CC BY
23
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. № 14
УДК 669.14.018.295
Капланов В.И.1, Володарский В.В.2, Носоченко А.О.3, Сагиров Р.И.4, Курпе А.Г.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ Х70 И Х80
Путем обработки опытных данных получены математические зависимости для определения истинного сопротивления деформации при горячей прокатке стали категории прочности Х70 и Х80, которые могут быть применены для расчета энергосиловых параметров прокатки. На основании полученных данных построен сравнительный график зависимости истинного сопротивления деформации стали Х70 и Х80 от температуры.
Как известно одним из наиболее важных параметров для расчета режимов деформации является истинное сопротивление металлов пластической деформации.
Истинное сопротивление деформации в основном зависит от температуры, степени, скорости деформации и фазовых превращений.
Внедрение на комбинате Азовсталь новых марок стали категории прочности Х70 и Х80 и производство из них листа для магистральных трубопроводов высокого давления, вызвало необходимость в разработке рациональных режимов деформации с учетом структурных превращений при прокатке на стане 3600. Химический состав сталей Х70 и Х80 был разработан на ОАО «МК «Азовсталь» совместно с ЦНИИЧЕРМЕТ им. Бардина с учетом технологических особенностей производства на стане 3600 ОАО «МК «Азовсталь» для получения требуемых, по данным категориям прочности, механических свойств в листах и в готовых трубах.
Для прокатываемых марок стали, при расчете истинного сопротивления деформации, как правило, используется методика в которой данные марки стали исследованы или возможно приближенно подобрать марку стали с аналогичным, или близким, химическим составом.
Однако, не одна из марок стали в известных методиках для определения истинного сопротивления деформации не подходила по химическому составу к исследуемым.
Целью настоящей работы является получение математических зависимостей для определения истинного сопротивления деформации при горячей прокатке стали категории прочности Х70 и Х80.
В связи с этим были проведены пластометрические исследования, на имеющемся оборудовании, по определению пластических свойств стали категории прочности Х70 и Х80 при температурах близких к температурам прокатки на стане 3600. Исследования проводили на разрывной машине типа ИР 5145-500-10 максимальным усилием 500 кН, оборудованной термосистемой типа СТИ-2М/Р-500 с диапазоном рабочих температур от 300 до 1000 °С.
Пластометрические исследования производились на цилиндрических пятикратных образцах, изготовленных из проб, отобранных в продольном направлении от исследуемых листов. Внешний вид образцов после разрыва при температуре 1000 °С показан на рис. 1.
Образцы нагревались в печи до указанных температур и испытывались на растяжение по ГОСТ 9651 и ГОСТ 1497. Химический состав испытываемых марок стали приведен в табл. 1.
Испытания проводили с использованием ЭВМ, которая фиксировала и записывала результаты испытаний (время испытания, перемещение траверсы, усилие разрывной машины). По результатам испытаний с помощью ЭВМ получены диаграммы растяжения в координатах перемещение-нагрузка.
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ОАО «МК «Азовсталь», инж.
3ОАО «МК «Азовсталь», канд. техн. наук.
4ОАО «МК «Азовсталь», инж.
5ПГТУ, аспирант
Рис. 1 - Внешний вид образцов после разрыва при температуре 1000 °С.
Таблица 1 - Химический состав испытываемых марок стали
Марк а стали Шиф Содержание химических элементов, %
Р С М 8 8 Р С N1 Си А1 Л М N1) V N Аз Са В
плав ки п 1 г о
Х70 0295 0, 1 0 0,0 0,0 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,00 0,0
1 5 6 8 > 2 5 05 11 0 3 2 2 36 2 > 0 1 48 78 05 05 12 01
Х80 0242 0, 1 0 0,0 0,0 0 0,2 0,0 0,0 0,0 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,00 0,0
05 > 7 5 > 3 7 05 05 > 0 1 1 1 26 12 > 2 5 8 53 09 05 2 01
В соответствии с диаграммами, а так же по таблицам результатов был создан массив данных. Так как испытания проводили без тензометрических датчиков, то удлинение образца считали равным перемещению траверсы, и средняя погрешность при таком расчете удлинения составляла: для образцов стали Х70 - 4,5 %, для образцов стали Х80 - 3,7 %. Величина погрешности получена при сравнении фактических результатов замера расчетной длины образцов после разрыва и суммы величины перемещения траверсы разрывной машины до разрыва образца и первоначальной расчетной длиной образца.
