Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности изготовления и эксплуатации стальных валков прокатных станов 8
1.1 Общая характеристика сталей, применяемых для изготовления валков листопрокатных станов 8
1.2 Технология изготовления валков 15
1.3 Применяемые режимы термообработки валков 21
1.4 Влияние термообработки на физико-механические и эксплуатационные свойства валков 25
1.5 Анализ методов моделирования физико-механических процессов при термообработке стальных прокатных валков 27
1.6 Причины выхода из строя валков в процессе производства и эксплуатации 34
1.7 Задачи исследования 36
2 Экспериментальное исследование физико-механических свойств валковых сталей при термообработке . 38
2.1 Химический состав сталей, используемых для производства валков... 38
2.2 Микроструктурный анализ 39-
2.3 Механические испытания и определение твердости: 42
2.4 Выбор режима термической обработки 42
3 Результаты исследований стальных валков при различных видах тер мообработки 49
3.1 Термодинамические и кинетические факторы и их влияние на свойства прокатных валков 49
3.2 Исследование механических и эксплуатационных свойств валков в зависимости от режимов их термообработки 58
3.3 Изучение влияния термической обработки валковых сталей на микроструктуру 63
3.4 Технологические схемы термообработки прокатных валков 78
4 Математическая модель физико-механических процессов, протекающих при термической обработке прокатных валков 85
4.1 Методика расчета температурного поля в валке 85
4.2 Численное прогнозирование структуры стали при термообработке 89
4.3 Математическое моделирование процесса формирования остаточных термонапряжений в валках 92
5 Результаты компьютерного моделирования процесса термообработки прокатных валков 104
5.1 Исследование температурно-структурного и напряженного состояний при предварительной термообработке 104
5.2 Изучение формирования структуры и остаточных напряжений при индукционной закалке ТПЧ 114
5.3 Зависимость эксплуатационных свойств прокатных валков от режимов термообработки 127
Основные результаты и выводы 141
Литература 143
- Технология изготовления валков
- Микроструктурный анализ
- Исследование механических и эксплуатационных свойств валков в зависимости от режимов их термообработки
- Численное прогнозирование структуры стали при термообработке
Введение к работе
з
Актуальность темы. Бесперебойная работа прокатного стана и получение высокосортной продукции в значительной степени определяется качеством валков. Технические показатели мирового качества накладывают жесткие требования к валкам холодной прокатки, включающие в себя размеры и массу, твердость бочки и глубину активного слоя. Поэтому актуальной проблемой металлургического машиностроения является изготовление опорных и рабочих прокатных валков, отвечающих этим требованиям. Однако валки холодной прокатки, выпускаемые по существующей технологии, значительно уступают по стойкости зарубежным аналогам, прежде всего, по причинам несоответствия химического состава и несовершенства процесса термообработки. Низкое качество термообработки является основной причиной предъявления претензий от потребителей, а также главным препятствием расширения внутреннего и зарубежного рынка сбыта. Несмотря на относительно невысокие затраты (около 20% от общего объема затрат на производство), термическая обработка в первую очередь влияет на весь комплекс физико-механических свойств, характеризующих качество валков и его эксплуатационная стойкость.
Термообработка стальных валков холодной прокатки, целью которой является их упрочнение, сопряжена с рядом трудностей, таких, как образование напряжений. Напряжения при термообработке стальных валков возникают из-за неоднородности температурного поля и объемных деформаций, связанных с протеканием структурных превращений. Возникновение последних объясняется тем фактом, что при термообработке валковых сталей в зависимости от скорости охлаждения аустенит, имеющий гранецентрированную кристаллическую решетку, может превращаться в перлит, бейнит или мартенсит с другой кристаллической решеткой.
Несмотря на значительные успехи отечественных и зарубежных ученых в этом направлении, данная проблема, в силу своей сложности, еще не является в настоящее время до конца исследованной. Решение задачи осложняется протеканием структурных превращений, оказывающих большое влияние на физико-механические и теплофизические характеристики.
