автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Экспериментальный и математический анализ причин снижения пластичности трубных сталей при испытании падающим грузом

На правах рукописи

Лукьянов Алексей Александрович

экспериментальный и математическии анализ причин снижения пластичности трубных сталей при испытании падающим грузом

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1В АПР 2013

005052223

Санкт-Петербург - 2013

005052223

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: Колбасников Николай Георгиевич

доктор технических наук, профессор кафедры Технологии и

Исследования материалов СПбГПУ

Официальные оппоненты: Аксенов Леонид Борисович

доктор технических наук, профессор кафедры Машин и Технологии обработки металлов давлением СПбГПУ

Настич Сергей Юрьевич кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦТСК ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

Ведущая организация: ОАО «Северсталь Российская Сталь»

Защита состоится «. // _» апреля 2013 г. в 18.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, СПб, Политехническая, 29, главный корпус, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « 07- » марта 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.03

кандидат технических наук

Климова О.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность

В настоящее время предъявляются повышенные требования к надёжности современных магистральных газо- и нефтепроводов, которая обеспечивается, в том числе, высокими вязкими характеристиками трубных сталей. Для оценки вязкости разрушения трубных сталей используют испытания на ударную вязкость и испытание падающим грузом (ИПГ) полнотолщинных образцов, при котором в качестве характеристики используется определяемая визуально доля вязкого разрушения в изломе образца (ДВСИ).

Вязкость разрушения характеризуется работой пластической деформации, зарождения и развития трещины. На зависимости истинных напряжений от деформации эта работа зависит от предельных деформаций епред, а также от параметров деформационного упрочнения материала, рис. 1. Поскольку параметры деформационного упрочнения и пластичность металлов являются структурно-чувствительными характеристиками, то можно ожидать, что изменение структуры должно приводить к изменению вязкости разрушения, а управление структурой -к управлению вязкостью разрушения. Однако, даже реализация современных методов управления структурой при помощи, например, параметров контролируемой прокатки, не всегда способна обеспечить требуемую вязкость разрушения при ИПГ. Например, толстолистовой прокат из трубной стали одной марки, прокатанный по одной технологии и удовлетворяющий требованиям по механическим свойствам, при ударной вязкости на уровне 400+450 Дж/см2, должен иметь значения ДВС не менее 90%. Однако в массе прокатанных листов случаются внезапные «срывы» по ДВС до 15-КЗО% при удовлетворении остальных требований к металлу.

Таким образом, выявление причин непрогнозируемого снижения доли вязкой составляющей в изломе при испытании падающим грузом, а также поиск путей увеличения уровня вязких характеристик и обеспечение их стабильности при изменении технологии прокатки листов для труб большого диаметра является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является исследование процессов пластической деформации и характера разрушения образцов трубных сталей при испытаниях падающим грузом и разработка практических рекомендаций по корректировке технологии изготовления толстого листа со стабильно высокими вязкими характеристиками.

ст, МПа

Рис. 1. Зависимости истинных напряжений от истинных деформаций о(е),

аппроксимированные степенной функцией а = ахо + ае13 с различными значениями коэффициентов упрочнения а и р (А 1 — работа пластической

деформации и разрушения малопластичного материала; Л2 - работа пластической деформации и разрушения пластичного материала; епред -предельные деформации; спред - предельные напряжения)

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Исследование структурных факторов, определяющих пластичность и вязкость разрушения при ИПГ образцов из трубной стали 10Г2ФБ, прокатанной по технологии контролируемой прокатки.

2. Разработка математической модели пластической деформации и разрушения, а также расчетного метода оценки доли вязкой составляющей при испытании падающим грузом для проведения масштабного численного эксперимента по определению основных факторов, отвечающих за характер вязкого или хрупкого разрушения при ИПГ.

3. Определение возможных причин снижения доли вязкой составляющей в изломе образцов после ИПГ и разработка критериев для поиска элементов структуры, отвечающих за резкое снижение ДВСИ при удовлетворительных механических свойствах, при помощи разработанной модели испытаний на ударный изгиб.

4. Целенаправленный поиск структурных элементов, способных

вызвать резкое снижение ДВСИ.

5. Разработка практических рекомендаций по корректировке технологии изготовления толстого листа для устранения или снижения его выбраковки по результатам испытания падающим грузом.

Научная новизна

При выполнении работы получены результаты, отличающиеся научной новизной, в том числе:

1. Разработаны математическая модель пластической деформации и разрушения металла при испытании падающим грузом, а также новая методика оценки доли вязкой составляющей с использованием результатов математического моделирования.

2. Установлено, что величина истинных деформаций в шейке образца из трубной стали при растяжении практически не зависит от скорости испытания в диапазоне скоростей КГ'-ИО м/с, что позволяет использовать предельные деформации и напряжения, определенные при статических испытаниях, в качестве критерия разрушения в математической модели испытания падающим грузом.

3. Обоснованы критерии, которым должны удовлетворять структурные элементы, способные привести к резкому и непрогнозируемому снижению ДВСИ:

• находиться в очаге пластической деформации и разрушения образца при испытании падающим грузом;

• находиться в плоскости, поперечной плоскости листа, и быть ориентированы вдоль направления удара падающего груза;

• иметь низкие значения предельной деформации гпреД;

• общий линейный размер данного структурного элемента должен превышать критические значения, зависящие от величины епред.

4. Показано, что разработанным критериям в структуре трубных сталей удовлетворяют выделения несмачиваемых включений, например, оксидной плены, расположенных на границах первичных зерен, формирующихся при кристаллизации из жидкого состояния.

5. Установлено, что границы первичных зерен с расположенными на них оксидными пленами имеют наследственный характер и частично или полностью сохраняются в горячекатаном металле.

Практическая значимость

Разработана методика выявления границ первичных зерен для горячекатаной трубной стали, которая позволяет проследить их трансформацию во время прокатки и определить рациональную схему вытяжек для минимизации негативного влияния на пластичность стали при ИПГ.

Выявлена одна из основных причин непрогнозируемого снижения вязкости разрушения при ИПГ, которая состоит в возможности присутствия в очаге деформации (при ИПГ) дефекта в виде границы первичного зерна с расположенными на ней несмачиваемыми включениями, протяженность которых превышает критические значения.

