автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Методы прогнозирования пластичности и вязкости конструкционных сталей

Введение

Глава 1. Аналитический обзор литературы

1.1. Влияние литой структуры на разрушение стали

1.1.1. Механизмы формирования дендритной структуры

1.1.2. Ликвационная неоднородность стали.

1.1.3. Зависимость макроструктуры слитка от способа его кристаллизации напряжений

1.1.4. Влияние литой структуры на свойства стали.

1.1.5. Разрушение при макроструктурной неоднородности.

1.2. Механизмы разрушения

1.2.1. Вязкое и хрупкое разрушение

1.2.2. Влияние неметаллических включений на разрушение стали

1.2.3. Роль зернограничных примесей и выделений

1.3. Методы описания изломов

1.3.1. Фрактографический метод

1.3.2. Стереоскопические методы

1.4. Методы распознавания и цифровой обработки информации

1.4.1. Основные понятия и задачи

1.4.2. Особенности цифровой обработки точечных изображений

1.4.3. Задача распознавания образов

1.4.4. Способы и средства ввода видеоинформации в ЭВМ

1.5. Проблемы управления и контроля технологических процессов производства металлопродукции.

1.6. Выводы по аналитическому обзору литературы

1.7. Постановка задачи исследования

Глава 2. Материал и методика исследования

2.1. Материал

2.2. Методика проведения эксперимента

2.2.1. Механические испытания

2.2.2. Анализ структуры материала

2.2.3. Анализ изломов

Глава 3. Результаты и их обсуждение

3.1. Механические свойства поковок

3.2. Количественное описание изображений структур

3.3. Описание строения изломов

3.4. Анализ больших массивов производственных данных 111 Выводы

Основная причина разброса свойств и появления внезапных случаев брака, даже в случае 1аженной технологии - неоднородность макро- и микроструктур, распределения неметалли-жих включений, а также неизбежные флуктуации технологии (в пределах заданного допуска) юлебания химического состава в пределах марки.

Для сталей с малым уковом такая неоднородность литой структуры "заложена" изна-1ьно. Однако отсутствие развитых средств и методов наблюдения структур на макро- и мик-/ровнях измерения затрудняет оценку их вклада в формирование пластических и вязких )йств. Не случайно традиционная форма описания структур основана на их сопоставлении с тонными картинками или шкалами. Это в равной мере относится и к оценке изломов, иг-ощих важную роль в понимании природы пластичности и вязкости.

Отсутствуют также надежные информационные технологии, позволяюпдие провести ана-3 массивов данных производственного контроля, с целью выявления факторов, лимитирую-[X вязкость и пластичность стали, выработки на этой основе объективных принципов управ-тя качеством металлопродукции.

Для обеспечения пластичности и вязкости в таких случаях наименее затратный способ ;тоит не в использовании нового оборудования и технологий, что зачастую не решает этих эблем, а создание информационных технологий. Они должны обеспечить измерение неодно-дности структур, изломов, учет вклада колебаний технологических параметров на разброс )йств, и, в конечном счете, формулировку на этой основе требований к допустимой неодно-щости структур, гарантирующей получение стали с заданной пластичностью и вязкостью.

Целью настоящей работы явилась разработка методов измерения структур и изломов, не-адиционных алгоритмов "раскопок данных" (data mining) производственного контроля для эгноза пластичности и вязкости улучшаемых конструкционных сталей.

Выводы

1. На основе разработанных в работе методов измерения и обработки изображений струк-) и изломов, алгоритмов обработки массивов данных производственного контроля показана ;можность прогноза пластичности и вязкости конструкционных сталей.

2. Разработаны методы цифровой обработки изображений макро- и микроструктур улуч-емых конструкционных сталей для количественной оценки их неоднородности.

3. Показано, что последствия ликвации в поковках из улучшаемой стали 38ХНЗМФА личие ферритных полей в микроструктуре и неравномерное размеш,ение сульфидов) - при-ia большого, достигающего двукратного разброса пластичности и вязкости по сечению изде-I.

