Аналіз випадків руйнування зварних конструкцій, що працюють в самих різних умовах, свідчить про те, що найчастіше їх руйнування починається від дефектів, що виникають в зварному з'єднанні або в основному металі.
Вище було розглянуто вплив пір, неметалевих включень і тріщин на міцність металів. Однак в зварних з'єднаннях крім перерахованих дефектів на міцність можуть вплинути не проварити, що не сплаву, форма зварного шва і т. Д. До того ж вплив дефектів, що знаходяться в зварному з'єднанні, буде трохи іншим, ніж в металі, що пов'язано з наявністю в звареної конструкції залишкових напружень, які виникають внаслідок високотемпературного нерівномірного нагрівання металу при зварюванні. Тому вплив дефектів, що представляють собою концентратори напружень, буде багато в чому залежати від розподілу залишкових напруг і робочих напруг, що виникають в процесі експлуатації, і сукупності всіх цих напруг.
З усіх дефектів, що зустрічаються в зварних швах, найбільш небезпечні тріщини. Саме наявність тріщин в зварному з'єднанні часто є причиною аварійного руйнування відповідальних зварних конструкцій. Це пов'язано з тим, що тріщини, що знаходяться в зварних з'єднаннях, послаблюють перетин швів або елементів, що зварюються і тим самим зменшують статичну міцність з'єднань. Крім того, будучи концентраторами напружень, тріщини істотно зменшують і динамічну міцність зварних з'єднань.
Негативний вплив тріщин на працездатність зварних з'єднань підвищується ще й тим, що з часом розміри тріщин постійно збільшуються. Це зростання відбувається тим швидше, чим більше величина навантаження і чим вище її динамічність і циклічність. Крім того, на збільшення розмірів тріщин впливає і зовнішнє середовище (газова і рідинна).
Безсумнівно, що збільшення розмірів тріщин, які утворилися під час зварювання, може привести до руйнування конструкцій під час експлуатації. Зростання розмірів тріщин в процесі експлуатації особливо небезпечний в тих випадках, коли це збільшення не викликає помітних розладів роботи конструкції, наприклад, при експлуатації різного роду ґратчастих конструкцій (мостові і підкранові ферми, різні перекриття і т. Д.).
Це обумовлено тим, що в подібних конструкціях тріщини можуть з'явитися і рости спочатку в одному, а потім і у всіх швах, що пов'язують якісь окремі елементи. Вихід з ладу одного елемента конструкції може не привести до негайного руйнування всієї конструкції, але він викличе-перевантаження інших несучих елементів, що звичайно збільшить ймовірність її руйнування.
Небезпека наявності тріщин у звареному з'єднанні полягає також в тому, що вони, будучи дефектами плоского типу, важко виявляються рентгенівськими методами контролю.
Якщо негативний вплив тріщин на міцність зварних з'єднань не викликає сумнівів, то щодо впливу пір і неметалевих включень на працездатність зварних конструкцій існують різні думки. Тому розглянемо більш детально вплив пір і неметалевих включень на механічні властивості зварного з'єднання.
Більшість дослідників, які вивчають вплив пір на міцність зварних з'єднань, приходить до висновку, що до певної межі наявність пір в металі шва практично не знижує його статичної міцності.
Для низьковуглецевих сталей цю межу становить приблизно 10% площі поперечного перерізу шва, для перлитових сталей - 6 8%, для алюмінієвих сплавів - 3,6%. а Згідно з даними, для алюмінієвого сплаву Амг-6 пори діаметром менше 0,5 • Ю-3 м, які не супроводжуються оксидними плівками, практично не впливають на характеристики міцності зварного з'єднання. недоокіслённие пори, якщо їх діаметр не перевищує (1,8-2,0) • 10
3 м, знижують статичну міцність швів без посилення приблизно на 6%. Ланцюжки частково злилися пір (dn = 2 - 10
3 м) загальною довжиною не більше 30% довжини шва знижують його статичну міцність на 11-15%.
Несучу здатність зварного шва з порами можна визначити за такими формулами:
для одиночних пір
для ланцюжка і сітки пір
де dn - діаметр пори (для ланцюжків і скупчень - середній діаметр); £ шах - максимальна ширина шва; АІ - найменша відстань між сусідніми порами; Ві - висота шва для наскрізної пори або глибини пори.
Однак часу не тільки знижують статичну міцність зварного з'єднання, але, будучи концентраторами напружень, можуть викликати зниження витривалості зварного з'єднання. Значний вплив пір на опір втоми зварних з'єднань для різних матеріалів відзначено в ряді робіт.
Особливо сильний вплив на витривалість зварних з'єднань надає наявність пір, розташованих в зонах високих розтягуючих залишкових напружень. В цьому випадку стають небезпечними навіть поодинокі пори.
