Как влияют окислы в сварном шве на свойства сварного соединения: Как влияют окислы в сварочном шве на свойства сварного соединения?

Содержание

Процессы, протекающие при плавлении и остывании металла в сварном шве

Подробности

Подробности: Опубликовано 27.05.2012 13:32; Просмотров: 15898

В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени горелки или в воздухе. В результате такого взаимодействия могут произойти испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (составляющих) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.

Испарение металлов. При сварке металлы нагреваются до температуры, которая может быть равной или близкой к температуре кипения, в результате чего происходит1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металлов при сварке сплавов (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железомарганцевых и других) может привести к значительному уменьшению концентрации отдельных составляющих, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.

Окисление металла при сварке. Металл окисляется преимущественно газами пламени горелки или при проникновении кислорода воздуха из окружающей среды. Некоторое значение может иметь и окисление расплавляемого металла окислами (окалина, ржавчина), находящимися на поверхности свариваемого металла или присадочной проволоки.

Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение не только с железом, но и с примесями, что увеличивает общее содержание кислорода в стали. Наличие кислорода в стали (в виде окислов или в чистом виде) приводит к понижению механических свойств металла.

В процессе окисления содержание в металле некоторых элементов уменьшается, так как они выгорают. Так, при сварке стали выгорают углерод, кремний и марганец. В результате выгорания указанных элементов свойства стали изменяются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя из ванны, вызывает кипение ее и усиливает разбрызгивание металла сварочной ванны, — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.

Раскисление металла. При совместном существовании в жидком металле нескольких разнородных окислов между ними могут происходить химические реакции, в результате чего получаются соединения, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления исходных окислов.

Эта особенность облегчает удаление окислов из металла, так как полученные соединения, имея низкую температуру плавления, находятся все время в жидком состоянии и легко удаляются из расплавленной ванны.

При сварке ряда металлов применяются флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию таких легкоплавких соединений.

Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов.

Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязано. Так, например, восстановление окислов железа и стали в условиях сварки осуществляется преимущественно углеродом, кремнием и в небольшой степени марганцем, т. е. при этом окисляются три элемента за счет кислорода окислов железа. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.

Наличие в стали легирующих примесей (кремния, марганца, хрома, титана и др.), которые легче окисляются, уменьшает окисление углерода, так как восстановление окислов железа происходит в основном за счет окисления этих примесей.

Раскисление сварочной ванны может в некоторой степени осуществляться углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени горелки. При этом пламя не только восстанавливает окислы, но и предохраняет расплавленный металл от окисления его кислородом и насыщения азотом воздуха, при растворении которых шов получается хрупким. Нужно иметь в виду, что ацетиленокислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют главным образом лишь на поверхности сварочной ванны. Поэтому газовую смесь сварочного пламени по отношению к расплавленному железу правильнее рассматривать не как раскислитель, восстанавливающий окислы железа, а как защитную среду, затрудняющую доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющую окисление металла. Это особенно ярко выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем оказывается недостаточным. В таких случаях требуется применять флюсы, которые способствуют удалению окислов из металла.

Таким образом, для полного раскисления металла путем восстановления окислов, которые растворены в ванне, необходимо применять более сильные раскислители. Такими раскислителями, в частности, могут быть кремний и марганец. Вводить эти элементы можно путем применения специальных легированных присадочных проволок или путем нанесения специальных обмазок на малоуглеродистую сварочную проволоку.

Имеющиеся в проволоке отдельные примеси влияют на процесс сварки различно: одни примеси улучшают механические свойства металла шва, другие вызывают интенсивное образование газов или вязких и тугоплавких шлаков в сварочной ванне, что приводит к пористости металла шва и загрязнению его неметаллическими включениями.

Рассмотрим, как влияют отдельные элементы присадочной проволоки на процесс сварки.

Углерод при большом содержании усложняет сварку, вызывая значительное газообразование в ванне и кипение ее в процессе сварки, способствует нежелательному росту зерна металла шва и уменьшает его пластические свойства. Нормальным содержанием углерода в присадочной проволоке для сварки малоуглеродистой стали следует считать 0,06—0,18%. В присадочных стержнях для сварки серого чугуна количество углерода доводится до 3,5—4%, что необходимо для получения в шве структуры серого чугуна.

Марганец при содержании его в малоуглеродистой проволоке приблизительно до 1% является хорошим раскислителем. Более высокое содержание марганца приводит к нежелательному образованию в металле шва шлаков. Если же в присадочной проволоке наряду с высоким содержанием марганца имеет место повышенное содержание углерода, то сварной шов может приобрести склонность к закалке. В стержнях для сварки чугуна содержание марганца как элемента, способствующего отбеливанию чугуна, ограничивается 0,5-0,6%.

Кремний является раскислителем при сварке стали. При большом содержании его на поверхности ванны образуется тугоплавкий и вязкий шлак, препятствующий выходу газов из сварочной ванны при ее застывании. Металл шва при этом получается пористым и загрязненным шлаками. Поэтому в малоуглеродистой проволоке содержание кремния ограничивается 0,03%.

При раскислении и легировании наплавленного металла более благоприятные результаты дает проволока, содержащая в необходимых количествах одновременно как марганец, так и кремний.

Сера вызывает красноломкость сварного шва, способствует появлению в нем пористости и трещин. Поэтому содержание серы в проволоке допускается в количестве не более 0,03—0,04%. В чугуне сера также является вредной примесью, так как сообщает ему тугоплавкость, способствует образованию пор в металле шва. Содержание серы в чугунных прутках ограничивается 0,08%.

Фосфор вызывает хладноломкость стали, сильно понижает ее пластические свойства. Содержание фосфора в присадочной проволоке не должно быть выше 0,03—0,04%. В чугунных прутках содержание фосфора доходит до 0,5—0,8%, так как он способствует жидко текучести чугуна и хорошему заполнению расплавленным металлом резделки кромок чугунного изделия.

Помимо указанных элементов, в состав проволоки могут входить хром, никель, молибден. Содержание их в проволоке благоприятно влияет на качество сварки. Они способствуют раскислению металла шва, восполняют выгорающие элементы, улучшают химический состав металла шва.

При сварке меди для раскисления сварочной ванны применяют медную проволоку с небольшим содержанием фосфора, который является раскислителем по отношению к окиси меди.

Водород, имеющийся в пламени с избытком ацетилена, растворяясь в металле, ухудшает его свойства. Например, при сварке меди растворение водорода приводит к появлению пор и микротрещин. Аналогичные явления могут наблюдаться при растворении водорода в стали.

Растворение в металле шва серы и фосфора может происходить при большом содержании их соединений в пламени горелки. При увеличении содержания серы могут образоваться горячие трещины; Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким примесям (например, никеля), необходимо применять только хорошо очищенный ацетилен.

Добавить комментарий

Различные дефекты сварных соединений — Cварочные работы

Различные дефекты сварных соединений

Газовые поры образуются в случае применения отсыревших электродов, большой скорости сварки и длинной дуги, загрязненных кромок разделки, недостаточной защиты шва при сварке в защитных газах. Равномерная пористость обычно возникает при постоянно действующих факторах — загрязненность свариваемых кромок (ржавчина, масло, влага), непостоянная толщина покрытия электродов, влажные электроды. Поры могут быть одиночными, в виде цепочки по продольной оси шва или отдельных групп, равномерно распределенных по шву. Одиночные поры образуются за счет действия случайных факторов — колебания напряжения в сети, местного дефекта в покрытии электрода, случайном удлинении дуги. Цепочки пор образуются, когда газообразные продукты проникают в металл по оси шва на всем его протяжении — подварка корня шва произведена некачественными электродами, подсос воздуха через зазор между кромками, сварка ржавого металла. Скопления пор возникают при местных загрязнениях или при отклонениях от установленного режима сварки; при сварке в начале шва, случайных изменениях длины дуги или ее обрыва, при сварке электродами с нарушенным покрытием. Равномерная пористость обычно появляется при постоянно действующих факторах — ржавчина, масло, краска на свариваемых кромках, непостоянная толщина покрытия электродов.

В рассмотренных причинах появления пор и кроются меры по их предотвращению. Существуют однако и другие способы, которые могут уменьшить порообразование. На стадии появления газовых зародышей вероятность нх возникновения будет снижаться в случае применения обратной полярности при сварке на постоянном токе, снижения температуры металла сварочной ванны, устранения или снижения интенсивности перемешивания металла в сварочной ванне, уменьшения числа газов и их содержания в металле, отсутствия неметаллических включений в металле.

Рост пузырьков газа будет затруднен при уменьшении интенсивности перемешивания металла, повышении внешнего давления, снижении содержания газов в металле. При многослойной сварке скорость роста газовых пузырьков уменьшается при снижении температуры металла сварочной ванны, введении в металл компонентов, повышающих его вязкость. Удалению газовых пузырьков из металла сварочной ванны способствует увеличение ширины сварочной ванны, повышение интенсивности перемешивания металла сварочной ванны, снижение вязкости металла и шлака.

Поры являются причиной усталостных разрушений в угловых, стыковых и в поперечных швах (по отношению к действующей нагрузке) с высокими растягивающими остаточными напряжениями. Поэтому в сварных швах трубопроводов высокого давления не допускаются одиночная пора, сплошная цепочка или сетка пор (независимо от длины и площади) размером более 5 % толщины стенки трубы при ее толщине до 20 мм и свыше 1 мм при большей толщине и наличии двух и более пор на 100 мм сварного шва. В нахлесточных соединениях поры практически не влияют на их выносливость.

Неметаллические включения (рис. 88), представляющие пустоты в металле шва, заполненные неметаллическими веществами (шлаками, окислами), как правило, присутствуют в металле сварных швов. Их состав, количество, размер, форма и распределение в металле шва могут оказать заметное влияние на механические свойства сварных соединений. Неметаллические включения можно разделить на включения, которые образуются в металле сварочной ванны в результате различных физико-химических процессов, и на включения, вносящиеся в сварочную ванну извне. Большинство неметаллических включений относится к первой группе и их образованию способствует обогащение жидкого металла примесями вследствие ликвационных явлений и понижение совместной растворимости примесей при охлаждении металла сварочной ванны. Извне неметаллические включения могут быть внесены в результате перехода в сварочную ванну части расплавленного покрытия в виде отдельных капель или вместе с электродным металлом за счет перехода окислов (соединение металла с кислородом), находящихся на поверхности свариваемых деталей, или неполного удаления шлаковой корки с поверхности предыдущего валика. Размеры неметаллических включений влияют на скорость их удаления из расплавленного металла и в значительной степени — на механические характеристики сварного соединения. Зародыши включений могут увеличиваться в результате адсорбции ионов из расплава в связи с перенасыщением или вследствие объединения отдельных мелких включений, находящихся в расплавленном металле, при их столкновении. Процесс образования и укрупнения сульфидных (соединение металла с серой) неметаллических включений происходит в то время, когда объем расплавленного металла и подвижность включения малы, эти включения в основном остаются в металле шва. Удаляются из сварочной ванны в основном окисные включения. Удаление неметаллических включений происходит в несколько этапов: подход включения к границе металл — газ или металл — шлак, это зависит от применяемого способа защиты; переход включений через указанную границу; отвод частиц в шлак в случае применения флюса.

