Розвиток наукових і методологічних основ прогнозування і оптимізації складів і технологій термічного зміцнення комплексно-легованих сталей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Основною особливістю умов експлуатації сучасної промислової продукції з конструкційних сталей є високі рівні діючих на них робочих навантажень, які наближаються до граничних значень, допустимих для матеріалів цього типу. У зв'язку з цим, різко зростають вимоги не тільки до рівня міцнісних властивостей сталей, а й до забезпечення надійної і безпечної роботи таких агрегатів і конструкцій як: гірничодобувне і підйомно-транспортне устаткування, корпуси великотоннажних морських суден, ракетно-космічні стартові комплекси та ін. Очевидно, що задоволення таких різнотипних вимог споживачів можливе тільки за умови формування гарантованого комплексу всіх експлуатаційних властивостей конструкційних сталей, а не окремих його характеристик. Вирішення виникаючих при цьому проблем є актуальним для металургійної промисловості України, яка має великий потенціал виробництва високоякісних сталей.

Найбільш широкий спектр необхідних експлуатаційних і технологічних властивостей, в поєднанні зі зниженою вартістю, в даний час мають конструкційні сталі, що входять до широкої групи високоміцних зварюваних сталей (ВЗС), які в своїй більшості є комплексно-легованими і мікролегованими. Аналіз досвіду виробництва і експлуатації таких сталей показує, що їхні великі потенційні можливості, з погляду формування високого і стабільного комплексу споживчих властивостей, на даний час не реалізується повністю у зв'язку з існуванням низки невирішених проблем:

- значні непередбачувані відхилення більшості характеристик експлуатаційних властивостей від вимог стандартів або експлуатаційних норм, що обумовлює різні види окрихкування;

- недостатньо науково обґрунтовані або неоптимальні хімічні склади багатьох промислових сталей, а також технології їхнього термічного зміцнення;

- переважно емпіричний характер нових розробок в області виробництва і зміцнення сталей, обумовлений низькою ефективністю використовуваних методів аналізу і прогнозування їхніх експлуатаційних властивостей виходячи з умов виробництва.

У зв'язку з цим, вельми актуальним є проведення, стосовно складно-легованих ВЗС, комплексних теоретичних і експериментальних досліджень направлених на:

- розробку методів кількісної оцінки і прогнозування комплексу експлуатаційних властивостей, а також багатоцільової оптимізації хімічних складів і параметрів технологій зміцнення;

- розвиток теорії процесів структуроутворення з урахуванням впливу легуючих, мікролегуючих елементів і їхньої взаємодії;

- виявлення і моделювання закономірностей впливу хімічного складу і технологій зміцнення промислових комплексно-легованих сталей на формування їхньої структури і експлуатаційних властивостей;

- розробку нових високопродуктивних способів і технологій термічної обробки, що забезпечують стабільно високу якість великогабаритної промислової продукції.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи - розробка науково обґрунтованого системного підходу до прогнозування і формування стабільно-високого комплексу експлуатаційних властивостей складно-легованих сталей відповідального призначення і створення на цій основі нових технологій їхньої термічної обробки.

Відповідно до поставленої мети, в роботі розв'язувався комплекс завдань, який включає:

· групу методологічних завдань:

- розробити кількісні показники, які одночасно характеризують перевищення вимог стандартів і ступінь статистичної стабільності стосовно кожної характеристики і всього комплексу експлуатаційних властивостей конструкційних сталей;

- розробити методики і створити комплексну комп'ютерну технологію виявлення, кількісного аналізу, прогнозування і багатоцільової оптимізації впливу умов виробництва на комплекс експлуатаційних властивостей складно-легованих сталей;

· групу завдань апріорного кількісного прогнозування структури і властивостей сталей:

- виконати теоретичний аналіз процесів, які передують перетворенням переохолодженого аустеніту, а також умов формування метастабільних структур мартенситного і бейнітного типів;

- провести термодинамічні дослідження характеру взаємодії легуючих елементів, їх впливу на стійкість -фази в подвійних і потрійних сплавах на основі заліза, а також умов формування основних типів карбідних і нітридних фаз при мікролегуванні;

- розвинути кількісні модельні уявлення щодо впливу легування на кінетику розпаду переохолодженого аустеніту, а також процесів водневого окрихкування і флокеноутворення;

- виявити і описати у вигляді математичних моделей, закономірності впливу хімічного складу і параметрів технологій зміцнення основних типів промислових комплексно-легованих сталей на їхні експлуатаційні властивості;

· групу технологічних завдань:

- дослідити природу спостережуваного окрихкування товстолистового прокату сталей відповідального призначення і розробити нові високоефективні технології термічної обробки великогабаритної металопродукції.

