Научные основы и технологические способы обработки гетерофазных сплавов с высоким уровнем конструктивной прочности
| Вид материала | Автореферат |
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 89.5kb.
- Технологические основы процесса сварки металлов и сплавов (её классификация, прогрессивные, 1329.56kb.
- Анализ тенденций развития рынка вычислительной техники в Москве и в России, 113.84kb.
- Научные основы и технологические решения получения высокопрочных алюминийсодержащих, 586.93kb.
- Ная деятельность и достаточен ли этот уровень для модернизации страны очевидны: уровень, 127.16kb.
- Вопросы вступительных экзаменов в докторантуру PhD по специальности «Материаловедение, 27.1kb.
- Физико-технологические основы новых способов термической обработки высокопрочного чугуна, 72.96kb.
- Пути и проблемы формирования здорового образа жизни, 288.04kb.
- Научные исследования и испытания авз, 66.92kb.
- Роль и функции преподавателя в подготовке нового поколения специалистов с высоким уровнем, 160.41kb.
На правах рукописи
ШВЕЙКИН ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ
ОБРАБОТКИ ГЕТЕРОФАЗНЫХ СПЛАВОВ
С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ
Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Екатеринбург - 2009
Работа выполнена на кафедрах «Термообработка и физика металлов» и «Обработка металлов давлением» ГОУ ВПО «Уральского государственного технического университета – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Научный консультант доктор технических наук, профессор
Попов Артемий Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
зав. каф. УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург)
Гервасьев Михаил Антонович;
доктор технических наук, профессор,
зав. отделом института физики металлов
УрО РАН (г. Екатеринбург)
Сагарадзе Виктор Владимирович;
доктор технических наук, доцент,
зав.каф. ПГТУ (г. Пермь)
Симонов Юрий Николаевич.
Ведущая организация ОАО «Первоуральский Новотрубный завод»
Защита состоится 20 ноября 2009 года в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.285.04 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 19, 3-й учебный корпус, ауд. Мт – 329, тел. (343) 375-45-74, факс (343) 374-38-84.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.
Автореферат разослан « » 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Шилов В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Задачу создания новых материалов, в том числе и сталей, с высокой конструктивной прочностью, сочетающейся с необходимой совокупностью технологических свойств, при изготовлении из них изделий (деформируемостью без нарушения сплошности, свариваемостью и др.), можно решить только при фундаментальном изучении влияния различных факторов на структуру, фазовый состав и свойства материалов. Использование таких материалов обеспечивает снижение металлоемкости машин и конструкций, улучшение эффективности и надежности их работы.
Характерно, что возможности повышения уровня эксплуатационных характеристик сталей путем применения традиционных композиций и видов термообработки близки к исчерпанию.
Работами последних десятилетий показано, что создание сталей с гетерофазной феррито-мартенситной структурой является перспективным направлением повышения конструктивной прочности, улучшения технологичности и обрабатываемости изделий различного назначения. Для разработки таких сталей с заданным уровнем свойств необходимы отыскание их композиций, режимов термической и пластической обработок, приводящих к формированию гетерофазной структуры с оптимальной морфологией и соотношением компонентов, создание моделей, описывающих пластическую деформацию и упрочнение многофазных материалов.
Данная диссертационная работа является обобщением научных и практических результатов исследований, выполненных автором в период с 1985 по 2009 год по проблемам формирования гетерофазной структуры в углеродистых низколегированных сталях, их деформационного упрочнения и пластичности, а также связи между структурой и комплексом механических характеристик.
Цели и задачи работы. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обобщение закономерностей формирования гетерофазной структуры в углеродистых низколегированных сталях, деформационного упрочнения и пластичности материалов с различающимися свойствами структурных составляющих и совершенствования на этой основе композиций и режимов термической обработки малоуглеродистых низколегированных сталей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- изучение закономерностей формирования структуры и фазовых превращений при ускоренном охлаждении малоуглеродистых низколегированных сталей из межкритического интервала температур (МКИ) и ступенчатой закалки;
- установление особенностей деформационного упрочнения двухфазных феррито-мартенситных сталей (ДФМС) и их пластичности при различных схемах напряженного состояния, отвечающим, в том числе реальным операциям холодной объемной и листовой штамповки;
- создание модели пластического течения и упрочнения ДФМС, учитывающей неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными составляющими в процессе нагружения;
- исследование процессов, протекающих при закалочном и деформационном старении ДФМС, и их влияния на сопротивление данных материалов хрупкому, вязкому и усталостному разрушению;
- формирование основных положений по созданию низколегированных гетерофазных сталей, содержащих в оптимальном соотношении феррит и мартенсит (бейнит), а также главных качеств ДФМС, делающих их перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.
