Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическое и физическое моделирование процессов формирования структуры и механических свойств сталей 14
1.1. Математические модели на основе искусственных нейронных сетей 14
1.2. Программа VAI-Q-Strip, разработанная фирмой VOEST-ALPINE STAHL (Австрия) 16
1.3. Программа HSMM (Hot Strip Mill Model), разработанная фирмой INTEG process group., Inc 20
1.3.1. Структура программы Hot Strip Mill Model (HSMM) и ее возможности 21
1.3.2. Моделирование изменений микроструктуры металла в процессах горячей прокатки и последеформационного охлаждения 24
1.3.2.1. Процессы, протекающие в аустените. 25
1.3.2.2. Фазовые превращения 35
1.3.2.3. Математические модели расчта механических свойств, используемые в HSMM 42
1.3.2.4. Математические модели кривых «напряжение-деформация» 47
1.4. Физическое моделирование процессов формирования структуры и механических свойств сталей 52
1.5. Методики, используемые при физическом моделировании 55
Глава 2. Создание виртуальной компьютерной модели реверсивного толстолистового стана 5000 и оптимизация технологии прокатки трубной стали для получения однородной структуры 56
2.1. Причины формирования полосчатой структуры и методы ее устранения
2.1.1. Выплавка стали и внепечная обработка 56
2.1.2. Прокатка на реверсивных толстолистовых станах 58
2.2. Влияние полосчатой структуры на свойства толстолистового проката
2.2.1 Влияние полосчатой структуры на сопротивление хрупкому разрушению и усталостную прочность 62
2.2.2. Влияние полосчатой структуры на склонность к сероводородному растрескиванию 65
2.3. Исследуемые материалы
2.4. Построение термокинетических кривых распада аустенита для литой и горячедеформированной стали 10Г2ФБ
2.5. Разработка виртуальной модели стана 5000 и ее адаптация к условиям прокатки на стане 74
2.5.1. Построение модели толстолистового стана 5000 74
2.5.2. Подбор базовых марок для сталей 10Г2ФБ и 10Г2ФБЮ 76
2.5.3. Корректировка решения тепловой задачи (калибровка модели по температуре) 79
2.5.4. Калибровка расчетов механических свойств для стали 10Г2ФБЮ 81
2.5.5. Проверка расчетов энергосиловых параметров в программе HSMM 84
2.5.6. Компьютерный эксперимент по влиянию температурно-деформационных режимов на структуру и механические свойства исследуемых сталей при помощи программы HSMM 86
2.6. Моделирование технологии прокатки толстого листа без паузы. Опытные прокатки №№ 1, 2, 3.
2.6.1. Расчет параметров прокатки без паузы на стане 5000 100
2.6.2. Определение механических свойств 105
2.6.3. Изучение микроструктуры металла 105
2.6.4 Опытная прокатка №1 106
2.6.5 Опытная прокатка №2 110
2.6.6 Опытная прокатка №3 114
2.7. Оценка влияния некоторых факторов на долю вязкой составляющей при испытании падающим грузом 125
2.8. Опытная прокатка №4 129
2.9. Опытная прокатка №5
Заключение по Главе. 132
Глава 3. Разработка и моделирование технологии прокатки двухфазной ферритно-мартенситной автомобильной стали на стане 2000 ОАО «Северсталь» 134
3.1. Исследуемые материалы
3.2. Разработка виртуальной модели стана 2000 в программе HSMM и ее адаптация к условиям стана
3.3. Разработка режимов прокатки двухфазной ферритно-мартенситной стали на стане 2000 ОАО «Северсталь» с помощью программы HSMM 141
3.3.1. Влияние режимов прокатки на структуру и свойства полосы толщиной 3,5 мм при смотке на I группу моталок 141
3.3.2. Влияние режимов прокатки на структуру и свойства полосы толщиной 3,5 мм при смотке на II группу моталок 144
Заключение по Главе 151
Глава 4. Исследование влияния технологических параметров и разработка технологии получения TRIP-стали при помощи физического и математического моделирования 152
4.1. Общие сведения о TRIP-сталях. 152
4.2. Технологический процесс получения современных TRIP-сталей 153
4.3. Превращения в TRIP-сталях 155
4.3.1. Превращение в межкритическом интервале температур 155
4.3.2. Бейнитное превращение 156
4.3.3. Стимулированное напряжением мартенситное превращение 158
4.4. Влияние легирующих элементов 159
4.5. Механические свойства TRIP-сталей 163
4.6. Факторы, влияющие на свойства TRIP-сталей 165
4.6.1. Соотношение фаз 165
4.6.2. Стабильность остаточного аустенита 166
4.6.3. Условия испытания 167
4.6.4. Напряжнное состояние 167
4.7. Влияние технологических параметров на количество и стабильность остаточного аустенита и на механические свойства 168
4.8. Влияние режимов охлаждения на микроструктуру и фазовые превращения TRIP-стали 172
4.8.1. Определение температур фазовых превращений без предварительной пластической деформации 172
4.8.2. Влияние предварительной деформации на температуры фазовых превращений. 175
4.8.3. Исследование структурообразования при фазовых превращениях после пластической деформации 178
4.9. Моделирование технологического процесса прокатки TRIP-стали на стане 182
2000 с помощью модели Hot Strip Mill Model
4.10. Физическое моделирование режима горячей прокатки TRIP-стали на стане 2000, разработанного методом математического моделирования, с 189
использованием программы HSMM
Заключение по Главе 194
Основные выводы 196
Литература 198
- Структура программы Hot Strip Mill Model (HSMM) и ее возможности
- Влияние полосчатой структуры на сопротивление хрупкому разрушению и усталостную прочность
- Влияние режимов прокатки на структуру и свойства полосы толщиной 3,5 мм при смотке на I группу моталок
- Влияние технологических параметров на количество и стабильность остаточного аустенита и на механические свойства
Введение к работе
Актуальность темы
Насущной проблемой российских производителей проката является выход на мировой уровень качества производимого листа. Одной из основных задач повышения качества проката при сохранении или понижении его себестоимости является обеспечение заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств, а также стабильность заданных свойств.
