Ануфриев, Николай Петрович. Расчетно-экспериментальное моделирование диффузионного распада переохлажденного аустенита доэвтектоидных конструкционных сталей

Краткое описание

Ануфриев, Николай Петрович. Расчетно-экспериментальное моделирование диффузионного распада переохлажденного аустенита доэвтектоидных конструкционных сталей : диссертация ... кандидата технических наук : 05.16.01 / Ануфриев Николай Петрович; [Место защиты: Ур. федер. ун-т имени первого Президента России Б.Н. Ельцина].- Екатеринбург, 2011.- 149 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/1341

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени первого
Президента России Б.Н. Ельцина»
Кафедра термической обработки и физики металлов
На правах рукописи
АНУФРИЕВ Николай Петрович
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДИФФУЗИОННОГО РАСПАДА ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО
АУСТЕНИТА ДОЭВТЕКТОИДНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ
СТАЛЕЙ
Специальность 05.16.01
Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Руководитель: д.т.н., проф. Юдин Ю.В.
Екатеринбург, 2011 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 7 1Л Обзор механизмов образования продуктов диффузионного
распада переохлажденного аустенита 7
1.1.1 Аллотриоморфный феррит 7
1.1.2 Феррит в виде видманштетта 9
1.1.3 Механизм образования перлита 9
1.1.4 Строение перлита в конструкционной стали марки 45X5 11
1.2 Современные методы изучения кинетики фазовых и
структурных превращений 14
1.3 Подходы к моделированию кинетики изотермического
превращения 18
1.3.1 Расчет инкубационного периода при изотермическом
превращении 18
1.3.2 Классическая кинетика роста 20
1.3.3 Уравнение Колмогорова-Джонсона-Мэйла-Аврами 21
1.3.4 Другие применяемые уравнения для описания
изотермического превращения 23
1.4 Подходы к моделированию кинетики фазовых превращений
при непрерывном охлаждении 30
1.4.1 Правило аддитивности Шейла 30
1.4.2 Концепция «истинной» изотермической диаграммы
превращения 31
1.4.3 Модель Камамото 32
1.4.4 Исследование превращения аустенита в феррит при непрерывном охлаждении методом клеточного автомата 33
1.4.5 Теория фазовых полей 35
1.5 Постановка задачи исследования 36
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 38
2.1 Материалы 38
2.2 Методика проведения простого термического анализа 38
2.3 Проведение дилатометрических исследований 41
2.4 Изучение микроструктуры сталей 45
2.5 Проведение дюрометрических исследований 46
2.6 Методика проведения испытаний на прокаливаемость 46
2.7 Методика расчета кинетики перлитного превращения в
изотермических условиях 49
2.8 Методика расчетов кинетики у—»а превращения при
непрерывном охлаждении 50
2.9 Определение погрешности проведенных экспериментов 53
з
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
КИНЕТИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ
ДИФФУЗИОННОГО РАСПАДА МЕТАСТАБИЛЬНОГО АУСТЕНИТА ДОЭВТЕКТОИДНЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ 54
3.1 Аналитическое описание изотермических диаграмм распада
переохлажденного аустенита доэвтектоидных
низколегированных сталей 54
3.2 Расчет объемной доли перлита, образовавшегося при
непрерывном охлаждении доэвтектоидных
низколегированных сталей 66
3.3 Расчет кинетики образования избыточного феррита,
образовавшегося при непрерывном охлаждении доэвтектоидных низколегированных сталей 71
3.4 Выводы по главе 79
4. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ
КИНЕТИКИ РАСПАДА ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА ДОЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЕЙ В ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ И ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ 80
4.1 Исследование кинетики распада переохлажденного
аустенита сталей 09Г2С, 18ХГТ и 40Х методом торцевой закалки 80
4.2 Исследование кинетики распада переохлажденного
аустенита сталей 35Х2НМ и 38Х2ГНМ методом простого термического анализа 88
4.2.1 Определение температурно-временных интервалов
протекания фазовых превращений в стали 35Х2НМ при непрерывном охлаждении 88
4.2.2 Металлографические и дюрометрические исследования
стали 35X2НМ 94
4.2.3 Построение термокинетической диаграммы распада
переохлажденного аустенита стали 38Х2ГНМ 98
4.3 Изучение кинетики у —> а превращения в стали 45Х5МФ
методом дилатометрического анализа 101
4.3.1 Исследование кинетики распада переохлажденного
аустенита стали 45Х5МФ в изотермических условиях 101
4.3.2 Определение температурных интервалов фазовых
превращений при непрерывном охлаждении стали 45Х5МФ 107
4.3.3 Экспериментальное определение кинетики фазовых
превращений стали 45Х5МФ при непрерывном охлаждении 117
4.3.4 Металлографические исследования образцов из стали
45Х5МФ после непрерывного охлаждения 119

4.3.5 Дюрометрические исследования дилатометрических
образцов из стали 45Х5МФ 126
4.3.6 Расчет кинетики перлитного превращения при
непрерывном охлаждении стали 45Х5МФ 128
4.4 Выводы по главе 130
5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОДОКАПЕЛЬНОЙ ЗАКАЛКИ РАБОЧИХ БАЖОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ИЗ СТАЛИ 45Х5МФ 132
5.1 Результаты промышленных экспериментов по определению
теплофизических параметров водокапельной закалки 132
5.2 Расчетная оценка структурных полей прокатных валков
диаметром бочки 300...900 мм из стали 45Х5МФ после водокапельной закалки 135
5.3 Выводы по главе 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 141

