Механические свойства и прочность сварных соединений
Под прочностью сварных соединений понимается их способность сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы (пластической деформации) при воздействии внешних нагрузок. Прочность сварных соединений зависит от многих факторов, в первую очередь от свойств свариваемых и сварочных материалов, а также от характера напряженного состояния, включая остаточные напряжения, и условий, в которых эксплуатируют данное сварное соединение. Ниже будут рассмотрены все аспекты работы сварных соединений в различных условиях, при различных нагрузках и воздействиях.
Основными количественными показателями прочности сварных соединений являются их механические свойства, которые могут изменяться в зависимости от условий нагружения. Статическую прочность рассчитывают в условиях статического нагружения. Для данного сварного соединения она может изменяться в значительных пределах в зависимости от наличия концентраторов, изменения температуры эксплуатации, величины остаточных внутренних напряжений и некоторых других факторов. Усталостную прочность сварных соединений определяют при переменных нагрузках. Кроме того, различают также технологическую и конструкционную прочность для сварных соединений и конструкций.
Количественно прочность оценивают напряжениями, при которых наступает разрушение или текучесть металла или соединения. Определение механических свойств производится на стандартных образцах различной конфигурации в зависимости от схемы нагружения (в сварных соединениях преимущественно растяжение, изгиб и удар).
Механические свойства сварных соединений определяют в соответствии с положениями ГОСТ. Кроме стандарта действует ряд других нормативных документов, регламентирующих методику механических испытаний металлов и пригодных для испытаний при сварке различных конструкций.
Наиболее широко применяют стандартные методы испытаний на растяжение, статический изгиб гладких образцов, ударный изгиб надрезанных образцов, а также определение твердости после термической обработки. Все указанные испытания производят заводская или монтажная сварочная лаборатория как для оценки механических свойств сварных соединений, так и металла шва и околошовных зон.
При сварке трубопроводов и строительных конструкций распространен метод определения пластичности сварного соединения испытанием на статический изгиб.
Суть указанного метода заключается в следующем: образцы прямоугольной формы, механически обработанные со всех сторон (усиление шва тоже снято), помешаются на опоры, имеющие цилиндрическую форму и установленные с определенным расстоянием между собой (базой), которое зависит от толщины свариваемого металла (стенки трубы). Образец укладывают на опоры таким образом, чтобы сварной шов располагался на равном расстоянии от опор. Изгиб образцов осуществляют пуансоном, имеющим радиус закругления, соответствующий толщине образца. Его производят до появления трещины или надрывов на растянутой стороне образца. Пластичность сварного соединения определяет величина угла. Максимально возможный угол изгиба 180°, а минимально допустимый определяют нормативными документами, и он различен для разных марок сталей, типов и назначения конструкций, сварочных материалов. При малых размерах свариваемых деталей, например трубы малого диаметра с тонкими стенками, из которых невозможно выразить образцы стандартных размеров, испытания на статический изгиб обычно заменяют испытаниями на сплющивание (отсутствие трещин или надрывов при сплющивании).
При проведении термической обработки сварных соединений для косвенного определения механических свойств измеряют твердость основного металла, металла шва и околошовной зоны. В заводских условиях измерение твердости производят с помощью твердомеров серийного производства (например, по Бриннелю). Так как применение серийных приборов требует приготовления макрошлифов (т. е. разрушения сваренных соединений) и они не могут использоваться как переносные, то в монтажных условиях чаще всего используется так называемый прибор Польди, который прост в изготовлении и использовании и не требует специальной подготовки поверхности металла и оператора.
Сварное соединение при своем образовании любым из термических или термомеханических способов сварки претерпевает достаточно сложные термические воздействия.
Очевидно, что в результате воздействия всех приведенных выше факторов в процессе сварки и последующего остывания в сварном соединении образуется ряд чередующихся зон с различными механическими свойствами, иногда значительно отличающимися друг от друга.
Зоны, где металл обладает пониженным пределом текучести но отношению к пределу текучести металла соседней зоны, называют мягкими прослойками. В том случае, когда имеет место обратная картина, такая зона называется твердой прослойкой. Твердые и мягкие прослойки могут по-разному чередоваться в сварном соединении. Появление указанных прослоек в сварном соединении характерно при сварке легированных сталей, склонных к фазовым превращениям и закалке. Возможность появления твердых и мягких прослоек в сварных соединениях и их влияние на прочность, которое неоднозначно и зависит от вида и характера нагрузок, вида конструкции, применяемых материалов, должно учитываться при проектировании сварных конструкций.
