Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

бекетов Олександр Вадимович

УДК 620.181.4:691.714

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСІВ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ І РОЗРОБКА ПАРАМЕТРІВ ЗМІЦНЕННЯ СТАЛІ 10Г2ФБ

Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Лауреат Державної премії України в області науки і техніки, Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор БОЛЬШАКОВ Володимир Іванович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідуючий кафедрою матеріалознавства і обробки матеріалів, ректор.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Левченко Генадій Васильович, Інститут чорної металургії ім. З.І.Некрасова НАН України, завідуючий відділом структуроутворення і властивостей чорних металів;

– кандидат технічних наук, доцент Єгоров Микола Тимофійович, Донецький національний технічний університет, фізико-технічний факультет, завідуючий кафедрою фізичного матеріалознавства.

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України, відділ матеріалознавства сталі, м. Київ.

Захист відбудеться 22 квітня 2004 р. о 13.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий 17 березня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кваша Е.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Аналіз світового досвіду показує, що при виробництві металевих конструкцій відповідального призначення з листового прокату товщиною більш 30 мм виникає проблема додаткового підвищення міцності металу, тому що технологія контрольованої прокатки не завжди дозволяє досягти зростаючих вимог до рівня міцності та пластичності. У зв'язку з цим, для підвищення рівня експлуатаційних властивостей товстолистового прокату (д ? 30 мм) з маловуглецевих низьколегованих сталей бажано застосовувати обробки, які дозволяють одержувати в металі структури бейнітного типу (ферит + бейніт, бейніт, голчастий ферит). При виробництві металевих конструкцій відповідального призначення з листового прокату товщиною понад 30 мм вихідна заготівка піддається зварюванню, гибці та іншим операціям, що призводить до зниження комплексу експлуатаційних властивостей. Це вимагає проведення кінцевих термічних обробок готових металевих конструкцій з метою забезпечення металу рівня властивостей, що задовольняє вимогам діючої нормативної документації.

Враховуючи основні тенденції на найближчі десятиріччя в розвитку нафто- газопровідного транспорту, що передбачають експлуатацію трубопроводів діаметром до 1420 мм з товщиною стінки понад 30 мм за умов підвищеного тиску, представляється доцільним піддавати готові конструкції остаточній зміцнюючій обробці з метою отримання заданого структурного стану, що забезпечує високий рівень властивостей.

У зв'язку з цим, робота, спрямована на підвищення міцності маловуглецевих низьколегованих сталей за рахунок збільшення об'ємної кількості продуктів проміжного перетворення аустеніту в структурі металу, є актуальною.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до науково-дослідних напрямків, що розвиваються кафедрою матеріалознавства і обробки матеріалів Придніпровської державної академії будівництва та архітектури: “Дослідження, розробка і впровадження маловуглецевих низьколегованих сталей для виготовлення металевих конструкцій масового призначення”.

Робота являє собою одну зі складових частин наукових досліджень, що виконуються кафедрою термічної обробки металів Національної металургійної академії України у рамках міждержавної науково-дослідної теми "Исследование процессов структурообразования в малоуглеродистых низколегированных сталях и разработка параметров термического упрочнения соединительных деталей на уровень прочности К60", державний реєстраційний номер 0103U006362.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення міцносних характеристик сталі 10Г2ФБ шляхом отримання в металі структур бейнітного типу на основі дослідження особливостей процесів структуроутворення при різних умовах розпаду переохолодженого аустеніту.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

Встановлено основні закономірності процесів структуроутворення при різних умовах розпаду переохолодженого аустеніту сталі 10Г2ФБ;

Побудовані уточнені ізотермічна і термокінетична діаграми розпаду переохолодженого аустеніту сталі 10Г2ФБ з позначеною областю формування структури голчастого фериту;

Визначено якісні і кількісні співвідношення структурних складових після різних обробок сталі 10Г2ФБ з побудовою відповідної діаграми;

Встановлені параметри тонкої структури сталі 10Г2ФБ після різних зміцнюючих обробок;

Досліджено вплив температурно-часових параметрів зміцнюючої обробки на структуру і комплекс механічних властивостей сталі 10Г2ФБ;

Розроблено і рекомендовано до промислового використання режим зміцнюючої обробки товстолистового прокату з маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ, що забезпечує отримання в металі структури голчастого фериту та комплексу експлуатаційних властивостей, що задовольняє вимогам діючої нормативної документації.

Об'єкт дослідження - закономірності процесів структуроутворення в маловуглецевих низьколегованих сталях типу 10Г2ФБ.

Предмет дослідження - встановлення кореляційних залежностей між параметрами структури і комплексом механічних властивостей після різних режимів зміцнюючої обробки сталі 10Г2ФБ.

Методи дослідження:

В роботі використанні сучасні методи досліджень структури та властивостей металу, а саме: дилатометричний, кількісна оптична мікроскопія, дифракційна електронна мікроскопія тонких фольг, рентгеноструктурний аналіз, випробування механічних властивостей.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Підтверджені на сталі 10Г2ФБ раніше відомі для маловуглецевих низьколегованих сталей аналогічного складу дані про температурний інтервал бейнітного розпаду переохолодженого в ізотермічних умовах аустеніту. Розробка відрізняється матеріалом дослідження. Вона дає можливість керувати об'ємним вмістом бейніту в структурі металу шляхом зміни параметрів ізотермічної обробки.

