API X70-بررسی تجربی تأثیر متغیرهای نورد گرم بر دماهای بحرانی در فولاد لوله
API X70
بررسی تجربی تأثیر متغیرهای نورد گرم بر دماهای بحرانی در فولاد لوله انتقال گاز طبیعی نوع API X70
چکیده
دماهای بحرانی در فرآیندهای ترمومکانیکی، نقش تعیینکنندهای در کنترل ریزساختار نهایی و خواص مکانیکی فولادهای کمآلیاژ و پراستحکام ایفا میکنند. در تحقیق حاضر، از روش زمانبندی میانگین در آزمون پیچش گرم برای تعیین دماهای بحرانی عملیات ترمومکانیکی فولاد API X70 مورد استفاده قرار گرفت.
این فولاد که کاربردهای گستردهای در خطوط قطور و پرفشار انتقال گاز طبیعی و شبکههای انتقال نفت در ایران دارد. بهعنوان ماده پایه این پژوهش انتخاب گردید. دماهای بحرانی شامل دمای عدم وقوع تبلور مجدد (Tnr). و دماهای شروع و پایان استحاله آستنیت به فریت (Ar3 و Ar1) در شرایط مختلف تغییر شکل شامل نرخ کرنش. میزان کرنش و زمان میانمرحلهای نورد تعیین شدند.
نتایج نشان دادند که Tnr با افزایش کرنش کاهش مییابد، در حالیکه با افزایش نرخ کرنش از ۱/۰ به ۱ بر ثانیه، افزایش مییابد. همچنین، مشاهدات حاکی از آن بود که Tnr با کاهش زمان میانمرحلهای افزایش مییابد. مطابقت خوبی بین نتایج حاصل از روش زمانبندی میانگین با مقادیر بهدستآمده از روابط تجربی و دادههای آزمایشگاهی برای فولاد مشابه مشاهده گردید. با توجه به کمبود دادههای تجربی برای این گرید فولادی در داخل کشور. نتایج حاصل میتوانند در بومیسازی تولید این فولاد و بهینهسازی فرآیند نورد آن مورد استفاده قرار گیرند.
کلیدواژهها: تغییر شکل گرم، دمای عدم وقوع تبلور مجدد، آزمون پیچش گرم، فولاد خط لوله API X70، نورد کنترلشده ترمومکانیکی
۱. مقدمه
افزایش روزافزون تقاضا برای انتقال نفت و گاز از طریق خطوط لوله. توسعه فولادهای خط لوله تخصصی و مقرونبهصرفه با استحکام مکانیکی مورد بهبود، چقرمگی بالا. مقاومت به خوردگی مطلوب و قابلیت جوشپذیری مناسب را ضروری ساخته است. در این راستا، گرید X70 مؤسسه نفت آمریکا (API) یکی از پرکاربردترین فولادهای خط لوله محسوب میشود. تحقیقات بر روی این فولاد عمدتاً به منظور بهبود خواص مکانیکی از طریق بهینهسازی تاریخچه فرآیند ترمومکانیکی (TMP). و یا اصلاح ترکیب شیمیایی آن متمرکز گردید.
فرآیند ترمومکانیکی در فولادهای خط لوله معمولاً از دو مرحله اصلی نورد کنترلی (Controlled Rolling) و سرمایش سریع (Accelerated Cooling) تشکیل شده است. نورد کنترلشده خود در دو مرحله نورد خشن (Rough Rolling) و نورد پرداخت (Finish Rolling) انجام میشود. به منظور تعیین محدوده دمایی مناسب برای هر یک از این مراحل و کنترل ریزساختار و خواص مکانیکی نهایی. تعیین دقیق دماهای بحرانی فرآیند ترمومکانیکی از اهمیت ویژهای برخوردار است. مهمترین این دماها عبارتند از:
- دمای عدم وقوع تبلور مجدد (Tnr): کمترین دمایی که در آن پدیده تبلور مجدد استاتیکی (جایگزینی دانههای تغییرشکلیافته با دانههای بدون کرنش). در فولاد به طور کامل رخ میدهد. نورد در دماهای بالاتر از Tnr منجر به تشکیل دانههای هممحور درشتتر میشود. در حالیکه نورد در دماهای پایینتر از Tnr باعث ایجاد ساختار دانههای پنکیکشده و افزایش استحکام میگردد.
