Размещено на http://www.allbest.ru/

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

Формування структури голчастого фериту та комплексу властивостей у мікро- та низьколегованих конструкційних сталях

Узлов Олег Володимирович

Дніпропетровськ 2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

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

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Спиридонова Ірина Михайлівна, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри металофізики.

- кандидат технічних наук, доцент Погребна Наталія Еміліївна, Національна металургійна академія України, доцент кафедри металознавства.

Провідна установа: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенко НАН України, м. Львів

Захист відбудеться 16 березня 2006 р. о 1300 на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 08.085.02 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

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

Автореферат розісланий 15 лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кваша Е.М.

1. Загальна характеристика роботи

низьколегований сталь голчастий ферит

Актуальність роботи. В даний час Україна займає сьоме місце у світі по виплавці сталі і виробництву прокату. Наявні виробничі потужності і сприятлива кон'юнктура світового ринку дозволяє нарощувати обсяги виробництва сталей. Однак вимоги, що підвищуються з боку металоспоживчих галузей і конкуренція, що зростає на світовому ринку сталі і готового прокату вимагає, щоб українська металопродукція відповідала усе більш вибагливим вимогам міжнародних стандартів. Різкі коливання світового ринку металу, підвищення цін на енергоносії і феросплави можуть привести до негативних наслідків для української металургії. З метою мінімізації цих факторів необхідне збільшення споживання металу на внутрішньому ринку, зокрема, за рахунок збільшення споживання високоякісних низьколегованих сталей будівельного призначення. Ці сталі можуть бути використані для зведення нових багатоповерхових будинків і підвищення поверховості наявних.

Істотну економію енергоносіїв можливо забезпечити шляхом впровадження режимів термічної обробки, що дозволяють максимально використовувати тепло прокатного нагріву. Забезпечення стабільного розвитку металургійного комплексу України є питанням національної безпеки. У той же час заходи, спрямовані на підвищення комплексу властивостей та якості продукції, не повинні значно підвищувати собівартість продукції, тому що при цьому вітчизняна металопродукція стане неконкурентоспроможною.

Одним з шляхів значного підвищення комплексу властивостей металопродукції при відносно невисоких витратах є термічна та термомеханічна обробка гарячекатаного металу, а також мікролегування сталі недефіцитними легуючими елементами в сполученні з подальшою термічною обробкою. Це дозволяє досягти високого комплексу механічних і технологічних властивостей, а в ряді випадків одержати унікальне сполучення різних властивостей (наприклад, міцності і в'язкості). Одним зі способів досягнення такого сполучення властивостей є одержання в структурі сталі структури голчастого фериту. Голчастий ферит потрапив у поле зору дослідників відносно недавно і дотепер є об'єктом уваги світової наукової громадськості саме завдяки унікальному сполученню високих міцносних характеристик сталей зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту з високими показниками ударної в'язкості при низьких температурах.

Високий комплекс властивостей сталей зі структурою голчастого фериту дозволяє значно знизити вагу конструкцій, підвищити їх несучу спроможність і застосовувати їх у конструкціях з меншою металоємністю, що працюють в умовах низьких температур і знакоперемінних навантажень. Ці сталі можуть піддаватися зварюванню. Таким чином, сталі зі структурою голчастого фериту досить перспективні з погляду їхнього застосування в будівництві і машинобудуванні.

Все вищесказане визначає безсумнівну теоретичну і практичну значимість досліджень процесів структуроутворення та зміни структури і властивостей мікролегованих конструкційних сталей при їх термічній обробці. Подібне дослідження важливе також і в зв'язку з необхідністю зниження ваги будівельних конструкцій, зниження ваги і підвищення рівня границі текучості фасонних профілів, застосовуваних у машинобудуванні і, зокрема, при виробництві вантажних вагонів та інших виробів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до напрямків науково-дослідних роботи кафедри матеріалознавства й обробки матеріалів Придніпровської державної академії будівництва й архітектури “Дослідження зміни властивостей термомеханічно зміцненої арматури після повторного нагріву”, державний реєстраційний номер 0105U002261.

Мета роботи: створення нових режимів термічної та термомеханічної обробки, що дозволяють підвищити комплекс властивостей мікро- і низьколегованих конструкційних сталей для будівництва і машинобудування.

