§12.1. Характерные виды влияний и критерии
работоспособности

По продолжительности и специфике своего действия виды влия­ния можно классифицировать так: процесс сварки; послесварочная термическая обработка [52, 74, 98]; эксплуатация при повышенных температурах [59, 61, 93, 331, 112, 303, 342].

Для работоспособности сварной конструкции при воздействии высоких Т существенными являются изменение формы и размеров, значительное ухудшение механических свойств, появление несплонг — ностей (трещин).

Вопросы образования горячих, холодных и других видов трещин при сварке выделились в самостоятельное направление [178, 255, 97], хотя в механизме их появления есть ряд особенностей, свойственных высокотемпературным процессам в металлах вообще [98]. Некоторые методические вопросы изучения роста трещин при сварке, термической обработке и эксплуатации затронуты в §5 настоящей главы.

Понятие работоспособности сварных соединений при высоких температурах включает в себя много сторон поведения металлов и нуждается в дифференцированных формулировках. Многочисленную группу критериев составляют такие, которые характеризуют реакцию металла на термическое воздействие при сварке. Это главньм образом критерии качественные такие, как склонность стали к росту зерна и охрупчиванию, к закалке при конкретном термическом цикле сварки, склонность к динамическому деформационному старению, к появлению зон отпуска (мягких прослоек), появлению структур, слабо сопротив­ляющихся воздействию коррозионных сред, и ряд других. Ввиду того, что точных количественных требований о допустимости или недопус­тимости различных изменений свойств, как правило, не существует, критерии оценки применяют простейшие, что и предопределяет их качественный характер.

Отдельную группу критериев составляют такие, которые оценивают возможность появления разрушения в процессе сварки. Здесь наступ­ление предельного состояния (появление трещины) может быть зафик­

сировано четко, но остается весьма сложным и пока невыясненным вопрос об условиях, которые должны сложиться при изготовлении конкретной детали, чтобы такие разрушения могли в ней появиться. С помощью критериев технологической трещиностойкости обычно оценивают свойства металла как такового с некоторой дифференциа­цией по способам сварки.

Ведется также разработка критериев оценки технологической трещиностойкости в поцессе термической обработки сварных соедине­ний [125J. Поскольку возможность появления трещин как при сварке, так и при термической обработке сильно зависит от напряженного состояния детали, а значит, и от ее формы, а также от характера изменения температуры во времени, то в последний период были разработаны более универсальные методы и критерии оценки, получив­шие название конструкционно-технологической трещиностойкости (см. §5 настоящей главы).

При сравнительно невысоких температурах эксплуатации (для углеродистых сталей это 200-400 °С), когда ползучесть еще выражена слабо, свойства металлов и сварных соединений характеризуют пределом текучести от и временным сопротивлением ов и по ним назначают допускаемые напряжения. Все же следует отметить, что уже при температурах выше 150-200 °С появляются признаки поведения сталей, которых нет при комнатных температурах. Это деформационное старе­ние и пониженная релаксационная стойкость, которые в некоторых случаях следует иметь в виду при оценке работоспособности конст­рукций.

При температуре более 400 °С явление ползучести становится главенствующим в поведении сталей и сварных соединений. Сопротив­ление металла ползучести в части изменения размеров деталей характе­ризуют пределом ползучести оп, который означает напряжение, при котором деформация за заданный промежуток времени достигает значения, установленного техническими условиями. Для деталей, работающих длительное время (тысячи часов), в качестве оп используют напряжение, при котором скорость деформации соответствует значе­ниям, установленным техническими условиями. Предел ползучести обычно определяют при температурах эксплуатации, но используют уровни напряжений, существенно более высокие, чем ожидаемый уровень оп. Проводят испытания в течение нескольких тысяч часов. Определяют среднюю скорость пластической деформации е при разных

о. Затем в логарифмических координатах строят зависимость о = /(є) и, экстраполируя результаты до значений є, соответствующих техничес­ким требованиям, находят значения о

Металл шва может обладать иным значением оп ш, чем предел ползучести основного металла оом. Если оп ш > оп ом, то обеспечивается более ВЫСОКИЙ уровень сопротивляемости ползучести. ЕСЛИ0ПШ > Опом, то это еще не означает, что металл шва не удовлетворяет необходимы^ требованиям. Так как объем, занимаемый швом, обычно весьма мая по сравнению с объемом основного металла, то дополнительное увели­чение пластической деформации ползучести всей детали обычно незначительно. Главными в условиях длительной ползучести являются : характеристики прочности сварного соединения. Критерии, характери­зующие прочность металлов и сварных соединений при высоких температурах, целесообразно разделить на две группы.

1. Критерии, основанные на предположении о полной сплошности тела образца перед началом его испытания (континуумальные кри­терии).

2. Критерии механики разрушения, построенные на предположе­нии, что в теле с самого начала испытания имеется трещиноподобный дефект или несплошность (дискретивные критерии).

Основным в первой группе является предел длительной прочности одп — напряжение, вызывающее разрушение через определенный промежуток времени. Значения сдп сильно зависят от температуры и времени, выбранного за базу испытания. Обычно это время составляет 10 5 ч. Дополнительным критерием, который для однородных по меха­ническим свойствам образцов служит своеобразным индикатором изменения механизма разрушения с внутризеренного на межзеренный, является пластичность металла до разрушения.

В поведении металлов при оценке их свойств по разным критерям 1 есть много общего, но есть и существенные отличия. При приложении I нагрузки к образцу с трещиной в условиях высокой температуры 1 возникает мгновенная пластическая деформация (деформация мгновен — 1 ной пластичности). Если эта деформация не является критической, то I для последующего разрушения необходимо протекание определенной деформации ползучести за счет упругой деформации, накопленной в 1 образце под действием приложенной силы. При этом происходит перестройка поля упругопластических деформаций у вершины трещины, определяемая скоростями пластических деформаций ползучести металла в разных зонах и протекающая во времени. Лишь после протекания у фронтовых зерен металла того уровня критической пластической деформации ползучести, которая соответствует возникшей скорости пластической деформации, наблюдаемой на гладких образцах при испытании их на ползучесть до разрушения, трещина продвинется на несколько зерен, что приведет к некоторому возрастанию скорости деформации в зонах, оказавшихся ближе к вершине трещины. Таким образом, общее при испытании гладкого образца и образца с трещиной заключается в достижении определенного уровня критической деформа­ции ползучести металла у вершины трещины; различие состоит в том, что у гладкого образца накопление критического уровня деформации происходит в основном при постоянной скорости ползучести, в то время как у образца с трещиной этот уровень достигается при сущест­венно переменных скоростях ползучести.