автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение механических свойств листового проката борсодержащих сталей за счет регулирования структуры, состава и режимов термообработки

Приазовский государственный технический университет

РГБ 01

г I«« *»

Гаврилова Виктория Григорьевна

УДК 669.14.004.12: 621.785 (043)

Повышение механических свойств листового проката борсодержащих сталей за счет регулирования структуры, состава п режимов термообработки

Специальность: 05.16.01. - Металловедение и термообработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мариуполь - 2000

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре металловедения в Приазовском государственном техническом университете (Ш ТУ) Министерства образования и науки Украины, г. Мариуполь.

:^%аучп4>|й руководитель: доктор технических наук, профессор

Ткаченко Федор Константинович, заведующий кафедрой металловедения Приазовского государственного технического университета, (г. Мариуполь)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Троцан Анатолий Иванович, заведующий отделом материаловедения института проблем материаловедения НАН Украины, (г. Киев)

кандидат технических наук, доцент Егоров Николай Тимофеевич, заведующий кафедрой физического материаловедения государственного технического университета, (г. Донецк)

Ведущая организация: Национальная металлургическая

Академия Украины, (г.Днепропетровск)

Защита состоится « -ft 2000г. в //часов на заседании

специализированного ученого совета К. 12.052.01 в Приазовском государственном техническом университете по адресу:

87500, ПГТУ, пер. Республики 7, г.Мариуполь, Донецкой обл., Украина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Приазовского государственного технического университета по адресу: 87500, ул. Апатова 115, г.Мариуполь.

Автореферат разослан « /У 2000 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета

доктор технических наук, профессор .А. Маслов

кт.ож-ио

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Разработка и освоение производства экономно-легировшшых сталей, которые по своим физико-механическим, эксплуатационным и технологическим характеристикам не уступают традиционно легированным сталям является одной из важных задач металлургии. Микродобавки бора в количестве ~ 0,001% позволяют обеспечить такой же эффект прокаливаемое™ в малоуглеродистой низколегированной стали, как и при введении 0,85 %Мп или 2,4 %№. Поэтому микролегирование сталей бором получает широкое распространение при производстве листового проката повышенной прочности. Необходимость дальнейшего повышения качества металлопроката из борсодержащих сталей с целью обеспечения его конкурентноспособности на мировом рынке, требует непрерывного совершенствования технологи! их проговодства.

Актуальность темы. Необходимый уровень механических характеристик борсодержащих сталей может быть обеспечен только в результате термоупрочнения. Однако при реализации технологических процессов производства таких статей по стандартам США и их термической обработки возникают трудности с обеспечением стабильного уровня показателей механических свойств металлопродукции, обусловленные действием ряда трудноконтролируемых факторов. Результатом этого является необходимость повторной термической обработки проката. Это требует дополнительных материальных затрат, что приводит к повышению себестоимости продукции. Исследование причин "аномального" поведения листового проката из борсодержащей стали и разработка "нестандартных" режимов термоупрочнения его позволяет значительно повысить уровень выхода годной продукции, что особенно важно в условиях Украины.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Диссертационная работа выполнялась в рамках долгосрочного договора о научно-техническом сотрудничестве кафедры "Металловедение" ПГТУ и ОАО "ММК "Азовсталь" по проблеме: "Повышение качества металлопродукции за счет регулирования состава сталей, а также макро- и микроструктуры в условиях МК "Азовсталь" от 25.10.1993 г., а также хоздоговорных НИР по темам: "Разработка и освоение режимов термообработки толстолистовой борсодержащей стали с целью улучшения комплекса механических свойств и повышения выхода годного" (договор № 76/472, 1995 г., регистрационный номер 8/95Ф от 1.01.1995г.) и "Изучение возможности получения высокого комплекса механических свойств в сталях с повышенным содержанием азота" (договор № 59/318, 1994г., регистрационный номер 4/94Ф от 25.03.1994г.).

Автор диссертационной работы, являясь одним из основных исполнителей принимала участие в выполнении всех разделов работы, обобщении результате! и оформлении отчетов. Компьютерные расчеты выполнены лично соискателем.

Цель и задачи исследования. Целью работы является - повышен® качественных показателей и выхода годного листового проката in борсодержащих сталей, выплавляемых на ОАО "ММК "Азовсталь" п( стандартам США.

Объект исследования: Факторы, обусловливающие отклонена характеристик механических свойств борсодержащей стали от требуемогс уровня и технологические процессы упрочняющей обработки листовогс проката, обеспечивающие получение стабильного комплекса механически) свойств, отвечающих требованиям зарубежных стандартов.

