Остаточные сварочные

электролитов. Развивающиеся при упрочнении остаточные сжимающие напряжения препятствуют превращению равномерной коррозии в сосредоточенную и, таким образом, препятствуют развитию коррозионно-усталостных трещин. В зависимости от характера поверхностной упрочняющей обработки эффективность этого метода защиты различна. Обработка наклепом повышает коррозионно-усталост-ную прочность стали в нейтраль-ных и слабокислых агрессивных средах. Поверхностная электро-

темп-ре. П.н. жидкости часто определяют как силу, действующую на ед. длины контура поверхности раздела фаз и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Благодаря П.н. капля жидкости при отсутствии внеш. воздействий принимает форму шара. П.н. зависит от хим. природы жидкости и темп-ры и уменьшается при увеличении темп-ры (до О при критической температуре). Снижение П.н. достигается введением в жидкость поверхностно-активных веществ. Величиной и изменениями П.н."обусловлены мн. поверхностные явления, особенно в дисперсных системах (см. также Капиллярные явления, „Смачивание}. ПОВЕРХНОСТНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ (ППД) - упрочнение материалов, особенно эффективное для изделий, работающих в условиях знакоперем. нагружения (оси, зубчатые колёса, коленчатые валы, подшипники, инструменты, сварные конструкции и т.п.). Для ППД применяют накатывание и раскатывание роликами и шариками, обкатку зубчатыми валками, чеканку, алмазное выглаживание, дорнование, вибрац. и гидроабразивную обработку и др. способы. В результате ППД уменьшается шероховатость поверхности, появляется наклёп, возникают остаточные сжимающие напряжения, повышающие усталостную прочность, износостойкость и долговечность изделия.

Величина и знак остаточных напряжений после механической обработки зависят от обрабатываемого материала, его структуры, геометрии и состояния режущего инструмента, от эффективности охлаждения, вида и режима обработки. Величина остаточных напряжений может быть значительной (до 1000 МПа и выше) и оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики деталей машин, их износостойкость и прочность. Выбором метода и режима механической обработки можно получить поверхностный слой с заданной величиной и знаком остаточных напряжений. Так, при точении закаленной стали 35ХГСА резцом с отрицательным передним углом 45° при скорости резания 30 м/мин, глубине резания 0,2-0,3 мм было получено повышение предела выносливости образцов на 40-50% и обнаружены остаточные сжимающие напряжения первого рода, доходящие до 600 МПа [25]. При шлифовании закаленной стали в поверхностном слое были обнаружены остаточные сжимающие напряжения до 600 МПа [26]. В некоторых случаях напряжения первого рода создаются намеренно в целях упрочнения. Например, для повышения усталостной прочности. Такой эффект получают наложением на поверхностный слой больших сжимающих напряжений путем обкатки поверхности закаленным роликом или обдувкой струей стальной дроби. Такой прием позволяет создать остаточные напряжения сжатия до 900—1000 МПа на глубине около 0,5 мм [25).

При ионной имплантации в высокопрочные материалы (керамики, твердые и дисперсионно-твердеющие сплавы, ионно-плазменные покрытия) большое значение приобретают остаточные напряжения в поверхностных слоях. Имплантированный атом раздвигает соседние атомы, появившиеся радиационные дефекты также способствуют образованию сжимающих напряжений [80]. Остаточные сжимающие напряжения эффективно предохраняют поверхность от разрушения растягивающими напряжениями, возникающими при трении в задней области пятен фактического контакта и сопоставимыми по уровню с прочностными характеристиками материалов. Экспериментальные исследования показывают, что поля упругих напряжений, связанных с ионно-лучевой обработкой, простираются на расстояния, многократно превышающие глубину пробега внедряемых ионов, и являются одной из причин так называемого эффекта дальнодействия [78]. Это означает, что глубина слоя с повышенной износостойкостью во многих случаях значительно превышает толщину легированного слоя.

слоев с развитой анизотропией механических свойств. Сопротивление материала усталостному износу определяется энергией, необходимой для зарождения трещин, и скоростью их распространения. Положительное влияние ионно-лучевой модификации на прочность в условиях малоцикловой усталости связано с появлением радиационных дефектов, улучшающих гомогенность деформации (измельчение полос скольжения), и со снижением энергии дефектов упаковки [80]. При многоцикловой усталости большое значение имеют формирующиеся вследствие ионной имплантации остаточные сжимающие напряжения.