Предложено повышение продольных вытяжек при горячей прокатке, которое может снизить вероятность выбросов по доле вязкой составляющей.

Помимо этого рекомендуется проводить дополнительные мероприятия по очистке металла от несмачиваемых включений, в т.ч. от оксидных плен, способные привести к повышению стабильности результатов испытаний падающим грузом и обеспечить высокие значения ДВСИ.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель пластической деформации и разрушения многофазного материала при испытании падающим грузом и разработанная на её основе методика оценки доли вязкой составляющей в изломе.

2. Критерии, которым должны удовлетворять структурные элементы, способные вызвать резкое снижение вязкости разрушения.

3. Наследственный характер границ первичных зерен в деформированном металле.

Апробация работы

Основные положения работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Современные металлические материалы и технологии», СПб, 2009, 2011 гг.; Всероссийских межвузовских конференциях студентов и аспирантов в рамках XXXVI - XXXVIII Недель науки СПбГПУ в 2007, 2011 гг.; Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН, 2009 г.; IX Международная научно-техническая

конференция «Пластическая деформация материалов», Днепропетровск, Национальная металлургическая академия Украины, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. 5 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 150 наименований; изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 115 рисунков и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность и обоснована цель проведенных исследований, сформулированы задачи, научная новизна и практическое значение диссертационной работы.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса влияния химического состава и параметров контролируемой прокатки на вязкость разрушения низколегированных трубных сталей и обосновывается выбор направления исследований.

Показано, что большинство выполненных работ по исследованию вязкости разрушения посвящено исследованию закономерностей влияния структурных факторов на эту характеристику. Отмечается, что в настоящее время к горячекатаному листу из сталей для магистральных трубопроводов предъявляются очень высокие требования, как по механическим свойствам, так и по характеристикам вязкости разрушения - ударной вязкости и доли вязкой составляющей в изломе. Основные российские и зарубежные производители толстого листа и труб большого диаметра достигли высоких показателей по вязкости разрушения, однако стабильность вязких характеристик достигается не всегда. В ряде случаев на фоне удовлетворительных свойств нескольких партий листов из нескольких плавок случаются непрогнозируемые выбросы по доле вязкой составляющей в изломе или величине ударной вязкости.

При анализе выполненных работ показано, что эти выбросы носят случайный характер. Доля вязкой составляющей является функцией, зависящей от множества взаимосвязанных факторов, а в силу влияния дополнительных случайных факторов не поддается статистическому анализу и описанию при помощи множественных регрессий.

Во второй главе диссертации выполнен анализ микроструктуры образцов, показавших различное значение вязкости разрушения, для которых ДВСИ составила 15, 47 и 92%. Материал исследованных

образцов в табл. 1.

ДВСИ, % от, МПа ов, МПа Ot/Gb 8,% HV, кгс/мм2

15 510 608 0,89 18 236

47 540 606 0,89 20 235

92 528 610 0,89 19 205

- сталь 10Г2ФБ, механические свойства образцов представлены

Таблица 1

_Свойства образцов стали 10Г2ФБ_

Металлографический анализ выполняли на образцах, вырезанных в поперечном и продольном направлениях относительно направления прокатки минимум в трех сечениях (вблизи поверхности, а также на расстоянии 1/4 и 1/2 толщины полосы). Рассматривали такие параметры структуры, как средний размер зерен, фактор формы зерен (вытянутость зерен: R = L/B, где L - длина зерна, В - ширина) и степень изрезанное™ межзеренных границ (km=Lm/Lmp, где Lm - протяженность изрезанных границ, Lcnp - протяженность спрямленных границ).

Анализ микроструктуры, выполненный с использованием анализатора изображений Thixomet PRO, показал, что структура всех исследованных образцов состоит из феррита, перлита и бейнита глобулярной и реечной морфологии вытянутых вдоль направления прокатки. Наибольшее содержание бейнита обнаружено в центральной части образцов, что может быть связано с неравномерным распределением легирующих и микролегирующих элементов по толщине листа. Размер зерен феррита увеличивается от поверхности к центральной части образца и мало отличается в образцах с различным значением ДВСИ.

Были исследованы численные характеристики структуры и дисперсии их распределения, в том числе размера зерна, анизотропии размера зерна, изрезанное™ границ. Выполнены измерения микротвердости феррита, твердости, соотношений структурных составляющих, остаточных напряжений 1-го рода в образцах с различной долей вязкой составляющей. Анализ результатов исследования показал, что все изученные факторы для образцов с разным значением ДВСИ отличаются незначительно, а выявленные различия в структуре не могут служить однозначной причиной резкого перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Поскольку анализ структурных факторов не позволил обнаружить явного фактора, ответственного за внезапные выбросы по ДВСИ, для

расширения возможностей поиска закономерностей и случайностей изменения вязкости разрушения при ИПГ было решено использовать возможности математического моделирования.

В третьей главе разработана конечно-элементная математическая модель испытания падающим грузом. Для этого использовали лицензионный программный пакет АИЗУБ/ЬБ-ОУКА, предназначенный для решения динамических задач.

Трехмерная конечно-элементная модель, рис. 2 состоит из 117 660 8-узловых элементов и имеет 397 749 степеней свободы. В качестве начальных условиях моделирования задаются следующие параметры: деформационная кривая нагружения а=ото+аер, предел текучести ат, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, критерий разрушения.

Рис. 2. Конечно-элементная сетка для моделирования испытаний падающим грузом

При моделировании процессов пластической деформации, сопровождающихся разрушением, важным является правильный выбор критерия разрушения. В качестве этого критерия были приняты истинные деформации, действующие в шейке образцов при сиаимческом растяжении непосредственно перед разрушением епред= —1п(1—\|/) и соответствующие им напряжения опрел. Однако, скорость деформирования при ИПГ значительно превосходит скорость стандартных статических испытаний на растяжение. Вследствие этого для определения влияния скорости деформации на епред были проведены испытания на термомеханическом симуляторе Gleeble-3800 со скоростями деформации от 10~4 до 2 м/с и на высокоскоростной испытательной машине HTM-100 фирмы Zwick//Roell со скоростями до 10 м/с. Испытания показали, что истинные деформации в шейке при

растяжении образцов в исследованном диапазоне скоростей остаются практически постоянной величиной, рис. 3. Это подтвердило возможность использования степени деформации епред= -1п(1-\|/) и напряжения опред, определяемых при статических испытаниях, в качестве критерия разрушения в математической модели ИПГ.

