بخشی از مقاله
مقدمه
فولادهاي میکروآلیاژي یا به عبـارت دیگـر فولادهـاي
استحکام بالاي کم آلیاژي (HSLA) در طـی نـیم قـرن گذشــته گســترش یافتــهانــد و بــه طــور گســترده در
کاربردهایی نظیر کشتی سازي و ساخت لوله هاي قطور
خطوط انتقال نفت و گاز به کار میروند. ایـن فولادهـا اصولاً همان فولادهاي کربن- منگنـزي هسـتند کـه بـا
افزودن مقادیر کم عناصر میکروآلیاژي، اسـتحکام آنهـا
افزوده شده اسـت .[1,2] مشخصـات آن دسـته از ایـن فولادها که در ساخت لوله هاي انتقال گاز و نفت مـورد
استفاده قرار مـیگیرنـد توسـط مؤسسـه نفـت آمریکـا
(American Petroleum Institute (API))، اسـتاندارد شده است .[3] مقاومت تسلیم بالا، ازدیاد طـول نسـبی بالا، قابلیت جوش پذیري بالا و چقرمگی بالا و دمـاي انتقال شکست نرم به شکست ترد پایین از ویژگیهـاي اصلی این فولادها است .[3,4] ریزساختار این فولادهـا ممکن است فریت-پرلیتی یـا فریـت سـوزنی-بـاینیتی باشد که ساختار اخیر به دلیل ترکیب بهتـر اسـتحکام و چقرمگی ارجحیت دارد .[5-7] در این فولادها دستیابی به ریزساختار و خواص مکـانیکی مطلـوب بـا ترکیـب مناسب عناصر میکروآلیـاژي و عملیـات ترمومکـانیکی میسر است .[8-10] موفقیت فرآینـد و ترکیـب صـحیح عناصر در نظر گرفته شده را می توان با آنـالیز شـیمیایی
(قابلیت جوش پذیري)، انجام آزمون کشش (اسـتحکام و ازدیاد طول نسبی) و انجام آزمـون ضـربه شـارپی و
آزمون وزنه سقوطی مطابق استاندارد API 5L ارزیـابی کرد .[3,4]
در این فولادها به منظور بهبود قابلیت جوشکاري،
درصد کربن، معمولاً پایین نگه داشته می شود (کمتـر از
0/1 درصـد وزنـی) و اثـر کـاهش اسـتحکام ناشـی از
کاهش کربن با افزودن منگنز (معمولاً بـین 1/4 تـا 1/9
درصد وزنـی) و مقـادیر جزیـی عناصـر میکروآلیـاژي نظیــر Nb، Ti، V و Al جبــران مــیشــود. عناصــر میکروآلیاژي با ریز دانه کردن فولاد منجـر بـه افـزایش
همزمــان اســتحکام و چقرمگــی مــیشــوند .[1,2,11]
عملیات ترمومکانیکی، شامل نورد کنترل شـده و سـرد کردن سریع میباشد. نورد کنتـرل شـده در دو مرحلـه
نورد خشن و نورد پرداخت انجام میشود. نورد خشـن
(اولیه)، در دمایی بالاتر از دماي عدم تبلور مجدد انجام میگیرد که هدف از این مرحله دستیابی به ریزسـاختار
ریزدانهاي از آستنیت تبلـور مجـدد یافتـه اسـت. نـورد
پرداخت (نورد نهایی) در دمایی زیر دماي عـدم تبلـور مجدد (TNR) و بـالاي Ar3 (دمـاي شـروع تبـدیل فـاز
آستنیت به فریت) انجام میگیرد تا ریزساختار آسـتنیت
کشــیده شــده (Pancaked) بــهدســت آیــد. در ایــن ریزساختار با افزایش نسبت مرز به حجم دانه و تشکیل
باندهاي تغییر شـکل، مکـانهـاي جوانـه زنـی فریـت
افزایش یافتـه و امکـان ریـز دانـه شـدن فـولاد فـراهم می شود. با سرد کردن سریع از بالاي خط Ar3 تا دمـاي
کلاف پیچی بر مقدار ریزدانـه شـدن افـزوده مـی شـود
.[1,11,12]
عناصر میکروآلیاژي Nb)، Al، V و (Ti، با تشکیل کاربیــدها، نیتریــدها و کربونیتریــدها از رشــد بیشــتر