Задачі дослідження:

- Оцінити вплив попередньої гарячої деформації на процес формування структури голчастого фериту в низьколегованих маловуглецевих сталях будівельного призначення;

- Визначити можливість зародження рейок голчастого фериту на поверхні часток нітридів та карбонітридів при інтрагранулярному зародженні в процесі бейнітного перетворення в конструкційній сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами;

- Установити хімічний склад нітридів та карбонітридів, що присутні у структурі конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами;

- Провести дослідження комплексу механічних властивостей конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами зі структурою голчастого фериту;

- Розробити режим термічної обробки конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами, що дозволяє в промислових умовах одержувати в сталі структуру голчастого фериту;

Об'єктом дослідження є мікро- та низьколеговані сталі у різному структурному стані.

Предмет дослідження: визначення закономірностей формування структурного стану та комплексу властивостей в мікро- та низьколегованих конструкційних сталях під час їх термічної та термомеханічної обробки.

Методи дослідження:

- метод визначення хімічного складу сталі та механічних випробувань;

- метод світлової мікроскопії для аналізу структури сталі;

- методика просвітчувальної та скануючої електронної мікроскопії і мікродифракції для аналізу тонкої структури сталі;

- метод енергетичної дисперсії для аналізу хімічного складу неметалічних включень у сталі.

Наукова новизна отриманих результатів

- установлена ведуча роль карбонітридів титана та нітридів алюмінію в процесі формування структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в конструкційній сталі, мікролегованій нітридоутворюючими елементами;

- показана можливість одержання структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в сталі типу 09Г2ФБ у процесі термомеханічної обробки;

- визначені особливості структури голчастого фериту і комплексу властивостей конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами, зі структурою голчастого фериту.

Практична значимість отриманих результатів.

Розроблено режими термічної обробки конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами, які можуть бути застосовані в умовах промислового виробництва.

Показано можливість використання розроблених режимів термічної обробки мікролегованої нітридоутворюючими елементам конструкційної сталі в умовах промислового виробництва, що підтверджується актом впровадження.

Особистий внесок здобувача:

- встановлено характер впливу нітридів алюмінію і карбонітридів титана на протікання бейнітного перетворення в мікро- і низьколегованих сталях;

- встановлено характер впливу попередньої пластичної деформації аустеніту на хід бейнітного перетворення в низьколегованих конструкційних сталях;

- розроблено режим термічної обробки конструкційної сталі мікролегованої нітридоутворюючими елементами, що дозволяє в промислових умовах одержати структуру голчастого фериту з відповідним комплексом властивостей;

- визначений комплекс механічних властивостей конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами зі структурою голчастого фериту;

- проведено основний обсяг експериментальних досліджень з даної науково-дослідної роботи;

- участь у впровадженні результатів виконаної НДР в умовах ВАТ “Дніпропетровський металургійний завод їм Г.І. Петровського”.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень апробовані в доповідях на двох міжнародних конференціях “Стародубовские чтения 2002”, “Стародубовские чтения 2005” (ПДАБтА, Дніпропетровськ); на міжнародній конференції “Materials Week 2002” (Munchen, Germany, жовтень 2002 р.); на міжнародній конференції “Наука в транспортному вимірі” (травень 2005, м. Київ); на відкритих засіданнях і семінарах кафедри матеріалознавства і обробки матеріалів (ПДАБтА, м. Дніпропетровськ, 20022005 р.).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлені в 8 працях, опублікованих у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 158 найменувань, 4 додатків. Загальний обсяг дисертації містить 164 сторінки, включаючи 139 сторінок основного тексту, 67 рисунків і 25 таблиць.

Робота виконана на кафедрі “Матеріалознавства і обробки матеріалів” Придніпровської державної академії будівництва та архітектури під керівництвом доктора технічних наук, професора Большакова Володимира Івановича, у лабораторії металознавства і фізики металів INSA de Lyon (Франція) і Інституті чорної металургії НАН України.

2. Основний зміст роботи

В вступі розкрита актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, приведені основні наукові положення, що виносяться на захист, а також практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ містить аналіз найбільш значимих робіт, присвячених науковій проблемі, що розв'язується в дисертаційній роботі. Вивченню особливостей бейнітного перетворення в низьковуглецевих низьколегованих сталях і параметрів термомеханічного зміцнення цих сталей присвячені роботи В.И. Большакова зі співробітниками.

Проаналізовані роботи Дж. Пападімітріо, Д. Ебсона, Дж. Шіма, Р. Кокрейна, П. Кірквуда, Р. Фаррара та ін. закордонних учених, присвячені умовам утворення структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в низьковуглецевих низьколегованих сталях.