- دمای شروع استحاله آستنیت به فریت (Ar3): دمایی که در آن استحاله آستنیت به فریت در حین سرد شدن آغاز میشود.
- دمای پایان استحاله آستنیت به فریت (Ar1): دمایی که در آن استحاله آستنیت به فریت به پایان میرسد.
تحقیقات نشان داده است که نورد پرداخت در دماهای بالاتر از Tnr منجر به تشکیل دانههای بزرگ هممحور از بینیت فوقانی و بینیت دانهای میشود. که اگرچه بالاترین استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی را به همراه دارد. اما حساسیت به خوردگی تنشی (SCC) را نیز افزایش میدهد. از سوی دیگر، نورد پرداخت در دمای بالاتر از Ar3 همراه با تغییر شکل شدید در مرحله نورد خشن. کمترین حساسیت به SCC را ایجاد میکند و ریزساختاری عمدتاً متشکل از بینیت دانهای با بافت غالب {332}⟨113⟩ تولید میکند.
از آزمون پیچش گرم (Hot Torsion Test) با زمانبندی میانگین (Average Schedule) برای تعیین دماهای بحرانی استفاده میشود. در این روش، زمانبندی در هر گذر نورد (شامل کرنش، نرخ کرنش، زمان میانمرحلهای و سرعت سرمایش) ثابت فرض میشود. از نمودارهای تنش معادل-کرنش معادل بهدستآمده از این آزمون، تنش سیلان متوسط بر حسب عکس دمای هر یک از مراحل نورد شبیهسازیشده ترسیم شده. و دماهای بحرانی از طریق تفسیر تغییرات شیب منحنی تعیین میگردند.
در سالهای اخیر، پژوهشهای متعددی به بررسی تأثیر متغیرهای مختلف عملیات ترمومکانیکی بر رفتار تغییر شکل گرم و دماهای بحرانی فولادهای خط لوله پرداختهاند. بهعنوان مثال، تأثیر عناصر تیتانیوم و نیتروژن بر دماهای بحرانی و اندازه دانه آستنیت اولیه. و همچنین تأثیر کرنش مؤثر، نرخ کرنش و زمان میانمرحلهای نورد بر رفتار کار گرم. و دماهای بحرانی فولادهای ترمومکانیکی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، مدلسازی عددی و استفاده از الگوریتمهای ژنتیک برای پیشبینی رفتار جریان گرم فولاد API X70 با دقت بالایی انجام شده است.
در تحقیق حاضر، از روش زمانبندی میانگین برای تعیین دماهای بحرانی در عملیات ترمومکانیکی فولاد API X70 استفاده شده است. تأثیر پارامترهای مختلف تغییر شکل شامل نرخ کرنش، میزان کرنش و زمان میانمرحلهای نورد بر دمای بحرانی Tnr مورد بررسی قرار گرفت. و نتایج با روابط تجربی موجود مقایسه شده است.
۲. مواد و روشهای تحقیق
۲.۱. ترکیب شیمیایی فولاد مورد مطالعه
ترکیب شیمیایی فولاد API X70 مورد استفاده در تحقیق حاضر در جدول (۱) ارائه شده است. این فولاد یک فولاد کمآلیاژ و پراستحکام (HSLA) با مقادیر کنترلشده از عناصر میکروآلیاژی مانند نیوبیوم (Nb) و تیتانیوم (Ti) است. که نقش کلیدی در کنترل اندازه دانه و افزایش استحکام از طریق تشکیل رسوبات ریز کاربید و نیترید ایفا میکنند.