а) б)

Рис. 3. Результаты испытаний на растяжение при различных скоростях: а - зависимость пластических свойств; б - зависимость прочностных свойств; ах — предел текучести; ав - предел прочности; ср - истинное напряжение разрыва

Для определения доли вязкой составляющей при помощи метода конечных элементов предстояло решить принципиально новую задачу -описание визуальной характеристики поверхности разрушения методами механики сплошной среды. Решение состоит в том, что на поверхности образца, образованной при разрушении, определяется деформация каждого конечного элемента, предшествующая разрушению. При помощи подпрограммы, встроенной в АЫЗУБ^-О УИА, строится гистограмма распределения поверхностных элементов по степеням деформации, рис.4. Если принять, что хрупким является разрушение со степенью деформации 8 < 2% , то величина доли вязкой составляющей в изломе может быть определена при помощи интеграла

£пред

ДВСИ (%) = | Де)йЦх 100%), (1)

0,02

гдеДе) - плотность распределения элементов по деформациям.

Разработанная математическая модель ИПГ была протестирована на соответствие экспериментальным данным. Во-первых, характерные признаки разрушения металла при ИПГ, такие как форма поверхности разрушения, деформация участков образца, соприкасающихся с опорами,

образование вмятин, утяжка образца, а также образование мелких частиц, отлетающих от образца, воспроизводятся при численных экспериментах.

а) б)

" 1

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Рис. 4. Методика оценки ДВСИ по результатам моделирования: а - поверхность разрушения образца после ИПГ; б — характерная гистограмма распределения поверхностных элементов по деформациям после разрушения образца Во-вторых, расчетная зависимость ДВСИ от предела текучести для образцов с одинаковой интенсивностью деформационного упрочнения

(рис. 5) имеет идентичный характер с кривой ДВСИ (от), полученной по результатам статистического

анализа заводских данных, рис. 6.

В-третьих, выполненный численный эксперимент по влиянию параметров упрочнения а и Р кривой о(е) = о-го+ае15 показал чувствительность доли вязкой составляющей к работе

пластической деформации и разрушения, определяемой

площадью под кривой зависимости истинных напряжений от деформации: увеличение площади под кривой за счет изменения коэффициентов аир приводит к возрастанию ДВСИ.

Таким образом, тестирование разработанной математической модели ИПГ и определения доли вязкой составляющей показало, что они

0,2 0,4 0,6 0.8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Е

Рис. 5. Кривые растяжения для тестирования решения задачи о влиянии предела текучести на ДВСИ

отражают основные закономерности изменения вязкости разрушения. Это определило принятие решения об использовании разработанных моделей для проведения численного эксперимента по поиску причин непрогнозируемого снижения ДВСИ.

а) б)

статистического анализа промышленных полос: а - результаты эксперимента;

б - результаты статистического анализа экспериментальных данных

При проведении дальнейших исследований с использованием математической модели ИПГ и методики определения ДВСИ учитывали следующие положения:

• поскольку современные трубные стали являются в основном двухфазными (ферритно-перлитными, ферритно-бейнитными или состоят из смеси бейнита различной морфологии), то в качестве деформируемой среды принимали двухфазный материал, состоящий из пластичной матрицы и более прочных включений;

• свойства отдельных модельных структурных составляющих задавали зависимостью истинных напряжений от деформаций: для основной структурной составляющей (матрица — квазиполигональный феррит) а(е) = 500+900 е0'9, для второй структурной составляющей (включения перлита) ст(е) = 714+1940-е0'8. Предельные деформации: для матрицы Епред = 1,6, для перлита 8пред = 0,29. Аналогично могут быть заданы уравнения для любой структурной составляющей.

Было выполнено несколько численных экспериментов, в том

числе:

Исследование влияния фазового состава стали. Задавали различное содержание включений второй фазы в материале - от 0 до 40%. На рис. 7 представлена расчетная схема испытаний падающим грузом стали,

содержащей 10% и 40% включений. Распределение второй фазы задавали методом Монте-Карло.

Исследования показали, что увеличение доли включений второй структурной составляющей приводит к снижению ДВСИ, что подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Таким образом, для повышения и стабилизации ДВСИ при ИПГ содержание второй малопластичной структурной составляющей необходимо снижать, что соответствует современной тенденции развития трубных сталей, для которых содержание перлита минимизируют.

Исследование влияния свойств отдельных структурных составляющих. Поскольку в исследуемой стали содержание перлитной или бейнитной структур не превышает 10%, то для расчетов использовали модель материала, представленную на рис. 7,а. Задавали уравнения о(е) для матрицы и включений, приведенные ранее, а изменяли величину предельных деформаций и напряжений.

а)

б)

'V ' : .¿-Л». - V

■ - ^з-:** - ---ыр®

Рис. 7. Расчетная конечноэлементная модель двухфазного материала,

содержащего 10 % (а) и 40 % (б) перлита Как видно по рис. 8, при небольшом содержании включений второй фазы определяющее влияние на ДВСИ оказывают предельные деформации матрицы (феррита), которые, согласно экспериментальным данным, для современных трубных сталей составляют епреД= —1п(1—\|/)=1,2-Н,5. Редко встречаются образцы, имеющие \\> = 95% и

3. Однако уменьшение предельных деформаций до значений < 1 может привести к резкому снижению ДВСИ. Аналогичные

°пред ^пред

результаты наблюдаются и для современных бейнитных сталей.

80

60

ю/

Рис. 8. Влияние предельных

деформаций отдельных структурных составляющих на ДВСИ

2,0

2,0 0,4

Как известно, пластичность основной фазы - например, феррита, определяется как химическим составом, так и параметрами обработки. Пластические свойства феррита как полигонального, так и квазиполигонального, в современных микролегированных трубных сталях, являются высокими и стабильными. Таким образом, маловероятно, что при достаточно стабильной технологии контролируемой прокатки может произойти непрогнозируемое снижение пластичности феррита ефпред, которое может вызвать провал по ДВСИ.

