книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов
..pdfскорость деформации, тем ниже уровень деформации, предшеству ющей разрушению (рис. 66). Отличие приведенных кривых от подобных для основного металла заключается, во-первых, в том,
Рис. 64. Диаграмма напряжение—деформация (для наружного волокна) образ цов сварных соединений из стали 1Х18Н9Т после стабилизации (а, б) и стали 1Х16Н13М2Б (ЭИ680) (в, г):
скорость |
деформации |
%/ч: |
а, в — 0,67; б, |
г — 6,7-10"2, температуры |
испытания, °С: |
1 — 550; |
2 — 600; 3 |
— 700; |
4 — 800; 5 — 850. Момент возникновения |
трещин отмечен |
|
|
|
|
косым |
крестом |
|
что деформации, предшествующие разрушению, у сварных соеди нений несколько ниже, и, во-вторых, повышение пластичности для них с увеличением температуры (восходящая ветвь V-образ- ных кривых) слабо выражено или отсутствует совсем.
Изменение относительного удлинения 8Т, предшествующего разрушению, в зависимости от скорости деформации, так же как и для основного металла (6), может быть описано степенной функ цией (26) (т. е. на логарифмическом графике имеет вид прямой). С уменьшением скорости деформации или увеличением срока работы относительное удлинение, предшествующее разрушению сварных соединений из аустенитных сталей, резко снижается.
Рис. 66. Изменение -относительного удлинения наружного волокна при испы таниях на изгиб с постоянной скоростью деформации сварного соединения из стали 1Х18Н9Т в зависимости от температуры:
а — исходное состояние; |
б — стабилизация при |
800° С, |
10 ч; |
в — аустенизация при |
1150° С + 800° С, 10 ч; |
скорость деформации, |
%/ч: 1 — 20; |
2 — 0,67; 3 — 6,7-10~2 |
|
пунктир — данные испытаний |
исходного |
материала |
По результатам испытаний на изгиб с постоянными скоростями можно также судить и о способности металла сопротивляться раз витию возникающих в околошовной зоне трещин. Быстрое паде ние нагрузки на диаграмме нагрузка—деформация (см. рис. 64, а, д) указывает на интенсивное развитие трещины, а медленное по степенное снижение нагрузки (рис. 64, в, г) — на высокую сопро тивляемость развитию разрушения.
О склонности металла к развитию хрупких трещин можно су дить также по профилю образовавшихся макротрещин. Чем меньше угол их раскрытия и меньше ответвлений от магистральной тре щины, тем ниже и сопротивляемость материала развитию хруп кого разрушения.
Использование испытаний на изгиб при постоянной скорости деформации позволяет получить количественные характеристики пластичности, которые могут быть приняты в качестве критериев оценки работоспособности сварных соединений. Диапазон темпе ратур и скоростей деформации, при котором у определенных ма териалов появляется склонность к локальным разрушениям, уро вень и характер изменения деформационной способности в зави симости от указанных параметров, а также данные микроструктурного анализа показывают^ что локальные разрушения сварных соединений являются следствием интенсивного развития высоко температурного межзеренного разрушения, причем зона его пред почтительного развития ограничивается узким участком сечения околошовной зоны. Сопоставление данных изменения деформа ционной способности сварного соединения с аналогичными для основного металла показывает, что тенденция их изменения та же, но уровень пластичности, при котором происходят локальные раз рушения сварных соединений, во многих случаях заметно ниже.
