книги / Сварка при низких температурах

туру принималась такая температура, при которой ударная вяз­ кость не снижалась ниже 2 кГм/см2. Результаты опытов показали, что сталь марки М большой толщины в исходном состоянии и пос­ ле высокого отпуска переходит в хрупкое состояние при темпера­ туре около —15° С (вместо 0° С для стали марки 22К) и после нормализации или нормализации с высоким отпуском при темпе­ ратуре —50°С (вместо температуры —15°С для стали 22К). Это позволило сделать практическую рекомендацию о применении ста­ ли марки М в нормализованном состоянии, при этом для проката толщиной 70—160 мм установлены те же нормативные требования, что и для проката меньшей толщины, а именно: при температуре +20° С ударная вязкость.не ниже 6 кГм/см2 и при температуре —40° С — не ниже 3,5 кГм/см2.

Исследование свойств металла участка крупного зерна околошовной зоны при электрошлаковой сварке сталей марок М и 22К показало, что критическая температура перехода в хрупкое со­ стояние металла этого участка при сварке стали М достигает при­ мерно —25° С, в то время как у стали 22К только —5° С. Иссле­ дование свойств стали марки М большой толщины (70—160 мм) показало, что эта сталь, обладая тем же временным сопротивлени-’ ем, значительно превосходит сталь 22К по прочности при повышен­ ных температурах, пластичности, стойкости против перехода в хрупкое состояние, что позволяет использовать ее для изготовле­ ния конструкций, работающих на открытом воздухе. Кроме того, сталь марки М значительно превосходит сталь 22К по технологи­ ческим свойствам (охрупчиванию металла в околошовной зоне, стойкости против образования кристаллизационных трещин), что позволяет увеличить производительность электрошлаковой сварки примерно на 40% и упростить технологию автоматической сварки под флюсом и ручной дуговой сварки. Сталь хорошо сваривается всеми существующими способами сварки и обладает более высо­ кой стойкостью против перегрева при электрошлаковой сварке, чем сталь 22К, что позволяет в некоторых случаях отказаться от нормализации конструкций. Общий вывод первого этапа исследо­ вания: сталь марки М толщиной 70—160 мм рекомендуется для производства барабанов котлов, сосудов большой емкости и дру­ гих ответственных конструкций взамен стали марки 22К.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона проведена исследо­ вательская работа на ряде котельных и металлургических заводов и разработана для барабанов котлов .высоких параметров новая малоуглеродистая низколегированная сталь марки 15ГХНФ следующего состава: 0,12—0.18% С; 0,3—0,6% Si; 1,25— 1,65% Мп; 0,8-1,1% Сг; 0,4-0,8% Ni; 0,05-0,2% V; < 0;3% Си;

0,035% Р; <0,04% S.

Эта сталь предназначена для изготовления сварных барабанов котлов высоких параметров; кроме того, она может быть рекомен­ дована для изделий, изготовляемых способом электрошлаковой сварки [150].

11

СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗЕРВУАРОВ

До 1953 г. для изготовления сварных резервуаров применялась мартеновская кипящая сталь марки МСт. 3, отличающаяся значи­ тельной хрупкостью. Имевшие место случаи разрушения сварных цилиндрических резервуаров, как отмечает А. С. Фалькевич [169], относились к резервуарам из этой стали. Поэтому в последующий период для резервуаров стала применяться лишь мартеновская

спокойная сталь МСт. 3.

В настоящее вр'емя для изготовления резервуаров применяет­ ся мартеновская сталь МСт. 3 улучшенного раскисления - (по пред­ ложению ВНИИСТа) и низколегированная марганцовистая сталь.

НОВЫЕ МАРКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ХЛАДОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ

Кроме упоминавшихся выше, находящих широкое применение при низких температурах спокойных малоуглеродистых, низколе­ гированных и аустенитных нержавеющих хромоникелевых сталей, нашими металлургами разработано много марок сталей, отличаю­ щихся значительной хладостойкостыо.

Для крекинг-установок была разработана новая безмолибденовая сталь Х5ВФ (на основе 5% хрома с небольшими добавка­ ми вольфрама и ванадия), отличающаяся высокими показателями прочности, пластичности и ударной вязкости при низких темпера­ турах. При температуре —40° С ударная вязкость этой стали рав­ на 25 кГм/см2. Советскими учеными также разработана высоко­ прочная конструкционная сталь марки ЗОХГН (0,26% С; 0,26% Si; 0,99% Мп; 1,33% Сг; 1,81% Ni; 0,024%' Си и 0,032% Р), обладаю­ щая после закалки и низкого отпуска значительным запасом вяз­ кости даже при температуре —196° С. Сравнительно небольшое содержание углерода в стали дает возможность ей хорошо проти­ востоять действию концентрации напряжений.