Предмет исследования: Состояние бора и азота в стали и влияние колебаний содержания этих элементов на уровень показателей механически) свойств. Влияние температурно-временных параметров режимо! термоупрочнения на структурное состояние и механические свойстве борсодержащих сталей. Разработка технологических процессов термоупрочнения листового проката, обеспечивающих гарантированное получение мехсвойств на уровне требований стандартов в случае недостижения этого уровня после термообработки по действующей технологии.

Методы исследования: Достижение поставленной цели осуществлялось путем использования следующих методов исследования.

Расчетно- аналитического для решения вопросов, связанных с состоянием и поведением атомов бора и азота в а и 7- твердых растворах.

Математической статистики с использованием компьютерных программ Mathcad и Excel — при анализе влияния колебаний содержания бора и азота в промышленных плавках на комплекс механических свойств.

Металлографический, с использованием микроскопа "Neophot" и микроанализатора "Epiquant" - при решении вопросов, связанных с анализом структур после различных режимов термообработки.

Механические испытания, включающие все требуемые виды определения статических и динамических характеристик на стандартных образцах, вырезанных из листовых проб, обработанных по различным режимам.

Научная новизна полученных результатов. На основе выполненных рассчетно- аналитических исследований подтверждено, что атомы бора, как и атомы углерода, а также азота в решетке у- железа растворены по типу внедрения. Это обусловливает их конкурирующее взаимодействие в аустените и повышение его стабильности на начальной стадии распада

Получили дальнейшее развитие представления о взаимодействии атомов бора, азота и углерода с дислокациями и субграницами. Впервые рассчитаны параметры взаимодействия атомов этих элементов с дислокациями в у- Бе.

Впервые показана возможность компьютерного расчета кинетики начальной стадии распада и построены "С"-образные кривые, отражающие зависимость периода предпревращения от температуры для нелегированного и микролсгированного бором аустенита в интервале температур А3 - Мн\

Получили дальнейшее развитие представления о факторах, определяющих концентрацию Сг зернограничных сегрегации элементов внедрения в твердых растворах на основе железа; впервые получено уравнение, отражающее зависимость этой величины от температуры, размера зерна и исходной концентрации элемента.

Практическое значение полученных результатов. На основе результатов выполненных аналитических и экспериментальных исследований разработаны технологические процессы термоупрочнения листового проката из борсодержащих сталей, обеспечивающие гарантированное получение требуемого уровня механических свойств в случае, когда необходимые показатели не достигаются при термическом улучшении по "стандартным" режимам.

Установлено, что в большинстве случаев повышение характеристик механических свойств термоулучшением борсодержащих сталей до уровня требований стандарта АБТМ А514 и углеродистых АБТМ АЗ 6 может достигаться за счет использования режимов аустенитизации, включающих промежуточную выдержку в межкритическом интервале температур.

В связи с повышенной склонностью борсодержащей стали к охрупчиванию разработаны строго регламентированные режимы отпуска, включающие нагрев до определенной температуры с последующим охлаждением в воде.

Впервые показано, что дополнительное повышение прокаливаемости термоулучшаемого листового проката га борсодержащих сталей может быть получено путем регулирования температуры аустенитизации и условий последующего охлаждения. Установлено, что благоприятное влияние на прокшшваемость оказывает лодстуживание на воздухе, предшествующее охлаждению в воде. Результаты работы прошли промышленное опробование на ОАО "ММК "Азовсталь" при производстве листового проката из борсодержащих сталей, выполняемых по стандарту АБТМ А514, а также использованы при разработке рекомендаций по совершенствованию

*

-Идея и методика предложены соавтором - к. т. а, доц.,И.Ф. Ткаченко

действующих режимов и разработке новых технологических процессов термического упрочнения листового проката ш борсодержащих сталей. При объеме производства 33800 т/год, ожидаемый экономический эффект в условиях ОАО "ММК "Азовсталь" составляет 162240 гривен в год (справка об использовании результатов диссертационной работы на ОАО "ММК "Азовсталь", разработанные рекомендации по совершенствованию технологии термического упрочнения проката борсодержащих сталей в соответствии с требованиями стандартов США ASTM А514 и технико-экономическое обоснование результатов работы. Документы утверждены техническим директором ОАО "КОЖ "Азовсталь" 19.05.1999 г.).