1. Основні проблеми формування стабільно високого комплексу експлуатаційних властивостей складно-легованих конструкційних сталей

Не дивлячись на значні успіхи в області підвищення і стабілізації, головним чином, міцнісних властивостей термічно зміцнюваних ВЗС, гарантоване досягнення високих і стабільних рівнів всіх контрольних показників якості промислової продукції широкого застосування з вказаних сталей на даний час не представляється можливим. Нові перспективи в цьому напрямі відкриває використання сучасних комп'ютерних технологій. Проведений в дисертаційній роботі аналіз показав, що найбільш важливими завданнями, що вимагають вирішення на шляху досягнення гарантованого комплексу експлуатаційних властивостей складно-легованих ВЗС, є:

* розробка методів кількісної оцінки і комп'ютерного прогнозування комплексу властивостей, а також методики багатоцільової оптимізації технологічних параметрів;

* розвиток основ теорії структуроутворення в комплексно-легованих сталях при термічному зміцненні;

* кількісний аналіз і моделювання впливу легуючих і домішкових елементів на структурний стан і експлуатаційні властивості складно-легованих сталей;

* розробку і впровадження нових науково обґрунтованих способів і технологій термічної обробки, що забезпечують формування бездефектної макроструктури і гарантованого комплексу експлуатаційних властивостей складно-легованих зварюваних сталей.

У практиці виробництва і зміцнення конструкційних сталей протягом тривалого часу широко використовується термін "комплекс експлуатаційних властивостей", що відноситься до сукупності стандартних механічних характеристик, включаючи положення критичних температур крихкості та ін. Очевидно, що для порівняльної, кількісної оцінки сталей необхідно використовувати відповідний показник, який дозволив би характеризувати як рівень "комплексу" властивостей, так і ступінь його статистичної стабільності. Крім того, наявність подібного показника дозволить здійснювати багатоцільову (векторну) оптимізацію параметрів технологій виробництва і зміцнення конструкційних сталей для досягнення найбільш сприятливого поєднання властивостей. Очевидно також, що даний показник комплексу властивостей повинен включати критерії, що відносяться до окремих характеристик якості сталей і дозволяють одночасно характеризувати в кількісному вигляді як величину перевищення вимог діючих стандартів або експлуатаційних норм, так і ступінь статистичної стабільності досягнутих рівнів окремих показників властивостей. Подібні показники на даний час відсутні, проте необхідність їх введення стає все більш актуальною.

В даний час істотно обмежені можливості теоретично обґрунтованого кількісного прогнозування мікроструктури виходячи з умов виробництва, навіть стосовно нелегованих сталей, у зв'язку з недостатнім рівнем розвитку теорії фазових перетворень в сплавах на основі заліза. Найменше вивченими теоретично є: (i) процеси, що протікають в переохолодженому аустеніті до початку його дифузійного розпаду і які визначають термодинамічну стабільність материнської фази; (ii) вплив легуючих і домішкових елементів на кінетику перетворень метастабільного аустеніту в області температур перлітного і бейнітного перетворень; (iii) умови формування структур мартенситного і бейнітного типів, а також зв'язок між ними; (iv) особливості впливу легуючих елементів на кінетику бейнітного перетворення в області температур утворення верхнього і нижнього бейніту.

Очевидно, що строгий теоретичний облік можливих взаємодій хімічних елементів в системах з такою великою кількістю компонентів, якими є сучасні конструкційні сталі, з метою кількісного прогнозування їх структури і властивостей, в даний час є неможливим. Найбільш перспективним сучасним підходом до вивчення будови і властивостей промислових ВЗС є “багаторівневе моделювання матеріалів” (multiscale modelling of materials), суть якого полягає в розробці комплексу взаємоузгоджених і взаємозв'язаних моделей, що описують поведінку матеріалу на різних рівнях, починаючи від електронної структури і закінчуючи формуванням експлуатаційних властивостей. При вивченні впливу легуючих і домішкових елементів на фазові перетворення і стабільність фаз високу ефективність мають методи термодинаміки. Проте більшість досліджень в цьому напрямі виконана для подвійних сплавів, в рамках моделі ідеальних розчинів, що не дає можливості оцінити особливості взаємодії легуючих елементів між собою і атомами матриці. Не досліджені також процеси утворення сегрегацій елементів проникнення на дефектах кристалічної будови і їхній вплив на фазові перетворення і окрихкування сплавів заліза. Важливе місце в системі багаторівневого моделювання матеріалів відводиться статистичним дослідженням. Основною проблемою в цій області є низька ефективність традиційних методів статистичного аналізу стосовно багатовимірних масивів експериментальних даних. Як приклад, на рис. 1 показані діаграма розсіювання і результати загальноприйнятого регресійного аналізу залежності межі текучості сталі типу 20ХГМФТР від вмісту бору. Як видно, основна маса експериментальних точок знаходиться за межами 95 % довірчої області, в зв'язку, очевидно, з неврахованими змінами концентрацій решти хімічних елементів. Найбільш перспективним способом подолання недоліків традиційних методів статистичних досліджень є використання комп'ютерної технології "Data Мining", яка дозволяє здійснювати глибокий розвідувальний аналіз даних (ГРАД), з метою виявлення стійких, прихованих, об'єктивних закономірних зв'язків між досліджуваними змінними. Проте, для досліджень масивів даних, що відносяться до промислових конструкційних сталей, такий підхід до останнього часу не застосовувався.