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучена и проанализирована кинетика распада переохлажденного аустенита сталей 09Г2С, 18ХГТ, 35Х2НМ, 38Х2ГНМ, 40Х и 45Х5МФ при проведении термообработки в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении.
Предложена методика, позволяющая с абсолютной погрешностью до 5 % рассчитывать соотношение структурных составляющих, сформировавшихся по сечению изделий из дэвтектоидных марок сталей в результате охлаждения из аустенитной области с переменной во времени скоростью.
Установлена немонотонная зависимость параметров пик уравнения Колмогорова-Джонсона-Мэйла-Аврами от температуры изотермического превращения в температурно-временном интервале образования перлита. Отмечено, что параметр п принимает нецелочисленные значения в пределах от 1 до 10.
Предложено уравнение (3.1) для описания величины показателя степени п уравнения Колмогорова-Джонсона-Мэйла-Аврами от температуры изотермической выдержки переохлажденного аустенита ряда доэвтектоидных. низколегированных сталей.
Рассчитаны коэффициенты уравнений линейной множественной регрессии, связывающие параметры уравнения (3.1) с химическим составом доэвтектоидных низколегированных сталей, что позволяет рассчитывать значение показателя степени п от температуры изотермической выдержки в перлитной области.
Показано, что для ряда доэвтектоидных. низколегированных сталей параметры -In к от п уравнения Колмогорова-Джонсона-Мэйла-Аврами линейно связаны, коэффициент корреляции составляет более 0,85.
На основании обобщения известных экспериментальных данных предложена модель аналитического расчета изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита для ограниченной области изменения химического состава доэвтектоидных конструкционных сталей.
Разработан алгоритм расчета кинетики ферритного и перлитного превращения при непрерывном охлаждении доэтектоидных сталей. Методом итераций определено положение расчетной линии 50 % - го ферритного превращения на изотермических диаграммах распада переохлажденного аустенита, что позволяет прогнозировать объемную долю феррита и перлита, образовавшихся при непрерывном охлаждении с переменной скоростью с погрешностью не более 5 %.
Введено понятие «критерия температурной скорости превращения dp/dt», с помощью которого для ряда конструкционных сталей расчетным путем построены термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита в феррито- перлитной области.
Предложена расчетно-экспериментальная методика, позволяющая по данным опытов торцевой закалки рассчитать кинетику диффузионного распада переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении.
Решением обратной задачи теплопроводности определены граничные условия и рассчитаны термические траектории охлаждения поперечных сечений при проведении торцевой закалки образца Джомини. На основании полученного изменения объемной доли продуктов диффузионного распада аустенита и рассчитанных термических траекторий охлаждения по высоте образца Джомини методом последовательных приближений определено положение расчетной линий 50 % - го ферритного превращения. Скорректированы линия начала образования избыточного феррита и линии начала и конца перлитного превращения на изотермических диаграммах распада переохлажденного аустенита сталей 09Г2С, 18ХГТ и 40Х
Построена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита сталей 35Х2НМ и 38Х2НМ методом простого термического анализа. Определена кинетика протекания перлитного и бейнитного превращений при охлаждении сталей из аустенитной области в интервале переменных скоростей 0,05...5 °С/с.
Дилатометрическим методом для стали 45Х5МФ определены критические точки Асі = 775 ± 2 °С и Асз = 811 ±2 °С. При переохладении стали 45Х5МФ от 910 С исследована кинетика фазовых превращений при изотермической выдержке в температурной области 640...750 °С и при непрерывном охлаждении от 910 °С с постоянной скоростью 0,025...5 °С/с.
Построены изотермическая и термокинетическая диаграммы распада переохлажденного аустенита стали 45Х5МФ.
На основании металлографического анализа и кинетики образования перлита, определенной по экспериментально полученным дилатограммам, скорректировано положение условных линий начала и конца перлитного превращения на изотермической диаграмме распада переохлажденного аустенита стали 45Х5МФ. Доля перлита, экспериментально определенная в результате проведения дилатометрических опытов при охлаждении образцов со скоростью 0,025...0,2 °С/с, с абсолютной погрешностью до 5 % совпала с долей перлита, рассчитанной по данным скорректированной (расчетной) изотермической диаграммы распада переохлажденного аустенита стали 45Х5МФ.
В результате опытно-промышленных исследований выбран тип конструкция установки водокапельной закалки валков горячей прокатки и технологоические параметры процесса: давление воды 300 кПа, расстояние от форсунок до охлаждаемой поверхности 300 мм, расстояние между форсунками 240 мм. Решением обратной задачи теплопроводности получена зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры поверхности валка при водокапельном охлаждении.
Проведен расчет температурных и структурных полей,
формирующихся при водокапельной закалке прокатных валков диаметром бочки 300...900 мм из стали 45Х5МФ после объемного нагрева.
Установлено, что при водокапельном охлаждении прокатных валков диаметром бочки 300 мм происходит практически сквозная закалка на мартенсит. Увеличение диаметра бочки до 900 мм приводит к получению до 80 % мартенсита и 20 % бейнита на глубине 78 мм от поверхности бочки. Перлит в количестве 1...2 % появляется на расстоянии 100 мм от поверхности бочки, его количество в осевой зоне валка не превышает 15%. Рекомендованы рациональные режимы закалки прокатных валков диаметром бочки 300...900 мм с применением водокапельного охлаждения. После проведенной закалки оценочное значение твердости поверхности бочки рабочих валков горячей прокатки диаметром 300...900 мм составляет 530...570 НВ, что значительно превышает значения поверхностной твердости валков после проведения нормализации (350...420 НВ).