حزم في الصلب. كيف يتم تشكيلها

موضوع هذا المقال غير عادي إلى حد ما بالنسبة للحبر. لقد دفعتني إلى كتابة رغبة بسيطة ومفهومة للتذكير أنه في وقت من الأوقات في بلدنا كان هناك مستوى عال جدًا من علم المعادن ، وخاصة قسمه حول دراسة أسباب تدمير المواد عالية القوة تحت الحمل. حتى قبل وصولي إلى LANIT ، شاركت في بحث حول هذا الموضوع وما زلت لم أفقد الاهتمام به. مشكلة تدمير المواد أيضًا لم تصبح أقل أهمية ، لذلك أوجه انتباهكم إلى منشور عن أسباب ظهور التعرية في الفولاذ عالي القوة.


كان يعتقد أن تدمير المواد ، وخاصة الفولاذ عالي القوة ، يحدث على الفور تقريبًا عند الحمل الأقصى. ومع ذلك ، فقد أظهرت العديد من حالات التدمير ودراسة أسبابها أن التدمير الكارثي يمكن أن يحدث قبل فترة طويلة من الوصول إلى هذا الحد الأقصى.

لأول مرة ، تم تسجيل حالات ضخمة من هذا الدمار خلال الحرب العالمية الثانية. في الولايات المتحدة ، تم إنتاج سلسلة ليبرتي للنقل البحري بشكل تسلسلي لتزويد قوات الحلفاء ، والتي بدأت تصنيعها تستخدم على نطاق واسع في لحام عناصر فردية من هياكل السفينة (كانت صفائح البدن في السابق مرتبطة بعملية التثبيت). لذلك أظهرت هذه السفن هذه الميزة التي حرفيا بعد واحد أو اثنين من المعابر البحرية ، ظهرت تشققات ممتدة على بدن ، وبالتالي تسبب تشغيلها مزيد من المخاوف الخطيرة. كانت هناك حالات عندما كسرت الأوعية إلى النصف عندما كانت متحمسة. ولكن نظرًا لوجود مقصورات محكمة الغلق في الأجسام ، ظل النصفان واقفين على قدميه واستمر في السباحة بشكل مستقل (بإرادة الرياح والأمواج).

مصدر

كما اتضح فيما بعد ، كان سبب التشققات هو عدم الاهتمام بالتفاصيل مثل قطع الثقوب التكنولوجية المختلفة في الأجسام (غرف التفتيش). لا ينبغي أن تحتوي هذه الفتحات على زوايا حادة. تسهم الزوايا الحادة ، مثل مركزات الإجهاد في الهيكل ، والتي تحدث بالتناوب عندما تكون البدن في قمة الموجة أو عند قمة موجتين ، في التطور التدريجي لشقوق التعب. الجسم الملحوم ، خلافًا للجسم المنفتح ، هو وسيط مستمر يمكن أن ينتشر فيه التصدع دون عوائق ، مما أدى في النهاية إلى الفشل.

في الوقت الحاضر ، لوحظت أمثلة لتدمير كارثي عفوي على خطوط أنابيب الغاز ، عندما تم استخدام أنابيب قطرها كبير (1220-1420 مم) مصنوعة من الفولاذ عالي القوة باستخدام تكنولوجيا المتداول التي تسيطر عليها لبناء الخاصة بهم. يتم ضخ الغاز في خط الأنابيب تحت ضغط عال (75-100 atm).

في بعض الحالات الطارئة ، لوحظ انتشار الكراك وتمزق خط الأنابيب إلى حد كبير للغاية ، والذي حدث بسرعة هائلة ، مثل الانفجار. من الواضح أن هذا التدمير يستتبع عواقب وخيمة. كان سبب هذا الضرر هو الشقوق المجهرية التي تحدث في الأنابيب الفولاذية عندما يتم إزعاج العزل المائي لها ، وهو ما يسمى بتآكل الإجهاد تحت الضغط.

