Анализ случаев разрушения сварных конструкций, работа­ющих в самых различных условиях, свидетельствует о том, что чаще всего их разрушение начинается от дефектов, воз­никающих в сварном соединении или в основном металле.

Выше было рассмотрено влияние пор, неметаллических включений и трещин на прочность металлов. Однако в сварных соединениях помимо перечисленных дефектов на прочность могут повлиять непровары, несплавления, форма сварного шва и т. д. К тому же влияние дефектов, находящихся в свар­ном соединении, будет несколько иным, чем в металле, что связано с наличием в сварной конструкции остаточных на­пряжений, которые возникают вследствие высокотемператур­ного неравномерного нагрева металла при сварке. Поэтому влияние дефектов, представляющих собой концентраторы на­пряжений, будет во многом зависеть от распределения оста­точных напряжений и рабочих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации, и совокупности всех этих напряжений.

О влиянии дефектов на прочность сварных соединений опуб­ликовано много работ. Задача данного параграфа — не обзор этих работ, а только иллюстрация с помощью данных некото­рых работ влияния дефектов на качество сварных изделий и особенности этого влияния.

Из всех дефектов, встречающихся в сварных швах, наибо­лее опасны трещины. Именно наличие трещин в сварном со­единении зачастую является причиной аварийного разрушения ответственных сварных конструкций. Это связано с тем, что трещины, находящиеся в сварных соединениях, ослабляют сечение швов или свариваемых элементов и тем самым умень­шают статическую прочность соединений. Кроме того, являясь концентраторами напряжений, трещины существенно умень­шают и динамическую прочность сварных соединений.

Отрицательное влияние трещин на работоспособность свар­ных соединений повышается еще и тем, что со временем раз­меры трещин постоянно увеличиваются. Этот рост происходит тем быстрее, чем больше величина нагрузки и чем выше ее динамичность и цикличность. Кроме того, на увеличение раз­меров трещин оказывает влияние и внешняя среда (газовая и жидкостная).

Несомненно, что увеличение размеров трещин, образовав­шихся при сварке, может привести к разрушению конструк­ций во время эксплуатации. Рост размеров трещин в процессе эксплуатации особенно опасен в тех случаях, когда это уве­личение не вызывает заметных расстройств работы конструк­ции, например, при эксплуатации различного рода решетча­тых конструкций (мостовые и подкрановые фермы, различные -перекрытия и т. д.). Это обусловлено тем, что в подобных конструкциях трещины могут появиться и расти сначала в од­ном, а затем и во всех швах, связывающих какие-то отдельные элементы. Выход из строя одного элемента конструкции может не привести к немедленному разрушению всей конструкции, но он вызовет-перегрузку других несущих элементов, что конечно увеличит вероятность ее разрушения.

Опасность наличия трещин в сварном соединении заклю­чается также в том, что они, являясь дефектами плоского типа, трудно обнаруживаются рентгеновскими методами контроля.

Если отрицательное влияние трещин на прочность сварных соединений не вызывает сомнений, то относительно влияния пор и неметаллических включений на работоспособность свар­ных конструкций существуют различные мнения. Поэтому рассмотрим более подробно влияние пор и неметаллических включений на механические свойства сварного соединения.

Большинство исследователей, изучающих влияние пор на прочность сварных соединений, приходит к выводу, что до некоторого предела наличие пор в металле шва практически не снижает его статической прочности. Для низкоуглеродис­тых сталей этот предел составляет примерно 10 % площади поперечного сечения шва [322], для перлитных сталей — 6— 8 % [322, 327, 331], для алюминиевых сплавов — 3,6 % [298]. ; Согласно данным [130], для алюминиевого сплава АМг-6 поры диаметром менее 0,5 • 10_3 м, не сопровождающиеся оксидными пленками, практически не влияют на прочностные характеристики сварного соединения. Неокисленные поры, если их диаметр не превышает (1,8—2,0) • 10—3 м, снижают статическую прочность швов без усиления примерно на 6 %. Цепочки частично слившихся пор (dn = 2 • 10-3 м) общей длиной не более 30 % длины шва снижают его статическую прочность на 11—15 %.

Несущую способность сварного шва с порами можно опре­делить по следующим формулам [271]: для одиночных пор

для цепочки и сетки пор

где dn — диаметр поры (для цепочек и скоплений — средний диаметр); В™* — максимальная ширина шва; ап — наимень­шее расстояние между соседними порами; Вп — высота шва для сквозной поры или глубины поры.

Однако поры не только снижают статическую прочность сварного соединения, но, являясь концентраторами напряже­ний [131, 309], могут вызвать снижение выносливости сварного соединения. Значительное влияние пор на сопротивление уста­
лости сварных соединений для различных материалов отмече­но в ряде работ [10, 130, 314, 316].

Особенно сильное влияние на выносливость сварных соеди­нений оказывает наличие пор, расположенных в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений. В этом случае ста­новятся опасными даже единичные поры.

