Актуальность работы. Микроструктура стали, сформировавшаяся в результате проведения термообработки в условиях непрерывного охлаждения, является ключевым фактором, определяющим уровень механических и эксплуатационных свойств готовых изделий. Совершенствование технологии термической обработки на предприятиях нередко связано с заменой традиционных режимов закалки на более перспективные с применением водокапельных или водовоздушных охлаждающих устройств. Такие охлаждающие устройства обеспечивают широкий спектр скоростей охлаждения, по сравнению с традиционными режимами закалки, что существенно изменяет характер формирования микроструктуры конкретной стали по сечению изделия. Помимо внедрения нового закалочного оборудования возникает необходимость использования новых марок сталей, для которых особенности протекания фазовых и структурных превращений подробно не изучены.
Современные методики построения термокинетических диаграмм обычно ограничиваются постоянными скоростями охлаждения, поэтому результаты проведенных исследований не всегда непосредственно можно применить для оценки структурного состояния по сечению конкретных изделий. Особенно это касается широко применяемых доэвтектоидных низко- и среднелегированных сталей, для которых термокинетические и, в особенности, изотермические диаграммы распада переохлажденного аустенита обладают определенной неполнотой информации.
Расчетно-экспериментальное изучение кинетики распада переохлажденного аустенита в доэвтектоидных промышленных сталях может служить основой для разработки алгоритма расчета количества структурных составляющих в любой точке сечения крупных изделий при их охлаждении с различной интенсивностью.
Одним из перспективных способов моделирования кинетики у^-а превращения в доэвтектоидных сталях при непрерывном охлаждении является использование экспериментальных термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита с известными термическими траекториями, с помощью которых можно рассчитать изотермическую диаграмму распада переохлажденного аустенита, применив правило аддитивности Шейла. При этом появляется возможность использовать расчетную изотермическую диаграмму распада переохлажденного аустенита для определения температурных и структурных полей при произвольном охлаждении деталей любого сечения.
Задача повышения комплекса прочностных свойств в настоящее время актуальна для валков горячей прокатки вследствие появления новых стандартов, ужесточивших требования к уровню механических свойств валков в активном слое. Нередко, в результате проведения промышленных режимов термообработки валков в упрочненном слое образуются продукты диффузионного распада переохлажденного аустенита (избыточный феррит и феррито-карбидная смесь), что может привести к значительному понижению твердости рабочей поверхности изделий и, следовательно, их эксплуатационной стойкости.
Поэтому представляется актуальной разработка достоверной методики расчета объемной доли феррита и перлита в структуре доэвтектоидных конструкционных сталей, образовавшихся в результате термообработки стальных изделий по различным режимам. Это даст возможность расчетным путем выбрать режим охлаждения, при котором для конкретной марки стали будет максимально подавлен распад переохлажденного аустенита по I ступени в поверхностном слое, что позволит существенно повысить уровень прочностных свойств готовых изделий.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработки и физики металлов» ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (тема № 2218), федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 гг), госконтракт 02.740.1105037 (2010- 2012 гг).
Цель работы: Исследовать кинетику распада переохлажденного аустенита доэвтектоидных сталей для разработки методики расчета структурных полей стальных изделий при их охлаждении с различной интенсивностью.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Провести аналитическое описание изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита доэвтектоидных сталей в перлитной области на основании известных экспериментальных данных.
2. Исследовать микроструктуру доэвтектоидных сталей и определить количество структурных составляющих, образовавшихся при непрерывном охлаждении.
3. Изучить кинетику распада переохлажденного аустенита доэвтектоидных сталей при термообработке в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении.
4. На основе экспериментальных исследований предложить алгоритм расчета объемной доли продуктов диффузионного распада аустенита доэвтектоидных конструкционных сталей при охлаждении с постоянной и переменной скоростью.
Научная новизна:
1. Разработана методика, позволяющая с абсолютной погрешностью до 5 % рассчитывать количество феррита и перлита в структуре доэвтектоидных сталей с различным уровнем легирования при непрерывном охлаждении.