Рис. 89. Трещины в сварных швах и соединениях
а — в наплавленном металле; б — в зоне термического влияния

Наиболее действенным средством, способствующим устранению неметаллических включений в сварном шве, является исключение или сильное снижение содержания в металле шва кислорода, азота и серы. Однако осуществить его на практике нельзя из-за технической сложности и экономической невыгодности. Поэтому применяются различные меры по снижению вредного влияния неметаллических включений: уменьшение их количества, размеров и придания им благоприятной формы и места расположения в шве. Результаты последних исследований свидетельствуют о том, что скорость удаления неметаллических включений связана в первую очередь с процессом перемешивания металла, а размеры включений мало влияют на скорость их удаления. Поэтому необходимо применять меры к торможению роста неметаллических включений. Прежде всего — сокращать время существования сварочной ванны. Это снижает вероятность роста включений за счет диффузии и их объединения. Эффективным средством для уменьшения количества и размеров неметаллических включений, когда металл сварочной ванны не покрыт шлаком, является вакуумирование. При сварке с применением флюсов и флюс-паст снизить количество неметаллических включений можно за счет их перехода в расплавленный шлак. Удалению включений из металла шва способствует перемешивание металла сварочной ванны и шлака. При этом увеличение скорости перемешивания металла, уменьшение ширины сварочной ванны и размеров включений повышают скорость их удаления. Вероятность образования неметаллических включений в значительной мере зависит от марки электрода. При сварке электродами, покрытие которых дает много шлака, расплавленный металл дольше находится в жидком состоянии и неметаллические включения успевают всплыть на его поверхность. В случае использования электродов с тонким покрытием вероятность образования неметаллических включений увеличивается.

Рис. 88. Шлаковые включения по подрезу кромки в многослойном шве

Наиболее опасными дефектами в сварном соединении являются трещины (рис. 89). Появлению трещин в металле шва могут способствовать поры и неметаллические включения. Процесс разрушения начинается с образования зародышевой трещины, поэтому наличие в металле трещин является фактором, предрасполагающим к разрушению. Разрушение любого металла состоит из нескольких этапов — зарождение трещины, ее устойчивый рост и достижение критической длины, нестабильное развитие трещины. Существуют трещины двух типов — горячие и холодные. Стенки горячих трещин обычно сильно окислены, а у холодных — блестящие, чистые. Горячие трещины имеют межкристаллит-ное строение, в то время как холодные трещины, в основном, проходят через тело кристаллов. Горячие трещины обычно расположены в металле шва и могут образоваться в процессе кристаллизации металла под действием растягивающих напряжений, возникающих в процессе охлаждения сварного соединения. Холодные трещины чаще всего возникают в околошовной зоне, и реже в металле шва. В основном они образуются при сварке изделий из средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Но они могут появиться и в сварных соединениях из низколегированных сталей перлитно-ферритного класса и высоколегированных сталей аустенитного класса.

Кристаллизационные трещины образуются под действием сварочных напряжений в тот период, когда сварочная ванна представляет собой двухфазную систему: кристаллы — расплав. Поэтому легкоплавкие соединения металла шва могут стать причиной возникновения кристаллизационных трещин. При сварке углеродистых и низколегированных сталей большую роль в появлении кристаллизационных трещин играет сера, образующая легкоплавкие соединения. Однако влияние серы зависит от вида и количества легирующих компонентов в металле. Большое число экспериментальных данных свидетельствует о том, что появлению кристаллизационных трещин в значительной мере способствует повышение концентрации углерода в металле. При сварке высоколегированных сталей углерод может стать непосредственной причиной возникновения кристаллизационных трещин. В меньшей мере на процесс образования трещин влияет содержание кремния. Особенно кремний пособствует этому при сварке аустенитных хромонике-левых сталей. Возрастает склонность металла шва к появлению кристаллизационных трещин и при наличии’ в металле фосфора. К наиболее распространенным элементам, которые снижают опасность образования кристаллизационных трещин, относятся кислород, марганец и хром. На появление трещин в металле шва влияет также форма сварочной ванны, обусловливающая скорость кристаллизации металла, а также напряжен-’.ое состояние металла шва. Если сварочная ванна име-гт форму, близкую к форме падающей капли, в ее хвостовой части возникают высокие растягивающие напряжения, облегчающие образование трещин. От формы шва зависит и критическое содержание углерода и кремния в металле, при котором возникают кристаллизационные трещины. Оптимальное значение коэффициента формы шва (отношение ширины шва к глубине проплавления) близко к 6.

Холодные трещины являются довольно распространенным дефектом. Для них характерно замедленное развитие в начальной стадии. Обычно они зарождаются спустя некоторое время после сварки и, достигнув «которой критической длины, могут расти с огромной скоростью. Скорость роста на заключительном этапе разрушения определяется величиной действующего напряжения, температурой, скоростью нагружения. Наибольшие значения скорости роста трещин достигаются при динамическом нагружении в условиях низких температур и при большом запасе упругой энергии. На процесс возникновения холодных трещин влияет химический состав металла, содержание водорода и величина погонной энергии сварки. Больше всего трещины образуются в сварных соединениях при сварке изделий из средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов электродами аналогичного состава. Реже холодные трещины появляются при сварке аустенитных швов и низколегированных ферритно-пер-литных сталей. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что наличие водорода в металле приводит к снижению его механических свойств и уменьшает стойкость против образования холодных трещкн. На процесс возникновения холодных трещин могут влиять режимы сварки, так как структурные превращения зависят от перегрева околошовной зоны, скорости охлаждения металла околошовной зоны и шва. Если ограничить перегрев и исключить образование мартенсита или сместить температурный интервал его образования в зону высоких температур, а также заметно снизить скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, можно существенно уменьшить возможность появления холодных трещин в сварном соединении.

В заключение следует отметить, что появлению трещин способствует сварка при низких температурах, сварка конструкционных легированных сталей в жестко закрепленных конструкциях, использование сварочного тока повышенной плотности при наложении первого слоя многослойного шва толстостенных изделий, чрезмерное нагромождение швов (многочисленные накладки, ребра жесткости и т. п.) для усиления конструкции, высокая скорость охлаждения при сварке углеродистых сталей, склонных к закалке на воздухе.

Наряду с трещинами к наиболее опасным дефектам относят непровары (рис. 90), которые представляют собой несплавление основного металла с наплавленным или незаполнение расплавленным металлом разделки шва. Непровары первого вида чаще всего наблюдаются по толщине основного металла и в вершине углового шва.

Формирование сварного шва происходит за небольшой промежуток времени, поэтомна процесс образования непроваров будет влиять и скорость заполнения расплавленным металлом разделки кромок свариваемых деталей. К этому ведет завышенная скорость сварки, при которой свариваемые кромки не успевают расплавиться. Кроме того, причинами непровара являются: смещение электрода в сторону одной из свариваемых кромок, когда расплавленный металл натекает на вторую нерасплавленную кромку, прикрывая непровар; низкая квалификация сварщика; чрезмерно большой сварочный ток, при котором расплавленный металл электрода попадает на непроварен-ный основной металл; блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных полей и особенно на постоянном токе; колебания сварочного тока и напряжения дуги в процессе сварки; плохая зачистка свариваемых кромок от окалины, ржавчины и других загрязнений.

Разрушение конструкций чаще всего начинается от дефектов, возникающих в сварном соединении или основном металле. Влияние дефектов на свойства сварных соединений определяется величиной и формой дефектов, частотой их повторения, материалом конструкций, условиями эксплуатации и характером нагрузки. Опасность дефектов наряду с влиянием их собственных характеристик зависит от множества конструктивных и эксплуатационных факторов. Так, влияние дефектов, представляющих собой концентраторы напряжений, во многом будет зависеть от распределения остаточных и рабочих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации.

Из дефектов сварных соединений наиболее опасными являются трещины. Трещины ослабляют сечение швов или свариваемых элементов и тем самым уменьшают статическую прочность соединений. Являясь концентраторами напряжений, они, кроме того, существенно уменьшают динамическую прочность сварных соединений. Увеличение размеров трещин, образовавшихся при сварке, может привести к разрушению конструкции во время эксплуатации. Трещины опасны еще и тем, что, являясь дефектами плоского типа, трудно обнаруживаются рентгенографическими методами контроля. Поэтому наличие трещин в сварных соединениях не допускается.

По иному на сварные конструкции влияют поры. Многие исследователи считают, что до некоторого предела наличие пор в металле шва практически не снижает его статическую прочность. Для низкоуглеродистых сталей этот предел составляет около 10 % площади поперечного сечения шва, для перлитных сталей — 6—8%; для алюминиевых сплавов — 3,6%- Однако поры снижают не только статическую прочность сварного соединения, а, являясь концентраторами напряжений, могут вызвать снижение выносливости сварного соединения. В этом случае особенно опасным является наличие пор в зонах растягивающих остаточных напряжений. Растягивающие остаточные напряжения особенно велики в поверхностных слоях металла, поэтому опасность разрушения возрастает, если поры будут расположены близко к поверхности. Но сварные соединения могут разрушаться и из-за наличия внутренних пор, если они расположены в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений.

Неметаллические включения, содержащиеся в металле шва, также оказывают заметное влияние на механические свойства сварного соединения. Это влияние существенно зависит от величины, формы и места расположения включений, так как они являются концентраторами напряжений. Установлено, что шлаковые включения площадью до 10% площади поперечного сечения шва предел прочности металла шва почти не изменяют. Однако при работе в агрессивных средах даже при статическом нагружении наличие шлаковых включений в сварном шве снижает долговечность конструкции. Неметаллические включения могут способствовать образованию других дефектов. Так, сульфидные включения, которые часто имеют температуру плавления ниже температуры кристаллизации металла, служат причиной появления горячих трещин, а наличие нитридов (соединение металла с азотом) увеличивает склонность металла шва к старению.

Результаты исследования показывают, что при статической нагрузке для пластичных материалов влияние величины непровара на уменьшение прочности прямо пропорционально относительной глубине непровара или его площади. Для малопластичных и высокопрочных материалов, а также при динамической или вибрационной нагрузках пропорциональность между потерей работоспособности и величиной дефекта нарушается. Непровар оказывает большое влияние на ударную прочность металла сварных швов. По данным Института электросварки им. Е. О. Патона непровар в 10% толщины сварного соединения может на 50% снизить усталостную прочность, а непровар в 40—50% снижает пределы выносливости стали в 2,5 раза.

Однако наружные дефекты также оказывают серьезное влияние на работоспособность сварных конструкций. Опасным наружным дефектом является подрез. Он не допускается в конструкциях, работающих на выносливость. Подрезы небольшой протяженности, ослабляющие сечение не более чем на 5% в конструкциях, работающих под действием статических нагрузок, на прочность конструкций не оказывают заметного влияния. Однако суммарное влияние подреза и увеличения растягивающих остаточных напряжений может привести к снижению предела выносливости вдвое. Усиление шва не снижает статическую прочность, но сильно влияет на вибрационную прочность сварного соединения. Чем больше усиление шва, а следовательно, меньше угол перехода от основного металла к наплавленному, тем сильнее снижается предел выносливости. Поэтому чрезмерное усиление сварного шва может привести к ликвидации тех преимуществ, которые получены от оптимизации технологического процесса по улучшению качества наплавляемого металла в сварных соединениях, работающих при динамических, вибрационных нагрузках. Наплывы также снижают выносливость конструкций, являясь концентраторами напряжений. Наплавы большой протяженности нередко сопровождаются непроварами.

У трубопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов сварные швы бракуют, если обнаружены трещины любых размеров и направлений, свищи, сетки или цепочки пор, шлаковые или другие инородные включения, непровар в корне шва, межваликовые несплавления. Кроме того, бракуют сварные швы, имеющие непровар при одностороннем шве без подкладного кольца, глубиной более 10 % толщины стенки трубы, если она не превышает 20 мм, и глубиной более 2 мм при толщине стенки свыше 20 мм, а также бракуют швы, имеющие одиночные поры, включения вольфрама размером свыше 10 % толщины стенки, если толщина не превышает 20 мм, и размером более 2 мм, если толщина стенки свыше 20 мм, в количестве более трех на каждые 100 мм шва. Примерно такими же являются браковочные признаки для трубопроводов высокого давления.

