Размещено на http://www.allbest.ru/

Приазовський державний технічний університет

УДК 669.017.3(043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

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

05.16.01 - Металознавство і термічна обробка металів

Ткаченко Ігор Федорович

Маріуполь - 2007

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі “Матеріалознавство” Приазовського державного технічного університету (м. Маріуполь) МОН України

Науковий консультант:

- доктор технічних наук, професор Троцан Анатолій Іванович Інститут проблем матеріалознавства НАН України (м. Київ), завідувач відділом матеріалознавства сталі. легований сталь термічний

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Пілюшенко Віталій Лаврентійович Донецька державна академія управління (м. Донецьк), проректор з наукової роботи;

- доктор технічних наук, професор Левченко Геннадій Васильович Інститут чорної металургії НАН України (м. Дніпропетровськ), завідувач відділом структуроутворення і властивостей чорних металів;

- доктор технічних наук, професор Алімов Валерій Іванович професор кафедри “Фізичне матеріалознавство” Донецького державного технічного університету (м. Донецьк).

Захист відбудеться “28“ вересня 2007 р. о 12-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий “22” серпня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради д.т.н., проф. Маслов В.О.

Загальна характеристика роботи

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.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові і практичні результати, представлені в дисертації, одержані автором під час досліджень проблем формування структури і властивостей комплексно-легованих високоміцних зварюваних сталей, що проводилися в період з 1985 по 2005 р.р. при виконанні: комплексної міжгалузевої програми № 8-1 від 28.11.1987 "Удосконалення технології термообробки зливків ЕШП і листів вакуумованих сталей 370" згідно з наказом Мінчермету СРСР № 84 від 08.04.1987; розділів комплексних науково-дослідних робіт, програм і планів оперативних заходів, що проводилися ЦНДІЧермет ім. М.П.Бардіна в умовах МК "Азовсталь" і Донецького металургійного заводу з розробки і впровадження нових технологій виробництва зливків ЕШП, товстих листів і плит з високоміцних зварюваних сталей спеціального призначення (1985-1991 р.р.); господарських договорів з ЦНДІКМ "Прометей" (1990-1991 р.р.) і ВАТ "МК "Азовсталь" (1991-1997 р.р.); робіт в рамках договору про науково-технічну співдружність між ПДТУ і ВАТ "МК "Азовсталь" (1997-2005 р.р.). Тематика дисертаційної роботи відповідає Державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р.

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.

Об'єкт досліджень - процеси формування структурних станів і експлуатаційних властивостей термічно зміцнюваних комплексно-легованих конструкційних сталей відповідального призначення.

Предмет досліджень - вплив хімічного складу і умов термообробки складно-легованих низьковуглецевих сталей на їх структуру, комплекс експлуатаційних властивостей (механічних характеристик, критичних температур крихкості та ін.) і ступінь його стабільності.

Матеріали і методи досліджень. Дослідження в дисертаційній роботі проводилися стосовно комплексно-легованих ВЗС, що випускаються за різними вітчизняними і зарубіжними стандартами у вигляді товстолистового прокату трьох основних груп міцності: 02 = 300-700 МПа (типу 14ГФ, 16Г2АФ), 02 = 760-960 МПа (типу ASTM A514Н, 20ХГМФТР), 02 = 980-1100 МПа (типу 14ХГНМДАФБРТ, 10Х(2)Н3(4)МДФ). При вирішенні більшості поставлених завдань використовувався комплексний методологічний підхід, що включає методи: теоретичного аналізу, експериментальних досліджень, комп'ютерного експериментування. Згідно сучасним уявленням, вказані групи методів є самостійними, взаємодоповнюючими способами дослідження, а їхнє сумісне застосування забезпечує якнайповніше і найдостовірніше рішення наукових завдань.

Серед методів теоретичного аналізу використовувалися: термодинамічні моделі регулярних і квазірегулярних розчинів; теорія кінетичних процесів; лінійна теорія пружності; дислокаційні моделі субструктури сталей і взаємодії її елементів з розчиненими атомами.

Основними методами експериментальних досліджень були: оптична металографія в поляризованому і неполяризованому світлі; стандартні випробування механічних властивостей; серіальні випробування на ударний вигин; просвічуюча електронна мікроскопія (ЕМ) реплік і фольги; електронна мікродифракція (МД); растрова електронна мікроскопія зламів; рентгеноструктурний фазовий кількісний аналіз; дилатометричний аналіз.

