Влияние эффекта Баушингера на прочностные характеристики высокопрочных труб Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.774.21 В.А. Харитонов

(ГОУВПО «МГТУ») Е.О. Малолеткова

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»)

ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА БАУШИНГЕРА НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБ

Повышение предела текучести за счет реализации различных механизмов упрочнения делает возможным повышение рабочего давления и производительности газопроводов без увеличения массы, что на протяжении более полувека инициировало создание новых классов трубных сталей повышенной прочности. Исследования в этом направлении интенсивно развиваются, и уже сегодня внимание многих исследователей привлекают вопросы в области создания трубопроводов из перспективных материалов с пределом текучести выше 600 МПа.

Распространенными методами определения прочностных характеристик труб являются:

- растяжение поперечных плоских полноразмерных образцов;

- растяжение стандартных цилиндрических образцов;

- раздача внутренним давлением кольцевых образцов.

Исследования последних десятилетий выявили существенные различия в величине предела текучести, определенного на плоских поперечных полноразмерных и цилиндрических (круглых) образцах, а также труб или исходного металла. Эти различия обычно связаны с проявлением деформационного упрочнения, «разупрочнения» и с особенностями распределения остаточных напряжений.

При формовке труб (в зависимости от способа изготовления) создаются различные градиенты напряжений и деформаций по сечению. Процедура распрямления образца для последующего испытания растяжением вносит дополнительно цикл растяжения-сжатия во внешние и внутренние волокна металла. В результате разные слои материала приобретают различные свойства.

Вопросы определения напряжений и деформаций при наличии конечных областей пластических деформаций в тех случаях, когда внешние нагрузки прикладываются однократно, в настоящее время хорошо изучены, особенно в рамках теории малых упруго-пластических деформаций и в теории идеальной пластичности, позволяющей определить предельные состояния и соответствующие предельные нагрузки. Однако в тех многочисленных в инженерной практике случаях, когда внешние силы прикла-

дываются многократно (в том числе с изменением знака), поведение упруго-пластической системы существенно отличается от случая однократного нагружения [1].

При пластической деформации металлов и сплавов деформирующее напряжение с увеличением степени пластической деформации растет вследствие развития деформационного упрочнения. Если прервать пластическую деформацию - снять нагрузку, а затем нагружать образец в том же направлении, то для продолжения ее необходимо приложить напряжение, в общем случае, равное действующему напряжению, при котором пластическая деформация была прервана. Это напряжение всегда выше исходного предела текучести ненаклепанного металла. При нагружении образца в обратном направлении (растяжение-сжатие, сжатие - растяжение) напряжение, вызывающее начало деформирования, существенно ниже не только напряжения, которое необходимо приложить для продолжения деформирования в первоначальном направлении, но и ниже предела текучести (упругости) исходного образца. Это явление получило название эффекта Баушингера.

Иллюстрация эффекта Баушингера дана на рисунке. При достижении предела текучести в точке А кривой упрочнения начинается пластическая деформация, в результате которой металл упрочняется до выбранной точки В. После снятия нагрузки остаточная деформация составляет ОБ. При повторном, но противоположном по знаку нагружении упрочнение происходит по кривой ББ. Для сопоставления характеристик кривых наиболее удобен разворот кривой повторного нагружения на 180° относительно точки Б (кривая БЛ'Б'С).

Сопоставление кривых позволяет оценить величины снижения предела текучести до уровня точки А' и деформации Баушингера, являющейся дополнительной деформацией, необходимой для достижения равенства напряжений в точках В и В'.

Сущность эффекта Баушингера заключается в том, что предел пропорциональности при сжатии (растяжении) предварительно пластически деформированного растяжением (сжатием) материала меньше, чем неде-формированного. Имеются различные объяснения этого явления. В частности излагается гипотеза о том, что в результате неравномерной первичной деформации отдельных кристаллов в поликристалле, в кристаллах, подверженных большей деформации, возникают дополнительные напряжения обратного знака, а в кристаллах, подверженных меньшей деформации - напряжения того же знака. При изменении знака напряжений остаточные напряжения накладываются на действующие, вызывая тем самым более раннее пластическое течение [2].