Цель работы - повышение эксплуатационных характеристик стальных валков холодной прокатки различными методами термической обработки на основе выбора ирациональных технологических режимов. Создание с этой целью компьютерной модели физико-механических процессов, протекающих при термообработке стальных прокатных валков, позволяющей посредством численного эксперимента варьировать условиями внешнего теплообмена и добиваться формирования необходимой структуры, отвечающей требованиям по твердости бочки, и не приводящей к недопустимо высокому уровню остаточных напряжений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Экспериментальное исследование микроструктуры, фазового состава, механических и теплофизических свойств сталей 75Х2СГФ, 9Х2МФ, 9X3 МФ и 9Х5МФ при различных режимах предварительной и окончательной термообработок.
Выявление характерных особенностей в поведении теплофизических параметров в процессе термообработки в зависимости от состава и размеров валка.
Поиск оптимальных условий проведения термообработки валков холодной прокатки.
Численная оценка температур, структур и напряжений в стальных прокатных валках в процессе нагрева и охлаждения методом конечных элементов (МКЭ).
Выбор рациональных режимов термической обработки валков посредством анализа результатов экспериментальных исследований и проведенного компьютерного моделирования.
Научная новизна:
Разработана двумерная математическая модель для определения температурного, структурного и напряженного состояний при проведении предварительной и окончательной термообработки валков холодной прокатки. Показана адекватность разработанной модели.
Определены физико - механические и теплофизические свойства валковых сталей 9Х5МФ, 75Х2СГФ, 9ХЗМФ, необходимые для расчета температурных и структурных полей и напряженного состояния валков при термообработке.
На основе анализа кинетики формирования структуры и напряженного состояния валков диаметром 500 ... 1300 мм при спрейерной закалке после нагрева ТПЧ сформулированы критерии выбора оптимальных параметров режимов окончательной термообработки.
Практическая значимость работы:
Разработана новая технология термообработки стальных прокатных валков, общий экономический эффект от которой составил 9,5 млн. рублей за 2008 год.
Посредством компьютерного моделирования изучен механизм формирования структуры и остаточных напряжений в процессе предварительной и окончательной термообработки валков с точки зрения возникновения в них максимальных напряжений.
Выработаны рациональные режимы предварительной термической обработки. Получены результаты экспериментальной оценки целесообразности применения термоциклической термообработки стальных валков.
На защиту выносятся: - новая технология термообработки стальных прокатных валков;
результаты экспериментального изучения микроструктуры, фазового состава, механических и теплофизических свойств сталей в процессе предварительной и окончательной термообработок;
математическое моделирование физико-механических процессов при термической обработке валков;
результаты изучения кинетики формирования структуры, остаточных напряжений и закаленного слоя в валках в процессе индукционной закалки ТПЧ.
Апробация работы. Основные положения работы представлялись на международной научно-технической конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов». Результаты работы были обсуждены на заседаниях кафедры «Материаловедение и технология металлов» ОГТИ, кафедры «Термообработки и физики металлов» УГТУ-УПИ. По результатам работы на ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» внедрен новый технологический режим термообработки стальных валков.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 5 авторских свидетельств, 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьи в материалах международной конференции, имеются статьи в других журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, пять глав, выводы, список использованных источников из 196 наименования, изложена на 171 страницах машинописного текста, включая 70 рисунков и 30 таблиц и приложения.
Технология изготовления валков
Долговечность и надёжность валков холодной прокатки существенно зависит от технологии их изготовления и внутренней структуры самого слитка, из которого изготавливают кованый валок. Изготовление валков - сложный процесс с большим числом технологических операций.
При выплавке и разливке стали требуемого химического состава необходимо учитывать факторы, от которых зависит работоспособность валков. Сталь готового валка должна иметь мелкое однородное зерно, обладать глубокой прокаливаемостью, не должна иметь флокенов, карбидной строчечное, неметаллических включений, пористости и других пороков/ На качество стали, оказывает большое влияние также чистота применяемой шихты.
Этим условиям, удовлетворяет процесс выплавки стали в основной дуговой электропечи. В связи с возрастающими требованиями к качеству валков весьма перспективна выплавка и разливка стали под вакуумом. Она придает материалу валков особую чистоту, однородность структуры и повышенные механические свойства [79].
После заполнения стали в изложницу образуется твёрдая корочка слитка, прилегающая к стенкам. Наружный слой слитка толщиной 6-8 мм состоит из мелких, одинаковых по величине кристаллов. Затем образуется зона транскристаллитов с ярко выраженной направленностью кристаллов, имеющих протяженность 50-60 мм в мелких и 80-120 мм в крупных слитках, причем у легированных сталей эта зона выражена более резко [82].
