Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задачи 12
1.1 Градиентные структурно-фазовые состояния 12
1.2 Классификация и параметры градиентных структур 13
1.3 Производство стержневой арматуры 16
1.4 Способы упрочнения стержневой арматуры 18
1.5 Термическое упрочнение арматурных стержней 19
1.5.1 Электротермическое упрочнение 19
1.5.2. Термическое упрочнение 21
1.5.3 Термическое упрочнение стержней на Западно-Сибирском металлургическом комбинате 22
1.5.4. Термическое упрочнение арматуры на Молдавском металлургическом заводе '23'
1.5.5 Термическое упрочнение прутков на Макеевском металлургит ческом комбинате 26
1.5.6 Термическое упрочнение прутков на других металлургических заводах 28
1.6 Качество термически упрочненной арматуры 31
1.6.1 Водородное охрупчивание арматуры 31
1.6.2 Старение стержневой арматуры 34
1.6.3 Коррозионное растрескивание арматуры 34
1.6.4 Повышение коррозионной стойкости арматуры легированием 35
1.6.5 Повышение коррозионной стойкости арматуры при термическом упрочнении 36
1.7 Арматура из низколегированной стали, содержащей ванадий 38
1.8 Результаты исследования фазовых превращений 40
1.9 Моделирование процесса превращения аустенита в неизотермических условиях 43
1.10 Выводы 47
1.11 Постановка задачи исследования. 48
2 Методики исследования структуры, фазового состава и механических свойств 49
2.1 Материал исследования 49
2.2 Методики металлографических исследований 51
2.3 Методики исследования с использованием просвечивающей' дифракционной электронной микроскопии 54
2.3.1 Определение объемной доли дислокационной субструктуры 55
2.3.2 Определение скалярной плотности дислокаций 55
2.3.3 Определение избыточной плотности дислокаций 56
2.3.4 Определение параметров дислокационной субструктуры 57
2.3.5 Определение средних размеров и объемной доли частиц карбидной фазы 57
2.4 Методики исследования механических свойств 58
2.4.1 Испытания на растяжение 59
2.4.2 Испытания на изгиб и изгиб с разгибом 61
2.4.3 Испытания на микротвердость 62
2.4.4 Определение механических свойств структурных слоев 62
2.5 Теоретическое исследование процесса охлаждения стержней : 63,
3 Моделирование процесса структурообразования при прерывистом охлаждении стержней 66
3.1 Нахождение температурных полей 66
3.2 Построение изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита 72 -
3.3 Расчет структурно-фазового состава при неизотермическихУСЛОВИЯХ 75
3.4 Кинетика распада аустенита 77
3.5 Выводы 83
4 Исследование структуры и фазового состава стержневой арматуры из стали 18Г2С 84.
4.1 Металлографический анализ зеренного ансамбля 84
4.2 Электронно-микроскопический дифракционный анализ структурно-фазового состояния 86
4.2.1 Осевая зона прутка v 86
4.2.2 Переходный слой в.сечении стержня 101
4.2.3 Поверхностный слой 107
4.3 Градиентный характер структуры прутка большого диаметра 113
4.4 СтруктурнЬ-фазрвое состояние, формирующееся в .прутках малого диаметра 115
4.5 Фазовая траектория структурообразования при термическом упрочнении методом прерывистой закалки 117
4.6 Выводы 122
5 Разработка технологии термического упрочнения стержневой арматуры 124
5.1 Состояние вопроса 124
5.2 Установка термического упрочнения в линии стана 450 124
5.3 Термическое упрочнение арматуры из стали 18Г2С 128
5.4 Термическое упрочнение арматуры других марок стали 129
5.4.1 Арматура из стали СтЗпс 129
5.4.2 Арматура из стали СтЗГпс 132
5.4.3 Арматура из стали 18ГС 133
5.5 Исследование механических свойств стержней из стали 18Г2С 135
5.5.1 Арматура диаметром 32 и 40 мм 135
5.5.2 Влияние размерного фактора на механические свойства 136
5.5.3 Влияние технологических параметров на механические свойства 140"
5.5.4 Микротвердость арматурного прутка 141
5.5.5 Механические свойства структурных слоев 143
5.6 Выпуск промышленных партий арматурных стержней 146
5.7 Выводы 149.