Многочисленные исследования показали, что одним из наиболее эффективных методов воздействия на состояние поверхности, приводящих к повышению циклической прочности, является предварительное поверхностное пластическое деформирование (ППД). При этом применение ППД повышает циклическую прочность не столько в области многоцикловой усталости, сколько при больших перегрузках. Известны примеры, когда применение методов ППД позволяет повысить долговечность деталей из титановых сплавов, работающих в области малоциклового нагружения, в 17-20 раз, а предел выносливости-в 2 раза [ 187, с. 35, 43]. Вместе с тем по сравнению с многоцикловой усталостью эффективность применения ППД для деталей, работающих в малоцикловой области, изучена меньше. До последних лет отсутствовало даже научно обоснованное объяснение влияния ППД при больших перегрузках (выше предела выносливости), так как при этом роль остаточных сжимающих напряжений не может быть решающей. Возникающие при ППД остаточные сжимающие напряжения при значительных циклических пластических деформациях неизбежно релаксируют при первых же циклах нагружения. С целью установления природы влияния ППД на малоцикловую долговечность титановых сплавов были поставлены специальные опыты по изучению влияния ППД на статическую прочность и характер деформации. Исследование проводили на цилиндрических образцах сплава ВТ5-1 диаметром 10 мм. После механической шлифовки и полировки часть образцов подвергали электрополированию до полного удаления наклепанного слоя. Поверхностное пластическое деформирование осуществляли в трехроликовом приспособлении для обкатки (диаметр ролика 20 мм, радиус профиля ролика г— 5 мм, усилие на ролик изменялось от 300 до 1200 Н при определении статической прочности и равнялось 900Н при оценке характера деформирования). Обкатку вели на токарном станке в 2 прохода при скорости вращения шпинделя 100 об/мин

слой, наклеп'анный на значительную глубину. Он является особенно важным при упрочнении деталей типа тел вращения, в том числе боль ших поперечных размеров (валы, штоки и пр.). Основное влияние на величину остаточных напряжений и распределение их на глубину оказывают усилие и режим обкатки, геометрические параметры обрабатываемого изделия (или образца) и инструмента (ролик, шарик). Определенное значение имеют и механические свойства обрабатываемого металла. Остаточные сжимающие напряжения у поверхности титановых сплавов после обкатки могут достигать 500—600 МПа и даже превышать предел текучести, что свидетельствует о широких возможностях создания благоприятных схем напряженного состояния. Вместе с тем обкатка роликами (или шариками) заметно разрыхляет на определенной глубине поверхностный слой и создает там растягивающие напряжения, особенно при больших давлениях обкатки. Установлено, что положительное влияние обкатки на циклическую прочность гладких образцов титановых сплавов при многоцикловой усталости сравнительно невелико [188]. Повышение усталостных свойств гладких образцов составляет до 15 — 20 %, и то только при малых давлениях, при увеличении давлений обкатки предел выносливости при многоцикловой усталости начинает заметно снижаться. В этом принципиальное отличие действия обкатки на титановые сплавы от действия ее на стали. Причина этого —резкое возрастание шероховатости поверхности и отрицательное влияние растягивающих напряжений в "подкорковом" слое.

Упрочняющая поверхностная обработка деталей является одним из способов увеличения периода зарождения трещин при циклическом нагружении различных элементов конструкции. При такой обработке создаются остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое материала, что приводит к существенному повышению длительности периода зарождения усталостных трещин в элементах авиационных конструкций. Это типичная ситуация для поверхности стоек шасси ВС, изготавливаемых из высокопрочных сталей, и лонжеронов лопастей несущих винтов вертолетов, изготавливаемых из алюминиевого сплава АВТ и стали ЗОХГСА. Поверхностная обработка влияет на перераспределение соотношения между длительностями периода распространения трещины и долговечностью.

Испытания компактных образцов из алюминиевого сплава 7017-Т651 были выполнены при изменении среднего напряжения цикла от минус 0,5 кН до минус 1,5 кН при неизменной амплитуде цикла 0,5 кН с частотой 5 Гц и 25 Гц в условиях предварительного создания сжимающей перегрузки [21]. Образцы имели толщину 10, ширину прорези 2 и радиус в ее вершине 0,1 мм. Предварительное сжатие создавали нагрузками трех уровней — 6, 8 и 10 кН. Исследование распределения остаточных напряжений показало, что растягивающее напряжение после перегрузочного сжатия имеет место на расстоянии от дна надреза 1-2 мм для минимального и максимального уровня сжимающей нагрузки соответственно. На большем расстоянии имели место остаточные сжимающие напряжения. Переход к циклическому нагру-жению показал, что распространение трещин происходило только в пределах зоны остаточных растягивающих напряжений. Наибольшей длины, соответствующей глубине распространения остаточных растягивающих напряжений, трещины достигали при отнулевом сжимающем цикле нагружения. С возрастанием сжимающей части асимметрии цикла происходило уменьшение критической длины, при достижении которой развитие трещины прекращалось. Следовательно, перед вершиной распространяющейся трещины в пределах зоны пластической деформации всегда имеются растягивающие остаточные напряжения. Если в цикле приложения нагрузки положительные остаточные напряжения не могут быть созданы в результате пластической деформации, усталостная трещина распространяться не будет при любой положительной асимметрии цикла, когда максималь-