В Институте электросварки им. Е. О. Патона [150] были также разработаны опытные низколегированные стали, обладающие вы­ сокими прочностными и пластическими свойствами в широком диапазоне температур. Состав этих сталей приведен в табл. 1. Имитируя условия электрошлаковой сварки толстого металла, исследователи на опытных образцах получили высокие значения ударной вязкости основного металла и сварного соединения на образцах Менаже (табл. 2). Указанные стали могут быть реко­ мендованы для изготовления крупногабаритных конструкций, работающих при низких температурах без последующей термиче­ ской обработки.

За рубежом для изготовления сосудов, работающих при весьма низких температурах, применяются стали, легированные 8,5% ни­ келя.

12

ВСША для сварных конструкций разработана легированная сталь марки Т-1. Важной металлургической особенностью этой стали является ее микроструктура, состоящая после термической обработки на 95% из мартенсита (что обеспечивает высокую проч­ ность стали), и относительно небольшое содержание углерода ниже 0,20%. Сталь легирована марганцем, никелем, хромом, мо­ либденом и бором, причем содержание никеля не превышает 1%,

амолибдена 0,6%. При низких температурах эта сталь имеет' вы­ сокую ударную вязкость. Сталь хорошо сваривается и обеспечи­ вает получение высококачественных сварных соединений. Свари­ вается сталь марки Т-1 легированными электродами, в состав ко­ торых входят марганец, титан, молибден, никель и ванадий.

Внефтяной промышленности Англии применяют большое ко­ личество сварных сосудов, работающих при различных темпера­ турах— от —100° С до +800° С. Для этих сосудов применяют хро­ момолибденовую сталь, аустенитную нержавеющую сталь и спе­

циальные сплавы [159].

Л. Еничек (ЧССР) приводит данные об использовании в хи­ мическом машиностроении сталей, обладающих малой склон­ ностью к хрупкому разрушению. К числу таких относится напри­

кость этой стали 23,8 кГм(см2).

13

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Физическая сущность изменений механических свойств метал­ лов и сплавов при низких температурах, несмотря на большое ко­ личество исследований, проведенных как у нас в стране, так и за рубежом, все же изучена недостаточно. Имеющиеся отдельные ги­ потезы не могут объяснить полностью явлений, происходящих при низких температурах, в лучшем случае они, обычно объясняют появление хрупкости металлов. Работы Де Гааза, Гадфильда, Помпа, Гаупта, Крита показали, что многие стали и другие ме­ таллы остаются пластичными даже при температуре жидкого во­ дорода при статических и ударных испытаниях. Существует гипо­ теза, согласно которой изменение свойств металлов при низких температурах связано с кристаллографической решеткой металлов.

Металлы, имеющие гранецентрированную решетку (алюминий,

серебро, медь, никель, свинец и др.) остаются пластичными при по­ нижении температуры, а большинство металлов, имеющих объем­ но-центрированную решетку, становятся хрупкими. Однако, позд­ нейшие исследования показали, что для чистых металлов эта ги­ потеза в подавляющем большинстве случаев подтверждается, а применительно к сплавам она не всегда справедлива..В. И. Костенец [69] показал, что сплавы ведут себя подобно чистым ме­ таллам. Из медных сплавов лучшие результаты при низких темпе­ ратурах по прочности и пластичности дают фосфористая и бериллиевая бронзы, а также манганин (85% меди, 3% никеля и 12% марганца). Несколько хуже ведет себя латунь. Следует заметить, что эти выводы относятся к температурам испытаний от —196° С до —253° С, в то время как при более высоких .температурах пла­ стичность латуни вполне удовлетворяет требованиям производст­ венной практики. Из сплавов алюминия для работы при низких температурах наиболее пригодным оказался дюралюминий. Рас­ ширение области применения низких температур поставило вопрос о необходимости замены цветных металлов и их сплавов низколе­ гированными сталями (никелевыми, хромоникелевыми и др.), ко­ торые также сохраняют высокую пластичность при низких темпе­ ратурах. Подобные исследования были проведены как за рубежом, так и у нас в стране [170]; [183].

Если ферритные стали, имеющие центрированную решетку, как правило, отличаются хрупкостью при весьма низких температурах, то аустенитные стали с гранецентрированной решеткой отличают­ ся, наоборот, весьма большой пластичностью при тех же темпера­ турах при условии, если аустенит не претерпевает превращений. Поэтому весьма большое значение при превращениях в сталях при низких температурах имеет поведение остаточного аустенита, ко­ торый у многих закаленных сталей при охлаждении ниже нуля превращается в «мартенсит. Дело в том, что в результате этого пре­ вращения меняются свойства стали. Если при обычной закалке

14

ГЛАВА II

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В последние годы проблеме хрупкого разрушения уделяется большое внимание.

