CC BY
42
УДК 621№774:620.1
А. К. Орымбаева1, Ф. С. Жанабай2, А. Н. Жакупов3
'студент ,2студент, 3магистр, ст. преподаватель, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБ С ФЕРРИТНО-БЕЙНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ
В данной статье приводятся результаты исследования труб классов прочности от К65 (Х80) до К80 (Х100) с использованием лабораторий ПГУ имени С. Торайгырова.
Ключевые слова: термическая обработка, трубопрокат, сталь, ферритно-бейнитная структура, класс прочности стали, строительство магистральных газопроводов.
Применение высокопрочных трубных сталей, классов прочности К65 и выше, позволяет уменьшить металлоемкость магистральных газопроводов и снизить затраты при их строительстве. В настоящее время высокопрочные трубные стали категории прочности К65 (Х80) находят все более широкое применение при строительстве магистральных газопроводов в районах с суровыми климатическими условиями и нестабильными грунтами, в том числе в сейсмоопасных зонах. Ведутся разработки и проводится промышленное опробование еще более прочных сталей категорий прочности до Х120. Термомеханическая обработка (ТМО), включающая в себя прокатку по контролируемым режимам и ускоренное охлаждение, является наиболее эффективным способом изготовления высокопрочных трубных сталей. ТМО формирует в сталях ферритно-бейнитную структуру, обеспечивающую сочетание высокой прочности и высокого сопротивления зарождению и распространению трещин, что необходимо для обеспечения надежности высоконагруженных конструкций. В некоторых случаях после термомеханической прокатки может применяться термическая обработка. Имеется опыт применения дополнительной термической обработки (ТО) для исправления или
и 1 и и
улучшения свойств трубных сталей с ферритно-перлитной структурой, получаемых способом контролируемой прокатки. Кроме того, термообработка с отдельного нагрева или в потоке прокатного стана в перспективе может стать базовой технологией в производстве высокопрочных трубных сталей или сталей со специальными свойствами. Однако влияние ТО на свойства сталей со структурой бейнитного типа изучено недостаточно. Представляло интерес исследовать влияние ТО на механические свойства и микроструктуру этого нового класса материалов с целью определения возможностей применения такой технологии для улучшения свойств высокопрочных трубных сталей.
Исследование проводилось в лабораторных условиях ПГУ им. С. Торайгырова, образцы для исследований отбирались от труб классов прочности от К65 (Х80) до К80 (Х100). Химический состав использованных образцов труб представлен в таблице 1. Трубы толщиной от 20 до 27,7 мм, от которых отбирались заготовки для исследования, были изготовлены по технологии ТМО с ускоренным охлаждением от температур выше точки Ac3, скорость охлаждения после прокатки составляла
от 20 до 30 °С/с. Отобранные заготовки подвергались нагреву до температуры 850 °С в лабораторной камерной печи электросопротивления, время выдержки при заданной температуре составляло от 20 до 60 мин, после выдержки заготовки охлаждались на воздухе до комнатной температуры. После проведения ТО из заготовок были изготовлены поперечные образцы для испытаний на растяжение и на ударный изгиб, проведены механические испытания. Кроме того, исследовали микроструктуру образцов после ТО на микроскопе «№ор^1:-21», травление металлографических шлифов проводилось в 3 %-ном растворе HNO3.
Таблица 1 - Химический состав исследованных сталей
Vi-J.-ra.D1 иш!-гАМ 1 * Ш П«М к!^ П|>.ЧН111 II с л Мв 7 | 8 N С. р..
А одо виз 1Я дай . еде О.И
е РС7П ПК 0.77 (¿5 оЩ дас ом 71 »
П Я» ЦК <131 с.» да» ¡ЦК* ftGuMv.MhV.Ti *>.г ^п» 71М
г XI« лм №
а кто 1.7 С<№ ОДО ам; V, 71 ал* (ни та
■ 1 ЛшЬт 11.1= .Ни ■ - ИКТШII ■ И Нй
По результатам механических испытаний образцов после ТО были построены зависимости свойств от температуры нагрева. Характер изменения свойств трубных сталей А-Г при испытаниях
Рисунок 1 - Изменения прочностных характеристик (ов, от) образцов сталей Б и В (а), стали Г (б) и величин относительного (65) и равномерного (5р) удлинения сталей Б-Г (в) при нагреве до различных температур (выдержка 20 мин)
При нагреве образцов из сталей Б и В до 300 °С существенного изменения прочностных свойств не происходило, при этом отмечалось снижение как относительного, так и равномерного удлинения на 3 %. Локальный минимум пластичности для разных сталей наблюдался при температуре нагрева от 190 до 350 °С. При дальнейшем увеличении температуры нагрева сталей Б и В до 450-500 °С прочностные свойства снижались: от снизился на 30-50 Н/мм2, ов - на 30-40 Н/мм2 по сравнению с исходным уровнем. Разупрочнение стали Г наблюдалось после нагрева до 300 °С, однако при температуре нагрева 450 °С наблюдался рост прочностных свойств примерно на 20 Н/мм2, после чего при
повышении температуры нагрева до 500 °С происходило дальнейшее снижение от и ов. По мере разупрочнения пластические свойства исследованных сталей восстанавливались и достигли исходного уровня при нагреве до 500 °С.