قد يبدو أن ضغط 100 atm لا يشكل خطرا جسيما ، لأنه يتوافق مع حمولة من 10 ميجا باسكال فقط ، وأنابيب الصلب عالية الجودة لديها قوة إنتاجية تتجاوز 400 ميجا باسكال. لكن بالإضافة إلى الضغوط الثابتة الناتجة عن ضغط الغاز ، تختلف خطوط أنابيب الغاز الرئيسية عن الهياكل المعدنية الأخرى في قدرتها الهائلة على الطاقة بسبب طولها الطويل ، فهي تظهر الآثار الأكثر وضوحًا على نطاق واسع ذات الطبيعة النشطة بسبب الإمداد الهائل للطاقة المرنة المركزة في معدن الأنابيب والغاز المضغوط الذي يتم ضخه من خلال خط الأنابيب. على سبيل المثال ، في خط أنابيب يبلغ قطره 1420 ملم وضغطه 75 مترًا ، يبلغ احتياطي الطاقة المرنة في الغاز الذي يتم ضخه 51 ميغا جول لكل متر من خط الأنابيب ، وفي المعدن نفسه لا يتجاوز 0.6 ميغا جول / م. للمقارنة ، في خط أنابيب يبلغ قطره 1220 ملم ، فإن توفير طاقة مرنة من الغاز عند ضغط 55 atm هو نصف ذلك من 26 mJ / m. وبالتالي ، فإن خط أنابيب الغاز لمسافات طويلة يشبه نظام واحد شديد التوتر ويتصرف مثل هيكل عملاق من قطعة واحدة ، يخضع لاختبار قوة.

بفضل التحميل الثابت المطول وزيادة الإمداد بالطاقة المرنة في نظام التحميل ، تصبح الكثير من المواد البلاستيكية للغاية عرضة للكسر المتأخر. هذا الاتجاه يرجع إلى التوطين التدريجي لتشوه البلاستيك بالقرب من الكراك المجهري والتطور اللاحق للكسر في معظم أحجام المواد المجهدة. يجعل هذا الظرف مادة خط الأنابيب غير متوقعة للغاية فيما يتعلق بخطر التدمير المفاجئ. بالمناسبة ، تم الأخذ في الاعتبار حقيقة أن خطوط أنابيب الغاز ذات القطر الزائد أكثر عرضة للتدمير الكارثي عند وضع خطوط أنابيب الغاز Stream 2 و Turkish Stream - يبلغ قطر الأنابيب في خطوط الأنابيب هذه 1143 ملم.

تم إجراء العديد من الدراسات في الخارج وفي بلدنا ، وتم تطوير قاعدة نظرية ، مما مكن من تحديد أسباب الضرر الموصوف أعلاه وتقديم توصيات بشأن الوقاية من هذه الظواهر. في جميع الحالات ، يكون منشئ الكسور التلقائية غير المنضبط صدع نواة ، والتي يمكن أن تكون مجهرية للغاية ، وتتطور لفترة طويلة إلى حد ما ، وتؤدي في النهاية إلى كسر لحظي تقريبًا ، عندما يبدأ التصدع في الانتشار في الفولاذ بسرعة الصوت.

أدناه ، على سبيل المثال ، سأقدم إحدى هذه الدراسات ، والتي توضح مدى عمق الحاجة إلى الخوض في آلية تشكيل التدمير غير المنضبط.

ساعدت العلبة في اختيار كائن مثير للاهتمام للبحث - جزء طويل مصنوع من سبائك الصلب المتوسطة بسماكة 80 ملم. العديد من هذه الأجزاء ، عندما تطفأ في الماء بعد التسخين للمعالجة الحرارية ، تشكلت تشققات - إزالة الطبقة الوسطى من سمك الجزء. كان هناك أيضًا حالة واحدة للفصل التام للجزء عند التسخين بالسمك على الطول بأكمله ، والذي كان مصحوبًا بتشقق يصم ، بحيث تم إزالة نصفين من الخزان ، بدلاً من جزء واحد ، والذي لم يتم توفيره بواسطة العملية التكنولوجية.

للدراسة ، تم اختيار التفاصيل التي امتدت الشقوق بطول 700 إلى 1500 ملم. تجدر الإشارة إلى أن قوة الشد لهذا الفولاذ بعد التبريد وارتفاع درجة الحرارة تصل إلى 1300 ميجا باسكال على الأقل ، وفي الحالة المروية ، تكون القوة أعلى ، وبالتالي فإن تفكك الأجزاء ، وكذلك تشكيل مثل هذه التشققات الممتدة فيها ، تسبب في مفاجأة على الأقل.