В настоящее время при разработке технологий передовые мировые производители проката используют компьютерные программы, позволяющие рассчитывать механические свойства и параметры структуры сталей. Основой подобных программ являются базы данных "химический состав - параметры обработки - структура - свойства", которые составляются при помощи методов физического моделирования термомеханических воздействий на металл. Одна из таких программ - лицензионная программа Hot Strip Mill Model (HSMM), разработанная по инициативе Американского института чугуна и стали. В базу данных этой программы входят 10 базовых марок, в том числе низколегированные углеродистые и микролегированные стали, для которых выполнен весь комплекс структурных исследований и механических испытаний. В программу заложены математические модели процессов структурообразова-ния и формирования механических свойств металла при пластической деформации и фазовых превращениях. Ее адаптация к реальным промышленным прокатным станам позволяет усовершенствовать существующие и создавать новые технологии производства листовой продукции.
С учетом параметров горячей прокатки и режимов охлаждения подобные программы позволяют рассчитывать такие параметры структуры и свойства металла, как размеры зерна аустенита и феррита, содержание феррита и перлита, упрочнение от выделения карбонитридов микролегирующих элементов, пределы текучести и прочности, удлинение при растяжении. Кроме того, программы типа HSMM выполняют расчеты энергосиловых параметров прокатки, выполняют проверку элементов оборудования на перегрузки, рассчитывают формирование профиля полосы, температуру проката по ходу технологического процесса обработки по длине и толщине проката, включая ускоренное или естественное охлаждение.
Нельзя считать, что программы типа HSMM являются всеобъемлющими и могут рассчитать любое структурное состояние, напротив, они требуют постоянного совершенствования и обновления в связи с формированием новых представлений и знаний в материаловедении, в частности, о бейнитных превращениях. Но, тем не менее, подобные модели начинают приносить положительные эффекты, в том числе экономические, при разработке новых технологий, новых материалов, при оптимизации технологий прокатки по комплексу механических свойств сталей.
С использованием программы HSMM в данной работе были предложены первые в России модели прокатных станов, в том числе непрерывного широкополосного стана 2000 и реверсивного толстолистового стана 5000 ОАО "Северсталь". При помощи этих моделей были рассчитаны параметры структуры и механические свойства сталей в результате многопроходной деформации при переменных температуре, степени и скорости деформации, учитывая фазовые превращения при охлаждении. Информацию об этих физических процессах, протекающих в металле, можно получить с помощью физического моделирования на специальных комплексах.
Возможности физического моделирования процессов горячей прокатки с использованием комплекса Gleeble-3800 и последующим исследованием структуры и свойств обработанного металла позволяют определить термомеханические параметры прокатки сталей с заданной структурой и механическими свойствами, а применение виртуальных моделей прокатных станов дает возможность анализа путей реализации этих параметров на промышленных прокатных станах. Таким образом обеспечивается возможность разработки прокатных технологий производства сталей с заданной структурой и механическими свойствами.
В силу многих причин в России до настоящего времени не использовались компьютерные технологии управления свойствами проката, основанные на физически обоснованных интегральных математических моделях, описывающих формирование структуры и свойств сталей в процессах их обработки. На многих предприятиях используются статистические модели, имеющие ограниченные возможности при разработке новых технологий и материалов.
Таким образом, совершенствование и разработка новых технологий горячей прокатки листа с использованием методов физического и математического моделирования процессов формирования структуры и
механических свойств сталей в зависимости от режимов обработки является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования
Целью работы является: совершенствование и разработка новых технологий горячей прокатки листа из трубных и автомобильных сталей с использованием методов физического и математического моделирования процессов формирования структуры и механических свойств материалов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
создание виртуальных компьютерных моделей прокатных ста
нов 2000 и 5000 ОАО "Северсталь" и адаптация программы HSMM к ус
ловиям прокатки на данных станах;
оптимизация технологии прокатки трубной микролегированной стали марки 10Г2ФБ на толстолистовом стане 5000 для получения однородной структуры листа при сохранении заданного уровня механических и ударных свойств;
разработка технологии горячей прокатки двухфазной ферритно-мартенситной стали на непрерывном широкополосном стане 2000;
разработка технологии горячей прокатки ТЖР-стали на непрерывном широкополосном стане 2000.