2. Расчетно-экспериментальным методом установлена температурная зависимость параметров уравнения Колмогорова-Джонсона-Мэйла- Аврами пик при проведении изотермической обработки доэвтектоидных низколегированных сталей, на основании чего предложена модель аналитического расчета изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита в перлитной области.
3. Изучено структурообразование валковой стали 45Х5МФ при проведении термообработки в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении. Построена изотермическая и термокинетическая диаграммы распада переохлажденного аустенита стали 45Х5МФ.
4. Предложена экспериментальная методика, позволяющая методом простого термического анализа с применением компьютерных технологий определять кинетику фазовых превращений доэвтектоидных сталей при охлаждении с переменной скоростью.
Достоверность основных положений и выводов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик исследования в лабораторных и производственных условиях, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных, воспроизводимостью полученных результатов и непротиворечивостью их литературным данным.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики прогнозирования кинетики распада переохлажденного аустенита доэвтектоидных сталей при охлаждении с различной интенсивностью, что позволяет с абсолютной погрешность менее 5 % рассчитывать количество избыточного феррита и перлита в любой точке сечения изделий. Результаты проведенных исследований можно использовать для промышленного внедрения при разработке технологий термической обработки валков горячей прокатки с применением регулируемого водокапельного охлаждения, что позволит существенно повысить эксплуатационную стойкость валков горячей прокатки и приведет к повышению качества листового и горячекатаного проката на металлургических заводах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных и всероссийских научно-технических конференциях и школах: IX Международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2008);
Всероссийской молодежной школы-конференции «Современные проблемы металловедения» (Пицунда, 2009); Всероссийской конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2009); X Международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009); XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Пермь, 2010); VIII Всероссийской школы-конференции молодых ученых «КоМУ-2010» (Ижевск, 2010); XI Международной научно-технической уральской школе-семинаре молодых ученых-металловедов (Екатеринбург, 2010); IX Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011); VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, 2011).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, из них: 3 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК; 1 статья в зарубежном журнале; 5 статей в сборниках научных трудов; 6 работ, опубликованных в сборниках тезисов докладов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 149 страницах, содержит 119 рисунков, 1 таблицу и библиографический список из 135 источников.
1. На основании обобщения известных экспериментальных данных установлена взаимосвязь параметров уравнения Колмогорова-Джонсона- Мэйла-Аврами пик, предложена модель аналитического расчета изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита в температурном интервале перлитного превращения для ограниченной области изменения химического состава доэвтектоидных конструкционных сталей.
2. Изучена микроструктура и кинетика протекания фазовых превращений при термообработке доэвтектоидных сталей марок 09Г2С, 18ХГТ, 40Х, 35Х2НМ, 38Х2ГНМ, 45Х5МФ в условиях непрерывного охлаждения со скоростью 0,025...5 °С/с.
3. Разработан алгоритм расчета кинетики ферритного и перлитного превращения при непрерывном охлаждении доэвтектоидных конструкционных сталей по данным экспериментальных термокинетических и расчетных изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита. Расчетным методом определено положение линии 50 % ферритного превращения на изотермических диаграммах распада переохлажденного аустенита, что позволяет прогнозировать объемную долю феррита и перлита, образовавшихся при непрерывном охлаждении сталей с абсолютной погрешностью не более 5 %.
4. Методом простого термического анализа с использованием компьютерных технологий построены термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита сталей 35Х2НМ и 40Х2ГНМ при охлаждении с переменной скоростью в интервале 0,02... 1,5 °С/с. Дилатометрическим методом построены изотермическая и термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита промышленной стали 45Х5МФ.
5. Отработана расчетно-экспериментальная методика, позволяющая по данным опытов торцевой закалки моделировать кинетику образования феррита и перлита при непрерывном охлаждении. Решением обратной задачи теплопроводности определены граничные условия охлаждения при стандартной торцевой закалке.
6. Предложены рациональные режимы закалки рабочих валков горячей прокатки диаметром 300...900 мм из стали 45Х5МФ с использованием водокапельного охлаждения, позволяющие получить глубину упрочненного слоя до 135... 150 мм.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