في العمليات التكنولوجية الحديثة ، يتم استخدام تبريد قطع العمل في الماء بعد التسخين الحراري أو التدحرج على نطاق واسع ، الأمر الذي يؤدي من حيث المبدأ إلى ضغوط حرارية كبيرة ، لكن هذه الضغوط ، كما تظهر الحسابات ، لا تزال أقل من مقاومة الخضوع للفولاذ ، لذلك في هذه الحالة يبدو أنها لا يمكن أن يؤدي إلى تدمير الجزء.

مصدر

منهجية المواد والبحوث

تم اكتشاف حزم في الفراغات بعد المعالجة الحرارية النهائية. كانت موجودة في الحافة السفلية للشغل على طول الطول المطابق للجزء المحوري للصفائح المعدنية. امتدت الحزم حتى عمق واحد إلى عدة سنتيمترات ، وفي الحالات المعزولة يمكن أن تؤدي إلى التقسيم الطبقي الكامل لقطعة الشغل بالسمك.

من الأجزاء الثلاثة التي تم العثور على أطوال تفكيكها من 780 و 1000 و 1500 مم على طول الحافة السفلية للجزء ، تم أخذ عينات من 250 إلى 300 × 600 ملم ، وكانت متاخمة مباشرة للطبقة (المنطقة المحورية للورقة) ، وكذلك عينات من الحافة العلوية (فيما يلي - حافة الورقة) ، والتي تتوافق مع مساحة سطح السبائك.

تم قطع القوالب من العينات باستخدام القطع الكاشطة ، والتي تم بعدها قص الفراغات باستخدام القطع الأنودية الميكانيكية لدراسة البنية الكلية والميكروية ، والخواص الفيزيائية والميكانيكية (في الاتجاهات المستعرضة والعمودية بالنسبة لمستوى الدرفلة). تم قطع العينات العمودية لتقييم المتانة وعامل شدة الإجهاد بحيث تم وضع الشق في المستوى الدوار في الجزء الأوسط من الورقة.

لم تكشف الدراسة التفصيلية للخصائص الميكانيكية لهذا الفولاذ (القوة والمتانة والليونة) على العينات المقطوعة من المناطق المتاخمة للكسر وفي المناطق الخالية من العيوب عن أي انحرافات عن القيم الاسمية المقابلة لهذا التصنيف. لذلك ، لتحديد ميل الصلب إلى التفكيك على طول سماكة الصفيحة ، تم استخدام معيار شدة الإجهاد ، والمشار إليه في ميكانيكا الكسر باسم K _1c . هذا المعيار له بعد غريب إلى حد ما ، للوهلة الأولى ، البعد kg / mm ^3/2 (MPa / m ^1/2 ). المعنى المادي لهذا المعيار هو الإجهاد الذي يحدث عنده الكسر عن طريق الانفصال ، في وجود تشققات ذات حجم حرج في المادة. يتم إجراء الاختبارات بطريقة تزرع فيها الشقوق في عينة خاصة من خلال تطبيق الأحمال الدورية ، ثم بشكل تدريجي ، بتطبيق حمل شد متزايد على العينة مع الكراك ، ويلاحظ نمو الشقوق ، وفي لحظة الكسر ، تكون قيمة الإجهاد ثابتة.

تكون عينة اختبار الشد غريب الأطوار معقدة إلى حد ما في التكوين (والتي استلمت اسم "السراويل" العامية) ، ولا تقل صعوبة تصنيعها (الشكل 1). وفقًا لـ GOST 25.506-85 ، يشار إليه بالنوع 3 ، استخدمنا عينات بسماكة 25 مم.