| عنصر | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Nb | V | Ti | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| درصد وزنی | ۰.۰۵ | ۰.۳۲ | ۱.۵۲ | ۰.۰۱۵ | ۰.۰۰۴ | ۰.۰۳ | ۰.۲۵ | ۰.۲۱ | ۰.۰۶ | ۰.۰۳۵ | ۰.۰۱۸ | ۰.۰۰۵ |
۲.۲. تجهیزات آزمون پیچش گرم
آزمایشهای پیچش گرم در آزمایشگاه کار گرم دانشگاه مکگیل کانادا انجام شد. دستگاه پیچش گرم مورد استفاده به کامپیوتر مجهز بوده و بر روی بستر یک دستگاه تراش سوار شده بود. گشتاور مورد نیاز توسط یک موتور هیدرولیک با قابلیت اعمال گشتاور حداکثر ۱۰۰ نیوتنمتر با سرعتهای مختلف تا ۶۲۸ دور بر دقیقه تأمین میشد. از نرمافزار TestStar™ برای کنترل موتور هیدرولیکی استفاده گردید. بار اعمالی توسط یک گشتاورسنج و مقدار پیچش توسط یک مبدل دورانی اندازهگیری میشد. گرمایش نمونهها توسط یک کوره تابشی با قابلیت گرمایش تا دمای ۱۴۰۰ درجه سلسیوس تأمین میگردید. یک دماسنج به مرکز قطعه کار متصل شده بود تا تغییرات دما در حین انجام عملیات ترمومکانیکی بهطور دقیق کنترل شود.
شکل و ابعاد نمونه پیچش گرم در شکل (۱) و زمانبندی میانگین مورد استفاده برای تعیین دماهای بحرانی در شکل (۲) نشان داده شده است.
۲.۳. زمانبندی آزمونها
همانطور که در شکل (۲) مشاهده میشود، نمونهها ابتدا به منظور آستنیتی شدن و کسب اطمینان از انحلال کامل کاربیدها و نیتریدهای نیوبیوم. در دمای ۱۲۰۰ درجه سلسیوس به مدت ۲۰ دقیقه نگهداری شدند و سپس تا دمای ۱۱۵۰ درجه سلسیوس سرد شدند. در ادامه، زمانبندی میانگین در ۲۱ گذر و چهار حالت مختلف (مشخصات در جدول ۲) به اجرا گذاشته شد. به منظور کسب اطمینان از بهدستآوردن هر سه دمای بحرانی، آخرین گذر تغییر شکل در دمای ۵۵۰ درجه سلسیوس انجام شد.
جدول ۲: مشخصات آزمونهای پیچش گرم انجامشده
| شماره آزمون | کرنش (ε) | نرخ کرنش (s⁻¹) | زمان میانمرحلهای (s) |
|---|---|---|---|
| ۱ | ۰.۲ | ۱ | ۳۰ |
| ۲ | ۰.۲ | ۰.۱ | ۳۰ |
| ۳ | ۰.۲ | ۱ | ۶۰ |
| ۴ | ۰.۵ | ۱ | ۳۰ |
همانطور که در جدول (۲) مشاهده میشود، آزمونها در کرنشهای ۰.۲ و ۰.۵، نرخ کرنشهای ۱ و ۰.۱ بر ثانیه. و زمانهای میانمرحلهای ۳۰ و ۶۰ ثانیه انجام شدهاند. به منظور بررسی تأثیر هر یک از پارامترها بر دماهای بحرانی. بهترتیب آزمونهای ۱ و ۴ (تأثیر کرنش)، آزمونهای ۱ و ۲ (تأثیر نرخ کرنش). و آزمونهای ۱ و ۳ (تأثیر زمان میانمرحلهای) با یکدیگر مقایسه شدند.
۲.۴. محاسبات تنش و کرنش معادل
پس از انجام آزمون، مقادیر تنش و کرنش معادل برای هر گذر با استفاده از روابط (۱) و (۲) محاسبه شدند:
$$ \epsilon_{eq} = \frac{2\pi \phi r}{\sqrt{3} L} \quad \text{(رابطه ۱)} $$
$$ \sigma_{eq} = \frac{\sqrt{3} T}{2\pi r^3} (3 + m + n) \quad \text{(رابطه ۲)} $$
در این روابط، ( \epsilon_{eq} ) و ( \sigma_{eq} ) بهترتیب کرنش و تنش معادل، ( T ). گشتاور اندازهگیریشده توسط گشتاورسنج، ( \phi ) زاویه پیچش اندازهگیریشده توسط مبدل دورانی، ( L ) و ( r ) بهترتیب طول و قطر نمونه آزمون (۲۲.۲۲۵ میلیمتر و ۶.۳۵ میلیمتر). و ( m ) و ( n ) ثابتهای آزمون (بهترتیب ۰.۱۷ و ۰.۱۳) میباشند.
