Проектируя любые, в том числе и сварные, конструкции, тщательно учитывают условия их работы и устанавливают опреде­ленные запасы прочности. Поэтому в условиях нормальной эксплуа­тации конструкции не должны разрушаться ранее установленных сроков.

Сварные соединения в конструкциях проектируют обычно из условия равной прочности с основным металлом. Современное со­стояние сварочной науки и техники в большинстве случаев позво­ляет обеспечить прочность сварного соединения, более высокую или, по крайней мере, равную прочности основного металла. Если техно­логия сварки правильно выбрана и качественно выполнена, кон­струкции, как правило, разрушаются вне пределов сварных соеди­нений. Вместе с тем, и до сих пор бывают редкие случаи разруше­ния сварных соединений в нормальных условиях эксплуатации. Подобные явления наблюдаются и в деталях, изготовленных отлив­кой, прокаткой, штамповкой и т. п. Чаще всего причиной недоста­точной эксплуатационной прочности становятся микро - и макроско­пические местные разрушения, возникшие в изделии при его техно­логической обработке. Известно, чтоб процессе отливки стальных и, особенно, чугунных деталей в них довольно часто возникают тре­щины, легко наблюдаемые невооруженным глазом. При прокатке некоторых специальных сталей с чрезмерно высоким обжатием в про­катываемом металле возникает сетка трещин. Таким образом, изде­лие может оказаться частично разрушенным уже в процессе из­готовления, что несомненно снизит его прочность в последующей эксплуатации.

Следует различать прочность конструкции в процессе ее техно­логической обработки (ітехнологическую прочность) и в условиях эксплуатации (эксплуатационную прочность). Несмотря на то что такое деление весьма условно, его удобно применять при рассмотре­нии вопросов, связанных с поведением металла при различных ви­дах его технологической обработки.

В процессе изготовления изделия часто испытывают усилия, значительно большие эксплуатационных. Такое несоответствие усилий может привести к недопустимо большим деформациям и разрушению. Дело осложняется тем, что некоторые участ­ки металла в процессе сварки находятся под воздействием очень высоких температур, резко снижающих прочность металла.

Изучение состояния и свойств металла, схем и величин действую­щих на него усилий, величин и характера деформаций, напряжений и других факторов, от которых зависит возможность появления местных разрушений при изготовлении изделий, составляет содер­жание науки о технологической прочности.

По размерам и влиянию на прочность металла различают две категории местных разрушений, или трещин.

К первой категории относят микротрещины — трещины, размеры которых соизмеримы с параметрами кристаллической решетки. Та­кие разрушения представляют собой скопления различного рода несовершенств кристаллической решетки. В любых реальных кристаллах практически всегда есть трещины первой категории. Наличие их учитывают, определяя показатели механических свойств металлов, проектируя и рассчитывая конструкции.

Ко второй категории относят более крупные трещины, возникаю­щие в металле при его технологической обработке или в результате эксплуатации изделия. В сварных конструкциях трещины второй категории — обычно опасный дефект, так как под действием даже невысоких эксплуатационных нагрузок они могут развиться и стать причиной серьезных аварий.

При сварке трещины второй категории, очевидно, образуются только тогда, когда пластические деформации, возникающие в ре­зультате неравномерного нагрева и охлаждения металла, исчерпают его деформационную способность и напряжения, возрастая, достиг­нут значений предела прочности.

В процессе нагрева и охлаждения металла при сварке его темпе­ратура, величины деформаций и напряжений постоянно меняются. Вместе с тем, свойства металла — его пластичность и прочность — также весьма сильно зависят от температуры. Чтобы раскрыть ме­ханизм возникновения трещин при сварке, целесообразно совме­стно рассмотреть изменение свойств металла и напряжений в нем в зависимости от температуры.

На участках нагрева металла (перед дугой) возникают напряже­ния сжатия, при которых вероятность образования трещин мала, вследствие чего эту область можно не рассматривать.