Основные выводы 150
Список литературы 152
Акт внедрения 168
- Классификация и параметры градиентных структур
- Качество термически упрочненной арматуры
- Методики исследования с использованием просвечивающей' дифракционной электронной микроскопии
- Определение механических свойств структурных слоев
Введение к работе
В настоящее время основным направлением увеличения прочности металлопроката без широкого привлечения дорогостоящих легирующих материалов являются технологии термического упрочнения, связанные с принудительным охлаждением раскатов в линии прокатных станов. Первые описания структур прерывистого охлаждения и механизмов их образования встречаются в работе [1], теоретические основы процесса заложены в работах [2, 3]. Вопросам прерывистого охлаждения посвящено большое число работ [4-7].
Открытое акционерное общество "Западно-Сибирский металлургический комбинат" (далее: ЗСМК, комбинат) выпускает широкий, как по виду и назначению, так и по марочному составу и служебным свойствам, сортамент стержневой арматуры (далее: стержень, пруток, арматура). Значительный объем его ( 900 тысяч.тонн в год).составляет.арматура №№5-28 (далее: ног минальный диаметр, диаметр) различных классов прочности (ат = 300-1000 МПа). Термическое упрочнение арматуры осуществляется в линии, мелкосортных станов 250 по режиму прерывистой закалки..Используются,стали марок Зпс, 5пс, 25Г2С, 35ГС, 22С и 28С и другие. Действующие установки
ТерМИЧеСКОГО упрОЧНеНИЯ. (УТУ) И НаКОПЛеННЫЙ ТеХНОЛОГИЧеСКИЙ ОПЫТ-ПОг
зволяют получать градиентное структурное состояние, обеспечивающее уровень прочностных свойств стержневой арматуры диаметром 10-28 мм до значений предела текучести (ат) 1000 МПа [4]... Применение, принудительного охлаждения стали: в линии стана для упрочнения стержней обеспечивает наиболее эффективное использование дорогостоящих легирующих. материалов при одновременном - повышении эксплуатационной надежности изделий. При этом получение требуемого комплекса прочностных,и,пластических свойств требует понимания физической природы структурных изменений всех уровней, протекающих в сталях.в процессе сложных деформационных и термических воздействий.
Выяснение физических механизмов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний в сталях является одной из важных задач современной физики конденсированного состояния, поскольку лежит в основе разработки и создания эффективных способов повышения служебных характеристик сталей.
Экспериментальные исследования структур и фазового состояния, формирующихся в сечении стержней в результате прерывистой закалки, очень важно для понимания механизмов и уточнения температурно-временных интервалов превращения аустенита и позволит целенаправленно изменять структуру и механические характеристики арматуры.
Исследование термической обработки должно включитьj в себя сопоставление макрохарактеристик реального технологического процесса с данными модельных представлений, установление связей между эволюцией структуры и механических свойств. Варьирование технологическими параметрами (скорость и температура прокатки, количество и порядок включения участков принудительного охлаждения УТУ и т.д.) определяет изменение температуры от времени в сечении стержня в процессе прерывистого охлаждения, т.е. структурно-фазовое состояние стали. Формирующиеся структуры и субструктуры неоднородны по сечению арматуры. Тип дислокационных субструктур, размеры.и зеренный;состав структурных зон и,определяют механические и коррозионные свойства проката, сопротивление арматуры деформированию и разрушению в процессе эксплуатации.
Основным недостатком сегодняшнего состояния технологии термического упрочнения является её эмпирический характер, когда положительный результат во многом достигается, методом проб и ошибок. Указанное полот жение можно преодолеть, созданием математической модели, кинетики проу цесса структурообразрвания, позволяющей прогнозировать размеры и зерен-ный состав зон структурно-фазовых превращений в зависимости, от техноло гических параметров режимов охлаждения стальных стержней. Это позволит с научно обоснованных позиций подходить к выбору состава сталей и режимов принудительного охлаждения при производстве арматурного проката различных классов прочности [8, 9].
С целью расширения рынка сбыта прокатной продукции и удовлетворения потребностей строительной индустрии в последнее время на комбинате началось освоение производства стержневой арматуры диаметром 32-40 мм, термически упрочненной в линии стана 450 на классы 460 по BS 4449 (Великобритания) и Ат500С по ГОСТ 10884. При этом в ходе технологического процесса стальной прокат претерпевает пластические деформации различного вида, степени и интенсивности и неоднородные по сечению термические воздействия. В,результате в металлическом материале, происходят изменения структурного и,, фазового, состава, формируются различные типы дислокационных субструктур. Эти процессы, с другой стороны, серьезным образом влияют на формирование комплекса прочностных и пластических свойств, сопротивление деформированию и разрушению материала. Следоваг тельно, изучение процессов, протекающих в ходе термической обработки углеродистых и низколегированных сталей, является актуальным и представляв ет несомненный научный и практический интерес. _ ,
Работа выполнялась в соответствии с Федеральной научно-технической программой: "Интеграция" (2000-2004 гг.), грантами Министерства образования .-РФ. по фундаментальным проблемам металлургии (1999-2002гг.), тематическими планами Сибирского государственного индустриального университета.