Комп'ютерне експериментування здійснювалося на базі розробленої автором комплексної комп'ютерної технології, що включає: первинну статистичну обробку результатів експериментів; глибокий розвідувальний аналіз багатовимірних масивів експериментальних даних в рамках комп'ютерної технології "Data Mining" з використанням (i) оцінки характеру і параметрів статистичних розподілів змінних, (ii) методу головних компонентів, (iii) методу "дерев" класифікації і регресії; розробку регресійних моделей методами покрокової множинної регресії; проведення розрахунків методом Монте-Карло на основі розроблених регресійних і аналітичних моделей в умовах роздільної і сумісної зміни всіх управляючих параметрів. Комп'ютерні дослідження виконувалися з використанням обчислювальних систем See-5-demo, WizWhy-3.01-demo, SciLab 4.1, MuPad.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Одержали подальший розвиток уявлення, які лежать в основі сучасної концепції розробки конструкційних сталей відносно необхідності формування стабільно високого комплексу їх експлуатаційних властивостей за рахунок створення наперед заданих мікроструктур і запобігання можливим видам окрихкування, як обов'язкової умови максимально ефективної експлуатації сучасної промислової металопродукції.

2. Вперше запропоновані кількісні критерії для оцінки перевищення вимог стандартів до кожного показника експлуатаційних властивостей конструкційних сталей з урахуванням ступеня статистичного розкиду контрольних характеристик. На базі запропонованих окремих критеріїв розроблений узагальнений кількісний показник комплексу експлуатаційних властивостей, рівень якого характеризує схильність матеріалу до сукупності різних видів окрихкування, обумовлених непередбачуваним зниженням відповідних характеристик експлуатаційних властивостей.

3. Теоретично обґрунтована можливість “розшарування” початково однорідного переохолодженого аустеніту, з утворенням областей збіднених і збагачених вуглецем, за рахунок взаємодії його атомів з дислокаційними субмежами. Вперше теоретично встановлений конкуруючий характер взаємодії різних атомів проникнення з дислокаціями і субмежами при температурах нижче 700 °С у б- і г-фазах. Показано, що високоефективний сповільнюючий вплив бору на розпад переохолодженого аустеніту при температурах 600-400 °С, обумовлений вищою енергією зв'язку атомів цього елемента з дислокаційними субмежами, в порівнянні з вуглецем, що ускладнює перерозподіл останнього в аустеніті, що є необхідною умовою дифузійного формування зародків -фази.

4. Вперше з позицій термодинаміки показано, що вплив легуючих елементів на кінетику бейнітного перетворення пов'язаний з їхньою дією на активність вуглецю в г- і б-фазах. Встановлено, що карбідоутворюючі елементи, знижуючи активність вуглецю в аустеніті, різко зменшують рушійну силу гб-перетворення в області температур вищих за 400 °С.

5. Розроблена нова кількісна модель водневого окрихкування і флокеноутворення, заснована на уявленнях про “усадку” зерен в процесі виходу атомів водню з кристалічної гратки -твердого розчину. Отримані розрахункові результати підтверджені експериментальними даними про зміну механічних властивостей товстолистового прокату в процесі ПФО.

6. Вперше, в рамках квазіхімічної теорії, розраховані вільні енергії утворення подвійних і потрійних твердих розчинів основних елементів заміщення в г-Fe. Встановлено, що: ступінь збільшення вільної енергії подвійних розчинів на основі г-Fe зростає в наступній послідовності: Cr, V, Ti, Мо, Si, Nb, W; ступінь зниження вільної енергії розчинів гFe-Me послідовно збільшується при розчиненні: Co, Ni, Cu, Ai, Mn. Показано на прикладі систем гFe-Cr-Mo, гFe-Cr-Si, гFe-Cr-Mn, гFe-Ni-Mn, що результуюча зміна вільної енергії потрійних твердих розчинів визначається співвідношенням знаків і абсолютних значень вкладу кожного розчиненого елементу у вільну енергію г-Fe.

7. В рамках кінетичної теорії фазових перетворень, на основі розробленої методики, вперше виконано адекватне кількісне прогнозування впливу легування на кінетику початкової стадії розпаду переохолодженого аустеніту, зокрема в мікролегованих сталях.

8. З використанням запропонованої комплексної комп'ютерної технології, вперше розроблені математичні моделі, що з високим рівнем адекватності відображають сумісний і роздільний вплив хімічних елементів і параметрів технологій термообробки на показники якості товстолистового прокату основних типів комплексно-легованих бор- і азотовмісних зварюваних сталей.

