Холодные трещины. 
Холодные трещины

В отличие от кристаллизационных трещин холодные трещины образуются в сварных соединениях при остывании их до относительно невысоких температур, как правило, ниже 200 °C. К этому времени металл шва и околошовной зоны приобретает высокие упругие свойства, присущие ему при нормальных температурах. Холодные трещины являются типичным дефектом сварных соединений из среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Значительно реже они возникают в соединениях из низколегированных ферритно-перлитных сталей и высоколегированных сталей аустенитного класса. Ввиду преимущественного возникновения холодных трещин в соединениях из восприимчивых к закалке мартенситных и перлитных сталей трещины этого типа иногда называют закалочными. Холодные трещины наиболее часто поражают околошовную зону и реже металл шва. Выявляют трещины внешним осмотром, с помощью ультразвука, по макрои микрошлифам, а также по излому образцов.

По внешнему виду холодные трещины отличаются от кристаллизационных и горячих трещин меньшей шириной, что четко проявляется на слабо протравленных макрои микрошлифах.

В зависимости от расположения в сварном соединении различают продольные и поперечные трещины, залегающие в металле шва и околошовной зоне. Особо выделяют продольные трещины, залегающие в зоне сплавления шва с основным металлом, которые называют отрывами. Продольные трещины, расположенные в околошовной зоне, называют отколами. Часто встречаются также поперечные и продольные трещины, переходящие из околошовной зоны в шов. Переход трещин из шва в околошовную зону встречается значительно реже. Поперечные трещины, зародившиеся в околошовной зоне и перешедшие в шов. Трещины отмеченных видов могут выходить и не выходить на поверхность свариваемого металла. В зависимости от этого их называют наружными или внутренними трещинами.

Отколы являются наиболее общим и частым дефектом сварных соединений. Отрывы встречаются, как правило, в сварных соединениях из закаливающихся сталей, в которых металл шва имеет аустенитную структуру. Такую структуру получают путем соответствующего легирования швов с целью придания им высоких пластических свойств и обеспечения высокой сопротивляемости околошовной зоны образованию отколов.

Поперечные трещины в околошовной зоне встречаются редко и, как правило, только при сварке многослойных швов.

Холодные трещины в шве образуются, главным образом, при повышенном содержании в металле шва углерода и легирующих элементов, близком к содержанию их в основном металле. Это бывает редко, так как с целью повышения стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин содержание углерода в шве обычно устанавливают более низким, чем в основном металле.

Основным видом холодных трещин в сварных соединениях являются околошовные трещины, в связи с чем условия и причины их образования изучены достаточно подробно.

Кроме температуры возникновения, внешнего вида и расположения в соединении важнейшей отличительной чертой холодных трещин является их задержанное зарождение и замедленное развитие. Они возникают по истечении некоторого времени после окончания сварки и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяются в металле.

Типичный пример зарождения и развития продольной трещины в околошовной зоне однослойного стыкового соединения стали 35ХЗНЗМ толщиной 14 мм. Первая зародышевая микротрещина появилась через 25 мин после сварки при температуре около 130 °C. На протяжении первого часа после сварки появилось еще несколько микротрещин на границах зерен, выходящих на поверхность свариваемых листов. Они отчетливо обнаруживались с помощью ультразвука и под микроскопом, но были невидимы невооруженным глазом. В дальнейшем появились новые и развивались ранее возникшие микротрещины. Этот процесс происходил медленно — макроскопическая трещина образовалась лишь на третьи сутки. Если начальное развитие холодных трещин идет по границам зерен, то в дальнейшем оно может проходить как по границам, так и по телу зерна.

Описанная выше картина зарождения и развития холодных трещин может существенно изменяться в зависимости от химического состава основного металла, размеров и толщины соединяемых деталей, условий их закрепления перед сваркой, способов и режимов сварки и других факторов. Факторы, понижающие сопротивляемость сварных соединений образованию холодных трещин, ускоряют их зарождение и развитие, а факторы, повышающие эту сопротивляемость, замедляют.