Предел Деформация текучести Баушингера

с

Разупрочнение в области растягивающих напряжени

Схема проявления эффекта Баушингера

Также предлагается гипотеза о причинах возникновения эффекта Ба-ушингера, основанная на известных положениях физических основ пластической деформации, которая может объяснить это явление по всей совокупности условий [2].

В процессе пластической деформации движению дислокаций препятствует ряд факторов:

- взаимодействие дислокаций с другими дислокациями;

- взаимодействие дислокаций с точечными дефектами;

- взаимодействие дислокаций с дисперсными частицами второй фазы;

- взаимодействие дислокаций с границами зерен,

- взаимодействие дислокаций с атомами растворенных примесей,

Те же самые факторы препятствуют движению дислокаций и в обратном направлении при изменении знака приложенного напряжения. Поэтому, изменение степени влияния этих факторов будет сказываться на величине предела пропорциональности поликристалла, т.е. пластическая деформация может начаться или раньше, или позже, чем при непрерывном нагружении одного знака.

В трубах же рассматриваемые эффекты проявляются при больших степенях деформации (при расчете для внешних волокон). При формовке труб принципиальным отличием от классической схемы растяжение -сжатие является неодинаковая по величине и знаку деформация слоев металла по сечению. Это само по себе определяет наличие высоких остаточных напряжений. Характер влияния степени деформации растяжением зависит от структуры и характеристик упрочнения стали.

Проблема снижения предела текучести при формовке труб особенно обострилась в настоящее время в связи с расширением использования новых сталей, для повышения прочности которых были использованы все известные механизмы упрочнения. Особенно это проявилось при освоении производства малоперлитных микролегированных сталей контролируемой прокатки, в которых около половины прироста предела текучести за счет мелкого зерна, субструктуры и дисперсных частиц терялось при формовке труб большого диаметра.

Таким образом, величина эффекта зависит от ряда параметров, включая химический состав стали, параметры прокатки и охлаждения, возможность деформационного старения при последеформационных обработках и т.д. [3].

При этом общей тенденцией является усиление степени «разупрочнения»- более прочных сталей при переделе лист - труба, что обусловливается большей величиной остаточных напряжений. Тем не менее, величина эффекта при равной прочности во многом определяется и типом микроструктуры (долей каждого из задействованных механизмов упрочнения). Так, увеличение доли субструктурного упрочнения феррита особенно усиливает эффект «разупрочнения» при формовке.

Различие предела текучести после операции формования трубы становится особенно заметным (до 100 МПа) для перспективных высокопрочных сталей (класса прочности Х100 и др.). При этом соотношение свойств зависит не только от отношения толщины стенки к диаметру, но и от способа производства. Так, например, различия наименее заметны для труб меньшего диаметра и тонкостенных. Кроме того, известно, что термический цикл нанесения антикоррозионного полимерного покрытия на трубы приводит к существенному или даже полному снятию "разупрочнения" в высокопрочных материалах за счет деформационного старения и других эффектов.

Таким образом, многочисленные данные по высокопрочным трубам классов Х70—Х80, а также более прочным перспективным (Х100—Х120) показывают, что при оценке прочности и надежности по пределу текучести необходимо принимать во внимание, по крайней мере, три фактора:

- влияние эффекта Баушингера при изготовлении труб и испытании материала;

- влияние типа испытания и образца на полученный результат;

- определенное различие между поведением материала в образце и в трубе.

Анализируя исследования, посвященные эффекту Баушингера, можно сделать некоторые выводы:

- эффект Баушингера различный у различных металлов, наблюдается как у поликристаллических металлов, так и у монокристаллов, причем у чистых металлов он проявляется в меньшей степени, чем у сплавов.

- эффект зависит от степени предшествующей деформации;

- эффект Баушингера не устраняется длительным перерывом между нагружением и предшествующей разгрузкой.