التين. 1. عينة لاختبار الشد غريب الأطوار

تم تطبيق صدع التعب على نابض TsDM-10 مع الحمل العلوي من 2000-3000 وحمل أقل من 500 كجم. تردد النبض هو 750 دورة في الثانية الواحدة ، وعدد النبضات هو 3-5 آلاف. كان صدع التعب متحملاً في الحمل العلوي البالغ 3000 كجم ، ونموه بطول يتراوح من 1.5 إلى 2 مم تم تنفيذه عند حمل علوي يبلغ 2000 كجم. من أجل مراقبة أكثر ملاءمة لنمو الكراك ، تم غرس حبر الطباعة المخفف بالكيروسين مسبقًا في الشق ، والذي تم امتصاصه في الكراك أثناء نموه. وأجريت اختبارات للعينات على آلة DU-19 (فرنسا) مع سجل الرسم التخطيطي لفتح القوة. تم تقدير صلابة الكسر بهذه الصيغة البسيطة :

K _1c = [P / (t * b ^1/2 )] * [29.6 * (l / b) ^1/2 - 185.5 * (l / b) ^3/2 + 655.7 * (l / ب) ^5/2 - 1017 * (لتر / ب) ^7/2 + 638.9 * (لتر / ب) ^1/2 ] ، كجم / مم 3/2

P - قوة لتدمير العينة ، كجم ؛
t هو سمك العينة ، مم ؛
ب هو عرض العينة ، مم ؛
ل هو طول الشق مع الكراك التعب ، مم.

الكلي والمجهرية من الصلب

يقع التقسيم الطبقي في الأجزاء التي تم فحصها في الوسط على طول سماكة الصفيحة ، وينتشر في أجزاء مختلفة إلى أعماق مختلفة ، ومسارها ذو طابع متدرج. لم يتم اكتشاف أي آثار تشوه البلاستيك في الجزء العلوي من الحزمة على قوالب عرضية. يتميز التركيب الكلي لجميع العينات التي تمت دراستها بهيكل كثيف ، ولا توجد عيوب واضحة مثل فقاعات الغاز ، وشرائح الفصل ، والمناطق ذات البنية الشجرية الخام.

لم يلاحظ أي اختلافات ملحوظة في المجهرية في مناطق مختلفة.

يتميز المعدن بنطاق ملحوظ (الشكل 2) ، والذي يرتبط بالهيكل الشجي للمعادن المصبوب الأولي في السبائك الفولاذية ويتميز بصلب الفولاذ المدلفن. يتم تمديد شرائط متعددة الخفة على طول اتجاه الدرفلة وتختلف بشكل ملحوظ في الصلابة الدقيقة وفي محتوى عناصر صناعة السبائك. تحتوي الأشرطة الخفيفة على كمية متزايدة من الموليبدينوم والنيكل والنحاس والسليكون والمنغنيز (تم إجراء التحديد باستخدام التحليل الدقيق للأشعة السينية) ، وتتركز أيضًا كبريتيدات HB وأكاسيد الخطوط فيها ، وتنتشر الحزمة أيضًا من خلال الأشرطة الخفيفة.

يتميز مسار الكراك بطابع متدرج (الشكل 3) ، ولا توجد مناطق تشير إلى حدوث تشوه بالبلاستيك الكلي قبل الكسر ، ويتم ملاحظة العديد من المناطق والأخاديد على السطح ، مما يشير إلى وجود طبيعة هشة للكسر.

التين. 2. هيكل رقائقي وموقع HB. × 100

التين. 3. طبيعة مسار تشقق القذف. × 1

تلوث مع الادراج غير المعدنية وتأثير HB على ميزات فشل الصلب تحت الحمل

تم العثور على كبريتيد المنجنيز ، البلاستيك ، ممدود على طول اتجاه الدرفلة ، في الأجزاء الفولاذية (الشكل 4) ، وكذلك الأكاسيد المعقدة الموجودة على طول اتجاه الدرفلة في شكل سلاسل وخطوط (الشكل 6).

التين. 4. موقع شوائب كبريتيد. X400

يعتبر تلوث HB نموذجيًا للصلب المفتوح لطريقة الصهر. في المنطقة المركزية للورقة ، يكون تلوث السماكة بالكبريتيدات البلاستيكية وأكاسيد الخط أعلى قليلاً. الكبريتيدات وأكاسيد ترتبط بشكل انتقائي للهيكل النطاقي ، في العصابات حيث يوجد محتوى متزايد من ني ، مو ، النحاس ، سي ، المنغنيز (الشكل 5).