Личный вклад соискателя. Аналитические исследования состояния бора, азота и углерода в аустениге, взаимодействие атомов этих элементов с дислокациями, границами зерен и субграницами выполнены и опубликованы в соавторстве. Компьютерные рассчеты, обработка материалов методами математической статистики, лабораторные исследования выполнены лично автором. Полупромышленные исследования проводились при непосредственном участии соискателя. Все работы, связанные с внедрением результатов выполненных НИР, также выполнены при активном участии соискателя. Доля участия соискателя в выполнении указанных выше НИР составляет ~80 %.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались на IV - VI региональных научно - технических конференциях, г. Мариуполь (1997-1999г.), на научных семинарах кафедры "Металловедение" ПГТУв 1993-2000 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 статей в научных сборниках, 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 6 депонированных статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка литературы из 126 наименований, 3 приложений и содержит 116 страниц машинописного текста, 68 рисунков и 33 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Отражено состояние научной проблемы, обоснована актуальность темы, научная новизна и практическая ценность полученных в работе результатов, сформулирована цель исследования.

Раздел 1. Состояние вопроса и постановка задачи. Микролегировшше бором углеродистых и низколегированных сталей получает широкое распространение как один го эффективных путей повышения механических:, технологических и эксплуатационных характеристик при одновременном снижении расхода дорогостоящих легирующих элементов Ni, Мл, Со и др. Расширение проюводства борсодержащих сталей на металлургических предприятиях Украины следует считать одной из первоочередных задач в связи с дефицитом указанных элементов. Несмотря на то, что исследованию влияния бора на фазовые и структурные превращения, механические, технологические и эксплуатационные свойства долгое время уделялось значительное внимание, ряд вопросов теоретического и прикладного характера остаются не рассмотренными. К ним, в частности, относятся: тип растворения бора в а- и у-Fe, характер взаимодействия бора с дефектами кристаллической решетки, механизм влияния бора на прокаливаемость, характер взаимодействия бора с азотом ы углеродом, а также другие вопросы. В прикладном плане, в связи с выполнением значительного объема заказов фирм США на поставку листового проката из борсодержащих сталей ОАО "ММК "Азовсталь" по стандартам ASTM, возникла необходимость в уточнении данных о технологических параметрах термообработки, о влиянии бора на ударную вязкость, на прокаливаемость, отпускную хрупкость и рост зерна в сталях конкретного состава, а также в определении степени влияния колебаний по содержанию бора и азота на структуру и механические свойства стали. В первом разделе, с учетом различных литературных источников, дана характеристика примесных элементов, растворенных по типу внедрения, и их влияние на структурное состояние сталей, рассмотрены особенности влияния бора на фазовые превращения и механические свойства сталей, дана характеристика борсодержащих сталей стран Западной Европы, США и Японии, приведены требования, свойства и область применения борсодержащих сталей.

Раздел 2. Общая методика и основные методы исследования. Методика выполнения исследования включала: выбор режимов термической обработки исследуемых материалов; проведение металлографического анализа с использованием оптических микроскопов "Epiquant" и "Neophot" , определение прокаливаемости, а также механических испытаний в лабораториях ОАО "ММК "Азовсталь", статистическую обработку результатов исследований с применением компьютерных программ MICROSOFT EXCEL и Mathcad.

В качестве материала исследования были выбраны листовые стали, выплавляемые по стандартам ASTM А514 (марка В) п A3 6, с толщиной листов 12,7, 31,75 и 15,9 мм. Стандарт ASTM А514 устанавливает содержание

химических элементов в пределах: С-0,12-Ю,21; Мп-0,70-И,00; Р-<0,035; Б 0,035; Si-0.204-0.35; N¡»0,02; Сг-0,40-5-0,65; Мо-0,15-Н),25; У-0,003-Н),08;ТН),01* 0,03; 2г-0,05*0,15; Си« 0,02; В-0,0005-5-0,005.

Стандарт А8ТМ А36 предусматривает содержание: С-% 0,26; Мп-<0,26; Ртах-0,04; 8^-0,05; Б^-О/Ю; Си^-0,20.

Раздел 3. Изучение влияния бора ва микроструктуру и механические свойства листового проката после термообработки по различным режимам.