9. Вперше експериментально встановлена можливість формування наддисперсного і надоднорідного структурного стану в середньо-легованих дисперсно-зміцнюваних ВЗС в результаті витримки в оптимальних умовах при субкритичних температурах. Показано, що отримання такої структури перед остаточним термічним поліпшенням забезпечує формування гарантовано високого комплексу експлуатаційних властивостей товстолистового прокату відповідального призначення (Позитивне рішення по заявці № 47689152702).

10. Вперше експериментально встановлена і теоретично обґрунтована можливість повного запобігання водневому окрихкуванню і утворенню флокенів у сталях мартенситно-бейнітного класу за умови формування після гарячої пластичної деформації мікроструктури з переважанням нижнього бейніту (А.с. СРСР № 285093).

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена, заснована на принципі “know how”, комплексна комп'ютерна технологія, що дозволяє стосовно складно-легованих термічно зміцнюваних конструкційних сталей: усувати вплив суб'єктивних чинників на результати статистичних досліджень; ефективно виявляти приховані об'єктивні закономірності впливу окремих параметрів технологій виробництва на рівні показників якості; моделювати і прогнозувати роздільну і сумісну дію технологічних параметрів на характеристики експлуатаційних властивостей; виконувати багатоцільову оптимізацію технологій виробництва і зміцнення промислової продукції для досягнення необхідного поєднання всіх контрольних показників властивостей.

2. Сумісне використання запропонованих в роботі окремих критеріїв якості конструкційних сталей, узагальненого показника комплексу експлуатаційних властивостей і розробленої комп'ютерної технології дозволяє у науково обґрунтованій, кількісній формі, здійснювати: порівняльну оцінку як за окремими показниками, так і в цілому, якості сталей і ефективності технологій їх термічного зміцнення; прогнозувати закони статистичних розподілів контрольних характеристик експлуатаційних властивостей, а також ступінь відбракування продукції по кожному показнику якості, виходячи з умов виробництва; визначати оптимальні умови виробництва, що забезпечують гарантоване, з вірогідністю не менше 95 %, отримання найбільш сприятливого комплексу експлуатаційних властивостей.

3. У рамках розробленої кількісної моделі водневого окрихкування і утворення флокенів, виведено і експериментально перевірено рівняння, що дозволяє розрахувати, залежно від початкового вмісту водню і параметрів мікроструктури, рівень “небезпечної” концентрації водню, перевищення якого супроводжується необоротним зниженням пластичних властивостей сталей.

4. Розроблена на основі запропонованої моделі водневого окрихкування і впроваджена у виробництво в умовах ВАТ "МК "Азовсталь" оптимізована технологія ПФО товстих листів і плит з вуглецевих і низьколегованих сталей, що забезпечує підвищення продуктивності процесу на 25 - 50 %, залежно від товщини прокату.

5. Розроблені і пройшли промислове випробування технології термообробки великотоннажних листових зливків ЕШП із сталей ІІІ і ІV груп з флокеночутливості, які забезпечують підвищення продуктивність обробки не менше ніж на 40 %, у поєднанні з повнішою перекристалізацією і підвищенням трещиностійкості сталей (А.с. СРСР № 301987), а також більшою мірою видалення водню з металу (А.с. СРСР № 301988). Технологія за а.с. СРСР № 301987 впроваджена у виробництво на ВАТ “МК “Азовсталь”.

6. Розроблена і впроваджена у виробництво в умовах ВАТ “МК “Азовсталь” комплексна технологія термообробки листового прокату сталей мартенситно-бейнітного класу завтовшки до 50 мм (А.с. СРСР № 285093), що дозволяє усунути ПФО за традиційною технологією і забезпечити отримання гарантованого комплексу механічних властивостей прокату спеціального призначення з перевищенням вимог стандарту до ударної в'язкості не менше ніж на 30 %.

7. Розроблена і впроваджена у виробництво на ВАТ “МК “Азовсталь” комплексна технологія термообробки товстих листів і плит з дисперсно-зміцнюваних сталей різних структурних класів (Позитивне рішення по заявці № 47689152702), що виключає ПФО за традиційною технологією і забезпечує отримання гарантованого комплексу механічних властивостей прокату відповідального призначення.

8. Розроблені і впроваджені у виробництво в умовах ВАТ “МК “Азовсталь” комплексні технології термічного зміцнення товстолистового прокату будівельних малоперлітних сталей з підвищеним вмістом азоту, зокрема з відхиленнями за хімскладом, які забезпечують отримання стабільно високого комплексу експлуатаційних властивостей, що дозволило скоротити обсяг повторної термообробки листів сталей типу 15ГФ не менше ніж на 30 %.