Розглянуто роботи М.І. Гольдштейна, А.Е. Вола, Г.В. Самсонова, Я.С. Уманського, М.П. Славінського і Ю.А. Шульте, присвячені умовам утворення нітридів і карбонітридів у конструкційних сталях. Проаналізовано роботи Р.Рікса, Дж. Керра і Дж. Корбетта, Э. Мілза і Дж. Тьюліса, С. Рінгера, Ф. Барбаро і К. Істерлінга, присвячені ролі неметалічних включень у формуванні структури “інтрагранулярного” голчастого фериту. Проведено аналіз робіт М. Грегга і Х.К.Д.Х. Бгадешії, Шінджіви і Тамехіро, Хорії й Охіти, Уєшіми зі співробітниками по оцінці ефективності різних неметалічних включень як центрів утворення рейок “інтрагранулярного” голчастого фериту. Виконано аналіз новітніх робіт Э. Крейвена і К. Хе, И. Мадарьяги і И. Гутієрез, присвячених цьому питанню.

Розглянуто роботи Дж. Крістіана, Дж. Р. Янга, М. Стренгвуда, Х.И. Оронсона й ін. авторів, присвячені механізмові і кінетиці утворення структури голчастого фериту в ході бейнітного перетворення. Проаналізовано роботи, присвячені вивченню комплексу властивостей “інтрагранулярного” голчастого фериту в низьковуглецевих конструкційних сталях (роботи К. Нішіоки, Х. Тамехіро, Дж. М. Родрігез-Ібабе, С. Лі, Х.К. Лі, С.Н. Прасада та ін.).

Аналіз літературних даних показав, що вплив гарячої пластичної деформації на утворення структури голчастого фериту в низьковуглецевих сталях недостатньо вивчено. У літературі наявні суперечливі дані про вплив нітридів і карбонітридів на утворення структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в конструкційних сталях. У літературі відсутні дані про режими термічної обробки низьковуглецевих конструкційних сталей для одержання структури “інтрагранулярного” голчастого фериту, які можуть бути застосовані в промислових умовах. У різних роботах наводяться суперечливі дані про комплекс властивостей низьковуглецевих конструкційних сталей зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту.

Другий розділ містить обґрунтування вибору матеріалу досліджень, хімічний склад досліджених сталей, методику термічної та термомеханічної обробки досліджених сталей, а також опис експериментальних методів дослідження структури і комплексу властивостей сталей.

Для досліджень були взяті сталі 09Г2ФБ виробництва ВАТ “ММК ім. Ілліча” і конструкційна сталь (типу Ст20), мікролегована нітридоутворюючими елементами, виробництва ВАТ “Дніпроспецсталь” та ВАТ “ДМЗ ім. Г.І. Петровського”, хімічний склад яких представлено у таблиці 1.

Таблиця 1 Хімічний склад досліджених у роботі сталей

Для дослідження впливу попередньої гарячої пластичної деформації переохолодженого аустеніту на протікання бейнітного перетворення в сталі 09Г2ФБ використовували експериментальну установку для диференційно-термічного аналізу. Вона складається з прокатного стану, печі нагрівання і витримки зразків, дилатометричної установки, пульта керування і приладів, що реєструють. Зразки нагрівали до ТА = 1150 С, Тпоч. деф. = 870 С, сумарний ступінь деформації 35%, охолодження здійснювали в діапазоні швидкостей охолодження Vох. = 15...150 С/с. Конструкційну сталь (типу Ст20), мікролеговану нітридоутворюючими елементами нагрівали до ТА = 1000... 1150 С і гартували в олії.

Дослідження і фотографування мікроструктури здійснювали за допомогою мікроскопів Neophot 2 і Neophot 21 (Німеччина).

Загальні дослідження тонкої структури здійснювали за допомогою електронних мікроскопів ЕМ-125К (Україна), Jeol-200CX (Японія). Для більш детального дослідження наноструктури сталей і морфології наночасток використовували електронний мікроскоп Jeol-2010FEG (Японія), оснащений гарматою з автоелектронною емісією (FEG) і пристроєм для мікрорентгеноспектрального аналізу на основі методу енергетичної дисперсії електронів (EDX).

Детальне дослідження структурних складових досліджених сталей здійснювали за допомогою скануючого електронного мікроскопа Jeol 840 (Японія) також оснащеного приставкою для мікрорентгеноспектрального аналізу на основі методу енергетичної дисперсії електронів (EDX).