Важным фактором, оказывающим влияние на прочность сварного соединения, является наличие в нем различных концентраторов напряжений. Особенно опасна концентрация напряжений при работе конструкций с переменными нагрузками, так как она значительно снижает в этом случае прочность. Однако в зависимости от характера концентратора и вида конструкции может быть существенно снижена прочность и при статических нагружениях. Концентрация напряжений - образование значительных напряжений па участках малой протяженности, вызванное так называемыми концентраторами. Концентраторами напряжений могут являться: технологические дефекты сварных швов (поры, шлаковые включения, подрезы, непровары и трещины), нерациональные очертания швов и конструкции соединений, нерациональное проектирование конструкций.
Концентрация напряжений характеризуется ее коэффициентом, который представляет собой отношение максимального значения напряжения к его среднему значению.
Главным условием при проектировании сварных соединений является условие равнопрочности. Это значит, что сварное соединение должно быть равнопрочно основному металлу при заданных условиях его работы. При этом прочность и пластичность металла шва должны быть не ниже соответствующих показателей основного металла. Сложнее бывает обеспечить надлежащие показатели прочности в сколошовной зоне (зоне термического влияния), в особенности при сварке легированных сталей. Поэтому нормативные документы, регламентирующие технологические процессы сварки, предусматривают проведение специальных операций (например, термической обработки) для получения необходимых механических свойств сварного соединения.
При проектировании сварных соединений и конструкций для определения механических свойств в каждом конкретном случае следует пользоваться справочной литературой.
Сказанное выше касается сварных соединений из стали. Выполнить условия равнопрочности при сварке соединений из цветных сплавов значительно сложнее, а иногда и вообще невозможно. Наиболее распространены в строительстве сплавы на основе алюминия, магния и титана, значительно реже - меди.
При использовании в сварных конструкциях алюминиевых и магниевых сплавов прочность сварных соединений 70-95 % прочности основного металла, причем повышение прочности сварного соединения достигается последующей термической или механической (проковка, прокатка) обработкой. В конструкциях, изготавливаемых из титановых и медных сплавов прочность сварных соединений, как правило, соответствует или близка к прочности основного металла. Это относится к механической прочности сварных соединений при статическом нагружении. Однако во многих случаях сварные конструкции, а следовательно, и сварные соединения в них подвергаются воздействию переменных (циклических) нагрузок. Переменным нагрузкам подвержены конструкции мостов, подкрановых балок, трубопроводов, насосных и компрессорных станций, транспортеров, канатных и подвесных дорог и многие другие строительные и машиностроительные сварные конструкции. Прочность при переменных нагрузках зависит от многих факторов, основными из которых являются число и характер циклов нагружения, а также свойства материалов, из которых изготовлена конструкция, условия ее работы, виды нагружения, состояния поверхности.
Циклом нагружения называется совокупность всех значений напряжений за время одного периода нагружения. Максимальное напряжение, при котором материал не разрушается при достаточно большом количестве циклов нагружения, называется пределом выносливости. Предел выносливости, а следовательно, и прочность конструкции при переменных нагрузках зависят от наличия в ней концентраторов напряжения. Показателем прочности при этом служит эффективный коэффициент концентрации напряжений, который выражается в виде отношения предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости такого же образца, но при наличии концентратора. Нетрудно заметить, что значения указанного коэффициента всегда больше 1. Предел выносливости для низкоуглеродистой стали при симметричном цикле составляет примерно 2/3 предела текучести. Влияние коэффициента концентрации на предел выносливости увеличивается по мере уменьшения абсолютной величины характеристики цикла.
Предел выносливости сварных соединений зависит кроме материала, рода усилия и характеристики цикла нагружения еще и от формы конструкции и технологического процесса сварки. Большую роль при этом играет наличие и характер концентраторов напряжений. При отсутствии таковых в сварных конструкциях из низкоуглеродистых сталей в стыковых соединениях при симметричном цикле нагружения предел выносливости сварного соединении составляет более 90 % предела выносливости основного металла. При этом предел выносливости сварных соединений, выполненных автоматической сваркой под флюсом, выше, чем сваренных ручней дуговой.
Основой для расчета сварных конструкций, работающих под переменными нагрузками, его исходными данными, являются данные о металле, характеристика цикла, величина эффективного коэффициента концентрации напряжений, а также продолжительность эксплуатации (число нагружений). Расчет строительных конструкций производится в соответствии с нормами (СНиП), машиностроительных - по ведомственным нормативам.
СНиПы основываются на расчете прочности основного металла в зоне сварных швов, считая, что прочность швов обеспечивается расчетом на их равнопрочность основному металлу. Поэтому сварные соединения, встречающиеся в строительных конструкциях, разбиты на восемь условных групп в зависимости от вероятности появления в них концентраторов напряжений. Таким образом, принадлежность сварного соединения к той или иной группе косвенно учитывает величину коэффициента концентрации напряжений.
Нетрудно заметить, что усталостная прочность зависит от трех факторов: от наличия и характера концентраторов напряжений, характеристики цикла и числа циклов нагружения. Чем меньше концентраторов напряжений, чем тщательней они обработаны (слажены), тем выше усталостная прочность. При симметричном цикле нагружения предел выносливости при прочих равных условиях минимален. С увеличением характеристики цикла усталостная прочность возрастает. С увеличением числа циклов нагружения предел выносливости снижается.
