Введение к работе
Актуальность. Разработка технологий упрочнения, обеспечивающих получение требуемого комплекса прочностных и пластических свойств материалов, требует понимания природы процессов, протекающих в них. Выяснение физических механизмов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний является одной из важных задач современной физики конденсированного состояния, поскольку лежит в основе разработки и создания эффективных способов повышения служебных характеристик.
В последние годы производство высококачественного проката все более смещается в сторону получения комплекса свойств в потоке прокатного стана в процессе термомеханической обработки. Применение технологий принудительного охлаждения с температуры конца прокатки для упрочнения фасонного проката обеспечивает наиболее эффективное использование достаточно дорогих легирующих материалов при одновременном повышении свойств изделий.
Не менее важной проблемой, в значительной степени определяющей показатели работы станов, является повышение стойкости чугунных валков. Одним из направлений ее решения является плазменная закалка рабочей поверхности калибров валков. Процесс упрочнения заключается в высокотемпературном нагреве плазменным потоком участка поверхности (анодное пятно) и его интенсивном охлаждении со скоростями, обеспечивающими закалочные структуры. При этом стойкость валков может возрастать на -60%.
Решение указанных выше практических задач невозможно без понимания природы процессов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний в сталях и сплавах в условиях внешних энергетических и деформационных воздействий.
Воздействие высоких степеней и градиентов деформации, температуры, концентрированных потоков энергии способно привести к возникновению нанокристаллического состояния в поверхностных слоях обрабатываемых изделий. Это является приоритетным направлением исследований. Создание металлопродукции нового поколения должно строиться на принципах бурноразвивающихся нанотехнологий, базирующихся на фундаментальных исследованиях физической природы наноструктурирования.
Работа выполнялась в соответствии с грантами Министерства образования и науки РФ по фундаментальным проблемам металлургии (2006-2009 гг.), в рамках Аналитической ВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 гг. (проекты 2.1.2/546, 2.1.2/13482), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (госконтракт П332, соглашение № 14.В37.21.0071), темами ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Комплекс выполненных в рамках данной работы исследований по разработке и внедрению технологии термомеханического упрочнения
строительной арматуры в условиях ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" удостоен премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2006 год.
Цель работы: установление физической природы, механизмов и закономерностей формирования и эволюции структурно-фазовых состояний, дефектной субструктуры и механических свойств сталей и сплавов в современных упрочняющих технологиях при прокатке.
Для достижения цели в ходе работы решались следующие задачи:
1. Установление на различных масштабных уровнях закономерно
стей формирования структуры, фазового состава, дефектной субструкту
ры, поверхности разрушения валков из чугуна марок СШХНФ и СПХН в
условиях плазменного упрочнения и анализ их эволюции при прокатке
термомеханически упрочненной арматуры в различных режимах.
2. Установление закономерностей формирования структурно-
фазовых состояний, дефектной субструктуры и механических свойств ар
матуры большого диаметра из малоуглеродистой низколегированной стали
18Г2С, упроченной по режиму прерванной закалки в потоке сортового
стана.
-
Выявление закономерностей формирования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и механических свойств двутавровой балки из стали 09Г2С, упрочненной по режиму ускоренного охлаждения, и установление оптимальных режимов термомеханического упрочнения.
-
Установление физической природы формирования градиентных структурно-фазовых состояний и дислокационных субструктур при послойном анализе термомеханически упрочненного фасонного проката.
-
Анализ механизмов формирования наноразмерных фаз и прочностных свойств, реализующихся при термомеханической обработке малоуглеродистой стали.
-
Разработка и внедрение технологических решений и оборудования для упрочняющих обработок арматуры большого диаметра, фасонного проката и прокатных валков.
Научная новизна.
1) На различных масштабных уровнях (макро-, мезо-, микро- и нано-) выявлены качественные и количественные закономерности формирования и эволюции структуры, фазового состава, дефектной субструктуры валков из чугуна различных марок после плазменного упрочнения и эксплуатации в различных режимах при прокатке и установлено, что одним из основных механизмов, ответственных за плазменное упрочнение чугунных валков, является формирование нанокристаллической зеренной структуры на основе а-фазы (размер кристаллитов 35-40 нм), стабилизированной частицами цементита размером -3-5 нм.
2) Методами просвечивающей электронной микроскопии выполнен послойный анализ структурно-фазовых состояний и дефектной субструк-
туры арматурного проката большого диаметра из конструкционных низколегированных сталей после прерванной закалки, позволивший сформировать банк данных зависимостей параметров тонкой структуры сталей при термомеханическом упрочнении. Прерывистая закалка арматуры большого диаметра сопровождается формированием слоистой структуры, проявляющимся на всех структурно-масштабных уровнях и обусловленном действием различных механизмов полиморфного у—>а превращения.
-
Установлена природа изменения структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры и свойств фасонного проката из низкоуглеродистой стали при термомеханическом упрочнении. За повышение механических свойств ответственны субструктурное и деформационное упрочнения, обусловленные образованием кристаллов мартенсита и бейнита. Формирование наноразмерной фазы при термомеханической упрочнении двутавровой балки возможно при реализации процессов, основным элементом которых является преобразование карбидной подсистемы.
-
Разработаны физико-технические основы промышленных упрочняющих технологий, обеспечивающие значительное увеличение эксплуатационных и механических свойств проката и оборудования.