У третьому розділі представлені результати дослідження неметалічних включень, що є присутніми в структурі низьковуглецевої конструкційної сталі (типу Ст20), мікролегованої нітридоутворюючими елементами. Встановлено, що в структурі сталі присутні карбонітриди титана (Ti(C,N)), що мають ГЦК ґратку (а = 0,42417 нм). Карбонітриди титана присутні у виді як відносно великих часток (розмірами 4...6 мкм), так і дрібних часток (розмірами близько 10 нм). У структурі сталі також присутні нітриди алюмінію (AlN), що мають ГЩ ґратку (a=b= 0,31141 нм, c= 0,49792 нм) розмірами близько 80 нм та більше (до 1 мкм).

Встановлено, що частки Ti(C,N), AlN і комплексні з'єднання розподілені квазірівномірно по тілу феритного зерна, а не переважно по границях колишніх аустенітних зерен. Показано, що ці, квазірівномірно розподілені по тілу аустенітного зерна частки Ti(C,N), AlN та їхні комплексні з'єднання служать ефективними центрами зародження рейок “інтрагранулярного” голчастого фериту в конструкційній сталі (типу Ст20), мікролегованої нітридоутворюючими елементами. Встановлено, що, незважаючи на істотне розходження в питомій щільності неметалічних включень (у плавці № 166908 кількість неметалічних включень у 2,75 рази вище, ніж у плавці № 166215), різниці в структурі “інтрагранулярного” голчастого фериту в двох досліджених плавках не спостерігається. Це пов'язано з автокатолітичним характером формування структури “інтрагранулярного” голчастого фериту. В обох плавках питома щільність часток ефективних для інтрагранулярного зародження рейок голчастого фериту залишається вище теоретично необхідної. У той же час, у сталі подібного хімічного складу і виплавленої в тому ж електросталеплавильному агрегаті, але не мікролегованій додатково нітридоутворюючими елементами, утворення структури “інтрагранулярного” голчастого фериту не спостерігається.

У четвертому розділі представлені результати досліджень мікроструктури і тонкої структури “інтрагранулярного” голчастого фериту, а також комплексу властивостей конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами.

Дослідження тонкої структури за допомогою методу тонких фольг показали, що рейки “інтрагранулярного” голчастого фериту характеризуються зниженою щільністю дислокацій та відсутністю виділень карбідів усередині або по границях рейок. У теж час подвійний контраст на зображеннях дислокацій, що спостерігаються в межах рейок, свідчить про утворення атмосфер атомів проникнення (вуглецю) навколо дислокацій, що сприяє їхньому закріпленню і сприяє формуванню рейок “інтрагранулярного” голчастого фериту без виділень карбідів. У процесі росту рейки “інтрагранулярного” голчастого фериту вуглець відтісняється в міжрейкові об'єми, підвищуючи концентрацію вуглецю в аустеніті. При подальшому охолодженні в цих об'ємах формується вуглецевий мартенсит як у сталях з вмістом вуглецю більш 0,6% по масі, див. або ж залишаються тонкі прошарки залишкового аустеніту

Між кристалічними ґратками -фази в рейках “інтрагранулярного” голчастого фериту і прошарками аустеніту спостерігається співвідношення Курдюмова-Закса що свідчить про зсувний механізм утворення рейок “інтрагранулярного” голчастого фериту.

Дослідження мікроструктури конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами, показали, що термічна обробка (аустенітизація в інтервалі 1000...1150 С з наступним загартуванням в олії) приводить до формування структури “інтрагранулярного” голчастого фериту (75...90%) у суміші з бейнітною складовою. Формування деякої кількості (10...25%) бейнітної складової пов'язанє з неповним пасивуванням границь зерен аустеніту як центрів зародження рейок голчастого фериту в процесі бейнітного перетворення. Результуюча структура являє собою суміш “інтрагранулярного” голчастого фериту (75...90%) та бейнітної складової (10...25%).

Співвідношення структурних складових змінюється в залежності від температури аустенітизації, максимальний зміст “інтрагранулярного” голчастого фериту спостерігається при ТА = 1150 С. При подальшому підвищенні температури нагріву під гартування (до 1300 С включно) вміст “інтрагранулярного” голчастого фериту в структурі конструкційної сталі (типу Ст20), мікролегованої нітридоутворюючими елементами знижується.

Комплекс властивостей конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту представлені в таблиці 2.