При анализе причин, вызывающих локальные разрушения, сле дует иметь в виду, что они возникают в околошовной зоне, в ко торой условия более благоприятны для развития межзеренного разрушения, чем в соседних зонах основного или наплавленного металла, т. е. что основные факторы, определяющие развитие меж зеренного разрушения, — уровень нормальных напряжений, кон центрация вакансий и скорость диффузионных процессов в дан ной зоне — находятся в неблагоприятном сочетании. В процессе сварки при остывании наплавленного металла сварного шва околошовная зона основного металла оказывается под действием вы соких сварочных напряжений, стремящихся оторвать прилегаю щий к линии сплавления разогретый слой основного металла. Одновременно действующее в этом слое, порожденное процессом сварки объемное напряженное состояние — всестороннее растя жение — препятствует релаксации за счет деформации зерен. В ре зультате в околошовной зоне сварного шва при охлаждении на какой-то период времени создаются условия, при которых осу ществляется интенсивное квазивязкое течение на границах, по рождающее на пограничных участках зерен образование пор, а иногда и дефектов (см. гл. II). Это предположение подтверждается возникновением трещин: в околошовной зоне сварных соединений литых однофазных аустенитных сталей [27, 170], при сварке ко ваных аустенитных сталей с грубозернистой структурой, а также борсодержащих сталей, по границам зерен околошовной зоны которых могут образовываться боридные легкоплавкие про слойки [170]. Тщательное микроструктурное исследование око лошовной зоны сварных соединений не выявило в них видимых дефектов. Можно, однако, предполагать, что в данном случае по границам зерен возникают субмикроскопические несплошности, интенсифицирующие в условиях работы при высоких температурах
развитие локальных разрушений. Указанные дефекты будут раз виваться при существовании на границах зерен повышенной кон центрации примесей или газов. Последним, в частности, можно объяснить, что разные плавки одной и той же стали в некоторых случаях имеют различную склонность к локальным разруше ниям [170, 177].
Предположение о наличии на границах зерен околошовной зоны зародышевых дефектов подтверждается характером изме нения деформационной способности сварных соединений при раз личных температурах и существенным отличием от ее аналогичных зависимостей для основного металла; иногда восходящие ветви кривых зависимости относительное удлинение—температура у не которых сварных соединений отсутствуют. К подобным же заклю чениям можно прийти при рассмотрении данных, полученных при оценке «горячей» пластичности аустенитной стали по методике ИМЕТ-1 [171 ]. Наблюдаемое в этом случае резкое снижение пла стичности стали при температурах, соответствующих температуре нагрева околошовной зоны при сварке, также может быть объяс нено интенсивным развитием межзеренного разрушения при тем пературах, близких к плавлению.
Кроме того, существенной особенностью условий работы око лошовной зоны является наличие в ней сложного напряженного состояния — всестороннего растяжения, возникающего в слое, прилегающем к наклепанному металлу, в результате термического цикла сварки. Величина указанных напряжений, максимальная для «исходного состояния после сварки», несколько меньше для сварных швов, прошедших стабилизацию.
Дополнительной причиной, обусловливающей появление в око лошовной зоне наплавленного металла объемного напряженного состояния, является значительное различие в модуле упругости основного и наплавленного металла.
Как было показано В. Н. Земзиным [184], модуль упругости швов из аустенитных сталей примерно на 25% меньше соответ ствующей величины для основного металла и составляет при ком натной температуре: (1,5— 1,6)-\0 ъ Мн!м2 [(1,5— 1,6) • 104 кГ1мм2] против (2,0—2,1) • 105 Мн/м2 [(2,0—2,1) • 104 кГ/мм2] для кованой стали. То обстоятельство, что модуль упругости наплавленного металла в условиях приложения растягивающей силы ниже, при водит к возникновению в этой зоне дополнительных растягивающих напряжений, действующих в плоскости сплавления. В данном случае предшествующая термическая обработка не оказывает влия ния на характер напряженного состояния. Влияние дополнитель ных напряжений, действующих в плоскости сплавления на по верхности образца в процессе испытания на изгиб, минимальное;
всвязи с этим в начальном своем развитии образование трещин
воколошовной зоне может осуществляться только после заметной местной пластической деформации. Последнее обстоятельство ока
зывает значительное влияние на характер разрушения; трещины у поверхности имеют значительный угол раскрытия (рис. 67), тангенс а 1 составляет от 0,1 до 0,6 (табл. 31). На поверхности тре щины, как правило, расположены строго по околошовной зоне, на расстоянии одного-двух зерен от линии сплавления. Развитие трещины при изгибе в глубину создает в зоне, находящейся на пути ее развития, как местные напряжения, так и объемное напря женное состояние; в результате в некоторых случаях трещина несколько отходит от шва.