Оскільки розтягують залишкові напруги дуже високі в поверхневих шарах металу шва, то небезпека руйнування зростає, якщо пори будуть розташовані близько до поверхні. Це підтверджується даними, згідно з якими величина коефіцієнта концентрації напружень для газових пір зростає з 2,05 до 5,0 при наближенні пори з обсягу до поверхні на відстань, рівну діаметру пори. З тієї ж причини будуть небезпечними і пори, що вийшли на поверхню шва, особливо якщо в процесі експлуатації відбувається взаємодія поверхні з рідким середовищем.
Однак зварні з'єднання руйнуються і по внутрішнім порам, якщо останні розташовані в зонах високих розтягуючих залишкових напружень. Оскільки вплив пір пов'язано з величиною залишкових напружень, то очевидно, що наявність пір буде більше позначатися на механічні властивості довгих поздовжніх швів, де розтягують залишкові напруги зазвичай досягають високих значень.
Тверді шлакові і металеві включення, що містяться в металі шва, також роблять помітний вплив на механічні властивості зварного з'єднання. Оскільки неметалеві включення є концентраторами напружень, то цей вплив має суттєво залежати від величини, форми і розподілу включень, а також від сил зв'язку на кордоні включення-метал, співвідношення пружних констант включень і матриці. Згідно з даними, форма, розподіл і фазовий склад неметалевих включень розміром менше 1 мкм істотно впливають на величину ударної в'язкості ан і критичну температуру крихкості металу шва. Особливо помітний вплив на рівень ан неметалічних включень остроугольной форми. Освіта скупчень неметалічних включень також знижує величину ударної в'язкості.
Дослідження впливу шлакових включень на статичну міцність зварних з'єднань показало, що при наявності шлакових включень в кількостях до 10% площі поперечного перерізу шва межа міцності металу шва майже не змінюється. Однак при роботі зварного з'єднання в рідких агресивних середовищах наявність шлакових включень на поверхні швів зі сталі КВК-42 призвело до зниження стійкості зварних з'єднань проти корозійного розтріскування на 20-25%. Тому при роботі в агресивних середовищах навіть при статичному навантажені наявність шлакових включень в звареному шві знижує довговічність конструкції.
Результати досліджень впливу неметалевих включень на циклічну міцність зварних швів свідчать про те, що при числі циклів до 104 опір втоми зварного шва, що містить включення, майже не відрізняється від міцності основного металу. При більшій кількості циклів нагородження на міцність зварних швів починають впливати розміри включень. Причому чим більший розмір включення, тим в більшій мірі знижується опір втоми зварного з'єднання.
У зв'язку з відмінностями у фізичних властивостях включень і матриці, зокрема різниці коефіцієнтів термічного розширення, в області розташування включення і в ньому самому можуть виникнути значні за величиною напруги. За даними, о = 588 МПа. Настільки високі значення напруг можуть привести до появи ділянки перед руйнування поблизу розташування включень. Очевидно, що проведення термообробки, в якійсь мірі знижує виникають поблизу включень напруги, має зменшити і небезпечний вплив неметалевих включень.
Це підтверджується і експериментальними даними по впливу термообробки на опір втоми зварних з'єднань зі жужільними включеннями. Відзначимо, що експериментальні дані отримані для металу товщиною понад 12 - 10
3 м; для деталей меншої товщини шкідливий вплив шлакових включень посилюється.
Виникнення термічних напружень поблизу включень пов'язано з хімічним складом неметаллического включення. Тому важливе значення при визначенні впливу неметалевих включень на міцність металу має вибір легуючих елементів, оскільки від цього залежить склад включення. Так, при охолодженні металу навколо включень (А1203, С алюмінати), які володіють меншим коефіцієнтом термічного розширення, ніж метал, виникають поля напружень. Включення, у яких коефіцієнт термічного розширення вище, ніж у сталі, наприклад MnS, MnSe, утворюють порожнини на кордоні з металом, що теж шкідливо.
Наявність неметалевих включень в металі шва може сприяти утворенню інших дефектів. Наприклад, сульфідні включення, які часто мають температуру плавлення нижче температури кристалізації металу, викликають утворення гарячих тріщин. Наявність нітридів в металі шва збільшує його схильність до старіння і т. Д.
Таким чином, навіть такий дуже короткий огляд свідчить про значний вплив неметалевих включень, що містяться в зварних швах, на працездатність зварних конструкцій.
Чи не проварити, підрізи і не сплаву, будучи плоскими дефектами, створюють значну концентрацію напружень і помітно знижують статичну і динамічну міцність зварного з'єднання. Подібна залежність спостерігається для самих різних матеріалів. Особливо помітно ці дефекти впливають на динамічну міцність. Навіть невеликі по величині не проварити (10% товщини перетину) знижують опір втоми в 2 рази. Причому негативний вплив підрізів, наплавленні і не проварити посилюється, якщо дефекти знаходяться в полі високих розтягуючих залишкових напружень.
Отже, хоча і в різній мірі, але все розглянуті дефекти зварних швів (тріщини, пори, неметалеві включення, підрізи, що не проварити, що не сплаву) впливають на працездатність зварних конструкцій, особливо під дією знакозмінних і ударних навантажень.