Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с возрастающими требованиями, предъявляемыми к авиационным материалам, повышением уровня рабочих напряжений особенно остро стоит вопрос о повышении конструктивной прочности изделий и характеристик надежности, включающих и склонность к хрупкому разрушению. В промышленности успешно используются созданные более 50 лет назад низкоуглеродистые мартенситно-стареющие (МС) стали на основе систем Fe-Ni и Fe-Ni-Co, которые завоевали широкую известность благодаря уникальному сочетанию механических свойств и технологичности. Большой вклад в их создание в нашей стране внесли М.Д. Перкас, В.М. Кардонский, Я.М. Потак, и др. Отличительной особенностью этих сталей является необычайно высокое сопротивление хрупкому разрушению - при прочности свыше 2000 МПа значения ударной
вязкости составляют (1,0-^1,2) МДж/м , но их применение в агрессивных средах ограниченно неудовлетворительными показателями коррозионной стойкости.
Высокопрочные коррозионно-стойкие стали (КС) с уровнем прочности (1250^-1350) МПа созданы на основе МС, в которых Со и Ni заменены на Cr и введены легирующие добавки. Эти стали, обладая всеми достоинствами МС сталей и коррозионной стойкостью, успешно применяются в тяжело - нагруженных изделиях и являются весьма перспективным и экономичным материалом для широкой номенклатуры изделий в небольших сечениях. Однако при переходе на крупный слиток использование их в изделиях сечением более 60 мм привело к увеличению нестабильности уровня ударной вязкости по ряду причин металлургического и технологического характера и требует нового подхода к решению этих проблем. Анализ имевших место разрушений после горячей деформации и нестабильность уровня ударной вязкости показали, что для понимания механизмов разрушения и управления свойствами этих сталей наряду с изучением тонкой структуры, кинетики фазовых превращений, нужны новые знания на атомном уровне. Без надежных и эффективных способов повышения сопротивления хрупкому разрушению высокопрочных конструкционных материалов невозможно достижение высокой надежности работы изделий из них, поэтому поиск путей повышения уровня ударной вязкости и его стабильности и по сей день является актуальным.
Актуальной является и реализация в структуре сталей нанокристаллических (НК) состояний, формирование которых позволяет раскрыть потенциальные возможности исследуемых сталей. С этой точки зрения интенсивная пластическая деформация (ИПД) является одним из альтернативных способов воздействия на фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении и управления свойствами.
Одним из новых развиваемых в последнее время способов повышения сопротивления ударным нагрузкам является формирование в структуре азотистого аустенита (ум), он существенно устойчивее углеродистого, и это открывает новые возможности получения более стабильного структурного состояния сталей. В связи с этим, задача получения и стабилизации в структуре сталей азотистого аустенита без образования нитридов за счет азота воздуха на сегодняшний день является перспективной.
Решение поставленных задач возможно лишь при систематическом изучении закономерностей фазовых превращений, их кинетики и особенностей протекания при различных внешних воздействиях (ИПД, замкнутый объём) и условиях термической обработки.
Работа выполнена в Институте прикладной механики УрО РАН по плану научно-исследовательских работ и Федеральной целевой программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы" Блок 1 и 2.
Цель работы: Исследование причин нестабильности уровня ударной вязкости и технологической пластичности, факторов их вызывающих в штампованных полуфабрикатах и в холоднокатаных листах на примере стали 08Х15Н5Д2Т (ВНС2) различной выплавки и деформации, разработка способов повышения однородности структуры, фазового состава и свойств.
Для выполнения поставленной цели в работе решались следующие научные и практические задачи.
-
Исследование химической неоднородности структуры штампованных полуфабрикатов по никелю и хрому после горячей деформации, влияние режимов термической обработки (закалки и отжигов в двухфазной а+у-области) на степень однородности ликвационных зон.
-
Исследование влияния способа переплава (электро-шлакового-ЭШП и вакуумно-дугового-ВДП) на химический состав, структурно-чувствительные характеристики расплава стали, уровень механических свойств и характеристик надежности после закалки и старения (ударной вязкости KCV
rr-.KCU N
и порога хладноломкости Тк0 5 ).
-
Исследование влияния предварительной термической обработки в двухфазной (а+у)-области на характер формирования ударной вязкости и порога хладноломкости в штампованных полуфабрикатах после закалки и старения на максимум прочности.
-
Изучение влияния степени неоднородности по титану в пределах (0,02-Ю,22) % на структуру (характер перекристаллизации), фазовый состав и уровень ударной вязкости стали опытных и промышленных плавок.
-
Исследование процессов, протекающих в интервале температур развития "тепловой" хрупкости при замедленном охлаждении с высоких температур нагрева, влияние их на уровень ударной вязкости, определение критической скорости охлаждения штамповок. Моделирование фазового состава в интервале температур (1200-^500) 0C в зависимости от содержания титана и элементов внедрения в стали.
-
Исследование химической неоднородности по хрому, развивающейся при температурах старения, роль хромовых зон и элементов внедрения в формировании уровня ударной вязкости и порога хладноломкости.