Научная новизна
При выполнении работы получены результаты, отличающиеся научной новизной, в том числе:
разработаны температурные режимы прокатки и контролируемо-
го охлаждения толстого листа на стане 5000 ОАО «Северсталь», обеспечивающие получение однородной структуры проката без перлитной полосчатости, предусматривающие:
прокатку без подстуживания ("покачивания") между черновой и чистовой прокатками;
регулировку температуры конца прокатки при помощи охлаждения гидросбивом, установленным в клети стана;
выбор температуры конца прокатки приблизительно равной температуре начала ферритного превращения в соответствии с термокинетической диаграммой распада аустенита;
ускоренное охлаждение от температуры конца прокатки до тем-
ператур 550н-600 С при помощи установки ускоренного охлаждения; предложенный режим обеспечивает следующие преимущества:
значительное снижение структурной неоднородности и устранение перлитной полосчатости металла,
обеспечение заданного уровня механических свойств;
высокое значение ударной вязкости вплоть до значений KCLT60 = 420-430Дж/см2;
повышение производительности стана минимум на 10-=-15 % по сравнению с контролируемой тандемной прокаткой 2 или 3 полос с под-стуживанием на рольганге между черновой и чистовой прокатками;
на основании выполненного статистического анализа зависимостей доли вязкой составляющей при испытаниях падающим грузом (ДВС при ИПГ) от многих параметров по 2000 прокатанным полосам был устранен недостаток предложенной технологии, а именно - низкая ДВС при ИПГ; за счет корректировки химического состава этот недостаток был устранен;
с помощью физического моделирования на комплексе Gleeble-3800, установлено, что температура ферритного превращения, во многом определяющая свойства горячекатаного толстого листа, существенно зависит как от степени растворения микролегирующих элементов, так и от температуры окончания прокатки:
при Ткд>Тпрец. (Ткп- температура конца прокатки, Гпрец. - температура выделения карбонитридов микролегирующих элементов) температура начала ферритного превращения Гф.п. повышается на 20*30 С;
при 7,ф.п.<7,к.п.<Гпрец. температура начала ферритного превращения 7фп. понижается на 5-=-40 С;
с помощью физического моделирования на комплексе Gleeble-3800 выявлено, что для получения двухфазной ферритно-мартенситной структуры проката из стали DP-Mo-600 необходимо обеспечить требуемое время выдержки для полного протекания ферритного превращения и обогащения углеродом аустенита с последующим быстрым охлаждением на мартенсит. При помощи программы HSMM, адаптированной к условиям прокатки на непрерывном широкополосном стане 2000, показана возможность реализации температурно-скоростных режимов прокатки автомобильной двухфазной ферритно-мартенситной стали на этом стане;
при помощи методов физического и математического моделирования установлены деформационные и температурно-временные параметры прокатки, обеспечивающие возможность изготовления автомо-
бильної! TRIP-статі на непрерывном широкополосном стане 2000 ОАО "Северсталь". Определены режимы обработки, обеспечивающие получение наибольшего количества остаточного аустенита (до 15 %) для стали исследованного химического состава;
для анализа существующих и разработки новых технологий про-
катки созданы виртуальные модели прокатных станов - реверсивного толстолистового стана 5000 и непрерывного широкополосного стана 2000 Череповецкого металлургического комбината ОАО "Северсталь", включающие все единицы оборудования, непосредственно участвующие в нагреве, транспортировке, пластической деформации, подстуживании, охлаждении металла и учитывающие все возможные изменения параметров горячей прокатки. Созданные виртуальные модели использованы для расчета влияния режимов горячей прокатки и контролируемого охлаждения на механические свойства и структуру сталей, а также для расчета и перераспределения по проходам энергосиловых параметров прокатки.
Практическая ценность и реализация работы
В результате проведенных в диссертационной работе исследований с использованием методов физического и математического моделирования разработаны технологии горячей прокатки для станов 5000 и 2000 ОАО «Северсталь»:
толстого листа из трубной стали 10Г2ФБ с однородной структурой без перлитной полосчатости;
листа толщиной 3-ь4 мм из высокопрочной автомобильной фер-ритно-мартенситной стали DP-Mo-600;
листа толщиной 3-М- мм из высокопрочной автомобильной TRIP-стали.
На стане 5000 ОАО «Северсталь» проведено пять опытных прокаток толстого листа из трубной стали 10Г2ФБ, в результате которых получен прокат с однородной структурой и требуемым комплексом механических свойств.
В результате большого количества расчетов при помощи программы HSMM (температура прокатки по проходам, энергосиловые параметры прокатки, параметры структуры и механические свойства проката) и сравнения расчетных параметров с фактическими данными, определенными в заводской лаборатории ОАО "Северсталь", компьютерная программа HSMM адаптирована к условиям горячей прокатки на станах 2000 и 5000, откалибрована по температуре и механическим свойствам; в ре-
зультате выполненных исследований погрешности расчетов механических свойств для исследованных марок сталей не превышают 5%.
Важным результатом выполненной работы является внедрение программы HSMM в технологические заводские разработки ОАО "Северсталь". Ведутся работы по более широкому внедрению программы HSMM в листопрокатном производстве на стане 2000. Выполняются совместные работы по совершенствованию программы HSMM для расчетов параметров структуры и механических свойств сталей всего сортамента сталей листовых станов ЧерМК.
