Введение в прочность выхода стальных труб

1. Прочность выхода: водораздел от упругости к пластичности

Определение ядра: Предел текучести относится к значению напряжения, соответствующему началу значительной пластической деформации (т. е. деформация не может быть полностью восстановлена после разгрузки) материалов стальных труб при воздействии растягивающих или сжимающих нагрузок. Он отмечает точку перехода от упругого поведения (восстанавливаемая деформация) к пластическому поведению (постоянная деформация) материала.

Инженерное значение: в структурном проектировании предел текучести рассматривается как предел несущей способности материала. Как только напряжение на стальной трубе превышает ее предел текучести, даже если она не ломается, она будет производить необратимую деформацию (например, выпуклость, изгиб), что приведет к структурной нестабильности, функциональному отказу и даже катастрофическим авариям. Таким образом, это эталон безопасности для инженерного проектирования и основная основа для выбора материала.

2. Ключевые факторы, влияющие на предел текучести стальных труб.

Предел текучести стальных труб ни в коем случае не является фиксированным. Это зависит от природы материала и производственного процесса:

Химический состав самой стали:

Элементы сплава: Углерод является наиболее эффективным усиливающим элементом (но он снижает прочность и свариваемость). Такие элементы, как марганец, кремний, хром, молибден, ванадий и ниобий, значительно увеличивают прочность за счет укрепления твердого раствора, образования карбида или очистки зерна. Например, сталь Q345 (16Mn) прочнее стали Q235, и ключ лежит в содержании марганца.

Контроль примесей: Вредные примеси, такие как сера и фосфор, ослабляют силу склеивания границ зерен и обычно должны строго контролироваться.

Микроструктура:

Размер зерна: Рафинирование зерна является наиболее эффективным способом повышения прочности и ударной вязкости одновременно (в соответствии с отношениями Холл-Пейдж). Современные металлургические технологии (такие как контролируемая прокатка и контролируемое охлаждение TMCP) используют этот принцип для производства высокопрочных стальных труб.

Фазовый состав: феррит мягче, в то время как перлит (особенно цементит), бейнит и мартенсит имеют более высокую прочность. Высокопрочная организация может быть получена путем термообработки (например, закалки отпуска) или контролируемого процесса прокатки и контролируемого охлаждения.

Технология изготовления и обработки:

Холодная деятельность (холодная прокатка/волочение в холодном состоянии): Прочность выхода значительно улучшена твердеть работы (увеличенная плотность дислокации). Например, прочность холоднотянутых прецизионных бесшовных стальных труб намного выше, чем у горячекатаных. Однако, она должна быть замечена что холодная деятельность уменьшает пластичность и твердость, и может ввести влияние Баушингер (прочность выхода уменьшает во время последующей обратной загрузки).

Термическая обработка: Нормализация, закалка и другие процессы могут оптимизировать организацию и получить требуемую комбинацию прочности и ударной вязкости. Закалка и отпуск лечение является распространенным методом для производства высокопрочных стальных труб (например, Q690D для инженерных машин стрелы).

Сварка: зона термического влияния сварки подвергается сложным термическим циклам, что может привести к тому, что организация станет грубой или сформирует твердые и хрупкие организации (например, мартенсит), так что предел текучести этой области может быть выше или ниже, чем у исходного материала, сопровождается значительным снижением ударной вязкости, Что является слабым звеном в структуре.

Эффект размера (толщина стенки):

Для толстостенных стальных труб различия в скорости охлаждения во время прокатки или термообработки могут привести к неравномерной микроструктуре и свойствам в разных местах поперечного сечения (сердечник охлаждается медленно, а прочность может быть ниже поверхности). Различные требования к прочности выхода обычно определены в стандарте согласно ряду толщины стены.

Температура:

По мере повышения температуры атомная активность увеличивается, и предел текучести значительно снижается. Высокотемпературные среды (такие как котельные трубы и тепловые трубопроводы) должны учитывать высокотемпературный предел текучести материала (обычно называемый «точкой текучести» или указанной непропорциональной прочностью расширения RP0.2).

При низких температурах, некоторые стали могут пройти дуктильно-хрупкий переход, с небольшим изменением в прочности выхода, но режим разрушения может измениться от дуктильного к хрупкому, который увеличивает опасность драматически.

Скорость загрузки:

В общем, увеличение скорости загрузки немного увеличит предел текучести (эффект усиления скорости деформации), но эффект относительно мал в обычном инженерном анализе.