В сварных соединениях стальных конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений допускаются непровары по сечению швов в соединениях, доступных сварке с двух сторон, глубиной до 5 % толщины металла, но не более 2 мм при длине непровара не более 50 мм и общей длине участков непровара не более 200 мм на 1 м шва. Кроме того, возможны непровары в соединениях, доступных сварке с одной стороны (без подкладок), глубиной до 15% толщины металла, если она не превышает 20 мм. Допускается суммарная величина непровара, шлаковых включений и пор, расположенных отдельно или цепочкой, не превышающая в рассматриваемом сечении при двусторонней сварке 10%) толщины свариваемого металла, но не более 2 мм, и при односторонней сварке без подкладок—15%, но не более 3 мм.

Читать далее:
Сварочные флюсы
Сварочные электроды
Общие сведения о сварке арматуры
Противопожарные мероприятия при сварке
Безопасность труда при сварке технологических трубопроводов
Безопасность труда при сварке строительных металлических и железобетонных конструкций
Защита от поражения электрическим током при сварке
Техника безопасности и производственная санитария при сварке
Управление качеством сварки
Статистический метод контроля

Свойство — сварное соединение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Свойство — сварное соединение

Cтраница 1

Свойства сварных соединений отличаются от свойств основного металла, так как они формируются под влиянием весьма многочисленных факторов. Это исходный основной металл, сварочные материалы, воздействие источников энергии, сложные процессы плавления и кристаллизации металла в процессе сварки, взаимодействие его с окружающими жидкими и газовыми компонентами, структурные превращения при воздействии изменяющихся температур, случайное возникновение разного рода несгагошностей и другие. Ввиду большого числа факторов, свойства сварных соединений могут изменяться в крайне широких пределах. [1]

Свойства сварных соединений оценивают в ряде случаев теми же характеристиками или критериями, что и однородный основной металл, но при этом в них вкладывают иное содержание. Например, распространенной характеристикой прочности является временное сопротивление ов. Можно говорить о временном сопротивлении металла шва или металла околошовной зоны, если образцы взяты достаточно малыми, чтобы содержать в себе относительно однородный по свойствам металл. Временное сопротивление сварного соединения о в, напротив, следует определять на достаточно крупных образцах, которые бы включали в себя все типичные зоны сварного соединения и обеспечивали такое взаимодействие их между собой, которое характерно для работы сварного соединения в конструкции. Такая характеристика, как предел текучести сварного соединения, в большинстве случаев вообще не может быть определена, так как, во-первых, из-за неоднородности механических свойств пластические деформации возникают, не по всей длине образца одновременно, во-вторых, пластические деформации неравномерны в поперечном сечении образца из-за эффекта контактного упрочнения, в-третьих, натуральное сварное соединение с неснятым усилением создает концентрацию напряжений и даже может иметь собственные напряжения, что в принципе делает поле напряжений в образце неоднородным. Предел выносливости сварного соединения следует определять для практических целей также на достаточно крупных образцах, содержащих в себе все особенности сварного соединения, в том числе и остаточные напряжения, хотя последнему условию часто трудно удовлетворить из-за необходимости увеличения размеров образца. [2]

Свойства сварного соединения сопоставляют со свойствами основного металла. Результаты считаются неудовлетворительными, если они не соответствуют заданному регламентированному уровню. [3]

Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и металла зоны термического влияния. Сварные соединения разрушаются главным образом в зоне термического влияния вследствие потери основным металлом пластических свойств. [5]

Свойства сварного соединения определяются как свойствами металла шва, так и изменившимися свойствами основного металла, расположенного в зоне термического влияния. Изменение структуры и свойств происходит в зависимости от степени нагрева, выдержки при этих температурах и от скорости охлаждения. [8]

Свойства сварных соединений, особенно после отжига, обычно не ниже свойств основного металла литых деталей. [9]

Свойства сварных соединений в этих случаях уступают свойствам основного металла, однако абсолютные значения прочности сохраняются на более высоком уровне, чем для ранее рассмотренных сварных соединений. [10]

Свойства сварных соединений определяются не только свойствами металла шва, которые устанавливаются испытаниями образцов из

3.7. Влияние режима сварки на степень химической неоднородности сварного шва

Химическая неоднородность (ХН) может быть следствием недостаточной технологической культуры выполнения работ или физической природы процесса формирования сварного соединения и свойств свариваемого металла.

В первом случае существует макронеоднородность химического состава по длине шва (отдельных его участках), вызванная колебаниями в составе свариваемых материалов (покрытии, флюсе), а также нестабильностью режима сварки и технологическими нарушениями.

Основное влияние на ХН оказывают химический состав сплава и режим сварки, главным образом скорость охлаждения и кристаллизации сварного шва. При этом возможны:

1. Зональная, или линейнаяликвация, наблюдаемая при малых скоростях охлаждения. Она обусловлена неодновременной кристаллизацией периферийной и центральной частей шва, в результате чего остающаяся жидкость оттесняется в центральную часть шва.

Наиболее вероятные места её появления – ось шва, продольные границы, образованные встречей фронтов кристаллизации. В этом случае возможно ослабление оси шва, понижаются пластические и прочностные характеристики шва.

2. Межкристаллитная, или межзереннаяликвация, характеризуемая скоплением примеси у межзеренных границ (рис. 18).

Рис. 18. Схема образования междендритной химической неоднородности

При росте дендритов уменьшается количество жидкости, а концентрация примеси в ней возрастает настолько, что может достигнуть эвтектоидного состава. Вершины боковых ветвей дендритов почти смыкаются, заключая между собой места, обогащенные примесями.

При остывании порций расплава 1, 2, 3, заключенных между дендритами, происходит усадка и дополнительное втягивание жидкости, обогащенной примесями.

Такой механизм образования ликвационных зон может вызвать явление обратной ликвации, т. е. повышение концентрации примеси в первых кристаллизующихся слоях по сравнению со средним его соединением. Такой вид ХН проявляется при высоких V_кртолько у сплавов, имеющих большую усадку. Расплав, заключенный в объемах 1, 2, 3, может значительное время находиться в жидком состоянии. Рост дендритов приводит к «закрытию» этих объемов.

3. Внутрикристаллитная ликвация, обусловленная различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах. Чем больше коэффициент распределения отличается от единицы, тем сильнее будет различаться состав кристаллитов, затвердевших первыми, от последующих.

Рассмотренные процессы возникновения ХН характерны в основном для малых скоростей охлаждения при сварке на «мягких» режимах.

Скорости охлаждения кристаллизующегося металла шва при сварке с большими g/v обусловливают достаточно интенсивное протекание диффузионных процессов, что приводит к выравниванию состава и снижает внутрикристаллическую ликвацию (рис. 19).

Рис. 19. Влияние скорости охлаждения на степень внутрикристаллитной ликвации

При увеличении W_охл диффузионные процессы пройти не успевают и степень внутрикристаллической ликвации С_л увеличивается вплоть до максимума при W₂. Дальнейшее увеличение W приводит к подавлению диффузионных процессов, но С_л уменьшается в связи с тем, что характер кристаллизации приближается к бездиффузионному процессу.

Уменьшению ХН способствует оптимальное соотношение между шириной и глубиной шва, измельчение первичной структуры и соблюдение технологической дисциплины сварочных работ. При сварке легированных сталей, представляющих многокомпонентные сплавы, опасность возникновения ХН существенно выше, чем у углеродистых сталей.

Контрольные вопросы к главе 3

1. Как распределяются легирующие элементы между ферритом и карбидами?

2. Как влияют легирующие элементы на положение критических точек?

3. Как влияют легирующие элементы на положение С-образной кривой изотермического распада аустенита?

4. Как влияют легирующие элементы на физические свойства сталей?

5. Дайте определение критической температуры хрупкости.

6. Что влияет на кристаллизацию металла сварочной ванны?

7. Как можно регулировать первичную структуру сварного шва?

8. Как влияет режим сварки на степень внутрикристаллической ликвации?

Типы дефектов сварного шва при механизированной сварке

Содержание

Дефекты сварных швов – это, прежде всего, различные несплошности в металле шва, ухудшающие его качество. При оценке свариваемости стали исходят, главным образом, из того, что металл сварного шва должен быть сплошным. И все образования, которые делают сварной шов неоднородным, принято считать дефектами. Различают следующие виды дефектов сварного шва: микро- и макротрещины (горячие и холодные), непровары, поры, различные включения.

Внутренние и наружные дефекты сварных швов

Самый распространённый метод классификации дефектов сварки – по их месту расположения. Согласно этой классификации, различают внутренние и наружные сварные дефекты. Наружные выходят на поверхность шва и околошовной зоны, а внутренние располагаются внутри соединения, не выходя на поверхность. Из этого следует, что один и тот же вид дефектов (например, трещины или поры) может быть как внутренним (если располагается внутри), так и наружным (если выходит на поверхность).

Наружные сварные дефекты

К наружным дефектам сварных соединений относят неравномерность формы сварного шва из-за неправильного его формирования, подрезы шва, прожоги свариваемого металла, наплывы, трещины, поры и другие дефекты, которые располагаются на поверхности металла. Все они выявляются при внешнем визуальном осмотре сварного соединения. Ниже по тексту перечислены и показаны распространённые виды наружных дефектов.

Внутренние сварные дефекты

К внутренним дефектам сварных соединений, согласно ГОСТ23055, относятся неметаллические, шлаковые и оксидные включения, непровары и несплавления металла, а также поры и трещины, не выходящие на поверхность металла. Для того, чтобы выявить подобные дефекты, на практике применяются методы неразрушающего контроля сварки. Ниже по тексту рассказывается о часто встречающихся видах внутренних дефектов.

Дефекты формирования шва

Дефекты формирования сварных швов проявляются в неравномерности их формы (см. рисунок справа). Формируются они из-за непостоянных режимов сварки, непостоянного зазора между свариваемыми кромками и неравномерного угла скоса кромок. Несоответствие фактической формы шва требуемой может проявится вследствие неверной техники ручной дуговой сварки, из-за неправильного расположения электрода относительно сварных кромок.

Подобный дефект может проявиться и при других видах сварки. Например, при автоматической сварке причиной появления такого дефекта могут стать проскальзывание сварочной проволоки в подающем механизме, перепад напряжения в сети, попадание расплавленного металла в зазоры и др.

Непровар сварного шва

Чаще всего, непровары в сварных швах происходят в тех случаях, когда между сварными кромками небольшие зазоры, при большом притуплении кромок, а также при наличии на них загрязнений, при неправильном положении электрода или сварочной проволоки относительно свариваемых кромок, при недостаточной силе сварочного тока и при завышенной скорости сварки.

Очень часто непровары образуются в корне шва (схема а) и б) ни рисунке слева и схемы в) и г) на рисунке). При автоматической сварке под флюсом непровары, в большинстве случаев, формируются в начале сварного шва. Чтобы предотвратить их появление, сварку рекомендуется производить на специальных подкладках. Непровары – одни из самых опасных дефектов для сварного соединения.

Подрезы сварных швов

Подрезы сварных швов формируются на поверхности соединения. Подрезы – это углубления в основном металле, расположенные по краям сварного шва. Они появляются из-за излишне большой силы сварочного тока и из-за большой длины электрической дуги, т.к. в этом случае ширина сварного увеличивается и края сварных кромок оплавляются сильнее.