Вопросы, касающиеся типа растворения атомов бора в решетке у-Ре, рассмотрены на основе расчетов энергии упругих искажений, возникающих при введении атомов этого элемента в октаэдрические междоузлия или в случае замещения ими атомов железа Деформация в данном случае оценивалась по изменению объема октаэдра. Такая методика дает хорошие результаты д ля всех элементов внедрения. Используя исходные данные: и=0,3; /-¿=0,089 нм, гЛ=0,126 нм, Г(г0,0522 нм, а также 6,62-10й Н/мм2 для £=400°С, в результате расчетов получены значения АУ/ъ=21\\Ъ и 84854 Дж/моль для растворения по типу замещения и внедрения, соответственно. Как видно, величина энергий упругих искажений при растворений атомов бора в решетке у-Ре по типу внедрения « в 3 раза ниже, чем для случая образования твердого раствора замещения. Эти результаты имеют оценочный характер, однако они дают основание считать, что атомы бора в у-Ре занимают преимущественно позиции внедрения по октаэдрическим междоузлиям. Сравнение значения Л\Ув в положении внедрения для бора с такой же величиной для углерода, А1¥с = 15435 Дж/моль, при ге=0,077 нм, соответствует данным о более значительной растворимости углерода в у - железе, по сравнению с бором. Отсюда следует, что введение бора должно уменьшать растворимость углерода в у-Ре и наоборот. Искажения кристаллической решетки, возникающие при растворении атомов другого компонента, являются причиной образования атмосфер Коттрелла вокруг одиночных дислокаций, а также в зоне расположения их в виде субграниц.

Расчеты, выполненные аналогично предыдущим, позволили установить, что для положения максимальной связи атома бора с дислокацией в аустените при í - 400 °С величина энергии связи равна ли = й\¥ =27 Кдж/моль. Она уменьшается с увеличением расстояния от центра дислокации. Это обусловливает дрейф атомов бора в поле упругих искажений с образованием атмосфер Коттрелла Расчеты показывают, что время выхода растворенных атомов из зоны шириной X < к для бора тв = 2- 10"5 с, что ниже, чем для углерода: тс = 8 -10"4 с. В связи с этим влияние бора на устойчивость переохлажденного аустенита можно объяснить тем, что атомы этого элемента

в процессе охлаждения за более короткое время, чем атомы углерода, образуют атмосферы Коттрелла у одиночных дислокаций и их групп, и таким образом способствуют сохранению концентрации углерода в аустените. В результате этого снижается склонность его к распаду в области температур ниже точки Асз.

Проведено аналитическое исследование кинетики начальной стадии распада нелегированного и микролегированного бором аустенита, содержащего 0,2+0,6 %С. Выполнено компьютерное построите "С-образных" кривых периода предпревращения, которые адекватно отражают влияние бора на устойчивость переохлажденного аустенита.

Результаты выполненного анализа позволили определить направления исследований, связанных с разработкой технологических процессов, обеспечивающих получение стабильно высокого уровня механических свойств толстолистового проката из борсодержащих сталей. Анализ показал, что обеспечение такого уровня возможно, во-первых, только при выполнении оптимальных условий введения бора, предотвращающих образование нитридов этого элемента Такие условия предполагают последовательное введение в сталь, после раскисления ее кремнием, феррованадия, титана или циркония. Эффективное (не связанное в нитриды и оксиды) содержание бора в стали должно составлять > 0,001 %. Во-вторых, с целью обеспечения получения более однородной мелкозернистой структуры и снижения полосчатости, обусловливающей анизотропию механических свойств стали в горячекатаном и термически упрочненном состояниях, температура конца прокатки должна находиться в пределах 810+860оС. Высокая прокаливаемость, а также оптимальная структура (мартенсит + нижний бейниг) в результате закалки достигается после аустенитизации борсодержащей стали в области температур 920+970 °С. Подстуживание на воздухе в течение 60-90 минут способствует повышению прокаливаемости.

Механические свойства борсодержащей стали после отпуска существенно зависят от температуры отпуска и условий последующего охлаждения. Отпуск

при температурах, превышающих 620 °С, с последующим охлаждением на воздухе, обеспечивает получение более высоких характеристик прочности и пластичности, по сравнению с охлаждением в воде. Однако в этом случае сталь обладает пониженным уровнем ударной вязкости. При отпуске в области 650 °С с охлаждением на воздухе наблюдается значительное снижение прочностных свойств при относительно слабом увеличении пластичности.

После отпуска в области 620 °С с охлаждением в воде наблюдается существенное снижение показателей прочности при относительно высоких значениях пластичности и ударной вязкости.

Результаты выполненных исследований механических свойств * и микроструктур позволили рекомендовать следующие режимы термического упрочнения, обеспечивающие получение механических свойств на уровне предъявляемых требований:

- Аустенитизация при 940+20 °С, с выдержкой в течение 50 мин, подстуживание на воздухе 60+90 сек с последующим охлаждением в воде; отпуск при 600±10 °С в течение 40+60 мин с охлаждением в воде.