Большая скорость охлаждения способствует образованию транскристаллитов, чистых и однородных по составу, так как, выделяясь из жидкого раствора, они в процессе роста отталкивают ликвационные примеси внутрь жидкого раствора. Дальнейший процесс формирования слитка несколько замедляется.
В нижней части тела слитка происходит образование относительно мелких кристаллов, так как условия для их зарождения наиболее благоприятны. С боковых сторон изложницы, в области промежуточной зоны слитка, процесс кристаллизации происходит с образованием и ростом кристаллов без определённой ориентации.
Образование кристаллов происходит на границе существования двух фаз - твердой и жидкой, а фронт кристаллизации продвигается последовательно вглубь слитка до осевой зоны.
Длительное существование двух фаз вызывает образование в слитке междендритной ликвации [69].
Появление дендридной ликвации обусловлено неравновесной кристаллизацией сплавов. Дендрит является наиболее распространенной формой кристаллизации [70 - 72]. Дендритная ликвация - химическая неоднородность в пределах каждого зерна, то есть различие в химическом составе осей и межос-ных участков дендрита. Наличие в стали легирующих элементов увеличивает температурный интервал кристаллизации, затрудняет протекание диффузионных процессов и способствует развитию явлений дендритной ликвации, так как увеличивает разницу в концентрациях между ранее и позднее выпавшими из жидкости кристаллами. Склонность элементов к дендритной ликвации можно расположить в убывающий ряд [73]: S, Р, С, W, V, Ті, Mo, Nb, Si, Cr, Mn, Co, Ni. В ходе различных стадий термической обработки дендритная неоднородность в большей или меньшей степени устраняется обычной диффузией [74], которая стремится выравнить концентрацию легирующих элементов в дендритных осях и межосных пространствах.
Содержание серы непосредственно в шнурах повышается в 1,5 раза в сравнении с содержанием в плавочной пробе [69]. Количество сульфидных включений соответствует количеству возникающих междендритных ячеек. Их распределение в значительной мере определяется характером дендритной кри сталлизации [69]. Содержание серы в сульфидных включениях пропорционально содержанию серы в металле, а размер включений увеличивается пропорционально кубическому корню от величины содержания серы. Поэтому, среднее количество включений зависит не от содержания серы, а от плотности дендритной структуры. С повышением содержания серы увеличивается размер включений. Снижение содержания серы в металле при выплавке может существенно улучшить её качество [69].
Прибыльная часть слитка по своему назначению должна застывать в последнюю очередь и непрерывно питать жидким металлом тело слитка в процессе затвердевания. Однако практически это не всегда удаётся, так как металл густеет, образующиеся кристаллы прорастают сквозь толщу полужидкой массы и питание металлом из верхних слоев становится невозможным [82].
Усадочная рыхлость является одним из самых распространенных дефектов слитка. Отдельные случаи брака в поковках или неудовлетворительного результата эксплуатации кованых изделий могут быть прямо или косвенно связаны именно с этим пороком осевой зоны исходного слитка.
Макроструктура слитков легированных сталей, содержащих значительное количество марганца, никеля, хрома, ванадия, молибдена, титана и других элементов более склонна к порокам усадочного происхождения, и заковываются они гораздо хуже, чем в углеродистых сталях [83].
Ковка металла должна обеспечить его механическое уплотнение и измельчить (раздробить) крупную кристаллическую литую структуру путем использования операций, исключающих образование трещин, в частности для многогранных слитков, перед протяжкой и (или) обкаткой, слиток предварительно осаживают.
Основная цель ковки заключается в уменьшении неоднородности строения металла, уплотнении его вследствие заваривания пор, газовых пузырей и других дефектов, присущих литой структуре. В процессе ковки структуру стали прорабатывают по всему сечению, обеспечивая наиболее полное разрушение первичной карбидной сетки и отдельных кристаллитов [84].
Технологический процесс изготовления поковок валков состоит из следующих основных производственных операций: биллетирование слитка; осадки слитка; протяжки бочки и шеек; отделки в размер бочки и шеек, обрубки концов [81].
