Хрупкое разрушение

Холодные трещины.

Холодные трещины являются одним из видов локального разрушения сварных соединений. При образовании холодных трещин определяющим являются три фактора: закалочные структуры, повышенный уровень напряжений первого рода и насыщенность металла водородом. Установлено, что процесс образования холодных трещин включает три стадии: подготовительную, инкубационную и спонтанную. Первые две стадии характеризует процесс зарождения, а третья – процесс распространения трещин.

Холодные трещины зарождаются по границам зерна аустенита в результате после высокотемпературной пластической деформации, при которой увеличивается плотность дислокаций и возрастает упругая энергия искажений структуры. Последующее возникновение субмикротрещин является результатом проскальзывания по границам зерен и диффузии выкансий к границам. Водород и сера, снижающие поверхностную энергию границ зерен, способствуют росту полостей и субмикротрещин.

Склонность сталей к возникновению холодных трещин связана с их закаливаемостью – повышением твердости под воздействием термического цикла сварки и насыщением металла шва и ЗТВ сварных соединений водородом. Поскольку закаливаемость сталей возрастает с повышением степени легированности, склонность к образованию холодных трещин ориентировочно оценивается показателем эквивалента углерода Сэкв. Международным институтом сварки рекомендована следующая формула:

Сэкв.= C + Mn/6 + Cr/5 + Mo/5 + V/5 + (Ni+Cu)/15

Считается, что при Сэкв.< 0,4 сталь не склонна к образованию холодных трещин.

Различными исследователями предложены другие формулы для определения Сэкв., отличающиеся значениями коэффициэнтов, характеризующих степень влияния различных элементов на этот показатель. Твердость металла в околошовном участке ЗТВ можно определить по формуле:

Hvmax = 90 + 1050C +47Si + 75Mn + 30Ni + 31Cr

Для предотвращения образования холодных трещин эффективно применение подогрева при сварке. При этом снижается скорость охлаждения шва и ЗТВ, предотвращается возможность образования мартенсита и создаются благоприятные условия для удаления диффузного водорода.

С увеличением толщины металла возрастает структурно-механическая неоднородность материала, повышается вероятность появления дефектов. При этом также увеличиваются напряжения по толщине металла и создаются условия для возникновения плоскодеформированного состояния. Статистический анализ причин разрушения крупногабаритных толстостенных сосудов, работающих под давлением, свидетельствуют о том, что более чем в 80% случаев разрушение происходит в результате образования и роста трещин в сварных соединениях.

В зависимости от степени деформации материала, предшествующей разрушению, различают хрупкое (внутризеренное и межзеренное), квазихрупкое и вязкое разрушение.

Межзеренное хрупкое разрушение является следствием адсорбционного обогащения вредными примесями и, как следствие, снижения в десятки раз поверхностной энергии межзеренного сцепления. Степень пластической деформации металла и энергоемкость процесса при хрупком разрушении минимальны.

Для вязкого разрушения характерна многостадийность процесса, включающего появление пор у частиц второй фазы, образование чашек в результате разрастания и слияния смежных микропустот вокруг пор, пластическая деформация материала вокруг микропустот и его разрыв.

Снижение температуры, переход к плоскодеформированному состоянию, повышение предела текучести материала способствует смене вязкого механизма разрушения хрупким.

Характер распространения трещин в мартенситной структуре преимущественно межзеренный. При нагружении металла микротрещины, возникающие по границам пакетов мартенсита, объединяются в магистральную трещину.

Последующий отпуск при температуре 650-700С существенно повышает сопротивление хрупкому разрушению металла с мартенситной структурой. Уже при сравнительно низких температурах нагрева (300-400С) в структуре мартенсита выделяются дисперсные карбиды преимущественно на границах. По мере увеличения температуры карбиды коагулируют, особенно интенсивно на границах структуры и субструктуры, т.е. в зонах, где наиболее значительна скорость диффузии атомов углерода, железа и легирующих элементов.

Обеднение твердого раствора углеродом, снижение плотности дислокаций, интенсивная коагуляция карбидов – способствуют повышению сопротивления хрупкому разрушению металла с мартенситной структурой. Это может достигаться путем применения отпуска.

а) б)

Рис.32. Хрупкое межзеренное разрушение (а); Квазивязкий «ямочный» излом (б)

Дата добавления: 2014-01-07