Таблиця 2 Механічні властивості сталі зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту

З аналізу таблиці 2 випливає, що прокат з конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту в перетинах до 12 мм має високий комплекс міцносних та в'язких характеристик і відповідає вимогам, що пред'являються до класу міцності 440 за ГОСТ 19281 19281 та С590Т за ГОСТ 27772 для фасонного і смугового прокату. Такі показники міцності та ударної в'язкості досягаються за рахунок сполучення системи легування Al+Ti+N з термічною обробкою, спрямованої на одержання структури “інтрагранулярного” голчастого фериту. Це дозволяє відмовитись від використання дорогих і дефіцитних в умовах України легуючих елементів (Ni, V, Mo, Nb) та одержати відносно дешевий високоміцний прокат для потреб будівництва, транспортного машинобудування і т.д.

У п'ятому розділі представлені результати дослідження впливу гарячої пластичної деформації на кінетику розпаду переохолодженого аустеніту в сталі 09Г2ФБ при безперервному охолодженні, виконані для оцінки впливу гарячої пластичної деформації переохолодженого аустеніту на кінетику бейнітного перетворення і можливість одержання структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в сталі 09Г2ФБ.

Аналіз діаграми показав, що попередня гаряча пластична деформація аустеніту приводить до зміщення областей перетворення на діаграмі у бік більш високих швидкостей охолодження. Розширюється область утворення надлишкового фериту, а також голчастого фериту в процесі бейнітного перетворення. Дослідження мікроструктури показали, що продукти розпаду аустеніту характеризуються високим ступенем дисперсності. Це пов'язане з подрібненням вихідного зерна аустеніту в процесі деформації. Внаслідок цього зростає сумарна площа границь аустенітних зерен, а імовірність інтрагранулярного зародження рейок бейніта знижується. В той же час у структурі сталі 09Г2ФБ після розпаду гарячедеформованого аустеніту в області бейнітного перетворення виявляються області “інтрагранулярного” голчастого фериту

Мікротвердість таких ділянок “інтрагранулярного” голчастого фериту трохи нижча, ніж у конструкційній сталі, мікролегованій нітридоутворюючими елементами, що пов'язано з більш низьким вмістом вуглецю в сталі 09Г2ФБ і меншою кількістю мартенситу між рейками “інтрагранулярного” голчастого фериту. Дослідження показали, що в дослідженому інтервалі швидкостей охолодження попередня гаряча деформація трохи розширює область бейнітного перетворення в сталі в порівнянні з недеформованим станом і істотно підвищує вміст дрібнодисперсного надлишкового фериту. Представляється можливим за рахунок підбора параметрів деформації і прискореного охолодження домогтися істотного підвищення частки “інтрагранулярного” голчастого фериту в структурі стали 09Г2ФБ після термомеханічної обробки, що забезпечить високий комплекс міцносних та в'язких характеристик сталі при відносно низьких витратах.

Основні висновки

1. Досліджено особливості фазових перетворень у низько- і мікролегованих конструкційних сталях в умовах попередньої термомеханічної обробки та ефективність застосування нітридоутворюючих елементів у якості легуючих.

2. У процесі бейнітного перетворення в сталях, легованих системою Al+Ti+N, спостерігається зміна морфології продуктів фазового перетворення внаслідок наявності в тілі аустенітного зерна рівномірно розподілених часток нітридів, карбонітридів і комплексних часток. При безперервному охолодженні в температурному інтервалі бейнітного перетворення такі частки служать центрами утворення рейок “інтрагранулярного” голчастого фериту, що зароджуються і ростуть усередині зерна аустеніту. Таким чином, “інтрагранулярний” голчастий ферит є продуктом бейнітного перетворення, на що вказує співвідношення Курдюмова-Закса між кристалами бейнітного фериту і залишкового аустеніту, а також наявності областей мартенситу і прошарків залишкового аустеніту в структурі сталі після закінчення перетворення.

3. Уперше показано, що карбонітриди титана та нітриди алюмінію, а також їхні комплексні з'єднання є ефективними центрами зародження рейок “інтрагранулярного” голчастого фериту в низьколегованих конструкційних сталях.

4. Уперше також показано, що введення нітридоутворюючих елементів приводить до утворення “інтрагранулярного” голчастого фериту в конструкційних сталях з вмістом вуглецю до 0,2% (по масі).

5. Встановлено, що в конструкційній сталі (типу Ст20), мікролегованій нітридоутворюючими елементами системи Al+Ti+N, формуються карбонітриди титана Ti(C,N) із ГЦК ґраткою (а = 0,42417 нм); нітриди алюмінію AlN із ГЩ ґраткою (a=b= 0,31141 нм, c= 0,49792 нм), а також комплексні частки типу Ti(C,N)+AlN та Ti(C,N)+AlN+MeS.