Таким образом, выполненные компьютерные эксперименты подтвердили закономерности изменения вязкой составляющей, но не показали причин непрогнозируемого снижения ДВСИ. Из полученных результатов следует отметить возможность резкого снижения ДВСИ при уменьшении предельной деформации £пред. Это позволяет ввести в рассмотрение некий элемент структуры, обладающий малыми предельными деформациями - «слабое звено».

В четвертой главе проведен анализ непрогнозируемого снижения ДВСИ, обусловленного наличием в структуре стали структурного элемента — «слабого звена», которое характеризуются низкими значениями предельных деформаций. В качестве объекта исследования был принят двухфазный материал, в котором вторая фаза имеет низкие предельные деформации, например вПред — 0,02, и более высокий, чем у основного материала, предел текучести.

На первом этапе анализировали влияние «слабого звена» на ДВСИ, расположенного в плоскости листа. Предполагали, что такие дефекты, как перлитная полосчатость или зональная ликвация могут иметь низкие

предельные деформации. Зональную ликвацию задавали в виде сплошной полосы, проходящей по центральной части образца, а перлитную полосчатость - в виде случайно распределенных по образцу конечных элементов, имеющих епред= 0,02, рис.9.

Результаты расчета показали, что «слабое звено» в виде сплошной полосы или фрагментарно разбросанных выделений, расположенных в плоскости листа, практически не влияет на ДВСИ независимо от своей формы и размеров, но может привести к образованию такого дефекта, как расслой, который часто обнаруживают на поверхности разрушения. Расслой встречается на образцах для ИГТГ из стали, прокатанной по технологии контролируемой прокатки.

а) б)

Рис. 9. Трехмерная конечно-элементная сетка: а - «слабое звено» в виде зональной ликвации - сплошной полосы; б - «слабое звено» в виде перлитной полосчатости - локальных выделений в плоскости листа

На следующем этапе было проведено исследование влияния произвольной ориентации «слабого звена» в объеме образца. Результаты численного эксперимента по влиянию ориентации и размеров «слабого звена» (СЗ) на ДВСИ при ИПГ показали, что резкое снижение вязкости разрушения наблюдается при выполнении следующих условий:

• СЗ должно располагаться в области деформации и разрушения при ИПГ

• СЗ располагается поперек плоскости листа;

• СЗ ориентировано в направлении удара падающим грузом;

• общий размер СЗ превышает критические значения, зависящие от его предельных деформаций.

Если принять для «слабого звена» всзпред=0,02 (хрупкий материал), то его общая критическая длина при ширине испытуемого образца 75 мм составляет 3,5 мм, рис. 10.

двси, %

Рис. 10. Зависимость ДВСИ от безразмерной длины слабого звена (Ьсз ~ длина слабого звена; к - высота образца для ИПГ) и его предельных лесЬоомапий

Таким образом, выполненный численный эксперимент позволил сформулировать критерии, которым должно

удовлетворять «слабое звено», способное

привести к резкому снижению ДВСИ. Это позволило сориентировать вектор поиска этого элемента структуры.

Анализ структурных элементов, удовлетворяющих по масштабному фактору признакам «слабого

звена», показал, что в этом качестве могут выступать границы первичных зерен, формирующиеся при кристаллизации из расплава. Фрагменты первичных зерен в литом металле могут быть ориентированы поперек плоскости литой заготовки в направлении удара падающим грузом. Эти границы в силу особенностей кристаллизации могут быть обогащены примесными и легирующими элементами, на них возможно присутствие неметаллических включений и других дефектов, в том числе пор и оксидной плены.

В работе выполнен эксперимент по определению пластичности литого металла с предварительно выявленной структурой при одновременной видеозаписи деформации образца. Показано, что в случае расположения границ первичных зерен поперек оси растяжения, трещины зарождаются и распространяются именно по этим границам, на которых методом энергодисперсионного микрорентгеноспектрального анализа было обнаружено присутствие оксидной плены. Предельные деформации в этом случае оказались низкими: 8пред < 5%, что в 5 раз меньше, чем в случае продольного расположения подобных границ относительно оси растяжения.

Таким образом, было показано, что в литом материале границы первичных зерен могут служить причиной снижения ДВСИ при ИПГ. Но поскольку ИПГ проводят на горячекатаном металле, необходимо было

подтвердить наличие первичных границ в готовом штрипсе.

Принято считать, что при горячей деформации первичные границы аустенита не сохраняются ввиду того, что на них образуются зародыши рекристаллизации, которые растут равновероятно по всем направлениям, поглощая исходную границу. Аналогичные процессы, связанные с образованием зародышей новой фазы и последующим их ростом, происходят при ферритном превращении. Таким образом, многократная рекристаллизация и фазовые превращения должны приводить к исчезновению границ первичных зерен.

Однако образовавшиеся при кристаллизации границы первичных зерен обогащены примесными и легирующими элементами, повышенная концентрация которых сохраняется при нагреве под прокатку, что обусловливает диффузионную неподвижность границ за счет эффекта «примесного торможения». По этой причине границы первичных зерен, предположительно, должны сохраняться при рекристаллизации и фазовых превращениях.

Для подтверждения высказанного предположения была разработана новая двухступенчатая методика травления сталей для выявления исходных границ зерен, формирующихся при кристаллизации расплава, применимая как к литому, так и к горячекатаному металлу, макроструктура которого представлена на рис. 11.