Поковки рабочих валков холодной прокатки в зависимости от их размера и массы изготавливают по способу свободной ковки при помощи гидравлических ковочных прессов или паровоздушных ковочных молотов. Крупные поковки валков (диаметр бочки более 250-300 мм) изготавливают за 2-3 выноса под прессами и, как правило, из индивидуальных слитков. Во время первого выноса биллетируют слиток, во время второго производят осадку сбиллетиро-ванного блока и протяжку на предварительную заготовку или на окончательную поковку. При большом объеме работ осуществляют третий вынос. В этом случае предварительно протянутую заготовку куют на окончательные размеры. Такая технологическая схема ковки является типовой. Если поверхность слитка хорошая, а металл в литом состоянии обладает достаточной технологической пластичностью, то биллетирование можно не производить[84].
Операцией, имеющей большое влияние на качество валков, является осаживание. Осадка способствует дроблению дендритной структуры металла слитка и карбидной сетки, более равномерному распределению карбидов по объему и вместе с этим улучшает механические свойства в продольном и поперечном направлениях, уменьшает анизотропию валка. Процесс осаживания при качественном нагреве металла способствует завариванию дефектов внутреннего строения слитка (усадочной рыхлости, различного рода несплошно-стей, газовых пузырей и т. п.) [83, 84].
Микроструктурный анализ
Для исследования были выбраны стали 9Х2МФ, 9ХЗМФ, 9ХЗМФ, 75Х2СГФ. Они используются для изготовления рабочих валков для станов холодной прокатки металла при особо тяжелых условиях эксплуатации. Диаметр валков составляет 400-600мм, длина - 1420-2500 мм. Из стали 75Х2СГФ изготавливаются опорные валки диаметром 1350 мм, длина бочки 1420 мм. Стали 9X3МФ и 9Х5МФ перспективны, ибо обладают значительной прочностью и твердостью. Однако повышенное содержание хрома увеличивает их хрупкость и неоднородность распределения карбидов.
Стали выплавляют в дуговой сталеплавильной печи ДСП — 51. Масса слитков, изготавливаемых на предприятии ОРМЕТО - ЮУМЗ, составляет от 1,8 до 72 т. Время выдержки горячих слитков до начала разборки составляет от 1 до 19 часов. Продолжительность заливки тела слитков находится в пределах от 1,5 до 21 минуты, а прибыли от 1,0 до 13 минут. Высота недоливов слитков находится в пределах от 50 до 350 мм.
Определение углерода проводили на экспресс - анализаторе АН -7529 с устройством сжигания УС - 7077 кулонометрическим методом, основанным на сжигании навески при температуре 1250 - 1350С. В потоке кислорода, очищенного от примесей, навеску предварительно взвешивают на корректоре - массы КМ - 7573М. Данные взвешивания поступают в экспресс — анализатор. Образовавшийся углекислый газ поглощается раствором, вызывая повышение кислотности, что, в свою очередь, приводит к изменению ЭДС индикаторной системы рН - метра. Количество электричества, необходимое для достижения первоначального значения рН поглотительного раствора, пропорционально концентрации углерода в пробе. Концентрацию серы определяли на экспресс - анализаторе АС - 7932М, принцип работы которого аналогичен API - 7529. Фосфор определяли фотометрическим методом. Он основан на образовании желтой фосфорномолибденовой гетерополикислоты с последующим восстановлением ее в солянокислой среде ионами двухвалентного железа в присутствии гидроксиламина гидрохлорида до образования комплексного соеди нения молибденовой сини и измерении оптической плотности окрашенного раствора на фотоэлектрокалориметре КФК — 2МП при длине волны 670 нм. При измерении использовались в качестве сравнения стандартные образцы. Определение кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена, ванадия, алюминия проводили рентгенофлюоресцентным методом на приборе СРМ - 25. Его градуировку осуществляли с помощью стандартных образцов, аттестованных в соответствии с ГОСТ 8.315. Процесс измерений автоматизирован от момента установки пробы в загрузочное устройство спектрометра до получения результатов анализа. Кислород и азот определяли с помощью газового анализатора ТС -436 с точностью 0,5 %.