Цель работы: установление физической природы и закономерностей формирования и эволюции градиентных структурно-фазовых; состояний эко-номнолегированных углеродистых.сталей в процессе.термического упрочнет ния. Для достижения цели в ходе работы решались следующие задачи:
1 Создание математической модели расчета температурных полей и кинетики структурно-фазовіьіх превращений, позволяющей прогнозировать свойства термически упрочненного проката. ,
2 Металлографические и электронно-микроскопические исследования формирования и эволюции фазового состава, зеренного ансамбля и внутри-зеренной субструктуры арматуры, подвергнутой ступенчатому охлаждению.
3 Установление механизмов т- превращения в различных сечениях стержней из стали 18Г2С с градиентным строением.
4 Изучение влияния легирования кремнием и марганцем и технологических параметров процесса прерывистой закалки на количество и толщину структурных слоев в сечении арматурных стержней.
5 Установление связей между структурно-фазовыми состояниями и механическими свойствами арматуры диаметром 32 и 40 мм. ,
Научная новизна заключается в том, что:
1 Впервые методами физического материаловедения проведены комплексные послойные исследования структуры, фазового состава, дислокацій онной субструктуры стержней из экономнрлегированных марок сталей, подвергнутых термическому упрочнению с образованием градиентного .строения
2 Предложена,математическая модель процесса структуро- и фазооб-разования стрежней диаметром до 40 мм при прерывистой закалке, позволяющая адекватно описывать размеры зон структурно-фазовых превращений.
3 Установлены механизмы, ответственные за формирование градиент? ных структурно-фазовых, состояний композита и построены термокинетические траектории охлаждения стрежней,
Практическая значимость: Совокупность экспериментальных и теоретических результатов, полученных при проведении исследований, позволила: .- • ,
1 Достичь понимания, физической природы градиентных структурно-фазовых состояний, формирующихся при термическом упрочнении стержне вой арматуры большого диаметра.
2 Использовать установленные закономерности формирования струк туры и механических свойств низколегированных сталей для оптимизации технологических режимов прерывистой закалки и повышения эксплуатационных свойств арматуры.
3 Разработать математическую модель кинетики процесса структуро- образования при прерывистой закалке стержневых стальных изделий для прогнозирования структуры, сокращения затрат времени и труда на разработку оптимальной технологии термического упрочнения.
Экономический эффект от внедрения технологии составил 9 млн. рублей в год.
Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в.курсе лекций.по физике конденсированного состояния.
Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, применением апробированных методик исследования, адекватностью используемых для расчета физико-математических моделей, надежными корреляциями между экспериментальными данными и результатами, полученными, теоретическим путем. Она обеспечивается обоснованностью применяемых методов современного физического материаловедения, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных,результатов с даннымидругих авторов. ; __._ . ,.
Положения, выносимые на защиту: v Р - :
1 Математическая модель расчета температурных полей при структу-рообразовании в стержнях диаметром до 40 мм.
2 Закономерности формирования и эволюции градиентных структур-, но-фазовых состояний в эконрмнолегиррванных сталях в процессе термичес кого упрочнения.
3 Механизмы у а превращения в различных сечениях стержней из стали 18Г2С с градиентным строением.