Выявление границ

первичных зерен в

горячекатаном металле, см. рис. 11,б, обеспечило возможность проведения

эксперимента по влиянию границ первичных зерен на пластичность горячекатаного металла, выполненный ранее для литого. Показано, что при деформации горячекатаных образов с низким значением ДВСИ пластичность приблизительно в 5 раз ниже по сравнению с образцами, имеющим высокое значение ДВСИ, и составляет в среднем лишь 2%. Разрушение в образцах с высоким значением ДВСИ происходит по телу зерна, а в образцах с низким ДВСИ - по границам первичных зерен. В образцах с низким значением ДВСИ на этих границах методом энергодисперсионного микрорентгеноспектрального анализа также была выявлена оксидная плена, как и в литом металле,

Таблица 2 Химический состав стали на поверхности трещины и вблизи нее

Точка Содержание элементов, масс. %

О А1 Мп Ре Итог

1 0,75 1,08 1,3 1,72 95,15 100

2 0 0 0,44 1,83 97,73 100

явившаяся источником зарождения трещин, см. рис. 11,г, табл. 2. а) б)

Рис. 11. Границы первичного зерна в литом слябе, протравленном по новой методике (а), протравленном на микроструктуру (б), в горячекатаном толстом листе (е); очаг зарождения трещины на первичной границе с оксидной пленой

(г)

Следует особо отметить, что оксидная плена, представляющая собой преимущественно оксиды алюминия и кремния, не смачивается железом, и, таким образом, представляет собой плоскую трещину,

поскольку поверхностная энергия границы раздела «металл-оксид» практически равна энергии свободной поверхности. В этом случае можно считать, что присутствие оксидных плен ослабляет границу первичного зерна аналогично острым трещинам и может являться источником хрупкого разрушения, значительно снижения ДВСИ.

Разработанная методика выявления границ первичных зерен в горячедеформированном металле позволила, также, выполнить эксперимент по исследованию изменения формы первичных зерен и ориентации их границ во время горячей прокатки. Прокатку выполняли на лабораторном стане при температуре 1200 °С с промежуточными подогревами от толщины 30 мм до конечного размера 1 мм. Суммарная

приблизительно соответствует вытяжкам при прокатке толстого листа для изготовления труб большого диметра на стане 5000.

Было обнаружено, что первичные границы сохраняются вплоть до конечного размера прокатанного металла. При прокатке первичные зерна изменяют свою форму, вытягиваются в направлении вытяжки, рис. 12. Одновременно с изменением формы зерен изменяется также ориентация первичных границ с расположенными на них дефектами в виде оксидных плен, см. рис. 12,в,г. Часть включений оксидной плены переходит в плоскость листа и не может оказывать негативного влияния на вязкость разрушения (2 и 3 на рис. 12,г). Это было показано ранее.

Другая часть первичных границ с выделениями оксидной плены остаются в поперечной плоскости листа после прокатки, и могут быть ориентированы вдоль удара падающим грузом (4 и 5 на рис. 12,г). Для них можно предложить следующую схему влияния на вязкость разрушения: предполагая, что оксидные плены, расположенные на первичных границах, являются недеформируемыми и сохраняются при прокатке, изменение направленности первичных границ и увеличение их длины в сторону вытяжки должно приводить к возрастанию промежутков между включениями оксидных плен; это в свою очередь приводит к снижению вероятности попадания «слабого звена» в зону деформа1{ии и разрушения образца при ИПГ.

Таким образом, для получения материала со стабильно высокими вязкими характеристиками при ИПГ требуется повышение вытяжки металла в продольном направлении. Кроме того, введение дополнительных технологических операций по очистке металла от несмачиваемых включений, отсортировка металла с повышенным уровнем несмачиваемых включений при производстве толстолистового

логарифмическая деформация составила

что

проката, полученного из непрерывно-литого сляба должны снизить провалы по вязким характеристикам при ИПГ.

а) б)

Форма первичного зерна в Форма первичного зерна

литой заготовке после прокатки, е = 64%

Рис. 12. Возможные изменения формы первичного зерна и расположения оксидных плен по границам при прокатке: а,б- первичная макроструктура литого и горячедеформированного металла; в,г - схема ориентации первичных границ с расположенными на них неметаллическими включениями

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. При помощи экспериментального и математического анализа установлена одна из основных причин резкого и непрогнозируемого снижения пластичности трубных сталей при испытании падающим грузом — наличие структурных элементов в виде несмачиваемых включений на границах первичных зерен. Разработаны технологические рекомендации для повышения стабильности вязких характеристик, полученных при испытании на ударный изгиб.

2. Разработаны конечно-элементная математическая модель пластической деформации и разрушения металла при испытании падающим грузом и метод оценки доли вязкой составляющей в изломе позволившие по результатам математического моделирования выявить закономерности изменения ДВСИ от предельных деформаций, предела текучести, параметров упрочнения, свойств отдельных структурных составляющих материала. Показано, что ДВСИ высокопрочных трубных сталей определяется свойствами основной (матричной) фазы.

3. Показано, что истинные деформации при испытаниях трубных сталей на растяжение не зависят от скорости деформирования в пределах от 10"4 до 10 м/с. Это позволяет использовать предельные деформации и напряжения, соответствующие моменту разрушения при статических испытаниях, в качестве критериев разрушения для математической модели испытаний падающим грузом.

4. Дефекты, расположенные в плоскости листа, не оказывают существенного влияния на вязкость разрушения при ИПГ. Резкое снижение доли вязкой составляющей может происходить в том случае, если в очаге деформации и разрушения при ИПГ присутствует структурный элемент («слабое звено»), который обладает следующими свойствами:

• располагается поперек плоскости листа и ориентирован вдоль

направления удара падающего груза;

• общий размер вдоль направления удара превышает критические

значения, зависящие от его предельных деформаций.

5. Сформулированным требованиям к «слабому звену» удовлетворяют границы первичных зерен с выделениями несмачиваемых включений, формирующиеся при кристаллизации металла из расплава. Эти границы обогащены легирующими и примесными элементами, неметаллическими включениями и являются диффузионно неподвижными вследствие эффекта «примесного торможения»; они характеризуются пониженной пластичностью и обладают наследственным характером, сохраняясь при многократной рекристаллизации во время горячей прокатки и фазовых превращениях.

6. Горячая прокатка и увеличение суммарной вытяжки при производстве толстого листа приводят к изменению формы первичных зерен и увеличению протяженности первичных границ. При возрастании вытяжки расстояние между выделениями оксидной плены увеличивается, что снижает вероятность попадания «слабого звена» в зону деформации и разрушения образца при испытании падающим грузом. При изменении формы первичных зерен часть выделений

оксидной плены - «слабого звена» переходит в плоскость листа и не оказывает влияния на снижение вязкости разрушения

7. Практическими методами борьбы с непрогнозируемым снижением доли вязкой составляющей в изломе могут быть

• дополнительные меры по очистке металла от несмачиваемых включений, в т.ч. от оксидных плен;

• перемешивание расплава для получения равномерного распределения химических элементов по объему металла с целью очистки исходных границ зерен от избытка легирующих и примесных элементов;

• модифицирование расплава для измельчения литой структуры, что должно обеспечить более благоприятное расположение первичных границ зерен и расположенных на них несмачиваемых включений;

• увеличение вытяжек при горячей прокатке, что увеличит расстояние между отдельными несмачиваемыми включениями и снизит вероятность их попадания в область деформации и разрушения образца при испытании падающим грузом.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях

1. Лукьянов A.A., Колбасников Н.Г. Расчет температурной зависимости ударной вязкости//Материалы Всероссийской межвузовской конференции студентов и аспирантов 26-1 дек. 2007. С. 139-141.

2. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Исследование причин формирования вязкого и хрупкого излома при испытаниях трубных сталей падающим грузом//УШ конференция молодых ученых и специалистов ФГУП ЦНИИКМ «Прометей». Тезисы докладов 22-23 июня 2009. С. 12-13

3. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Исследование причин формирования вязкого и хрупкого излома при испытаниях трубных сталей падающим грузом//Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» СММТ'09, СПб, 2009. С. 507-508

4. Колбасников Н.Г., Боровков А.И., Немов A.C., Лукьянов A.A., Величко A.A. Математическое моделирование вязкой и хрупкой составляющих поверхности разрушения при испытании металлов падающим грузом//Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» СММТ'09, СПб, 2009. С. 498-505

5. Колбасников Н.Г., Боровков А.И., Зотов О.Г., Немов A.C., Лукьянов A.A. Компьютерное моделирование и металлографический анализ вязкого и хрупкого излома при испытаниях трубных сталей падающим грузом//Сборник материалов третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN'09 Т.2, Москва, 2009. С. 330-331

6. Колбасников Н.Г., Боровков А.И., Немов A.C., Лукьянов A.A. Компьютерное моделирование испытаний на ударную вязкость//Сборник материалов третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN'09 Т.2, Москва, 2009. С.332-333

7. Рудской А.И., Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Компьютерное моделирование испытаний на ударную вязкость. Температурная зависимость ударной вязкости//Научно-технические ведомости СПбГПУ, № 4, СПб, 2010. С. 271-278.

8. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Математическое моделирование испытаний сталей падающим грузом и доли вязкой составляющей в изломе//Научно-технические ведомости СПбГПУ, № 4, СПб, 2010. С. 335-341.

9. Рудской А.И., Колбасников Н.Г., Боровков А.И., Немов A.C., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Компьютерное моделирование ударной вязкости структурно-неоднородных металлов//Научно-технические ведомости СПбГПУ, № 1, СПб, 2011. С. 226-234.

10. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A., Соколов Д.Ф., Адигамов P.P. Регрессионная модель ударной вязкости//Научно-технические ведомости СПбГПУ, № 1, СПб, 2011. С. 262-268.

11. Лукьянов A.A., Колбасников Н.Г. Математическое моделирование испытаний сталей падающим грузом//ХХХ1Х международная научно-практическая конференция «неделя науки СПбГПУ». Материалы докладов. СПб, 2011. С. 131-133.

12. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Математическое моделирование влияния свойств структурно-неоднородных материалов на характеристики разрушения при испытаниях падающим грузом//Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» CMMT'l 1, СПб, 2011. С. 38-40.

13. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Исследование влияния структурных особенностей материала на характеристики разрушения при испытании падающим грузом//Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии»

СММТ'11,СПб, 2011, С. 198-200.

14. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов A.A. Исследование влияния структурных особенностей материала на характеристики разрушения//1Х Международная научно-техническая конференция «Пластическая деформация металлов», Днепропетровск, 2011

15. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Лукьянов А.А, Шамшурин А.И. Моделирование испытаний падающим грузом: исследование слабого звенаУ/Сталь, Москва, 2011. С. 53-61.

Подписано в печать 04.03.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 576.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201355671

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ И МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ИСПЫТАНИИ ПАДАЮЩИМ ГРУЗОМ

Специальность 05.16.05 -Обработка металлов давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: проф., д.т.н. Колбасников Н.Г.

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение............................................................................................. 5

Глава 1. Влияние факторов на пластичность и разрушение сталей при

испытаниях падающим грузом................................................... 17

1.1. Влияние химического состава............................................ 20

1.1.1. Влияние основных легирующих элементов............................ 20

1.1.2. Влияние микролегирующих элементов.............................. 25

1.1.3. Влияние примесных элементов........................................ 34

1.2. Влияние режимов прокатки.............................................. 35

1.2.1. Влияние термодеформационных режимов............................ 35

1.2.2. Влияние ускоренного охлаждения на структуру и свойства

стали.......................................................................... 46

1.3. Статистическая анализ химического состава и технологических

факторов на долю вязкой составляющей при ИПГ................ 50

Заключение по главе...................................................... 55

Глава 2. Исследование влияния структурных факторов материала на пластичность и разрушение трубной стали при испытаниях падающим грузом.......................................................... 57

2.1. Технологии контролируемой прокатки толстого листа из трубных сталей................................................................... 57

2.2. Отбор проб для исследования влияния структуры на пластичность и долю вязкой составляющей в изломе........................ 61

2.3. Исследование особенностей микроструктуры образцов, деформированных и разрушенных при испытаниях падающим грузом с различной долей вязкой составляющей в изломе........... 68

2.4. Исследование влияния внутренних напряжений на пластичность и долю вязкой составляющей в изломе.......................... 84

Заключение по главе....................................................... 85

Глава 3. Математическое моделирование пластической деформации и

разрушения сталей при испытаниях падающим грузом............. 87

3.1. Разработка математической модели пластической деформации образцов при испытаниях падающим грузом......................... 87

3.2. Выбор критерия разрушения в математической модели ИПГ.. 93

3.3. Исследование зависимости предельных деформаций от скорости деформирования....................................................... 95

3.4. Реализация математической модели испытания падающим грузом.............................................................................. 99

3.5. Разработка метода оценки доли вязкой составляющей в изломе по результатам математического моделирования пластической деформации и разрушения при испытаниях образцов падающим грузом.................................................................... 101

3.6. Численное моделирование пластической деформации и разрушения при испытаниях падающим грузом однофазного материала............................................................................ 104