2. Вперше для сталі 10Г2ФБ визначений температурний інтервал утворення структури голчастого фериту. Розробка відрізняється визначенням температурно-тимчасових умов утворення максимальної кількості голчастого фериту. Це дозволяє проводити зміцнюючу обробку сталей типу 10Г2ФБ, спрямовану на отримання в структурі металу максимальної кількості голчастого фериту.

3. Уточнений для сталі 10Г2ФБ досліджуваного складу, раніше відомий для маловуглецевих низьколегованих сталей, інтервал швидкостей охолодження, в якому утворюються структури бейнітного типу. Розробка відрізняється встановленням морфологічних типів бейнітних структур, що утворюються. Результати досліджень дозволили установити швидкості охолодження, необхідні для отримання заданого морфологічного типу бейніту.

4. Вперше методом електронної мікродифракції встановлено, що в пакеті голчастого фериту кристалічні решітки рейок орієнтовані між собою згідно з орієнтаційними співвідношеннями Курдюмова-Закса при г>б перетворенні. Це дозволило встановити, що, відповідно до моделі решітки співпадаючих вузлів, границі між рейками в пакеті голчастого фериту є спеціальними і мають знижену енергію та особливі властивості.

5. Вперше визначені кореляційні співвідношення між об'ємними долями структурних складових, параметрами зміцнюючої обробки металу в області формування голчастого фериту та комплексом механічних властивостей сталі 10Г2ФБ. Розробка дозволила встановити температурно-часові параметри формування в структурі сталі, що досліджується, до 70% голчастого фериту. Це дало можливість розробити оптимальний режим зміцнюючої обробки з окремого нагріву маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ, що забезпечує клас міцності (за стандартом АPI) Х70 і вище.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

у розробці параметрів режиму зміцнюючої обробки з окремого нагріву маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ, що забезпечує отримання регламентованого структурного стану з прогнозованим рівнем властивостей класів міцності Х70 і вище;

у можливості використання результатів досліджень при створенні промислових варіантів режимів зміцнення маловуглецевих низьколегованих сталей типу 09...12Г2ФБ, у тому числі при виробництві сполучних деталей магістральних трубопроводів і трубних обичайок діаметром до 1420 мм із товщиною стінки понад 30 мм;

у визначенні температурно-часових інтервалів утворення в маловуглецевих низьколегованих сталях типу 10Г2ФБ максимальної кількості структури голчастого фериту в процесі зміцнюючої обробки, а також у застосуванні нових методик в учбово-методичній роботі:

у впровадженні в навчальний процес методичних вказівок по дослідженню процесів кінетики структуроутворення в маловуглецевих низьколегованих сталях;

у використанні в навчальному процесі методики визначення типу міжзеренних границь в полікристалічних матеріалах на підставі узагальнення результатів електронно-мікродифракційних досліджень, проведених в роботі.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем отримані самостійно. Автором досліджені основні закономірності процесів структуроутворення в маловуглецевих низьколегованих сталях типу 10Г2ФБ і встановлені температурно-часові інтервали формування структури голчастого фериту вільного від вторинних фаз на границях рейок. Встановлено режим зміцнюючої обробки, при якому у структурі сталі, що досліджується, формується максимальна кількість голчастого фериту. Методами дифракційної електронної мікроскопії визначені типи і будова спеціальних границь між рейками в пакеті голчастого фериту на підставі аналізу можливих варіантів орієнтаційних співвідношень Курдюмова-Закса. Розроблений і рекомендований до промислового використання режим зміцнення товстолистового прокату із сталей типу 10Г2ФБ, що забезпечує отримання в структурі металу до 70% голчастого фериту і необхідний за діючими нормативними документами рівень механічних властивостей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали позитивну оцінку на двох міжнародних семінарах по моделюванню й оптимізації композитів (ОДАБА, м. Одеса, квітень 2000 та 2001р.), на міжнародній конференції "Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов" (МІСіС, г. Москва 2001р.), на міжнародних конференціях "Стародубовские чтения" (м. Дніпропетровськ, квітень 2000, 2001, 2002 та 2003р.), на Польсько-Українському семінарі "Теоретичні основи будівництва" (м. Дніпропетровськ, червень 2000 та 2001р.), а також на відкритих засіданнях і семінарах кафедри матеріалознавства й обробки матеріалів (ПГАСА, м. Дніпропетровськ, 2000-2003р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 17 роботах, з яких 12 опубліковано у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації містить 158 сторінок, у тому числі 115 сторінок машинописного тексту; 71 малюнків; 13 таблиць; список використаних джерел - 154 найменувань; 2 додатки на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані вибір і актуальність напрямку дослідження, мета, задачі і методи дослідження, наукова новизна і практичне застосування результатів дисертаційної роботи; зазначений особистий внесок здобувача і наведені відомості про апробацію результатів досліджень.

У першому розділі представлений огляд попередніх досліджень за темою дисертаційної роботи. Проаналізовано технології зміцнення прокату з маловуглецевих низьколегованих сталей підвищеної міцності. Подано опис систем легування, основних технологій і механізмів зміцнення товстолистового прокату з розповсюджених сталей вітчизняного і зарубіжного виробництва, які використовуються для виготовлення металевих конструкцій відповідального призначення.

У вітчизняній практиці базовим матеріалом для виробництва труб, з'єднувальних деталей і зварювальних металевих конструкцій відповідального призначення є сталі типу 09...12Г2ФБ, тому основний обсяг досліджень був виконаний на товстолистовій сталі 10Г2ФБ виробництва ВАТ “Металургійний комбінат ім. Ілліча” (м. Маріуполь).

Аналіз літературних даних показав, що контрольована прокатка з наступним прискореним охолодженням забезпечує високий рівень експлуатаційних властивостей тільки при товщині металу ? 30 мм. Для отримання рівня міцності Х70 і вище на зазначених товщинах прокату необхідним є застосування додаткових способів зміцнення, наприклад обробки з окремого нагрівання, спрямованої на отримання максимально можливої об'ємної долі продуктів проміжного перетворення аустеніту в структурі металу.

У другому розділі наведено використані в роботі матеріали і методи досліджень.

Матеріалом для даного дослідження була обрана маловуглецева низьколегована сталь 10Г2ФБ наступного складу: 0,09% C; 1,83% Mn; 0,18% Si; 0,005% S; 0,015% P; 0,01% Cr; 0,088% V; 0,022% Nb; 0,023% Ti; 0,006% Mo.

Дослідження закономірностей процесів структуроутворення в сталі 10Г2ФБ у процесі ізотермічної обробки і при безперервному охолодженні здійснювали на дилатометрах АД-80 і МД-83 конструкції Інституту чорної металургії ім. З.І.Некрасова (м. Дніпропетровськ).

Дослідження структури обробленого за різними режимами металу проводили за допомогою металографічного мікроскопу “Неофот-2” при світлопольному прямому освітленні. Після механічного шліфовування зразки піддавали електролітичному поліруванню та подальшому травленню.

Електронномікроскопічні і мікродифракційні дослідження сталі після контрольованої прокатки і наступних зміцнюючих обробок проводили методом тонких фольг на електронних мікроскопах JEM -7А і ЭМ-125К. Стереографічну обгрунтовку мікродифракційних картин та аналіз орієнтацій кристалевих решіток бейнітних рейок здійснювали за допомогою стандартних проекцій та сітки Вульфа діаметром 200 мм. Мікродифракційна стала мікроскопів була визначена за допомогою еталону полікристалевого зразка и дорівнювала лL=18,2 ?.

Рентгеноструктурні дослідження проводили за допомогою дифрактометру ДРОН-4-03. Зйомку робили в К_б (кобальтовому) випромінюванні з кроком сканування 0,02 по 151 крапці. При цьому щільність дислокацій розраховували по лінії (110) і визначали за формулою

(1)

де А - коефіцієнт пропорційності,

- фізичне розширення лінії (2)

Механічні властивості сталі 10Г2ФБ визначали на стандартних циліндричних зразках діаметром 10 мм відповідно до ГОСТ 1497-84 на універсальній іспитовій машині FP 100/1. Випробування на ударну в'язкість зразків розміром 10Ч10Ч55 мм із V-образним концентратором напруг проводили відповідно до ГОСТ 9454-78 на маятниковому копрі 2130КМ-03.

У третьому розділі представлені результати дослідження закономірностей кінетики розпаду переохолодженого аустеніту сталі 10Г2ФБ в ізотермічних умовах, виконаних для отримання базових даних і подальшого їх порівняння с результатами досліджень в умовах безперервного охолодження металу. ферит сталь маловуглецевий

Кінетика ізотермічного перетворення аустеніту сталі 10Г2ФБ узагальнена і представлена у вигляді ізотермічної діаграми.

Аналіз діаграми і мікроструктурні дослідження показали, що при всіх температурах ізотермічної витримки вище 600°С переохолоджений аустеніт розпадається з утворенням фериту і перліту в різних співвідношеннях.

У ході проведення досліджень методом світлової мікроскопії було встановлено, що при температурах ізотермічного перетворення 550...450°С в сталі 10Г2ФБ переохолоджений аустеніт розпадається з утворенням продуктів бейнітного розпаду. При температурі ізотермічної витримки нижче 400°С аустеніт розпадається за бездифузійним механізмом, що підтверджують літературні дані, згідно з якими температура мартенситного перетворення для сталей цього типу знаходиться в області 430±10°С (М_н).

Електронномікроскопічні дослідження тонких фольг, виготовлених з дилатометричних зразків, дозволили встановити, що ізотермічна витримка при температурі 550°С призводить до формування дифузійним шляхом незначної кількості поліедричного фериту, після чого аустеніт розпадається за проміжним механізмом. Бейніт, що утворився в структурі досліджуваного металу, з виділеннями часток другої фази на границях між рейками та середньою щільністю дислокацій с=1,1Ч10¹⁴ м^-2, може бути віднесений до верхнього. При даному режимі ізотермічної обробки виявлена наявність в структурі сталі 10Г2ФБ до 20% голчастого фериту.

Зниження температури ізотермічного перетворення до 500…450°С призводить до підвищення щільності дислокацій в металі до с=2,6Ч10¹⁴ м^-2. Це сприяє перерозподілу вуглецю і утворенню атмосфер із атомів проникнення навколо дислокацій, що створює бар'єри для їх руху. При цьому зменшується ймовірність утворення часток вторинної фази на границях рейок фериту і зростає кількість голчастого фериту (безкарбідного бейніту). Результати електронномікроскопічних досліджень показали, що максимальна кількість голчастого фериту в сталі, що досліджується, при ізотермічної обробці при 500°С складає близько 70%.

У четвертому розділі представлені результати досліджень закономірностей кінетики фазових і структурних перетворень при безперервному охолодженні сталі 10Г2ФБ у інтервалі швидкостей 0,04...600°С/с.

Аналіз термокінетичної діаграми та мікроструктурні дослідження показали, що при швидкості охолодження від 0,04 до 0,9°С/с структура досліджуваного металу складається з фериту і перліту. Перліт виділяється в лікваційних смугах у вигляді колоній.

Бейніт починає формуватися в структурі сталі 10Г2ФБ при охолодженні зі швидкістю 7°С/с. Найбільша кількість бейніту (70%) утворюється при швидкостях охолодження від 12°С/с. Мікроструктурні дослідження показали, що при таких швидкостях охолодження бейніт має, в основному, рейкову морфологію.

Збільшення швидкості охолодження до 85°С/с приводить до утворення в структурі сталі бейніто-мартенситного конгломерату.

Електронномікроскопічні дослідження тонкої структури сталі 10Г2ФБ показали: бейніт, що утворився при швидкості охолодження 7°С/с можна розділити за морфологічними ознаками на гранулярний (зернистий) та пакетний рейковий.

Після охолодження зі швидкістю 12°С/с у мікроструктурі сталі, крім означених вище морфологічних форм бейніту, спостерігається структура, що класифікована як голчастий ферит або безкарбідний бейніт. Охолодження зі швидкістю 34°С/с призводить до утворення в структурі сталі максимальної кількості голчастого фериту.

Мікродифракційні дослідження кристалів із застосуванням селекторних діафрагм з площею менш 1мкм² та подальший стеріографічний аналіз 56 пар показали, що кристалеві решітки рейок в пакетах голчастого фериту орієнтовані між собою відповідно до реалізації орієнтаційних співвідношень Курдюмова-Закса між аустенітом і феритом при г>б перетворенні. В одному пакеті співіснує 6 орієнтацій кристалів голчастого фериту по одній із площин {111}_г аустеніту. Усі шість варіантів орієнтацій кристалів голчастого фериту групуються таким чином, що утворюються пари, що формуються при поворотах решіток навколо напрямку [011]_б паралельного [111]_г: три пари - на кут 70,5°, три пари - на 49,5°, три пари - на 10,5° і шість пар - на 60,0°. Таким чином, порівнюючи кути поворотів решіток голчастого фериту, отриманих згідно з орієнтаційними співвідношенями Курдюмова-Закса з теоретичними, що визначаються концепцією РСУ, можна зробити висновок, що структура границь між рейками у пакеті голчастого фериту може бути описана, відповідно до сучасної теорії будови великокутових границь, зворотною щільністю співпадаючих вузлів У=3, У=11, У=33, У=129.

Отже, більшість з границь між рейками в пакеті голчастого фериту є спеціальними, тобто мають знижену поверхневу енергію. Наприклад, розшифровка поширеного типу електронограм від двох сусідніх рейок у пакеті голчастого фериту показує, що кристали орієнтовані осями зон [100] _б і [111] _б. Стереографічний аналіз показує, що найбільш близькими варіантами орієнтаційного співвідношеня Курдюмова-Закса для полюсів (111)_б і (100)_б є варіанти, що характеризуються поворотами на 49,5° навколо [011]_б.

Наявність спеціальних низько енергетичних границь між рейками у пакеті голчастого фериту сприяє підвищенню ударної в'язкості, пластичності, та інших фізичних властивостей.

Результати проведених мікроструктурних, дилатометричних і електронномікроскопічних досліджень були узагальнені у вигляді структурної діаграми, яка дозволяє оцінити кількісний об'єм різних структурних складових у залежності від швидкостей охолодження сталі 10Г2ФБ.

Для оцінки можливості використання результатів проведених досліджень при описані структурних перетворень у реальних виробах була проведена термічна обробка карток, вирізаних з листа заводської плавки, за наступним режимом: нагрів до 980°С, витримка 19 хвилин, охолодження в різних середовищах до температури 25°С.

Результати кількісних металографічних досліджень структурних складових металу, що досліджується, приведені в таблиці 1. Там же приведені розраховані за структурною діаграмою значення об'ємів мікроструктурних складових.

Порівняння розрахункової кількості мікроструктурних складових (за даними структурної діаграми) та експериментальних значень дає підставу вважати, що структурна діаграма об'єктивно відбиває кінетику розпаду аустеніту при охолодженні в широкому інтервалі швидкостей і може бути використана для прогнозування процесу структуроутворення при зміцнюючій обробці маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ.

Таблиця 1 Відсотковий об'єм структурних складових* після охолодження сталі 10Г2ФБ в інтервалі швидкостей 1,2...25°С/с

Середовище та швидкість охолодження, °С/с	Ферит	Перліт	Бейніт	Мартенсит	Голчастий ферит
Повітря (1,2)	84/84	16/16	-	-	-
Гаряча (?90°С) вода (10)	43/40	-	57/60	-	-
Олія (15)	23/30	-	50/50	-	27/20
Холодна (25°С) вода (25)	12/10	-	15/20	23/25	50/45

* - у чисельнику представлені розрахункові значення, у знаменнику - експериментальні

У п'ятому розділі розроблені параметри зміцнюючої обробки з окремого нагріву маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ з ферито-перлітною структурою , що забезпечує рівень міцності Х70 і вище.

Результати дослідження впливу швидкості охолодження на комплекс механічних властивостей маловуглецевої низьколегованої сталі 10Г2ФБ наведені в таблиці 2. Вони доводять, що охолодження металу в холодній воді (25°С) призводить до підвищення міцності сталі, але при цьому спостерігається незадовільна пластичність, тому необхідною стає наступна операція відпуску. Охолодження металу на повітрі призводить до високих пластичних показників з низьким рівнем міцності.

В'язкість металу, що досліджується після різних режимів прискореного охолодження без наступної операції відпуску не задовольняє вимогам нормативної документації.

На підставі результатів досліджень показано, що для отримання в металі комплексу властивостей, що відповідають класу міцності Х70 і вище, доцільно збільшити об'ємну долю голчастого фериту в структурі сталі 10Г2ФБ до 70%. Дані аналізу літературних джерел також показують, що оптимальні співвідношення структурних складових (ферит-бейніт) в маловуглецевих низьколегованих сталях є Ф-60...70%, Б-40...30%. На підставі результатів досліджень був запропонований режим обробки, який забезпечує отримання в сталі 10Г2ФБ рівня властивостей, що відповідають класу міцності Х70 і вище.

Таблиця 2 Механічні властивості сталі 10Г2ФБ у залежності від швидкості охолодження

Параметри обробки	Межа плинності (ут), МПа	Межа міцності (ув), МПа	Відносне видовження (д), %	Відносне звуження (ш), %
Вихідний стан металу деталей після усіх технологічних операцій	380	570	27	68
Після аустенітизації (Та=980°С) та охолодження на повітрі (1,2°С/с)	395	570	29	72
Після аустенітизації (Та=980°С) та охолодження в киплячій воді (10°С/с)	500	700	25	69
Після аустенітизації (Та=980°С) та охолодження в олії (15°С/с)	550	760	19	62
Після аустенітизації (Та=980°С) та охолодження в холодній воді (25°С/с)	720	880	17	59
Вимоги стандарту АPI до класу міцності Х70	500...600	600...700	?20	60...70

Зміцнююча обробка містить у собі нагрів до температури аустенітизації, витримку в г-області (1 хвилина на 1мм поперечного перерізу), прискорене охолодження до температури утворення в структурі металу максимальної кількості голчастого фериту (500°С), витримку при цій температурі протягом 10, 20 і 60 хвилин і наступне охолодження на повітрі. Для порівняння комплексу механічних властивостей були проведені ізотермічні обробки металу, що досліджується, у верхній і нижній частині температурного інтервалу бейнітного перетворення (550°С та 450°С) з витримками 10, 20 і 60 хвилин.

Результати досліджень впливу параметрів зміцнюючої обробки в температурному інтервалі формування структури голчастого фериту на комплекс механічних властивостей сталі 10Г2ФБ наведені в таблці 3.

Обробка при температурі 550°С призводить до мінімальних значень характеристик міцності і максимальних значень пластичності металу. Обробка при температурі 450°С призводить до утворення в структурі сталі змішаного бейнітно-мартенситного конгломерату. Як наслідок, спостерігається зріст характеристик міцності з одночасним зниженням пластичності.

Таблиця 3. Механічні властивості сталі 10Г2ФБ в залежності від параметрів зміцнюючої обробки

Час ізотермічної витримки, хв	Межа плинності (ут), МПа	Межа міцності (ув), МПа	Відносне подовження (д), %	Відносне звуження (ш), %	Ударна в'язкість (KCV-40), Дж/см2	Об'ємна доля структурних складових ВБ/НБ/ГФ/М
Температура 550°С
10	625	685	18	65	60	70/20/10/0
20	570	675	20	68	65	75/15/10/0
60	530	640	25	70	66	75/15/10/0
Температура 500°С
10	615	708	17	70	73	8/24/68/0
20	650	713	19	65	75	10/20/70/0
60	670	708	21	70	74	10/22/68/0
Температура 450°С
10	670	720	15	70	61	0/60/30/10
20	660	715	17	73	60	0/65/25/20
60	630	705	19	74	63	0/65/25/20

Після зміцнюючої ізотермічної обробки при температурі 500°С протягом 20 та 60 хвилин метал, що досліджується, має рівень міцносних та пластичних властивостей, який задовольняє вимогам нормативної документації. Зміцнююча обробка при даній температурі призводить до утворення в структурі сталі максимальної кількості безкарбідного бейніту (голчастого фериту).

Проведений комплекс досліджень доводить, що зміцнююча обробка з окремого нагріву виробів із маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ товщиною ?30мм у запропонованому режимі призводить до підвищення міцності при задовільному рівні пластичності та в'язкості властивостей і дозволяє досягти в металі рівень властивостей, що задовольняє класу міцності Х70 і вище.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. Аналіз світового виробничого досвіду з питань підвищення міцності маловуглецевих низьколегованих сталей показав, що розробки за темою даної роботи є актуальними.

2. Підтверджені для сталі 10Г2ФБ, відомі раніше для сталей аналогічного складу, температурно-часові інтервали утворення структур бейнітного типу, як в ізотермічних умовах, так і при безперервному охолодженні. Побудовані ізотермічна і термокінетична діаграми розпаду переохолодженого аустеніту для сталі 10Г2ФБ.

3. Вперше для сталі 10Г2ФБ досліджена тонка структура бейнітних складових, що утворюються в процесі розпаду переохолодженого аустеніту маловуглецевої низьколегованої сталі 10Г2ФБ в ізотермічних та термокінетичних умовах.

4. Вперше для сталі 10Г2ФБ визначені температурно-часові інтервали утворення структури голчастого фериту. Результати досліджень дозволили побудувати уточнені ізотермічну і термокінетичну діаграми для сталі 10Г2ФБ с позначенням області формування голчастого фериту.

5. Вперше методом електронної мікродифракції доведено, що рейки в пакеті голчастого фериту орієнтовані між собою згідно з орієнтаційними співвідношеннями Курдюмова-Закса. Це дало можливість встановити, що границі між рейками в пакеті голчастого фериту мають спеціальну частково упорядковану структуру, знижену енергію та особливі властивості.

6. Вперше експериментально отримані кореляційні співвідношення між структурою, параметрами термічної обробки з окремого нагрівання і комплексом властивостей сталі 10Г2ФБ. Це дозволило отримати у процесі зміцнюючій обробки металевих конструкцій відповідального призначення з маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ регламентований структурний стан з прогнозованим комплексом механічних властивостей.

7. На підставі проведених досліджень та аналізу їх результатів, розроблені параметри технології термічного зміцнення з окремого нагріву маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ, що забезпечує клас міцності Х70 та отримання в структурі сталі максимальної кількості голчастого фериту (до 70%). Запропонована технологія рекомендується для виробництва металевих конструкцій відповідального призначення, наприклад, сполучних деталей магістральних трубопроводів і трубних обичайок діаметром до 1420 мм із товщиною стінки більш 30 мм.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

За результатами дисертаційної роботи опубліковано 17 праць, а саме:

Большаков В.И., Лукьянскова А.Н., Бекетов А.В. Опыт производства высокопрочных конструкционных сталей в нашей стране // Theoretical Foundations of civil Engineering.- Warsaw (Poland). - V8. - 2000. - P. 400-409. (автором проведені дослідження розвитку технологій виробництва маловуглецевих низьколегованих конструкційних сталей).

Большаков В.И., Бекетов А.В. Исследование структуры и механических свойств строительных сталей после “прямой закалки” // Металознавство та термічна обробка металів. - 2000. - №2. - С. 28-41. (автором проведені дослідження структури сталі після використання регламентованого охолодження від температури чистової прокатки).

Большаков В.И., Чайковский О.А., Воробьев Г.М., Бекетов А.В. Некоторые аспекты образования структуры игольчатого феррита // Сб. научных трудов Строительство, материаловедение, машиностроение. - Вып. 11 "Стародубовские чтения 2001". - Днепропетровск, ПГАСиА. 2001. - С. 157-158. (автором виконанено аналіз літературних даних щодо структури голчастого фериту).

Большаков В.И., Воробьев Г.М., Бекетов А.В. Строительные стали повышенной и высокой прочности со структурой бейнита и игольчатого феррита // Theoretical Foundations of civil Engineering.- Warsaw (Poland). - V9. - 2001. - P. 25-32. (автором досліджені основні напрямки використання конструкційних сталей підвищеної міцності).

Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Бекетов А.В., Евсюков М.Ф. Исследования процессов структурообразования в штрипсовых V-Nb-Ti содержащих сталях // Металознавство та термічна обробка металів. - 2001. - №3. - С. 62-76. (автором проведені металографічні дослідження структури сталі 10Г2ФБ після розпаду переохолодженого аустеніту в різноманітних умовах).

Большаков В.И., Бекетов А.В., Голобородько С.С. Превращение аустенита в промежуточной области температур // Сб. научных трудов перспективные задачи инженерной науки. - Вып. 2. - Днепропетровск, Gaudeamus. 2001. - С. 41-58. (автором проведено аналіз існуючих класифікаційних систем продуктів перетворення аустеніту в проміжному інтервалі температур).

Большаков В.И., Бекетов А.В., Дейнеко Л.Н., Евсюков М.Ф., Бардах А.Е. Исследование фазовых превращений стали 10Г2ФБ при охлаждении с различными скоростями // Сб. научных трудов Строительство, материаловедение, машиностроение. - Вып. 15 "Стародубовские чтения 2002", часть 1. - Днепропетровск, ПГАСиА. 2002. - С. 250-255. (автором виконанні основні експериментальні дослідження).