-
Исследование текстуры по толщине листа после горячей и холодной деформации. Установление влияния степени холодной деформации на характер формирования текстуры для выявления причин низкой технологической пластичности листов.
-
Разработка научных основ выбора режима закалки с РПТС (с регулируемыми по Мн параметрами тепловой стабилизации) для повышения стабильности фазового состава и ударной вязкости на штамповках.
-
Опробование нового способа закалки с РПТС в технологической схеме производства холоднокатаного листа толщиной 2 мм и разработка новой технологии для получения тонкого листа (0.6 мм) с однородной структурой и высокой технологической пластичностью.
-
Опробование интенсивной пластической деформации путем холодной прокатки (ИПД ХП) для повышения пластичности стали.
Объектом исследования служили технологические процессы изготовления крупногабаритных полуфабрикатов (штамповки, листы) и фольги из сталей промышленных плавок; опытные плавки с различным содержанием Ti; модельные сплавы системы Fe-Cr и промышленные стали в нанокристаллическом состоянии (НКС).
Предмет исследования. Нестабильность структуры, фазового состава и свойств, способы их повышения при термической обработке и пластической деформации.
Методы исследований. Решение поставленных задач производилось с помощью: фазового рентгеновского и магнитного анализов, ядерной гамма- резонансной спектроскопии (ЯГР), рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС), резистометрии, методик физико-химического анализа и теплофизических свойств расплавов, внутреннего трения, а также программного комплекса "Астра-4", пакета программ для рентгеноструктурного (НИТУ"МИСиС") и фазового полуколичественного анализа (фирмы'ЪЯиКБК").
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается использованием стандартных и апробированных методик, привлечением для исследования комплекса взаимодополняющих методик, согласованностью с имеющимися литературными данными, при моделировании-экспериментальной проверкой и сходимостью результатов.
Научная новизна.
1. Изучена природа нестабильности уровня ударной вязкости и технологической пластичности в крупногабаритных полуфабрикатах из коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталей на примере стали 08Х15Н5Д2Т двух переплавов. Установлено, что нестабильность пластических свойств в крупногабаритных полуфабрикатах определяется наследованием остаточной химической неоднородности большого слитка по никелю и титану, способом переплава и особенностями протекания фазовых превращений в неоднородной Fe-Cr матрице при термической обработке.
-
-
Впервые выполнено комплексное исследование влияния ВДП и ЭШП переплава стали 08Х15Н5Д2Т на структуру и свойства расплава, а также на
фазовый состав и характеристики надежности (KCU, ТKCU) после
термоупрочняющей обработки. На атомном уровне показано, что структура расплава стали ВДП характеризуется большими межатомными расстояниями, неравновесна и имеет низкие значения плотности d и кинематической вязкости v по сравнению со сталью ЭШП.
Установлена наследственная связь между теплофизическими характеристиками расплава исследуемой стали и уровнем ударной вязкости: кристаллизация расплава стали ВДП с низкими значениями v и d обуславливает в два раза меньшие значения ударной вязкости по сравнению со сталью ЭШП.
-
-
На атомном уровне изучена кинетика распада по хрому a(Fe-Cr-Ni)- твердого раствора как основы исследуемых сталей. Методом ЯГР показано, что расслоение a-матрицы на два твердых раствора происходит с образованием хромовых зон размером ~5 нм, формируя химическую неоднородность при температурах отпуска и старения (300-^500) 0C.
-
Впервые установлена связь электронной структуры с порогом
хладноломкости ТKCU в стали 08Х15Н5Д2Т ЭШП. В интервале температур
/ rr-.KCU N
вязко-хрупкого перехода (Тм 5 ) снижение ударной вязкости сопровождается
увеличением доли ковалентной составляющей в химической связи атомов железа как наиболее жесткой.
-
-
Получены первые экспериментальные результаты и сформулированы критерии стабилизации азотистого аустенита без образования нитридов в сплавах Fe-Cr и коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталях при закалке сталей в замкнутом объёме с атмосферным воздухом. Установлена связь между хромовыми зонами и снижением на (100-^200) 0C критической температуры Ah а—»у-превращения в интервал температур старения.
-
Впервые в фольге из стали 08Х15Н5Д2Т толщиной (20-40) мкм, полученной холодной прокаткой без промежуточных отжигов, реализована
твердость в 5 ГПа (510 кг/мм ), что в 12 раз выше твердости, достигаемой после старения на максимум прочности.
-
-
Получено объяснение применения двойного отжига в предварительной ТО полуфабрикатов для снижения неоднородности по Ni.
Практическая ценность работы. 1. Решена проблема нестабильности ударной вязкости и низкой технологической пластичности на крупногабаритных полуфабрикатах из стали 08Х15Н5Д2Т. Разработанные режимы стабилизации (при термической обработке и деформации) позволили исключить влияние неоднородности химического состава выравниванием плавок по фазовому составу, снизить влияние температурных интервалов, в которых неизбежно развивается структурная и фазовая неоднородность, повысить уровень ударной вязкости
на (0,2^0,3) МДж/м на штамповках из стали ВДП переплава, а также устранить причины, вызывающие высокие остаточные напряжения в листах на стадии их подготовки к холодной деформации и во время её проведения.
