Поскольку холодные трещины являются довольно распростра­ненным дефектом, чаще всего возникающим в околошовной зоне, рассмотрим кратко особенности их образования.

Холодные трещины, которые, согласно модели К. Зинера, зарождаются на границах зерен, затем, как правило, распро­страняются по телу зерен и лишь частично по их границам. Для холодных трещин характерно замедленное развитие их в на­чальной стадии. Обычно они зарождаются спустя некоторое время после сварки. Это время может измеряться в минутах, часах, а иногда и в сутках. Однако, достигнув некоторой кри­тической длины, трещины могут расти с огромной скоростью.

Скорость роста трещины на заключительном этапе разруше­ния определяется рядом факторов: величиной действующего напряжения, скоростью нагружения, температурой и т. д. Наибольшие значения скорости роста трещин достигаются при динамическом нагружении в условиях низких температур и при большом запасе упругой энергии. При этом увеличение скорости роста трещины приводит к уменьшению толщины пластически деформированного слоя металла, а это, в свою очередь, снижает затраты энергии на продвижение трещины, что способствует ускорению роста трещины. Поэтому на по­следнем этапе разрушения скорости роста трещин, согласно экспериментальным данным [24, 334], могут достигать 1800— 2500 м/с. Предельное значение скорости роста трещины не мо­жет быть больше Ушах, значение которой определяется из урав­нения [241: Упих = 0,38|/Ду/р, где Еу — модуль нормальной упругости; р — плотность материала.

Исследование [531 по изучению склонности сварных соеди­нений к образованию холодных трещин свидетельствует о том, что на процесс их образования влияют химический состав ма­териала, содержание водорода в металле и величина погонной энергии сварки (табл. 18).

Чаще всего холодные трещины возникают в сварных соеди­нениях при сварке изделий из средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов электродами или проволоками идентичного состава. Гораздо реже холодные трещины возникают при сварке аустенитных швов и низко­легированных ферритно-перлитных сталей.

Склонность сталей, восприимчивых к закалке, к образова­нию холодных трещин связывают с мартенситным превраще­нием (закалочная теория), которое приводит к значительному увеличению объема металла околошовной зоны. В результате

возникают повышенное внут­реннее напряжение, и, кроме того, образование мартенсита вызывает снижение пластич­ности металла. Поэтому нали­чие в металле компонентов, по­вышающих склонность метал­ла к закалке, в первую оче­редь углерода, а также Мп, Сг, Мо и других, увеличивает склонность сварного соедине­ния к образованию холодных трещин (см. табл. 18). Издан­ных [53, 105, 183] видно, что наличие водорода в металле снижает его стойкость против образования холодных тре­щин.

Многочисленные исследо­вания свидетельствуют о том, что наличие водорода в метал­ле приводит к снижению его механических свойств и в пер­вую очередь пластичности. При этом отрицательное влия­ние водорода усиливается с возрастанием содержания уг­лерода в металле и с повышением концентрации водорода.

Вредное влияние водорода в сталях начинает проявляться уже при его содержании 1—2 см3/100 г. Значительное охруп­чивание стали, содержащей водород, происходит в интервале температур 173—373 К. Наибольшая степень охрупчивания стали наблюдается при температурах, близких к комнатной; при 77 К, а также при высоких скоростях деформации водород­ная хрупкость практически не наблюдается. Интересно [150], что водородное охрупчивание в наибольшей мере проявляется у сталей с мартенситной структурой и слабее у сталей со струк­турой из зернистого и тонкопластинчатого перлита.

Влияние водорода на процесс образования холодных трещин чаще всего объясняют тремя причинами. Во-первых, согласно теории К. Цапффе и К. Симса [348], образование холодных трещин при наличии в металле водорода связывают с выделе­нием молекулярного водорода во внутренние микропустоты, что приводит к созданию в них высокого давления, благодаря чему они раскрываются. Действительно, расчеты, которые бы-

ли выполнены на основании уравнения Сивертса [241], свиде­тельствуют о том, что в сварных соединениях величина давле­ния за счет выделения растворенного в металле водорода может достигать при комнатной температуре 98 • 10е—98 X X Ю12 кПа. Однако расчет давления водорода в микро - и макропустотах, проводимый по уравнению Сивертса, нето­чен [233], поскольку с понижением температуры система ме­талл, содержащий водород,— газообразный водород в пусто­тах металла все больше отклоняется от равновесия.