Невід'ємною складовою частиною сучасних наукових досліджень є комп'ютерне моделювання реальних явищ і процесів (computer simulations). Згідно з новою науковою парадигмою, проведення комп'ютерних експериментів є самостійним методом вивчення природи разом з теорією і реальним експериментом (рис. 2). Комп'ютерне експериментування дозволяє, з одного боку, перевіряти висновки теоретичних розробок, у разі надмірної складності або дорожнечі реальних експериментів, а з іншого - отримувати нові “експериментальні” дані для подальшого вивчення. Особливу актуальність комп'ютерні дослідження мають стосовно комплексно-легованих сталей, для яких проведення реальних експериментів вимагає великих витрат і в лабораторних умовах є вкрай неефективним.

Оптимізація є обов'язковим етапом розробки будь-якої технології виробництва і вимагає для свого проведення математичного виразу, що пов'язує значення технологічних параметрів з рівнем цільової функції. Більшість сучасних методів оптимізації використовують аналітичний підхід теорії функцій багатьох змінних. Загальними недоліками таких методів, стосовно проблеми оптимізації хімічних складів і параметрів обробки складно-легованих конструкційних сталей, є: низька ефективність при дослідженні функцій більше двох змінних; невідповідність високої точності аналітичних методів і наближеного характеру досліджуваних кореляційних залежностей. Одним з високоефективних методів рішення задач оптимізації і комп'ютерного моделювання є метод Монте-Карло. Проте, до теперішнього часу подібні дослідження з використанням регресійних математичних моделей не проводилися. Не розглядалося також питання вибору виду векторної цільової функції стосовно конструкційних сталей і, відповідна оптимізація параметрів технологій їх виробництва і зміцнення не проводилася.

У сучасних умовах широкого використання сталей все більш високої міцності і все більш складних систем легування, особливої актуальності набуває проблема окрихкування, яка найчастіше виявляється у не передбачуваному зниженні опору ударним навантаженням і/або характеристик пластичності. Найбільш важливими чинниками, що викликають окрихкування конструкційних сталей, є: зернограничні сегрегації домішкових і низки легуючих елементів; частинки інших фаз несприятливої морфології; водень у сталях. Велику небезпеку представляють неминучі і практично неконтрольовані домішки: Sn, Sb, Pb та ін., вміст яких в промислових сталях постійно зростає у зв'язку з все більш широким використанням металобрухту при виплавлянні. Неоднозначним є також вплив багатьох легуючих елементів: N, B, V, Al, Cu, Si. Практично не з'ясована роль частинок зміцнюючих виділень в розвитку в'язкого міжзеренного руйнування. Невирішеною залишається також проблема водневого окрихкування більшості видів металопродукції. У зв'язку з неможливістю використання високочистих шихтових матеріалів, при виробництві багатьох видів великогабаритної промислової продукції, актуальною проблемою є розробка нових способів термічного зміцнення, що забезпечують формування стабільно високого комплексу основних експлуатаційних властивостей складно-легованих сталей.

2. Розробка методології кількісної оцінки і прогнозування комплексу експлуатаційних властивостей конструкційних сталей, а також багатоцільової оптимізації параметрів технологій їх виробництва

Існуюча на даний час концепція розробки конструкційних сталей не визначає умови досягнення стабільно високого комплексу їх експлуатаційних властивостей. У зв'язку з цим, запропонована розширена концепція, яка, як обов'язкові етапи, включає:

· апріорне кількісне прогнозування номінальних значень характеристик структури і властивостей на основі аналітичних і/або регресійних моделей, виходячи з параметрів технологій виробництва і зміцнення, які використовуються (необхідна умова);

· кількісну оцінку схильності сталей до різних видів окрихкування і технологічні заходи щодо її зниження (достатня умова);

· багатоцільову оптимізацію вживаних технологій з урахуванням статистичного розкиду технологічних параметрів.

Показано, що кількісна оцінка комплексу експлуатаційних властивостей конструкційних сталей повинна бути заснована на одночасному визначенні декількох критеріїв якості, кожний з яких пов'язаний з відповідною характеристикою контрольованих властивостей.

Враховуючи те, що кожний з окремих критеріїв Qqi характеризує також схильність сталі до одного з видів окрихкування, пов'язаному з непередбачуваною втратою властивості qi, величину F слід розглядати як характеристику загальної схильності сталі до сукупності різних видів окрихкування (Деклараційний патент №71819 А). Для вирішення завдань, визначених уточненою концепцією розробки сталей, створена комплексна комп'ютерна технологія, яка в умовах багатовимірних масивів експериментальних даних забезпечує: виявлення об'єктивних закономірностей впливу технологічних параметрів на окремі характеристики експлуатаційних властивостей сталей; розробку фізично обґрунтованих регресійних моделей, які відображають дію всіх статистично незалежних змінних, які мають значний вплив на характеристики якості сталей; аналітичне і статистичне моделювання дії кожної незалежної змінної в умовах як постійних, так і змінних значень решти параметрів, які управляють; максимально повну перевірку адекватності розроблених математичних моделей шляхом побудови як кривих частотних розподілів здавальних показників властивостей, так і комп'ютерних парних регресійних залежностей; багатоцільову оптимізацію технологічних параметрів для досягнення найбільш сприятливого комплексу експлуатаційних властивостей сталей. Розроблена комп'ютерна технологія реалізована в рамках обчислювальних систем See-5-demo, WizWhy-3.01-demo, SciLab 4.1, MuPad.

Завдання прогнозування контрольних показників властивостей сталей, на відміну від традиційного підходу, розв'язувалося з урахуванням допустимих в умовах реального виробництва некерованих змін технологічних параметрів на основі регресійних моделей, одержаних із застосуванням розглянутої вище комп'ютерної технології. Розрахунки виконували методом комп'ютерних експериментів шляхом генерування випадкових чисел, відповідно до експериментальних законів статистичних розподілів технологічних параметрів. Перевагою розробленого методу прогнозування є можливість визначення характеристик властивостей при таких поєднаннях значень технологічних параметрів, які у принципі допустимі в даних умовах виробництва, проте рідко спостерігаються на практиці у зв'язку з дією суб'єктивних чинників, або із-за обмежених обсягів експериментальних вибірок.

3. Розвиток теоретичних основ регулювання процесів структуроутворення в сталях при термічному зміцненні

Згідно уточненої концепції розробки конструкційних сталей, обов'язковими умовами отримання гарантованого комплексу експлуатаційних властивостей є:

- формування мікроструктур, що мають строго задані характеристики: тип і об'ємний вміст фаз; морфологію структурних складових та ін.;

- повне запобігання окрихкуванню під впливом структурних і неструктурних чинників.

На даний час рішення першого із вказаних завдань повністю на науковій основі не представляється можливим навіть для нелегованих сталей, у зв'язку з тим, що поки не знайдені відповіді на низку розглянутих в розділі 1 принципових питань теорії перетворень переохолодженого аустеніту.

З метою виявлення закономірностей процесів, що протікають в переохолодженому аустеніті протягом періоду, передуючого його дифузійному розпаду, виконаний аналіз термодинамічного стану аустеніту в інтервалі температур А3-Мн. З використанням відомих залежностей вільної енергії утворення аустеніту ДG від концентрації вуглецю Nc, було показано, що при Т<А1 1000 К, на відміну від Т>А1, криві DG=f(Nc) не мають області мінімуму і характеризуються слабкою кривизною, яка зменшується у міру зниження температури від 800 до 500 К. З отриманих результатів витікає, що збільшення Nc в переохолодженому аустеніті супроводжується підвищенням ДG при всіх Nc>0 по відношенню до чистого Fe. Це свідчить про нестабільність розчину Fe(С) по відношенню до реакції виділення вуглецю. Слабка позитивна кривизна кривих DG=f(Nc) указує на високу вірогідність виникнення флуктуацій складу (розшарування переохолодженого аустеніту). З метою визначення деформаційного внеску в ДG переохолодженого аустеніту, визначали пружну енергію Wynр цієї фази при різних температурах нижчих за А1 на основі рентгенівських даних про параметри гратки аустеніту ас з використанням запропонованої методики розрахунків “по октаедрах”. Розрахунки показали достатньо точну відповідність Wynр і ДG, що приводить до висновку про домінуючу роль деформації гратки Fe при розчиненні вуглецю. У свою чергу, відсутність мінімуму на кривих ДG = f(Nc), указує на переважно впорядкований характер розташування атомів вуглецю в гратках переохолодженого аустеніту.

Істотний вплив на розподіл вуглецю в переохолодженому аустеніті, особливо в області температур 500-600 К, повинні здійснювати дислокаційні субмежі, які мають могутні поля далекодіючих пружних напружень. Виконаний аналіз показав, що якщо dc - діаметр атома вуглецю, то повністю насичуються розчиненими атомами тільки субмежі з кутами розорієнтування з утворенням зневуглецьованих зон шириною. Встановлено, що повністю зневуглецьовані зони шириною * > 410-7 см, навколо практично всіх існуючих субмеж (при > 5 ), утворюються тільки в аустеніті, що містить менше 0,2 ваг.% вуглецю. Із зростанням концентрації вуглецю в сталі, частка субмеж, що мають зони такої ширини, зменшується. Час, необхідний для утворення зневуглецьованих зон визначали з використанням співвідношення Ейнштейна, виходячи з умов дрейфу атомів вуглецю в полі пружних сил стінки дислокацій:, де А - параметр взаємодії розчиненого атома з дислокацією, - коефіцієнт дифузії вуглецю в аустеніті. Одержаний вираз дозволяє оцінити порядок величини максимальної швидкості охолоджування, перевищення якої повністю пригнічує утворення зневуглецьованих зон поблизу субмеж: для температурного інтервалу мінімальної стійкості аустеніту 620±5 °С, при =20 , Сdisl 2·10-5 с. і Vмах 5105 град?с. Результати розрахунків свідчать про те, що при всіх реально досяжних швидкостях охолоджування сталей при термічній обробці, в аустеніті можливий перерозподіл вуглецю поблизу дислокаційних субмеж, що створює необхідні умови для подальшої перебудови кристалічної гратки .

Стабільність аустеніту по відношенню до бездифузійного перетворення визначає положення точок МН і МК, рівень яких впливає на структуру, механічні і технологічні властивості зварюваних сталей. В даний час неможливо прогнозувати ступінь вказаної стабілізації під впливом вуглецю і легуючих елементів. На основі аналізу температурних залежностей різниці вільних енергій г і б-фаз чистого Fe ?G/, а також аустеніту і мартенситу ?Gа/м при температурах 300-1000 К, встановлено, що величина ?G=ДG/б-ДG?а/м однозначно характеризує ступінь стабілізації -фази до зсувного перетворення. Показано, що, в загальному випадку, ДGг = И(8·10І - Мн), де =const. Враховуючи, що: Мн 8·102(1- 0,409·СС) і ДМн ц·m, де ц = const, СС і m- концентрації вуглецю і легуючого елементу (ваг.%), одержано: ДGг ? И(3,27·10І·СС + ц·m) = fс·СС + fл.э.·mэ, де fс і fл.э. - параметри стабілізації, відповідно для вуглецю і легуючого елементу. Враховуючи аналогічний характер залежності у02 аустеніту від вмісту тих же елементів, аж до збігу кутових коефіцієнтів, є підстави вважати, що стабілізуючий вплив більшості елементів на переохолоджений аустеніт по відношенню до бездифузійного перетворення г>б, обумовлено підвищенням опору г-фази зсувної деформації, рівень якої характеризує величина у02.

Серед фазових перетворень в сплавах на основі заліза, найменше вивченою є бейнітна реакція. Науково обґрунтований підхід до розгляду багатьох існуючих в цій області проблем забезпечує вперше запропонована в даній роботі суміщена діаграма бейнітного і мартенситного перетворень. На рис. 4 показаний приклад такої діаграми, побудованої на основі літературних даних для Т = 525 К. Як бачимо, мартенситне перетворення в повному об'ємі при вказаній температурі може протікати тільки при NcNc (область “M”), оскільки при Nc=0,035 маємо ДGА/М*=1250 Дж/г-ат (відрізок “вд”). Бейнітна реакція в “чистому вигляді” можлива тільки для аустеніту, склад якого знаходиться в межах Nc-Nc (область “Б”). В аустеніті складу Nc<Nc<Nc утворення б-мартенситу можливе тільки після зниження концентрації вуглецю від Nс до Nc, при одночасному підвищенні її в прилеглих об'ємах аустеніту до Nс. Встановлено також, що зниження температури в області Т<А3, супроводжується зсувом кривих ДGА=f(Nc) і ДGМ=f /(Nc) і, відповідно, областей А, Б і М, у напрямі вищих концентрацій вуглецю. Отримані результати свідчать про те, що типи фазово-структурних станів, що формуються з переохолодженого аустеніту, всупереч загальноприйнятій думці, визначаються не лише ступенем переохолодження, а й концентрацією вуглецю. В рамках розробленого підходу проаналізовані особливості механізму формування структур бейнітного типу в умовах ізотермічної витримки і безперервного охолоджування. У разі ізотермічного утворення бейніту, показана можливість утворення б-фази зсувним шляхом за реакцією г>б+гґ, а потім, після деякої паузи, - формування феритно-цементитної суміші. При безперервному охолоджуванні визначені умови розвитку бейнітної реакції після початку мартенситного перетворення, що спостерігалося експериментально.

4. Кількісний аналіз ефективності впливу легування і мікролегування на стабільність аустеніту, кінетику його розпаду і властивості конструкційних сталей

Цілеспрямоване регулювання структури і властивостей сучасних комплексно-легованих сталей за рахунок зміни їх хімічного складу є вкрай нелегким у зв'язку з: недостатнім розвитком теоретичних основ легування сталей; відсутністю однозначних даних про стан і особливості поведінки атомів легкорухомих домішкових і мікролегуючих елементів; низькою ефективністю традиційних методів виявлення і моделювання впливу хімічних елементів на експлуатаційні властивості сталей.

