Ткаченко Ігор Федорович. Розвиток наукових і методологічних основ прогнозування і оптимізації складів і технологій термічного зміцнення комплексно-легованих сталей

Краткое описание

Ткаченко Ігор Федорович. Розвиток наукових і методологічних основ прогнозування і оптимізації складів і технологій термічного зміцнення комплексно-легованих сталей : Дис... д-ра наук: 05.16.01 - 2007.

Ткаченко І.Ф. Розвиток наукових і методологічних основ прогнозування і оптимізації складів і технологій термічного зміцнення комплексно-легованих сталей. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.01. Металознавство і термічна обробка металів. Приазовський державний технічний університет. Маріуполь, 2007.
В дисертації приведено вирішення науково-технічної проблеми формування стабільно високого комплексу експлуатаційних властивостей багатокомпонентних, термічно зміцнюваних сталей, на основі системного підходу, який включає: апріорне прогнозування їх структури і властивостей; запобігання окрихкування; багатоцільову оптимізацію параметрів технологій виробництва; використання комплексів технологій попередньої та кінцевої термічної обробки. Розроблена комплексна комп'ютерна технологія, яка забезпечує реалізацію запропонованого методологічного підходу. Методами термодинаміки, кінетичної теорії фазових перетворень: показана можливість розшарування переохолодженого аустеніту по вуглецю; розроблена суміщена діаграма бейнітного і мартенситного перетворень; встановлені причини стабілізації аустеніту до мартенситного і бейнітного перетворень при легуванні; визначені хімічні елементи, які проявляють схильність до утворення кластерів і сегрегацій; розроблена методика і виконано комп'ютерне прогнозування впливу вуглецю, легуючих і мікролегуючих елементів на кінетику розпаду переохолодженого аустеніту. Розроблена кількісна модель водневого окрихкування і утворення флокенів в сталях, використана для оптимізації промислових технологій ПФО. Із застосуванням запропонованої комп'ютерної технології розроблені оптимальні способи формування гарантованого рівня якості товстолистового прокату сталей різних груп міцності: (i)14ГФ,16Г2АФ; (ii)20ХГМФТР; (iii)10Х(2)Н3(4)МДФ за рахунок багатоцільової оптимізації хімічних складів, формування оптимальних початкових мікроструктур перед остаточним термічним зміцненням. Розроблені і впроваджені на ВАТ «МК «Азовсталь» нові технології термообробки, забезпечують підвищення якості і ефективності виробництва: великотоннажних листових зливків ЕШП; товстолистового прокату зі сталей різних груп міцності. Загальний реальний економічний ефект від впровадження результатів дисертації склав більше 4 млн. грн./рік, при пайовій участі автора 35 %.

У дисертації представлені наукові, методологічні і технологічні розробки, що забезпечують вирішення актуальної науково-технічної проблеми формування стабільно-високого комплексу експлуатаційних властивостей складно-легованих, термічно зміцнюваних конструкційних сталей, на основі запропонованого системного підходу, що включає: апріорне комп'ютерне прогнозування характеристик фазових перетворень, структури і властивостей сталей на базі розроблених аналітичних і/або регресійних моделей; кількісну оцінку схильності сталей до різних видів окрихкування і розробку адекватних технологічних заходів щодо його усунення; багатоцільову комп'ютерну оптимізацію умов виробництва і зміцнення з урахуванням статистичного розкиду технологічних параметрів; використання комплексних технологій термічного зміцнення, які забезпечують формування спрогнозованих фазово-структурних станів.
1. Запропонована розширена концепція розробки конструкційних сталей, яка, в якості необхідної і достатньої умов отримання стабільно високого комплексу їх експлуатаційних властивостей (стандартних механічних характеристик, критичних температур крихкості та ін.), передбачає: - використання науково обґрунтованих технологій виробництва і зміцнення металопродукції, які забезпечують формування наперед заданих мікроструктур і відповідних їм рівнів контрольних показників властивостей; - здійснення технологічних заходів, направлених на максимально повне зниження схильності сталей до різних видів окрихкування.
2. Розроблена методика кількісної оцінки комплексу експлуатаційних властивостей конструкційних сталей на основі окремих критеріїв якості, що дозволяють спільно характеризувати середні рівні і ступені статистичної стабільності контрольних показників властивостей. Запропоновані розрахункові формули для визначення приватних критеріїв і узагальненого показника комплексу експлуатаційних властивостей.
