книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

скорость 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):

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:

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

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.

(ЭИ680); 3 — 1Х14Н14В2М (ЭИ257); 4 — ХН35ВТ (ЭИ612); 5 — 1Х18Н9Т без термической обработки после свар­ ки; 6 — 1XI8H9T — стабилизация при 800° С, 10 ч

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: