Аналіз впливу легування Si та Cr на властивості марганцевого аустеніту на основі AB INITIO моделювання

This paper reports a study into estimating the impact of dissolved Si and Cr on the crystalline structure, certain mechanical characteristics, and stability of manganese austenite. The theoretical study was based on the first-principle calculations within a density functional theory (DFT) for austenite structures, which were modeled in the form of 2×2×2 superlattices based on a face-centered cubic lattice.Atoms in the model superlattices were arranged considering the experimental results from analyzing the Mossbauer spectrum and the X-ray phase analysis of experimental alloys corresponding to high manganese steels. The superlattices that represented the structure of the alloyed austenite contained the C atom in the central octahedral pore, which, relative to the Si(Cr) and Mn atoms, was located in the first and second coordinating spheres, respectively.The analysis of calculation results reveals that the dissolution of Si and Cr in manganese austenite leads to an increase in the stability of the austenite phase, both according to the results from modeling within the DFT and based on the findings from the thermodynamic analysis. At the same time, the austenite phase is transferred to the region of plastic materials according to the ratio of the volumetric elasticity to shear modules of ≥1.75 (a B/G criterion). Determining the density of electronic states shows that among the structures studied, the lowest number of electrons at the Fermi level, which indicates the highest electrochemical stability, is characterized by manganese austenite alloyed by Cr.The results of this study provide grounds for expanding the systems of alloying high manganese steels by introducing a significant amount (up to 10 at. %) of Si and Cr, in particular for the application of wear, shock, and corrosion-resistant coatings by the method of electric arc surfacingПроведена оценка влияния растворенных Si и Cr на кристаллическую структуру, некоторые механические характеристики и стабильность марганцевого аустенита. Теоретические исследования проводили путем первопринципных расчетов в рамках теории функционала плотности (DFT) для аустенитных структур, которые были смоделированы в виде сверхрешеток 2×2×2 на основе гранецентрированной кубической решетки.Размещение атомов в модельных сверхрешетках проводили с учетом экспериментальных результатов рентгеновского фазового и мессбауэровского анализа экспериментальних сплавов, отвечающих высокомарганцевим сталям. Сверхрешетки, которые отображали структуру легированного аустенита содержали атом С в центральной октаэдрической поре, который по отношению к атомам Si (Cr) и Mn находился в первой и второй координационных сферах, соответственно.Анализ результатов расчетов показывает, что растворение Si и Cr в марганцевом аустените к увеличению стабильности аустенитной фазы, как по результатам моделирования в рамках DFT так и термодинамического анализа. При этом, аустенитная фаза переходит в область пластических материалов в соответствии с соотношением между модулями объемной упругости и сдвига ≥1,75 (критерий B/G). Определение плотности электронных состояний показывает, что среди исследованных структур наиболее низким количеством электронов на уровне Ферми, свидетельствующем о высокой электрохимической стабильности, характеризуется марганцевый аустенит легированный Cr.Результаты проведенных исследований дают основания для расширения систем легирования высокомарганцевых сталей путем введения значительного количества (до 10 ат. %) Si и Cr, в частности для нанесения износо-, ударо- и коррозионностойких покрытий методом электродуговой наплавки.Проведено оцінку впливу розчинених Si та Cr на кристалічну структуру, деякі механічні характеристики та стабільність марганцевого аустеніту. Теоретичні дослідження проводили шляхом першопринципних розрахунків у рамках теорії густини функціоналу (DFT) для аустенітних структур, які було змодельовано у вигляді надграток 2×2×2 на основі гранецентрованої кубічної гратки.Розміщення атомів у модельних надгратках проводили із урахуванням експериментальних результатів аналізу месбауерівського спектру та рентгенівського фазового аналізу дослідних сплавів, що відповідають високомарганцевим сталям. Надгратки, які відображали структуру легованого аустеніту містили атом С у центральній октаедричній порі, який по відношенню до атомів Si(Cr) та Mn був розташований у першій та другій координаційних сферах, відповідно.Аналіз результатів розрахунків показує, що розчинення Si та Cr у марганцевому аустеніті до збільшення стабільності аустенітної фази, як за результатами моделювання в рамках DFT так і за результатами термодинамічного аналізу. При цьому аустенітна фаза переходить в область пластичних матеріалів відповідно до співвідношення між модулями об’ємної пружності та зсуву ≥1,75 (критерій B/G). Визначення густини електронних станів показує, що серед досліджених структур найнижчою кількістю електронів на рівні Фермі, яка свідчить про найвищу електрохімічну стабільність, характеризується марганцевий аустеніт легований Cr.Результати проведених досліджень дають підстави для розширення систем легування високомарганцевих сталей шляхом введення значної кількості (до 10 ат. %) Si та Cr, зокрема для нанесення зносо-, ударо-, та корозійностійких покриттів методом електродугового наплавлення

