Формулы (1.1) и (1.2) дают близкие значения Сэ; но формуле (1.3) значения Сэ существенно ниже; но формуле (1.4) значения Сэ в большинстве случаев занимают промежуточное положение.
Таблица 1.1. Значения углеродного эквивалента, рассчитанные для разных строительных сталей по формулам (1.1)-(1.4)
Сталь
Углеродный эквивалент*, % но массе
марки
ВСтЗсп
0,18-0,45 0,31
0,19 - 0,47 0,33
0,14 - 0,3 0,22
0,17 - 0,38 0,28
09Г2
0,29 - 0,57 0,43
0,29 - 0,6 0,45
0,14 - 0,29 0,22
0,19 - 0,52 0,33
09Г2С
0,27 - 0,56 0,42
0,29 - 0,6 0,45
0,14 - 0,3 0,22
0,19-0,51 0,33
15ХСНД
0,29 - 0,6 0,44
0,29 - 0,62 0,46
0,17 - 0,35 0,26
0,23-0,61 0,42
ЮХСНД
0,3 - 0,6 0,45
0,32 - 0,62 0,47
0,17 - 0,32 0,24
0,21-0,54 0,35
14Г2АФ
0,3-0,63 0,46
0,3 - 0,66 0,47
0,17 - 0,37 0,27
0,23 - 0,66 0,45
16Г2АФ
0,33-0,69 0,51
0,33 - 0,69 0,51
0,19 - 0,39 0,29
0,29 - 0,7 0,51
12Г2СМФ
0,31-0,65 0,48
0,32 - 0,69 0,50
0,16 - 0,34 0,25
0,21-0,62 0,38
12ГН2МФАЮ
0,36 - 0,72 0,54
0,31-0,69 0,50
0,16 - 0,34 0,25
0,22 - 0,63 0,39
* Над чертой- минимальное и максимальное значение, иод чертой- среднее.
Для большинства сталей минимальные и средние значения Сэ по табл. 1.1 соответствуют удовлетворительной свариваемости. Однако для верхних пределов марочных составов значения Сэ опасно увеличены. Это обусловлено существующими в металлургической практике весьма широкими допусками на марочный состав. Между тем за рубежом часто предлагаются стали такого же уровня прочности с жестко ограниченным углеродным эквивалентом, например, не более 0,40 %. Важно также знать фактическое распределение Сэ для каждой марки стали. Однако данные об этом, как правило, отсутствуют.
Помимо вероятности образования в околошовной зоне холодных трещин и трещин задержанного хрупкого разрушения от качества строительной стали зависят также вероятность образования при сварке горячих (кристаллизационных) трещин в металле шва и ламелярных (слоистых) трещин в окружающем шов металле. Па образование кристаллизационных трещин во многом влияет состав основного металла и его количество, переходящее в металл шва. Считают, что кристаллизационные трещины в угловых швах при сварке под флюсом могут образовываться, если содержание элементов в металле шва превосходит следующие пределы: углерода - 0,14 %, кремния - 0,25 %, серы - 0,045 %, фосфора 0,05 %. Для проката с ликвационной неоднородностью как, например, из кипящей стали, появление кристаллизационных трещин наиболее вероятно.
В образовании слоистых трещин главную роль играет загрязненность основного металла вытянутыми и строчечными неметаллическими включениями. Паиболь-
шее значение имеют сернистые включения. Оказывают влияние также химический состав стали и содержание в металле шва водорода. Более подробно о слоистых трещинах см. в п. 1.8.
Проблема свариваемости включает в себя также склонность стали к локальному ухудшению под влиянием сварки основных эксплуатационных характеристик. Это, в первую очередь, снижение хладостойкости, обусловленное образованием грубой неоднородной микроструктуры, динамическим деформационным старением, твердением вследствие выделения дисперсных карбонитридных частиц. Оно выражается в смещении температуры хрупкости в сторону положительных температур.
При сварке термически или термомеханически упрочненной стали возможно локальное разупрочнение [7-9]. Оно обусловлено совместно протекающими отпуском и фазовой перекристаллизацией. Локальное разупрочнение выявляется измерением твердости и обычно находится в пределах 10-30 % твердости исходного основного металла.
Предложено много способов экспериментальной оценки свариваемости, включая механизированные способы испытаний в условиях имитированных термодеформационных циклов сварки [10, 11]. Однако их применение необходимо только при разработке новых сталей или при использовании существующей стали в той области, в которой она ранее не применялась. Для проката традиционных свариваемых сталей при их обычном использовании достаточной гарантией свариваемости является соответствие химического состава и механических свойств нормам технических условий и стандартов.