Bolshakov V.I., Beketov A.V. The method of thermal and thermomechanical treatment of low-carbon low-alloyed steеls // Металознавство та термічна обробка металів. - 2002. - №1. - С. 14-21. (автором проаналізовані основні методи підвищення рівня міцності конструкційних сталей).

Большаков В.И., Панкова М.Н., Сухомлин Г.Д., Бекетов А.В. Морфология продуктов распада аустенита в бейнитной области при ускоренном охлаждении стали 10Г2ФБ // Металознавство та термічна обробка металів. - 2002. - №2-3. - С. 6-10. (автором проведені мікроструктурні дослідження).

Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Бекетов А.В., Ильюшонок В.В. Исследование процессов структурообразования при распаде аустенита сталей типа 10Г2ФБ в промежуточной области температур // Металознавство та термічна обробка металів. - 2002. - №4. - С. 12-16. (автором проведені основні експериментальні дослідження).

Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Бекетов А.В., Ильюшонок В.В. Особенности структурообразования в нижнем температурном интервале бейнитной области стали 10Г2ФБ // Сб. научных трудов Строительство, материаловедение, машиностроение. - Вып. 22 "Стародубовские чтения 2003", часть 1. - Днепропетровск, ПГАСиА. 2003. - С. 107-113. (автором проведені мікроструктурні дослідження).

Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Сухомлин Г.Д., Бекетов А.В., Голобородько С.С. Исследование структуры и механических свойств толстолистовой стали 10Г2ФБ после распада переохлажденного аустенита в промежуточном интервале температур // Металознавство та термічна обробка металів. - 2003. - №1-2. - С. 62-70 (автором проведені основні теоретичні та експериментальні дослідження).

Большаков В.И., Бекетов А.В. Проблематика бейнитного превращения // Сб. научных трудов Строительство, материаловедение, машиностроение. - Вып. 10 "Стародубовские чтения 2000". - Днепропетровск, ПГАСиА. 2000. - С. 184-185. (автором сформульовані основні напрямки теоретичних та експериментальних досліджень бейнітного перетворення).

Большаков В.И., Бекетов А.В., Дубров Ю.И. О прогнозировании механических свойств малоуглеродистой низколегированной стали // Труды Междунар. конф. “Рациональный эксперимент в материаловедении” (МОК'39). - Одесса: Астропринт. - 2000. - С. 134. (автором проведені теоретичні дослідження).

Большаков В.И., Бекетов А.В., Дубров Ю.И., Дейнеко Л.Н. Синтез математической модели процесса превращения аустенита в промежуточной области // Труды Междунар. конф. “Моделирование и оптимизация в материаловедении” (МОК'40). - Одесса: Астропринт. - 2001. - С. 134-135. (автором зроблена математична модель перетворення аустеніту в бейнітному інтервалі температур).

Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Бекетов А.В., Дубров Ю.И. Пути численной интерпретации вербальной модели в материаловедении // Сб. научных трудов Математика, компьютер, образование. - Вып. 8. - М.: Прогресс-традиция. - 2002. - С. 507-510. (автором сформульовані основні шляхи інтерпретацій вербальних моделей на прикладі моделі бейнітного перетворення).

Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Бекетов А.В., Евсюков М.Ф. Исследование закономерностей структурообразования в V-Nb-Ti содержащих сталей, обеспечивающих в промышленных условиях уровень прочности Х70 // Сб. научных трудов Бернштейновские чтения по термомеханической обработки металлических материалов. - М.: МИСиС. - 2001. - С. 61. (автором виконанні основні експериментальні дослідження).

АНОТАЦІЯ

Бекетов О.В. Особливості процесів структуроутворення та розробка параметрів зміцнення сталі 10Г2ФБ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01. - матеріалознавство. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертаційна робота спрямована на вивчення особливостей процесів структуроутворення та підвищення міцносних характеристик сталі 10Г2ФБ шляхом розробки температурно-часових параметрів зміцнення. Встановлено, що низьколеговані сталі промислового виробництва мають великі резерви підвищення міцносних та пластичних властивостей. Досліджені основні закономірності кінетики процесів структуроутворення в маловуглецевих низьколегованих сталях типу 10Г2ФБ. Встановлені температурно-часові інтервали утворення структур бейнітного типу, у тому числі структури голчастого фериту. У роботі вперше доведено, що кристали голчастого фериту утворюються згідно з орієнтаційними співвідношеннями Курдюмова-Закса. Показано, що в пакеті кожен з 6 варіантів орієнтаційних співвідношень має визначену структуру границі. У залежності від кута розвороту, ці границі мають бути або двійниковими, або спеціальними, які відповідають, згідно з сучасною теорією будови спеціальних границь, зворотній щільності співпадаючих вузлів У=3, У=11, У=33, У=129. Встановлені кореляційні залежності між кількісним складом структурних складових та параметрами термічної обробки. Розроблений та запропонований для промислового використання режим зміцнення маловуглецевих низьколегованих сталей типу 10Г2ФБ, що забезпечує отримання в структурі металу 70% голчастого фериту рівня міцності Х70 та вище.

Ключові слова: структуроутворення, мікроструктура, механічні властивості, електронна мікроскопія, мікродифракція, структура границь, зміцнення.

АННОТАЦИЯ

Бекетов А.В. Особенности процессов структурообразования и разработка параметров упрочнения стали 10Г2ФБ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск 2004.