۲.۵. محاسبه تنش سیلان متوسط
تنش سیلان متوسط (( \sigma_{av} )) در هر گذر از رابطه (۳) محاسبه شد:
$$ \sigma_{av} = \frac{\int_{\epsilon_b}^{\epsilon_a} \sigma , d\epsilon}{\epsilon_a – \epsilon_b} \quad \text{(رابطه ۳)} $$
در این رابطه، ( \epsilon_b ) و ( \epsilon_a ) بهترتیب کرنش در شروع و پایان هر گذر نورد هستند. مقدار انتگرال با محاسبه عددی مساحت زیر نمودار تنش-کرنش با استفاده از رابطه (۴) تخمین زده شد.
۳. نتایج و بحث
همانگونه که در مقدمه بیان شد، برای تعیین دماهای بحرانی از آزمون پیچش گرم با زمانبندی میانگین بکارگیری گردید. در این روش، زمانبندی در هر گذر نورد (معادل با هر مرحله پیچش گرم) شامل کرنش. نرخ کرنش، زمان میانمرحلهای و سرعت سرمایش ثابت مدنظر قرار گرفت. نمونهای از نمودارهای تنش-کرنش بهدستآمده با استفاده از این روش در شکل (۳) (مربوط به آزمون ۳) نمایان و مشخص است.
شکل (۴) نمودار تنش سیلان متوسط بر حسب معکوس دمای مطلق را برای آزمون ۱ نشان میدهد. مطابق با نتایج در شکل (۴)، تغییرات تنش سیلان متوسط نسبت به ( ۱۰۰۰/T ) را میتوان به چهار ناحیه تقسیم کرد:
- ناحیه ۱: افزایش تنش با کاهش دما قابل مشاهده است.
- ناحیه ۲: با کاهش دما، تنشها افزایش مییابند، اما شیب تغییرات نسبت به ( ۱۰۰۰/T ) در این ناحیه (دماهای پایینتر از Tnr) بیشتر است. از نظر متالورژیکی، در دماهای بالاتر از Tnr و در زمانهای میانمرحلهای، تبلور مجدد استاتیکی رخ میدهد که منجر به کارنرمی (کارنرمی) میشود. در دماهای پایینتر از Tnr، با تشکیل رسوبات، مرزهای دانههای آستنیت قفل شده و از کارنرمی ناشی از تبلور مجدد استاتیکی جلوگیری میشود.
- ناحیه ۳: کاهش تنش با کاهش دما، با استحاله آستنیت به فریت مربوط میشود.
- ناحیه ۴: افزایش تنش با کاهش دما نشان میدهد که استحاله پایان یافته و کارسختی فاز جدید شروع شده است.
بنابراین، مرز بین نواحی ۱ و ۲ نشاندهنده دمای Tnr، مرز بین نواحی ۲ و ۳ نشاندهنده دمای Ar3. و مرز بین نواحی ۳ و ۴ نشاندهنده دمای Ar1 میباشد.
۳.۱. تأثیر کرنش بر دماهای بحرانی
به منظور بررسی تأثیر تغییر شکل بر دماهای بحرانی، نمودارهای تنش سیلان متوسط بر حسب معکوس دمای مطلق. برای نمونههای مورد آزمایش با کرنشهای ۰.۲ و ۰.۵ در شکل (۵) نمایان و مشخص است. برای این آزمونها، نرخ کرنش ۱ بر ثانیه و زمان میانمرحلهای ۳۰ ثانیه ثابت نگه داشته شده است.