9. Розроблена і впроваджена у виробництво на ВАТ “МК “Азовсталь” технологія термічної обробки прокату високоміцних комплексно-легованих борвмісних сталей типу 20ХГМФТР, зокрема з відхиленнями за хімскладом. Технологія забезпечує отримання всіх контрольних показників властивостей на рівнях, що перевищують вимоги діючого стандарту з вірогідністю не менше 95 %, що дозволило скоротити обсяг повторної термообробки прокату не менше ніж на 30 %.

10. Сумарний річний економічний ефект від впровадження результатів дисертації у виробництво склав більше 4 млн. грн., при пайовій участі автора 35 %.

Особистий внесок здобувача. Претендентом особисто обґрунтована необхідність і сформульовані основні напрями подальшого розвитку сучасної концепції розробки конструкційних сталей, запропоновані математичні вирази для визначення окремих критеріїв якості і узагальненого показника комплексу експлуатаційних властивостей вказаних сталей. Здобувачем особисто, на принципах “know how”, розроблена концепція і створена, з використанням сучасних комп'ютерних обчислювальних систем, комплексна комп'ютерна технологія досліджень багатовимірних масивів експериментальних даних про характеристики якості сучасних конструкційних сталей. Автором самостійно виконані теоретичні і комп'ютерні дослідження, проаналізовані і узагальнені отримані результати. Він особисто здійснював постановку експериментів, обробку і узагальнення результатів лабораторних і промислових досліджень, виконаних як самостійно, так і при його безпосередній участі. Претенденту належать ідеї, покладені в основу розроблених і впроваджених технологій, що підтверджується відповідними авторськими свідоцтвами і патентами. Він брав безпосередню участь, як керівник розділів і відповідальний виконавець, в проведенні міжгалузевих і галузевих науково-дослідних робіт за планами, завданнями і наказами Мінчермету СРСР, які проводилися ЦНДІЧермет ім. І.П. Бардіна. Претендент був також керівником і відповідальним виконавцем госпдоговірних робіт, що проводилися з ЦНДІКМ “Прометей” і ВАТ "МК "Азовсталь", результати яких представлені в дисертації. Особистий внесок автора дисертації в наукові праці, опубліковані в співавторстві, конкретизований в списку публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: “Устаткування і технології термічної обробки металів і сплавів” (Харків, 2002, 2003, 2004, 2005), “Стародубівські читання” (Дніпропетровськ, 2003, 2004, 2005), “Прогресивні товстолистові сталі для газонафтогінних труб великого діаметру і металоконструкцій відповідального призначення” (Маріуполь, 2002), “International Metallurgical Symposium Metal-95, 96” (Ostrava, Czech Republic, 1995, 1996), “The Physics Congress 2002” (Brighton, Great Britain, 2002), “Нові конструкційні сталі та способи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (Запоріжжя, 2000), “Металургійні процеси і устаткування” (Донецьк, 2005, 2006), а також семінарі “Термічна обробка матеріалів” в рамках V Міжнародної спеціалізованої виставки “Машпром 2005” (Дніпропетровськ, 2005), регіональних науково-технічних конференціях (Маріуполь, 1991-2007), міжрегіональному науковому семінарі Придніпровської державної академії будівництва і архітектури (Дніпропетровськ, 2005), наукових семінарах кафедри матеріалознавства ПДТУ (Маріуполь, 1991-2007).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 54 наукових роботах, зокрема в 31 статті в науково-технічних журналах і збірках, що входять в перелік ВАК України; нові технічні рішення захищені 5 авторськими свідоцтвами і патентами.

Об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків і 7 додатків, містить 556 сторінок, включаючи 300 сторінок машинописного тексту, 205 рисунків,70 таблиць, і список використаних джерел з 317 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і завдання дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

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

Основою теоретичного аналізу процесів формування мікроструктури конструкційних сталей є фундаментальні результати, одержані в працях Дж.Крістіана, С.С.Дяченко, М.П.Брауна, С.П.Ошкадерова, Ю.Я.Мешкова та ін. Стан домішкових елементів і їх вплив на властивості сталей аналізуються в роботах Дж.МакЛіна, А.С.Мороза та ін. Проблеми окрихкування конструкційних сталей розглянуті в працях К.Брайєнта, В.І.Трефілова та ін. Великий внесок в розробку сучасних сталей різного призначення, а також технологій їхньої термічної обробки внесли: К.Ф.Стародубов, І.Г.Узлов, В.Л.Пілюшенко, В.І.Большаков, Г.В.Левченко та ін.