Однією з основних цілей легування сталей є регулювання стійкості переохолодженого аустеніту до дифузійного розпаду. Показано, що лімітуючою ланкою процесів, що протікають протягом інкубаційного періоду ф5%, є дифузійний перерозподіл вуглецю і легуючих елементів з утворенням відповідних збіднених і збагачених зон. Вплив легування на процеси передперетворення досліджували з використанням розробленої розрахункової методики. При аналізі кінетики розпаду нелегованого аустеніту розглядали утворення зародка б-фази в межах сферичного сегменту завтовшки д, за рахунок зниження концентрації вуглецю в ньому до значення Сг/б, при якому є можливим г>б перетворення.

Формування гарантованого комплексу експлуатаційних властивостей сучасних конструкційних сталей неможливе без контролю і управління станом як домішкових, так і мікролегуючих елементів проникнення. У роботі виконана порівняльна кількісна оцінка параметрів взаємодії атомів проникнення з окремими дислокаціями і субмежами в - і -Fe твердих розчинах. Величину енергії зв'язку проникнення атомів з дислокацією Wд визначали на основі розробленої методики, яка, на відміну від моделі “атом в порожнині”, враховує зміну об'єму октаедра з атомів матриці, при проникненні туди розчиненого атома. Встановлено при цьому, що в системі Fe-B при низьких температурах переважаючим є утворення розчинів проникнення, внаслідок нижчих енергій спотворення граток - і -фаз у порівнянні з розчинами заміщення. Показано, що розрахункові значення Wд в положенні максимального зв'язку Wдmax убувають в послідовності: B, C, O, N, H в межах 0,83…0,60 эВ для Fe. У зв'язку з відсутністю кількісних даних про кінетику утворення сегрегацій вказаних елементів в - і Fe, в роботі виконаний порівняльний аналіз взаємодії В, С і N з елементами субструктури.

Висновки

легування аустеніт окрихкування товстолистовий

У дисертації представлені наукові, методологічні і технологічні розробки, що забезпечують вирішення актуальної науково-технічної проблеми формування стабільно-високого комплексу експлуатаційних властивостей складно-легованих, термічно зміцнюваних конструкційних сталей, на основі запропонованого системного підходу, що включає: апріорне комп'ютерне прогнозування характеристик фазових перетворень, структури і властивостей сталей на базі розроблених аналітичних і/або регресійних моделей; кількісну оцінку схильності сталей до різних видів окрихкування і розробку адекватних технологічних заходів щодо його усунення; багатоцільову комп'ютерну оптимізацію умов виробництва і зміцнення з урахуванням статистичного розкиду технологічних параметрів; використання комплексних технологій термічного зміцнення, які забезпечують формування спрогнозованих фазово-структурних станів.

1. Запропонована розширена концепція розробки конструкційних сталей, яка, в якості необхідної і достатньої умов отримання стабільно високого комплексу їх експлуатаційних властивостей (стандартних механічних характеристик, критичних температур крихкості та ін.), передбачає: - використання науково обґрунтованих технологій виробництва і зміцнення металопродукції, які забезпечують формування наперед заданих мікроструктур і відповідних їм рівнів контрольних показників властивостей; - здійснення технологічних заходів, направлених на максимально повне зниження схильності сталей до різних видів окрихкування.

2. Розроблена методика кількісної оцінки комплексу експлуатаційних властивостей конструкційних сталей на основі окремих критеріїв якості, що дозволяють спільно характеризувати середні рівні і ступені статистичної стабільності контрольних показників властивостей. Запропоновані розрахункові формули для визначення приватних критеріїв і узагальненого показника комплексу експлуатаційних властивостей.

3. Розроблена комплексна комп'ютерна технологія, що дозволяє науково обґрунтовано: - прогнозувати закони статистичних розподілів контрольних характеристик експлуатаційних властивостей, а також ступінь відбраковування продукції по кожному показнику якості, виходячи з умов виробництва; - здійснювати кількісну порівняльну оцінку якості сталей і ефективності технологій їх термічного зміцнення; - визначати оптимальні значення технологічних параметрів, що забезпечують гарантоване, з вірогідністю не менше 95 %, отримання найбільш сприятливого комплексу їх експлуатаційних властивостей.

4. В результаті термодинамічного аналізу стану переохолодженого аустеніту: показана можливість його розшарування за вуглецем по механізму спінодального розпаду; встановлено домінуючий внесок спотворень кристалічної гратки у вільну енергію його утворення; обґрунтована можливість формування зневуглецьованих зон за рахунок пружної взаємодії атомів вуглецю з дислокаційними субмежами при швидкостях охолоджування < 105 град/с.

5. Запропонований єдиний підхід до аналізу процесів формування метастабільних структур мартенситного і бейнітного типів залежно від температури, концентрацій вуглецю і легуючих елементів: розроблена суміщена діаграма бейнітного і мартенситного перетворень, що визначає температурно-концентраційні умови їх сумісного і роздільного розвитку в ізотермічних умовах і при безперервному охолоджуванні; показано, що стабілізуючий вплив вуглецю і більшості легуючих елементів на переохолоджений аустеніт по відношенню до бездифузійного перетворення, пов'язаний з підвищенням опору гFe зсувної деформації; встановлено, що карбідоутворюючі елементи, на відміну від некарбідоутворюючих, знижуючи активність вуглецю в аустеніті, зменшують рушійну силу гб-перетворення і тим самим стабілізують аустеніт в області температур вищих за 400 °С.