При дальнейшем увеличении температуры нагрева был отмечен рост прочностных свойств, локальный максимум для сталей Б-В был достигнут при 600 °С, для стали Г - при 650 °С. Величина прироста прочностных свойств в зависимости от химического состава стали была различной: для стали Б прирост от минимальных значений, полученных при нагреве до 500 °С, составил около 30 Н/мм2 для от и около 15 Н/мм2 для ов; для стали Г прирост составил 25 и 15 Н/мм2, соответственно. Наибольший прирост от и ов наблюдался для стали В - на 20 и 45 Н/мм2 соответственно. При нагреве до 650 °С пластические свойства всех исследованных сталей несколько увеличиваются: повышение удлинения составило около 2 % по сравнению с исходными значениями. При нагреве до 650 °С образцов сталей Б и В и до 690 °С для стали Г произошло снижение как временного сопротивления, так и предела текучести на 10-50 Н/мм2. При увеличении температуры нагрева до 690 °С образцов сталей Б и В и до 740 °С для стали Г временное сопротивление резко выросло, а предел текучести снизился; для стали В снижение было незначительным, а для сталей Б и Г его снижение составило 70-80 Н/мм2. Предположили, что резкое изменение механических свойств соответствует нагреву до температуры выше критической точки Асг Дальнейшее пошаговое повышение температуры ТО до 850 °С привело к постепенному снижению прочностных свойств до уровня, соответствующего прочности нормализованной стали. Пластичность стали незначительно снижалась при температуре нагрева, соответствовавшей максимальным уровням прочности; при дальнейшем увеличении температуры происходил рост как относительного, так и равномерного удлинения.
Было исследовано влияние температуры нагрева на величину отношения от или о02 к ов, а также на длину площадки текучести на диаграмме растяжения, указанной на рисунке 2.
1В
М
■В
о
ч»
■ш.
£ "Ч : 1 V 1 ь".
11 и %
■■■#■ LlH.nl,*
■ ■ Ага СпМГ Г V, :
—¿■тньЛ ■ '"■>«' Е 1-—»41-ГР~ ■ У - *
м
Л»
3-"
1Д
ш
- (5»*1 А - *
^ ^ТАЛ» Л
л Спл* Г.
* [,ТМк1 Л А
ш ь ■
Й *
* » * В л
4 ; * ! * л * л * Л
* э л
Ч!» Л *< Т # л
1» 1 * Л.
4 ■ ** * * 1 Л 4
Iи> .И1 ЛМ 4*11 Ш ЫК1 ■■■си Ч\1 '-"Д1 [-гш1грл1урй : 4 I. ч
М1 .ЧЛ1 КО 4411 нЛ ии |'Ш ил Ттширлн)*! ил
Рисунок 2 - Изменение величины от/ов (а) и длины площадки текучести (б) при нагреве сталей Б-Д до различных температур (выдержка 20 мин)
Наличие или отсутствие площадки текучести в исходном состоянии (без ТО), зависело от параметров процесса ускоренного охлаждения. Для сталей, имевших в исходном состоянии площадку текучести, стали Б, В и Г, показанные на рисунке 3, а, б, влияние температуры ТО на величину отношения от/ов было незначительным, отмечено небольшое повышение отношения от/ов при нагреве (рисунок 2, а), длина площадки текучести увеличивалась по мере повышения температуры нагрева (рисунок 2, б). Для стали без площадки текучести в исходном состоянии (сталь Д, рисунок 2), появление и рост длины площадки текучести по мере увеличения температуры нагрева вызвали рост отношения от/ов на 5-10%. При нагреве выше точки Ас: площадка текучести на диаграмме растяжения всех исследованных сталей исчезала, что вело к резкому снижению величины отношения от/ов до уровня 0,50-0,75.