зоны пластической деформации, в которой действуют остаточные сжимающие напряжения [21, 22, 43-54]. Подробный анализ эффектов взаимодействия нагрузок показывает [26], что даже если имеется сложная комплексная модель поциклово-го прогнозирования роста трещин в элементах конструкции, она не может оперировать постоянными характеристиками эффектов взаимодействия, так как они зависят от вида материала, толщины модели конструктивного элемента, его геометрии, стадии роста трещины и др.

Решение о выборе метода воздействия на элемент авиационной конструкции приходится принимать на этапе формирования технологии ремонта или бюллетеня эксплуатационных осмотров. Стратегия выбора метода, его эффективность зависят от возможностей ремонтных подразделений, а также от понимания персоналом природы реализуемых операций над конструктивным элементом для торможения роста трещин. Так, например, самым известным воздействием на элемент конструкции с трещиной является операция просверливания отверстия в ее вершине. Для усталостных трещин реализация данной операции означает, что удаляется зона пластической деформации, которая имеет остаточные сжимающие напряжения. Поэтому после данной операции трещина может развиваться даже более интенсивно, хотя само отверстие уменьшает концентрацию напряжений. При хрупком разрушении достаточно снижения концентрации напряжений для значительной задержки трещины, тогда как для усталостного разрушения этого оказывается совершенно не достаточно.

Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегированных сталей и сплавов, есть специфические особенности, определяемые их служебным назначением. При сварке жаропрочных и жаростойких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигается термообработкой (аустенптизацией) при температуре 1050—1110° С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при температуре 750—800° С. При невозможности термообработки сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350—400° С. Чрезмерное охрупчи-вание швов за счет образования карбидов предупреждается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой окалиностойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов, стойких к общей жидкостной коррозии.

Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) может вызвать при сварке повышенные температурные и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких температурных напряжений со снижением механических свойств (рис, 156, а) может способствовать образованию трещин. Для уменьшения деформации конструции сварку ведут в жестком закреплении, по прихваткам. При повышенной толщине металла регулируют величину зазора.

Остаточные сварочные напряжения представляют собой систему внутренних сил, находящихся в равновесии. При нарушении этого равновесия напряжения перераспределяются, что сопровождается упругими и пластическими деформациями в дополнение к сварочным деформациям, полученным ранее в процессе сварки. Поэтому при механической обработке сварных заготовок часто невозможно добиться высокой точности их размеров.

Случаи разрушения сварных соединений после пуска объектов в эксплуатацию отмечены на участке трубопровода неочищенного природного газа от УКПГ-16 до ОГПЗ и его продолжении на территории завода. Трубопровод сооружен из труб 530x22 мм (низколегированная спокойная сталь марки МВ 54) фирмы Маппезтапп (Германия). Трубы предназначались для сооружения обвязочных технологических трубопроводов и компрессорных станций, эксплуатировать которые предполагалось в обычных и северных климатических условиях при давлениях 5,5-7,5 МПа. Использование труб в условиях контакта с сероводородсодержащими средами было согласовано с отраслевым научно-исследовательским институтом. Для установления причин разрушения кольцевых швов исследовали металл монтажного стыка с трещиной по оси шва длиной 250 мм. Установлено, что основной металл труб обладал высокой коррозионной стойкостью, а по химическому составу и механическим свойствам соответствовал требованиям, предъявляемым к сталям средней прочности, которые предназначены для эксплуатации в сероводородсодержащих средах. Металл сварного соединения (за исключением корневого шва) по химическому составу и механическим свойствам соответствовал требованиям нормативных документов. Механические свойства корневого шва не определяли из-за отсутствия образцов, но результаты металлографического анализа оказались неудовлетворительными. По-видимому, зарождение трещины в шве произошло в результате образования и последующего слияния подсолидус-ных горячих трещин в корневом шве, чему способствовали высокие остаточные сварочные напряжения и наличие непровара в корне шва. Возникновение остаточных напряжений и горячих трещин обусловлено, вероятно, отсутствием предварительного подогрева кромок перед сваркой и несоблюдением технологии отпуска сварных соединений.