При сварке угловых швов подрезы, чаще всего, получаются при смещении электрода очень близко к горизонтальной стенке. При этом вертикальная стенка оплавляется быстрее, чем плавится горизонтальная и расплавленный металл стекает по горизонтальной кромке вниз. В этом случае, на вертикальной стенке образуются подрезы, а на горизонтальной – наплывы (схема б) на рисунке справа).

Прожоги сварных швов

К прожогам сварного шва относятся сквозное проплавление основного или наплавленного металла (см. рисунок слева). Прожоги образуются при излишне большой силе сварочного тока и при малых скоростях сварки. Причинами прожогов могут также стать большой зазор между свариваемыми кромками или недостаточное их притупление.

В большинстве случаев, прожоги получаются при сварке тонкого металла, а также при наплавке первого слоя многослойного шва. Причинами прожогов может быть недостаточное поджатие металлической подкладки или флюсовой подушки.

Наплывы сварных швов

Наплывы в сварных швах формируются при натекании расплавленного металла из жидкой металлической ванны на холодный основной металл (см. рисунок справа). Наиболее часто наплывы случаются в процессе дуговой сварки в защитных газах при сварке горизонтальных швов на вертикальной поверхности. Причинами наплывов является большая сила сварочного тока, неправильное положение электрода при сварке, излишняя длина электрической дуги.

Кратеры сварных швов и усадочные раковины

Кратеры в сварных швах образуются при обрыве электрической дуги. Кратеры в сварных швах имеют вид углублений в застывшем металле. При автоматизированных способах сварки выполнение сварного шва завершают на выводной планке, и кратер образуется на ней. При случайном обрыве электрической дуги в процессе сварки, получившийся кратер необходимо заплавить.

Усадочными раковинами называют полости, которые появляются в результате усадки сварочной ванны при её затвердевании. Появляются усадочные раковины из-за того, что при охлаждении объём металла уменьшается и он «проседает».

Поры в сварных швах

Поры в сварных швах образуются при быстром остывании расплавленного металла из-за того, что газы, присутствующие в сварочной ванне, не успевают выйти из неё наружу и остаются в застывшем металле в виде пузырьков. Поры могут быть как внутренними сварными дефектами (схемы б) на рисунке справа), так и и наружными (схема а) на рисунке), выходящими на поверхность. Наружные поры называются свищами.

Величина пор может быть различной, от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Чаще всего они имеют сферическую форму. Причинами образования газовых пор в сварных швах могут стать присутствие ржавчины, окалины, масляных плёнок и другие загрязнений на сварных кромках, на сварочной проволоке или на присадочных материалах.

Причинами образования пор могут служить, также, применение влажных, не прокаленных электродов и флюсов, недостаточная чистота защитных газов и присутствие в ней вредных примесей. Также поры возникают при очень большой скорости сварки, из-за чего газовая защита зоны сварки может стать менее неэффективной. Поры в сварных швах появляются и при повышенном содержании углерода в составе свариваемого металла и при неверно подобранной марки сварочной проволоки. В особенности, если сварка производится в среде углекислого

Обзор методов оценки усталости сварных стальных конструкций

Из-за высоких концентраций напряжений сварные соединения представляют собой наиболее распространенные места зарождения усталостных трещин в стальных конструкциях, склонных к усталости. Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения и сочетания основного и дополнительного материала. Поскольку сварка является основным процессом соединения элементов стальных конструкций, очевидно, что оценка усталости в процессе проектирования и технического обслуживания становится неизбежной.Существует много методов оценки усталости сварных соединений, но их точность остается под вопросом. В данной статье представлен обзор наиболее распространенных методов оценки усталости сварных стальных соединений. В результате этого обзора выделены области, требующие дополнительных исследований.

1. Введение

В течение срока службы многие стальные конструкции, такие как автомобильные и железнодорожные мосты, нефтегазовые платформы (морские платформы), ветряные мельницы и т. Д., Подвергаются большому количеству повторяющихся циклических нагрузок.Со временем эти напряжения могут вызвать повреждения, например трещины, в критических местах. Это явление называется «утомляемость». Его можно определить как прогрессирующий локализованный процесс, при котором повреждение постоянно накапливается в конструкции или структурном элементе из-за эффекта циклической нагрузки, которая имеет гораздо меньшую интенсивность, чем статическое сопротивление наблюдаемой структуры или структурной детали. Исследование Oehme [1] показывает, что усталость занимает третье место в качестве причины разрушения стальных конструкций, склонных к усталости.

Усталостные трещины обычно возникают в местах внезапного изменения геометрии или в местах надрезов [2], где наблюдается локализованное увеличение напряжения (концентрация напряжений). Чем меньше вырез, тем больше концентрация напряжений и, в конечном итоге, сокращается усталостный ресурс. Наиболее частыми местами возникновения усталостных трещин в стальных конструкциях являются сварные соединения, поскольку они являются местами с высокой концентрацией напряжений. Очевидно, что оценка усталости становится неизбежной при проектировании и техническом обслуживании из-за того, что сварка является основным процессом соединения элементов в ранее упомянутых конструкциях.Кроме того, в последние несколько лет высокопрочные стали все чаще используются для изготовления стальных конструкций из-за снижения собственного веса конструкции, и, хотя ее использование дает положительный эффект, усталость становится ведущим предельным состоянием по пределу прочности.

В статье представлен обзор особенностей усталостных сварных соединений и наиболее важных методов расчета и оценки усталостной долговечности сварных стальных конструкций, склонных к усталости. Области, требующие дополнительных исследований, выделены в результате обзора.

2. Усталость сварных соединений

2.1. Усталость в целом

Термин «усталость» впервые был упомянут в 19 веке для описания разрушения конструкции или элемента конструкции, подвергающегося циклической нагрузке. Исследование усталости было впервые проведено Августом Велером, исследовавшим отказ осей поездов. Он обнаружил, что структурная нагрузка, которая намного ниже ее статического сопротивления, не вызывает никаких повреждений. Однако в случае повторения одной и той же нагрузки в течение длительного периода времени это может привести к выходу из строя конструкции или элемента конструкции.В XIX веке усталость была загадочным явлением, потому что усталостные повреждения не могли быть замечены, а поломка происходила без всякого предупреждения. В ХХ веке стало известно, что циклическое (повторяющееся) нагружение конструкции запускает механизм усталости и, соответственно, зарождение и распространение трещин. С тех пор, как это явление усталости стало общепризнанным, было проведено много исследований и достигнут значительный прогресс в разработке методов оценки усталости, понимании механизма усталости конструкций и материалов, а также в разработке деталей, устойчивых к усталости.Однако это явление требует дальнейшего изучения [3].

Хронология развития утомления с 1837 по 1994 гг. Приводится Шютцем [4], а также Манном [5] в его коллекции из 21 075 литературных источников в его четырех книгах, посвященных проблеме усталости материалов и конструкций с 1838 г. по 1990 г. Обзор методов оценки усталости с 2002 г. и факторов, влияющих на усталостное поведение конструкций и материалов, был проведен Куи [6].

Понимание механизма усталости является необходимым условием при рассмотрении различных факторов, влияющих на усталостную долговечность, и выборе подходящих методов оценки.Усталостная долговечность конструкции или структурного элемента измеряется от фазы зарождения и распространения трещины. Трещины, образовавшиеся при циклическом нагружении, обычно возникают на поверхности структурного элемента, где усталостное повреждение проявляется в виде микроскопических трещин в кристаллографических плоскостях скольжения. Эта фаза называется «фазой зарождения трещины». Кроме того, трещины распространяются от локализованной пластической деформации до макроскопических размеров в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, которое представляет собой фазу распространения трещины [3].Фаза зарождения трещины также включает в себя рост трещины в микроскопическом масштабе, но его все еще нельзя увидеть невооруженным глазом. Определить точку между фазами зарождения и распространения трещины очень сложно. На этапе зарождения трещины усталость является поверхностным явлением и зависит от характеристик поверхности материала и условий окружающей среды, в то время как распространение трещины зависит от характеристик материала, по которому трещина распространяется. Эти две фазы были впервые признаны Форсайтом [7], что является одним из крупнейших достижений в исследованиях усталости металлов в 20 веке.Механизм усталости в различных материалах и структурах широко описан Шийве [3] в его книге.

Современные теории усталости отдельно анализируют каждую фазу процесса утомления. Теории возникновения трещин основаны на предположении, что усталостные трещины возникают с локальными концентрациями напряжений или деформаций на поверхности структурного элемента из-за различных геометрических форм, таких как отверстия, выемки, неоднородности и т. Д. Распространение трещины и окончательное разрушение (разрушение) анализируются с помощью механики разрушения, которая учитывает скорость распространения трещины в зависимости от напряженного состояния в вершине трещины.

2.2. Усталостные свойства сварных соединений

Металлоконструкции содержат большое количество геометрически сложных сварных деталей. Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения, а также путем соединения основного и дополнительного материала. Это приводит к неоднородности сварных швов. Сварные швы всегда содержат определенные недостатки, такие как зазубрины, поры, пустоты, недостаточный провар и неполное соединение основного и дополнительного материала. Влияние дефектов на усталостную долговечность сварных соединений рассмотрено Хоббахером [8].Мэддокс работал с оценкой усталостной долговечности сварных швов с дефектами [9] и пришел к выводу, что подход механики разрушения лучше всего подходит для таких оценок. Сварка представляет собой резкое изменение геометрии соединения, которое вызывает высокие концентрации напряжений, как показано на рисунке 1.