التين. 5. موقع شوائب أكسيد في بنية النطاقات. X400

في الكسر اللزج لعينات التأثير العرضية والرأسية ، لوحظت العديد من HBs ، خاصة الكبريتيدات ، لم يتم اكتشاف نوى الشقوق (الشكل 6 ، الشكل 7). تشير الطبيعة المتشابهة للكسر إلى أن التدمير مر عبر تراكم HB.

التين. 7. هيكل كسر عينات الصدمة عرضية. X800

التين. 8. هيكل كسر عينات الأثر الرأسي. X1600

درسنا تأثير HB على طبيعة تشوه البلاستيك والكسر من خلال مراقبة هذه الادراج في التكبير عالية.

على العينات العمودية ، تتشكل الشقوق الهشة في مواقع الكبريتيدات والأكاسيد التي تحدث بشكل متزامن تقريبًا على جميع الإضافات في مجال الرؤية في غياب التشوه البلاستيكي للمعادن الأساسية (الشكل 9).

يكون الإجهاد الذي تتشكل منه الشقوق المصغرة على شوائب أقل بنسبة تتراوح بين 10 و 15٪ من بداية التشوه الناتج عن التشوه البلاستيكي في المعدن الأساسي ، والذي يحدده ظهور علامات الانزلاق. تؤدي الشقوق الصغيرة التي نشأت في الكبريتيد إلى إنشاء أشرطة انزلاقية في المعدن الأساسي ، إلى جانب حدوث مزيد من انتشار الشقوق (الشكل 9-10).

التين. 9. أصل الشقوق في الكبريتيدات (العينات الرأسية ، التشوه = 1٪). X500

على خطوط الكبريتيدات المطولة ، من الممكن تسهيل دمج العديد من الشقوق الصغيرة في واحد (الشكل 11).

في المناطق التي لا يوجد فيها سداسي البروم ثنائي الفينيل ، لا يتم ملاحظة تشوه البلاستيك المحلي بتشكيل microcracks في شرائط الانزلاق إلا عندما يستنفد المعدن هامش اللدونة.

التين. 10. زلة العصابات التي بدأها صدع كبريتيد. × 500

التين. 11. تطوير الشقوق في خط الكبريتيدات. × 500

الخواص الميكانيكية

تتطابق الخواص الميكانيكية والبلاستيكية للفولاذ في الاتجاهات الطولية والعرضية في المناطق التي شملتها الدراسة في الأجزاء الثلاثة التي تم فحصها مع احتمال 0.95.

يتميز الصلب بتشتت كبير للخصائص عند مقارنتها بالعينات المستعرضة والعمودية بالنسبة لمستوى الدرفلة (كما يقولون ، يكون للخصائص معامل تباين كبير). خصائص البلاستيك في الجزء المحوري من الورقة أقل بشكل ملحوظ من على الحافة. عند اختبار العينات الرأسية للقوة والمرونة والمتانة ، تعكس هذه الخواص ، إلى حد ما ، ميل الصلب لتشكيل الوصل ، ومع ذلك ، فإن معامل الارتباط المحسوب بين طول التفكيك في الأجزاء والخصائص في الاتجاه العمودي أقل بكثير من معامل الجدولة عند مستوى دلالة 0.8 ، وهذا هو ، وهذا الاعتماد ليس كبيرا.

اجتازت نتائج تقدير K _1c بطريقة التوتر غريب الأطوار للعينات العرضية بسمك 25 مم مع درجة جانبية وصدع التعب (الشكل 12) اختبار الصدق وفقًا لمعايير نسبة عامل شدة الإجهاد إلى مقاومة الخضوع للصلب. مع سمك العينة المحدد من 25 مم وطول الشق مع الكراك من 28-30 ملم ، لا تفي العينات المستعرضة أيضًا بهذا المعيار (العينات الأكبر مطلوبة) ولا يمكن استخدام نتائج اختباراتهم إلا كتقريبية.

بالنسبة للعينات الرأسية للتوتر غريب الأطوار ، يتم استيفاء جميع شروط الاختبار الضرورية والكافية ، وتكون النتائج صحيحة عندما تكون سماكة العينات 25 مم (الشكل 12).