در شکل (۵) میتوان مشاهده کرد که تنش سیلان متوسط با افزایش کرنش کاهش مییابد. و تغییر شیب آن (زمانی که کرنش کاهش مییابد) در دماهای بالاتری اتفاق میافتد. این رفتار نشان میدهد که Tnr با افزایش کرنش کاهش مییابد. شکل (۶) وابستگی Tnr به کرنش گذر را برای فولاد مورد مطالعه نشان میدهد. این وابستگی معمولاً با رابطه توانی به شکل زیر تشریح میشود:
$$ T_{nr} \propto \epsilon^{-n} \quad \text{(رابطه ۵)} $$
کاهش Tnr با افزایش کرنش در هر گذر را میتوان به عوامل زیر نسبت داد:
۱. ریز شدن دانه: با افزایش کرنش گذر، دانههای ریزتری به وسیله تبلور مجدد استاتیکی تولید میشوند. این ساختارهای ریزتر به عنوان مناطق جوانهزنی بیشتر برای تبلور مجدد بعدی و نرمشدگی سریعتر عمل میکنند.
۲. افزایش چگالی نابجاییها: با افزایش کرنش، چگالی نابجاییها بیشترمیشود و سرعت تبلور مجدد نیز افزایش مییابد. با ثابت ماندن زمان میانمرحلهای، این امکان برای تبلور مجدد فراهم میشود تا در دماهای پایینتری کامل شود.
۳. درشت شدن رسوبات: با افزایش کرنش گذر، چگالی نابجاییها افزایش مییابد و این امر باعث درشتشدگی سریعتر رسوبات میشود. ذرات درشت رسوب، تأثیر بهتأخیرانداختگی تبلور مجدد را از دست میدهند و اجازه میدهند تبلور مجدد تا دماهای پایینتر ادامه یابد.
۳.۲. تأثیر نرخ کرنش بر دماهای بحرانی
نمودار تنش سیلان متوسط بر حسب ( ۱۰۰۰/T ) در شکل (۷) نمایان و مشخص است. برای این آزمونها، کرنش ۰.۲ و زمان میانمرحلهای ۳۰ ثانیه ثابت نگه داشته شده و تنها نرخ کرنش تغییر کرده است.
در شکل (۷) مشاهده میشود که تنش سیلان متوسط با افزایش نرخ کرنش افزایش مییابد. علت این رفتار آن است که میزان وقوع ترمیم ناشی از بازیابی دینامیکی با افزایش نرخ کرنش کاهش مییابد. در نرخهای کرنش کمتر، زمان تغییر شکل طولانیتر است و این امر باعث وقوع ترمیم بیشتر میشود. بهعنوان مثال، در نرخ کرنش ۰.۱ بر ثانیه، زمان تغییر شکل برای نیل به کرنش ۰.۲ برابر با ۲ ثانیه است. که برای ترمیم دینامیکی قابلتوجه کافی است. بنابراین، تنش سیلان متوسط نسبتاً کمی ایجاد میشود. در مقابل، در نرخ کرنش ۱ بر ثانیه، زمان تغییر شکل ۰.۲ ثانیه است. که ترمیم را کمینه کرده و باعث ایجاد تنش سیلان متوسط بیشتر میشود.
نتایج نشان میدهند که Tnr با افزایش نرخ کرنش از ۰.۱ به ۱ بر ثانیه افزایش مییابد. این رفتار برخلاف انتظار اولیه است، زیرا آستنیت شکلگرفته در نرخ کرنش بالاتر که تحت کرنش بیشتری قرار گرفت. و کمتر ترمیم گردید، نیروی محرکه بیشتری برای تبلور مجدد استاتیکی دارد. با این حال، در کرنشهای کوچک، تأخیر نرخ کرنش بر Tnr بسیار ناچیز بوده و حتی میتواند معکوس شود.
در حالت کلی، در نبود رسوبات ناشی از کرنش، افزایش نرخ تغییر شکل. باعث کاهش زمان نهفتگی تبلور مجدد و افزایش نرخ تبلور مجدد در ادامه میشود. این رفتار به دلیل افزایش چگالی نابجاییها و کاهش اندازه زیردانهها میباشد. که به همراه افزایش نرخ کرنش، نیروی محرکه برای انجام تبلور مجدد را افزایش میدهند. در محدوده دمایی که رسوبات ناشی از کرنش به احتمال زیاد تشکیل میشوند. نهتنها تبلور مجدد، بلکه تشکیل رسوبات نیز در نرخهای کرنش بالا شتاب میگیرد. میتوان گفت که تأثیر متقابلی بین این دو پدیده وجود دارد. در کرنشهای بالا، سرعت تبلور مجدد بیش از سرعت تشکیل رسوبات است و این امر باعث کاهش Tnr میشود. در کرنشهای کم، سرعت تشکیل رسوبات بیش از سرعت تبلور مجدد بوده و این امر باعث افزایش Tnr میگردد.