Сварка проводится путем плавления основного и дополнительного материала с использованием концентрированного источника тепла. Возникновение остаточных напряжений в зоне термического влияния и деформаций элементов из-за деформаций, вызванных нагревом, является результатом быстрого охлаждения после сварки.Локальные концентрации напряжений, которые добавляются к циклическим напряжениям от внешней нагрузки, вызваны остаточными напряжениями в корне или носке шва, и в некоторых случаях усталостная долговечность снижается [10, 11]. На усталостную прочность сварных соединений влияет толщина листов соединяемых элементов. Основываясь на экспериментальных результатах и анализе, Герни [12] подтвердил, что увеличение толщины листа приводит к снижению усталостной прочности сварных соединений. Остаточные напряжения, вызванные процессом сварки, увеличиваются за счет увеличения толщины листа.В стандартах отрицательное влияние толщины элемента учитывается коэффициентом уменьшения сопротивления усталости, например, в европейских стандартах EN 1993-1-9 с коэффициентом уменьшения усталостного напряжения для учета размерных эффектов [13]. Важно отметить, что качество основного материала незначительно влияет на усталостную прочность сварных соединений по сравнению с другими факторами. Однако, как упоминалось во введении, использование высокопрочных сталей приводит к уменьшению собственного веса и имеет отрицательное влияние на сторону нагружения, которая в этом случае становится доминирующей.Следовательно, усталость становится основным предельным состоянием при проектировании конструкций.
Как упоминалось ранее, двумя фазами процесса усталости являются фаза зарождения трещины и фаза распространения. Для несварных деталей, которые склонны к усталости, большая часть усталостной долговечности связана с фазой зарождения трещины, в то время как фазой распространения трещины можно пренебречь. Сварные соединения содержат уже упомянутые дефекты в местах, где трещины могут начать распространяться с первого цикла нагружения.Поэтому в сварных соединениях фазой зарождения трещины можно пренебречь, а предел выносливости свариваемых деталей зависит от исходного размера дефекта внутри сварного шва [14]. Уже упомянутые особенности сварного шва показывают, что в сварных деталях, склонных к усталости, трещины всегда возникают в местах сварки, а не в основном материале. Трещины могут возникать в корне или на носке шва. В случае стыковых швов с полным проваром усталостные трещины возникают на носке сварного шва и распространяются по основному материалу, а в случае неполного провара трещины возникают в корне шва и распространяются по его толщине [15].
Для улучшения свариваемых стальных деталей возможно применение методов послесварочной обработки. Наиболее распространенными являются шлифование заусенцев (BG), правка TIG (TIG), ударная обработка, чистка игл и HFMI (высокочастотное механическое воздействие) для удаления дефектов, вызванных сваркой [16, 17]. Это обеспечивает более плавный переход между подошвой сварного шва и основным материалом, что снижает концентрацию напряжений, показанную на рисунке 1. Кроме того, некоторые из этих методов снимают остаточные напряжения таким образом, что деформации (деформации) пластического материала в области носка сварного шва вызывают положительные сжимающие напряжения.Следствием послесварочной обработки является увеличение возможного количества циклических нагрузок, вызывающих возникновение трещин. Основываясь на более длительной фазе зарождения трещины, качество стали теперь играет роль в повышении усталостной прочности [18]. Таким образом можно получить сварные стальные детали, которые на 30–60% более устойчивы к усталости [16]. Важно отметить, что обработка подошвы шва незначительна, если трещина зародилась в корне шва.
Усталостное повреждение возникает уже при относительно небольших напряжениях, не допускающих деформации материала.Поэтому в рамках различных методов оценки усталости оправдана оценка напряжений на основе теории упругости. Ключевую роль в оценке сопротивления усталости свариваемых деталей играет точная оценка воздействия нагрузки и геометрии. Этого практически невозможно достичь без использования современных компьютерных инструментов, основанных на методе конечных элементов. Примеры расчетов соответствующих нагрузок в рамках оценки усталостной долговечности можно найти в [15, 19–21]. Развитие метода конечных элементов приводит к появлению более совершенных методов оценки сопротивления усталости, таких как метод напряжений в горячих точках, метод структурных напряжений без учета сетки и метод эталонных кривых SN, метод эффективного напряжения надреза или деформации и анализ распространения трещин с помощью линейно-упругая механика разрушения.
Проблема усталости сварных соединений дополнительно усложняется, если циклические напряжения в свариваемых деталях действуют в большем количестве направлений. Это явление называется многоосной усталостью, что значительно неблагоприятно для сварных соединений по сравнению с одноосной усталостью [22]. В литературе есть много предложенных теорий для оценки многоосной усталостной долговечности сварных соединений [23–25]. Анализ 233 экспериментальных результатов сварных соединений, склонных к усталости, приведен в статье Бэкстремса и Маркиза [26].Результаты анализируются тремя различными методами, основанными на напряжении в горячих точках, которые включают максимальную амплитуду главного напряжения, максимальную амплитуду напряжения сдвига и подход модели критической плоскости. Сделан вывод, что модель критической плоскости лучше всего описывает кривую S-N. Однако в будущем необходимо дополнительно развить этот метод для учета остаточных напряжений.
Мультиаксиальная усталостная нагрузка может быть пропорциональной, когда направление главных напряжений постоянно, и непропорциональной, когда направления напряжений меняются во времени.В случае пропорциональной нагрузки в стандарте EN 1993-1-9 [13] предлагается использование максимальной основной нагрузки в качестве параметра повреждения. Непропорциональная нагрузка наносит гораздо больший ущерб по сравнению с пропорциональной. В этом случае многоосная усталость разбирается на две составляющие: нормальные и касательные напряжения. Используя правило Майнера, повреждения каждого компонента оцениваются отдельно и объединяются уравнениями взаимодействия. Уравнения взаимодействия наиболее подходят для случаев, когда нормальные и касательные напряжения действуют в одном месте и в одном направлении.Существуют эксперименты, которые показывают, что усталостная долговечность элементов, подверженных непропорциональной нагрузке, столь же близка, как и усталостная долговечность элементов, склонных к одноосной нагрузке [27]. Основываясь на 233 экспериментальных результатах, Бэкстрём и Маркиз сравнивают уравнения взаимодействия, приведенные в рекомендациях европейских стандартов EN 1993-1-9 [13], финских стандартов SFS 2378 [28] и рекомендаций IIW [25]. Показано, что все три выражения обладают определенной степенью консерватизма [29]. Наилучшая корреляция для пропорциональных и непропорциональных нагрузок дается с уравнениями взаимодействия из рекомендаций IIW, которые ограничивают совокупную сумму повреждений для непропорциональной нагрузки на 0.5.
Консерватизм уравнений взаимодействия в EN 1993-1-9 [13] и рекомендациях IIW [25] подтвержден Лотсбергом в его статье [30]. Соединения, в которых трещина возникает в корне шва из-за многоосной нагрузки, были исследованы Bokesjö et al. [31]. Были проведены только испытания с пропорциональными напряжениями. Результаты были проанализированы уравнениями взаимодействия трех стандартов [13, 25, 32]. Показано, что модели оценки многоосной усталости подходят для определения усталостной долговечности, когда трещина возникает в корне сварного шва.
В настоящее время преимущества оценки многоосной усталости с помощью спектрального анализа напряжений более признаны, чем классическая хронология напряжений. Временные истории, используемые для оценок, часто показывают большие статистические вариации, и каждое следующее напряжение, записанное во времени, отличается. Более того, моделирование амплитуды многоосных напряжений с более длительной историей может потребовать времени. Эти проблемы могут быть решены с помощью спектрального подхода и обзора методов оценки многоосной усталости с использованием спектрального подхода, приведенного в [33].Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить пригодность численных моделей в реальных условиях. За последние четыре десятилетия было проведено много исследований, которые значительно улучшили понимание многоосевой усталости [34]. Однако очевидно, что для точной оценки динамики элементов, склонных к многоосной усталости, требуются дальнейшие значительные исследования, с акцентом на разработку уравнений взаимодействия, чтобы снизить степень консерватизма и позволить простой инженерный метод для практических оценок. .Более того, необходимо исследовать влияние компонентов нормального напряжения на разрушающий процесс касательных напряжений, что позволит лучше понять поведение взаимодействия [29].
3. Методы оценки усталостной долговечности сварных соединений в целом
Оценка усталостной долговечности сварных соединений является очень сложной и сложной процедурой. Сварные соединения крупных стальных конструкций могут подвергаться различным нагрузкам в зависимости от их геометрической конфигурации и степени сложности.Оценка усталости явно или неявно включает сравнение нагрузки, напряжений или деформаций с их критическими значениями, которые вызывают повреждения, деформации, начальную трещину или отказ. Классические методы оценки напряженного состояния, а также базы данных с результатами подробных экспериментальных исследований были весьма ограничены. Детали проектирования и моделирования на практике основывались на опыте, полученном методом проб и ошибок [35, 36].
Сегодня существует множество подходов к оценке усталостной долговечности в зависимости от того, как учитывается локальная концентрация напряжений.Общие методы основаны непосредственно на внутренних силах и моментах в критическом сечении в предположении линейного распределения напряжений. Влияниями локальных концентраций на стороне нагружения пренебрегают. Оценки локальной усталости основываются на местных параметрах (местные напряжения или деформации) с учетом эффектов локальной геометрии в наблюдаемом месте. Наиболее часто используемые варианты локального и глобального подходов показаны на Рисунке 2 [10]. Каждый вариант характеризуется определенными параметрами нагружения, напряжения или деформации со стороны воздействия, а на диаграммах — со стороны сопротивления.

Руководства и стандарты по оценке усталости в основном основаны на подходе номинального напряжения, который фактически является глобальной концепцией. Однако разрушение элементов конструкции из-за усталости — процесс локализованный. Локальные параметры и геометрия максимально влияют на усталостную прочность и усталостную долговечность элементов конструкции. Обширная литература, содержащая местные подходы для несварных и сварных конструкций, собрана Радаем [37]. Наиболее часто используемые методы, основанные на напряжениях, — это метод номинального напряжения, метод напряжения горячей точки и метод эффективного напряжения надреза [37, 38].В последнее десятилетие метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке, и метод эталонной кривой S-N [39, 40] также получили широкое распространение благодаря доступности удобного для пользователя коммерческого программного обеспечения, такого как Verity ™ in FE-safe ™ [41].
Для проведения точной оценки усталости сварных стальных конструкций необходимо иметь столь же точную информацию о нагрузке; даже малейшее изменение значения нагрузки может вызвать большую разницу в результатах оценки. Более того, определение нагрузки методом конечных элементов является идеализацией и не включает все параметры, влияющие на поведение конструкции.Единственный способ получить точную информацию о нагрузке — это измерение поля, когда реальные деформации могут быть измерены и отмечены различными датчиками, прикрепленными к элементам конструкции. Таким образом создается наиболее точная основа для оценки утомляемости.
Системы долгосрочного мониторинга состояния конструкций, так называемые системы мониторинга состояния конструкций, в настоящее время более широко используются и развиваются [42, 43]. Они предназначены для раннего обнаружения структурных повреждений, предоставления информации о состоянии конструкции в реальном времени и для получения данных для дальнейших исследований [44].Преимущества таких систем признаны во многих странах и применяются в крупных стальных конструкциях по всему миру [42, 44–48]. Для точного определения мест повреждений на конструкции используются локальные неразрушающие методы, такие как визуальный осмотр, ультразвуковой контроль, радиографические методы, контроль магнитных частиц и так далее. [49, 50]. Эти методы часто дороги и требуют много времени, но необходимы из-за оценки структурного состояния после повреждений [51].Недостатком всех этих методов является то, что история структурного состояния представляет собой только запись в определенном временном интервале и не должна представлять состояние в будущем. Принимая во внимание множество неопределенностей, возникающих во время процедуры оценки усталости, вероятностный подход представляет собой рациональное решение. Источники неопределенностей в основном классифицируются как физические неопределенности, неопределенности измерения, статистические неопределенности из-за ограниченного числа измерений и неопределенности модели из-за несовершенства и идеализации.Благодаря развитию методов надежности конструкции (вероятностных) и метода накопления усталостных повреждений стало возможным при оценке усталости учесть все эти неопределенности. В конце 80-х годов были опубликованы статьи, предлагающие полную методологию оценки утомляемости с помощью вероятностных методов [52]. В то время эти методы в основном использовались для морских конструкций, а затем для оценки усталости соединений внутри стальных мостов, подверженных транспортной нагрузке [53, 54].Исчерпывающий обзор литературы по существующим подходам к надежности для переоценки автомобильных и железнодорожных мостов доступен в статье Byers et al. [55].
Первым шагом в анализе усталостной надежности конструкций является формулировка математической модели, которая в идеале включала бы больше переменных, влияющих на усталостное поведение. После этого проводится вероятностный и статистический анализ [52].
При оценке усталости два основных подхода, которые в основном используются на этапе проектирования и оценки уровня надежности, — это подходы SN в сочетании с правилом Майнера и механикой разрушения, которая используется на этапах оценки состояния и оценки остаточной усталости. жизнь конструкции.В первом случае целью анализа на усталость является определение усталостной долговечности конструкции или элемента конструкции с заданной надежностью или определение интервалов проверки, а в других случаях целью является определение интервалов проверки или оставшегося времени до ремонта.
4. Подходы на основе кривых S-N
4.1. В целом
Для успешного проведения оценки усталости стальной конструкции необходимо оценить усталостную долговечность каждого элемента конструкции.Сопротивление детали представлено соответствующей кривой S-N, полученной в результате испытаний образцов, подвергнутых переменным напряжениям постоянной и переменной амплитуд. Он определяется как соотношение между переменными напряжениями S и количеством изменений напряжений N . Таким образом, получают данные о сопротивлении каждой детали соответствующей геометрии, качестве работы, влиянии окружающей среды и способе нагружения.
Если кривые показаны в логарифмическом масштабе, линии берутся, рисунок 3.Аналитическое уравнение для кривой S-N: где — угол наклона кривой S-N, — значение амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения, и является значением амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения.
Из рисунка 3 видно, что сопротивление усталости уменьшается с увеличением числа амплитуд напряжений N . Билинейная кривая S-N имеет определенный наклон (обычно м = 3) к точке, которая соответствует пределу усталости с постоянной амплитудой (CA, рисунок 3.). Предполагается, что усталостная долговечность определенной детали при постоянных амплитудах напряжений ниже этого предела бесконечна. Сегодня авторы очень скептически относятся к этому утверждению [56]. Если проверка проводится достаточно долго, каждый элемент в конечном итоге выйдет из строя. Это особенно верно в случае конструкций, которые подвергаются большому количеству циклов напряжений. В соответствии с рисунком 3 необходимо изменить допущение предела выносливости с постоянной амплитудой (CA), если деталь подвергается нагрузкам с переменной амплитудой (VA).В случае переменных амплитуд (пунктирная линия на рис. 3) этот предел выносливости должен быть изменен. Например, европейский стандарт [13] дает кривые S-N с наклоном, измененным на м. = 5 после CA с горизонтальной линией после N = 10 ⁸ (предел отсечения). Стандарты IIW в случае многоцикловой усталости принимают кривые S-N с наклоном м = 22 после CA без предела отсечки. Если пренебречь пределом усталости с постоянной амплитудой и выбрать одну линию с постоянным наклоном к горизонтали, это будет консервативный подход, как показано пунктирной линией.
Во время оценки усталости характерные детали классифицируются по категориям (классы FAT) таким образом, что одна стандартизованная кривая представляет больше деталей. В стандартах категория деталей представляет детали диапазона напряжений, выраженных как характеристическая усталостная прочность в МПа для числа циклов напряжения N = 2 × 10 ⁶.
Как упоминалось ранее, кривые S-N основаны на экспериментальных результатах, полученных в основном при постоянных амплитудах, в то время как в действительности детали подвергаются нагрузкам с переменными амплитудами.Используя гистограмму, можно показать спектр переменного напряжения, где каждый блок определяется амплитудой напряжения, Δ σ _i и соответствующим количеством вариаций напряжения (Рисунок 4).