Исследование влияния температуры ТО на величину ударной вязкости стали В показало, что повышение температуры термообработки до 500 °С не оказывает существенного влияния на величину ударной вязкости при температурах испытания от -40 до -80 °С (рисунок 3, а). При дальнейшем повышении температуры ТО происходило снижение величины ударной вязкости, в особенности при низких температурах испытания. В стали Б резкое снижение ударной вязкости при -80 °С наблюдается при температуре нагрева образцов 550-600 °С. В стали Г ее снижение начиналось при температуре нагрева 300-400 °С (рисунок 3, б). Было отмечено, что наиболее резкое снижение величины ударной вязкости при -40 °С происходит при температуре нагрева образцов 740 .С для стали В и 690 .С для стали Г, т.е, при нагреве выше точки Асг Также было отмечено восстановление ударной вязкости практически до исходного уровня для сталей А, Б и В, подвергнутых нагреву до 650 °С , при испытаниях образцов при -40 и -80 °С и для стали Г - при испытаниях при - 40 °С. При термообработке с нагревом до 800 °С для всех исследованных сталей также отмечено повышение ударной вязкости выше минимального уровня, наблюдавшегося при температуре нагрева 740 °С (рисунок 3 а, б).
Рисунок 3 - Изменение ударной вязкости в результате нагрева сталей В (а) и Г (б) до различных температур (выдержка 20 мин)
На примере стали Б было исследовано влияние времени выдержки при термообработке на изменение ударной вязкости и хладостойкости. На рисунке 4, а показано, что при увеличении времени выдержки от 20 до 60 мин влияние температуры нагрева на снижение величины ударной вязкости усиливается, особенно при нагреве в интервале температур 300-350 °С и 600-700 °С. Исследование хладостойкости в интервале температур 550-800 °С при испытании образцов с острым надрезом показало, что увеличение времени выдержки ведет к повышению переходной температуры Т50 на 20-50 °С (рисунок 4, б).
Рисунок 4 - Влияние времени выдержки на ударную вязкость (а) и хладостойкость (б) стали Б при нагреве до различных температур
Заключение. Несмотря на разницу абсолютных значений изменения механических свойств сталей при термообработке, а также небольших отличий температур, при которых достигались их локальные минимумы и максимумы, закономерности изменения свойств были близки для всех исследованных сталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Матросов, Ю. И., Ганошенко, И. В., Багмет, О. А., Иванова, Т. Ю.
Возможности повышения предела текучести высокопрочных трубных сталей Х70 и Х80 // Сталь, 2005. - № 2. - С. 74-78.
2 Морозов, Ю. Д., Настич, С. Ю., Корчагин, А. М. и др. Структура и свойства штрипса для труб большого диаметра из стали категории прочности Х80-Х100 // Металлург, 2009. - № 3. - С. 43-49.
3 Andrew, K. W. Empirical Formulae for the Calculation of Some Transformation Temperatures // JISI, 1965. - Vol. 203, July. - P. 721-727.
4 LePera, F. S. Improved etching technique for the determination of percent martensite in high-strength dual phase steels // J. Metallography, 1979. - No 12. - P. 263-268.
Материал поступил в редакцию 01.06.15.
А. К. Орымбаева, Ф. С. Жанабай, А. Н. Жакупов
Ферритт1-бейнитт1 курылымымен жогарыбер1кт1 кубырларынын курылымын жене механикалык курамдарына термиялык вцдеу1н1ц ыкпалы
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемелекеттiк университет^ Павлодар к.
Материал 01.06.15 баспаFа tyctî
A. K. Orymbayeva, F. S. Zhanabay, A. N. Zhakupov
Influence of heat treatment on mechanical properties and structure of the high-strength ferritic-bainitic pipes
S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.
Material received on 01.06.15.
Аталган мацалады С. Торайгыров атындагы зертханаларын цолданумен К65 (Х80) бастап К80 (Х100) дейт к^бырдыц берктк кластарына зерттеулер жyргiзедi.
The article presents results of the research on pipes strength classes K65 (X80) to K80 (X100), using the laboratories in S. Toraighyrov Pavlodar State University.
УДК 621/9(07)
B. В. Родионов1, И. А. Шумейко2
'магистрант; 2к.т.н., профессор, Павлодарский государственный университет имени
C. Торайгырова, г. Павлодар
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КОМПЬЮТЕРНОГО КЛАССА СТАНКОВ С ЧПУ
В настоящей статье авторами приводится практически апробированное использование современного учебного класса станков с ЧПУ в условиях лаборатории ПГУ им. С. Торайгырова, направленное на повышение профессиональных навыков студентов технических специальностей.
Ключевые слова: числовое программное управление, станок, автоматизация, компьютерный класс.
Развитие числового программного управления (ЧПУ) имеет примерно тридцатилетнюю историю. Этот процесс протекает столь стремительно, что в технике не так просто найти другой аналогичный в этом смысле пример.
В результате развития устройств ЧПУ, построенных по структуре ЭВМ, созданы высокопроизводительные технологические модули, в состав которых входят: многооперационный станок с автоматической сменой инструмента, транспортно накопительная система, позволяющая производить замену детали на заготовку, система контроля и регенерации отходов. Такие модули могут работать в автономном режиме или встраиваться в автоматические линии.