Тем не менее такие расчеты свидетельствуют о возможности создания довольно высоких давлений в микропустотах за счет выделения в них водорода. Отметим, что величина этого давле­ния при одной и той же концентрации водорода в металле бу­дет тем меньше, чем больше относительный объем пор и пустот.

Н. Петч и П. Стейблз [330] объяснили водородное охрупчи­вание стали адсорбцией атомов водорода на поверхности линии сдвига, микротрещин, что приводит к понижению поверхност­ной энергии материала и тем самым, согласно теории Гриффит­са, облегчает развитие трещины.

И наконец, Д. Морлетт, Е. Джонсон и А. Троиано объясня­ют влияние водорода на процесс образования холодных трещин локальным пересыщением кристаллической решетки водоро­дом, которое происходит следующим образом. При приложении внешних нагрузок в микрообъемах вокруг пустот создаются напряжения, в том числе участки с трехосным напряженным состоянием. Градиент напряжений вызывает диффузионный поток водорода, что и приводит к образованию локального пересыщения решетки в этих участках и снижению прочности решетки.

Из всех предложенных объяснений прямое эксперименталь­ное подтверждение нашла лишь теория внутреннего давления [341]. Справедливость этой гипотезы подтверждается и тем, что, поскольку скорость нарастания давления определяется диффузией атомов водорода, водородное охрупчивание при очень низких температурах и высоких скоростях деформации не наблюдается.

В работе [144] при рассмотрении процесса образования хо­лодной трещины как слияния основной трещины А с дислока­ционной В было определено максимально допустимое содержа­ние водорода в сварном соединении

[Н] =

где св„ — внешние напряжения; тл — CAl2rA (СА — половина длины основной трещины А; гА — расстояние от трещины А до трещины В).

Как видно, с увеличением значения тА допустимое содер­жание водорода в металле уменьшается. Появление дислокаци­онной трещины перед основной происходит, если выполняется следующее условие:

(ств„ - f а а) V сАІГ А > огт)

где о а—давление, создаваемое водородом в трещине А.

Таким образом, чем выше давление, создаваемое водородом в основной трещине, тем больше вероятность образования дис­локационной трещины, а значит, и разрушения.

Однако связывать процесс образования холодных трещин только с образованием структур закалки или только с наличием в металле водорода, по-видимому, неправильно.

Исследование свойств сталей после сварки [144] свидетель­ствует о том, что даже при образовании мартенситной структу­ры запас их пластичности остается достаточно высоким и пре­вышает пластические деформации, развивающиеся в процессе охлаждения ниже температур у — М-превращений. Поэтому образование мартенсита в сварном соединении не всегда может привести к возникновению холодных трещин.

Очевидно, что появление холодных трещин в сварном соеди­нении является следствием действия комплекса факторов, из которых одними из главных являются структурные напряже­ния, возникающие в результате у — М-превращения, и нали­чие водорода в металле.

Появлению холодных трещин может также способствовать оплавление границ зерен, образование сегрегационных про­слоек, наличие неметаллических включений и т. д.

Влияние неметаллических включений на образование хо­лодных трещин было исследовано многими авторами, в част­ности А. М. Макарой с сотрудниками. Изучение шлифов с хо­лодными трещинами показало [129], что во многих случаях их появление обусловлено сульфидными включениями и над­рывами, которые возникают вблизи неметаллических включе­ний. При этом степень влияния включений на образование холодных трещин во многом зависит от размера и места рас­положения включений, а также от состава металла. Измель­чение и равномерное расположение включений, связывание вредных примесей в тугоплавкие соединения, применение спо­собов и режимов сварки, снижающих содержание неметалли­ческих включений, использование материалов с ограничен­ным содержанием углрода — все это способствует уменьшению опасности образования холодных трещин.