دانههاي آستینیت پایدار در طی گـرم کـردن مجـدد تـا
شروع نورد جلوگیري میکنند. مخصوصاً TiN تا دماي حدود 1200 درجه سانتیگراد باقی میمانـد و از رشـد
دانههاي آستنیت تبلور مجدد یافته در طـی نـورد اولیـه
جلوگیري میکند. همچنین ایـن عناصـر بـا بـالا بـردن دماي TNR، محدوده تشـکیل آسـتنیت کشـیده شـده را افـزایش داده امکـان ریزدانـه شـدن فـولاد را افـزایش می دهند. با بالا رفـتن دمـاي TNR، امکـان انجـام نـورد نهایی در دماهـاي بـالاتر و نیروهـاي پـایینتـر فـراهم میآید. Nb بیشترین تأثیر را در بـالا بـردن دمـاي TNR
دارد و عناصر Ti، Al و V به ترتیب در رتبههاي دوم تا چهارم قرار دارند. هـمچنـین عناصـر میکروآلیـاژي بـا تشکیل رسوبات ریز در طی عبورهاي نهایی نـورد (در
دماي پایین) و در هنگام سرد کردن، منجر بـه افـزایش استحکام فولاد می شوند. این مسأله مخصوصاً در مـورد
48
(α+γ)
سیدحجت هاشمی- مسعود رخش خورشید سال بیست و سوم، شماره دو، 1391
وانادیوم صادق اسـت، زیـرا در دمـاي بـالاتر از 1000
درجه سانتی گراد کاملاً به صورت محلول جامد است و
در هنگام سرد کردن، مجدد رسوب میکند .[1]
در تحقیق انجـام شـده توسـط بکـالاقلـو [7] اثـر
پارامترهاي فرآینـد، نظیـر دمـاي نـورد نهـایی، کـاهش ضخامت، زمان بین مراحل نورد، زمان و سـرعت سـرد
شدن، بر ریزسـاختار و خـواص مکـانیکی (اسـتحکام،
ازدیاد طول نسـبی و چقرمگـی ضـربه) فـولاد HSLA
گرید X52 مورد مطالعه قرار گرفته و به منظـور بهبـود
خواص استحکام و چقرمگی ایـن فـولاد نـورد کنتـرل
شده در ناحیه دو فازي پیشنهاد شده اسـت. ژاو
و همکاران [13] اثر پارامترهاي نـورد کنتـرل شـده بـر خواص مکانیکی و ریزسـاختار یـک فـولاد خـط لولـه تجاري با ترکیب شیمیایی ثابت را مـورد بررسـی قـرار داده و معادلات رگرسیونی زیر را براي تعیـین خـواص مکـانیکی (اسـتحکام و ازدیـاد طـول نسـبی) پیشـنهاد کردهاند:
− 0.231Tf − = 0.508Ts (استحکام تسلیم) YS
(1) 0.334Tc + 1.905Vc + 323.6
= − 0.002Ts − 0.064Tf − (ازدیاد طول نسبی) EL
0.086Tc + 0.325Vc + 121.8 (2)
که در روابط فوق Ts، Tf، Tc و Vc به ترتیب دماي
شروع نورد، دماي پایان نورد، دماي سرد کـردن نهـایی
(دماي کلاف پیچـی) برحسـب درجـه سـانتی گـراد و
سرعت سرد کردن (درجه سانتی گراد بر ثانیه) از دماي
نورد نهایی به دماي کلاف پیچی میباشـند. در مطالعـه انجام شده توسط زیاو و همکـاران [14]، رفتـار تغییـر
شکل گرم و همچنین تأثیر آن بر انتقال فاز فـولاد خـط لوله فریت سوزنی با ترکیب شیمیایی ثابـت مطـابق بـا
گرید تجاري API X60 مورد بررسی قرار گرفتـه و بـر
مبنــاي ایــن مطالعــات پارامترهــاي بهینــه عملیــات ترمومکانیکال (TMCP) طراحی شده است. عـلاوه بـر
این، آزمون نورد بـر روي دسـتگاه نـورد آزمایشـگاهی
انجــام و نشــان داده شــده اســت بــا کنتــرل مناســب پارامترهاي فرآیند تولید TMCP، میتـوان بـه مقاومـت
بالا و چقرمگی عالی دست یافت.