6. В рамках квазіхімічної теорії вперше розраховані термодинамічні характеристики подвійних і потрійних твердих розчинів на основі Fe: енергії і теплоти змішування розчинів; коефіцієнти активності і параметри взаємодії їх компонентів. Встановлено, що Al, Cu і Mn проявляють схильність до утворення кластерів, тоді як Co, Cr, Si, Мо, Nb та ін. мають тенденцію до утворення сегрегацій. Показано, що зі зростаючою інтенсивністю вільна енергія утворення г-фази: підвищується при розчинені Cr, V, Мо, W, Ti, Nb і Si, але зменшується при легуванні Co, Ni, Cu, Al і Mn, що відповідає емпіричній класифікації легуючих елементів. Встановлені концентраційні залежності надмірної вільної енергії г-фази в системах: Fe-Cr-Mn; Fe-Cr-Mo; Fe-Mn-Si; Fe-Ni-Mn. Показана термодинамічна можливість утворення: роздільних сегрегацій Cr і Мо; сумісних сегрегацій Si і Mn; кластерів з атомів Fe, Mn і Cr, що дозволяє пояснити спостережувані особливості поведінки цих елементів у складно-легованих сталях.

7. В рамках кінетичної теорії фазових перетворень розроблена методика і проведене комп'ютерне прогнозування впливу вуглецю і легуючих елементів на кінетику розпаду переохолодженого аустеніту в межах діапазону температур А3…Мн: показаний "С-подібний" характер розрахункових температурних залежностей часу утворення зародків критичного розміру ф0(Т); досягнута кількісна відповідність комп'ютерних і експериментальних "С-подібних" діаграм для сталей, легованих Mn, Ni, Co, Мо, Si, Cr і V. Вперше розраховані такі діаграми для сталей, мікролегованих N, B: встановлено, зокрема, значне збільшення ф0min, а також зсув кривої ф0(Т) в область Т ? 540 °С при введенні 0,004% В. Отримані дані, які підтверджують конкуруючий характер взаємодії атомів В, С і N з субмежами в переохолодженому аустеніті і показано, що найбільш висока швидкість утворення сегрегацій бору в інтервалі температур 430-630 °С, перешкоджає формуванню поблизу субмеж зневуглецьованих зон, внаслідок чого уповільнюється зародження б-фази.

8. Розроблена кількісна модель водневого окрихкування і утворення флокенів в сталях, заснована на уявленнях про "усадку" зерен внаслідок виділення водню на їх межі. Виведене рівняння для визначення "небезпечної" концентрації водню СНкр, перевищення якої приводить до незворотного розриву зв'язків між зернами. Розрахований можливий тиск водню в мікронещільностях і встановлено, що його рівень у невакуумованих сталях при Т< 200 °С перевищує типове значення руйнуючого напруження. Теоретично показано, що температура флокеноутворення підвищується в межах 120-230 °С із зростанням вмісту водню в сталі від 2 до 10 см3/100г.Ме. Розрахунково-аналітичним шляхом побудовані діаграми, що характеризують ступінь видалення водню з металопродукції різного сортаменту в умовах ізотермічної витримки і безперервного охолоджування. Отримані результати підтверджені під час оптимізації промислових технологій ПФО великогабаритної металопродукції.

9. Методами термодинаміки визначені температурно-концентраційні умови формування різних типів карбідних і нітридних фаз у мікролегованих сталях. Одержані графічні залежності, що дозволяють оптимізувати вміст мікролегуючих елементів в сталях, а також умови термообробки металопродукції з метою формування необхідних видів частинок зміцнюючих виділень.

10. Із застосуванням розробленої комп'ютерної технології одержані нові кількісні дані про вплив хімскладу і параметрів термічної обробки на структуру і властивості товстолистового прокату комплексно-легованих борвмісних ВЗС типу 20ХГМФТР. Побудовані дендрограми і на їх основі розроблені регресійні моделі, за допомогою яких: визначені умови змін характеру впливу кожного технологічного параметра на властивості прокату; встановлена неможливість подальшого підвищення досягнутого рівня міцності сталі при використанні валової технології термічної обробки; показана необхідність формування структури нижнього бейніту в поєднанні з оптимальним охолоджуванням після високого відпуску для отримання високих значень всіх механічних характеристик.