фикату и обладал достаточной пластичностью при низкой твердости. Однако сварное соединение выполнено с нарушением установленных размеров, а остаточные сварочные напряжения в подварочном шве при отпуске сняты не полностью. В связи с наличием концентратора (резкого перехода от металла подва-рочного шва к основному металлу) суммарные растягивающие напряжения при работе крана достигали в месте возникновения трещины 170 МПа, то есть составляли 0,6 от предела текучести металла боковой крышки. Сероводородное растрескивание металла сварного соединения произошло вследствие воздействия сероводородсодержащей среды и наличия высоких локальных растягивающих напряжений в зоне сплавления корневого под-варочного шва. Другими причинами разрушения явились несоблюдение формы и размеров шва, а также неэффективность высокого отпуска.

Трещины представляют собой частичное местное разрушение металла в виде разрыва. Это наиболее опасный дефект. Трещины подразделяют на холодные (закалочные), горячие (кристаллизационные) и эксплуатационные. Холодные трещины образуются при неблагоприятном сочетании таких факторов, как высокая скорость охлаждения сварного соединения при сварке, способствующая образования малопластичных структур закалки, остаточные сварочные напряжения, насыщенность шва водородом, нерациональная форма шва и др. Горячие трещины образуются при кристаллизации сварочной ванны вследствие высокого содержания серы в металле шва, образования крупнозернистой структуры металла и наличия температурных деформаций. Эксплуатационные трещины возникают вследствие усталости, старения И исчерпания ресурса пластичности металла свар-

Чувствительность сварных соединений к дефекту сварки определяется не только соотношением между механическими характеристиками металлов, входящих в сварное соединение. Для целого ряда материалов понижение температуры эксплуатации, острота вершины дефекта, остаточные сварочные напряжения, местоположение дефекта в сварном шве традиционно рассматриваются как факторы, оказывающие существенное влияние на работоспособность сварных соединений и конструкций. При неблагоприятном сочетании данных факторов и неудачно выбранных конструктивно-геометрических параметров сварные соединения оказываются в области повышенной чувствительности к дефекту и наоборот, правильный выбор сочетания материалов, оптимальных форм размеров сварных швов может предотвратить неожиданные разрушения сварных конструкций и сооружений.

В процессе эксплуатации причиной многих отказов оболочковых конструкций является разрушение от трещиноподобных дефектов, которые возникают как в процессе сварки, монтажа и сооружения, так и в результате эксплуатационных повреждений. Обеспечение требуемого уровня надежности и работоспособности конструкций в процессе эксплуатации предполагает наличие информации о нагруженное™ стенки оболочки, которая является интегральной величиной действующих силовых воздействий на конструкцию (механических, температурных, монтажных и др.). Традиционно используемый для получения данных метод тензометрии позволяет получить информацию о напряженном состоянии конструкции при эксплуатационных нагрузках. Начальное напряженном состояние конструкции при этом не измеряется. Однако известно, что начальные напряжения (монтажные, остаточные сварочные и др.) могут оказать значительное влияние на работоспособность и на-дежность при эксплуатации.В связи с этим на передний план выходят методы оценки реальной нагруженности конструкций, позволяющие

Перечисленные противокоррозионные мероприятия весьма существенны, но недостаточны для надежной эксплуатации технологического оборудования. При сварке образуются остаточные сварочные напряжения и дефекты в сварных швах, которые полностью устранить невозможно. Невозможно также полностью

В соответствии со специальными инструкциями остаточные сварочные напряжения можно снимать методами повышенного давления или взрывной обработки.

Трещины представляют собой частичное местное разрушение металла в виде разрыва. Это наиболее опасный дефект. Трещины подразделяют на холодные (закалочные), горячие (кристаллизационные) и эксплуатационные. Холодные трещины образуются при неблагоприятном сочетании таких факторов, как высокая скорость охлаждения сварного соединения при сварке, способствующая образования малопластичных структур закалки, остаточные сварочные напряжения, насыщенность шва водородом, нерациональная форма шва и др. Горячие трещины образуются при кристаллизации сварочной ванны вследствие высокого содержания серы в металле шва, образования крупнозернистой структуры металла и наличия температурных деформаций. Эксплуатационные трещины возникают вследствие усталости, старения и исчерпания ресурса пластичности металла сварного соединения.