Холодные трещины свое название получили в связи с тем, что их появление наблюдается при относительно низкой температуре. Например, при сварке сталей, способных закаливаться, холодные трещины образуются при температурах распада остаточного аустенита (120 °С и ниже) или при нормальной температуре спустя некоторое время после сварки (десятки минут, часы, иногда и через более длительное время). Характерный признак холодных трещин — блестящий излом без следов высокотемпературного окисления.
Для объяснения природы образования холодных трещин ранее использовали две гипотезы — закалочную и водородную. Согласно закалочной гипотезе образование холодных трещин объясняется мартенситным превращением, приводящим к возникновению высоких внутренних напряжений, вызванных изменением объема при фазовом превращении и одновременно снижением пластичности металла.
Согласно водородной гипотезе возникновение трещин объясняется выделением растворенного в металле водорода в микронесплошности, имеющиеся в металле, и созданием в них высокого давления молекулярным водородом из-за очень малой степени диссоциации молекулярного водорода при низких температурах. Повышенное давление водорода создает вокруг микронесплошностей поле высоких напряжений, что приводит к развитию деформаций и разрушению металла. При этом предполагается, что растворенный в металле водород облегчает разрушение, так как при наличии водорода снижается работа образования новой поверхности.
Использование современных представлений о механизме разрушения металлов позволило дать более глубокое объяснение механизма образования холодных трещин. Образование холодных трещин связано с действием растягивающих напряжений и протекает в две стадии: зарождение очага разрушения критического размера и последующее его развитие до макротрещины. Используются две модели механизма образования очага разрушения критического размера: вакансионная и дислокационная.
В соответствии с вакансионным механизмом в результате воздействия термического цикла сварки в металле околошовной зоны на стадии охлаждения возникает избыток вакансий, которые под действием напряжений мигрируют к границам зерен, конденсируются на них, образуя каверны и зародышевые микро-несплошности. Если значение действующих напряжений превышает критическое, при котором зародыш трещины приобретает способность к росту, то в этом случае происходит образование макротрещины и разрушение.
Если действующие напряжения ниже критических, то в этом случае развитие релаксационных процессов приводит к снижению напряжений и уменьшению вероятности образования макротрещины. В связи с этим повышение температуры также способствует снижению вероятности образования холодных трещин из-за более интенсивного развития релаксационных процессов.
Дислокационный механизм базируется на том известном факте, что хрупкому разрушению всегда предшествует определенная локальная пластическая деформация. В процессе локальной пластической деформации в местах блокировки полос скольжения препятствиями (например, границей зерна) образуются скопления дислокаций. Скопления дислокаций вызывают образование растягивающих напряжений. При определенных условиях растягивающие напряжения, возникающие вокруг скопления дислокаций, могут превзойти прочность атомных связей. В этом случае в результате разрыва автомных связей сформируется субмикротрещина, которая в зависимости от внешних условий способна или исчезнуть (в результате снятия или перераспределения напряжений, а также упорядочения структуры), или перерасти в микротрещину. При достижении критических размеров трещина может развиться в макротрещину.
Во всех случаях критические размеры микротрещины, способной развиться в макротрещину, зависят от действующих растягивающих напряжений и свободной поверхностной энергии образующейся трещины. Повышение растягивающих напряжений, а также снижение величины свободной поверхностной энергии образующейся трещины уменьшают размеры критического зародыша. Поскольку водород снижает величину свободной поверхностной энергии образующейся трещины, его повышенное содержание в металле увеличивает вероятность образования холодных трещин.
Из рассмотрения механизма образования холодных трещин (замедленного разрушения) следует, что неоднородная структура, формирующаяся в околошовной зоне, будет способствовать формированию неоднородного поля растягивающих напряжений и деформаций. В связи с этим будут создаваться условия для локального направленного перемещения вакансий и дислокаций и формирования каверн и скопления дислокаций. Следовательно, основные приемы предотвращения образования холодных трещин следующие:
- снижение внутренних напряжений (например, за счет использования высокого отпуска после сварки),
- получение более однородной структуры металла в околошовной зоне,
- снижение концентрации водорода.