Scientific rationale for the movable pipeline technology for transporting CNG by sea

A new efficient CNG module design for the transportation of natural gas by sea is proposed and substantiated. A mathematical model for determining the technical and economic parameters of a movable pipeline module, which is designed for transporting natural gas in a compressed state and consists of a frame structure, the dimensions of which correspond to the 40-foot marine container size and a pipe coil is described. To facilitate construction, it is proposed that a large portion of the coil be made in the form of a two-layer composite construction. The inner layer consists of standard steel tubes or adapters, and the outer layer is fiberglass wound on them. On the basis of the mathematical model an algorithm and a program were compiled, which allowed to determine the technical and economic parameters of the movable pipeline module. The results obtained for the Caspian region are analyzed

Оцінка залишкового ресурсу бурильних труб за складного напруженого стану

The object of research is the operation of drill pipes in a complex stress state. One of the most problematic places in this case is the process of fatigue, that is, the gradual accumulation of damage to the material of drill pipe under the influence of time-varying stresses. This leads to accidents, the elimination of which is accompanied by significant material and temporary losses.Based on the conducted critical analysis of scientific developments on this issue, it is noted that the use of kinetic diagrams of fatigue failure allows us to experimentally establish empirical parameters of fatigue of the material of drill pipe by laboratory research of small samples. And also to take into account the influence of the front shape of semi-elliptic and annular fatigue cracks on the residual resource. In addition, it is concluded that methods requiring additional attention, taking into account the combined effect on the kinetics of fatigue damage of normal and shear stresses.Therefore, in the course of the research, the positions of fracture mechanics were used. In particular, a feature of the proposed approach is the use in the formula for determining the stress intensity factor before the front of a semi-elliptical fatigue crack in the cross section of a tubular structure of equivalent stress, taking into account both the normal and shear component. This same stress, determined in accordance with the fourth theory of strength, is also used to calculate the critical crack depth.In order to assess the obtained results, a comparative calculation is made of the number of cycles of load change required to increase the depth of the specified crack from the initial to the critical value, not taking into account the value of the shear stress. It is established that the latter, with other unchanged conditions, can reduce the life of the drill pipe by up to two times.Thanks to the proposed method, it is possible to construct graphical dependencies of the fatigue life of drill pipes, taking into account the magnitude of the torque, other things being the same.Объектом исследования данной работы является эксплуатация бурильных труб в условиях сложного напряженного состояния. Одним из самых проблемных мест в данном случае являются процессы усталости, то есть постепенное накопление повреждения материала бурильных труб под воздействием переменных во времени напряжений. Это приводит к авариям, ликвидация которых сопровождается значительными материальными и временными потерями.На основе проведенного критического анализа научных наработок по данной проблеме отмечено, что использование кинетических диаграмм усталостного разрушения позволяет экспериментально устанавливать эмпирические параметры усталости материала бурильных труб путем лабораторного исследования небольших образцов. А также учитывать влияние формы фронта полуэллиптических и кольцевых усталостных трещин на остаточный ресурс. Кроме того, сделан вывод о том, что требуют дополнительного внимания методы, учитывающие совместное влияние на кинетику усталостного повреждения нормальных и касательных напряжений.Следовательно, в ходе исследований использованы положения механики разрушения. В частности, особенностью предложенного подхода является применение в формуле для определения коэффициента интенсивности напряжений перед фронтом полуэллиптической усталостной трещины в поперечном сечении трубной конструкции эквивалентного напряжения, учитывающего как нормальную, так и касательную составляющую. Это же напряжение, определенное в соответствии с четвертой теорией прочности, использовано и для расчета критической глубины трещины.С целью оценки полученных результатов проведен сравнительный расчет количества циклов изменения нагрузки, необходимого для увеличения глубины указанной трещины от начального до критического значения, не учитывая и с учетом величины касательного напряжения. Установлено, что последнее, при прочих неизменных условиях, может уменьшать ресурс бурильной трубы до двух раз.Благодаря предложенному методу обеспечивается возможность построения графических зависимостей усталостной долговечности бурильных труб, учитывая величины крутящего момента при прочих неизменных факторах.Об’єктом дослідження даної роботи є експлуатація бурильних труб в умовах складного напруженого стану. Одним із найбільш проблемних місць в даному випадку є процеси втоми, тобто поступове накопичення пошкодження матеріалу бурильних труб під впливом змінних у часі напружень. Це призводить до аварій, ліквідація яких супроводжується значними матеріальними та часовими втратами.На основі проведеного критичного аналізу наукових напрацювань за даною проблемою зазначено, що використання кінетичних діаграм втомного руйнування дозволяє експериментально встановлювати емпіричні параметри втоми матеріалу бурильних труб шляхом лабораторного дослідження невеликих зразків. А також враховувати вплив форми фронту напівеліптичних і кільцевих втомних тріщин на залишковий ресурс. Крім того, зроблено висновок про те, що потребують додаткової уваги методи, які враховують спільний вплив на кінетику втомного пошкодження нормальних і дотичних напружень.Відтак, в ході досліджень використано положення механіки руйнування. Зокрема, особливістю запропонованого підходу є застосування в формулі для визначення коефіцієнту інтенсивності напружень перед фронтом напівеліптичної втомної тріщини в поперечному перерізі трубної конструкції еквівалентного напруження, що враховує як нормальну, так і дотичну складову. Це ж напруження, визначене згідно із четвертою теорією міцності, використано і для розрахунку критичної глибини тріщини.З метою оцінки отриманих результатів, проведений порівняльний розрахунок кількості циклів зміни навантаження, необхідної для збільшення глибини вказаної тріщини від початкового до критичного значення, не враховуючи і з врахуванням величини дотичного напруження. Встановлено, що останнє, при інших незмінних умовах, може зменшувати ресурс бурильної труби до двох разів.Завдяки запропонованому методу забезпечується можливість побудови графічних залежностей втомної довговічності бурильних труб, враховуючи величини крутного моменту при інших незмінних факторах