1.1.3. Сопротивление хрупкому разрушению. Другим фактором, ограничивающим выбор стали для сварных металлоконструкций и, в частности, препятствующим дальнейшему повышению ее прочности обычным легированием (например, кремнием), является требование хладостойкости. Для строительной стали с ним ассоциируется сопротивление хрупкому разрушению микросколом. При этом виде разрушения зерна металла раскалываются по определенным кристаллографическим плоскостям с образованием в изломе характерных «кристаллических» фасеток и «ручьистого узора». Размер фасеток близок к размеру зерен в плоском сечении шлифа.
Разрушения этого вида особенно опасны, так как происходят внезапно, распространяясь с высокой скоростью без заметной макропластической деформации, часто даже при весьма низких напряжениях от рабочей нагрузки. Сварные конструкции подвержены хрупкому разрушению микросколом более других. Этому способствует концентрация напряжений, структурная и механическая неоднородность, неразъемность и наличие высоких сварочных напряжений.
Хладостойкость элемента конструкции определяется температурой хрупкости, при которой возможен переход от предполагаемого вязкого разрушения к хрупкому разрушению микросколом. На эту температуру влияют как физические свойства стали (предел текучести, микроструктура), так и «внешние» условия нагружения (напряжение, жесткость напряженно-деформированного состояния, величина и скорость деформации). Чтобы разобраться в их взаимодействии целесообразно принять во внимание сильную зависимость предела текучести железа и его сплавов от температуры и скорости деформации. При постоянной скорости деформации температурную зависимость продела текучести можно выразить приближенным соотношением
o,(T) = Ooe-P+M-" (1-5)
где d - средний диаметр зерна микроструктуры; , (3 - коэффициенты не зависящие от температуры; Oq - предел текучести стали с бесконечно большим диаметром зерна при абсолютной температуре Т, равной О °К.
Прогнозировать хладостойкость конструкции можно с помощью представлений о силовом критерии, развитом Л.А. Копельманом [12] на базе работ А.Ф. Поффе, П.П. Давиденкова, Я.Б. Фридмана и Г.В. Ужика, предполагающем, что разрушение возникает при одновременном наступлении текучести в некоторой локальной области материала и достижении растягивающим напряжением Oi некоторой критической величины Sf:
о,- > От , Oi > S , (1.6)
где о,- - интенсивность напряжений; 6* - напряжение микроскола - важная характеристика сопротивления стали хрупкому разрушению, в отличие от предела текучести она мало зависит от температуры и других условий нагружения, но чувствительна к микроструктуре и может быть выражена простой функцией величины зерна [13].
мс = (1-7)
где ks - коэффициент.
Используя уравнения (1.5), (1.6), (1.7), можно получить уравнение температуры хрупкости - перехода в данной локальной области нагружаемого элемента от вязкого разрушения к разрушению микросколом [14]
lln 5
(3 qk,d- - k,d-"
7;= 77In , ,-,/2 °, ,-,/2. [°K], (1.8)
где = о,- / Oi - фактор жесткости напряженно-деформированного состояния.
Уравнение в этом виде, хотя и не отражает прямо всех влияющих факторов (например величины и скорости пластической деформации), однако наглядно вскрывает взаимосвязь влияния как внешних условий нагружения, так и физических свойств стали, ее прочности и микроструктуры. В этом уравнении для «мягкой» стали с феррито-перлитной микроструктурой коэффициенты (3 = (6...8) 10" град"1; к = 19,6 П/мм/ 77 н/мм/ • ддд углеродистой стали Оо = 981 П/мм; фактор q при одноосном растяжении равен 1, при наличии предельно острого концентратора напряжений - 1/3, при испытании на изгиб образцов с треугольным надрезом типа Шарпи - 0,6.
Весьма велика роль особенностей внешнего нагружения. Согласно уравнению (1.8) переход от условий растяжения гладкого образца (=1) к растяжению элемента с острым концентратором напряжений {q= 1/3) повышает строительной стали на 170-200 °С.
Из уравнения (1.8) также следует, что любой из факторов, упрочняющих сталь и вызывающих увеличение Oq (возрастание содержания элементов в твердом растворе, наклеп, старение, радиационное упрочнение и др.) повышает , т.е. ох-рупчивает материал, а измельчение зерна микроструктуры d, напротив, снижает т.е. повышает хладостойкость. Следовательно, непременным условием сохранения хладостойкости при повышении прочности является измельчение микроструктуры.
Па основании исследований особенностей хрупкого разрушения микросколом предложено много способов экспериментальной оценки хладостойкости стали и металла сварных соединений. Почти все они предусматривают многократные (сериальные) испытания одинаковых (для данного способа) по размерам и форме образцов, но при разных температурах. Показателем качества служит температура, при которой контролируемый признак (поглощенная работа, доля волокна в изломе, сужение под надрезом, разрушающее напряжение и т.п.) по мере проявления хрупкости с понижением температуры достигает некоторой нормируемой величины.