На рисунке 4 представлена гистограмма с шестью такими блоками. Чтобы преобразовать напряжения с переменной амплитудой (которые можно найти в действительности) в напряжения постоянной амплитуды, предполагается, что каждый блок напряжений вызывает определенные связанные частичные повреждения ( n _i/ N _i) , при котором порядок напряжений не учитывается.
Эта процедура называется гипотезой Палмгрена – Майнера о линейном накоплении повреждений, широко известной как правило Майнера [57]. Согласно правилу Майнера, кумулятивное усталостное повреждение может быть выражено как где — количество диапазонов напряжений с постоянной амплитудой и — количество диапазонов напряжений до разрушения.
Отказ происходит, когда сумма каждого частичного повреждения равна единице. Правило Майнера также может применяться с использованием концепции эквивалентного диапазона напряжений. Он представляет собой диапазон фиктивного напряжения постоянной амплитуды Δ σ _e, который вызывает такие же повреждения, как и сумма диапазонов напряжений Майнера, если это происходит достаточно часто.Диапазон эквивалентных напряжений сравнивается с соответствующей кривой S-N для заданного числа диапазонов напряжений. Обзоры применения правила Майнера для сварных конструкций даны Мэддоксом и Размджу [58], Герни [59] и Сонсино и др. [60, 61].
Оценка усталостной долговечности стохастически нагруженной конструкции связана с соотношением спектра напряжений и сопротивления рассматриваемой детали. Спектр напряжений обычно неизвестен и может быть получен с помощью различных измерений и моделирования.Чтобы получить амплитуды напряжений из истории напряжений, необходимо использовать один из методов подсчета диапазона напряжений, например, метод водохранилища или дождевого потока [62]. Метод резервуара больше подходит для ручных расчетов, а метод дождевого потока больше подходит для программирования и, соответственно, компьютерного расчета [63].
Подход S-N не отличается от инициирования и распространения трещин, но учитывает общую усталостную долговечность конструктивного элемента. В случае геометрически сложных деталей конструкции, которые невозможно отнести к определенной категории, необходимо использовать более продвинутые методы оценки усталости (локальные подходы), которые точно определяют значения напряжений в наблюдаемом месте.Применение локальных подходов оправдано тем, что даже процесс утомления локального характера не может быть хорошо описан глобальными подходами. Функция предельного состояния формируется базовыми переменными со стороны сопротивления и нагрузки. Модель нагрузки определяется ее собственным значением и частотой возникновения, а модель сопротивления получается путем испытаний на усталость. Обзор наиболее часто используемых функций распределения для модели нагрузки и сопротивления приведен в [53]. Существует множество вероятностных исследований усталостных повреждений и оценок усталостной долговечности мостов.Вероятностная модель для оценки надежности стальных мостов на основе данных долгосрочного мониторинга разработана Ni et al. [64]. В статье интегрировано распределение вероятностного диапазона напряжений в горячей точке с вероятностной формулировкой правила Майнера. Недавние оценки усталости стальных мостов с помощью билинейной кривой S-N можно также найти в [65, 66].
Как уже упоминалось, кривая S-N представляет собой взаимосвязь между диапазонами напряжений с постоянными амплитудами и количеством диапазонов напряжений до разрушения.Если речь идет о переменных амплитудах, используется правило Майнера. Для эргодических процессов диапазонов напряжений разбросом истории напряжений можно пренебречь и повреждение D _n с диапазоном напряжений n можно записать как [67]: где E […] — математическое ожидание, является вероятностью функция плотности диапазонов напряжений, а K и m — это параметры материала, которые неявно учитывают влияние геометрии сварного шва, остаточных напряжений и изменения толщины напряжения.
Согласно этой модели, отказ происходит, когда D _n равно единице. В большинстве случаев используется модель с двумя наклонами кривой S-N, которую можно найти в литературе [67]. Влияние геометрии сварного шва, остаточных напряжений и изменения напряжений по толщине листа неявно включается в значения K и м . Влияние таких факторов, как толщина листа, окружающая среда, надрез сварного шва, обработка после сварки и т. Д., Учитывается путем соответствующих корректировок основных кривых отношения сигнал-шум.
В этом случае функция предельного состояния может быть записана в виде где — вектор случайной величины, — время, — сумма ущерба майнера с ошибкой и — ущерб с n циклами.
Применяя методы структурной надежности, можно рассчитать вероятность отказа или индекс надежности для усталостной долговечности структурных деталей, которые можно использовать в качестве основы для принятия решений по поддержанию конструкции.
4.2. Метод номинального напряжения
Это наиболее используемый подход для оценки усталостной долговечности стальных конструкций, склонных к усталости, и он также принят в стандартах.Этот подход основан на среднем напряжении в соответствующем поперечном сечении. Напряжение было рассчитано с помощью классической структурной механики в предположении линейной теории упругости. Локальный эффект, вызывающий увеличение (концентрацию) напряжения, не учитывается, но учитывается геометрическая модификация, которая оказывает значительное влияние на изменение напряжения (например, вырезанные отверстия). Локальные эффекты неявно учитываются кривыми S-N. На рисунке 5 показано определение номинального напряжения без учета концентрации напряжений в области сварного шва.

Категория деталей и соответствующие кривые S-N, основанные на номинальных напряжениях, доступны в большинстве руководств по проектированию. Поскольку категория детали зависит от геометрии элемента, нагрузки и местоположения трещины, рассматриваемая сварная деталь должна быть аналогична детали, указанной в руководящих принципах.
Подход, основанный на номинальном напряжении, не подходит для сложных геометрических деталей, которые не могут быть сопоставлены с соответствующей кривой S-N, или в случае, когда невозможно рассчитать номинальное напряжение.В этом случае необходимо использовать подходы, учитывающие локальные эффекты (local подходы).
4.3. Метод напряжений в горячих точках
Первоначально оценка усталости сварных соединений на основе метода напряжений в горячих точках использовалась для сварных соединений трубных элементов [68]. Позже она стала применяться для пластинчатых элементов и, наконец, стала стандартизированной процедурой оценки усталостной долговечности сварных соединений, склонных к усталости [10, 25]. Горячая точка — это критическое место на носке сварного шва, где ожидается образование трещины из-за процесса усталости.Примеры этих точек зарождения трещин можно увидеть на Рисунке 6.

Как упоминалось ранее, усталостная прочность каждой сварной детали зависит от дефектов внутри сварного шва и локальной концентрации напряжений из-за влияния геометрии детали или эффекта надреза внутри сварного шва. . Общее напряжение горячей точки состоит из компонентов мембранных напряжений, напряжений изгиба пластины и нелинейной составляющей напряжения из-за эффекта надреза на носке сварного шва, рис. 7.

Основная идея подхода к напряжению горячей точки состоит в том, чтобы исключить нелинейный компонент из расчета напряжения, поскольку невозможно заранее узнать фактическую геометрию сварного шва.При таком подходе кривые S-N должны охватывать только те эффекты, которые связаны с локальной концентрацией напряжений внутри сварного шва (эффект надреза) и локальными дефектами сварного шва. Следовательно, требуется меньшее количество кривых S-N, чем в случае подхода с номинальным напряжением. Подход к напряжению в горячих точках в основном используется, когда невозможно четко определить номинальное напряжение из-за сложной геометрии или в случаях, когда рассматриваемые детали не могут быть отнесены к одной из категорий номинальных напряжений, указанных в стандартах.
В ситуациях, когда номинальное напряжение можно просто вычислить, используется коэффициент концентрации напряжений K _s, который увеличивает номинальное напряжение. Эти коэффициенты приведены только для ограниченного числа деталей и могут быть найдены в [69]. Затем определяется напряжение горячей точки как где — номинальное напряжение в горячей точке.
Пример использования коэффициентов концентрации напряжений в расчетах напряжений в горячих точках при оценке многоосной усталости приведен в [70].
В большинстве случаев аналитическое определение напряжения горячей точки невозможно. Затем используется метод конечных элементов [71]. Таким же образом можно определить факторы концентрации напряжений. Расчеты выполнены с учетом линейно-упругого поведения материала. При моделировании необходимо использовать конечные элементы, которые могут учитывать изгиб пластины. Значения напряжений зависят от типов и размеров конечных элементов, и особое внимание следует уделить моделированию подошвы сварного шва и выбранному местоположению горячей точки.Чтобы избежать ошибок при моделировании и интерпретации результатов расчетов, необходимо обладать обширными знаниями и опытом. Рекомендации по моделированию приведены в [72].
При расчетах методом конечных элементов полученные результаты часто отклоняются от реального состояния. Причина этого — геометрическая идеализация, в которой не учитываются геометрические несовпадения, возникающие в результате производственного процесса. Они вызывают вторичные изгибающие моменты, которые следует учитывать при создании модели из конечных элементов с идеализированной геометрией, а затем полученное номинальное напряжение следует модифицировать с коэффициентом K _m, который учитывает геометрические несовпадения.Этот коэффициент задается параметрическими формулами и может быть найден в [72]. Таким образом, получается модифицированное номинальное напряжение: где — мембранная составляющая напряжения, а — изгибная составляющая.
Напряжения в горячих точках можно также получить путем измерения существующих конструкций. Деформация измеряется в контрольных точках, по которым проводится экстраполяция на местоположение горячей точки, рис. 8. На основе измеренной и экстраполированной деформации рассчитываются напряжения. Экстраполяция проводится для исключения нелинейной составляющей напряжения, и напряжение должно быть экстраполировано с места, где распределение напряжений все еще является линейным.Эта область для листовых элементов начинается примерно на расстоянии 0,4 t от носка шва, где t — толщина листа. Рекомендации по определению реперных точек и экстраполяции можно найти в [25, 72].