6. Формування в сталі часток карбонітридів титана, нітридів алюмінію і їхніх комплексних з'єднань приводить до подрібнення зерна аустеніту і, відповідно, феритного зерна в гарячекатаному стані. При нагріванні під термічну обробку частки нітридів і карбонітридів стримують ріст аустенітного зерна, тим самим, дозволяючи проводити нагрів під гартування при більш високих температурах, що забезпечує одержання структури “інтрагранулярного” голчастого фериту.

7. Показано, що конструкційна сталь (типу Ст20), легована системою (Al+Ti+N) зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту, після термічної обробки дозволяє забезпечити клас 440 за ГОСТ 19281 для фасонного і смугового прокату (до 12 мм товщиною) і клас С590Т за ГОСТ 27772. Структура “інтрагранулярного” голчастого фериту значно підвищує комплекс механічних властивостей сталі і, особливо, ударної в'язкості при знижених температурах (KCU-80 35 Дж/см2 на поперечних зразках при вимогах ГОСТ 19281 KCU-70 29 Дж/см2).

8. Розроблений режим термічної обробки в сполученні із системою легування (Al+Ti+N) дозволяє домогтися одержання структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в процесі бейнітного перетворення. У той же час розроблений режим вигідно відрізняється від відомих аналогів меншими енерговитратами (не потрібні тривалі ізотермічні витримки) і, у зв'язку з цим, простотою реалізації в умовах промислового виробництва (немає необхідності в застосуванні соляних ванн). При цьому тонна конструкційної сталі (типу Ст20), мікролегованої нітридоутворюючими елементами (Al+Ti+N), за попередніми підрахунками на ~ 600...620 грн/т дешевше аналогів (сталей типу 16Г2АФ) при більш високому комплексі властивостей. Конструкційна сталь (типу Ст20), мікролегована нітридоутворюючими елементами (Al+Ti+N), не схильна до старіння. Ця сталь у процесі експлуатації може піддаватися зварюванню (СЭ 0,4).

9. Показано, що гаряча деформація переохолодженого аустеніту сталі 09Г2ФБ підвищує частку надлишкового (надмілкого) фериту і розширює область бейнітного перетворення. Незважаючи на підвищення сумарної площі границь аустенітних зерен при гарячій деформації, у процесі бейнітного перетворення в сталі 09Г2ФБ виявляються області “інтрагранулярного” голчастого фериту.

10. Досліджена в роботі система легування (Al+Ti+N) і режим термічної обробки для одержання структури “інтрагранулярного” голчастого фериту, знайшли застосування в практиці ВАТ “Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського” при виробництві профілів з високоміцних конструкційних низьколегованих сталей для вагонобудування. Вони також можуть бути використані в умовах інших металургійних комбінатів (“Азовсталь”, “Запорожсталь”, ММК ім. Ілліча, АМК та ін.), що виробляють широкий сортамент фасонного та листового прокату для будівництва, машинобудування, транспорту й інших металоспоживаючих галузей.

Основний зміст дисертації викладений у роботах

1. “Что такое игольчатый феррит”. // Большаков В.И., Узлов О.В., Бекетов А.В., - Сб. трудов “Стародубовские чтения 2002”, вып. 8., часть 2. - 2001 г. - с. 507-510 (автору належить критичний огляд існуючих в літературі класифікацій бейнітної структури);

2. O.Uzlov, V. Bolchakov, Investigation of Acicular Ferrite Structure in HSLA Steel.//"MATERIALS WEEK 2002 - Proceedings", Ed. Werkstoffwoche-Partnerschaft GbR, Publisher: Werkstoff-Informationsgesellschaft mbH, Frankfurt, 2002 (автор приймав участь в експериментальному визначенні параметрів термомеханічної обробки для отримання структури голчастого фериту в сталі типу 09Г2ФБ)

3. В.И. Большаков, О.В. Узлов, Ф. Монтеверде, Й. Пейн “Структура изломов образцов стали 09Г2ФБ в зависимости от структурного состояния” // Металознавство та термічна обробка металів, № 1-2 (20-21) 2003, с. 8-13 (автор дослідив взаємозв'язок характеру руйнування сталі типу 09Г2ФБ з її структурним станом);

4. В.И. Большаков, А.И. Карнаух, А.П. Клименко, О.В. Узлов “Исследование особенностей распада горячедеформированного переохлажденного аустенита стали 09Г2ФБ” // Новини науки Придніпров'я, № 6 2004, с. 19-23 (автору належить підбір оптимальних параметрів термомеханічного зміцнення з метою отримання підвищенного комплексу властивостей сталі типу 09Г2ФБ);