3. Розроблена комплексна комп'ютерна технологія, що дозволяє науково обґрунтовано: - прогнозувати закони статистичних розподілів контрольних характеристик експлуатаційних властивостей, а також ступінь відбраковування продукції по кожному показнику якості, виходячи з умов виробництва; - здійснювати кількісну порівняльну оцінку якості сталей і ефективності технологій їх термічного зміцнення; - визначати оптимальні значення технологічних параметрів, що забезпечують гарантоване, з вірогідністю не менше 95 %, отримання найбільш сприятливого комплексу їх експлуатаційних властивостей.
4. В результаті термодинамічного аналізу стану переохолодженого аустеніту: показана можливість його розшарування за вуглецем по механізму спінодального розпаду; встановлено домінуючий внесок спотворень кристалічної гратки у вільну енергію його утворення; обґрунтована можливість формування зневуглецьованих зон за рахунок пружної взаємодії атомів вуглецю з дислокаційними субмежами при швидкостях охолоджування < 105град/с.
5. Запропонований єдиний підхід до аналізу процесів формування метастабільних структур мартенситного і бейнітного типів залежно від температури, концентрацій вуглецю і легуючих елементів: розроблена суміщена діаграма бейнітного і мартенситного перетворень, що визначає температурно-концентраційні умови їх сумісного і роздільного розвитку в ізотермічних умовах і при безперервному охолоджуванні; показано, що стабілізуючий вплив вуглецю і більшості легуючих елементів на переохолоджений аустеніт по відношенню до бездифузійного перетворення, пов'язаний з підвищенням опору гFe зсувної деформації; встановлено, що карбідоутворюючі елементи, на відміну від некарбідоутворюючих, знижуючи активність вуглецю в аустеніті, зменшують рушійну силу гб-перетворення і тим самим стабілізують аустеніт в області температур вищих за 400 С.
6. В рамках квазіхімічної теорії вперше розраховані термодинамічні характеристики подвійних і потрійних твердих розчинів на основі gFe: енергії і теплоти змішування розчинів; коефіцієнти активності і параметри взаємодії їх компонентів. Встановлено, що Al, Cu і Mn проявляють схильність до утворення кластерів, тоді як Co, Cr, Si, Мо, Nb та ін. мають тенденцію до утворення сегрегацій. Показано, що зі зростаючою інтенсивністю вільна енергія утворення г-фази: підвищується при розчинені Cr, V, Мо, W, Ti, Nb і Si, але зменшується при легуванні Co, Ni, Cu, Al і Mn, що відповідає емпіричній класифікації легуючих елементів. Встановлені концентраційні залежності надмірної вільної енергії г-фази в системах: Fe-Cr-Mn; Fe-Cr-Mo; Fe-Mn-Si; Fe-Ni-Mn. Показана термодинамічна можливість утворення: роздільних сегрегацій Cr і Мо; сумісних сегрегацій Si і Mn; кластерів з атомів Fe, Mn і Cr, що дозволяє пояснити спостережувані особливості поведінки цих елементів у складно-легованих сталях.
7. В рамках кінетичної теорії фазових перетворень розроблена методика і проведене комп'ютерне прогнозування впливу вуглецю і легуючих елементів на кінетику розпаду переохолодженого аустеніту в межах діапазону температур А3Мн: показаний "С-подібний" характер розрахункових температурних залежностей часу утворення зародків критичного розміру ф0(Т); досягнута кількісна відповідність комп'ютерних і експериментальних "С-подібних" діаграм для сталей, легованих Mn, Ni, Co, Мо, Si, Cr і V. Вперше розраховані такі діаграми для сталей, мікролегованих N, B: встановлено, зокрема, значне збільшення ф0min, а також зсув кривої ф0(Т) в область Т 540 Спри введенні 0,004% В. Отримані дані, які підтверджують конкуруючий характер взаємодії атомів В, С і N з субмежами в переохолодженому аустеніті і показано, що найбільш висока швидкість утворення сегрегацій бору в інтервалі температур 430-630 С, перешкоджає формуванню поблизу субмеж зневуглецьованих зон, внаслідок чого уповільнюється зародження б-фази.
8. Розроблена кількісна модель водневого окрихкування і утворення флокенів в сталях, заснована на уявленнях про "усадку" зерен внаслідок виділення водню на їх межі. Виведене рівняння для визначення "небезпечної" концентрації водню СНкр,перевищення якої приводить до незворотного розриву зв'язків між зернами. Розрахований можливий тиск водню в мікронещільностях і встановлено, що його рівень у невакуумованих сталях при Т< 200 С перевищує типове значення руйнуючого напруження. Теоретично показано, що температура флокеноутворення підвищується в межах ~120-230 С із зростанням вмісту водню в сталі від 2 до 10 см3/100г.Ме. Розрахунково-аналітичним шляхом побудовані діаграми, що характеризують ступінь видалення водню з металопродукції різного сортаменту в умовах ізотермічної витримки і безперервного охолоджування. Отримані результати підтверджені під час оптимізації промислових технологій ПФО великогабаритної металопродукції.