Напряжение в горячей точке определяется путем линеаризации напряжений вне сварного шва. Согласно рекомендациям IIW [25], линейная экстраполяция проводится из значений напряжения в двух контрольных точках на определенных расстояниях от носка сварного шва, которые связаны с толщиной листа.В случаях, когда нагруженный пластинчатый элемент поддерживается на упругой жесткой опоре (например, фланец над стенкой), линейная экстраполяция может недооценить напряжение горячей точки. В этом случае необходимо использовать нелинейную экстраполяцию от трех реперных точек.
Оценка усталости этим методом проводится по той же процедуре, что и метод номинального напряжения. Напряжение в горячей точке сравнивается с соответствующей кривой S-N определенной детали конструкции. Кривые S-N для напряжений в горячих точках можно найти в [13, 25].Следует отметить, что этот подход основан на предположении, что усталостная трещина возникает на носке сварного шва. Фрике [73] исследовал в своей статье три различных метода экстраполяции. Затем он сравнил полученное напряжение с кривыми S-N, приведенными в рекомендациях IIW [25]. Он пришел к выводу, что рекомендуемые методы экстраполяции можно использовать с кривыми S-N, которые приведены в рекомендациях. Сяо и Ямада [74] предлагают концепцию, основанную на расчете напряжения в месте на 1 мм ниже поверхности на подошве сварного шва в направлении распространения трещины.Доказано, что такой метод расчета соответствует методам экстраполяции.
Однако процедуры экстраполяции, упомянутые выше la
.
Оксиды углерода, кремния, германия, олова и свинца
Оксиды элементов в верхней части группы 4 являются кислыми, но кислотность оксидов падает по мере того, как вы спускаетесь по группе. Ближе к нижней части группы оксиды становятся более основными, хотя и без полной потери кислотного характера.
Оксид, который может проявлять как кислотные, так и основные свойства, называется амфотерным .
Таким образом, наблюдается тенденция от кислых оксидов в верхней части группы к амфотерным в нижней части.

Оксиды углерода и кремния
Окись углерода
Окись углерода обычно рассматривается как нейтральный оксид, но на самом деле он очень и очень слабокислый. Он не реагирует с водой, но будет реагировать с горячим концентрированным раствором гидроксида натрия с образованием раствора метаноата натрия.
Тот факт, что окись углерода реагирует с основным гидроксид-ионом, показывает, что он должен быть кислым.

Диоксиды углерода и кремния
Оба они слабокислые.
С водой
Диоксид кремния не реагирует с водой из-за сложности разрушения гигантской ковалентной структуры.
Двуокись углерода в некоторой степени реагирует с водой с образованием ионов водорода (строго говоря, ионы гидроксония) и ионов гидрокарбоната.
Всего эта реакция:
Раствор диоксида углерода в воде иногда называют угольной кислотой, но на самом деле только около 0.Фактически прореагировал 1% углекислого газа. Положение равновесия находится намного левее.
С основаниями
Двуокись углерода реагирует с раствором гидроксида натрия на холоде с образованием карбоната натрия или раствора гидрокарбоната натрия — в зависимости от пропорций реакции.
Диоксид кремния также реагирует с раствором гидроксида натрия, но только если он горячий и концентрированный. Образуется раствор силиката натрия.
Вы также можете быть знакомы с одной из реакций, происходящих при извлечении железа в доменной печи — в которой оксид кальция (из известняка, который является одним из сырьевых материалов) реагирует с диоксидом кремния с образованием жидкого шлака, силиката кальция. Это также пример реакции кислого диоксида кремния с основанием.

Оксиды германия, олова и свинца
Окиси
Все эти оксиды амфотерные — они проявляют как основные, так и кислотные свойства.
Основная природа оксидов
Все эти оксиды реагируют с кислотами с образованием солей.
Например, все они реагируют с концентрированной соляной кислотой. Кратко это можно представить как:
. . . где X может быть Ge и Sn, но, к сожалению, требует небольшой модификации для свинца.
Хлорид свинца (II) практически нерастворим в воде, и вместо получения раствора он образует нерастворимый слой над оксидом свинца (II), если вы будете использовать разбавленную соляную кислоту , что остановит реакцию.
Однако в этом примере мы говорим об использовании концентрированной соляной кислоты .
Большой избыток хлорид-ионов в концентрированной кислоте реагирует с хлоридом свинца (II) с образованием растворимых комплексов, таких как PbCl ₄ ^2-. Эти ионные комплексы растворимы в воде, и проблема исчезает.
К сожалению, это означает, что вам нужно больше помнить!
.
Тенденции состояния окисления в группе 4
ТЕНДЕНЦИИ СОСТОЯНИЯ ОКИСЛЕНИЯ В ГРУППЕ 4

На этой странице исследуются степени окисления (степени окисления) элементов 4-й группы — углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb). Он обращает внимание на возрастающую тенденцию элементов образовывать соединения со степенью окисления +2, особенно в отношении олова и свинца.
Примечание: Если вас не устраивают процессы окисления и восстановления (включая использование степеней окисления), обязательно перейдите по этой ссылке, прежде чем идти дальше.
Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы быстро вернуться на эту страницу.

Некоторые примеры тенденций в степенях окисления
Общая тенденция
Типичная степень окисления, показанная элементами в группе 4, составляет +4, обнаруживается в таких соединениях, как CCl ₄, SiCl ₄ и SnO ₂.
Предупреждение: Не попадайтесь в ловушку, цитируя CH ₄ в качестве примера углерода с типичной степенью окисления +4.Поскольку углерод более электроотрицателен, чем водород, его степень окисления в этом случае составляет -4!

Однако по мере того, как вы спускаетесь по Группе, появляется все больше и больше примеров, где степень окисления +2, таких как SnCl ₂, PbO и Pb ²⁺.
В случае олова состояние +4 по-прежнему более стабильно, чем состояние +2, но к тому времени, когда вы становитесь лидером, состояние +2 становится более стабильным и доминирует в химическом составе свинца.

Пример из химии углерода
Единственный распространенный пример степени окисления +2 в химии углерода встречается в монооксиде углерода, CO.Окись углерода является сильным восстановителем, потому что она легко окисляется до двуокиси углерода, где степень окисления более термодинамически стабильна +4.
Например, окись углерода восстанавливает многие оксиды горячего металла до металла — реакция, которая используется, например, при извлечении железа в доменной печи.

Примеры из химии олова
К тому времени, как вы перейдете в группу до олова, состояние +2 становится все более распространенным, и существует хороший диапазон соединений олова (II) и олова (IV).Однако олово (IV) по-прежнему является более стабильной степенью окисления олова.
Это означает, что превратить соединения олова (II) в соединения олова (IV) будет довольно просто. Лучше всего это проявляется в том, что ионы Sn ²⁺ в растворе являются хорошими восстановителями.
Например, раствор, содержащий ионы олова (II) (например, раствор хлорида олова (II)), восстанавливает раствор йода до иодид-ионов. При этом ионы олова (II) окисляются до ионов олова (IV).
Примечание: Для простоты я пишу это уравнение (и несколько следующих) так, как если бы продукт содержал простые ионы олова (IV).На самом деле простых ионов олова (IV) в растворе не существует. В этих примерах они обычно будут частью гораздо более крупного комплексного иона. Не беспокойтесь об этом на этом уровне.

Ионы олова (II) также восстанавливают ионы железа (III) до ионов железа (II). Например, раствор хлорида олова (II) восстанавливает раствор хлорида железа (III) до раствора хлорида железа (II). При этом ионы олова (II) окисляются до более стабильных ионов олова (IV).

Ионы олова (II) также, конечно, легко окисляются мощными окислителями, такими как подкисленный раствор манганата (VII) калия (раствор перманганата калия).Эту реакцию можно использовать как титрование для определения концентрации ионов олова (II) в растворе.
Примечание: Если вас не устраивают расчеты титрования (в том числе с использованием манганата калия (VII)), возможно, вас заинтересует моя книга расчетов по химии.

И в качестве последнего примера. . .
В органической химии олово и концентрированная соляная кислота традиционно используются для восстановления нитробензола до фениламина (анилина).В этой реакции олово сначала окисляется до ионов олова (II), а затем до предпочтительных ионов олова (IV).
Примечание: Эта реакция подробно рассматривается в разделе органической химии сайта на странице, посвященной получению фениламина.
Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы вернуться на эту страницу, если вы решите перейти по этой ссылке.

Примеры из химии свинца
Со свинцом ситуация обратная.На этот раз степень окисления свинца (II) более стабильна, и существует сильная тенденция для соединений свинца (IV) реагировать с образованием соединений свинца (II).
Хлорид свинца (IV), например, разлагается при комнатной температуре с образованием хлорида свинца (II) и газообразного хлора:
. . . и оксид свинца (IV) разлагается при нагревании с образованием оксида свинца (II) и кислорода.
Оксид свинца (IV) также реагирует с концентрированной соляной кислотой, окисляя некоторые хлорид-ионы в кислоте до газообразного хлора.Опять же, отрыв снижается с +4 до более стабильного состояния +2.

Попытка объяснить тенденции в степенях окисления
Нет ничего удивительного в нормальной степени окисления группы +4.
Все элементы в группе имеют внешнюю электронную структуру ns ² np _x ¹ np _y ¹, где n изменяется от 2 (для углерода) до 6 (для свинца). В степени окисления +4 все эти внешние электроны непосредственно участвуют в связывании.
По мере того, как вы приближаетесь к нижней части группы, наблюдается возрастающая тенденция к тому, чтобы пара s ² не использовалась при склеивании. Это часто известно как эффект инертной пары — и является доминирующим в химии свинца.
Однако простое название «эффект инертной пары» ничего не объясняет. Вам нужно посмотреть на два разных объяснения в зависимости от того, говорите ли вы об образовании ионных или ковалентных связей.
Примечание: Весьма вероятно, что то, что следует ниже, намного превышает то, что вам нужно для целей UK A level (или его эквивалента) — , и предназначено в основном для интереса. Чтобы быть уверенным, обратитесь к своей программе и, что более важно, к прошлым экзаменационным работам и схемам оценок. Если вы готовитесь к экзамену в Великобритании и еще не прошли его, перейдите по этой ссылке на страницу учебных программ, чтобы узнать, как их получить.