С начала кристаллизации и охлаждения металла шва в нем мо­гут возникать напряжения растяжения, величина которых по мере снижения температуры быстро растет. В интервале температур­ного превращения y-Fe-va-Fe, которое происходит с увеличением объема, растягивающие напряжения снижаются и могут даже пере­йти в напряжения сжатия. Дальнейшее охлаждение сопровожда­ется ростом напряжений растяжения.

Очевидно, что трещины могут возникать только в том случае, когда величина собственных напряжений о в шве достигнет значе­ний предела прочности сг„ металла для данной температуры. Это вероятнее всего в области высоких температур — выше 1300 °С. Важно отметить, что вблизи температуры солидус (Тс) наблюдается и резкое снижение пластичности ф, также увеличивающее возмож­ность возникновения трещин в этом интервале температур.

Если под действием собственных напряжений в металле шва про­исходят пластические деформации, то, по-видимому, величина этих

напряжений близка к значению предела текучести металла при дан­ной температуре и растет с увеличением скорости деформаций. Такое же влияние оказывают объемные напряжения растяжения которые затрудняют пластическую деформацию и способствуют образованию трещин.

Если трещины не возникли в области температур, близких к Гг, то при дальнейшем охлаждении металла шва их возникновение маловероятно, так как напряжения в более удаленных от источника тепла участках значительно ниже предела прочности. Пластичность СтЗ в то же время остается достаточно высокой вплоть до нормаль­ных температур. Таким образом, трещины при сварке легче всего возникают в самом начале охлаждения металла шва. В дальнейшем

они могут развиваться в большей или меньшей степени в зависи­мости от величины и характера действующих напряжений и свойств металла.

Следует также обратить внимание на некоторое снижение пока­зателей пластичности в интервале температур 500—1000 °С. Для СтЗ это снижение сравнительно невелико и не может служить при­чиной возникновения трещин. Однако для большой группы ста­лей и некоторых других сплавов в области сравнительно низких температур (ниже 750 °С) наблюдаются резкие провалы пла­стичности при весьма высоких значениях собственных напряже­ний, что указывает на опасность возникновения и здесь тре­щин. j

Таким образом, совместное рассмотрение величины возможных напряжений и свойств металла шва позволяет установить, что суще­ствуют два интервала температур, в которых могут возникать тре­щины: 1) вблизи Тс; 2) в области более низких температур с пони­женными пластическими свойствами металла.

В зависимости от температурного интервала возникновения раз­личают трещины кристаллизационные, или горячие, и холодные. Кристаллизационными, или горячими, принято считать трещины, которые появляются в металле на завершающей стадии процесса кристаллизации,— в интервале температур,* близких к линии солидус. Холодны? трещины возникают при более низких темпера­турах, чаще всего в результате структурных превращений в ме­талле 1 г

Механизм образования горячих и холодных трещин различен. Горячие трещины носят межкристаллический характер, т. е. про­ходят обычно по границам кристаллов, тогда как холодные чаще всего пересекают кристаллы и границы между ними. Горячие тре­щины обычно имеют извилистую форму (рис. 159) и кристалличе­скую зернистую поверхность излома, холодные — более прямые (рис. 160), поверхность излома их чаще всего бывает гладкой, бле­стящей.

В связи с тем что причины и механизм образования горячих и холодных трещин различны, рассматривать их будем раздельно, имея, однако, в виду, что борьба как с горячими, так и с холод­ными трещинами составляет две стороны общей проблемы повы­шения технологической прочности конструкций при сварке.

Возможность образования горячих трещин в сварных швах определяется одновременно рядом взаимно связанных факторов:

1) величиной и характером пластических деформаций, возни­кающих в шве при его кристаллизации;

2) деформационной способностью металла в температурном ин­тервале образования кристаллизационных трещин;

3) скоростью (темпом) нарастания деформаций.

Рассмотрим эти факторы в намеченной последовательности.