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夹杂物对不锈钢无缝钢管裂纹形成和变大的力学影响

来源:至德钢业 日期:2020-07-03 14:35:59 人气:345

 内外折是不锈钢无缝钢管生产过程中常见的缺陷,管坯中的夹杂物对上述缺陷的形成具有重要影响。浙江至德钢业有限公司采用有限元方法,分析含条形MnS夹杂物的16Mn钢受力后的应力、应变分布情况,以期得出夹杂物对不锈钢管内折的影响。分析认为:MnS夹杂物与基体的边界处存在应力、应变集中,而且夹杂物与基体的结合力又比较弱,导致裂纹形核在此处开始;裂纹尺寸越大,应力、应变越严重,裂纹扩展越快,越易达到扩展失稳的临界尺寸,从而形成内折缺陷;长条形夹杂物的端部存在较高的应力、应变集中,应严格控制长条形夹杂物的产生。


  在不锈钢无缝钢管生产过程中,内外折是最常见的缺陷,严重制约了产品质量的提高,增加了员工的修磨量和劳动强度。内外折本质上是金属变形过程中产生的撕裂。通过扫描电镜对裂纹的起裂点进行观察,发现金属裂纹形核的位置很多情况下存在夹杂物,裂纹形核如图所示。至德钢业采用有限元方法,分析16Mn钢受到力学负荷后,其夹杂物对内部应力、应变分布的影响。


一、材料化学成分及组织


 16Mn钢的化学成分见表,其组织为铁素体,铁素体晶粒尺寸为5.6~18.0μm,碳化物平均尺寸为0.46μm,其中含有条形MnS夹杂物。


二、有限元模型的建立


 16Mn钢中MnS夹杂物分布如图所示,以图所示L-S面MnS的分布为基础,建立二维平面应变有限元分析模型。


 如图所示,在存在夹杂物的地方取600μm×600μm的正方形胞元,在胞元中放了不同形状(圆形和长条形)、不同大小、不同方位的40多个夹杂物。但是为了减小边界的影响,等于模型总长1/8的边界不能放夹杂物。通过分区赋予的方式对不同区域赋予不同的材料属性,由于基体首先进入弹性变形,然后再进入塑性变形,基体被赋予弹塑性材料属性;MnS力学参数很难测定,而加载时,在低应变下其即可与基体剥离,自身保持为弹性,故对其赋予弹性体。在胞元的左右及上边界以位移方式加载。


三、结论


 在夹杂物与基体的边界和夹杂物的端部存在应力、应变集中,夹杂物与基体的结合力又比较弱,这里因此成为材料最薄弱的环节,而整个裂纹形核过程就是在此处开始的。不锈钢无缝钢管热轧变形很大,微裂纹形成后,沿夹杂物与基体边界扩展,最终形成比长条形夹杂物尺度略大的裂纹,而裂纹尺度越大,应力、应变集中越严重,裂纹扩展越快,越容易达到裂纹扩展失稳的临界尺寸,从而形成宏观裂纹即内折缺陷。钢通过钙化处理后,条形夹杂物变成了球形,减小了夹杂物的最大尺寸,应力、应变集中程度得以弱化,钢从而可以承受较大变形而不出现宏观裂纹即内折缺陷。


本文标签:不锈钢无缝钢管 

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