Следующей причиной, которая может оказать существенное влияние на появление склонности к локальным разрушениям,
Раскрытие глабной трещины, мм
Рис. 67. Характеристика профиля трещины при испытании на изгиб сварных соединений из стали 1Х18Н9Т в условиях высоких температур:
скорость деформации, %/ч: I — 20; I I — 0,67; I I I — 6,7*10—*; OLi — угол раскрытия трещины у поверхности; а 2 — в глубине
является наклеп металла в околошовной зоне. Появление наклепа на этом участке является результатом местной пластической де формации при резком разогреве в процессе сварки и последующем быстром охлаждении. Расчеты показывают, что степень наклепа, возможная в данном случае, невелика и равна приблизительно 2—\% . Однако по некоторым экспериментальным данным и столь незначительная степень пластической деформации может привести к снижению относительного удлинения при разрушении. Если деформация в 4% не может вызвать больших изменений в проч ности зерен, то участки металла на его границах получают при этом значительно большую местную деформацию. На периферии зерен в результате сварочного цикла появляется зона с деформи рованной кристаллической решеткой, имеющей повышенную кон центрацию вакансий, скорость самодиффузии в которой будет значительно выше, чем в теле зерен. О том, в какой степени мест ный наклеп может оказать влияние на характер разрушения при
Т А Б Л И Ц А 31
Величины, характеризующие профиль трещин в околошовной зоне сварных соединений из аустенитных сталей
Без термической обра |
600 |
0,67 |
2,9 |
1,8 |
0,196 |
1,1 |
0 |
|||
ботки |
|
|
|
800 |
0,67 |
9,0 |
2,5 |
0,1 |
6,5 |
0,0058 |
|
|
|
|
600 |
6.7- 10-а |
0,45 |
0,45 |
0,075 |
|
|
|
|
|
|
800 |
6 .7 - |
10 -6,52 |
2,7 |
0,07 |
3,8 |
0,015 |
Стабилизация |
800° С, |
700 |
0,67 |
8,8 |
4,8 |
0,091 |
4 |
0,0037 |
||
10 ч |
|
|
|
800 |
0,67 |
9.1 |
1,7 |
0,188 |
7,4 |
0,0023 |
|
|
|
|
600 |
6,7 -Ю '2 |
2,4 |
0,4 |
0,133 |
2 |
0,01 |
|
|
|
|
800 |
6 ,7 -10-2 |
10,8 |
0,5 |
0,64 |
10,3 |
0 |
Аустенизация |
1150° С, |
600 |
0,67 |
4,4 |
0,2 |
0,117 |
4,2 |
0,0011 |
||
1 ч, воздух+800° С, |
10 ч |
700 |
0,67 |
3,7 |
1,4 |
0,128 |
2,3 |
0 |
||
|
|
|
|
600 |
6,7 -Ю -2 |
8,4 |
5,3 |
0,34 |
3,1 |
0,047 |
|
|
|
|
800 |
6,7-Ю -2 |
2,15 |
1,75 |
0,437 |
0,4 |
0 |
|
|
|
|
|
ХН35ВТ (ЭИ612) |
|
|
|
|
|
Нагрев |
900° С, 10 |
ч + |
500 |
0,67 |
4,7 |
4,7 |
0,06 |
— |
___ |
|
+700° С, |
35 ч |
|
|
700 |
6,7-Ю -2 |
5,5 |
2,5 |
0,04 |
3 |
0 |
|
|
|
|
1Х14Н14В2М (ЭИ257) |
|
|
|
|
||
Без термической обра |
600 |
0,67 |
4.9 |
3.6 |
0,32 |
1,3 |
0,077 |
|||
ботки |
|
|
|
800 |
0,67 |
3,7 |
3.7 |
0,2 |
|
|
|
|
|
|
600 |
6 .7 - |
Ю -22,4 |
2,4 |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
700 |
6 .7 - |
Ю -24.9 |
4,9 |
0,034 |
|
|
|
|
|
|
800 |
6 .7 - |
Ю -24,6 |
4,6 |
0,03 |
|
|
|
|
|
|
1Х16НВМ2Б (ЭИ680) |
|
|
|
|
||
Аустенизация |
1050° С, |
600 |
6,7 -Ю -2 |
5,2 |
5,2 |
0,35 |
- |
! _ |
||
1 ч+850° С, 10 ч |
|
700 |
6,7-Ю -2 |
4,5 |
4,5 |
0,645 |
|
— |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
П р и м е ч а н и е . Перед сваркой стали подвергают термической обработке по сле дующим режимам: 1Х18Н9Т — нагрев 1100° С, 1 ч; ХН35ВТ (ЭИ612) — нагрев 1130° С, 1 ч + 850° С, 10 ч -Ь 700° С. 35 ч; 1Х14Н14В2М (ЭИ257) — нагрев 1050° С, 1 ч.