Механические свойства и прочность сварных конструкций и соединений в зависимости от применяемых материалов могут изменяться в достаточно большом диапазоне при изменении температуры при их монтаже и эксплуатации.
Влияние низких и высоких температур на свойства сварных соединений.
Значительно увеличился объем изготовления и монтажа сварных конструкций, работающих в условиях низких температур. Это объясняется, во-первых, расширением строительства в условиях Крайнего Севера и Дальнего Востока и, во-вторых, развитием технологических процессов, связанных с низкими и сверхнизкими (криогенными) температурами. Для второго случая наиболее характерны резервуарные (изотермические цилиндрические и сферические резервуары) и трубопроводные (криогенные трубопроводы жидких водорода и гелия) конструкции.
Металлы и их сплавы при понижении температуры ведут себя по-разному. Изменение свойств металлов при понижении температуры зависит от химического состава, вида кристаллической решетки, макро- и микроструктуры, наличия и характера концентраторов напряжений. У большинства металлов (на гладких образцах, без учета концентраторов напряжений) при понижении температуры увеличиваются предел прочности, предел текучести, твердость, причем наиболее резко у аустенитных коррозионно-стойких сталей и титановых сплавов. У алюминиевых и медных сплавов предел текучести по сравнению с пределом прочности повышается незначительно. Перечисленные выше металлы и сплавы относятся к хладостойким. Металлы и сплавы, у которых предел текучести повышается значительно сильнее предела прочности, а пластичность резко снижается, относятся к хладоломким. Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, у которых пластичность с понижением температуры снижается, относятся к хладоломким сталям, для которых характерно проявление хрупкости с понижением температуры. Под хрупкостью понимается способность конструкций (металла) разрушаться без заметной пластической деформации; поверхность излома при этом - кристаллическая. Хрупкое разрушение конструкции происходит при весьма незначительной пластической деформации металла, расположенного вблизи поверхности разрушения. Хрупкое разрушение характерно для ряда конструкционных сталей при низких температурах, в особенности в присутствии концентраторов напряжений. Переходу к нему способствует понижение температуры, увеличение концентрации напряжений и скорости нагружения, которые в предельных условиях могут стать ударом. Следует отметить, что усталостная прочность при прочих равных условиях при понижении температуры в большинстве случаев возрастает.
Из сказанного выше становится понятным, почему при сооружении изотермических резервуаров для хранения, сжиженного метана (температура -196 °С) и трубопроводов для перекачки жидкого водорода (-255 °С) в качестве материала для конструкций применяют никелевую и хромоникелевую сталь.
Прочность сварных соединений при высоких температурах, равно как и прочность основного металла, имеет ряд особенностей, зависящих от характера изменений в межатомных связях. По мере роста температуры в металле снижается прочность межатомных связей. Поэтому в зависимости от величины нагрева и нагружения в металле могут изменяться деформации и напряжения при неизменных нагрузках. Непрерывную пластическую деформацию металла под действием постоянной нагрузки называют ползучестью. Кривая зависимости деформации от времени нагружения носит название кривой ползучести. Типичная кривая ползучести состоит из трех участков, каждый из которых отражает соответствующие стадии ползучести. На первой стадии процесс ползучести еще не установился, скорость пластической деформации постепенно уменьшается. Вторая стадия характерна установившимся процессом деформации, причем скорость деформации минимальна. На третьей стадии скорость пластической деформации резко возрастает вплоть до разрушения конструкции. Для оценки прочности при высоких температурах служат предел ползучести и предел длительной прочности. Предел ползучести - напряжение, при котором деформация за заданный промежуток времени достигает значений, установленных нормативными документами, при котором скорость деформации соответствует нормативной. Первое определение относится к конструкциям с небольшой продолжительностью работы, второе - для конструкций, работающих в течение длительного времени при высоких температурах. Предел длительной прочности - напряжение, вызывающее разрушение при заданной температуре через определенный промежуток времени. Разрушение конструкций при высоких температурах носит характер хрупкого разрушения.
К сварным конструкциям, работающим в условиях высоких температур, можно отнести только трубопроводы энергетических и технологических установок, в частности, паропроводы, трубопроводы печей риформинга и другие, им аналогичные.
Работа сварных соединений в условиях высоких температур имеет следующие особенности, обусловленные особенностями самого соединения.
Металл шва, переходная от шва к основному металлу зона, а также зона термического влияния могут иметь химический состав и структуру, отличные друг от друга и от основного металла, а, следовательно, и разные механические свойства. Концентраторы напряжений в сварных соединениях при высоких температурах являются факторами, ослабляющими прочность. Прочность сварного соединения, при высоких температурах определяют длительная прочность и пластичность.