5. В.И. Большаков, О.В. Узлов, К. Эснуф, А. Мальшер “Роль нитридов алюминия и карбонитридов титана в формировании структуры интрагранулярного бейнита в микролегированной конструкционной стали” // Металознавство та термічна обробка металів, № 4 (27) 2004, с. 5-23 (автор приймав участь в дослідженнях впливу легування нітридоутворюючими елементами конструкційної сталі типу Ст20 на формування структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в дослідженій сталі);

6. В.И. Большаков, О.В. Узлов, А.В. Пучиков “Особенности получения структуры игольчатого феррита в низколегированных конструкционных сталях” // Металлургическая и горнорудная промышленность, № 1 2005, с. 63-65 (автор виконав дослідження особливостей структури “інтрагранулярного” голчастого фериту в конструкційній сталі типу Ст20, мікролегованої нітридоутворюючими елементами);

7. В.И. Большаков, О.В. Узлов, А.В. Пучиков “Роль нитридов алюминия и карбонитридов титана при получении структуры игольчатого феррита в низколегированных конструкционных сталях” // Металлургическая и горнорудная промышленность, № 2 2005, с. 59-62 (автор приймав участь в електронномікроскопічних дослідженнях неметалічних включень в структурі конструкційної сталі типу Ст20, мікролегованої нітридоутворюючими елементами);

8. О.В. Узлов “Роль сульфидов в формировании структуры игольчатого феррита в микролегированной конструкционной стали” Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. научн. трудов. Вып. 32, ч. 1, - Дн-вск, ПГАСА, 2005, с. 106-113.

Анотація

Узлов О.В. Формування структури голчастого фериту та комплексу властивостей у мікро- та низьколегованих конструкційний сталях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ 2006.

Дисертація спрямована на підвищення комплексу міцносних та в'язких характеристик низьколегованих конструкційних сталей шляхом розробки режимів термічної обробки, що дозволяють одержати структуру голчастого фериту.

В роботі доведено, що нітриди алюмінію та карбонітриди титана, а також їхні комплексні з'єднання служать ефективними центрами зародження рейок “інтрагранулярного” голчастого фериту в процесі бейнітного перетворення.

Встановлено, що з підвищенням температури нагріву під гартування до 1150 С частка “інтрагранулярного” голчастого фериту зростає до 90%, а потім знижується. Показано, що низьколегована конструкційна сталь зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту має високий комплекс міцносних характеристик (0,2 = 550...660 МПа) при задовільному рівні пластичності (5 = 21...22 %) та високих показниках ударної в'язкості при знижених температурах (KCU-80 35 Дж/см2). Прокат зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту відповідає вимогам класу 440 за ГОСТ 19281 та С590Т за ГОСТ 27772 для фасонного і смугового прокату. Розроблений режим термічної обробки знайшов використання в практиці ВАТ “ДМЗ ім. Г.І. Петровського”, що підтверджується актом впровадження.

Показано, що попередня деформація істотно впливає на кінетику розпаду аустеніту. Розширюється область утворення надлишкового фериту, а також бейнітного перетворення. У процесі деформації зростає сумарна площа границь аустенітних зерен. У той же час у структурі стали 09Г2ФБ після розпаду гарячедеформованого аустеніту в області бейнітного перетворення виявляються області “інтрагранулярного” голчастого фериту.

На підставі встановлених температурно-часових інтервалів утворення бейнітних структур розроблений режим термічної обробки конструкційної сталі, мікролегованої нітридоутворюючими елементами, що дозволяє одержати прокат зі структурою “інтрагранулярного” голчастого фериту. Показана можливість одержання “інтрагранулярного” голчастого фериту в низьколегованій сталі типу 09Г2ФБ у процесі термомеханічної обробки.

Ключові слова: голчастий ферит, бейніт, карбонітрид титана, нітрид алюмінію, термокінетична діаграма, електронна мікроскопія, мікродифракція, механічні властивості, ударна в'язкість.

Аннотация

Узлов О.В. Формирование структуры игольчатого феррита и комплекса свойств в микро- и низколегированных конструкционный сталях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск 2006.

Диссертация направлена на повышение комплекса прочностных и вязких характеристик низколегированных конструкционных сталей путем разработки режимов термической обработки, позволяющих получить структуру игольчатого феррита.

В работе проведен анализ литературных источников, посвященных теме исследований. Рассмотрены работы, посвященные особенностям бейнитного превращения в низкоуглеродистых сталях. Проанализированы данные о влиянии нитридообразующих элементов на формирование структуры игольчатого феррита в процессе бейнитного превращения. Рассмотрено влияние предварительной термомеханической обработки на протекание распада переохлажденного аустенита в низколегированных конструкционных сталях.