11. З використанням запропонованої комплексної комп'ютерної технології розроблені математичні моделі, які адекватно відображають вплив хімічних елементів і умов термообробки на експлуатаційні властивості листового прокату азотовмісних сталей основних систем легування: 16Г2АФ, 16ГФ, 20Г. У відповідності з результатами термодинамічного аналізу виявлено, зокрема, окрихкуючу дію Si і Al, при пониженому вмісті N в малоперлітних сталях. Показано, що багатоцільова оптимізація хімічних складів сталей типу 16Г2АФ і 20Г валового виробництва дозволяє одержати стабільно високий комплекс їхніх механічних властивостей. Розроблена низка варіантів оптимального легування сталей типу 16Г2АФ, які з високою точністю узгоджуються з результатами раніше проведених промислових розробок. Встановлена неможливість формування гарантованого комплексу механічних властивостей сталей типу 15ГФ в умовах нерегламентованого вмісту азоту при використанні традиційної термічної обробки. Показана необхідність отримання початкової мікроструктури з переважанням нижнього бейніту для досягнення стабільно високого комплексу експлуатаційних властивостей сталей типу 15ГФ в нормалізованому стані.

12. Встановлені нові закономірності, використання яких дозволяє формувати гарантовано високий комплекс експлуатаційних властивостей товстолистового прокату ВЗС мартенситно-бейнітного класу (А.с.СССР№285093). Показано що: аустенитізація при Т >1100 °С, з подальшим прискореним охолодженням попереджує зернограничне окрихкування прокату; формування структури нижнього бейніту перед кінцевим термічним поліпшенням забезпечує повну відсутність флокенів в прокаті завтовшки ? 85 мм, а також отримання високодисперсної кінцевої мікроструктури з гарантовано високим комплексом експлуатаційних властивостей.

13. Виявлені особливості фазового стану, структури і властивостей середньо-легованих дисперсно-зміцнюваних ВЗС, залежно від умов нагрівання поблизу температур А1. Встановлено, що утворення -фази відбувається послідовно на високо- і малокутових межах розділу в -матриці з підвищенням температури поблизу точки А1. Вперше визначені параметри ізотермічної витримки при субкритичних температурах, що забезпечують отримання наддисперсних, однорідно розподілених ділянок (“острівців”) залишкового аустеніту в структурі. Вперше встановлено, що попередня витримка в оптимальних умовах при Т А1, з подальшим термічним поліпшенням, забезпечують формування гарантованого комплексу експлуатаційних властивостей великогабаритної металопродукції

14. Базуючись на результатах проведених досліджень розроблені і впроваджені у виробництво в умовах ВАТ “МК “Азовсталь”:

- технології попередньої термічної обробки: великотоннажних листових зливків ЕШП (А.с. СРСР №301987), товстих листів і плит з вуглецевих і низьколегованих сталей;

- комплексні технології термічного зміцнення: товстолистового прокату сталей мартенситно-бейнітного класу (А.с. СРСР № 285093); великогабаритної металопродукції з дисперсно-зміцнюваних сталей різних структурних класів (Позитивне рішення по заявці № 47689152702); прокату комплексно-легованих борвмісних покращених сталей; листів з малоперлітних сталей, що нормалізуються, з підвищеним вмістом азоту.

15. Впроваджені оптимізовані промислові технології термообробки забезпечують суттєве підвищення ефективності виробництва і якості великогабаритної металопродукції відповідального призначення, що дозволило отримати загальний річний економічний ефект більше 4 млн. грн., при пайовій участі автора 35 %.

Література

1. Ткаченко И.Ф. Ткаченко Ф.К. О стабилизирующем влиянии углерода и движущей силе мартенситного превращения// Известия Вузов. Черная металлургия.-1992.-№6.-С.28-31.

2. Ткаченко И.Ф. Ткаченко Ф.К. Анализ кинетики распада переохлажденного аустенита в перлито-бейнитной области// Известия Вузов. Черная металлургия.-1993.-№2.-С.42-44.

3. Ткаченко И.Ф. Состояние водорода в стали и механизм его влияния на механические и эксплуатационные свойства// Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб.наук.праць.-Маріуполь.-1995.-№1.-С.109-111.

4. Ткаченко И.Ф., Тихонюк Л.С., Тихонюк С.Л. Влияние субграниц на состояние переохлажденного аустенита//Известия РАН. Металлы.-1996.-№2.-С.34-37.

5. Ткаченко И.Ф. О влиянии водорода на механические и эксплуатационные свойства сталей//Известия РАН. Металлы.-1997.-№6.-С.117-119.

6. Ткаченко И.Ф. О возможности расслоения переохлажденного аустенита// Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб.наук.праць.-Маріуполь.-1997.-№3.-С.79-80.

7. Ткаченко И.Ф. Влияние межзеренных границ на зарождение -фазы при распаде переохлажденного аустенита// Известия Вузов. Черная металлургия.-1997.-№4.-С.50 -52.

8. Ткаченко И.Ф. О взаимодействии примесных элементов внедрения с краевыми дислокациями в -твердом растворе// Известия Вузов. Черная металлургия.-1997.-№6.-С.16-19.

Размещено на Allbest.ru