Большое разнообразие условий для возникновения холодных трещин в реальных сварных конструкциях приводит к тому, что в одних случаях макроскопические холодные трещины появляются через несколько минут после сварки, а в других — после нескольких часов и суток. Известны примеры, когда трещины возникали даже по истечении нескольких десятков суток. Они могли образоваться только вследствие развития начальных микротрещин, возникших в соединении в первые часы после сварки и затем прекративших свой рост ввиду недостаточной величины сварочных напряжений или других причин. Впоследствии при хранении конструкций могли произойти неблагоприятные изменения внешних условий, способствующие развитию микротрещин в макротрещины. В условиях монтажа и эксплуатации сварной конструкции дополнительным фактором, который мог вызвать не только возобновление роста микротрещин, но и их образование, является суммирование сварочных напряжений с напряжениями от внешних нагрузок.

Холодные трещины чаще всего развиваются прерывисто, причем одновременно может развиваться несколько микротрещин. Если же в соединении при сварке накопилась большая энергия упругой деформации, то после начального периода замедленного развития холодная трещина растет мгновенно и со значительным звуковым и механическим эффектом распространяется на все сечение соединения. Отдельные детали при этом расходятся в стороны.

Объяснить причины образования холодных трещин весьма трудно. При испытании на растяжение поперечных образцов сварного соединения, склонного к образованию отколов, разрушение происходит вне околошовной зоны по основному металлу или шву при весьма высоких напряжениях. Вместе с тем замер поперечных сварочных напряжений в этих соединениях показал, что они низки. Было непонятно, почему такие низкие напряжения вызывают разрушение наиболее прочного участка сварного соединения — металла околошовной зоны.

Понадобились многолетние исследования, прежде чем были выяснены основные закономерности образования холодных трещин при сварке и было установлено, что основными факторами, определяющими их возникновение и развитие в сварных соединениях, являются закалочные явления, суммарные напряжения и водород. Для изложения основных результатов этих исследований рассмотрим водородную и закалочную гипотезы образования холодных трещин, предложенные еще в 1944 г. и непрерывно развивающиеся до настоящего времени.

В соответствии с водородной гипотезой основным фактором, определяющим стойкость околошовной зоны против образования трещин, является водород, поступающий в околошовную зону из металла шва. Гипотеза основывалась на экспериментальных фактах, свидетельствующих о том, что применение низководородных и аустенитных электродов приводит к заметному повышению сопротивляемости соединений образованию отколов.

Согласно гипотезе, попадающий при сварке в металл шва водород диффундирует в околошовную зону. Здесь, скапливаясь в микропустотах и несовершенствах атомной решетки и превращаясь из атомарного в молекулярный, он создает громадное давление, под действием которого и происходит разрушение металла, т. е. образование трещин. Высокую сопротивляемость образованию околошовных трещин соединений с аустенитным швом объясняли тем, что швы с аустенитной структурой в условиях сварочного термического цикла удерживают практически весь водород и перемещения водорода в околошовную зону не происходит.

Водородная гипотеза долгое время была общепринятой, хотя и не основывалась на прямых данных о связи отколов с содержанием водорода в околошовной зоне. Однако экспериментальные данные, полученные методом вакуум-нагрева отдельных участков сварного соединения, а также путем наблюдения за выделением из сварного соединения диффузионного водорода, показали, что при одинаковых условиях сварки содержание водорода в околошовной зоне при аустенитной структуре металла шва значительно выше, чем при ферритной структуре. В этих опытах производилась однослойная наплавка валиков под флюсом на сталь 30ХГС толщиной 30 мм. Данные о высоком содержании водорода в околошовной зоне соединений с аустенитным швом также получены и с помощью локального спектрального анализа.