- эффект может быть устранен путем промежуточного нагревания, причем для каждого материала существует минимальная температура и продолжительность нагревания, при которых эффект исчезает.

Таким образом, традиционная оценка прочности и надежности труб для трубопроводов по величине предела текучести, определенному на плоских полноразмерных поперечных образцах, условна.

Необходимо отметить, что согласно многочисленным экспериментальным данным прочностные характеристики, определенные на небольших плоских или цилиндрических образцах, в большей степени отражают действительную прочность труб, чем полученные с применением распрямленных полноразмерных образцов. Указанное несоответствие, очевидно, только усиливается по мере освоения новых, более прочных трубных сталей. Очевидно, что результатом занижения предела текучести при использовании полноразмерных распрямленных образцов станет увеличение фактического запаса прочности и, как следствие, металлоемкости трубопроводов.

Безусловно, что при сохранении в нормативных документах на трубы существующих требований по определению предела текучести без учета эффекта Баушингера необходимо выявить причины «разупрочнения» и основные факторы, определяющие его величину. Очевидно, что «разупрочнение» является следствием неоднородности деформации, что, естественно, вызывает появление достаточно высоких остаточных напряжений как на микроуровне, так и на макроуровне. При неизменной технологии формовки труб величина остаточных макронапряжений может определяться, главным образом, степенью неравномерности структуры и свойств по толщине листа, что, к сожалению, до настоящего времени практически не обсуждалось специалистами.

Неоднородность структуры также способствует усилению остаточных напряжений и эффектов неполной упругости. Все это определяет необходимость тщательного контроля технологии упрочнения современных трубных сталей в условиях металлургических производств с целью оптимизации микроструктуры и распределения остаточных напряжений после операций правки.

Наряду с указанными способами управления эффектом Баушингера, представляется возможным использовать знакопеременную деформацию при производстве горячекатаной листовой стали.

Библиографический список

1. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. -М.: МГУ, 1965. - 266 с.

2. Арсентьев А.П., Левшунов М.А. К вопросу возникновения эффекта Баушингера. Повышение качества изделий при обработке металлов давлением. // Межвуз. сб. науч. тр.- Москва,1989. - С.14-17.

3. Хван А.Д., Воропаев А.А. и др. Упрочнение критической деформации удлиненных цилиндрических заготовок. // КШП ОМД. - 2002. - № 8. - С.13-16.

УДК 621.778

О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон

ГОУВПО «МГТУ»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОТАЛКИВАНИЯ-РЕДУЦИРОВАНИЯ КРУГЛОЙ ЗАГОТОВКИ ЧЕРЕЗ МОНОЛИТНУЮ ВОЛОКУ С РАБОЧИМ КАНАЛОМ ПИРАМИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ ШЕСТИУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

Холоднотянутый шестигранный металл используется, в основном, для изготовления крепежных изделий ответственного назначения, нестандартного крепежа, а также в качестве заготовок при производстве других деталей в машиностроении [1].

В условиях ОАО «Северстальметиз» (г. Череповец) технология изготовления шестигранных прутков включает следующие операции: отжиг горячекатаного металла круглого поперечного сечения; подготовка поверхности (травление, фосфатирование); острение конца прутка; волочение на цепном волочильном стане. При этом используется монолитная волока специальной конструкции, у которой на гранях заходной части рабочего канала выполнены выступы определенной формы, способствующие течению металла в углы шестигранника и обеспечивающие получение качественного шестигранного металла [2]. К недостаткам технологии следует отнести необходимость применения операции острения конца и связанный с ней повышенный расход металла, так как передний заостренный конец приходится удалять.

В условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» технология включает отжиг горячекатаного металла круглого поперечного сечения; подготовка поверхности (травление, фосфатирование); предварительное волочение шестигранника со скругленными ребрами; отжиг; травление; окончательное волочение шестигранника. При этом операции предварительного и окон-