Основными легирующими элементами являются хром, молибден, ванадий и вольфрам, а для некоторых сталей характерно также наличие кобальта и повышенного содержания кремния. Содержание углерода в приведенных валковых сталях изменяется в пределах от 0,7 до 0,95 %.
Максимальная вторичная твердость указанных сталей не превышает 57-60 HRC. Кроме того, для них характерно получение предела текучести не более 1570-2060 МПа и повышенной вязкости [50].
Совместное легирование тремя легирующими элементами позволяет получить стали с низким содержанием углерода, обладающие высоким пределом прочности. Последнее весьма важно в связи с зависимостью эксплуатационной стойкости валков от прочностных характеристик. В соответствии с этими данными повышение предела прочности от 880 до 1080 МПа и выше приводит к повышению стойкости валков в 5-6 раз. При этом усталостные разрушения валков практически не наблюдаются. Аналогичная взаимосвязь наблюдается и при повышении предела текучести, обусловленного наличием в составе стали повышенного содержания кремния. Кремний, замедляя диффузию углерода и легирующих элементов, повышает устойчивость стали против отпуска, приводит к повышению прочностных свойств [63].
Таким образом, в сталях, предназначенных для изготовления рабочих валков многовалковых станов, рациональное содержание легирующих элементов предположительно находится в следующих пределах (%) хром - 2 - 5, молибден - 0,8 - 1,5, вольфрам - 0,5 - 1,5, ванадий - 0,4 - 0,6, кремний - 0,2 - 0,5, марганец - 0,3 - 0,6, титан - до 0,1, церий - до 0,05, ниобий - до 0,15, сера и фосфор не более 0,03 каждого.
Наиболее удобны для изготовления шлифов и микроскопического исследования образцы высотой 10-20мм, имеющие обрабатываемую поверхность круглой или квадратной формы площадью поперечного сечения 2см2. Образцы малых размеров заливались легкоплавким сплавом Вуда. При макроанализе проводили исследование макроструктуры, то есть строения металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (10-30 раз) с помощью лупы.
Макроструктура исследовалась непосредственно на поверхности за готовки или детали, в изломе или на вырезанном образце (темплете) после его шлифования и травления специальным реактивом.
Изломы исследовались для установления характера разрушения, выявления дефектов, установления химической неоднородности сплава и его структуры, возникающей после термической обработки. Изломы исследовались визуально и с помощью электронного микроскопа.
Для выявления структуры сплава и размеров зерен применяли травление. Состав травителей и их применение приведены в табл. 2.2. После травления микрошлифов проводился контроль на карбидную ликвацию при увеличении х 100 и на карбидную сетку при увеличении х 500. С целью выявления остатков карбидной сетки в лабораторных условиях проводили режим улучшения (нагрев до 860С, выдержка при этой температуре 2 часа, охлаждение в масле, нагрев до 680С, выдержка 4 часа, охлаждение с печью).
Исследование механических и эксплуатационных свойств валков в зависимости от режимов их термообработки
Для стали 75Х2СГФ наиболее оптимальной является термообработка с температурой перекристаллизации порядка 900 С, в случае заэвтектоидных твердость зависит не только от термообработки, но и от содержания хрома. Из табл. 3.4 следует, что после первичной термообработки обеспечивается твердость почти вдвое меньшая, чем для поверхности валка после закалки ТПЧ. В табл. 3.5 показаны значения твердости сталей 75Х2СГФ и 9Х2МФ в зависимости от типа термообработки. Она позволяет проследить динамику ее изменения. Из таблицы видно, что твердость резко возрастает при нормализации, несколько падает при перекристаллизации и продолжает снижаться при отпуске. Однако се значения находятся в пределах 270-415 НВ, что достаточно для последующей закалки с помощью ТПЧ. Таблица 3.5 Твердость по Роквеллу (HRC)
Подробно исследовано влияние температуры перекристаллизации и температуры отпуска на твердость стали 9ХЗМФ. Эта марка стали имеет более высокие эксплуатационные свойства вследствие увеличенного содержания хрома.