3.6.1. Влияние предела текучести на пластичность и долю вязкой составляющей в изломе....................................................... 105

3.6.2. Влияние параметров упрочнения на пластичность и долю вязкой составляющей в изломе.............................................. 106

3.6.3. Влияние предельных деформаций на пластичность и долю вязкой составляющей в изломе........................................... 107

3.7. Численное моделирование разрушения при испытании падающим грузом для двухфазного материала............................... 108

3.7.1. О разрушении структурно-неоднородных сред...................... 108

3.7.2. Влияние содержания и свойств отдельных структурных составляющих на пластичность и долю вязкой составляющей в

изломе при ИПГ............................................................. 112

Заключение по главе....................................................... 121

Глава 4. Численный анализ и структурные исследования элементов, способных вызвать резкое снижение пластичности и доли вязкой составляющей («слабого звена») в изломе образцов при ИПГ............................................................................ 123

4.1. Постановка задачи и численное моделирование пластической деформации и разрушения при ИПГ образцов, имеющих элементы с низкой предельной деформацией - исследование «слабого звена»................................................................. 123

4.1.1. Численный анализ влияния «слабого звена», расположенного в плоскости листа.............................................................. 124

4.1.2. Численный анализ влияния пространственной ориентации «слабого звена» в объеме толстого листа на значение доли вязкой составляющей в изломе........................................... 128

4.1.3. Численный анализ влияния линейных размеров неблагоприятно ориентированного «слабого звена» на долю вязкой составляющей в изломе. Формулирование отличительных признаков структурных элементов, способных вызвать резкое снижение пластичности металла при ИПГ.......................................... 129

4.2. Металлографический анализ структурных элементов, способных вызвать резкое снижение пластичности металла при ИПГ... 134

4.2.1. Исследование структурных особенностей литого металла. Выявление «слабого звена»................................................... 134

4.2.2. Исследование влияния первичных границ на пластичность и характер разрушения литого металла.................................. 136

4.2.3. Исследование наследственного характера первичных границ в горячекатаном металле..................................................... 140

4.2.3 Исследование влияния первичных границ на пластичность и

характер разрушения горячекатаного толстого листа............. 143

4.3. Исследование влияния горячей прокатки на форму первичных

зерен и положение первичных границ..................................................................148

Заключение по главе..............................................................................................................153

Основные выводы по работе..........................................................................................156

Список литературы..................................................................................................................159

Введение

Конец XX — начало XXI века характеризуется значительным увеличением экспорта энергоносителей, в первую очередь нефти и газа, из России в страны Европы и Юго-Восточной Азии. При этом за счет увеличения давления в газопроводах и увеличения диаметра труб растет производительность газопроводов. Часто магистральные трубопроводы эксплуатируются в условиях Крайнего Севера, в труднодоступных и сейсмоопасных районах. Запас внутренней упругой энергии магистрального газопровода возрастает с увеличением диаметра трубы и рабочего давления транспортируемого газа. В связи с этим вопросы надежности трубопроводов стоят особенно остро.

Чтобы обеспечить надежность трубопроводов при повышении рабочего давления, потребовалось увеличение толщины стенок трубы. После внедрения в 1970-х годах процесса термомеханической (контролируемой) прокатки и микролегирования сталей удалось повысить надежность трубопроводов за счет увеличения прочности стали. Это позволило значительно снизить толщину стенок труб при постоянном рабочем давлении [1]. Снижение массы на 1 погонный метр трубы делает сооружение трубопровода на дальние расстояния более экономичным и практически осуществимым. Преимущества использования высокопрочных сталей заключаются не только в снижении количества используемой стали, но также в последующем снижении стоимости изготовления трубопроводов и транспортировки энергоносителей.

Разработка месторождений нефти и газа в труднодоступных районах Крайнего Севера, Сибири и арктического шельфа вызвала ещё большее ужесточение требований, предъявляемых к сталям для трубопроводов. В связи с этим наблюдается тенденция к разработке технологий производства трубного штрипса более высоких категорий прочности. Так, если в середине 60-х годах XX века разрабатывались стали категории прочности ХА2, то в настоящее время идут разработки и освоение технологий производства сталей категории прочности Х\00-ьП20 {Х- обозначение стали повышенной прочности по классификации АР1 5Ь; цифрами обозначается минимальный предел текучести в единицах кряг).

В настоящее время к трубным сталям предъявляются требования по следующим характеристикам:

• временное сопротивление разрыву св;

• предел текучести стт;

• отношение предела текучести к временному сопротивлению ат /ств;

• относительное удлинение при разрыве 8 (%), причем в листе оно должно быть больше на 2ч-3%, чем задано для трубы;

• ударная вязкость образцов Шарпи с Р-образным и образцов Менаже [/-образным надрезами при температурах -60 °С, -40 °С и -20°С;

• доля вязкой составляющей в изломе при испытании образцов на разрушение падающим грузом (Г>]¥ТТ) при температуре эксплуатации (-5 -н -20 °С) с определением процента волокнистого излома;

• углеродный эквивалент;

• сплошность при ультразвуковом и рентгеновском контроле по всей поверхности листа;

• допуски на размеры листа;

• требование к микроструктуре.

Чтобы спрогнозировать, и соответственно, исключить появления хрупких разрушений магистральных трубопроводов, было разработано специальное ударное испытание В]¥ТТ — испытание падающим грузом, которое в настоящее время является стандартным в спецификации на газовые трубопроводы. Для испытаний падающим грузом используют вертикальные копры, в которых груз массой 800-^-1500 кг поднимают на высоту 4-^-5 м и сбрасывают вдоль вертикальных направляющих на образцы заданной формы и размеров. Потенциальная энергия падающего груза, оснащенного специальным бойком, может достигать 50^-60 кДж. Зачастую при ИПГ тестируют полнотолщинные образцы из трубных сталей. После испытаний на поверхностях разлома визуально (!) определяют долю вязкого и хрупкого разрушения (%). Испытания и оборудование для определения вязкости разрушения постоянно совершенствуется. В 2010 году фирма спроектировала и изготовила для одной из китайских

фирм-производителей трубных сталей инструментированный маятниковый копер для испытания полнотолщинных образцов, аналогичных образцам для ИПГ, с энергией до 50 кДж, рис. 1,6.

