Свойства низкоуглеродистых и низколегированных сталей, а также сварных соединений из них наиболее заметно изменяются при понижении температуры. При испытании гладких образцов из этих сталей пределы текучести, прочности и выносливости повышаются, а относительное удлинение и поперечное сужение понижаются.

Для служебных характеристик сварных соединений и элементов сварных конструкций решающим является их способность сопротивляться хрупким разрушениям. Поэтому вопросы хладостойкости принято рассматривать в тесной связи с хрупкостью металлов. При переходе от вязкого разрушения металла к хрупкому изменяются внешний вид поверхности излома, глубина пластически деформированного слоя металла от поверхности разрушения и как следствие работа пластической деформации металла.

Рис. 1

Изменение площади разрушения с волокнистым характером разрушения (а)

и работы разрушения металла при быстром динамическом распространении

трещины в зависимости от температуры испытания.

В некотором достаточно узком интервале температур, разном для разных металлов, доля площади В разрушения с волокнистым характером разрушения изменяется от 100% до нулевой величины, уступая место хрупкому кристаллическому излому, и понижается работа Gд разрушения металла при быстром динамическом распространении трещины. Температуру, при которой поверхность разрушения имеет 50% хрупких участков и 50% вязких, принято называть первой критической температурой Ткр1. При испытании крупных образцов и динамическом приложении нагрузок Ткр1 несколько смещается вправо, а при испытании более мелких образцов и статическом приложении нагрузок - влево, в область более низких температур. Смещение Ткр1 обычно невелико ( в пределах 10-20ºС ). Положение Ткр1 зависит от химического состава, способа производства и термической обработки стали, а также других факторов. Чем Ткр1 стали ниже, тем более широко эту сталь можно применять для изготовления сварных конструкций различного назначения. Положение Ткр1 указывает лишь на область перехода от вязкого разрушения к хрупкому, но не характеризует количественно способность металла сопротивляться разрушению при быстром распространении трещины. Количественной характеристикой является величина Gд кгс∙м/см2, чем больше она, тем меньше вероятность разрушения.

Для оценки свойств сварных соединений и элементов сварных конструкций при пониженных температурах применяют многочисленные методы и критерии. Критерии и методы испытаний могут быть классифицированы по многим признакам, в частности, различают методы, с помощью которых определяется способность металла сопротивляться началу разрушения, и методы, с помощью которых оценивают свойства металла в процессе распространения трещины. Критерии классифицируют также по роду регистрируемой величины, разделяя, например, их на критерии, связанные с напряжениями деформацией, перемещением и затраченной энергией.

Рис. 2

Зависимость предела текучести sт, среднего разрушающего напряжения sр

и процента волокнистости излома В от температуры.

Наиболее распространена оценка сварных соединений и элементов сварных конструкций по разрушающей силе Рр или среднему разрушающему напряжению sр. С их помощью можно выявить так называемую вторую критическую температуру Ткр2. При Ткр2 среднее разрушающее напряжение испытываемого элемента становится равным пределу текучести металла sт при соответствующей температуре.

Положение Ткр2 зависит от многих факторов. Чем выше концентрация напряжений, скорость приложения нагрузки, остаточные напряжения, уровень сварочной пластической деформации, содержание газов и вредных примесей в шве, скорость охлаждения при сварке, приводящая к закалке, крупнее зерно и больше сечение испытываемого элемента, а также хуже защита металла при сварке, тем правее располагается Ткр2, смещаясь в сторону положительных температур. При крайне неблагоприятных сочетаниях отрицательных факторов в ограниченной области сварного соединения свойства металла существенно ухудшаются, при этом Ткр2 может оказаться даже правее Ткр1.

Преимуществом испытания для определения sр является его простота. Недостаток состоит в том, что, проводя испытания конструкционного элемента при конкретной температуре Т выше Ткр2 и получая коэффициент запаса прочности ns=sр/sт>1, нельзя судить о запасе пластичности и о возможности наступления хрупкого разрушения. Это объясняется тем, что на диаграмме в координатах напряжение - средняя деформация eср. в опасном сечении при изменении концентрации напряжений, свойств металла и т. п. Точка разрушения D смещается в основном по горизонтали, в то время, как средняя разрушающая деформация eср.р изменяется существенно.

Рис. 3

Диаграмма зависимости среднего напряжения s от средней деформации eср.

Большое развитие получила механика разрушения. Одним из основных понятий в механике разрушения является коэффициент К интенсивности напряжений. Он характеризует напряженное состояние вблизи конца трещины, находящейся в нагруженном элементе. В момент начала продвижения конца трещины при механических испытаниях материала регистрируется критический коэффициент интенсивности напряжений КIc или Кс , который является характеристикой материала и служит для оценки его способности сопротивляться началу движения трещины при статической или ударной нагрузке в зависимости от условий проведения испытаний.

Также большое значение для оценки свойств сварных соединений и основного металла имеют энергетические критерии. Для определения свойств металла околошовных зон и шва широко применяют испытания на ударный и статический изгиб призматических образцов с получением диаграммы Р( сила ) - f(прогиб образца ). Диаграмма ( рис. а )имеет линейный упругий участок ОА, Участок изгиба образца АВ до появления в надрезе трещины или до начала ее движения, если трещина создана заранее, и участок ВС, если трещина распространяется по поперечному сечению образца.

Рис. 4

Характер диаграмм Р - f при вязком (а) и хрупком (б) распространении трещины

Площадь фигуры ОАВD представляет собой работу пластической деформации образца на стадии до начала движения трещины, площадь DВЕ - накопленную энергию упругой деформации, площадь DBCF является работой пластической деформации образца во время продвижения трещины. При хрупком распространении трещины ( рис. б ) удается определить только работу пластической деформации изгиба - площадь OABD. Вертикальный участок диаграммы по линии ВЕ указывает лишь на то, что работа, истраченная на распространение трещины, меньше величины энергии упругой деформации, выражаемой площадью DBE, но какова она в действительности, установить невозможно.

Современные способы сварки и применяемые сварочные материалы обеспечивают получение наплавленного металла, не уступающего по хладостойкости основному металлу аналогичного химического состава, а в некоторых случаях даже превосходящего по своим свойствам основной металл. Однако при сварке имеется ряд факторов, таких как условия производства сварочных работ, качество сварочных материалов, защита расплавленного металла, термомеханическое воздействие сварки на металл, геометрическая форма соединений и другие, недостаточное внимание к которым может привести к резкому ухудшению свойств металла и снижению хладостойкости сварных конструкций.