4 Результаты структурно обоснованного прогнозирования термокинетических траекторий охлаждения различных слоев арматурного прутка.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, проведении расчетов по разработанной математической модели, проведении циклов термической обработки, выполнении металлографических и электронно-микроскопических исследований и механических испытаний, статистической обработке и анализе полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: V Международном семинаре им. Лихачева "Современные проблемы прочности", Старая Русса, 2001; Всероссийском семинаре "Бернщтейновские;чтения по термомеханической обработке металлических материалов", Москва, 2001; Межгосударственной научно-технической конференции "Современная металлургия начала нового тысячелетия", Липецк, 2001; Всероссийской научно; технической. конференции "Физические свойства металлов и сплавов", Екатеринбург, 2001; Proceeding of the sixth China-Russian International Symposium on new materials and technologies "New Materials and Technologies in 2lf Септ tury" Beijing, China, 2001; Международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в металлургии", Темиртау, 2001; XVI Уральской школе металловедов-термистов "Проблемы физического металловедет ния перспективных .материалов", Уфа, 2002; 5-го Собрания. металловедов России, Краснодар, 200Д;. 8-й. Международной .конференции "Физико-химические процессы, в неорганических материалах", Кемерово, 2001; Всероссийской научно-практической конференции "Инновации в машиностроении", Пенза, 2001; 38-м семинаре "Актуальные проблемы прочности", Санкт Петербург, 2001; Всероссийской конференции "Дефекты структуры и прочность кристаллов", Черноголовка, 2002; XIII Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2002; V Всероссийской научно-практической конференции-"Современные технологии в машиностроении", Пенза, 2002; 1-ой Евразийской научно-практической конференции "Прочность неоднородных структур", Москва, 2002; IX Международном семинаре "Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов", Екатеринбург, 2002; Symposium of Croatian metallurgical Society "Materials and Metallurgy", Opatia, Croatia, 2002; XL Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности. Структура и свойства перспективных металлов и сплавов", Великий Новгород, 2002; 2-d Russia-China School-Seminar "Fundamental Problems and Modern Technologies of Material Science", Barnaul, 2002; I Евразийском симпозиуме по..проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата, Якутск, 2002; International Conference "Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages, and Challenges! ., Kiev, 2002; VII Международной конференции "Актуальные, проблемы материаловедения. Градиентные структурно-фазовые состояния в сталях", Новокузнецк, 2003; XIV Петербургских чтениях по проблемам. прочности, Санкт-Петербург, 2003; XIII Международной научной конференции "Проблемы современного материаловедения (Стародубовские чтения)", Днепропетровск, 2003.
Материалы диссертации опубликованы в более 35 печатных.работах. Список основных их них приведен в конце автореферата.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, цитируемой литературы из .1.52 наименований, содержит 168 страниц машинот писного текста, в том .числе 80 рисунков и 17 таблиц..: :;;;;,..;.
Классификация и параметры градиентных структур
В зависимости от закономерностей изменения параметров материала градиентные структуры делятся на: 1) непрерывные (плавное, монотонное изменение параметров), 2) дискретные (скачкообразное изменение параметров) и 3) смешанные (оба случая одновременно). При этом надо иметь в виду, что амплитуды характеристик могут возрастать, убывать и колебаться. В зависимости от объема, на который простираются переменные параметры (макро-, мезо- или микрообъемы), градиентные структуры являются: 1) протяженными (от миллиметров до размеров изделия), 2) локализованными (вблизи сотен нанометров) и 3) субмикроскоіїическими (единицы нанометров). По характеру своего возникновения градиентные структуры могут быть: природные естественные и созданные в ходе технической деятельности, т.е. искусственные. Большинство; используемых в технике, градиентных структур является искусственными. Градиентные структуры, в зависимости от их размещения в объеме материала, делятся на два больших класса: объемные и поверхностные. К объемным относятся: 1) сварные швы; 2) диффузионные соединения; 3) ударно-взрывные соединения; 4) продукты самораспррстраняюще-г гося высокотемпературного, .синтеза; 5) зоны локализации деформации. Поверхностные градиентные структуры возникают при различных видах воздействия на поверхность и список их значительно больше. Перечислим основные: 1) структуры трения; 2) структуры окисления; 3) результаты насыщения поверхности различными элементами внедрения (цементация, азотирование, борирование и т.д.); 4) результаты насыщения поверхности различными элементами замещения (золочение, серебрение, хромирование, никелирование, и т.д.); 5) поверхностный наклеп, дробеструйная обработка и другие методы механического упрочнения поверхности [12]; 6) неоднородный прокат с деформацией, локализованной вблизи поверхности; 7) ультразвуковая обработка поверхности; 8) различные виды толстослойных покрытий; 9) различные виды тонкослойных покрытий; 10) структуры воздействия ударных волн; 11) структуры воздействия электронных пучков [13-16]; 12) структуры воздействия мощных ионных пучков [17, 18]; 13) структуры воздействия интенсивных плазменных потоков [19-23]; 14) структуры последствия лазерного воздействия [24-30]; 15) структуры последствия воздействия мощным СВЧ-излучением; 16) ионная имплантация; 17) обработка в плазме газового разряда; 18) магнетронное и другие виды распыления.