При испытаниях образцов из стали Х70 и Х80 весь диапазон температур от 600 до 1000 иС с шагом в 50 иС был исследован только при степени деформации до 2 %. Так, для стали Х70 при температуре 750 °С максимальная нагрузка, а следовательно и разрыв образцов, достигался при степени деформации 2,39 %; при 700 °С - 2,44 %, а для стали Х80 при температуре 750 °С максимальная нагрузка, а следовательно и разрыв образцов достигался при степени деформации 2,43 %, а при 700 °С - 2,99 %. Поэтому, при построении графиков зависимости предела текучести от температуры, рис. 2 и 3, были использованы данные массива, по испытаниям образцов, в которых степень деформации составляла 1 и 2 %, что бы учесть поведение стали Х70 и Х80 во всем диапазоне исследуемых температур. Так же, на основании опытных данных сделано прогнозирование пластических свойств испытанных марок стали при температурах от 1000 до 1200 °С и от 600 до 550 °С.
Полученные математические зависимости истинного сопротивления деформации от температуры для стали Х70 из графика на рис. 2 и для стали Х80 на рис. 3 справедливы при средней степени деформации равной 1,5 %, так как для построения графиков использовали одинаковое количество данных при степенях деформации 1 % и 2 %.
Таким образом зависимость истинного сопротивления деформации от температуры для стали Х70 имеет вид:
стм = 3661,2ехр(-0,00470, (1)
где си - истинное сопротивление деформации, МПа; 1 - температура деформации °С. Зависимость истинного сопротивления деформации от температуры для стали Х80:
ои = 2388,7 ехр(-0,00410 (2)
Для определения влияния степени деформации на истинное сопротивление деформации, путем обработки опытных данных, получены зависимости предела текучести от степени деформации, уравнения 3 и 4, в диапазоне температур 800-1000 "С, так как в этом диапазоне массив содержит равное количество значений степени деформации при каждой температуре.
е
са V
ъ р
R О
и
о
а
К
ь о о (Г
и о н
ч о>
ч
(О ё
300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
\ = 3661,2е"°'00" R2 = 0,9416 Пх
у-
\
X
■
•
> ~ -—
550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Температура деформации, °С Рис. 2 - Зависимость предела текучести от температуры при испытаниях на разрыв образцов из стали марки Х70
300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Температура деформации, °С
Рис. 3 - Зависимость предела текучести от температуры при испытаниях на
разрыв образцов из стали марки Х80
Показатель R" на графиках обозначает величину аппроксимации. Уравнения зависимости предела текучести от степени деформации: для стали Х70
ои = 6,2032 ln(s) +52,564, (3)
где г - степень деформации, % для стали Х80
• = 2388,7е"°'00 R2 = 0,8169 41х
У
•
\
•
•
• • •
-—
ои =9,771п(е) + 51,292 (4)
На основании уравнений 3 и 4, определили коэффициент влияния степени деформации КС(), то есть отношение текущего сопротивления деформации к базовому, за базовый то есть за равный единице принимаем коэффициент при степени деформации равной 1,5 % (в соответствии с рис. 2 и 3) и построили графики зависимости коэффициента КС() от степени деформации для стали Х70 и Х80, рис. 4 и 5 соответственно.
2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00
0.80 0,60 0,40 0,20 0,00
у = 0,1126Ьп(х) +0,9543 Я2=1
0
1
10
23456789 Степень деформации, %
Рис. 4 - Зависимость коэффициента влияния степени деформации стали Х70 от
степени деформации при испытаниях на разрыв при температурах 800-1000 °С
11
2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 ^ 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
0123456789 10 11
Степень деформации, % Рис. 5 - Зависимость коэффициента влияния степени деформации стали Х80 от степени деформации при испытаниях на разрыв при температурах 800-1000 °С
На основании зависимостей приведенных на рис. 4 и 5, получены уравнения для определения коэффициента КС(): для стали Х70
Ксд =0,1 \26Ьп{е) + 0,9543 , (5)
для стали Х80
Ксд = 0,1768^/(е) + 0,9283 (6)
Для определения коэффициента влияния скорости деформации Кск на истинное
сопротивление деформации в виду отсутствия собственных данных при испытаниях (испытания проводились при постоянной скорости деформации порядка 0,00223 с"1) использовался метод Андреюка и Тюленева для стали 15Г [1]. По результатам эксперимента,
у = 0,1768Ьп(х) +0,9283 К12 = 1
при использовании этой марки стали для расчета режимов деформации стали Х70 и Х80, среднее отклонение опытной силы прокатки от расчетной составили от 2 до 9 % для стали Х70 и от 8 до 19 % для стали Х80.
Так как пластические свойства испытываемых сталей определяли при постоянной скорости деформации (порядка 0,00223 с"1), то для определения коэффициента Кск за базовое, то есть равное единице, принято сопротивление деформации при указанной скорости.