4. Разработана методика цифровой реконструкции микротопографии поверхности раз-пения по стереопарам. Показано, что полуторократному различию ударной вязкости соответ-ует аналогичное различие значений глубин ямок вязкого излома

5. Предложены алгоритмы "раскопок данных" (data mining) больших массивов результа-! производственного контроля, позволяющие выделить нетривиальные и дальние связи между 1мущениями в технологии в разных переделах.

6. На основе анализа большой базы данных производственного контроля поковок из /чшаемой стали 38ХНЗМФА установлена возможность использования нетрадиционной логи-сквозного управления качеством металлопродукции - воздействия направлены не на ликви-щю возмущений, а на предотвращение их вредных последствий последующей корректиров-i технологического процесса.

1. Голиков и. Н., Масленков С. Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. М.: Метал-ргия. 1977.

2. Зубко А. М., Ильина В. П., Медведев 3. И. Влияние чистоты металла на склонность к /пкому разрушению высокопрочной стали 38Х5МФСА // Бюллетень ЦНИИЧМ.-1971. №13.51-52

3. Гуляев A.n., Таран A.B. Влияние степени чистоты на отпускную хрупкость улучшае-IX конструкционных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1971.№ 10 ?8-42.

4. Солнцев Ю.П. и др. Литейные хладостойкие стали, М.: Металлургия, 1991

5. Котрелл К.Л. Влияние примесей на вязкость разрушения высокопрочной стали // Вязать разрушения высокопрочной стали. М.: Металлургия, 1973.-С. 194-201.

6. Adamski С. Przegl. Odewn., 1967, v. 17, №10, p. 293-298.

7. Rose A., Boer H., Hougardy H. Archiv Eisenhuttenwes. 1968, №11, S. 829-836

8. Рудченко A.B. Влияние фосфора на свойства малоуглеродистой марганцовистой стали :таль.-1972.- №2. -С.944-947

9. Ефимов В.А. Проблемы стального слитка. М.: Металлургия, 1969, с.3-7

10. Хворинов Н.И. Кристализация и неоднородность стали. М.: Машгиз, 1958. 392 с. с ил.

11. Зикеев В.Н., Марченко В.А., Покова Л.В. Влияние примесей сурьмы и олова на свой-ja конструкционной стали 35ХГСА // Специальные стали и сплавы, 1974.- №3.-С.26-31.

12. Гуляев A.n., Зикиев В.Н., Гусейнов Р.К. Влияние никеля и кобальта на свойства гднеуглеродистой высокопрочной стали // Металловедение и термическая обработка метал-в. -1975.-№2.-С.2-9.

13. Таран A.B., Зикеев В.Н., Гуляев А.П. Склонность к обратимой отпускной хрупкости ютрукционных сталей разной чистоты // Известия АН СССР. Металлы. -1971.- №1.-С. 119

14. Гуляев A.n. Чистая сталь. М.: Металлургия, 1975.

15. Гуляев A.n., Фаткина A.M. Влияние никеля на механические свойства и порог хлад-юмкости низкоуглеродистой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. -)6.-10.-С.34-39.

16. Гуляев A.n., Матросов Ю.И. Влияние легирующих элементов на хладноломкость леза высокой чистоты // Специальные стали и сплавы. -1972. № 1. С.26-33.

17. Петров Г.М., Цуканов В.В. Отпускная хрупкость сложнолегированных сталей // Ме-ловедение и термическая обработка металлов. -1977.-№4.-С. 17-22.

18. Таран A.B., Гуляев А.П., Павлерова И.А. Влияние степени чистоты на механические ехнологические свойства стали // Сталь.-1973.-№4.-С.350-361.

19. Электрошлаковый металл / Под ред. Б.Е. Патона, Б.И. Медовара. Киев: Наукова дум-1981,680 с.