۳.۳. تأثیر زمان میانمرحلهای بر دماهای بحرانی
نمودار تنش سیلان متوسط بر حسب ( ۱۰۰۰/T ) برای فولاد مورد مطالعه در این تحقیق در شکل (۸) نمایان و مشخص است. برای آزمونهای نشاندادهشده در این شکل، کرنش ۰.۲ و نرخ کرنش ۱ بر ثانیه ثابت نگه داشته شده و زمان میانمرحلهای تغییر کرده است.
در شکل (۸) میتوان مشاهده کرد که در دماهای بالای Tnr به دلیل تبلور مجدد کامل و عدم استحکامبخشی رسوبی. زمان میانمرحلهای تأثیر زیادی بر تنش سیلان متوسط ندارد و نمودارهای تنش سیلان متوسط در این بخش بسیار به یکدیگر نزدیک هستند. که در این حالت، تنش سیلان متوسط تنها تابعی از دماست. و در دماهای پایینتر از Tnr، رسوبگذاری صورت میگیرد. بنابراین، افزایش تنش سیلان متوسط نهتنها به دلیل کاهش دما، بلکه به دلیل استحکامبخشی رسوبی نیز میباشد.
در زمانهای میانمرحلهای کوتاه که تشکیل رسوب در مراحل اولیه تغییر شکل چندمرحلهای امکانپذیر نیست، تنها ناخالصیهای موجود باعث تأخیر تبلور مجدد میشوند. در این حالت، تبلور مجدد با افزایش زمان میانمرحلهای افزایش یافت و به این ترتیب، Tnr کاهش مییابد. مادامی که افزایش زمان میانمرحلهای منجر به تشکیل رسوب نشود، Tnr کاهش خواهد یافت.
با افزایش زمان میانمرحلهای، کاهش سرعت تبلور مجدد که عمدتاً به دلیل تشکیل رسوبات میباشد، بیشتر رخ میدهد و این امر باعث افزایش Tnr میشود. به تدریج با افزایش بیشتر زمانهای میانمرحلهای، Tnr به دلیل درشت شدن رسوبات. و تضعیف اثر آنها در کند کردن تبلور مجدد، مجدداً شروع به کاهش میکند.
۳.۴. مقایسه نتایج با روابط تجربی
براتو و همکاران با استفاده از تحلیل رگرسیون، رابطه (۶) را بین Tnr و ترکیب شیمیایی بهدست آوردهاند:
$$ T_{nr}(°C) = -273 + 54C + 19Mn + 52Nb + 42V + 22Ti + 23Mo + 16Cr + 9Ni \quad \text{(رابطه ۶)} $$
اوچی و همکاران نیز رابطه (۷) را بین دمای بحرانی Ar3 و ترکیب شیمیایی ارائه دادهاند:
$$ Ar_3(°C) = 910 – 310C – 80Mn – 20Cu – 15Cr – 80Mo \quad \text{(رابطه ۷)} $$
مقادیر مورد حاصل با استفاده از روابط (۶) و (۷) و مقادیر حاصل از روش زمانبندی میانگین در جدول (۳) نمایان و مشخص است. بر اساس بررسیهای انجامشده، رابطه مشخصی تاکنون بین Ar1 و ترکیب شیمیایی گزارش نشده است.