Наряду с этим имеются многочисленные сведения о значительном повышении стойкости околошовной зоны против образования трещин при снижении содержания водорода в металле шва. Так, например, при снижении содержания водорода в металле шва в 1,5−2 раза, достигаемом при использовании постоянного тока взамен переменного, заметно повышается стойкость околошовной зоны против образования холодных трещин при сварке низколегированной ферритной проволокой сталей типа 25ХГС.

Таким образом, водород в одних случаях существенно влияет на стойкость околошовной зоны против образования трещин, в других же, например при сварке среднелегированных сталей аустенитной проволокой, его роль второстепенна. Это позволяет заключить, что водород не является главным и тем более единственным фактором, определяющим образование холодных трещин в сварных соединениях. Его влияние на их образование необходимо рассматривать совместно с действием других факторов, обусловленных преимущественно закалочными явлениями в околошовной зоне и сварочными напряжениями. В соединениях с аустенитным швом положительное действие других факторов значительно преобладает над отрицательным действием водорода.

Закалочная гипотеза холодных трещин основана на большом экспериментальном материале исследований закалочных явлений в металле вообще и в сварных соединениях в частности. При этом особое значение имеют исследования, установившие наличие и сущность замедленного разрушения закаленных сталей и металлов.

Согласно этой гипотезе, механизм образования холодных трещин можно описать следующим образом. В процессе охлаждения в околошовной зоне сварного соединения закаливающихся сталей образуется характерная мартенситная структура металла и сложное напряженное состояние, обусловленное суммированием сварочных и структурных напряжений. Для большинства конструкционных сталей, при сварке которых наблюдается образование холодных трещин, структурные превращения в околошовной зоне заканчиваются в основном при охлаждении до температур порядка 150 °C. К этому моменту завершается и формирование напряженного состояния в сварных соединениях из этих сталей.

Характерной и отличительной особенностью напряженного состояния сварных соединений, закаливающихся сталей с феррит-ным или аустенитным швом является возникновение сложного распределения продольных сварочных напряжений; это распределение характеризуется наличием сравнительно высоких напряжений сжатия в участке зоны на границе со швом и высоких напряжений растяжения в соседнем участке этой зоны, а также в сварном шве. Такое распределение продольных напряжений обусловлено значительным увеличением объема металла околошовной зоны, непосредственно граничащего со швом, вследствие мартенситного превращения. В поперечном направлении возникают небольшие растягивающие напряжения в средней части соединения и напряжения сжатия по краям. В результате на границе раздела шов-основной металл появляются большие скалывающие напряжения, способствующие замедленному разрушению закаленной стали и образованию холодных трещин типа отколов.

Замедленное разрушение происходит вследствие снижения прочности некоторых металлов под влиянием длительного статического нагружения при близких к комнатным температурах. В отдельных случаях это снижение прочности очень значительное. Так, например, для стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов непосредственно после закалки с высоких температур длительная прочность может составить всего 10% кратковременной прочности. Причины замедленного разрушения перегретой закаленной стали заключаются в особой ее структуре.

Типичная структура закаленной стали, склонной к замедленному разрушению, наблюдается в участке перегрева околошовной зоны. Она характеризуется крупным зерном и соответственно крупными мартенситными иглами, выходящими своими торцами на границы зерен. В результате изменений в пограничных объемах зерен искажается атомное кристаллическое строение металла. Можно предполагать, что по строению и свойствам эти пограничные участки зерен приближаются к аморфным телам.

Как известно, аморфные тела могут претерпевать значительную деформацию во времени под действием постоянной нагрузки, недостаточной для сколько-нибудь заметного деформирования тел при кратковременном ее действии. В свете современных представлений о строении мартенсита отмеченное искажение кристаллической решетки следует связывать также с тем, какой мартенсит образуется в околошовной зоне — дислокационный, относительно пластичный, или двойниковый, весьма хрупкий. Последнее определяется содержанием углерода в стали и температурой мартенситного превращения.