Образование сегрегационных прослоек, изменяющих по­верхностную энергию границ, может также повлиять на воз-

никновение холодных трещин. Согласно [46], поверхностная энергия 0С вскрывающихся при разрушении межкристаллит - ных поверхностей а — Fe, обогащенных примесями, которая определяет межкристаллитное сцепление, равна

ос = orFe (1 — Ст) + aBCr — nnzrU оСг (1 — Сг), (V. 16)

где Сг — f (Т) — равновесная атомная концентрация примеси на границе зерна; aFe — поверхностная энергия чистого а — Fe; <тв — поверхностная энергия примеси; пп — число атомов на 1 м2 поверхности а — Fe; zr — число связей поверхностного атома с атомами ближайшего поверхностного слоя; Uo — энер­гия смешения в твердой фазе на одну связь.

Анализ выражения (V. 16) свидетельствует о том, что введе­ние в металл компонентов, повышающих величину ос, должно увеличить и стойкость металла против образования зародыше­вой трещины на границах зерен. Расчеты, проведенные в ра­боте [46], показали, что введение в железо Ni, Mn, W, Сг, Zn, Si, Мо, Си практически не влияет на величину ас и поэтому не должно увеличивать межкристаллитную хрупкость металла. Введение 0.2, Р, N2, Sb, Sn и Се приводит к заметному снижению величины ас. Эти данные довольно хорошо совпадают с из­вестными экспериментальными данными.

Следует отметить, что зародышами холодных трещин мо­гут быть и микроскопические кристаллизационные трещины [3461.

На процесс образования холодных трещин существенно мо­гут повлиять и режимы сварки, поскольку структурные пре­вращения зависят от перегрева околошовной зоны, температур­ного интервала мартенситного превращения, скорости ох­лаждения околошовной зоны и металла шва. Если ограничить перегрев и исключить образование мартенсита или сместить температурный интервал его образования в зону высоких температур, а также заметно снизить скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, то можно существенно уменьшить вероятность образования холодных трещин в свар­ном соединении. При этом эффективность от применения одних и тех же приемов будет зависеть от марки стали. Например, повышение погонной энергии при сварке приводит к увеличе­нию времени пребывания металла тп при температуре выше точки АСгн снижению скорости охолаждения иОХл в интервале минимальной устойчивости аустенита. Это должно вызвать за счет повышения тп рост зерна аустенита и увеличение концент­рации углерода в твердом растворе, а также снижение количе­ства закалочных структур и самоотпуск мартенсита за счет уменьшения і>охл. Поэтому влияние повышения величины

погонной энергии будет определяться тем, какой из факторов станет преобладающим.

Например, снижение вероятности образования холодных трещин при повышении величины погонной энергии, отмечен­ное для сталей (см. табл. 18), объясняется тем, что в этом случае вредное влияние перегрева перекрывается положительным влиянием снижения скорости охлаждения металла. Подобное влияние погонной энергии было отмечено и при сварке сталей 30Х2Н2М и 35X3H3M [129]. Для стали 42Х2ГСНМ отрицатель­ное влияние перегрева околошовной зоны сказывается в боль­шей мере, чем положительное влияние уменьшения Уохл. Поэтому повышение погонной энергии сварки для этой стали, которая отличается повышенным содержанием углерода и соответственно более низкой температурой точки М, увели­чит склонность ее к образованию холодных трещин 1129].

В последнее время для объяснения процесса образования холодных трещин используется вакансионный механизм за­рождения трещин. При этом считают, что вакансии, возника­ющие при закалке металла или при его холодной пластической деформации, мигрируя к границам, конденсируются на них, образуя каверны и зародышевые микронесплошности. Рост этих микронесплошностей, зависящий от напряженного состо­яния изделия, может привести к образованию холодных тре­щин и, в конечном итоге, к разрушению сварного соединения.

Использование вакансионного механизма позволяет объяс­нить связь процесса образования холодных трещин с несовер­шенствами кристаллической решетки, величиной структурных напряжений, наличием в металле неметаллических включений и т. д.

Более подробно вопросы образования холодных трещин в сварных соединениях рассмотрены в работах Н. Н. Прохо­рова, А. М. Макары и Н. А. Мосендза, Г. Л. Петрова с сотруд­никами, Г. А. Николаева, С. А. Куркина, В. А. Винокурова и других авторов.