جدول ۳: مقایسه دماهای بحرانی (بر حسب درجه سلسیوس) بهدستآمده از روش زمانبندی میانگین و روابط تجربی
| آزمون | Tnr (آزمون) | Tnr (رابطه ۶) | Ar3 (آزمون) | Ar3 (رابطه ۷) |
|---|---|---|---|---|
| ۱ | ۹۹۸ | ۹۳۹ | ۷۰۵ | ۶۹۵ |
| ۲ | ۱۰۱۵ | ۹۳۹ | ۷۲۳ | ۶۹۵ |
| ۳ | ۹۷۰ | ۹۳۹ | ۷۴۷ | ۶۹۵ |
| ۴ | ۷۸۱ | ۹۳۹ | ۶۶۷ | ۶۹۵ |
همانطور که در جدول (۳) مشاهده میشود، کمترین و بیشترین دمای Tnr بهترتیب برای آزمونهای ۴ (۷۸۱ درجه سلسیوس). و ۱ (۹۹۸ درجه سلسیوس) و کمترین و بیشترین دمای Ar3 بهترتیب برای آزمونهای ۴ (۶۶۷ درجه سلسیوس). و ۳ (۷۴۷ درجه سلسیوس) بهدست آمده است.
مطابقت خوبی بین مقادیر Ar3 حاصل از آزمون پیچش گرم (آزمون ۱) با مقادیر بهدستآمده از رابطه اوچی وجود دارد (کمتر از ۳ درصد اختلاف). این مطابقت، بهویژه زمانی که زمان میانمرحلهای افزایش مییابد (آزمون ۳)، بیشتر شده است. همچنین، مطابقت بهتری بین مقادیر Tnr حاصل از آزمون پیچش با مقادیر حاصل از رابطه براتو. در آزمونهای اول تا سوم (برای کرنشهای کمتر) مشاهده میشود (حدود ۶ درصد اختلاف).
نتایج حاصل با مقادیر بهدستآمده برای فولاد API X70 در تحقیقات مشابه نیز همخوانی دارد. در تحقیقی دیگر، دمای Tnr برابر با ۹۷۵ درجه سلسیوس (۰.۷ درصد اختلاف با آزمون اول). و محدوده دمای Ar3 بین ۷۷۵ تا ۸۰۰ درجه سلسیوس. (اختلاف ۵ تا ۸ درصدی با آزمون اول) گزارش شده است. بزرگتر بودن دماهای بحرانی برای فولاد مورد نظر در آن تحقیق نسبت به فولاد مورد مطالعه. در این پژوهش را میتوان به کمتر بودن مقدار منگنز در آن (۱.۲ درصد در مقایسه با ۱.۵ درصد) نسبت داد.
۴. نتیجهگیری
در این تحقیق، دماهای بحرانی برای فولاد خط لوله از نوع API X70. به وسیله آزمون پیچش گرم در شرایط مختلف تغییر شکل (شامل نرخ کرنش، میزان کرنش و زمان میانمرحلهای نورد). تعیین و تأثیر هر یک از این عوامل بر دماهای بحرانی بررسی شد. نتایج بهدستآمده به شکل زیر خلاصه میشوند:
نخست، تنش سیلان متوسط با افزایش کرنش کاهش مییابد و تغییر شیب آن با کاهش کرنش در دماهای بالاتر اتفاق میافتد. این رفتار نشان میدهد که Tnr با افزایش کرنش کاهش مییابد. این کاهش را میتوان به ریز شدن دانهها، افزایش چگالی نابجاییها و درشتشدن رسوبات در اثر افزایش کرنش نسبت داد.
دوم، برخلاف انتظار اولیه، نتایج نشان دادند که Tnr با افزایش نرخ کرنش از ۰.۱ بر ثانیه به ۱ بر ثانیه افزایش مییابد. بنابراین، میتوان نتیجه گرفت که در کرنشهای کوچک، تأثیر نرخ کرنش بر Tnr بسیار ناچیز است و حتی میتواند معکوس شود. این رفتار به تأثیر متقابل بین سرعت تبلور مجدد و سرعت تشکیل رسوبات در نرخهای کرنش مختلف مربوط میشود.
سوم، در صورتی که زمانهای میانمرحلهای طولانی باشد، در دماهای بالای Tnr به دلیل تبلور مجدد کامل و عدم استحکامبخشی رسوبی. زمان میانمرحلهای تأثیر زیادی بر تنش سیلان متوسط نمیگذارد. در این حالت، تنش سیلان متوسط تنها تابعی از دماست. از طرف دیگر، به دلیل افزایش میزان تبلور مجدد با افزایش زمان میانمرحلهای، Tnr کاهش مییابد. با افزایش بیشتر زمان میانمرحلهای، تشکیل رسوبات باعث افزایش Tnr شده و در نهایت درشتشدن رسوبات مجدداً منجر به کاهش Tnr میشود.