Пункты 10-18 связаны с новейшими технологиями высокоэнергетических воздействий на поверхность. Нужно отметить,, что этот, пер г чень, хотя и весьма обширный, не является полным..Большинство его, пунктов могут быть широко классифицированы, а сам список будет еще дополнен. Особое внимание должно быть уделено градиентным структурам, возникающим в зоне разрушения. Эти структуры могут относиться как к объемному, так и к поверхностному типу. ., .......:. Модификация поверхностных свойств материалов широко исследованное и все еще достаточно перспективное направление. Эффективность работы поверхностно упрочненного изделия определяется многими факторами, основными из которых являются: прочность и твердость упрочненной доны; однородность структуры jr.свойств; высокое сопротивление.разрушению, в основном зарождению-трещины. В .-.течение тридцати последних лет внимаг ние исследователей в нашей стране и за рубежом привлечено.к решению этой проблемы за счет внешних.энергетических воздействий. Широкийfспектр выполненных исследований не только показал высокую перспективность этих методов в качестве уникального инструмента для изменения поверхностных свойств различных материалов, но и определил технологические направления их использования.; Такие воздействия приводят к изменению де фектной структуры и (или) структурно-фазового состояния в приповёр хност-ных слоях. Так, например, лазерная обработка обеспечивает повышение износостойкости поверхностей, работающих в условиях трения. Это происходит из-за высокой твердости и дисперсности получаемых структур, увеличения несущих свойств поверхности. Кроме энергетических воздействий неоднородные структуры формируются и при традиционных и нетрадиционных термических обработках [6, 31-37]. Новейшие, вплоть до прямого разрешения кристаллической решетки, методы электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа, специально развитые ядерно-физические методы, как. электронная спектроскопия и вторичная ионная масспектроскопия, на современном уровне своего развития позволяют детально рписывать, как протяженные,.так и субмикронные градиентные структуры.
Список ныне измеряемых параметров достаточно большой, интересный и заслуживает внимания. Ниже перечислены основные параметры градиентных структур: .1) химический состав в среднем по слоям материала; 2) фазовый состав; 3) межатомные и межплоскостные расстояния в фазах; 4) химический состав отдельных фаз; 5) парат метры ближнего и дальнего порядка в матрице и различных фазах; 6) размеры фазовых образований, их форма и плотность; 7) текстура.кристаллическая и структурная, в том числе, и вторичных фаз; 8) размеры зерен,, в том числе их анизотропия; 9) структура, тип и ориентация границ зерен; 10) амплитуда поля внутренних напряжений и отдельных компонент его тензора; Ц) кривизна-кручение кристаллической решетки; 12) места локализации и доля вторичных фаз (карбидов, нитридов, боридов, интерметаллидов и т.п.) на раз-личных позициях: дислокациях, границах ячеек и фрагментов, границах зерен и их тройных стыков, в.объеме материала и на свободной поверхности; 13) типы субструктуры; 14) плотность дислокаций (средняя и в отдельных фазах и субструктурах);: 15). размеры ячеек фратентов, плотность и мощность дйсклинации другие элементы.,субструктуры;. 16) плотность трещин,и
Качество термически упрочненной арматуры
Термически упрочненная с прокатного нагрева арматура, признана, щл-сокоэффективной продукцией,.надежной при использовании в строительных конструкциях. Однако наряду, с неоспоримыми достоинствами выявились и некоторые негативные моменты, в частности наблюдались случаи: самопроизвольного разрушения арматурных стержней [59]. Длительное время природа разрушений оставалась неясной, тем более, что и условия,: при которых происходили разрушения, и их характер существенно различались. Анализ и обобщение данных о факторах, сопутствовавших разрушению термически упрочненного арматурного проката, произведенного на ряде металлургических предприятий, позволил разделить все зарегистрированные случаи на четыре группы. К первой группе отнесли самопроизвольные разрушения, происхо дившие при производстве высокопрочного проката и имевшие вид продоль Вторая группа - это разрушения, происходившие при нерегламенти-рованном приложении внешней нагрузки, когда стержни разрушались, подобно первой группе, путем продольного расщепления. Если разрушениям данной группы предшествовал нагрев стержня, то на поверхности изломов выявлялись протяженные полосы с цветами побежалости. Остальная площадь излома оставалась не окисленной. Подобная неравномерная окислен-ность свидетельствовала о том, что разрушениям второй группы подвержены стержни, пораженные внутренними продольными трещинами, имеющими в отдельных местах выходы на поверхность, через которые попадает кислород. Третья группа - разрушения, возникающие при приложении внешней нагрузки на стержни, которые испытали до этого один или несколько циклов "нагрев-охлаждение". Стержни при этом разрушаются путем хрупкого, попе речного растрескивания. Если до разрушения стержень испытал один цикл нагрева, то поверхность излома остается неокисленной.