بــه منظــور دســتیابی بــه ریزســاختار و خــواص مکــانیکی مطلــوب (اســتحکام، چقرمگــی و قابلیــت
جوشکاري) در تولید فولادها به دانش وسیعی در مورد
پارامترهاي فرآیند نیاز اسـت. قطعـاً طراحـی فرآینـد و طراحی آلیاژ براي تهیه فولاد پیچیـده بـوده و بـه درك
عمیقی از مفـاهیم متـالورژیکی در هـر یـک از مراحـل
تولید وابسـته اسـت. اخیـراً از سیسـتمهـاي یـادگیري
هوشمند نظیر شبکههاي عصبی براي پیش بینی خـواص مکانیکی فولادهاي گوناگون بـه منظـور تهیـه آلیـاژ یـا
طراحی مسیر فرآیند اسـتفاده شـده اسـت .[15-18] در
تحقیق انجام شده توسط کال و همکاران [19]، با انجام آزمونهـاي نـورد بـر روي فـولادي بـا گریـد تجـاري
API X65 با پنج ترکیب شـیمیایی مختلـف از شـبکه
عصبی رگرسیون تعمیم یافتـه بـراي پـیشبینـی انـرژي ضربه به عنوان تابعی از پارامترهاي متالورژیکی و نورد
استفاده شده است.
در تحقیق حاضر از یک شـبکه عصـبی پیشـرو بـا الگوریتم پس انتشار خطا براي پـیش بینـی اثـر ترکیـب شیمیایی بر خواص مکانیکی (مقاومت تسلیم، مقاومـت
کششی و ازدیاد طول نسبی نسبی) فولاد میکروآلیـاژي
گرید API X65 استفاده شده است. این فولاد بـه طـور
گسترده در خطوط انتقال گاز ایران به شکل لولـه هـاي فولادي با ضخامت بالا، مورد استفاده قرار می گیـرد. بـا
توجه به عملکرد دقیق شبکه عصبی آموزش داده شـده
از آن براي بررسی کمی اثر نیکل، عناصر میکروآلیـاژي
(نیوبیـوم، تیتـانیوم، وانـادیوم و آلومینیـوم) و مـس بـر مقاومت تسلیم، مقاومت کششی و ازدیـاد طـول نسـبی
استفاده شده است.
49
نشریه علوم کاربردي و محاسباتی در مکانیک بررسی اثر ترکیب شیمیایی بر خواص مکانیکی فولاد...
