют из сле­
дующего выражения:
				бт = -^ -100% ,
где	6Т— относительное удлинение наружного волокна до момента
	образования трещины;
	d — диаметр		образца;
	Д — перемещение захватов;
	L — расчетная длина образца;
	/ — плечо приложения				силы.
Внешний		вид	трещин у		линии сплавления	приведен на
рис.	65, а, б.

Микроструктурный анализ металла образцов после испытаний показывает, что возникающие трещины имеют межзеренный ха­ рактер, они проходят по основному металлу на расстоянии 1—2 зе­ рен от линии сплавления (рис. 65, вуг).

Изменение относительного удлинения наружного волокна об­ разцов сварных соединений при изгибе до появления трещины в за­ висимости от температуры, скорости деформации и времени под­ чиняются "тем же закономерностям, что и при растяжении (см. гл. II). Зависимость относительного удлинения от температуры может быть представлена группой V-образных кривых. Чем меньше