изгибе, можно судить из следующего опыта. На заготовке образца для испытания на изгиб из стали 1Х18Н9Т была проточена ка навка, затем заготовку подвергали скручиванию, угол закручи вания был взят таким, чтобы вызвать в металле на дне канавки наклеп 18%; после этого из заготовки был выточен образец, имею щий в расчетной части наклепанную зону. При испытании такого образца на изгиб с постоянной скоростью пластическая деформа ция наружного волокна до момента образования трещины состав ляла примерно ту же величину, что и для сварных соединений, т. е. заметно меньшую, чем для основного металла. Трещина обра зовалась именно в зоне, получившей наклеп.
Из вышеизложенного следует, что металл в околошовной зоне находится в условиях более благоприятных для развития межзеренного разрушения, чем соседние с ним слои металла.
Некоторое повышение предела упругого сопротивления тела зерна в результате наклепа и дисперсионного твердения, а также объемное напряженное состояние затрудняют деформацию в око лошовной зоне и поэтому не позволяют выявить при обычных механических испытаниях или при испытании на длительную проч ность повреждений, вызванных сваркой. Ослабление межзеренной связи у линии сплавления проявляется либо при испытаниях на длительную прочность большей продолжительности [93, с. 239], либо при условиях, создающих принудительную деформацию око лошовной зоны. Испытания на изгиб обеспечивают для исследуе мых сварных соединений условия равномерной деформации для наружного волокна по всей расчетной части образца, включая и зону у линии сплавления. В этом случае, когда предел упругого сопротивления металла околошовной зоны оказывается выше, чем
уосновного металла, возникающие в ней нормальные напряжения
вусловиях равномерной деформации образца будут также выше, чем в соседних участках соединения. Деформация до разрушения при изгибе будет характеризовать степень поврежденности около шовной зоны, а ее изменение с температурой и скоростью дефор мации (или временем) позволяет судить о работоспособности дан ного сварного соединения в условиях эксплуатации.
Из практики работы энергооборудования известно, что разру шение многих деталей можно объяснить принудительной деформа цией материала за предел допустимых величин. Для трубопрово дов, претерпевающих значительные тепловые деформации, вполне вероятны пластические деформации металла на отдельных уча стках.
Результаты испытаний сварных соединений на изгиб позволяют сделать заключение, что для получения межзеренного разрушения
внекоторых аустенитных сталях при 550—700° С совсем не обя зательно длительное время. Так, в сварных соединениях из ста лей 1Х18Н9Т, 1Х14Н14В2М (ЭИ257) трещины достигли большой глубины — более полрвины диаметра образца — и продолжали со
хранить строго межзеренный характер даже в сечении, в котором за несколько минут до разрушения действовало напряжение сжа тия. Межзеренные трещины могут возникать при кратковременном воздействии высоких нормальных напряжений. Необходимый уро вень нормальных напряжений достигается в условиях объемного напряженного состояния всестороннего растяжения. Межзерен ные трещины эффективно развиваются при достижении известной глубины, когда достигается необходимый уровень напряжения в результате концентрации его у конца трещины и объемного на пряженного состояния, также порожденного трещиной. Такое «строго межзеренное быстрое разрушение», видимо, должно быть объяснено с позиций квазивязкого течения по границам в условиях чрезвычайно высоких нормальных напряжений.