Диссертация направлена на повышение прочностных характеристик малоуглеродистых низколегированных сталей типа 10Г2ФБ путем разработки параметров упрочнения на основе исследования особенностей процессов структурообразования.

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика диссертации.

В первом разделе проведен анализ литературных источников, посвященных тематике исследований. Рассмотрены основные механизмы упрочнения и их влияние на структуру и комплекс эксплуатационных свойств малоуглеродистых низколегированных сталей, используемых для изготовления металлических конструкций ответственного назначения. Проанализированы схемы термической и термомеханической обработки проката из малоуглеродистых низколегированных сталей повышенной прочности.

Во втором разделе приведены методы исследования металла после различных упрочняющих обработок

В третьем разделе представлены результаты исследования закономерностей кинетики распада переохлажденного аустенита стали 10Г2ФБ в изотермических условиях.

Установлено, что в процессе изотермического распада переохлажденного аустенита малоуглеродистой низколегированной стали 10Г2ФБ структуры бейнитного типа формируются в интервале температур 600…450°С.

Показано, что в процессе изотермического превращения аустенита исследуемого типа сталей структура игольчатого феррита образуется в интервале температур 550…450°С. При этом уставлено, что максимальное количество игольчатого феррита формируется при температуре изотермического превращения 500°С.

В четвертом разделе представлены результаты исследований закономерностей кинетики фазовых превращений при непрерывном охлаждении стали 10Г2ФБ в широком интервале скоростей.

Установлено, что структуры бейнитного типа начинают образовываться в исследуемых сталях при скорости охлаждения 7°С/с. Показано, что при данной скорости охлаждения формируются морфологически различные типы бейнита: гранулярный (зернистый) реечный и бейнит с карбидами. Установлено, что структура игольчатого феррита образуется при скоростях охлаждения от 10 до 90°С/с. При этом максимальное количество игольчатого феррита формируется в интервале скоростей охлаждения 30…34°С/с.

Методом электронномикродифракционного анализа показано, что кристаллы решеток реек в пакете игольчатого феррита ориентированны согласно реализации ориентационных соотношений Курдюмова-Закса. При этом установлено, что границы между рейками в пакете игольчатого феррита являются специальными, описываются, согластно современной теории строения большеугловых границ, обратной плотностью совпадающих узлов У=3, У=11, У=33, У=129 и обладают особыми свойствами.

Определены корреляционные соотношения между количественным составом структурных составляющих и интенсивностью охлаждения стали 10Г2ФБ.

В пятом разделе разработан режим упрочняющей обработки малоуглеродистых низколегированных сталей типа 10Г2ФБ, обеспечивающей уровень прочности Х70 и выше.

Результаты исследования влияния скорости охлаждения на комплекс механических свойств малоуглеродистой низколегированной стали 10Г2ФБ показали, что наиболее перспективным упрочнением таких сталей является ускоренное охлаждение со скоростями 10…15°С/, при которых в исследуемом металле образуются феррито-бейнитная или бейнитная структуры. Для получения в металле требуемого комплекса эксплуатационных свойств необходимо увеличить объемную долю продуктов бейнитного превращения аустенита, в частности игольчатого феррита.

На основании установленных температурно-временных интервалов образования бейнитных структур получено регламентированное структурное состояние с прогнозируемым комплексом механических свойств и разработан режим упрочнения малоуглеродистых низколегированных сталей типа 10Г2ФБ, обеспечивающий получения до 70% игольчатого феррита в структуре металла и уровень свойств Х70 и выше.

Ключевые слова: структурообразование, микроструктура, механические свойства, электронная микроскопия, микродифракция, структура границ, упрочнение.

SUMMARY

Beketov A.V. The peculiarities of structure-making processes and parameters' development strengthening of 10Г2ФБ steel. - Manuscript.

Dissertation for the degree by specialty 05.02.01 - science of materials. - Prydniprovsk State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnipropetrovsk, 2004.

The dissertation focuses on studying the peculiarities of structure-making and parameters' development of 10Г2ФБ steel strengthening. It is found out that low alloyed steel of industrial production has great reserves of strength and plastic properties. The main laws of kinetics processes of structure-making in low carbon low alloyed steels, such as 10Г2ФБ, have been investigated. The temperature-time intervals of bainitic-type structure making, including acicular ferrite, have been stated. In the present work, for the first time the author proved that the crystals of bainitic ferrite are formed according to relationship Kurdiumov-Zaks. It is stated that each of 6 variations of orientational correlations on (111)_г has a certain structure of borders. Depending on a turn-angle these borders must be either twins or special, those which correspond to the modern theory of special borders formation, reciprocal density of coincident units У=3, У=11, У=33, У=129. Correlating dependence between quantity composition of structural compounds and parameters of processing has been established. The author worked out and offered for industrial usage the strengthening of low carbon low alloyed steels, such as 10Г2ФБ. This provides the reception of 70% acicular ferrite in the structure of metal and meets the requirements of strengthening level X70 and higher.

Key words: structure-making, microstructure, mechanic testing, diffraction electronic microscopy, microdiffraction, structure grain boundaries, strengthening, acicular ferrite.

Размещено на Allbest.ru

...