Эффект инертной пары в образовании ионных связей
Если элементы в группе 4 образуют 2+ иона, они теряют p-электроны, оставляя пару s ² неиспользованной.Например, чтобы сформировать ион свинца (II), свинец потеряет два 6p-электрона, но 6s-электроны останутся неизменными — «инертная пара».
Обычно можно ожидать, что энергия ионизации будет падать по мере того, как вы спускаетесь вниз по группе, когда электроны удаляются от ядра. В группе 4 этого не происходит.
На этой первой диаграмме показано, как общая энергия ионизации, необходимая для образования ионов 2+, изменяется по мере продвижения вниз по группе. Все значения указаны в кДж / моль ^-1.
Обратите внимание на небольшое увеличение между оловом и свинцом.
Это означает, что удалить p-электроны из свинца немного сложнее, чем из олова.
Однако, если вы посмотрите на картину потери всех четырех электронов, расхождение между оловом и свинцом будет гораздо более заметным. Относительно большое увеличение между оловом и свинцом должно быть связано с тем, что пару 6s ² значительно труднее удалить из свинца, чем соответствующую пару 5s ² из олова.
Опять же, все значения указаны в кДж / моль ^-1, и две диаграммы имеют примерно одинаковый масштаб.
Причины всего этого лежат в теории относительности. С более тяжелыми элементами, такими как свинец, происходит так называемое релятивистское сжатие электронов, которое имеет тенденцию притягивать электроны к ядру ближе, чем вы могли бы ожидать. Поскольку они расположены ближе к ядру, их труднее удалить. Чем тяжелее элемент, тем сильнее этот эффект.
Это влияет на s-электроны гораздо больше, чем на p-электроны.
В случае свинца релятивистское сжатие делает удаление 6s-электронов энергетически более трудным, чем вы могли ожидать.Термины, выделяющие энергию при образовании ионов (например, энтальпия решетки или энтальпия гидратации), очевидно, недостаточны для компенсации этой дополнительной энергии. Это означает, что образование ионов 4+ в свинце не имеет энергетического смысла.
Примечание: Если вы хотите узнать больше о релятивистском сжатии, попробуйте поискать в Google электронов релятивистского сжатия — но ожидайте, что вам придется заняться тяжелым чтением!

Эффект инертной пары в образовании ковалентных связей
Вам нужно подумать, почему углерод обычно образует четыре ковалентные связи, а не две.
Внешняя электронная структура углерода в обозначении электронов в ящиках выглядит так:
Есть только два неспаренных электрона. Однако, прежде чем углерод образует связи, он обычно продвигает один из s-электронов на пустую p-орбиталь.
Остается 4 неспаренных электрона, которые (после гибридизации) могут образовывать 4 ковалентные связи.
Стоит предоставить энергию для продвижения s-электрона, потому что тогда углерод может образовывать в два раза больше ковалентных связей.Каждая образующаяся ковалентная связь высвобождает энергию, и этого более чем достаточно для обеспечения энергией, необходимой для продвижения по службе.
Одно из возможных объяснений нежелания свинца делать то же самое заключается в падении энергии облигаций по мере того, как вы спускаетесь по Группе. Энергия связи имеет тенденцию падать по мере того, как атомы становятся больше, а связующая пара находится дальше от двух ядер и лучше экранируется от них.
Например, энергии, высвобождаемой при образовании двух дополнительных связей Pb-X (где X представляет собой H или Cl или что-то еще), может больше не хватить для компенсации дополнительной энергии, необходимой для продвижения электрона 6s на пустую орбиталь 6p.
Конечно, это было бы еще хуже, если бы энергетический зазор между 6s и 6p-орбиталями был увеличен за счет релятивистского сжатия 6s-орбитали.

Куда бы вы сейчас хотели пойти?
В меню группы 4. . .
В меню «Неорганическая химия». . .
В главное меню. . .

© Джим Кларк 2004 (изменено в марте 2015 г.)
.
Тенденции состояния окисления в группе 4
На этой странице исследуются степени окисления (степени окисления), принятые элементами группы 4 (углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb)). ). Он исследует возрастающую тенденцию элементов образовывать соединения со степенью окисления +2, особенно для олова и свинца.
Некоторые примеры тенденций в степенях окисления
Типичная степень окисления элементов в группе 4 составляет +4, как в CCl ₄, SiCl ₄ и SnO ₂.
CH ₄, однако, не является примером углерода со степенью окисления +4. Поскольку углерод более электроотрицателен, чем водород, его степень окисления -4.
Однако ниже по группе есть больше примеров со степенью окисления +2, например SnCl ₂, PbO и Pb ² ⁺. Состояние +4 олова по-прежнему более стабильно, чем состояние +2, но для свинца и более тяжелых элементов состояние +2 является более стабильным; он доминирует в химии свинца.
Пример из химии углерода
Единственным распространенным примером углерода в степени окисления +2 является окись углерода CO. Окись углерода является сильным восстанавливающим агентом, потому что он легко окисляется до двуокиси углерода, которая имеет более термодинамически стабильную степень окисления +4. Например, окись углерода восстанавливает многие оксиды горячих металлов до элементарных металлов; Эта реакция имеет много полезных применений, одним из которых является извлечение железа в доменной печи.
Примеры из химии олова
Для олова и ниже состояние +2 становится все более распространенным, и существует множество соединений олова (II) и олова (IV).Однако олово (IV) является более стабильной степенью окисления; поэтому довольно легко превратить соединения олова (II) в соединения олова (IV). Лучше всего это иллюстрируется тем, что ионы Sn ² ⁺ в растворе являются сильными восстановителями.
Раствор, содержащий ионы олова (II) (например, сольватированный хлорид олова (II)), восстанавливает йод до иодид-ионов. При этом ионы олова (II) окисляются до ионов олова (IV).
Ионы олова (II) также восстанавливают ионы железа (III) до ионов железа (II): хлорид олова (II) восстанавливает хлорид железа (III) до хлорида железа (II) в растворе.При этом ионы олова (II) окисляются до более стабильных ионов олова (IV).
Кроме того, ионы олова (II) легко окисляются мощными окислителями, такими как подкисленный манганат калия (VII) (перманганат калия). Эта реакция используется для определения концентрации ионов олова (II) в растворе титрованием.
В качестве последнего примера, в органической химии олово и концентрированная соляная кислота традиционно используются для восстановления нитробензола до фениламина (анилина).Олово сначала окисляется до ионов олова (II), а затем до предпочтительных ионов олова (IV).
Примеры из химии свинца
Со свинцом ситуация обратная. Степень окисления свинца (II) более стабильна; Соединения свинца (IV) вступают в реакцию с образованием соединений свинца (II). Хлорид свинца (IV), например, разлагается при комнатной температуре с образованием хлорида свинца (II) и газообразного хлора:
Оксид свинца (IV) разлагается при нагревании с образованием оксида свинца (II) и кислорода:
Оксид свинца (IV) также реагирует с концентрированной соляной кислотой, окисляя хлорид-ионы в кислоте до газообразного хлора.Опять же, отрыв снижается с +4 до более стабильного +2 состояния.
Объяснение тенденций в степенях окисления
Нет ничего необычного в стабильности степени окисления +4 в группе 4. Каждый из элементов в группе имеет внешнюю электронную структуру ns ² np _x ¹ np _y ¹, где n — номер периода, варьирующийся от 2 (для углерода) до 6 (для свинца). В степени окисления +4 все валентные электроны непосредственно участвуют в связывании.
Ближе к концу группы наблюдается возрастающая тенденция для пары s ² не участвовать в связывании. Это часто известно как эффект инертной пары и является доминирующим в химии свинца. Этому есть два разных объяснения, в зависимости от того, идет ли речь об образовании ионных или ковалентных связей.
Эффект инертной пары при образовании ионных связей
Если элементы группы 4 образуют ионы 2+, они теряют свои p-электроны, оставляя пару s ² неиспользованной.Например, чтобы сформировать ион свинца (II), свинец теряет два своих 6p-электрона, но 6s-электроны остаются неизменными, представляя собой «инертную пару».
Энергии ионизации обычно уменьшаются по группе по мере удаления электронов от ядра. В группе 4 дело обстоит иначе. На этой первой диаграмме показано, как полная энергия ионизации, необходимая для образования иона 2+, изменяется по группе. Значения даны в кДж / моль ^-1.
Обратите внимание на небольшое увеличение между оловом и свинцом. Это указывает на то, что удалить p-электроны из свинца сложнее, чем из олова.
Однако, если посмотреть на схему потери всех четырех электронов на диаграмме ниже, это несоответствие между оловом и свинцом становится гораздо более очевидным. Относительно большое увеличение между оловом и свинцом связано с большей трудностью удаления пары 6s ² в свинце, чем соответствующей пары 5s ² из олова.
(Опять же, все значения в кДж / моль ^-1, и две диаграммы имеют примерно одинаковый масштаб.)
Эти эффекты связаны с теорией относительности.Более тяжелые элементы, такие как свинец, испытывают релятивистское сжатие электронов, которое притягивает электроны к ядру ближе, чем ожидалось. Поскольку они ближе, их сложнее удалить. Чем тяжелее элемент, тем сильнее становится этот эффект. Это влияет на s-электроны в большей степени, чем на p-электроны.
В свинце релятивистское сжатие делает удаление 6s-электронов энергетически более трудным, чем ожидалось. Условия выделения энергии при образовании ионов (например, энтальпия решетки или энтальпия гидратации) не могут компенсировать эту дополнительную энергию.Следовательно, образование ионов 4+ в свинце не имеет энергетического смысла.
Эффект инертной пары в образовании ковалентных связей
Углерод обычно образует четыре ковалентные связи, а не две. Используя обозначение электронов в ящиках, внешняя электронная структура углерода выглядит так:
Есть только два неспаренных электрона. Однако, прежде чем углерод образует связи, он обычно продвигает s-электрон на пустую p-орбиталь.
Остается 4 неспаренных электрона, которые (после гибридизации) могут образовывать 4 ковалентные связи.
Стоит предоставить энергию для продвижения s-электрона, потому что тогда углерод может образовывать в два раза больше ковалентных связей. Каждая образованная ковалентная связь высвобождает энергию, и этого более чем достаточно для обеспечения энергии, необходимой для продвижения.
Одно из возможных объяснений нежелания свинца делать то же самое заключается в уменьшении энергии связи в группе. Энергия связи уменьшается по мере того, как атомы становятся больше, а связующая пара находится дальше от двух ядер и лучше экранируется от них.
Например, энергии, высвобождаемой при образовании двух дополнительных связей Pb-X (где X представляет собой H или Cl или что-то еще), может больше не хватить для компенсации дополнительной энергии, необходимой для продвижения электрона 6s на пустую орбиталь 6p. Этот эффект усиливается, если энергетический зазор между 6s и 6p-орбиталями увеличивается из-за релятивистского сжатия 6s-орбиталей.
.

Процессы, протекающие при плавлении и остывании металла в сварном шве

Добавить комментарий

Различные дефекты сварных соединений — Cварочные работы

Различные дефекты сварных соединений

Свойство — сварное соединение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Свойство — сварное соединение

3.7. Влияние режима сварки на степень химической неоднородности сварного шва

Типы дефектов сварного шва при механизированной сварке

Содержание

Внутренние и наружные дефекты сварных швов

Наружные сварные дефекты

Внутренние сварные дефекты

Дефекты формирования шва

Непровар сварного шва

Подрезы сварных швов

Прожоги сварных швов

Наплывы сварных швов

Кратеры сварных швов и усадочные раковины

Поры в сварных швах

Обзор методов оценки усталости сварных стальных конструкций

1. Введение

2. Усталость сварных соединений

2.1. Усталость в целом

2.2. Усталостные свойства сварных соединений

3. Методы оценки усталостной долговечности сварных соединений в целом

4. Подходы на основе кривых S-N

4.1. В целом

4.2. Метод номинального напряжения

4.3. Метод напряжений в горячих точках

Оксиды углерода, кремния, германия, олова и свинца

Тенденции состояния окисления в группе 4

Тенденции состояния окисления в группе 4

Некоторые примеры тенденций в степенях окисления

Пример из химии углерода

Примеры из химии олова

Примеры из химии свинца

Объяснение тенденций в степенях окисления

Эффект инертной пары при образовании ионных связей

Эффект инертной пары в образовании ковалентных связей

Добавить комментарий Отменить ответ