Основные научные положения, выносимые на защиту
Виртуальные модели реверсивного толстолистового стана 5000 и непрерывного широкополосного стана 2000, адаптированные к производственным условиям прокатки и предназначенные для совершенствования существующих и разработки новых технологий горячей прокатки.
Термокинетические диаграммы распада аустенита для стали марки 10Г2ФБ в литом и деформированном состоянии.
Результаты анализа способов повышения доли вязкой составляющей при испытаниях падающим грузом.
Условия получения однородной структуры трубной стали 10Г2ФБ и технология прокатки толстого листа на стане 5000 ОАО «Северсталь», которая обеспечивает отсутствие перлитной полосчатости, высокую ударную вязкость, сохранение заданного уровня механических свойств при повышении производительности стана, а также результаты ее опробования в промышленных условиях.
Технология горячей прокатки, позволяющая получить двухфазную ферритно-мартенситную сталь на непрерывном широкополосном стане 2000 ОАО «Северсталь».
Технология горячей прокатки, позволяющая получить высокопрочную автомобильную TRIP-сталъ с остаточным аустенитом на непрерывном широкополосном стане 2000 ОАО «Северсталь».
Апробация работы
Основные положения работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ) Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, СПб, 2007-2009 гг.; всерос-
сийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов в рамках XXXVI - XXXVIII Недель науки СПбГПУ в 2007-2009 гг.; политехническом симпозиуме «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» СПбГПУ, 2007 г.; XVI Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке» СПбГПУ, 2009 г.; XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» СПбГПУ, 2009 г.; международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, 2009 г..
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 2 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 165 наименований. Работа изложена на 209 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков и 54 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Пластическая обработка металлов» СПбГПУ и лаборатории «Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов» НИИ Материалов и технологий СПбГПУ.
Структура программы Hot Strip Mill Model (HSMM) и ее возможности
В термомеханических моделях HSMM для описания физических свойств стали используются данные по удельной тепломкости, температуропроводности, тепловому расширению, излучаемости, пределу текучести и плотности.
Химические составы базовых марок HSMM перекрывают довольно широкий марочный диапазон, что делает модель применимой на большинстве металлургических предприятий. Базовые марки являются основанием для дальнейшего развития модели, будь то модификация для близких марок или разработка новых сталей.
HSMM может быть использована в двух режимах – многоузловом и одноузло-вом. В многоузловом режиме рассчитываются температура, силы и распределение размеров зерна по толщине прокатываемой полосы. Модель одноузлового режима применяется для быстрых вычислений и рассчитывает тот же набор параметров, но только для одной усредненной по толщине листа точки. Из рис.1.8 видно, что для расчта сопротивления деформации металла можно выбрать одну из четырх предлагаемых моделей (NIST, Medina, Shida, Resistance of Deformation).
Модель пластического течения NIST использует ряд уравнений, полученных в национальном институте стандартов и технологий. В уравнениях этой модели связь между температурой, размером зерна аустенита, деформацией и скоростью деформации осуществляется при помощи коэффициентов, которые были получены для каждой базовой марки стали, введнной в HSMM.
Модель сопротивления деформации позволяет пользователю вводить свою кривую, полученную для соответствующей марки стали. Сопротивление деформации материала характеризуется его температурой и геометрией очага деформации. Этот метод позволяет точно рассчитать усилия прокатки при использовании экспериментальных данных, полученных ранее. После калибровки модели сопротивления деформации можно достаточно точно моделировать другие режимы прокатки для данной марки.
Модели пластического течения Shida и Medina учитывают эффекты химического состава, чего не позволяет делать модель NIST. Эти модели определяют напряжение пластического течения во время горячей пластической деформации стали как функцию от температуры, скорости и степени деформации, а также химического состава.
Одним из наиболее сложных для моделирования процессов является теплопередача во время прохода полосы по примному столу через водяные спрейерные установки. Правильность расчта изменения температуры на примном столе сильно влияет на конечную микроструктуру и механические свойства. При расчте в многоузловом режиме используется метод динамического расчта коэффициентов теплопередачи для поверхностных узлов. В этом методе вычисляются коэффициенты теплопередачи для каждой из шести различных зон (0-5) (рис. 1.10), на которые делится прокатываемая полоса.
HSMM имеет удобный интерфейс, позволяющий пользователю формировать свою конфигурацию прокатного стана, создавать свой режим прокатки, использовать любую базовую марку, Зоны теплопередачи при имеющуюся в программе, и выводить охлаждении на примном столе конечные результаты. Пользовательский интерфейс может быть разделен на следующие главные области: Вкладка Mill Configuration (конфигурация стана) позволяет пользователю устанавливать любое оборудование, используемое на стане, и включает область на гревательных печей, область черновой обработки (клети, ножницы, гидросбивы), область поддержания высокой температуры металла (койл-боксы, теплоотражаю щие экраны), область чистовой обработки (клети, ножницы, гидросбивы), прим ный стол и область уборочного оборудования (моталки, охлаждающий стол). Вкладка Calibration (калибровка) позволяет пользователю калибровать модель под каждую моделируемую марку стали. Пользователь задает определенный набор коэффициентов, которые определяются маркой стали и спецификой моделируемого режима прокатки. Вкладка Rolling Schedule (режим прокатки) используется для задания режима прокатки и просмотра результатов расчта как по одноузловому, так и по многоузловому режимам. Эта вкладка позволяет просматривать или задавать начальные данные, данные по проходам, скорости прокатки, время, данные по температурам, параметры прокатки, микроструктуру, примный стол, итоговые результаты, а также строить различные диаграммы. Вкладка The Data Exporting (экспорт данных) позволяет пользователю легко экспортировать данные из модели в файлы данных, которые могут быть прочитаны в Microsoft Excel или в любом другом подобном пакете программ для их дальнейшего анализа. Вкладка Grade Builder позволяет просмотреть модели расчта микроструктуры, используемые для данной базовой марки, ввести свои модели или новую базовую марку стали. Можно выделить следующие области использования программы HSMM: развитие и оптимизация режимов прокатки; сравнительный анализ различных конфигураций стана и составление программ модернизации; полный анализ возможностей производства для данного продукта; анализ микроструктуры и разработка новых марок сталей; оптимизация механических свойств; оценка соотношений между параметрами процесса, таких как скорость, температура, остаточные деформации и механические свойства; проведение анализа чувствительности влияния одних параметров на другие. Программа HSMM предназначена для моделирования горячей прокатки полосового проката и прогнозирования параметров структуры и механических свойств металла. Для этого в программе необходимо учесть все процессы, протекающие в металле, и количественно связать их с конечными свойствами листа. При моделировании горячей прокатки программа учитывает ряд процессов, протекающих в аустените, фазовые превращения и руководствуется кривой «напряжение-деформация» для базовых марок сталей, затем рассчитывает механические свойства полосы, учитывая полученную информацию о структуре.
Влияние полосчатой структуры на сопротивление хрупкому разрушению и усталостную прочность
В работах [112, 99] 80-х годов описывается механизм образования расщеплений при разрушении после испытаний на ударную вязкость. Также отмечается положительное влияние этих расщеплений на работу развития трещины и температуру перехода в хрупкое состояние. Это объясняется тем, что трещина, идущая от надреза, может отклоняться, как только она встречается с межфазной границей, т.е. с плоскостью пониженной прочности сцепления, устье трещины затупляется и распространение трещины задерживается. Последующее ее распространение требует вторичного зарождения. В процессе испытания на ударную вязкость происходит разделение магистральной трещины по механизму, описанному Эмбери на модели многослойных композитных образцов [113]. Итогом работ является вывод о том, что расщепления не оказывают отрицательного влияния на технологические и эксплуатационные свойства сталей и поэтому их не следует рассматривать как дефект металла, а лишь как его характерную особенность.
В работе же [48] конца 90-х уже отмечается, что процесс деформации в двухфазной области, связанный с образованием особой текстуры деформации, приводящей к характерному виду излома при ударных испытаниях, с так называемыми «расщеплениями», снижает величину ударной вязкости. Работа [114] этого же периода времени посвящена анизотропии свойств судовой стали, вызванной перлит ной полосчатостью. Предлагается устранять ее с помощью отжига стали при 900 С в течении 2 часов, поскольку полосчатая структура ускоряет процесс распространения трещины. Однако, эта обработка повышает стоимость проката, приводит к укрупнению структуры, выводит из процессов упрочнения микролегирующие элементы.
В работе [99] говорится о том, что ударная вязкость на образцах, вырезанных поперек направления прокатки, а именно такие образцы испытывают при контроле свойств по ГОСТам, уменьшается с увеличением содержания серы, тогда как в продольном направлении с увеличением содержания серы наблюдается тенденция к повышению ударной вязкости. Указанное явление связано с усилением полосчатости ферритно-перлитной структуры вследствие вытянутости сульфидов в строчки вдоль прокатки.
В начале XXI века сложилось мнение, что вызванная полосчатой структурой анизотропия свойств листовой продукции из низколегированных малоуглеродистых сталей существенным образом снижает сопротивление хрупкому разрушению [115-118]. Полосчатая структура может приводить к образованию внутренних дефектов в виде расщеплений и, соответственно, к снижению сопротивления хрупкому разрушению, особенно в Z-направлении. В работе [115] проводилось математическое моделирование в программе ANSYS LS-DYNA испытаний на ударную вязкость образцов с различной ориентацией перлитных полос. Компьютерные расчеты показывают, что полосчатая структура сильно влияет на величину ударной вязкости, особенно если полосы перлита расположены в плоскости удара, когда образец вырезается в направлении толщины листа.
В работе [116] проведено исследование влияния полосчатой структуры на критерии линейной механики разрушения, а также на сопротивляемость развитию трещин в различных направлениях по отношению к направлению прокатки. По результатам проведенных исследований сделан вывод о том, что полосчатость структуры, связанная с ориентированным расположением феррита, порождает анизотропию развития усталостных трещин. Степень ее определяется температурой испытания. При температурах ниже первой критической температуры (ПКТ) анизотропия структурных составляющих не отмечается. В области ПКТ анизотропия наибольшая. При температурах выше ПКТ отдельных структурных составляющих анизотропия развития усталостных трещин обусловлена фактором объемности напряженного состояния в зоне возмущающего действия «мягких» прослоек феррита.
В работе [117] проведено исследование влияния слоисто-полосчатой структуры, обусловленной ориентированным расположением феррита, на сопротивление хрупкому разрушению по данным испытаний на ударный изгиб образцов, вырезанных в различных направлениях по отношению к направлению прокатки листа или его толщины. Общей закономерностью данного исследования является смещение критической температуры хрупкости в сторону более высоких температур при изменении направления вырезки образцов от поперечного к Z-направлению. Результаты исследований также свидетельствуют о том, что стали со структурой ориентированного феррита могут иметь значительно более высокую критическую температуру хрупкости, чем стали с бейнитной структурой. Превосходство механических свойств сталей бейнитного класса над сталями ферритно-перлитного класса отмечается также в работах [48, 99, 118, 119,120].
Авторы работы [121] исследовали поведение сталей с ферритно-перлитной полосчатой структурой при испытаниях на усталостную прочность. В качестве исследуемых сталей были взяты 09Г2С, 10Г2ФБЮ и Ст3сп. Более выраженную полосчатость среди рассмотренных марок сталей имеет сталь 10Г2ФБЮ. Итогом исследований является то, что наличие слоистой структуры в низколегированных образцах обуславливает ветвление и изменение направления трещин.
В работе [122] отмечается актуальность проблемы ухудшения комплекса свойств проката из-за образования ферритно-перлитной полосчатой структуры в двухфазных сталях (DP) и в TRIP-сталях. Авторы этой работы уверены, что предотвращение перлитной полосчатости в высокопрочных сталях – это важное технологическое условие, позволяющее полностью использовать весь потенциал механических свойств. Для предотвращения полосчатости научный коллектив работы [122] предпринял попытку создания модели, позволяющей численными методами определять возможность предотвращения перлитной полосчатости. Для этого авторы учитывают изменения, происходящие в металле при следующих процессах: кристаллизация слитка, сегрегация химических элементов, высокотемпературная гомогенизация и превращения в металле. С помощью созданной модели авторы рассчитали возможность предотвращения полосчатости для трех различных химических составов двухфазной (DP) стали и трех составов TRIP-стали. При создании модели авторы [122] основывались на работах зарубежных авторов, в России подобных работ не проводилось. В 1957 году механизм образования полосчатой структуры был описан автором работы [123], он определил взаимосвязь между образованием дендритной структуры при кристаллизации и микрохимической неоднородностью. Зарождение новых фаз, возникающее в различных областях раствора, приводит к образованию перлитных полос при охлаждении металла из аусте-нитной области. Авторы [124] в дальнейшем установили количественную зависимость между схемой термообработки и длиной волны химических элементов, они обозначили ее как среднее расстояние между параллельными полосами при полосчатости. Автор работы [125] установил, что аустенизация при температуре выше 1317 С препятствует образованию полосчатости в Fe-C-Mn-Si сталях. После этого авторы работы [98] выявили зависимость полосчатости от размера зерна аустенита, в то время как автор работы [126] отметил, что сегрегация Mn является определяющим фактором для образования полосчатости. Авторы обзора [127] проанализировали ряд факторов, ведущих к образованию полосчатости или препятствую щие ей, они также отметили, что очень сложно установить количественную зависимость образования полосчатости от какого-либо из факторов.
Влияние режимов прокатки на структуру и свойства полосы толщиной 3,5 мм при смотке на I группу моталок
Целью четвертой опытной прокатки являлось повышение ДВС за счет изменения химического состава металла при прокатке без паузы на подстуживание полосы между черновой и чистовой прокатками, использование УКО для ускоренного охдаждения полосы до температуры 550- 600 С.
Перед прокаткой по данным о химическом составе и размерах сляба, указанных в табл. 2.37, при помощи программы HSMM были рассчитаны предполагаемые механические свойства полосы. Расчетный режим прокатки полосы предполагал получить требуемую толщину за 23 прохода. Рекомендации по режимам прокатки представлены в табл. 2.36. На экспериментальном химическом составе было решено опробовать возможности расчета свойств при помощи HSMM и возможности получения свойств при температуре конца прокатки Гкп, принятой на стане 5000 и равной 710 720 С.
При опытной прокатке заменили двухстадийную прокатку одностадийной и добавили УКО после прокатки. Отметим, что экспериментальная сталь не содержит ванадия, поэтому расчет параметров структуры и механических свойств выполняли по базовой марке HSLA Nb без предварительной калибровки программы по свойствам.
Четвертую опытную прокатку было решено проводить в ручном режиме управления. Операторам на постах прокатного стана и УКО были выданы технологические параметры прокатки, которыми они должны были руководствоваться. Рекомендации по технологии были выполнены практически все. Температура конца прокатки не была занижена, но увеличено количество проходов до 27. Полученные технологические параметры и механические свойства полосы после прокатки представлены в табл. 2.38 и 2.39.
Результаты механических испытаний показали, что полученная в результате опытной прокатки полоса имеет хорошие механические свойства по всей длине, но отношение предела текучести к пределу прочности выше заданного. Ударная вязкость имеет очень высокие значения, ДВС составляет 95- 100 %. Преобладающий балл зерна - 12. Результаты ударных испытаний могут быть связаны с получением мелкозернистой структуры и ее равномерным распределением по длине и толщине листа. Такая структура обеспечивает высокие значения пределов прочности и текучести стали. Результаты расчетов механических свойств и размера зерна хорошо совпадают с фактическими значениями.