Если стержень, испыу тал два цикла нагрева, то на поверхности излома обнаруживалось пятно, цве тов побежалости. Это позволило установить, что первый цикл нагрева; вызьь вает образование . .поверхности, поперечной трещины, которая, независимо от количества новых циклов нагрева, при приложении соответствующей на грузки развивается и приводит к разрушению стержня. ; , Четвертая группа -. разрушения стержней, находящихся длительное время при отрицательных температурах под статическим растягивающим на пряжением, характеризующиеся поперечным растрескиванием. Характерные признаки разрушений последней, группы .совпадают с известными под названием "задержанные разрушения" [60]. . . Из данных работы. [59] следует, что основной причиной разрушения арматурных стержней является водород, повышенное содержание которого оказывает охрупчивающее влияние на стали. Вообще термически упрочненные арматурные стержни существенно подвержены водородному охрупчива-нию [61]. Совмещение в одном технологическом процессе пластической де;г формации и термической обработки способствует дополнительному увели чению плотности дефектов строения кристаллической решетки. Влияние ме таллургического водорода, оказавшегося в стали, неоднозначно. В обычных условиях диффузия водорода происходит из решетки твердого раствора как к внешней поверхности, так и к внутренним пустотам. Остаточный водород находится в порах и несплошностях (коллекторах) в виде скопления вакан сий, где рекомбинирует в молекулярную форму. Молизованный водород не растворим в твердой фазе и удаляется из металла значительно хуже, чем рас творенный в кристаллической решетке. При деформации движение водорода происходит преимущественно в направлении прокатки, что способствует скоплению его в коллекторах. Ускоренное охлаждение, предусматриваемое режимами термической обработки, фиксирует остаточный водород в объеме :
При больших пересыщениях водородом в микропорах и других струк турных несплошностях могут возникать высокие давления, приводящие к локальной деформации и разрушению проката. Содержание остаточного во дорода в термически упрочненной стали увеличивается с ростом степени упт рочнения, причем.влияние его начальной концентрации ограничено предела ми, зависящими от степени упрочнения. Стабилизация остаточного водорода наблюдается после двух - четырех суток после прокатки. Установлено что остаточный врдород в большей степени снижает.вязкость; разрушения, рем пластические свойства-стали [62]. : . ....,: ; . іі Многие авторы низкую пластичность термически упррчденной .стали связывают с проявлением водородной хрупкости. Под термином "водородная хрупкость" подразумевается. такое воздействии водорода на пластические свойства, которое не. приводит к возникновению в металле, необратимых до-, кальных изменений, (пузырей, флокенрв и т. д.) и не сопровождается измене нием химического состава и кристаллографической структуры основного ме
Методики исследования с использованием просвечивающей' дифракционной электронной микроскопии
Исследования проводили на приборе ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 125 кВ. Рабочее увеличение в колонне электронного микроскопа составляло 8000-80000 крат. Окончательное увеличение достигалось с помощью фотопечати. Фольги готовили следующим образом: на электроискровом станке вырезали параллельно исследуемой поверхности пластинки толщиной -250 мкм, которые затем шлифовали и подвергали одностороннему электролити-ческому утонению в электролите состава 450 мл Н3РО4 + 50 г хромового ан-гидрида при напряжении 20-27 В и плотности тока 2-3 А/см . Для идентификации фаз, присутствующих в материале, применялся дифракционный анализ с использованием темнопольной методики и после дующим индицированием-микроэлектронограмм [101]. Светлопольньїе изо бражения тонкой, структуры, стали, были использованы для; классификации морфологических признаков зерен;.определения размеров, объемной доли и мест локализации вторичных фаз и выделений; измерения скалярной р и Количественная обработка результатов проводилась с использованием следующих методик. Применительно к дислокационным субструктурам (ДСС), формирующимся в процессе деформации однофазных сплавов, этот метод был впервые использован в работах [102, 103]. В связи с тем, что размер структурного элемента в формирующемся типе дислокационных субструктур больше или соизмерим с толщиной фольги, то с их изображениями в фольге можно работать как со случайными сечениями в шлифе [98]. Поэтому использовался метод определения объемной доли Pv по случайным сечениям, основанный на измерении доли площади фольги Ps, занятой определенным типом ДСС, т.е. был использован планиметрический метод. Согласно этому методу, измерялись площади изображений каждого из типов ДСС на плоскости наблюдения. Затем величины таких площадей суммировались. Полученная сумма делилась на величину площади изучаемого участка;плоскости наг