Научная новизна работы определяется следующей совокупностью результатов исследований.
- Дано научное обоснование составов низколегированных сталей и режимов термической обработки, приводящим к образованию гетерофазной структуры с требуемым комплексом механических свойств, по которым они являются перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.
- Впервые для большой группы доэвтектоидных низколегированных сталей построены термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита и микроструктурные карты, показывающие влияние температуры нагрева в межкритический интервал (МКИ) и скорости последующего охлаждения на тип и количество отдельных структурных составляющих.
- Выявлены особенности морфологии структурных составляющих, формирующихся после нагрева малоуглеродистых сталей в МКИ и охлаждения с различными скоростями: мартенсита (бейнита), исходного феррита, существовавшего до нагрева, нового феррита, зарождающегося при распаде аустенита эпитаксиально на исходном феррите, а также концентрационные и структурные изменения в исходном и эпитаксиальном ферритах в зависимости от температуры и длительности отпуска.
- Предложена и экспериментально проверена модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными структурными составляющими в процессе пластического течения.
- Изучена и сопоставлена пластичность сталей с феррито-перлитной и феррито-мартенситной структурой при схемах напряженного состояния, соответствующих реальным способам изготовления деталей методами холодного формоизменения.
- На основе комплексного исследования деформационного старения ДФМС, его влияния на прочностные и пластические характеристики, способности сопротивляться хрупкому, вязкому и усталостному разрушению установлено, что наибольшая склонность к старению проявляется после деформации растяжением на 4-6%, а при дальнейшем увеличении степени деформации интенсивность его затухает.
- Разработана методика тестирования механических свойств микрообъёмов, позволяющая с помощью специального программного комплекса проводить построение диаграмм упрочнения отдельных структурных составляющих и оценивать их вклад в пластическое течение гетерофазных сплавов.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечиваются:
- использованием комплекса современных методов исследования структуры (металлографии с компьютерным анализом изображения, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа), фазового и химического составов (растровой электронной микроскопии со спектрометром энергетической дисперсии), поведения примесных атомов внедрения и замещения (внутреннего трения, ядерной гамма-резонансная спектроскопии), прочностных, вязко-пластических характеристик, предела выносливости, а также пластичности сталей при растяжении и кручении с наложением гидростатического давления;
- согласованностью экспериментальных результатов, полученных по различным методикам, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных и их воспроизводимостью.
Практическая значимость работы. Совокупность экспериментальных и теоретических положений, касающихся изменений структуры и механических свойств при деформации и термомеханической обработке, пластического течения и разрушения гетерофазных сплавов, состоящих из нескольких структурных составляющих с различными свойствами нашла своё отражение в учебнике “Физическое металловедение”, допущенной Министерством образования Российской Федерации, в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 651300 “Металлургия”.
Результаты комплексных исследований представлены к реализации на ряде предприятий. На производственном объединении “Турбомоторный завод” (использование ускоренного охлаждения из МКИ в качестве исходной обработки стали 10кп для холодной высадки крепежных деталей).
В условиях Ревдинского метизно-металлургического завода показано, что применение ускоренного охлаждения проволоки из МКИ приводит к повышению производительности отжигового отделения сталепроволочного цеха на 20%.
Внедрение результатов данной работы на Уральском электромеханическом заводе позволило повысить технологическую пластичность заготовок для листовой штамповки, а также прочность и жесткость готовых конструкционных элементов. В результате получен специальный эффект.
На защиту выносятся:
- Установленные закономерности образования аустенита при нагреве в МКИ, особенности фазового и химического состава продуктов его распада после охлаждения с различными скоростями, концентрационные и структурные изменения в исходном и эпитаксиальном ферритах при отпуске.
- Модель деформационного упрочнения ДФМС, базирующаяся на учете неравенства и перераспределения деформации между разнопрочностными структурными составляющими в процессе пластического течения.
- Совокупность результатов, описывающих характеристики пластичности сталей с феррито-перлитной и феррито-мартенситной структурой при различных схемах напряженного состояния, отвечающим, в том числе реальным способам изготовления деталей методами холодного формоизменения.