На необходимость изучения свойств металлов при низких температурах указывал еще в конце прошлого века один из круп­ нейших русских ученых в области строительной механики Ф. С. Ясинский [198]. Он объяснял в частности причину «лопания» рельсов при сильных морозах не деформацией полотна, как счи­ тали многие, а повышением хрупкости стали при низких темпера-, турах. Указывая на существование в массе металла внутренних напряжений, возникающих от неравномерного остывания и неоди­ наковых коэффициентов расширения, он отмечал, что понижение температуры вызывает увеличение этих напряжений и уменьшает сопротивление ударным нагрузкам. Вместе с тем, Ф. С. Ясинский указывал, что химический состав стали и способ ее производства при этом играют «огромную роль» и что «было бы своевременно подумать и об испытаний хрупкости стали при низких температу­ рах». Ф. С. Ясинским предлагалось ввести непосредственные ис­ пытания образцов рельсовой стали на изгиб и удар с понижением

мание специалистов во всех странах мира, поставив перед ними задачу: глубоко проанализировать причины катастроф и вырабо­ тать необходимые мероприятия для предупреждения подобных разрушений в дальнейшем.

На проблеме хрупкого разрушения приходится особенно вни­ мательно останавливаться, потому что многие конструкционные стали обнаруживают при низких температурах склонность к хруп­ кому разрушению, причем весьма часто бывает так, что при ком­ натной температуре эти стали обладают значительной пластично­ стью. Обращает на себя также внимание важное свойство многих

16

сталей и сплавов, заключающееся в том, что склонность к хрупко­ сти при понижении температуры выявляется только в условиях ударных нагрузок, особенно при одновременном воздействии низ­ кой температуры, ударной нагрузки и надреза, создающего концен­ трацию напряжений.

Следует отметить многочисленные зарубежные и отечествен­ ные исследования, устанавливающие связь между хрупким разру­ шением и температурой порога хладноломкости материала.

В настоящее время разработано много методов испытаний хруп­ кости металлов. К ним относится, например, метод оценки склон­ ности стали к хрупкому разрушению по данным испытаний на удар образцов с надрезами Шарпи, Изода, Шнадта и др.; на удар­ ное растяжение цилиндрических образцов с кольцевой выточкой; на разрыв плоских образцов с надрезами в направлении, перпен­ дикулярном растягивающим напряжениям; на растяжение с изме­ нением величины растягивающих напряжений; на растяжение с изгибом цилиндрических образцов с кольцевой выточкой; внецентренное растяжение и т. д.

Над разрешением проблемы хрупкого разрушения работают в настоящее время большая армия ученых во многих странах. У нас в стране большая работа по выяснению природы хрупкости и ме­ тодам ее определения проведена многими советскими учеными [40], Ц66], (185].

Однако, несмотря на фундаментальные исследования, прове­ денные отечественными и зарубежными учеными, проблема хруп­ кого разрушения не может считаться решенной и продолжает привлекать внимание исследователей.

ТЕОРИЯ ХРУПКОЙ ПРОЧНОСТИ

Для надежной работы сварных конструкций при низких тем­ пературах большое значение имеет переход металла из состояния вязкого, пластичного в хрупкое состояние.

Условия этого перехода, т. е. зависимость критической темпе­ ратуры от условий нагружения, определили еще А. Ф. Иоффе и

Н.Н. Давиденков [40].

Своими опытами на каменной соли А. Ф. Иоффе показал суще­

ствование определенной критической температуры, выше которой происходят пластические деформации, а ниже — хрупкие разруше­ ния. Графически критическая температура определяется пересече­ нием кривых предела текучести ог и хрупкой прочности ах. п

(фиг. 1).