9. Методами термодинаміки визначені температурно-концентраційні умови формування різних типів карбідних і нітридних фаз у мікролегованих сталях. Одержані графічні залежності, що дозволяють оптимізувати вміст мікролегуючих елементів в сталях, а також умови термообробки металопродукції з метою формування необхідних видів частинок зміцнюючих виділень.
10. Із застосуванням розробленої комп'ютерної технології одержані нові кількісні дані про вплив хімскладу і параметрів термічної обробки на структуру і властивості товстолистового прокату комплексно-легованих борвмісних ВЗС типу 20ХГМФТР. Побудовані дендрограми і на їх основі розроблені регресійні моделі, за допомогою яких: визначені умови змін характеру впливу кожного технологічного параметра на властивості прокату; встановлена неможливість подальшого підвищення досягнутого рівня міцності сталі при використанні валової технології термічної обробки; показана необхідність формування структури нижнього бейніту в поєднанні з оптимальним охолоджуванням після високого відпуску для отримання високих значень всіх механічних характеристик.
11. З використанням запропонованої комплексної комп'ютерної технології розроблені математичні моделі, які адекватно відображають вплив хімічних елементів і умов термообробки на експлуатаційні властивості листового прокату азотовмісних сталей основних систем легування: 16Г2АФ, 16ГФ, 20Г. У відповідності з результатами термодинамічного аналізу виявлено, зокрема, окрихкуючу дію Si і Al, при пониженому вмісті N в малоперлітних сталях. Показано, що багатоцільова оптимізація хімічних складів сталей типу 16Г2АФ і 20Г валового виробництва дозволяє одержати стабільно високий комплекс їхніх механічних властивостей. Розроблена низка варіантів оптимального легування сталей типу 16Г2АФ, які з високою точністю узгоджуються з результатами раніше проведених промислових розробок. Встановлена неможливість формування гарантованого комплексу механічних властивостей сталей типу 15ГФ в умовах нерегламентованого вмісту азоту при використанні традиційної термічної обробки. Показана необхідність отримання початкової мікроструктури з переважанням нижнього бейніту для досягнення стабільно високого комплексу експлуатаційних властивостей сталей типу 15ГФ в нормалізованому стані.
12. Встановлені нові закономірності, використання яких дозволяє формувати гарантовано високий комплекс експлуатаційних властивостей товстолистового прокату ВЗС мартенситно-бейнітного класу (А.с.СССР№285093). Показано що: аустенитізація при Т >1100 С, з подальшим прискореним охолодженням попереджує зернограничне окрихкування прокату; формування структури нижнього бейніту перед кінцевим термічним поліпшенням забезпечує повну відсутність флокенів в прокаті завтовшки 85 мм, а також отримання високодисперсної кінцевої мікроструктури з гарантовано високим комплексом експлуатаційних властивостей.
13. Виявлені особливості фазового стану, структури і властивостей середньо-легованих дисперсно-зміцнюваних ВЗС, залежно від умов нагрівання поблизу температур А1. Встановлено, що утворення g-фази відбувається послідовно на високо- і малокутових межах розділу в a-матриці з підвищенням температури поблизу точки А1. Вперше визначені параметри ізотермічної витримки при субкритичних температурах, що забезпечують отримання наддисперсних, однорідно розподілених ділянок («острівців») залишкового аустеніту в структурі. Вперше встановлено, що попередня витримка в оптимальних умовах при Т А1, з подальшим термічним поліпшенням, забезпечують формування гарантованого комплексу експлуатаційних властивостей великогабаритної металопродукції
14. Базуючись на результатах проведених досліджень розроблені і впроваджені у виробництво в умовах ВАТ «МК «Азовсталь»:
- технології попередньої термічної обробки: великотоннажних листових зливків ЕШП (А.с. СРСР №301987), товстих листів і плит з вуглецевих і низьколегованих сталей;
- комплексні технології термічного зміцнення: товстолистового прокату сталей мартенситно-бейнітного класу (А.с. СРСР № 285093); великогабаритної металопродукції з дисперсно-зміцнюваних сталей різних структурних класів (Позитивне рішення по заявці № 47689152702); прокату комплексно-легованих борвмісних покращених сталей; листів з малоперлітних сталей, що нормалізуються, з підвищеним вмістом азоту.
15. Впроваджені оптимізовані промислові технології термообробки забезпечують суттєве підвищення ефективності виробництва і якості великогабаритної металопродукції відповідального призначення, що дозволило отримати загальний річний економічний ефект більше 4 млн. грн., при пайовій участі автора 35 %.