Подводя итог опытной прокатки, можно отметить что предпринятые меры по повышению ДВС оказались действенными. Полностью избавиться от структурной полосчатости при таком режиме прокатки не удалось, поскольку температура конца прокатки составляла 717 С и находилась в двухфазной области, что согласно ранее высказанным предположениям, приводит к образованию структурной неоднородности. Снижение перлитной полосчатости до 1 балла при окончании прокатки в двухфазной области по сравнения с обычно наблюдаемыми после контролируемой прокатки вызвано, очевидно, значительным снижением содержания углерода.
Средняя ошибка вычислений по пределу текучести ат составила 2,6 % (15 МПа), средняя ошибка по ав - 0,8 % (3 МПа). Ошибка в расчетах пластичности практически отсутствует. Таким образом, программа HSMM показывает хорошие результаты при расчете свойств полосы и по базовой марке HSLA Nb.
Целью пятой опытной прокатки является получение металла с однородной структурой без перлитной полосчатости с долей вязкой составляющей излома после ИПГ 90 100 %.
Химический состав литого сляба тот же, что и для опытной прокатки №4, см. табл. 2.41. Перед прокаткой при помощи программы HSMM были рассчитаны предполагаемые механические свойства полосы. Требуемую конечную толщину полосы было запланировано получить за 23 прохода с последующим охлаждением в У КО. Рекомендованные параметры технологии представлены в табл. 2.40.
Пятую опытную прокатку было решено проводить в ручном режиме управления. Операторам на постах прокатного стана и УКО были заданы технологические параметры прокатки, которыми они должны были руководствоваться. Рекомендации по технологии были выполнены практически все, но количество проходов было увеличено до 25. Реализованные на стане технологические параметры прокатки и механические свойства полосы представлены в табл. 2.42 и 2.43.
Результаты определения механических свойств показали, что полученная в результате опытной прокатки полоса имеет высокие механические свойства по всей длине, но отношение предела текучести к пределу прочности больше 0,9. Ударная вязкость имеет очень высокие значения. Испытания падающим грузом (ИПГ) показали ДВС, равную 95 100 %. Преобладающий балл зерна - 12. Необходимо отметить полное отсутствие полосчатости в листе. Фотографии микроструктуры прокатанных полос после 4 и 5 опытных покаток представлены на рис. 2.31.
После опытной прокатки фактический режим был просчитан в программе HSMM. Результаты расчетов механических свойств и размера зерна показали, что ошибки расчетов, выполненных в программе HSMM по базовой марке HSLA Nb составляют: по пределу текучести ат - 3,6 % (20 МПа), по пределу прочности ав - 1,9 % (11 МПа), по пластичности ошибка близка к нулю.
Таким образом, цели, поставленные в данной части работы, были достигнуты -получена полоса без перлитной полосчатости с высоким значением доли вязкой составляющей после испытаний падающим грузом и очень высокой ударной вязкостью, в 4- 6 раз превышающие заданные значения. Получение высокого значения ударной вязкости имеет особое значение, поскольку в ближайшее время эти требования к трубным сталям должны быть значительно повышены. Необходимо отметить, что и требования по ДВС после ИПГ должны быть в значительной степени упорядочены -на сегодняшний день эта важная характеристика разрушения определяется не машинно-компьютерным способом, а визуально операторами копров для ИПГ.
Повышенное значение показателя от/ав, полученное при прокатке полосы, может быть вызвано отсутствием ванадия в составе стали.
Влияние технологических параметров на количество и стабильность остаточного аустенита и на механические свойства
Такие тенденции развития автомобилестроения приводят к стремлению металлургических предприятий внедрять новые виды автомобильного проката, чтобы поддерживать конкурентоспособность своей продукции на мировом рынке.
ОАО «Северсталь», являясь лидером производства листового проката в России, особенно заинтересовано в развитии этой области. К настоящему моменту на предприятии проводится исследование возможности производства двухфазных сталей, которое имеет первые положительные результаты.
Двухфазные (Dual phase) ферритно-мартенситные стали (DP-стали или ДФМС) относятся к низкоуглеродистым низколегированным сталям, микроструктура которых представляет собой участки мартенсита в ферритной матрице, возможно присутствие остаточного аустенита и нижнего бейнита [142]. В зависимост от технологии производства стали содержание мартенсита может быть более 75 % [143].
DP-стали используются в автомобильной промышленности для деталей, получаемых штамповкой и, в основном, дополнительно упрочняемых горячей сушкой окрашенной поверхности листа (BH-effect) [142]. За счет упрочнения мартенситом при том же уровне пластичности DP-стали имеют более высокие прочностные свойства (ат до 350 600 МПа, ав до 800 1000 МПа), чем стали, упрочняемые перлитом. Компания ThyssenKrupp Steel разработала DP-стали с повышенным комплексом свойств ат = 750 МПа, ав = 1120 МПа при 3= 10 %. В состав таких сталей входит до 0,15 % микролегирующих элементов Nb+V; 2,5 %Мп и до 0,6 % Si [144]. Получение ультрамелкозернистой ферритной структуры в DP-сталях обеспечивает повышение комплекса механических свойств. Такая структура получается при интенсивной пластической деформации с помощью прокатки [145] или равноканаль-ного углового прессования [146] в межкритическом интервале температур и дальнейшей термообработки. Обычно DP-стали имеют следующий химический состав: 0,2 % С - 0,7 %Мп - 0,2 % Si [147]. Желательны в их составе Сг иМо, но примеси S иЯ вредны [148].