20. Сергеев А.Б., Швед Ф.И., Тулин H.A. Вакуумный дуговой переплав конструкционной ли. М.: Металлургия, 1974, 192 с.

21. Гиммельфарб A.M., Неминов A.M., Тарасов Б.Е. Металлургия и электроплавка желе-одного сырья. М.: Металлургия, 1981, 152 с.

22. Винокур Б.Б., Пилюшенко В.Л., Касаткин О.Г. Влияние легирования на рост аусте-гаого зерна малоуглеродистой стали // Известия АН СССР. Металлы.-1984.-№2.-С. 107-112.

23. Виноград М.И., Ульянина И.Ю., Файвилевич Г.А. О механизме роста зерна в конст-щионной стали // Металловедение и термическая обработка металлов.-1972.-№10.-С.37-40.

24. Башнин Ю.А., Цурков В.Н., Коровина В.М. Термическая обработка крупногабарит-X изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. М.: Металлургия, 1985, 176 с.

25. Башнин Ю.А., Мерник Э.Б. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1973, №7. С. 158-187.

26. Клюев М.М., Волков СЕ. Электрошлаковый переплав. М.: Металлургия, 1984, 208 с.

27. Цирельман Н.М. Использование закономерностей продвижения фронтов постоянных шератур для определения коэффициента теплообмена // Инженерно-физический журнал. -73.-Т. 25,N2.-C.349-352.

28. Таран A.B., Зикиев В.Н. Интервал обратимой отпускной хрупкости конструкционных лей с молибденом и никелем // Металловедение и термическая обработка металлов. -72.№11.-С.61-62

29. Б.Б. Чечулин. Масштабный фактор и статистическая природа прочности металлов. : Металлургиздат, 1963 г., 120 с.

30. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М.: Металлур-, 1979. - 495 С.

31. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлур-(, 1971.-263 С.

32. Штремель М.А. Проблемы металлургического качества стали (неметаллические течения). // МиТОМ, 1980. N 8.

33. Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф. И др. Неметаллические включения и ы в стали. М.: Металлургия, 236 с.

34. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Оксенко А.П. Неметаллические включения и свойст-стали. -М.: Металлургия, 1980.-176 с.

35. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной ли. М.: Металлургия, 1994, 288 с.

36. Куслицкий A.B. Неметаллические включения и усталость стали. М.: Металлургия, 70.-242 с.

37. Алексеев И.Г. Наблюдение и измерение локальных аномалий разрушения по акусти-;кой эмиссии: Дис. На соиск. уч. ст. канд. физ.-мат. наук. Москва, 1991, 148 с.7.

38. Дроздовский Б.А., Фридман Я.Б. Влияние трещин на механические свойства конст-щионных сталей. М.: Металлургиздат, 1960, 260 с;

39. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Метал-)гия, 1986, 224 с;

40. Шур Е.А., Клещева И.И., Дудкина Т.П. Строение изломов сталей с неоднородной )уктурой / МиТОМ, 1978 г., № 2.

41. Бернштейн М.Л. Фрактография и атлас фрактограмм. -М.: Металлургия, 1982. 495 С.

42. Горицкий В.М., Гусева И.А. Влияние размера частиц дисперсной фазы на микро-)оение чашечного излома. Физика металлов и металловедение, 1978, т.45, № 5, с. 1095-1103.

43. В.В. Рыбин, В.А. Лихачев Статистика микротрещин на вязких (чашечных) изломах / тг 1977 г., т. 44, вып. 5, с. 1085-1092.

44. Волчок И.П. Критический размер неметаллических включений // Проблемы прочно-I. -1978.-№9.-87-89.

45. Колпишон Э.Ю., Новицкий В.К., Соболев В.В. В сб.: Оптимизация металлургических эцессов. М.: Металлургия, 1971, вьш.5, с. 25 30.

46. Оптимизация металлургических процессов. Сб. статей. Вып. 5. М.: Металлургия, 71,348 с.

