Холодные трещины образуются обычно при температурах ниже 200°С, иногда после полного остывания сварной конструкции. Холодные трещины могут проходить как по границам, так (преимущественно) и по телу зерен. В изломе имеют блестящую неокисленную поверхность.
Отличительной особенностью холодных трещин является замедленный характер их развития. Часто они зарождаются по истечении некоторого времени после окончания сварки и затем на протяжении нескольких минут, часов, а иногда даже суток распространяются вдоль и в глубь шва. Наряду с развитием ранее образовавшихся трещин появляются и развиваются новые. В наибольшей степени это относится к околошовной зоне при сварке металла большой толщины. По достижении некоторой определенной величины трещины в швах могут развиваться мгновенно (взрывоподобно), со звоном.
Холодные трещины образуются в сварном шве или зоне термического влияния, как правило, при наличии закалочных структур, отрицательное влияние которых усугубляется повышенным содержанием водорода в металле и неблагоприятными полями внутренних напряжений.
Холодные трещины – типичный дефект высокопрочных легированных сталей мартенситного и бейнитного классов. Достаточно вероятно их образование и при сварке низколегированных теплоустойчивых сталей перлитного класса.
Механизм образования холодных трещин состоит в следующем. Как известно, при охлаждении сварного соединения происходит полиморфное превращение γ-железа в α-железо. Фазы железа α и γ отличаются друг от друга типом кристаллической решетки и способностью растворять в себе углерод. Аустенит (γ-железо) может растворить значительно большее количество углерода, чем α-железо. Например, при температуре 723°С γ-железо может содержать до 0,8% углерода, а α-железо только 0,02% углерода. По мере охлаждения и протекания превращения γ–>α избыточный углерод выделяется. Если охлаждение медленное, весь избыточный углерод выделяется и образуется равновесная структура, например феррит, имеющая достаточно высокую пластичность. Если охлаждение происходит быстро, то углерод во время превращения γ–>α не успевает выделиться и получается неравновесная α-структура, пересыщенная углеродом. Это и есть мартенсит, который в результате повышенного содержания углерода и искаженной кристаллической решетки обладает низкой пластичностью и поэтому склонен к образованию трещин под действием напряжений.
При сварке сталей, склонных к образованию мартенсита, напряженное состояние в зоне шва более сложное, чем при сварке обычных сталей. Это связано с тем, что мартенсит занимает больший объем, чем аустенит, из которого он образовался. В связи с этим на границе закалки образуются напряжения сжатия, которые резко переходят в напряжения растяжения, традиционно действующие в сварном шве. Большой перепад (скачок) напряжений создает предпосылки для образования в этой зоне холодных трещин, а иногда и полного откола металла.
Существенно увеличивает вероятность образования холодных трещин содержание водорода в сварном шве и околошовной зоне. Растворимость водорода в γ-железе (аустените) выше, чем в других структурных составляющих. При распаде аустенита образуется свободный диффузионный водород, который имеет очень высокую подвижность, начинает активно перемещаться в шве и околошовной зоне, оказывая существенное влияние на процессы, происходящие в металле. Существует ряд теорий, объясняющих увеличение склонности металла к растрескиванию под действием водорода. Одной из первых появилась теория молекулярного давления. В ее основе лежит положение о том, что диффузионный атомарный водород скапливается в микропустотах и по мере снижения температуры превращается в молекулярный, который занимает больший объем и поэтому создает огромные давления, способствуя раскрытию трещин. Эта теория хорошо объясняет замедленное разрушение. Существует также гипотеза максимальных трехосных напряжений, в которой говорится о том, что водород приводит к значительным локальным искажениям кристаллической решетки, затрудняя пластические деформации, особенно в зоне объемных напряжений. Известны также адсорбционные теории, основанные на рассмотрении водорода как поверхностно активного вещества. По одной из них водород (протон) взаимодействует с внешними электронами атома железа. В результате этого взаимодействия ослабляется сила связи между атомами в решетке железа, что выражается в уменьшении эффективной поверхностной энергии. Исследования показывают, что с увеличением содержания диффузионного водорода до 6–8см3 / 100 г резко уменьшается (в 10–12 раз) работа зарождения трещины и существенно (в 3–4 раза) уменьшается работа распространения трещин.
Следует отметить, что ни одна из теорий в полном объеме не может объяснить механизм охрупчивания металла под действием водорода, поэтому исследования в этой области продолжаются. Однако все авторы сходятся во мнении об отрицательном влиянии водорода на стойкость металла против холодных трещин.
Таким образом, основной причиной холодных трещин в общем случае можно считать неблагоприятное сочетание трех факторов:
- наличие закалочных структур,
- повышенное содержание водорода и
- неблагоприятные поля остаточных напряжений в металле сварного соединения.
В зависимости от свариваемого материала и условий сварки один из факторов может быть преобладающим.