В DP-сталях углерод обеспечивает формирование мартенситной фазы и, наряду со сбалансированными микродобавками Мп, Сг, Мо, V и Ni, отвечает за ее прочностные свойства.
ДФМС можно получать двумя способами. Первый применяется при термообработке различных деталей из ДФМС и заключается в нагреве до межкритических температур фазового перехода (между Ас\ и Ас3) и охлаждении с регламентированной скоростью, исключающей образование перлита и бейнита.
Вторая технология разработана применительно к современным широкополосным станам и предназначена для получения штампуемого горячекатаного листа с ферритно-мартенситной структурой (ГКДФМС). После аустенизации следует прокатка стали в аустенитной области (особенно интенсивно вблизи точки Аг3, при этих температурах деформация аустенита на 40 % при непрерывном охлаждении ускоряет у— а превращение на порядок [148]). Прокатка ГКДФМС в межкритическом интервале температур нежелательна, так как ведет к наклепу феррита и снижению пластичности стали, хотя имеются технологические режимы, которые обеспечивают высокие эксплуатационные свойства стали при прокатке в этой области [148]. После прокатки металл охлаждают до межкритических температур, при которых выдерживают некоторое время, а затем охлаждают по заданному режиму до температуры смотки. На прокатном стане нет возможности обеспечить выдержку при межкритических температурах, поэтому этот интервал проходят при сравнительно низких скоростях прокатки (на заправочных скоростях) в период движения полосы от последней чистовой клети до начала душируюшей установки (около 10 с). Далее следует быстрое охлаждение под душем, после чего на моталке следует вновь период медленного охлаждения. При таком режиме деформации и охлаждения дополнительная термическая обработка стали не требуется.
В обеих технологических схемах в межкритической области добиваются быстрого выделения большого количества феррита (до 80 85 %) с полигональной структурой, что обеспечивает обогащение оставшегося аустенита углеродом до концентраций, свойственных высокоуглеродистым сталям, которые достаточны для образования мартенсита даже при невысоких скоростях охлаждения (например, на моталке ШПС до 20 С/ч). Бейнит в ДФМС должен отсутствовать, так как при его наличии пластичность стали снижается. Однако при реально разработанных технологиях полностью избавиться от бейнита не удается, получают структуру ГКДФМС, содержащую до 75 80 % феррита, 12-15 % мартенсита и до 8 10 % бейнита [148].
Ускорению выделения феррита при охлаждении ГКДФМС способствуют кремний, молибден, хром, низкое содержание углерода, деформация аустенита и измельчение его зерна при деформации вблизи точки Аг3. Молибден, кремний, хром и марганец подавляют перлитное превращение [148]. Состав стали выбирают таким образом, чтобы за время движения полосы от последней клети стана до начала душирования (порядка 10 с) успевало выделиться до 85 % полигонального феррита. Такие стали имеют большой ферритный "нос" на термокинетической диаграмме, резко выдвинутый влево, в сторону больших скоростей охлаждения - см. идеальную термокинетическую диаграмму для ДФМС на рис. 3.3. Важно также, чтобы на термокинетической диаграмме был достаточно большой зазор (до 100 С) между температурами конца ферритного и начала бейнитного превращения. Это обеспечивает достаточное "окно", в пределах которого скорость охлаждения и температура смотки не будут влиять на свойства стали, так как гарантированно получается почти полностью ферритно-мартенситная структура. Даже при некоторых неизбежных колебаниях в технологических режимах это обеспечивает получение листа со стабильными свойствами, как в пределах одного рулона, так и в партии рулонов. Наличие окна позволяет менять в широких пределах скорость охлаждения от Кмин, при которой начинает образовываться перлит, до Vмакс , при которой возможны бейнитные превращения. Желательно иметь Умакс/Умин 15. Для увеличения "окна" наиболее эффективной является добавка 0,5 % Mo, так как при этом начало перлитного превращения сдвигается вправо. Хром в стали также задерживает начало перлитного превращения, но значительно меньше, чем молибден. Введение 0,6 % Cr увеличивает время начала перлитной реакции в два раза [148]. Стали с молибденом дороги, поэтому в экономнолегированных ДФМС он отсутствует, в них вводят Cr и содержание кремния увеличивают до 1,5–2,0 %, чтобы ускорить выделение полигонального феррита.
Накопленный опыт производства ГКДФМС показал, что для этого класса сталей с разным химическим составом оптимальные скорости охлаждения и температура смотки могут изменяться в широких пределах в соответствии с термокинетической диаграммой, которую нужно иметь для каждой стали. Как показывают имеющиеся данные [148], даже небольшие отклонения в химическом составе и режимах деформации и охлаждения могут сильно повлиять на вид термокинетической диаграммы. Для выбора оптимальных параметров производства ферритно-бейнитных и ферритно-мартенситных сталей может быть использована программа HSMM. Она имеет специально разработанную для расчета свойств двухфазных сталей базовую марку DP-Mo 600, для которой в программу введены все необходимые экспериментальные данные, в том числе и термокинетическая диаграмма распада аустенита.