Для определения математической зависимости коэффициента Кск от скорости
деформации построили график зависимости Кск от скорости деформации для стали Х70 и Х80, рис. 6.
Скорость деформации, с-1 Рис. 6 - Зависимость коэффициента влияния скорости деформации стали 15Г от
скорости деформации
Таким образом, на основании зависимости приведенной на рис. 6, получили уравнение для определения коэффициента влияния скорости деформации для стали Х70 и Х80:
Кск = 2Д583гг0'126 (7)
Однако, в эксперименте не были отражены фазовые превращения происходящие в стали при прокатке в виду небольшой мощности нагревательного оборудования разрывной машины. Образцы проходили испытание, например, при температуре 800 "С, нагрев образцов осуществлялся от 0 до 800 "С после чего образец разрывался. Для моделирования реальных условий, образцы должны были нагреваться до температуры аустенизации (прокатного нагрева) порядка 1160-1200 "С, которая превышала максимальную допускаемую температуру нагревательной камеры разрывной установки. Затем остывать до температуры 800 "С и только после этого подвергаться деформации. Поэтому, для получения пластических свойств стали Х70 и Х80 приближенных к реальным условиям прокатки на стане, с учетом фазовых превращений, вводится коэффициент влияния фазовых превращений.
Для определения коэффициента влияния фазовых превращений, использовали опытные данные полученные при прокатке стали Х70 и Х80 на стане 3600 на основании которых построены графики зависимости Кфп от температуры металла при прокатке, рис. 7 и 8 для стали Х70 и Х80.
На основании рис. 7 и 8, получили следующие уравнения для определения Кфп: для стали Х70
кфп =0,0019^-0,7657, (8)
для стали Х80
Кф„ = 0,0007^-0,1996 (9)
Таким образом, с учетом всех факторов уравнения для определения истинного сопротивления деформации имеют вид: для стали категории прочности Х70
аи = 3661,2ехр(-0.00470х(0,11261п(е) + 0,9543)х (2,1583г/012б)х(0,0019^-0,7657), (16)
1,80 1,60 1,40 1,20 = 1,00 ^ 0,80 0,60 0,40 0,20 0.00
___ ф ♦ ♦ ♦ *
v= 0 Г)( 11 Ох - С 7657
♦ « R2 = 0.9831
650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Температура деформации, °С
Рис. 7 - Зависимость коэффициента влияния фазовых превращений от температуры деформации стали Х70
1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Температура деформации, °С Рис. 8 - Зависимость коэффициента влияния фазовых превращений от температуры деформации стали Х80
для стали категории прочности Х80
си = 2388,7ехр(-0,004\t) х (0Д7681п(е) + 0,9283) х (2,1583//° 126) х (0,0007^ + 0.1996) (17)
°и = Кс^КскКфпЪ661,2 ехр(-0,0047?)
У = 0,000 R2 = 7х + 0, 0,9984 1996
или в другом виде: для стали Х70
для стали Х80
= К^К^Кф^ 2388,7 ехр(-0.004 li)
(18) (19)
Полученные зависимости справедливы для условий горячей прокатки с температурой от 600 до 1200 "С, степенью деформации от 0,5 до 20 % и скоростью деформации от 0,002 до 150 с"1.
Для сравнения пластических свойств стали категории прочности Х70 и Х80, на основании уравнений (16) и (17) построили зависимость ои от температуры, рис. 9.
450
400
350
300
§ 250
Jj 200
О
150
100
50 0
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Температура деформации, °С
Рис. 9 - Зависимость истинного сопротивления деформации от
температуры
Из рис. 9 следует, что в диапазоне температур 1000-1200 "С значения предела текучести стали Х70 и стали Х80 аналогичны. При температурах от 1000 до 600 "С предел текучести стали Х80 увеличивается по отношению к стали Х70.
Выводы
Получены математические зависимости для определения истинного сопротивления деформации при горячей прокатке стали категории прочности Х70 и Х80, учитывающие влияние температуры, скорости, степени деформации, фазовых превращений.
Данные зависимости используются на ОАО «МК «Азовсталь» при моделировании технологического процесса прокатки стали Х70 и Х80 на стане 3600.
Перечень ссылок
1. Коновалов Ю.В. Расчет параметров листовой прокатки./ К).В. Коновалов, А.Л. Остапенко, В.И. Пономарев.- М.: Металлургия, 1986. - 430с.
Х80
V. у =21 ,0 -о.ооз; 48,Зе = 0,9996 >Х
ч. R2
♦ ■■ _ L ' • I
х/о ' ♦
-0 0025х ' " *4
у= 1192,2 R2 = О,1 е
?721
Статья поступила 19.03.2004