-
-
-
Разработана промышленная технология получения тонких холоднокатаных листов с однородной структурой и высокой технологической пластичностью, позволившая уменьшить брак по поверхностным дефектам, улучшить плоскостность листа, увеличить выход годного на 30 % и коэффициент штампуемости в 1,2-1,5 раза.
-
Интенсивная пластическая деформация путем холодной прокатки (ИПД ХП) позволила создать условия для исключения влияния химической неоднородности и реализации в фольге из коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталей высокой пластичности в сочетании с твердостью в 5 ГПа без значительных финансовых затрат, получить после закалки в замкнутом объёме с атмосферным воздухом азотистый аустенит (до 0 до100 %), а также новые структурно-фазовые состояния после старения.
Разработанные на основе использования азота воздуха и замкнутого объёма способ и технология получения азотистого аустенита являются экономически выгодными, снижая трудоемкость в разы, исключая производство аммиака и выбросы вредных веществ.
Реализация результатов. Основные научные результаты составили основу режимов термической обработки и деформации коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталей. На защиту выносятся:
-
-
-
-
Явления остаточной химической и структурной неоднородности большого слитка в штампованных полуфабрикатах, способы и рекомендации для снижения и управления неоднородностью.
-
Экспериментальные результаты наследственного влияния способа переплава на химический состав, структуру и свойства расплава стали двух переплавов (ЭШП и ВДП) перед кристаллизацией и уровень характеристик надежности в штампованных полуфабрикатов после закалки и старения.
-
Кинетика расслоения а(Ре-Сг-М)-твердого раствора при старении в интервале температур старения (375^-475) 0C.
-
Неоднородность текстуры горячекатаного подката (3,8-^4,0) мм и экспериментальные результаты влияния холодной деформации на формирование структуры и фазового состава в холоднокатаных листах.
-
Способ закалки с регулируемыми параметрами тепловой стабилизации (РПТС) для выравнивания промышленных плавок по количеству остаточного аустенита в структуре и повышения стабильности уровня ударной вязкости на штампованных полуфабрикатах и технологической пластичности в холоднокатаных листах.
-
Технология получения тонкого (0,6 и 08 мм) холоднокатаного листа, однородного по структуре.
Апробация работы. Основные материалы по теме диссертации отражены в работах рецензируемых отечественных и зарубежных журналов и опубликованы в трудах Международных, Всесоюзных, российских конференциях, семинарах и симпозиумах: г.Киев (1977), г. Goteborg (1997);
г.Оттава (1981), г.Габрово (1994); г.Тамбов (1996); г.Судак (2000); г.Казань (2001); г.Пекин (2001); г. Загреб (2002); г. Тольятти (2003); г.Вологда (2005); г.Черноголовка (2006); г.Кисловодск (2006); г. Миасс (2007); на Школах металловедов-термистов (1998, 2000-2004, 2008, 2010); на ХІУ-ХУІ Петербургских чтениях (Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2006).
Отдельные результаты вошли в отчет РАН (2000 г.) "Важнейшие достижения в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук" и отчеты УрО РАН.
Материалы доложены и обсуждены на расширенных семинарах ИПМ УРО РАН (г. Ижевск, 2010г.), кафедры «Производство машин и механизмов» и кафедры «Технология металлов» ИжГТУ (Ижевск,2011 г.)
Личный вклад диссертанта состоит в выборе методик и отработке их применительно к цели исследования, постановке задач в работе как теоретических, так и прикладных. Основные экспериментальные результаты работы получены лично автором, а также совместно с исследователями ИПМ и ФТИ УрО РАН под руководством автора. При непосредственном участии автора проведены: исследования текстуры, теплофизических свойств расплава сталей, оптимизированы критерии выбора параметров тепловой стабилизации остаточного аустенита в КС МС сталях в УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург); микрорентгеноспектральный анализ неоднородности структуры в институте Геологии (г. Екатеринбург); проведено опробование разработанных режимов в условиях ВСМПО (г. Верхняя Салда) и в ОАО «НИТИ «ПРОГРЕСС» (г. Ижевск).
Автор является одним из разработчиков: отраслевой методической рекомендации МР 54-27-73 (М: ВИЛС) по оценке состава двухфазных сталей мартенситного класса; методики электросопротивления для изучения распада переохлажденного аустенита в сталях мартенситно-аустенитного класса при отрицательных температурах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 376 наименований, и 4-х приложений. Диссертация содержит 157 рисунков и 25 таблиц. Общий объём работы -374 страницы.
Похожие диссертации на Природа нестабильности уровня ударной вязкости и низкой технологической пластичности при производстве крупногабаритных полуфабрикатов из коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталей, совершенствов
-
-
-
-
-
-
-
-
-