التين. 12. علاقة عامل شدة الإجهاد بطول الحزم (عينات عرضية ورأسية للتوتر غريب الأطوار)

تحدد المعلمة K _1c بشكل كبير الفرق في جودة المعدن في المنطقة المحورية وحافة الورقة داخل المصهور نفسه. لا تتداخل الفواصل الزمنية لـ K _1c في المحور وحافة الورقة حتى مع مستوى ثقة عالٍ يبلغ 0.95 ، والحد الأقصى لقيمة K _1c في المنطقة المحورية أقل من الحد الأدنى لقيمة K _1c لحافة الورقة. لا يمكن الحصول على هذا الاختلاف الواضح في الخواص باستخدام المؤشرات الموصوفة سابقًا للليونة والمتانة.

معامل الارتباط بين طول الطبقات على الأجزاء وقيم K _1c للمنطقة المحورية هو 0.89 ، مما يؤكد موثوقية العلاقة بين هذه القيم.

والأكثر إقناعا هي المعلمة المدمجة ، التي لها بعد طول ويتناسب طرديا مع طول الشق الجنيني ، القادر على الانتشار التلقائي والعفوي عند مستوى من إجهاد الشد تحت قوة الغلة (الشكل 13). معامل الارتباط بين طول الحزم والمعلمة (K _1c / σ ₂ ) ² هو 0.94. هذا يسمح لنا بتمثيل هذا الاعتماد كدالة خطية. يعطي استقراء هذه الوظيفة بطول الحزمة مساوية للصفر قيمة حرجة حيث ، مع قيمة أكبر منها ، فإن احتمالية الحزمة مساوية أيضًا للصفر. بوجود إجهاد متوسط ​​العائد يبلغ 1120 ميجا باسكال للمنطقة المحورية ، فإن قيمة K _1c ، التي يكون فيها احتمال ظهور التصريف قريب من الصفر ، تقابل 101 ميجا باسكال / م ^1/2 .

التين. 13. علاقة المؤشر المعمم بطول الحزم (التوتر غريب الأطوار ، العينات الرأسية)

سبب حدوث التصفيحات في ألواح الصلب هو الطبيعة الليفية الميكانيكية للمعدن ، وذلك بسبب المتداول من عدم التجانس شجيري من المعدن ، والترتيب الطبقات المرتبطة شوائب غير المعدنية. يتم تقليل دور الشوائب غير المعدنية وغيرها من الجسيمات الغريبة إلى تركيز الإجهاد بالقرب من الشوائب ، وإمكانية تكسير هذه الجسيمات ، وكسر الصلة بين الشوائب وقاعدة الصلب ، وانتشار الكراك المصغر المتشكل ، والذي يحدث عند إجهادات أقل من قوة الغلة. في وقت لاحق ، ينتشر الكراك على طول أسهل الطرق في مجموعات من الادراج غير المعدنية واجهة الصلب قاعدة الجسيمات.

توضح قيم معيار شدة الإجهاد الموجود أنه عند مستوى إجهاد يتراوح بين 700 و 800 ميجا باسكال (على الرغم من أن مقاومة الخضوع للفولاذ لا تقل عن 1050 ميجا باسكال) ، فإن الفولاذ يحتفظ بالقدرة على مقاومة انتشار التصدع إذا كان حجم نواة التشققات لا يتجاوز عمقها 1.3 مم بطول 13 مم ، عندما يتم تجاوز هذه المؤشرات ، يتم تدمير الصلب. في نفس المستوى من الضغوط الناشئة في الاتجاه العرضي لاتجاه الدرفلة ، يكون الفولاذ المدروس قادرًا على مقاومة الكسر الهش إذا كان حجم الشق لا يتجاوز 2.5 مم في العمق و 25 مم في الطول.

يوضح المثال أعلاه من دراسة مقاومة الشقوق بوضوح أن فشل الصلب في وجود حالات عدم الاستمرارية المجهرية والإدمانات اللافلزية يمكن أن تحدث عند إجهادات أقل من قوة العائد ، والتي ، عند حساب قوة الهياكل دون أخذ هذا الظرف في الاعتبار ، يمكن أن تخلق الوهم بموثوقية المواد في ظل ظروف التشغيل.