47. Штремель М.А. Зернограничное разрушение стали // Металловедение и термическая заботка. 1988 r.,N 11 с.2-19.

48. Утевский Л.М. Отпускная хрупкость стали. М. : Металлургиздат, 1961.-192с.

49. Гладштейн Л.И., Горицкий В.М., Ковалев A.M., Саррак В.И., Хромов Д.П. Влияние шчины зерна на размер фасеток хрупкого транскристаллитного скола. Проблемы прочно-I, 1979, №3, с. 60-62.

50. Гликман Е.Э., Година Ю.В., Котышев В.Ф. Об оценке восприимчивости стали к обрати отпускной хрупкости // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1978.-№2.-С. 113-117.

51. HashimotoM., Ishida Y.,Yamamoto R.,Poyama M.,//Actamet. 1984.V. Z. №1 P. 1-24

52. Утевский Л.М., Гликман Е.Э., Карк Г.С. Обратимая отпускная хрупкость стали и швов железа. -М.Металлургия, 1987.-222 с.

53. Курдюмов Г.В., Энтин Р.И. Отпускная хрупкость конструкционных сталей. М.: Ме-лургиздат, 1945.-134 с.

54. Павлов В.В., Жукова Л.П., Сорокалет О.В. // Сталь, 1990, № 5.С.57-62.

55. Павлов В.В., Панус И.Г., Полубояринова В.Г., Тарвид Л.С. // Сталь, 1985, № 3 . С. 5656. Литвиненко Д.А., Оверченко З.В. // Сталь, 1977, № 4. С. 355-359.

56. Садовский В.Д., Кутьин А.Б., Гербих Н.М. Влияние сульфидной фазы на свойства ли после термической обработки.// Металловедение и термическая обработка металлов.-57.-№11.-С. 15-19.

57. Mandelbrot В.В., Passoja D.E., Pullax A.J. // Nature, 1984, V. 308, p. 721 722;

58. Mandelbrot B. B. The Fractal Geometry of Nature, N. - Y.: Freeman, 1982;

59. Зельдович Я.Б., Соколов Д.Д. Фракталы, подобие, промежуточная асимптотика // Ус-и физических наук, 1985, № 7, т. 146, вып. 3, с. 493-506;

60. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. IL Деформация. М.: МИСиС, 1997, - 527.

61. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в гериаловедении // М.: Наука, 1994, 383 с;

62. Компьютер пресс. 1995№№ 5,6, с. 5-11, с. 17-22.

63. ПК для всех. Ежемесячный журнал для программистов и пользователей персональ-?с компьютеров. ТОО "Самоцвет". М., 1994, № 8, с. 14-18.

64. Методы передачи изображений, под ред. У.К. Прэтта, пер. с англ. М., "Радио и связь",з.

65. Корж В.И., Субботин В.Т., Черников В.И. // Приборы и техника эксперимента. 1987, 2,, с. 39.

66. Петренко A.M., Фесеченко В.А. Методы и устройства распознавания цвета объектов. Энергия, 1972.

67. Паладьев В.А., Мартышевский Ю.В. // Приборы и техника эксперимента. 1989, № 1,S

68. Молодяков С.А. // Приборы и техника эксперимента. 1987, № 3, с.28.

69. Компьютеры и оргтехника. Рекламно-информационное издание АО "РОСК", 1994, № 994.

70. Букатова И.Л., Шаров A.M. Методы теории распознавания образов и перспективы их шенения. М., 1973.

71. Компьютеры + Программы. Журнал для программистов. МИЦ "Компьютеры + Про-ммы".Киев. 1995, №4, с.9-13.

72. КомпьюЛог. Российский компьютерный журнал. АО "КомпьюЛог". М., 1994, № 6.

73. Информатика и вычислительная техника: Научно-технический сборник ВИМИ. М., •3, 1994: №№1,2-3,4, 1995 спец. выпуск.