Представлены результаты исследований морфологии нитридов и карбонитридов образующихся в конструкционной стали, микролегированной нитридообразующими элементами. Показано, что нитриды алюминия и карбонитриды титана, а также их комплексные соединения служат эффективными центрами зарождения реек “интрагранулярного” игольчатого феррита в процессе бейнитного превращения.

Приведены результаты исследований параметров термической обработки на структуру “интрагранулярного” игольчатого феррита и комплекс свойств конструкционных сталей со структурой “интрагранулярного” игольчатого феррита. Установлено, что с повышением температуры нагрева под закалку до 1150 С доля “интрагранулярного” игольчатого феррита возрастает до 90%, а затем снижается. Показано, что низколегированная конструкционная сталь со структурой “интрагранулярного” игольчатого феррита обладает высоким комплексом прочностных характеристик (0,2 = 550...660 МПа) при удовлетворительном уровне пластичности (5 = 21...22 %) и высоких показателях ударной вязкости при пониженных температурах (KCU-80 35 Дж/см2). Прокат со структурой “интрагранулярного” игольчатого феррита соответствует требованиях класса 440 по ГОСТ 19281 и С590Т по ГОСТ 27772 для фасонного и полосового проката.

Изучены особенности влияния предварительной горячей деформации аустенита низколегированной стали типа 09Г2ФБ на кинетику распада переохлажденного аустенита в интервале скоростей охлаждения 15...150 С/с. Показано, что предварительная деформация существенно влияет на кинетику распада аустенита. Расширяется область образования избыточного феррита, а также бейнитного превращения. В процессе деформации возрастает суммарная площадь границ аустенитных зерен. В тоже время в структуре стали 09Г2ФБ после распада горячедеформированного аустенита в области бейнитного превращения обнаруживаются области “интрагранулярного” игольчатого феррита.

На основании установленных температурно-временных интервалов образования бейнитных структур разработан режим термической обработки конструкционной стали, микролегированной нитридообразующими элементами, позволяющий получить прокат со структурой “интрагранулярного” игольчатого феррита. Показана возможность получения “интрагранулярного” игольчатого феррита в низколегированной стали типа 09Г2ФБ в процессе термомеханической обработки.

Ключевые слова: игольчатый феррит, бейнит, карбонитрид титана, нитрид алюминия, термокинетическая диаграмма, электронная микроскопия, микродифракция, механические свойства, ударная вязкость.

Abstract

Uzlov O.V. Formation of acicular ferrite structure and properties in micro- and low-alloyed structural steels - Manuscript.

Thesis for degree of candidate of technical sciences by specialty 05.02.01 - materials science. - Pridnyprovsk State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnipropetrovs'k, 2006.

The thesis is devoted to improvement of properties of low-alloyed steels by formation of acicular ferrite structure.

Inclusions of Ti(C,N), AlN and complex inclusions (Ti(C,N)+AlN, Ti(C,N)+AlN+MeS) have been observed in structure of structural steel inoculated by Al+Ti+N. Efficiency of Ti(C,N)+AlN and Ti(C,N)+AlN+MeS as nucleation sites for acicular ferrite plates nucleation has been showed.

It has been showed that acicular ferrite fraction depends on austenitizing temperature. Acicular ferrite fraction in steel structure increasing up to TA = 1150 С (about 90% of acicular ferrite in structure after bainitic transformation) but at higher temperatures (up to 1300 С) acicular ferrite fraction decreasing. It has been showed that structural steel inoculated by Al+Ti+N with acicular ferrite structure has high strength (0,2 = 550...660 MPа) satisfactory ductility (5 = 21...22 %) and high impact toughness (KCU-80 35 J/cm2).

Influence of preliminary hot deformation on kinetics of transformations in range 15...150 С/s cooling rates in steel 09Г2ФБ has been investigated. Enlargement areas of bainite and hypoeutectic ferrite due to preliminary deformation have been showed.

It has been showed that deformation increase fraction of granularly nucleated bainite sheaves. Nevertheless some areas of intragranularly nucleated plates of acicular ferrite have been observed. The possibility of achievement intragranular acicular ferrite structure in 09Г2ФБ steel during thermomechanical treatment has been showed.

Key words: acicular ferrite, bainite, intragranular nucleation, titanium carbonitride, aluminium nitride, TEM, EDX, mechanical properties, impact toughness.

Размещено на Allbest.ru