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.

Розділ 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 (рис. 3), 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. Відповідно до загальноприйнятого правила “трьоx сигм”, окремі критерії якості конструкційних сталей визначаються виразами: де ;

Текс - температура експлуатації промислової продукції;Txp, і - середнє значення, верхня і нижня температура крихкості сталі, відповідно. Значення відповідають задовільній якості продукції. Рівень контрольного параметра qi, що перевищує з довірчою вірогідністю 95 % вимоги діючого стандарту , досягається в умовах: Qqi > 1. У випадках 0 < QTxp 1, температура експлуатації металопродукції знаходиться в межах інтервалу в'язко-крихкого переходу сталі, що може супроводжуватися непередбачуваними змінами роботи ударного руйнування. У випадку QTxp > 1 забезпечується < Текс, що гарантує в'язкий характер руйнування сталі. Узагальнений показник комплексу експлуатаційних властивостей конструкційних сталей F визначали з використанням виразу: який показує, що в умовах, коли вимогам діючих стандартів задовольняють всі без виключення контрольні показники властивостей, тобто при всіх Qqi > 0, має місце: F > 0. У разі незадовільного значення хоча б одного з окремих критеріїв якості, тобто Qqi 0, одержуємо F = 0. Вказані властивості показника F відображають найважливішу особливість умов експлуатації металопродукції з конструкційних сталей, згідно з якою незадовільний рівень опору хоча б одному з діючих видів навантажень, приводить до повної втрати працездатності всієї конструкції в цілому. 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.

Багатоцільова (векторна) оптимізація параметрів технологій виробництва і зміцнення конструкційних сталей виконувалася з використанням розроблених в рамках нового підходу рівнянь регресії, а також виразів (1) і (2) для критеріїв якості сталей. Враховуючи недоліки аналітичних методів оптимізації, пошук максимуму векторної цільової функції F проводився методом комп'ютерних експериментів, відповідно до розробленої методики. Основним завданням оптимізації було визначення умов виробництва, тобто рівнів всіх технологічних параметрів, які відповідають максимальному значенню F. Враховуючи необхідність одночасної зміни великої кількості технологічних параметрів, як правило, в несумісних діапазонах, для зручності представлення результатів багатоцільової оптимізації використовувалися приведені, безрозмірні значення незалежних змінних : де Xi - поточне значення параметра Х, що управляє; - максимальне значення Х в дослідженому діапазоні. Основними перевагами нових змінних є: зміна значень різних незалежних параметрів в межах єдиного діапазону: 0...1; можливість використання загальної безрозмірної шкали; можливість представлення результатів впливу всіх змінних на одному графіку.

Розділ 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.

Легуючі елементи по різному впливають на стійкість переохолодженого аустеніту в перлітному і бейнітному інтервалах температур, що дозволяє регулювати структуру і властивості промислових бейнітних сталей. Проте, не знаходить пояснення причина більш значного гальмування перлітного перетворення, в порівнянні з бейнітним, при введенні карбідоутворюючих елементів. З позицій термодинаміки, стійкість переохолодженого легованого аустеніту до розпаду в умовах незначної відмінності концентрацій вуглецю в аустеніті Ncг і бейнітному фериті Nсб: NcгNсб=Ncгс, а також, у зв'язку з тим, що aFeг?aFeб, характеризується величиною: ДGл>б Ncс·R·T·ln[ц(acг/acб)] + (1-Ncгс)ДмFeг>б, де acг і acб - активності вуглецю в нелегованих г- і бейнітної б-фазах; aFeг і aFeб - активності Fe в тих же фазах; ДмFeг>б - зміна молярної вільної енергії Fe; ц = fсг/ fсб - коефіцієнт, що відображає вплив легуючого елементу на активності вуглецю в г- і б-фазах; fсг =(асгл/асг)Nc=const; fсб =(асбл/асб)Nc =const; асг()л - активність вуглецю в легованому аустеніті (фериті). З літературних даних виходить, що: ц < 1 - у присутності карбідоутворюючих і ц > 1 - при введенні некарбідоутворюючих елементів. Комп'ютерні розрахунки показали, що: (i) із збільшенням Ncг від 0,02 до 0,06 залежності ?Gл>б(T) зміщуються вліво, що відповідає підвищенню стабільності переохолодженого аустеніту; (ii) при будь-якому Ncг, легуючі карбідоутворюючі елементи, ц < 1, зменшують величину ?Gл>б, тобто стабілізують аустеніт, особливо в області температур утворення перліту і верхнього бейніту, тоді як некарбідоутворюючі елементи, ц > 1, підвищують величину ?Gл>б.