Механические свойства исследованных сталей в зависимости от режима термообработки приведены в табл. 3.7. В ней приведены значения предела прочности, ударной вязкости и относительного удлинения. Таблица 3.7 Влияния режимов термообработки на механические свойства исследованных сталей
Сопоставление механических свойств исследованных сталей после различных режимов термической обработки показывает, что наиболее низкий их уровень во всех случаях имеют стали 9ХМФ и 75Х2СГФ. С увеличением температуры нормализации предел прочности возрастает, а относительное удлинение и вязкость несколько уменьшается. Увеличение предела прочности для сталей 9Х2МФ, 9ХЗМФ и 9Х5МФ обусловлено содержанием хрома. Хром существенно влияет на повышение предела прочности. Пластичность и вязкость уменьшаются при всех температурах нагрева под нормализацию. Прочностные характеристики стали 75Х2СГФ близки к стали 9Х2МФ. Ударная вязкость с увеличением содержания хрома в сталях уменьшается. Это имеет место для всех температур нормализации. Повышение предела прочности с температурой связано с интенсивным растворением карбидов. Чем меньше размеры зерен и больше дисперсность карбидов, тем выше комплекс механических свойств.
С целью получения зависимости твердости и вязкости исследуемых сталей от температуры нормализации и отпуска методом планирования экспе-римента были проведены опыты типа 2 . План эксперимента для исследования изменения твердости и вязкости приведен в табл. 3.8 - 3.9. В табл. 3.10 - 3.11 показаны экспериментальные значения твердости и вязкости для выбранных параметров термической обработки. После этого осуществлялся расчет коэффициентов уравнений регрессии. Адекватность проверялась с помощью критерия Фишера. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующие зависимости, адекватно описывающие процесс при уровне значимости а = 0,1.
При производстве валков холодного проката одной из основных целей является получение однородной мелкозернистой структуры и мелких размеров распределенных карбидов перед закалкой токами промышленной частоты, то есть подготовки структуры для получения твердости 95-105 HSD и глубины закаленного слоя не менее 20 мм. Несмотря на то, что необходимые эксплуатационные свойства валков (высокая твердость, износостойкость, контактно - усталостная прочность и долговечность) формируются в процессе окончательной термообработки (закалка ТПЧ), роль предварительной термообработки достаточно велика. Оптимальные свойства стали после ковки в полной мере могут быть получены только в процессе термической обработки, формирующей необходимую структуру, твердость и комплекс других эксплуатационных характеристик. Ее проводили для устранения остатков карбидной сетки, измельчения карбидов и образования структуры зернистого перлита, обеспечивающего получение более мелкозернистого и менее легированного аустенита. Отработка режимов термообработки проводилась в лабораторных условиях на стандартных образцах. Режимы термообработки следующие: - нормализация при 840С, 2 час. + отпуск при 560С, 4 час; - нормализация при 900С, 2 час. + отпуск при 560С, 4 час; - нормализация при 970С, 2 час. + отпуск при 560С, 4 час.
В случае заэвтектоидных сталей при температурах перекристаллизации 840С, 900С, 970С карбидная сетка у стали 9Х2МФ 1,0-1,5 балла, карбиды скоагулированные и не скоагулированные, располагаются равномерно. Таким образом, при выполнении данного вида термообработки выполняются основные требования, предъявляемые к сердцевине валка - однородность по всему сечению и отсутствие карбидной сетки, которая может стать концентратором напряжений при последующей термообработке.
На рис. 3.3 и 3.4 показаны микроструктуры сталей 9Х2МФ и 9ХЗМФ, полученных при анализе образцов, вырезанных из поперечного темплета валка вблизи поверхности, на половине радиуса и центра валка. В случае стали 9Х2МФ термообработка состояла из перекристаллизации при 960С и последующей нормализации от 840С.
На всех образцах наблюдается структура зернистого перлита + специальные карбиды. Режим для стали 9ХЗМФ включал нормализацию при температуре 970С и отпуск при 560С. Структура представляет собой перлит, сорбит, карбиды.
На рис. 3.5 показана микроструктура стали 75Х2СГФ после ковки, а на рис. 3.6 приведена микроструктура этой стали после нормализации от 840С и отпуска при 560С.