Оцінка залишкового ресурсу бурильних труб за складного напруженого стану

The object of research is the operation of drill pipes in a complex stress state. One of the most problematic places in this case is the process of fatigue, that is, the gradual accumulation of damage to the material of drill pipe under the influence of time-varying stresses. This leads to accidents, the elimination of which is accompanied by significant material and temporary losses.Based on the conducted critical analysis of scientific developments on this issue, it is noted that the use of kinetic diagrams of fatigue failure allows us to experimentally establish empirical parameters of fatigue of the material of drill pipe by laboratory research of small samples. And also to take into account the influence of the front shape of semi-elliptic and annular fatigue cracks on the residual resource. In addition, it is concluded that methods requiring additional attention, taking into account the combined effect on the kinetics of fatigue damage of normal and shear stresses.Therefore, in the course of the research, the positions of fracture mechanics were used. In particular, a feature of the proposed approach is the use in the formula for determining the stress intensity factor before the front of a semi-elliptical fatigue crack in the cross section of a tubular structure of equivalent stress, taking into account both the normal and shear component. This same stress, determined in accordance with the fourth theory of strength, is also used to calculate the critical crack depth.In order to assess the obtained results, a comparative calculation is made of the number of cycles of load change required to increase the depth of the specified crack from the initial to the critical value, not taking into account the value of the shear stress. It is established that the latter, with other unchanged conditions, can reduce the life of the drill pipe by up to two times.Thanks to the proposed method, it is possible to construct graphical dependencies of the fatigue life of drill pipes, taking into account the magnitude of the torque, other things being the same.Объектом исследования данной работы является эксплуатация бурильных труб в условиях сложного напряженного состояния. Одним из самых проблемных мест в данном случае являются процессы усталости, то есть постепенное накопление повреждения материала бурильных труб под воздействием переменных во времени напряжений. Это приводит к авариям, ликвидация которых сопровождается значительными материальными и временными потерями.На основе проведенного критического анализа научных наработок по данной проблеме отмечено, что использование кинетических диаграмм усталостного разрушения позволяет экспериментально устанавливать эмпирические параметры усталости материала бурильных труб путем лабораторного исследования небольших образцов. А также учитывать влияние формы фронта полуэллиптических и кольцевых усталостных трещин на остаточный ресурс. Кроме того, сделан вывод о том, что требуют дополнительного внимания методы, учитывающие совместное влияние на кинетику усталостного повреждения нормальных и касательных напряжений.Следовательно, в ходе исследований использованы положения механики разрушения. В частности, особенностью предложенного подхода является применение в формуле для определения коэффициента интенсивности напряжений перед фронтом полуэллиптической усталостной трещины в поперечном сечении трубной конструкции эквивалентного напряжения, учитывающего как нормальную, так и касательную составляющую. Это же напряжение, определенное в соответствии с четвертой теорией прочности, использовано и для расчета критической глубины трещины.С целью оценки полученных результатов проведен сравнительный расчет количества циклов изменения нагрузки, необходимого для увеличения глубины указанной трещины от начального до критического значения, не учитывая и с учетом величины касательного напряжения. Установлено, что последнее, при прочих неизменных условиях, может уменьшать ресурс бурильной трубы до двух раз.