چهارم، مطابقت خوبی بین مقادیر Ar3 حاصل از آزمون پیچش با مقادیر بهدستآمده از روابط تجربی وجود داشت (کمتر از ۳ درصد اختلاف). همچنین، مطابقت قابلقبولی بین مقادیر Tnr حاصل از آزمون با روابط تجربی (حدود ۶ درصد اختلاف) مشاهده گردید. که نشاندهنده قابلیت اطمینان روش زمانبندی میانگین در تعیین دماهای بحرانی فولاد API X70 میباشد.
پنجم، با توجه به کمبود دادههای تجربی برای فولاد API X70 در داخل کشور. و اهمیت استراتژیک این فولاد در خطوط انتقال گاز طبیعی، نتایج حاصل از این تحقیق میتوانند بهعنوان دادههای پایه برای بومیسازی تولید این فولاد. بهینهسازی پارامترهای نورد و دستیابی به ریزساختار و خواص مکانیکی مطلوب مورد استفاده قرار گیرند.
منابع و مآخذ
M. Nakhaei, M. Rakhshkhorshid, S.H. Hashemi. Experimental Study of the Effect of Hot Rolling Parameters on Critical Temperatures for API X70 Pipeline Steel. Journal of Mechanical Engineering, Vol. 20, No. 1, 2020. [متن مرجع اصلی تحقیق، شامل ترکیب شیمیایی، روشهای آزمایش، نتایج و تحلیلهای انجامشده]
M. Nakhaei, M. Rakhshkhorshid, S.H. Hashemi. بررسی تجربی تأثیر متغیرهای نورد گرم بر دماهای بحرانی در فولاد لوله انتقال گاز طبیعی نوع X70. سامانه اطلاعات علمی (SID). [ترجمه فارسی مقاله مرجع، شامل چکیده، مقدمه و نتایج اصلی]
M.R. Akbarpour, A. Ekrami. Effect of ferrite volume fraction on work hardening behavior of high bainite dual phase (DP) steels. Materials Science and Engineering A, Vol. 477, 2008, pp. 306-310. [مرجع علمی معتبر در زمینه رفتار کارسختی فولادهای دوفازی]
N. Saeidi, A. Ekrami. Effect of intercritical temperature on mechanical properties of dual phase steels. Materials Science and Engineering A, Vol. 523, 2009, pp. 125-129. [مرجع علمی در زمینه تأثیر دمای بینبحرانی بر خواص مکانیکی فولادهای دوفازی]
B. Mirzakhani. Modeling of steady state hot flow behavior of API-X70 microalloyed steel using genetic algorithm and design of experiments. Applied Soft Computing, Vol. 52, March 2017, pp. 471-477. [مدلسازی رفتار جریان گرم فولاد API-X70 با استفاده از الگوریتم ژنتیک]
M.R. Akbarpour, A. Ekrami. Effect of intercritical temperature on mechanical properties of dual phase steels. Materials Science and Engineering A, Vol. 523, 2009. [مرجع علمی در زمینه خواص مکانیکی فولادهای دوفازی]
Effect of TMCP rolling schedules on the microstructure and performance of X70 steel. Elsevier, 2021. [تأثیر برنامههای نورد TMCP بر ریزساختار و عملکرد فولاد X70]
The effect of processing parameters on the dynamic recrystallisation behaviour of API-X70 pipeline steel. Materials Science and Engineering A, 2013. [تأثیر پارامترهای فرآیند بر رفتار تبلور مجدد دینامیکی فولاد API-X70]
Investigation of Dynamic and Static Recrystallization Behavior During Thermomechanical Processing in a API-X70 Microalloyed Steel. Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 18, 2009, pp. 1029-1034. [بررسی رفتار تبلور مجدد دینامیکی و استاتیکی در فرآیند ترمومکانیکی فولاد میکروآلیاژی API-X70]