Исходя из замедленного характера разрушения сварных соединений и учитывая приведенные выше сведения о напряженном состоянии и структуре околошовной зоны, способствующих такому разрушению, зарождение и развитие холодных трещин можно описать следующей схемой. Еще в процессе завершения структурных превращений крупнозернистый металл околошовной зоны с грубыми мартенситными иглами, как бы подготовленный к замедленному разрушению по границам зерен, подвергается воздействию сложнонапряженного состояния. Этот металл подвергается естественному испытанию на стойкость против замедленного разрушения непосредственно в процессе сварки.

Так зарождаются околошовные трещины всех видов — продольные и поперечные. Направление дальнейшего развития зародившейся трещины зависит от способности металла того или иного участка сварного соединения противостоять ее развитию, а также от конкретного сочетания продольных и поперечных напряжений и, в частности, от величины перепада напряжений на границе шов — околошовная зона. При этом, как правило, начальная стадия развития холодных трещин связана с границами крупных зерен.

Образованию отрывов в соединениях легированных сталей с аустенитным швом помимо перепада напряжений и наличия крупных зерен в околошовной зоне способствуют низкая пластичность и прочность зоны сплавления. Следует также учитывать, что такие причины замедленного разрушения, как перегрев металла и большой перепад продольных напряжений, действуют одновременно и совместно только на границе шов — околошовная зона. Поэтому отмеченная граница в наибольшей степени подвержена образованию продольных трещин. Кроме того, металл околошовной зоны вблизи шва часто ослабляется развитием высокотемпературной химической неоднородности и неблагоприятным видоизменением неметаллических включений, обусловленным нагревом до высоких температур, близких к точке плавления.

Образование поперечных трещин также начинается в околошовной зоне на участке перегрева и обычно свидетельствует о высоком уровне продольных напряжений в соединении. В сравнительно редких случаях, преимущественно в соединениях с многослойными швами, поперечные холодные трещины могут зарождаться в околошовной зоне на некотором расстоянии от участка перегрева, в местах, где развиваются весьма высокие напряжения растяжения. Возможно также зарождение поперечных трещин в самом металле шва. Обычно это имеет место в многослойных малопластичных швах.

Выше было рассмотрено возникновение зародышей холодных трещин по границам зерен вследствие нарушения по этим границам атомного строения металла. В реальных металлах возможен и другой механизм образования зародышей таких трещин, связанный с наличием неметаллических включений. Последние могут располагаться в металле по границам и телу зерен. Зародышами холодных трещин могут стать неметаллические включения при их неблагоприятных форме, химическом составе и расположении, а также горячие трещины — надрывы, возникающие в участке крупного зерна околошовной зоны. В результате неизбежного нагрева этого участка до температур, близких к солидусу, в нем происходят значительные изменения исходных неметаллических включений основного металла. Это имеет существенное значение при электрошлаковой и дуговой однослойной сварке толстого металла.

Отмеченные изменения происходят в наибольшей степени в тех участках соединения, где максимальный перегрев околошовной зоны сочетается с высокими временными напряжениями растяжения при температурах, близких к солидусу. Такое неблагоприятное сочетание условий имеет место при сварке кольцевых швов толстостенных сосудов.

При помощи электрошлакового и электроннолучевого переплавов можно существенно уменьшить общее количество неметаллических включений в основном металле, предельно ограничить содержание легкоплавких включений сульфидного происхождения и перевести их в более тугоплавкие соединения, а также достичь равномерного и мелкодисперсного распределения неметаллических включений в металле. При этом значительно повышается стойкость сварных соединений против образования холодных трещин. Аналогичные результаты можно получить, применив предварительную наплавку подлежащих сварке кромок.

Если наплавку выполнить металлом такого же химического состава, что и металл кромок, то стойкость соединения против образования холодных трещин обычно на 20−30% превысит стойкость соединения без наплавки. В этом случае эффект достигается вследствие благоприятных изменений состава и распределения неметаллических включений в наплавленном металле. Если же применить наплавку незакаливающимся металлом, например аустенитным, то можно почти полностью устранить опасность возникновения в соединениях холодных трещин.

сталь трещина дефект околошовный.