مواد و روش تحقیق
به منظور دستیابی به اهداف تحقیق حاضر، نمونههـایی
از 100 لوله ساخته شده در مقیاس صـنعتی (بـا جـنس فولاد میکروآلیاژي گریـد API X65 بـا قطـر خـارجی 1219 mm، ضــخامت دیــواره 14/3 mm بــا ذوب و
فرآیند ساخت یکسان) جدا و آنالیز ترکیب شیمیایی به روش کوانتومتري انجام شد. مطابق اسـتاندارد API 5L
آنالیز شیمیایی، باید حداقل شامل عناصر: کربن، منگنز،
فسفر، گوگرد، کـرم، نیوبیـوم، مـس، مولیبیـدن، نیکـل، سیلیسیوم، تیتانیوم، وانادیم، بور (در صورتی که ترکیب
شـیمیایی نمونـه مقـدار آن را کمتـر از % 0/001 نشـان دهد، ذکر مقـدار آن در ترکیـب شـیمیایی محصـولات ضروري نمی باشد) و تمامی عناصر آلیاژي که در طـول ساخت فولاد براي اهدافی غیر از اکسیژن زدایی اضـافه می شوند، باشد .[3] خلاصه آماري نتـایج انجـام آنـالیز شــیمیایی مطــابق الزامــات تعیــین شــده از ســوي استاندارد API 5L بر روي این 100 نمونه شامل مقادیر حـداقل، حـداکثر و میـانگین بـه همـراه الزامـات ایـن استاندارد در جدول (1) نشان داده شده است. بررسـی نتایج ترکیب شیمیایی (جـدول (1 نشـان مـیدهـد کـه نتایج با حدود بالاي تعیین شده توسط اسـتاندارد API
براي گرید X65 ( C < 0 .26 , Mn < 1 .45 , P < 0 .030 (, S < 0.030 , Ti < 0.06 , Nb+Ti+V < 0.15 مطابقت
دارد.
همچنین مقدار کربن معادل با توجه به رابطه ارایـه شده در استاندارد API 5L و درصد عناصر موجـود در فولاد مورد مطالعه حداکثر برابر 0/18 بوده و از مقـدار حداکثر (0/25) تعیین شده در استاندارد کوچکتر است.
در مرحله بعد نمونههاي آزمون کشش از این 100 لوله مطابق الزامات تعیین شـده توسـط اسـتاندارد API 5L
جدا شد. موقعیـت و جهـت تهیـه نمونـههـاي آزمـون کشش (مربوط به فلز پایـه) و هـمچنـین هندسـه ایـن
نمونهها به ترتیب در شکل هاي -1) الـف و ب) نشـان
داده شـده اسـت. همـان طـور کـه مشـاهده مـیشـود
نمونههاي مربوط به فلز پایه در جهـت محیطـی بریـده می شوند. به منظور تهیه نمونه هـاي محیطـی در شـکل
-1) الف) از حرف B استفاده شـده اسـت. هـمچنـین موقعیت تهیه آنها با فاصله نصف گام مارپیچ درزجوش (1/2 a) در شکل، مشخص شده اسـت. در ایـن شـکل حرف C نشان دهنده جهت تهیـه نمونـه هـاي عرضـی
(عمود بر مقطع جوش مارپیچ) و خارج از بحث مقالـه حاضر است. ضخامت نمونه هاي تخت برابر ضـخامت کامل لوله (t=14. 3 mm) در نظر گرفته شد تا خـواص مواد به دقت تعیین شود. نمونههاي آزمـون کشـش (بـا ابعاد بزرگتر) ابتدا بـه وسـیله شـعله اکسـی اسـتیلن از لوله ها در جهت محیطی، جدا شدند. لازم به ذکر اسـت
که حداکثر دما در این فرآیند 1900 درجه سانتی گـراد و عرض ناحیه متاثر از حـرارت حـدود 20 میلـی متـر است. به منظور عدم تأثیر پذیري سنجه در نمونـه هـاي آزمون کشش از حرارت ایجاد شده، ابعاد نمونـه هـا تـا حدود 50 میلـی متـر در هـر طـرف مطـابق اسـتاندارد بزرگتر انتخاب میگردد .[3,20] سپس نمونههـا مطـابق استاندارد قبل از ماشینکاري به ابعاد نهایی توسط پرس هیدرولیکی تخـت شـدند (بـه منظـور حـذف انحنـاي اولیه). این فرآیند مقداري جزیی پیش کرنش در نمونـه ایجاد می کند که در استاندارد مورد اغماض قرار گرفتـه است .[3] در نهایت ماشینکـاري نمونـه هـا، تـا ابعـاد نهایی انجام شد.