В случае изотропной структуры: Ру определяли на 0ДН9М. представит тельном случайном сечении кристалла. Для неоднородной структуры необ ходимо осуществлять .представительную выборку по нескольким различно Скалярная плотность, дислокаций измерялась методом секущих с йот правкой на невидимость дислокаций на микрофотографиях электр.оннр.г микроскопических изображений [104]. В качестве испытательной линии.ис пользовалась прямоугольная сетка. Расчеты проводили по формуле: циями горизонтальных и-вертикальных линий; 1\ и 12, соответственно, -.суммарная длина горизонтальных и вертикальных линий. Скалярная плотность дислокаций определялась отдельно для каждого типа ДСС. Средняя величина скалярной плотности рассчитывалась с учетом объемной доли каждого из типов присутствующих ДСС по следующей формуле: і где pi - скалярная плотность дислокаций в определенном типе ДСС; PVj - объемная доля материала, занятого данным типом ДСС. Избыточная плотность дислокаций р±= р+ - р. (где р+ и р. - плотность соответственно положительно и отрицательно заряженных дислокаций) измерялась локально по градиенту разориентировки [105-108]: где b - вектор Бюргерса дислокаций, Зср/д/ - градиент кривизны фольги или кривизна-кручение кристаллической решетки %. - ; . Величина х = дір/ді определялась путем смещения экстинкционного контура (А/) при контролируемом угле наклона фольги (Аф) в колонне микроскопа с помощью гониометра. При этом желательно, чтобы вектор действующего отражения g был перпендикулярен оси наклона гониометра (ОНГ). В противном случае требуется пересчет, т.к. плоскость действующего, отражения не будет содержать ОНГ. Необходимо.отметить, что участок фольги, на котором проводится измерение, не должен на пути перемещения контура содержать границ раздела или разориентировок, т.е. изгиб фольги должен быть непрерывным. Специальными опытами установлено, что1 ширина контура в величинах разориентировок для сталей [109] составляет 1 градус. Это означает, что при повороте, гониометра наі величину Аф «1 изгибный экс тинкционный контур смещается на расстояние своей ширины, т.е. Л/ / (при этом должно выполняться условие g ± ОНГ). Эта величина (Дф « 1) в сочетании с шириной контура 1 позволяет определить градиент разориентировки: Каждый из типов ДСС характеризуется рядом параметров. Для изучения эволюции фрагментированной и ячеистой ДСС использовались такие параметры, как размер фрагментов и ячеек. Величина фрагментов измерялась в двух взаимно перпендикулярных направлениях (длина и ширина). Размер ячеек определялся методом случайных секущих [96, 97], как путем их измерения в разных плоскостях фольги, так и путем усреднения по всем имеющимся плоскостям. В исследуемой стали присутствуют карбиды, имеющие близкую к сферической и вытянутую пластинчатую форму. Все типы карбидов могут располагаться как внутри, так и по различным границам. Измерение расстоя ний между частицами и их объемных долей проводилось по разному, в зави симости от места нахождения. . ,.:_\.._ _ ,,,.., У частиц карбидов, имеющих сферическую форму, измерялся диаметр d, у пластинчатых - длина частиц / и их диаметр d. Размеры частиц определяли по микрофотографиям, полученным с фольг, путем их непосредственного замера [97]:
Определение механических свойств структурных слоев
Испытания на микротвердость проводили на приборе ПМТ-3 методом восстановленного отпечатка. Измерялась микротвёрдость вдоль радиуса торцевого сечения от поверхности к центру стержней. Длину диагонали отпечатка измеряли при помощи шкалы окулярного микрометра. Число микротвердости определяли по формуле: где F - нормальная нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику; d -среднее арифметическое длин обеих диагоналей квадратного отпечатка, мм. При исследовании градиентных структур большую информативность могут иметь данные о механических свойствах не только стержня в целом, но и отдельных структурных слоев. Для проведения таких испытаний в работе использовалась специальная методика. От одного термически упрочненного стержня диаметром 40 мм отрезались образцы длиной 400 мм. После измерения на поперечных шлифах с помощью оптического микроскопа толщин структурных слоев образцы подвергались механической обработке по следующей схеме: на первом образце арматуры удалялись ребра: жесткости —» на втором образце удалялся упрочненный слой — на третьем образце удалялся переходный слой — проводились испытания всех 3-х образцов на растяжение Определение прочностных;-.свойств отдельных структурных чслоев проводилось исходя из того, что усилие разрыва целого стержня равно сумме усилий, необходимых для разрыва каждого его структурного слоя: где: а и f - соответственно временное сопротивление (предел текучести) и площадь поперечного сечения исходного (после удаления ребер жесткости) стержня, G\ и fj — аналогичные характеристики для поверхностного слоя и т. д. (рис. 2.2). Испытания проводились в следующей последовательности. Для определения свойств поверхностного структурного слоя испытывали на растяжение стержни по 0 п „ еле удаления ребер жесткости и поверхностного слоя.