- Особенности структурных изменений при деформационном упрочнении и старении ДФМС, их влияние на комплекс механических свойств и характеристики разрушения сталей данного класса.
- Сформулированные на основе результатов собственных экспериментальных и теоретических исследований, а также литературных данных основные требования к структуре ДФМС, предназначенных для изготовления деталей методами холодного формоизменения, а также концепция создания экономичных доэвтектоидных низколегированных сталей с гетерофазной структурой, обладающих высокой конструктивной прочностью.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты настоящей работы были доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции “Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении”, Челябинск, 1984 г.; Всесоюзном совещании “Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов и сплавов”, Тула, 1985 г.; Всесоюзной научно-технической конференции “Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки”, Днепропетровск, 1985 г.; Республиканской научно-технической конференции “Субструктурное упрочнение металлов”, Киев, 1985 г.; XI Всесоюзной конференции “Физика прочности и пластичности металлов и сплавов”, Куйбышев, 1986 г.; Всесоюзной научно-технической конференции “Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении”, Тольятти, 1986 г.; Научно-технической конференции ”Интенсификация производства и качества машиностроительной продукции за счет применения конструкционных сталей с улучшенными технологическими свойствами”, Челябинск, 1987 г.; Научно-техническом семинаре «Новые материалы и прогрессивные технологические процессы для упрочнения деталей промышленных тракторов и сельскохозяйственных машин», Чебоксары. 1986; V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2008; Научно-технической конференции «Развитие техники и технологии производства стали и сплавов», Свердловск, 1982; IV Всесоюзном совещании «Химия, технология и применение ванадиевых соединений», Нижний Тагил, 1982; VIII Уральской школе металловедов-термистов «Современные проблемы металловедения и термообработки», Свердловск, 1983; Научно-технической конференции «Совершенствование способов получения и технологии обработки металлов и сплавов», Свердловск, 1984; IX Уральской школе металловедов-термистов Достижения в области металловедения и термической обработки металлов, Свердловск, 1985; X Уральской школе металловедов-термистов «Ускорение научно-технического прогресса в металловедении и термической обработке сталей и сплавов», Устинов, 1987; Всероссийской конференции «Трансфертные технологии, комплексы и оборудование в металлургии и материаловедении» Пермь, 1998; Всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Наука – Производство- Технологии – Экология», Киров, 2001; Всероссийской конференции, посвященной 95-летию профессора В.В. Швейкина. УГТУ-УПИ, Екатеринбург. 1999; Всероссийской научной конференции. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке. Москва, МИСиС, 1996, 1999, ……….. Научно-технической конференции «Эффективные технологические процессы листовой штамповки», Москва. 1993; Международной научно-технической конференции «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов», Москва, МИСиС, 1996; 1-й Российской конференции «Трубы России – 2004», Екатеринбург, 2004; V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2008; XIX школе металловедов-термистов, Екатеринбург, 2008 и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 печатные работы.
Личный вклад диссертанта состоит в постановке задач исследования, выборе композиций сталей и методик их исследования, в получении экспериментальных результатов, их обработке и анализе, формулировании основных положений и выводов работы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, объединенных в две части, выводов по каждой главе и заключения по диссертации, списка использованной литературы, включающего 231 работ отечественной и зарубежных авторов, и приложения со сведениями о практической реализации работы. Диссертация изложена на 310 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков и 17 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обосновании актуальности темы диссертации. С использованием литературных данных кратко изложены составы, механические свойства сталей с двухфазной феррито-мартенситной структурой (ДФМС), технологические способы её создания при изготовлении различных изделий.
Анализ научных разработок, выполненных в нашей стране и за рубежом, показал, что малоуглеродистые низколегированные стали с двухфазной феррито-мартенситной структурой обладают уникальным сочетанием предела текучести, временного сопротивления разрыву и пластичности, что определяет их использование преимущественно для деталей, изготавливаемых методами холодной объемной или листовой штамповки. Благодаря особенностям структуры и пластического течения эти стали испытывают интенсивное деформационное упрочнение, а в последующем – деформационное старение при нанесении и сушке антикоррозионных защитных покрытий на изделия. В этой связи научный и практический интерес имеет изучение закономерностей деформационного упрочнения и старения ДФМС с целью оптимизации их составов и режимов термической обработки, что и рассматривалась как одна из основных задач настоящей диссертации.