Благодаря предложенному методу обеспечивается возможность построения графических зависимостей усталостной долговечности бурильных труб, учитывая величины крутящего момента при прочих неизменных факторах.Об’єктом дослідження даної роботи є експлуатація бурильних труб в умовах складного напруженого стану. Одним із найбільш проблемних місць в даному випадку є процеси втоми, тобто поступове накопичення пошкодження матеріалу бурильних труб під впливом змінних у часі напружень. Це призводить до аварій, ліквідація яких супроводжується значними матеріальними та часовими втратами.На основі проведеного критичного аналізу наукових напрацювань за даною проблемою зазначено, що використання кінетичних діаграм втомного руйнування дозволяє експериментально встановлювати емпіричні параметри втоми матеріалу бурильних труб шляхом лабораторного дослідження невеликих зразків. А також враховувати вплив форми фронту напівеліптичних і кільцевих втомних тріщин на залишковий ресурс. Крім того, зроблено висновок про те, що потребують додаткової уваги методи, які враховують спільний вплив на кінетику втомного пошкодження нормальних і дотичних напружень.Відтак, в ході досліджень використано положення механіки руйнування. Зокрема, особливістю запропонованого підходу є застосування в формулі для визначення коефіцієнту інтенсивності напружень перед фронтом напівеліптичної втомної тріщини в поперечному перерізі трубної конструкції еквівалентного напруження, що враховує як нормальну, так і дотичну складову. Це ж напруження, визначене згідно із четвертою теорією міцності, використано і для розрахунку критичної глибини тріщини.З метою оцінки отриманих результатів, проведений порівняльний розрахунок кількості циклів зміни навантаження, необхідної для збільшення глибини вказаної тріщини від початкового до критичного значення, не враховуючи і з врахуванням величини дотичного напруження. Встановлено, що останнє, при інших незмінних умовах, може зменшувати ресурс бурильної труби до двох разів.Завдяки запропонованому методу забезпечується можливість побудови графічних залежностей втомної довговічності бурильних труб, враховуючи величини крутного моменту при інших незмінних факторах

Analysis of the Effects of Alloying with Si and Cr on the Properties of Manganese Austenite Based on AB INITIO Modelling

This paper reports a study into estimating the impact of dissolved Si and Cr on the crystalline structure, certain mechanical characteristics, and stability of manganese austenite. The theoretical study was based on the first-principle calculations within a density functional theory (DFT) for austenite structures, which were modeled in the form of 2×2×2 superlattices based on a face-centered cubic lattice.Atoms in the model superlattices were arranged considering the experimental results from analyzing the Mossbauer spectrum and the X-ray phase analysis of experimental alloys corresponding to high manganese steels. The superlattices that represented the structure of the alloyed austenite contained the C atom in the central octahedral pore, which, relative to the Si(Cr) and Mn atoms, was located in the first and second coordinating spheres, respectively.The analysis of calculation results reveals that the dissolution of Si and Cr in manganese austenite leads to an increase in the stability of the austenite phase, both according to the results from modeling within the DFT and based on the findings from the thermodynamic analysis. At the same time, the austenite phase is transferred to the region of plastic materials according to the ratio of the volumetric elasticity to shear modules of ≥1.75 (a B/G criterion). Determining the density of electronic states shows that among the structures studied, the lowest number of electrons at the Fermi level, which indicates the highest electrochemical stability, is characterized by manganese austenite alloyed by Cr.The results of this study provide grounds for expanding the systems of alloying high manganese steels by introducing a significant amount (up to 10 at. %) of Si and Cr, in particular for the application of wear, shock, and corrosion-resistant coatings by the method of electric arc surfacin