При гис. z.z — ихема ПОПеречНОГО СЄ- ЭТОМ Gxf = GiXfj + aOCT.xfocT. (ГДЄ ост. И IQCT. — ПРОЧНОСТЬ И чения гладкого стержня площадь сечения оставшегося стержня). Отсюда (іі = (стх f ост.Х IOCTJ \L Іост.Л Для математического моделирования процессов превращения аустени-та низколегированных сталей при прерывистом охлаждении выбран подход, который включает: 1) решение тепловой краевой задачи в осесимметричном случае для расчета температурных полей по радиусу и в зависимости от времени; 2) использование полуэмпирических методик расчета диаграмм изотермического распада аустенита, имеющих вид аналитических зависимостей начала и конца времени превращения от температуры для различных фазовых составляющих; 3) использование для расчета фазового состава стали при неизотермическом превращении в зависимости от температурно-временной истории схемы рассуждений и алгоритма расчетов, основанных на интеграле Штейнберга-Шейля. При решении тепловой части задачи принципиальным является представление теплового потока на границе в виде ступенчатой функции. В.условиях прокатного, стана 450 арматурный раскат имеет длину до 30,0 м, а длина охлаждающей зоны УТУ-может изменяться от 2 до 22 м (в зависимости от числа включенных секций)..Поэтому р подвижной системе координат для определения температуры можно использовать одномерное (вдоль радиуса стержня) уравнение теплопроводности. С учетом радиально-симметричного отвода тепла в У ТУ. и круглого сечения стержня можно использовать уравне ниє теплопроводности в цилиндрической системе координат [108]. Расчет теплофизических параметров при теплоотдаче произведем следующим образом. Принимаем, что температура воды Твода = 100С, воздуха Твозд = 30С и проката Тпр = 800С.
Граничные условия, определяющие технологический режим охлажде ния и отражающие его прерывистый характер, обычно ставят в виде условий третьего рода с известным выражением для коэффициента теплопередачи. В нашем случае, при охлаждении высокотемпературного раската, возникают сложные термогидродинамические процессы, которые не могут быть описа ны с достаточной для практики точностью. Для движущейся заготовки необ ходимо отдельно рассматривать охлаждение в секциях и разрывах. При этом используются специально разработанные методики определения коэффициг ента теплоотдачи. , Будем предполагать, что слой воды вблизи поверхности арматуры нагревается до 100С градусов. При такой температуре она имеет значения ки-нематической вязкости v = 3.x 10 м /с, теплопроводности А, = 0,65 Вт/(м;Щ, теплоемкости с = 420.0 Дж/(кг-К). и плотности р..== 1Д00 кг/м3. Тогда коэффит циент температуропроводности,а, =(Х / (р х с) = 1,5-10" м /с и число Прандтля Pr = via. = 2. Так как 0,5 Рг 5, то можно воспользоваться формулой Нус-сельта для круглой трубы: Nu9 = 0,023 х Pr0 4 х Re0 8, где Re- число Рейнольд-са для кольцевого сечения рассчитывается по формуле Re = UqX (D2-\D\):/iy.. Для рассматриваемого случая (диаметры арматуры Dі = 40 мм;и канала трубы УТУ D2 = 80 мм, относительная скорость воды Uo = 10-40 м/с) число Рейг нольдса находится в пределах от 1,3x106 до 5,2x106, тогда для вышеописанных параметров получаем Nu0= 2366 - 7172,4..коэффициент теплоотдачи выражается с = Nu0 х.Х/ (D2- Р;) = 38447,5 - 116552, а для кольцевого канала =%х (1 - 0,45/2,4-+Pr) х.фг/РО , где: х =0,16/Рг0,15« 0,14. Получаем, что коэффициент теплоотдачи воды а = (38 - 115)х10 Вт/(м -К),. Коэффици-ент теплоотдачи воздуха: а = 70 - 120 Вт/(м -К). Параметры для стали; Х= Вт/(м2-К), с = 680 Дж7 (кг-К), р = 7800 кг/м3-, тогда- а = 5,7-10 6 м?/с. Таким об разом, расчет усредненного коэффициента теплоотдачи при скоростях дви жения стержня до 10 м/с дает для водяного охлаждения диапазон значений щ = 80-150 кВт/(м2-К) и для воздушного охлаждения - а2= 10-100 Вт/(м2:К).