74. Бирман Н.Я. Статистические способы выделения признаков и оценка качества распо-вания. В кн.: Автоматическое чтение текста. - М., ВИНИТИ, 1967.

75. Мир ПК. № 5, 1995, с. 15-17.

76. Синев А. Основы профессиональной печати. // Компьютер пресс. № 4, 1995.

77. Мир ПК. № 6, 1995, с. 24-29.

78. Орловский Е.Л. и др. Теоретические основы электрической передачи изображений. 1992.

79. Захаров П. Photoshop, QuarkXPress полезные советы. Компьютер пресс. № 2, 1995.с.

80. Штремель М.А. — В сб. Трудов Межд. Конференции "Черная металлургия России и Г в XXI веке", т. 5. М.: Металлургия, 1994. С. 159-162.

81. Бобылев М.В., Горохов Л.С., Кудря А.В. Влияние многократной аустенизации на со-)тивляемость разрушению Cr-Ni-Mo стали. Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1990 г., N с. 70-73.

82. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада юохлажденного аустенита. Справочник. М.: Металлургия, 1965, 500 с.

83. Штремель М.А., Пручкин В.А., Чернуха Л.Г. и др. // Сталь, 1983, № 8. С. 72-74.

84. Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали. Изд. 2". М., Металлургия, 1978, 192 с.

85. Гудремон Э. Специальные стали. Т. 2. М.: Москва, 1960.

86. Гольдштейн Я.Е., Лазарева М.П., Разумов Ю.Г. — В сб. Оптимизация металлургиче-X процессов. Вып. 5. М.: Металлургия, 1971, С. 245-250.

87. Штремель М.А., Лизунов В.И. и др. Многомерные диаграммы кинетики превраще-i для прогноза состояний сплава. Заводская лаборатория, 1983, N 10, с. 85-89.

88. Лизунов В.И., Моляров В.Г., Корочкин Е.А. Принципы и программные средства )авления структурой и свойствами металлопродукции в реальном времени ее производства втрудов Международной конференции. т.З, с. 173-177.

89. Штремель М.А. Инженер в лаборатории (организация труда). М.: Металлургия, ;3,.128 с.

90. Медведев В.В., Мочалов Б.В., Сайкин ВТ.// МиТОМ, 1986, № 3. С.3-6.

91. Мочалов Б.В., Ежов И.П., Кудря A.B. //Заводская лаборатория, 1981, № 12, с.57 59.

92. ГОСТ 1497 84. Методы испытаний на растяжение, 1984.

93. ГОСТ 9454 78. Методика проведения испытаний на ударную вязкость, 1978.

94. Медведев В.В., Мочалов Б.В., Максимова О.В. и др. Применение механики разру-ния для оценки конструктивной прочности сталей. В кн. Химия, химична технология и ме-лургия (доклады от научни сессии), ТНТМ 83, книжка 2, София, 1983, с. 559-564.

95. Медведев В.В., Мочалов Б.В., Максимова О.В., и др. // Сталь, 1983, № 10. С. 77-79.

96. Металловедение и термическая обработка стали: в 3-х томах. Справ, изд.- 3® изд. т.2. годы испытаний./ Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта, М.: Металлургия, 1983, 253 с.

97. Шнейдерман А.Ш. // МИТоМ, 1976, № 6, с. 51 53.

98. ИЗ. Кудря A.B., Бочарова М.А., Пантелеев Г.В., Соколовская Э.А. Влияние неоднород-;ти структуры на разрушение конструкционных сталей. Материалы И Международной кон-)енции. Болгария, София, 1997, с.57-60.

99. Бобылев М.В., Кисин Д.В., Кудря A.B. // Известия ВУЗоВ. Черная металлургия. Ю, № 8, С.86.

100. Скобло Я.С., Козачков У.Ф. Слитки для крупных поковок. М.: Металлургия, 1973,1с.

101. Сталь на рубеже столетий. Колл. авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. 1.:МИСиС, 2001,664 с.