Сопоставление склонности к локальным разрушениям сварных соединений некоторых аустенитных сталей
Исследования деформационной способности сварных соедине ний из аустенитных сталей 1Х18Н9Т, 1Х14Н14В2М (ЭИ257), 1Х16Н13М2Б (ЭИ680), ХН35ВТ (ЭИ612) (табл. 32) показали, что все они имеют склонность к разрушению в околошовной зоне, но интенсивность развития этого вида разрушения и температурный интервал, в котором оно особенно опасно, для рассматриваемых металлов различен. При температурах до 700° С деформационная способность сварных соединений сталей 1Х18Н9Т и ХН35ВТ близка (рис. 68 и 69).
Результаты, полученные для соединений из стали 1Х14Н14В2М (ЭИ257), указывают на некоторое преимущество этого материала по сравнению с 1Х18Н9Т, однако различие очень незначительное.
Температуры, при которых наблюдается значительное сниже ние деформационной способности стали 1Х14Н14В2М (ЭИ257), сдвинуты по отношению к таковым для стали 1Х18Н9Т примерно на 30° С в сторону высоких температур (см. рис. 68). Но харак тер разрушения и склонность к интенсификации развития трещин по мере их роста для обеих сталей близки.
Значительное преимущество по сравнению с рассмотренными сварными соединениями показали испытания сварных швов соеди нений из стали 1Х16Н13М2Б (ЭИ680). Это различие особенно заметно при температурах 600—700° С. Практически температур ный интервал интенсивного развития хрупких разрушений для сварных соединений из стали ЭИ680 по отношению к таковым для сталей 1Х18Н9Т и ХН35ВТ (ЭИ612) сдвинут в сторону высоких температур на 100— 130° С. При температуре 800° С разница в де формационной способности для сварных соединений всех трех металлов — минимальная.
Преимущество сварных соединений из стали 1Х16Н13М2Б (ЭИ680) видно из рассмотрения зависимости удлинение — скорость
Рис. 68. Изменение относительного удлинения наружного волокна при изгибе в зависимости от темпера туры для образцов сварных соеди нений различных аустенитных
сталей.
Испытания |
на |
изгиб |
при v = |
= |
6,7* 10" 2, |
%/ч: |
|
1 — Х25Н13ТЛ; |
2 — |
1Х16Н13М2Б |
(ЭИ680); 3 — 1Х14Н14В2М (ЭИ257); 4 — ХН35ВТ (ЭИ612); 5 — 1Х18Н9Т без термической обработки после свар ки; 6 — 1XI8H9T — стабилизация при 800° С, 10 ч
2 у / 'Зу* |
20 |
у . 'у* |
|
1 |
У |
||
|
|||
|
|
|
У |
10 |
|
|
у |
' У уУ |
|
8 |
|
|
|||
|
___^ У |
« * |
|
1\ У ' У |
, |
|
у ' |
dL |
|
' |
г . У |
|
/ |
у |
|
|
||||
|
|
|
' |
у |
у |
|
у |
|
|
И |
- ------------- |
||
|
|
|
6
а
v, %/v
Рис. 69. Изменение относительного удлинения наружного волокна при изгибе с понижением скорости де формации для образцов сварных соединений из различных аустенит ных сталей, испытанных на изгиб при постоянной скорости дефор
мации:
% ~ |
Y°2r:oc;6n 7 ?амл|во7Г ?°°° |
1 ~ 1Х16Н13М2Б (ЭИ680); 2 - |
1Х14Н14В2М (ЭИ257); |
|
3 |
ХН35ВТ (ЭИ612), 4 |
— 1Х18Н9Т без термической обработки; 5 — 1Х18Н9Т после |
||
|
|
|
стабилизации при 800° С, 10 ч |
|
11 |
А. В. Станюкович |
|
1435 |
161 |