Микроструктура на рис. 3.5 представляет собой зернистый перлит с карбидной сеткой, наблюдается карбидная неоднородность 1-2 балла. Микроструктура на рис. 3.6 представляет собой смесь перлита и сорбита. Аналогичную микроструктуру имеют образцы сталей 9Х2МФ и 9ХЗМФ. Эта же структура имеет место и при других режимах термообработки. На рис. 3.7-3.9 показана динамика изменения микроструктуры стали 9Х2МФ в зависимости от вида термообработки.
Численное прогнозирование структуры стали при термообработке
Необходимость математического моделирования кинетики структурных превращений при термообработке валков вытекает из зависимости тепло-физических коэффициентов, определяющих температурное поле, и механических характеристик, влияющих на уровень термонапряжений, от структуры. Кроме того, структурные превращения приводят к объемным деформациям, связанным с формированием другой кристаллической решетки. Эти деформации, как и чисто температурные, необходимо учитывать в расчете термонапряжений. Сложные температурные режимы, реализуемые при термической обработке прокатных валков, предъявляют особые требования к прогнозированию структуры. Математическое моделирование превращений аустенита не может основываться на данных, взятых с термокинетических диаграмм, так как условия охлаждения различных точек валка в процессе термической обработки су щественно отличаются от охлаждения с постоянной скоростью. Известно, что наилучшее согласование с экспериментом достигается в случае прогнозирования структурных превращений при произвольном изменении температуры по теории изокинетических реакций [96].
В связи с этим для определения структуры по сечению валка в процессе термообработки осуществляли математическое моделирование превращений стали по теории изокинетических реакций. Принимали, что исходная структура, валка - перлит. При нагреве выше температуры аустенизации перлит переходит в аустенит, который в зависимости от скорости охлаждения при термообработке превращается в перлит, бейнит или мартенсит.
При прогнозировании структурного поля по сечению валка на каждом шаге по времени для каждого конечного элемента вычисляли вектор структурного состояния V = {Va ,Vn ,V6 ,Vv} , компонентами которого являлись удельные доли аустенита, перлита, бейнита и мартенсита соответственно.
Расчет структурного состава ведется шаговым методом. Плавная кривая изменения температуры в каждой точке валка заменяется ломаной, то есть принимается, что на каждом п -ом шаге по времени АТп температура мгновенно меняется с tnA на tn и остается постоянной на данном шаге. Согласно теории изокинетических реакций переход от изотермической кинетики превращения аустенита к неизотермическим условиям осуществляли на основании правила аддитивности.
Для описания атермического мартенситного превращения использованы зависимости удельной доли от температуры, полученные в ходе дилатометрического исследования валковой стали, проведенного в работе [35].
Определение структурного состояния стали в произвольном конечном элементе на каждом шаге по времени в первую очередь необходимо для расчета суммарного коэффициента линейного расширения, учитывающего как чисто температурные деформации, так и деформации, связанные со структурными превращениями.
Принимая во внимание, что коэффициенты линейного расширения перлита, бейнита и мартенсита, имеющих в основе ос-железо [3], должны отличаться незначительно, еБт полагалась равной є", а зависимость є" определялась по кривой, полученной путем смещения перлитной дилатограммы параллельно самой себе в точку со свободной деформацией мартенсита при 20 С.
Зная температуру данного шага, по формулам (4.16), можно рассчитать свободные деформации составляющих структур, а по выражению (4.15) свободную деформацию гетерогенной структуры. Используя формулу (4.14) можно определить суммарный коэффициент линейного расширения, учитывающий как чисто температурные деформации, так и деформации, связанные со структурными превращениями. По описанному алгоритму на языке Visual Fortran была создана программа для расчета на компьютере. Исходными данными для расчета являются: шаг по времени, температура и структура на предыдущем шаге, температура на текущем шаге. Выходными данными - структурное состояние и суммарный коэффициент линейного расширения на текущем шаге по времени.
При термической обработке стальных прокатных валков вследствие высоких температурных градиентов и протекания структурных превращений в них протекают пластические деформации, и поэтому математическая модель процесса формирования остаточных термонапряжений должна базироваться на упругопластическом расчете.
Для решения физически нелинейной задачи термоупругопластичности для материала с нестабильной структурой применялся шаговый метод дополнительных (начальных) деформаций, изложенный в работе [99]. При использовании указанной теорий пластичности решение ведется в приращениях. Тогда на каждом шаге по времени уравнение (4.17) представляется в дифференциальной форме.