102. Кудря A.B., Бочарова М.А., Соколовская Э.А., Попов А.Н. Макроструктура и вязать конструкционной стали. В сб. трудов II Международного конгресса «Машиностроитель-е технологии», София, 1999 г., том.2.

103. В.М Горицкий, Д.П. Хромов Строение поверхности разрушения образца феррито-элитной стали в зоне вязко-хрупкого перехода / Проблемы прочности, 1983 г., № 3.

104. Л.Г. Бочкова, Т.А. Мирочник Методика подсчета структурных составляюш,их в мар-юито-ферритных сталях на приборе "Эпиквант" / Заводская лаборатория, 1982 г., № 10.

105. Алексеев И.Г., Кудря A.B., Штремель М.А. // Дефектоскопия, 1994, № 4, с. 29 34.

106. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. -, Машиностроение, 1978. 200 С.

107. Кудря A.B., Бочарова М.А., Соколовская Э.А. Рельеф вязкого разрушения (на мезо-1Икроуровнях измерения). В сб. трудов 6-го Всероссийского Совеш;ания-семинара "Инженер- физические проблемы новой техники", Москва, 2001, с 146-147.

108. Кудря A.B., Кузько Е.И., Соколовская Э.А. Анализ изломов. Возможности и пер-жтивы аттестации и управления качеством металлопродукции // Национальная металлургия, 31, № 2, с. 44-47.

109. Кудря A.B., Соколовская Э.А. «Влияние колебаний химического состава в пределах рочного на качество стали» // Электрометаллургия, 1998, № 3, с. 34-37.

110. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, CA. Вяткин и др.; д общей ред. В.Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989, 640 с.

111. Международный транслятор современных сталей Россия, США, Европейские стра-, Япония. Т.1. Серия "Международная инженерная энциклопедия" / Под ред. B.C. Кершен-/ма. М.: Центр наука и Техника, 1992, 1103 с

112. Гольдштейн Я.Е., Лазарева М.И. Камневидный излом в конструкционных сталях зшной и высокой чистоты // Известия АН СССР. Металлы.-1973.- №2.-С. 156-159.

113. Гольдштейн Я.Е., Муштакова Т.Л. Камневидный излом в стали.// Металловедение и )мическая обработка металлов.-1978.- №5.-С. 70-74.

114. Кудря A.B., Алексеев И.Г., Осоков Ю.В. Изменение доли камневидного излома с шературой испытаний.// Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1991.- №10.-С.43-48.

115. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря A.B. Взаимосвязь двух аномалий излома вы-юлегированной конструкционной стали.// Металлы.-1994.- №2.-С.96-103.

116. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря A.B. // Изв. РАН. Металлы. № 4, 1994. с. 94.

117. М.А. Бочарова. Оценка информативности мезостроения изломов для определения кторов вязкости сталей: Автореферат дис. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук. Москва, 2000 г. с.

118. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря A.B., Мочалов Б.В.// Заводская лаборатория. -?1. -№8. -с.66-69;

119. Штремель М.А., Кудря A.B. Соколовская Э.А. Алгоритмы управления качеством галлургической продукции в реальном времени. В сб. трудов II Международного конгресса 1ашиностроительные технологии», София, 1999 г., том.4.

120. Бобылев М.В., Горохов Л.С., Кудря A.B. и др. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, ?0,№ 11. С.70-73.

121. Штремель М.А., Горохов Л.С., Кудря A.B. и др. // МиТОМ, 1990, № 7. С.2-6.

122. Кудря A.B. Использование чистой шихты при выплавке конструкционных сталей i повышения сопротивления хрупкому разрушению. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук. -)сква, 1985г.,212с.

123. Москаленко В.А., Кудря A.B., Грызунов В.И., Иващенко A.B., Соколовская Э.А. Ис-пьзование баз данных производственного контроля для управления качеством продукции // ектрометаллургия, 2000, № 12, с.34-37.