Практическая значимость. Совокупность экспериментальных результатов и закономерностей формирования и изменения структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и механических свойств позволила разработать и внедрить технологические решения и оборудование для:
1) плазменного упрочнения литых валков из чугуна марки СШХНФ и
СПХН;
-
термомеханического упрочнения арматуры большого диаметра и фасонного проката из конструкционных низколегированных марок сталей по режимам прерванной закалки и ускоренного охлаждения;
-
установить оптимальные технологические режимы упрочняющих обработок;
-
обеспечить существенное повышение служебных характеристик и механических свойств прокатного оборудования и готового проката;
Основные способы, устройства и оборудование для упрочняющих обработок защищены 29 патентами РФ.
Экономический эффект от внедрения технологии термомеханического упрочнения проката по режимам прерванной закалки и ускоренного охлаждения и плазменного упрочнения валков из чугуна марок СШХНФ и СПХН на ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» составил 42,5 млн. руб., в том числе доля автора - 8,5 млн. руб.
Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях и сплавах, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физическому мате-
риаловедению, обработке металлов давлением, металловедению и термообработке.
Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, применением апробированных методик и методов современного физического материаловедения, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности формирования на различных масштабных уровнях
структурно-фазовых состояний, дефектной субструктуры и поверхности
разрушения валков из чугуна марок СШХНФ и СПХН при плазменном
упрочнении и их изменение при прокатке арматуры в различных режимах.
-
Комплекс экспериментальных результатов исследования формирования и изменения структуры, фазового состава, дислокационных субструктур арматуры большого диаметра из стали 18Г2С при термомеханическом упрочнении по режиму прерванной закалки.
-
Качественные и количественные закономерности организации структурно-фазовых состояний, дефектной субструктуры и механических свойств фасонного проката из стали 09Г2С, упрочненного по режиму ускоренного охлаждения, и установление оптимальных режимов.
-
Результаты анализа градиентного характера формирования структурно-фазовых состояний и дислокационных субструктур при термомеханическом упрочнении двутавровой балки.
-
Механизмы образования наноразмерных фаз и прочностных свойств фасонного проката из низкоуглеродистой стали, упрочненного ускоренным охлаждением в потоке прокатного стана.
-
Технологии, режимы и оборудование термомеханических упрочняющих обработок фасонного и арматурного проката большого диаметра и плазменного упрочнения валков, обеспечивающие значительное увеличение эксплуатационных и механических свойств готовых изделий и оборудования.
Личный вклад автора состоит в научной постановке цели и задач исследования, анализе литературных данных, выполнении металлографических, электронно-микроскопических и других исследований и механических испытаний термомеханически упрочненной арматуры большого диаметра и фасонного проката и плазменно-упрочненных валков различного химического состава, статистической обработке и анализе полученных результатов, их публикации, внедрении упрочняющих технологий в производство.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались более чем на 90 научных конференциях и семинарах, в том числе: Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке ме-
таллических материалов", Москва, 2001, 2006, 2009, 2011; XVI - XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, С.-Петербург, 2005, 2007, 2008, 2009, 2010, 2012; III, V, VI Российских научно-технических конференциях "Физические свойства металлов и сплавов", Екатеринбург, 2005, 2009, 2011; 44, 45, 47, 49 международных конференциях «Актуальные проблемы прочности», Вологда, 2005, Белгород, 2006, Нижний Новгород, 2008, Киев, 2010; III, V, VI Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур», Москва, 2006, 2010, 2012; Всероссийских конференциях "Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций", Новосибирск, 2006, 2011; IV - VII Международных конференциях «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2006, 2008, 2010, 2012; IX, XI Российско-китайских симпозиумах «Новые материалы и технологии», Астрахань, 2007, Санкт-Петербург, 2011; XI Международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2008; 2-nd International conference on Thermo-Mechanical Simulation and Processing of Steels (SimPro, 08) Ranchi, India, 2008; International seminar «Electro-magnetic fields effect on the structure and characteristics of materials», Novokuznetsk, 2009; II Международном российско-китайском семинаре «Влияние электромагнитных полей на структуру и характеристики материалов», Москва, 2009; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2009; Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», Витебск, 2009; международных семинарах «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», Обнинск, 2009, 2011; The third international conference deformation & fracture of materials and nanomaterials. Москва, 2009; международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии пластической деформации», Москва, 2009; I, II Московских чтениях по проблемам прочности материалов, Москва, 2009, Черноголовка. 2011; IV - VI международных конференциях «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов, Тольятти, 2007, 2010, 2011; 50, 51 международных научных конференциях «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2010, Харьков, 2011; V Российской научно-технической конференции "Ресурс и диагностика материалов и конструкций". Екатеринбург. 2011; Международных симпозиумах «Перспективные материалы и технологии». Витебск. 2008, 2011; V Международной школе «Физическое материаловедение». Тольятти. 2011; IV международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 2011; международной научно-технической конференции «Инновационные технологии обработки металлов давлением». Москва. 2011; 3-ей ежегодной научно-практической конференции Нанотехнологического общества России. Санкт-Петербург. 2011; 19 international conference on composites or nano engeneering. Shanghai. 2011; II Международной научной конференции «Инновационная деятельность
предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов». Москва. 2012.
Соответствие диссертации паспорту специальности
Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» и п.6 «Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами» паспорта специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния» (технические науки).
Материалы диссертации опубликованы в 120 печатных работах, в том числе 60 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 9 монографиях, по ее результатам получено 29 патентов. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка литературы из 308 наименований, приложения, содержит 322 страницы машинописного текста, в том числе 178 рисунков и 44 таблицы.