Поскольку растягивающие остаточные напряжения осо­бенно велики в поверхностных слоях металла шва, то опасность разрушения возрастает, если поры будут расположены близко к поверхности. Это подтверждается данными [242], согласно которым величина коэффициента концентрации напряжений для газовых пор возрастает с 2,05 до 5,0 при приближении по­ры из объема к поверхности на расстояние, равное диаметру поры. По той же причине будут опасными и поры, вышедшие на поверхность шва, особенно если в процессе эксплуатации происходит взаимодействие поверхности с жидкой средой [242].

Однако сварные соединения разрушаются и по внутренним порам, если последние расположены в зонах высоких растя­гивающих остаточных напряжений [10]. Поскольку влияние пор связано с величиной остаточных напряжений, то очевид­но, что наличие пор будет больше сказываться на механиче­ских свойствах длинных продольных швов, где растягивающие остаточные напряжения обычно достигают высоких значений.

Твердые шлаковые и металлические включения, содержа­щиеся в металле шва, также оказывают заметное влияние на механические свойства сварного соединения. Поскольку не­металлические включения являются концентраторами напря­жений, то это влияние должно существенно зависеть от вели­чины, формы и распределения включений, а также от сил связи на границе включение—металл, соотношения упругих констант включений и матрицы. Согласно данным [104], фор­ма, распределение и фазовый состав неметаллических включе­ний размером менее 1 мкм существенно влияют на величину ударной вязкости ан и критическую температуру хрупкости металла шва. Особенно заметно влияние на уровень ан неме­таллических включений остроугольной формы. Образование скоплений неметаллических включений также снижает вели­чину ударной вязкости.

Исследование влияния шлаковых включений на стати­ческую прочность сварных соединений показало [318], что при наличии шлаковых включений в количествах до 10 % площади поперечного сечения шва предел прочности металла шва почти не изменяется. Однако при работе сварного соединения в жидких агрессивных средах наличие шлаковых включений на поверхности швов из стали КВК-42 привело к снижению стойкости сварных соединений против коррозионного растрес­кивания на 20—25 % [1481. Поэтому при работе в агрессивных средах даже при статическом нагружении наличие шлаковых включений в сварном шве снижает долговечность конструкции.

Результаты исследований влияния неметаллических вклю­чений на циклическую прочность сварных швов [317] свиде­тельствуют о том, что при числе циклов до 104 сопротивление усталости сварного шва, содержащего включения, почти не отличается от прочности основного металла. При большем числе циклов нагружения на прочность сварных швов начи­нают влиять размеры включений. Причем чем больший раз­мер включения, тем в большей мере снижается сопротивление усталости сварного соединения.

В связи с различиями в физических свойствах включений и матрицы, в частности разности коэффициентов термического расширения, в области расположения включения и в нем са­мом могут возникнуть [112, 303, 304, 309] значительные по величине напряжения. По данным, приведенным в работе [139], а = 588 МПа. Столь высокие значения напряжений могут привести к появлению участка предразрушения вблизи расположения включений. Очевидно, что проведение термо­обработки, в какой-то мере снижающей возникающие вблизи включений напряжения, должно уменьшить и опасное влия­ние неметаллических включений. Это подтверждается и эк­спериментальными данными [311, 326] по влиянию термо­обработки на сопротивление усталости сварных соединений со шлаковыми включениями. Отметим, что приведенные в [312] экспериментальные данные получены для металла тол­щиной более 12 • 10-3 м; для деталей меньшей толщины вред­ное влияние шлаковых включений усиливается.

Возникновение термических напряжений вблизи включений связано с химическим составом неметаллического включения. Поэтому важное значение при определении влияния неметал­лических включений на прочность металла имеет выбор ле­гирующих элементов, поскольку от этого зависит состав вклю­чения. Так, поданным [303, 304], при охлаждении металла во­круг включений (А12Оя, Са-алюминаты), которые обладают меньшим коэффициентом термического расширения, чем металл, возникают поля напряжений. Включения, у которых коэффи­циент термического расширения выше, чем у стали, например MnS, MnSe, образуют полости на границе с металлом, что тоже вредно.

Наличие неметаллических включений в металле шва может способствовать образованию других дефектов. Например, суль­фидные включения, которые часто имеют температуру плав­ления ниже температуры кристаллизации металла, вызывают образование горячих трещин. Наличие нитридов в металлле шва увеличивает его склонность к старению и т. д.

Таким образом, даже такой весьма краткий обзор свидетель­ствует о значительном влиянии неметаллических включений, содержащихся в сварных швах, на работоспособность сварных конструкций.

Непровары, подрезы и несплавления, являясь плоскими дефектами, создают значительную концентрацию напряжений и заметно снижают статическую и динамическую прочность сварного соединения. Подобная зависимость наблюдается для самых различных материалов [56, 249, 333]. Особенно заметно эти дефекты влияют на динамическую прочность. Даже неболь­шие по величине непровары (10 % толщины сечения) снижают сопротивление усталости в 2 раза [249]. Причем отрицательное влияние подрезов, несплавлений и непроваров усиливается, если дефекты находятся в поле высоких растягивающих оста­точных напряжений.

Итак, хотя и в разной мере, но все рассмотренные дефекты сварных швов (трещины, поры, неметаллические включения, подрезы, непровары, несплавления) влияют на работоспособ­ность сварных конструкций, особенно под действием знако­переменных и ударных нагрузок.