В достаточно широкой практике эксплуатации сварных конструкций наблюдались как вязкие, так и хрупкие разрушения, причем в опреде­ленных условиях однотипные конструкции разрушались по-разному.

Обычно процесс вязкого разрушения происходит достаточно мед­ленно, сопровождается значительными пластическими деформациями металла. Замечено, что для того чтобы вызвать пластическую деформа­цию реальной решетки металла путем сдвига по плоскостям скольже­ния, нужно преодолеть сопротивление сдвигу (срезу) xq). При одноос­ном растяжении т,() достигаются при напряжениях, равных пределу текучести металла а.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва, причем скорость хрупкого разрушения (скорость распространения хрупкой трещины) может, как показывают опыты, достигать очень большой величины (мно­гих сотен метров в секунду). Столь значительная скорость распростра­нения хрупкой трещины предопределяет, что энергия, необходимая для образования новой поверхности трещины, связана только с накопленной в металле упругой энергией. Поэтому для продвижения трещин доста­точно сравнительно небольшого среднего напряжения - сопротивления отрыву оот)). Возможность возникновения хрупкого разрушения даже при малом уровне внешнего нагружения делает этот вид разрушения чрез­вычайно опасным, особенно для конструкций, характеризующихся зна­чительной жесткостью.

В соответствии с двумя видами возможного разрушения следует го­ворить о двух типах сопротивления металла: сопротивлении сдвигу (вяз­кое разрушение) и сопротивлении отрыву (хрупкое разрушение). Если в определенных условиях при растяжении раньше достигается предел текучести, то металл находится в пластичном состоянии, наоборот, если раньше достигается сопротивление отрыву, то состояние металла хруп­кое. Указанные характеристики а и а по-разному реагируют на изме­нение ряда внешних и внутренних факторов.

Влияние температуры - преобладающий фактор, определяющий соотношение между величинами as и a. Явление перехода металла при понижении температуры из пластического состояния в хрупкое полу­чило название хладноломкости металлов. Механическое объяснение этого явления впервые дано академиком А. Ф. Иоффе и развито акаде­миком Н. Н. Давиденковым. Согласно гипотезе Иоффе, критическая температура хрупкости определяется точкой пересечения двух кривых о (Г) и о (Г)(рис. 20.8, а). Сопротивление отрыву практически не за­висит от температуры, в то время как предел текучести с повышением температуры понижается. Из графика видно, что при высоких темпера­турах предел текучести значительно ниже, чем сопротивление отрыву, и металл пластичен. При понижении температуры сопротивление пла­стической деформации значительно повышается, и при температурах ниже Т сопротивление отрыву меньше значения предела текучести - металл переходит в хрупкое состояние. Разброс реальных значений от о до a, определяемый вероятностным количеством дефектов в кристаллических решетках реальных металлов и сплавов, предопре­деляет температурный интервал от Гкр н до Гкр в перехода от вязкого раз­рушения к хрупкому (хрупковязкое разрушение), называемый крити­ческим интервалом хрупкости (рис. 20.8, б).

Как следует из графиков (см. рис. 20.8), критическая температура хрупкости или критический интервал хрупкости перемещается вправо

в сторону увеличения температуры, если кривая <^(7^) сдвигается вверх или кривая ~ вни;і* Эти направленные сдвиги могут быть обус­

ловлены:

а) б)

1) увеличением скорости деформации (динамическое нагружение), при этом растет сопротивление пластической деформации, т. е. предел текучести металла увеличивается;

2) наличием концентраторов напряжений. В местах концентрации напряжений происходит увеличение предела текучести металла. Это увеличение обусловлено увеличением сопротивления плас­тической деформации в условиях сложного напряженного состо­яния (двух - или трехмерного);

3) наличием в основном металле и металле сварного соединения внутренних дефектов (непроваров, газовых и неметаллических включений и др.), понижающих сопротивление отрыву;

4) укрупнением зерна, наличием ликвационных прослоек, умень­шающих межзеренную связь, т. е. снижающих сопротивление отрыву;

5) увеличением размеров швов и деталей. Снижение сопротивле­ния отрыву при этом обусловлено тем, что вероятность наличия опасных дефектов, определяющих сопротивление отрыву, в боль­ших объемах металла выше, чем в малых. Это явление носит на­звание «масштабный фактор».