Розділ 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.

Вплив легуючих елементів на термодинамічну стабільність аустеніту, а також особливості їх взаємодії в подвійних і потрійних -твердих розчинах заміщення в даній роботі вивчали в рамках квазіхімічної теорії. Коефіцієнт активності В розчиненого компоненту В у матриці А складає:; де Z- координаційне число, ХВ - молярна частка, щAB = UАВ-0,5(UАА+UВВ), UАА, UВВ і UАВ - енергії зв'язків пар атомів. Як бачимо, параметр взаємообміну АВ=Z, дозволяє оцінити основні термодинамічні характеристики твердого розчину на основі властивостей окремих компонентів. Розроблений новий спосіб теоретичного визначення АВ в подвійних твердих розчинах на основі даних про теплоти сублімації чистих компонентів і їхніх розчинів. Енергії зв'язку атомів визначали як: . Величини HАВсуб розраховували на основі відомого кореляційного співвідношення: , де ТАВпл - температура солідусу. Встановлено, що розчинені в г-Fe: AI, Cu і Mn дають ЩАВ>0, що свідчить про формування ближнього порядку (кластерів) в розчині. Для елементів: Со, Cr, Ni, Si, Ti, V, W, Мо і Nb величина ЩАВ < 0, що відповідає утворенню сегрегацій. Отримані результати добре узгоджуються з відомими експериментальними даними про вплив: Мо на схильність сталей до відпускного окрихкування другого роду; Nb - на швидкість рекристалізації аустеніту; Si - на вірогідність міжзеренного крихкого руйнування, а також з висновками даної роботи (див. розділ 5) про вплив: V, Ti, Мо, S на властивості борвмісних сталей. Отримані значення ЩАВ використовували для розрахунку інтегральних і парціальних теплот (НАВ, ) змішування перерахованих вище сплавів. Встановлені відхилення розглянутих розчинів від ідеальності: . Враховуючи зниження ентропії, що витікає з умови , величину визначали як:. Показано, що: Cr, V, Мо, W, Ti, Nb і Si, згідно із законом близьким до лінійного, підвищують , тоді як: Со, Ni, Сu, Аl і Мn знижують вільну енергію г-Fe. Одержані дані добре узгоджуються із загальноприйнятою емпіричною класифікацією легуючих елементів в сталях на феритно- і аустенітностабілізуючі, і дозволяють кількісно оцінити ступінь впливу кожного елемента на стабільність г-фази в подвійних сплавах на основі Fe.

Важливе наукове і практичне значення має прогнозування ступеня стабілізації г-фази у трикомпонентних сплавах на основі Fe. На основі викладеного вище підходу, був вперше виконаний розрахунок параметрів взаємообміну для низки найбільш поширених потрійних сплавів: Fe+Cr+Мо, Fe+Cr+Мп, Fe+Мп+Si і Fe+Ni+Мп, а також - надмірної вільної енергії:. Розрахунки величини GизбАВС були виконані при варіюванні складу г-твердих розчинів в межах: Хс = 0...0.05; Хв = 0.05-Хс. Як видно з рис. 5, заміна Сr на Мо в сплаві гFe-Сr, (крива 1) викликає істотне збільшення, а - Сr на Мn (крива 2) - зниження . Ступінь взаємодії атомів розчинених елементів між собою оцінювали за допомогою параметрів взаємодії . Отримані результати ( 0) свідчать про неаддитивний характер сумісного впливу розглянутих елементів на стан гFe. Встановлено також, що в системі гFe-Сr-Мо слід чекати виникнення роздільних сегрегацій Мо і Cr, оскільки . У твердому розчині гFe-Мn-Si, оскільки , переважно повинні формуватися сегрегації Si за участю частини атомів Mn. У сплавах гFe-Cr-Мn найбільш вірогідним є утворення кластерів з атомів Fe, Mn і Cr, оскільки . Отримані результати узгоджуються з: загальновідомою схильністю Si і Мо до утворення зернограничних сегрегацій; неоднозначною роллю Mn у формуванні комплексу властивостей сталей (розділ 5); можливістю утворення легованого цементиту типу Fe(Mn,Cr)3С.