Высокоскоростные испытания образцов и соединений труб в настоящее время настолько актуальны, что основной потребитель труб большого диаметра для магистральных трубопроводов — ОАО «ГАЗПРОМ» осуществила инвестиции для создания специального полигона. На этом полигоне испытывают сопротивление трубопроводов большого диаметра распространению трещин, инициированных взрывным воздействием (рис. 2). Опробование проходят трубы всех мировых производителей. Испытания требуют больших затрат, на которые «ГАЗПРОМ» идет, что подчеркивает важность повышения сопротивле-

ния материала труб и собственно газопроводов ударным и взрывным воздействиям. Основным методом повышения сопротивления хрупкому разрушению является повышение вязкости разрушения, под которой понимается работа, затрачиваемая на процессы пластической деформации, образования и распространения трещины.

а) б)

Рис.1. Оборудование для испытаний падающим грузом: а - вертикальный копер; б - маятниковый копер

При возрастании категории прочности штрипса наряду с увеличением требований к прочностным характеристикам, повысились требования и к вязким характеристикам стали. Например, если для стали категории прочности Х56 величина вязкой составляющей в изломе должна быть не менее 70%, то для стали категории прочности ^90, требования по доле вязкой составляющей были подняты до 90% и имеется тенденция к повышению до 100%.

На сегодняшний день технологии выплавки и прокатки современных трубных сталей позволяют добиться стабильности прочностных и пластических свойств, а также достаточно стабильных и высоких значений ударной вязкости при пониженных температурах. Однако на практике наблюдаются случаи, когда прокат удовлетворяет требованиям по прочностным и пластическим характеристикам, по ударной вязкости, но не проходит по доле вязкой составляю-

щей. Случается, что при ударной вязкости, достигающей 400-ь420 Дж/см , доля вязкой составляющей (ДВСИ) снижается до 15-К20 %, что может привести к отбраковке металла. В этом случае выполняют повторное испытание падающим грузом, и если оно заканчивается неудачно, то металл бракуется. Отметим, что в пределах одной прокатанной полосы ДВСИ может значительно отличаться друг от друга, что указывает на существование случайного фактора, влияющего на ДВСИ.

Буферные трубы

Испытуемы» трубы Э шт

10 м

1ру4м иммцмеюр

уфериые трубы

датчики температуры, датчики давления, датчики движения трещины

ф

система сбора и обработки информации

датчики температуры, датчики давления датчики движения трещины

Ф

система сбора и обработки информации

Рис.2. Вид полигонных испытаний и схема натурных взрывных испытаний труб

большого диаметра

Далеко не всегда не удается понять и объяснить причины падения ДВСИ, особенно в тех случаях, когда по остальным характеристикам, таким как прочностные и пластические свойства, ударная вязкость, материалы труб удовлетворяют предъявляемым требованиям. Случается, что при одной и той же тех-

нологии прокатки, на одном профилеразмере, на одной и той же марке стали некоторые партии показывают провалы по доли вязкой составляющей при удовлетворительной структуре стали и высоких механических свойствах.

Отличие испытаний на ударную вязкость и падающим грузом состоят методике проведения - при определении ударной вязкости испытывают образцы толщиной до 10 мм, а при определении ДВСИ - в основном полнотолщинные образцы. Кроме того, характеристики ударной вязкости и ДВСИ различны - в первом случае это удельная работа разрушения (Дж/см2), во втором - вид разрушения (хрупкое или вязкое). Между тем, и ударная вязкость, и ДВСИ по сути определяются работой разрушения, которая пропорциональна площади под кривой g(s), где о и б - истинные напряжения и деформация, рис. 3, полученной, например из опытов на растяжение.

ст, МПа

1600

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 е Рис.3. Зависимости истинных напряжений от истинных деформаций о(в), аппроксимированные степенной функцией ст = стт0 + авр с различными значениями коэффициентов упрочнения а и (3

Таким образом, доля вязкой составляющей в изломе при ИПГ должна возрастать с увеличением максимальных деформаций и напряжений при заданном пределе текучести и снижаться с увеличением предела текучести при постоянных предельных деформациях и напряжениях. Кроме того, при заданном от и постоянном значении предельной деформации 8пред работу разрушения определяют предельные напряжения опред, зависящие от коэффициентов упрочнения а и Р, см. рис.3. При этом изменение предельных деформаций и напряжений, т.е. пластичности и прочности металла должно в равной степени затрагивать как ударную вязкость, так и внешние признаки поверхности разрушения (ДВСИ), поскольку, чем большую степень деформации претерпел образец во время ис-

пытаний, тем в наиболее полной степени проявляются признаки вязкого разрушения - волокнистый излом.

Однако, как было указано ранее, на практике часто встречается несоответствие характеристик ударной вязкости (КСи или КСУ) и внешнего вида (характеристики) поверхности разрушения (ДВСИ). Можно полагать, что одной из причин несоответствия указанных характеристик вязкости разрушения является различное влияние факторов, определяющих предельные деформации и напряжения при испытаниях на ударную вязкость и падающим грузом. Возможно, что причиной этого является масштабный фактор образцов для испытаний, определяющий особенности механизма деформации и разрушения. Возможно также, что на особенностях пластической деформации при испытаниях падающим грузом сказывается влияние структурного фактора, определяющего предельные деформации и напряжения и момент разрушения образцов. Исследований, посвященных этому вопросу при испытаниях трубных сталей падающим грузом, выполнено явно недостаточно, что и формирует, очевидно, некоторую неопределенность в трактовке результатов испытаний.

В связи с этим целью работы является исследование процессов пластической деформации и характера разрушения образцов трубных сталей при испытаниях падающим грузом и разработка практических рекомендаций по корректировке технологии изготовления толстого листа со стабильно высокими вязкими характеристиками.

Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения ударных свойств толстого листа из трубных сталей за счет выяснения и возможного устранения причин снижения доли вязкой составляющей в изломе при испытаниях падающим грузом; знание особенностей пластической деформации и разрушения при испытаниях падающим грузом позволит сформулировать требования к металлургическим технологиям для снижения процента выбраковки толстого листа и более полного удовлетворения условий поставки труб большого диаметра д