Анализируя сказанное, можно утверждать, что одни и те же ме­таллы могут находиться в двух разных состояниях, причем анали­тически оценить возможное состояние не представляется возмож­ным. Учет влияния только отмеченных факторов в совокупности на хрупкую прочность сварных соединений и конструкций стано­вится чрезвычайно сложным.

Поэтому для практической оценки перехода металла в хрупкое со­стояние (для оценки хладноломкости основного металла и металла свар­ных соединений) прибегают к специальным испытаниям, оценивающим либо склонность металла к началу хрупкого разрушения, либо способ­ность к распространению хрупкой трещины.

1. Определение порога хладноломкости путем испытаний образцов. В настоящее время имеется несколько десятков типов образцов самой разнообразной формы с различного рода надрезами, кото­рые испытывают растяжением, изгибом, ударом и другими вида­ми нагрузки. Широкое распространение получили испытания на ударный изгиб. Образцы для этих испытаний обычно вырезают­ся таким образом, чтобы вершина надреза (различной степени остроты) располагалась либо в литой зоне, либо в ЗТВ на опре­деленном расстоянии от границы сплавления. Испытания про­водят при различных, последовательно понижающихся темпера­турах. В результате получают графики зависимости ударной вязкости КСU (KCV) от температуры (рис. 20.9).

Переход из пластического состояния в хрупкое проявляется в рез­ком уменьшении энергии, затрачиваемой на разрушение образ­ца при понижении температуры. В результате таких испытаний можно получить сравнительные характеристики сталей, отдель­ных зон сварного соединения в отношении их к переходу в хруп­кое состояние. Однако определить температуру перехода стали, металла сварных соединений в хрупкое состояние при работе их

в конкретной конструкции в настоящее время не представляется возможным.

2. Определение температуры перехода в хрупкое состояние путем испытаний специальных образцов, имитирующих эксплуатаци­онные разрушения материалов в пределах всей сварной конст­рукции. Обычно образцы для таких испытаний имеют значи­тельные размеры и конструктивно могут повторять, например, самый жесткий фрагмент (узел) реальной сварной конструкции. В исследуемом месте делается острый надрез или инициирует­ся предварительная трещина. Затем образец устанавливают в зажимы разрывной машины, охлаждают до определенной тем­пературы и статически нагружают до определенного уровня на­пряжений в месте надреза. Последующее ударное воздействие на образец вызывает хрупкое развитие трещины. Испытания ряда образцов при различном уровне напряжений и темпера­тур позволяет построить кривые (рис. 20.10).

будет распространяться и пересечет весь образец. Область, рас­положенная ниже и правее кривой, характеризует температуру и напряжения, при которых однажды возникшая трещина оста­новится и не будет распространяться. Для каждой стали, для металла конкретного сварного соединения наблюдается харак­терное для них расположение такой кривой.

3. Определение чувствительности стали к ТЦ сварки. Для оценки пригодности стали для изготовления сварных конструкций при­меняют также комплексные методы испытаний. Цель этих мето­дов - выбор режимов сварки, обеспечивающих получение свойств околошовной зоны, удовлетворяющих определенным требовани­ям, а также установление зависимости между свойствами ЗТВ и режимом сварки. В результате комплексных испытаний опреде­ляют оптимальный диапазон скоростей охлаждения околошов­ной зоны при сварке, в котором свойства металла благоприятны: сохраняется высокая стойкость против трещинообразования и перехода в хрупкое состояние.