В последние годы круг изделий и, соответственно, сталей с окончательной или промежуточной гетерофазной феррито-мартенситной (бейнитной) структурой непрерывно расширялся . Это позволило повысить конструктивную прочность изделий, экономить ресурсы за счет снижения легированности сталей или при термообработке. Потребовалось использование новых схем термообработки, приводящих к формированию гетерофазной структуры, детальное изучение влияния агрегатного упрочнения перлитом, мартенситом, бейнитом на комплекс механических свойств сталей, режимов заключительного отпуска с целью увеличения предела текучести, вязкости и пластичности.
В диссертации обосновано, что для дальнейшего прогресса в данном направлении необходимы, с одной стороны, научно-обоснованная разработка композиций сталей, новых технологических режимов, приводящих к формированию гетерофазной структуры, а с другой стороны, проведение детальных исследований пластичности и деформируемости ДФМС без нарушения сплошности при различных схемах напряженного состояния.
Показано, что максимальное увеличение предела текучести гетерофазных сталей при сохранении присущего им высокого уровня пластичности позволит использовать этот перспективный класс сталей для значительной номенклатуры изделий, в частности, для строительных конструкций, труб газо-нефтяного сортамента, деталей машиностроения.
Исходя из данных положений, с учетом специфики получения и использования сталей с гетерофазной структурой сформированы цель и основные задачи, решаемые в диссертации.
В первой части диссертации, включающей главы 1…4, рассмотрены закономерности формирования феррито-мартенситной (бейнитной) структуры в малоуглеродистых низколегированных сталях и их механические свойства.
Во второй части работы, объединяющей главы 5…7, приведены данные теоретических и экспериментальных исследований деформируемости ДФМС и их пластичности.
В первой главе рассмотрена кинетика распада переохлажденного аустенита, образовавшегося при нагреве в межкритический интервал температур.
При выборе составов и режимов термообработки ДФМС основными требованиями являются предотвращение формирования перлита и определенное соотношение между количеством феррита и мартенсита. Для этого необходимы представления об устойчивости сформировавшегося аустенита к распаду в различных температурных областях, что описывается термокинетическими диаграммами (ТКД). Однако в литературе ТКД распада аустенита, сформировавшегося при нагреве в МКИ, не описаны. Это позволяет считать, что для исследованной группы сталей данные диаграммы построены нами впервые.
Исследование проведено на большой группе малоуглеродистых сталей, легированных как раздельно, так и совместно марганцем и кремнием (табл. 1). Кроме того, в некоторых случаях для повышения устойчивости аустенита сталь легировали также хромом, молибденом и бором.
Сталь 10кп была промышленной выплавки. Другие стали выплавлялись в открытой индукционной печи и разливали на слитки массой 10 кг, которые затем подвергали гомогенизационному отжигу при температуре 1200оС в течение 5 часов, после чего проковывались в прутки 12х12 мм.
Таблица 1
Химический состав сталей (мас.%)
| № п/п | Марка стали | C | Mn | Si | В | Ti |
| 1 | 10кп | 0,09 | 0,15 | 0,17 | - | - |
| 2 | 09Г2 | 0,09 | 1,58 | 0,24 | - | - |
| 3 | 05Г2Р | 0,05 | 1,54 | 0,38 | 0,003 | 0,02 |
| 4 | 10Г2Р | 0,10 | 1,63 | 0,39 | 0,003 | 0,02 |
| 5 | 10С1 | 0,09 | 0,24 | 1,18 | - | - |
| 6 | 05Г2С2 | 0,06 | 1,72 | 1,84 | - | - |
| 7 | 06Г2Р | 0,06 | 1,48 | 0,25 | 0,003 | 0,02 |
| 8 | 12Г2Р | 0,12 | 1,45 | 0,28 | 0,003 | 0,02 |
| 9 | 15Г2Р | 0,15 | 1,51 | 0,26 | 0,003 | 0,02 |
| 10 | 20Г2Р | 0,20 | 1,45 | 0,25 | 0,003 | 0,02 |
| 11 | 06Г2С2Р | 0,06 | 1,51 | 1,81 | 0,003 | 0,02 |
| 12 | 10Г2С2Р | 0,10 | 1,49 | 1,84 | 0,003 | 0,02 |
| 13 | 12Г2С2Р | 0,12 | 1,52 | 1,78 | 0,003 | 0,02 |
| 14 | 15Г2С2Р | 0,15 | 1,54 | 1,83 | 0,003 | 0,02 |
| 15 | 20Г2С2Р | 0,20 | 1,52 | 1,80 | 0,003 | 0,02 |