Указанные для каменной соли изменения наблюдались и при переходе некоторых сталей из пластического состояния в хрупкое

взависимости от температуры. :

Н.Н. Давиденков связывает физическую природу явления хруп­

кого излома с механическими свойствами кристаллической решет­ ки, причем он считает, что разрушение атомной решетки может

решетки), а потом уже, после большого искажения ее, распад. От­

начала отрыва или скольжения необходимо, чтобы соответствую­ щие напряжения а и т в исследуемом кристалле достигли опреде­ ленных критических значений ах. п и от (в зависимости от мате­ риала). Наступление первым того или иного процесса зависит от соотношения между ох. п и ат . ох. п мало зависит от температуры и скорости деформации, в то время как ат напротив значительно увеличивается с понижением температуры и повышением скорости деформации. Следовательно, при уменьшении температуры, воз­

сплавы при условии однородного напряженного состояния и стати­ ческого растяжения почти нельзя сделать хрупкими, так как они сохраняют запас вязкости, т. е. способности деформироваться при температурах, близких к абсолютному нулю. К таким сплавам и сталям относятся сплавы алюминия, никеля, меди, аустенитные стали и т. д. Г. В. Ужик, изучающий длительное время прочность и пластичность металлов при низких температурах, показал, что конструкционные стали, имеющие значительную пластичность при обычных температурах, сохраняют заметную пластичность даже при температуре —196° С. Известно также, что понижение темпера­ туры влияет гораздо сильнее на изменения сопротивления сдвигу, чем увеличение скорости нагружения. Например, сталь со значи­ тельной .пластичностью при температуре +20° С можно перевести полностью в хрупкое состояние -при испытаниях в среде жидкого водорода приснижении температуры примерно в 15 раз, в то время как этого нельзя получить при увеличении скорости нагружения даже во много тысяч раз. Нельзя, конечно, думать, что пластичный

18

металл можно довести до хрупкого разрушения только путем по­ нижения температуры. Хрупкое разрушение может быть достиг­ нуто и без использования низких температур. Например, при нор­ мальной температуре, но при увеличении размеров образцов нали­

рушении.

Ган, Овен и др. [27] указывают на существование в настоящее время двух различных теорий, объясняющих хрупкое разрушение сталей при низких температурах. Согласно одной из этих теорий (Гриффит, Людвик и Орован) причиной хрупкого разрушения яв­ ляются трещины, имеющиеся в металле, так как нормальные на­ пряжения, вызывающие рост трещины, по величине ниже предела текучести металла. Исследователи указывают, что такие трещины обычно не наблюдаются в отожженной стали.

По другой теории (Зенер и др.) трещины, приводящие к хруп­ кому разрушению, возникают в процессе деформации в зонах вы­ соких напряжений, образованных плоскостями сдвига и двойникования.

Произведенное Ганом, Овеном и другими исследователями ис­ пытание на растяжение конструкционной мартеновской стали мар­

рушению предшествует пластическая деформация. Результаты ис­ следования подтвердили предположение о том, что трещины, вы­ зывающие разрушение, возникают в процессе деформации. При низких температурах микротрещины приводят сразу к разрушению, но при более высоких температурах образование микротрещин не всегда является достаточным условием для разрушения; оно лишь создает условия, при которых это разрушение может возникнуть. Работа подтвердила также, что наличие микротрещин и критиче­ ский размер их зависят от размеров зерна.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ХРУПКОСТЬ

Отечественными и зарубежными исследователями хрупкость определяется как склонность к разрушению конструкций без За­ метной пластической деформации под низким напряжением.

Факторами, влияющими на хрупкость, являются качество ма­ териала, температура, скорость охлаждения, геометрические раз­ меры образца, концентрация и род напряжений, величина напря­ жений, остаточные напряжения и старение, технологические фак­ торы, воздействующие на материал (сварка, термическая обра­ ботка, наклеп и т. п.), скорость нагружения, вид соединения и т. д.

Появление хрупкости при низких температурах обусловливает­ ся четырьмя взаимно связанными факторами, а именно: темпера­ турой, скоростью удара, наличием надреза или какого-либо иного концентратора напряжений и толщиной металла. Наиболее важ­ ным из них является температура. Для большинства сталей кри­ тическая температура лежит в пределах от —40 до — 130° С в зависимости от химического состава и вида термической обработки.

Большое значение имеет скорость удара. Обычно, чем резче удар, тем выше температура, при которой может произойти хруп­ кое разрушение. Многие исследователи считают увеличение ско­ рости удара равносильным понижению температуры окружающей среды или повышению критической температуры. Следовательно, при достаточно большой скорости удара даже вязкие металлы мо­ гут хрупко разрушаться при комнатных температурах.

Концентраторы напряжений действуют подобно скорости удара, т. е. чем острее надрез, тем выше температура, при которой может произойти хрупкое разрушение. Ударная вязкость по Шарли образ­ ца, имевшего надрез с радиусом в вершине 0,23 мм, оказалась рав­ ной при температуре —>18° С 6,9 кГм/см2, в то время как такой же образец, но с надрезом радиусом 3,17 мм показал ту же ударную вязкость при температуре —100° С. Обычно металл является до­ статочно гибким и пластичным для более или менее равномерного распределения напряжений по всей детали в целом. В случае над-

20