Раздел 4. Изучение возможности обеспечения необходимого уровня характеристик механических свойств борсодержащих сталей при отклонении состава от требований стандартов.

Увеличение объема металлопроката, имеющего отклонения по содержанию бора от требований стандартов, связано с наращиванием объемов производства борсодержащих сталей при постоянном проценте брака. Для определения областей возможного применения таких сталей в работе выполнен статистический анализ влияния бора на механические свойства сталей стандарта АБТМ А514. Как отмечалось выше, при производстве борсодержащих сталей необходимо обеспечить получение заданной концентрации этого элемента в у- твердом растворе, а не его общего количества в стали. Бор в процессе выплавки активно взаимодействует с азотом. Образование частиц нитрида бора снижает эффективность его влияния на структуру и свойства, поэтому для получения заданного содержания бора в стали необходимо обеспечить пониженную концентрацию азота. Влияние колебаний содержания бора на комплекс показателей механических свойств изучался на основе анализа результатов сдаточных испытаний.

Статистический анализ выполнялся с использованием данных о химическом составе и механических свойствах проката борсодержащих сталей двух партий по 72 плавки производства ОАО "ММК Азовсталь". Содержание бора в исследованных сталях находилось в пределах 0,0005+0,008%. Установлено, что все исследованные характеристики механических свойств борсодержапщх сталей подвержены влиянию бора. Выборочное корреляционное отношение для них изменялось в пределах 0,2417+0,4140. Наиболее тесная корреляционная связь с содержанием бора характерна для относительного удлинения, 77=0,4140. Более слабая связь, 77=0,245+0,3409, характерна для предела текучести, временного сопротивления и относительного сужения. В наименьшей степени коррелирует с концентрацией бора твердость проката в состоянии поставки: 77=0,2417. Достаточно тесно коррелирует бор с азотом: 77=0,3012.

Приведенные ниже линейные уравнения, характеризующие зависимость показателей механических свойств и концентрации азота от содержания бора в стали, адекватно описывают опытные данные:

а„ - 784,45 -2317,8 %В; (0

ае = 850,45+210,77 %В; (2)

5 = 18,872+19,698 %В; (3)

у = 46,734 -25,91 %В; (4)

НВ = 256,17+ 75,74%В; (5)

Ж = 0,0102-0,3883 %В. (6)

Полученные результаты показывают, что увеличение содержания бора в стали одновременно вызывает повышение прочности, твердости и относительного удлинения, однако он снижает сопротивлешге началу пласпгческой деформации и относительное сужение. Снижение предела текучести при росте временного сопротивления, т.е. повышение склонности к деформационному упрочнению, свидетельствует о присутствии в структуре, по-видимому на границах зерен, частиц упрочняющих выделений, не перерезаемых дислокациями. С повышением концентрации бора, размер и объем их в структуре должен увеличиваться. Следовательно, процесс пластической деформации всего кристалла начинается с переходом в движение зернограничных дислокаций. Охрупчивание стали происходит из-за увеличения размеров и объемного содержаши частиц соединений этого элемента с ростом его концентрации в стали.

Установлено, что с ростом концентрации бора в стали наблюдается интенсивное снижите концентрации азота; эта зависимость позволяет оценить максимально допустимое содержание азота в стали. Чем выше его концентрация, тем более низкой является достигаемая концентрация бора за счегг его удаления в шлак при выплавке.

Результаты выполнешшх исследований показывают, что получение заданного комплекса механических свойств может быть обеспечено при использовании нестандартных режимов термической обработки, устраняющих охрупчивание. Установлено, в частности, что выдержка в межкригическом интервале температур и последующее термоулучшение способствует получению структуры, не подверженной охрупчиванию. Наиболее дисперсная микроструктура с однородным распределением составляющих формируется после изотермической выдержки при 750 4-780 "С в течение времени из расчета 10 * 20 мин/мм. Увеличение продолжительности выдержки в этом интервале оказыет такое же воздействие на состояние стали, как и повышение температуры.

Термоулучшение сталей с различным содержанием бора ' в полупромышленных условиях по режиму : - изотермическая выдержка при 760 + 780 °С в течение времени из расчета 4+12 мин/мм; закалка в воде от 930 ±10 °С и отпуск при 670 ± 10 °С позволяет получить значения механических свойств, удовлетворяющих стандарту АБТМ А514 для сталей с пониженной концентрацией бора. Для дальнейшего повышения комплекса механических характеристик, в том числе высокобористых сталей, рекомендуется сократить продолжительность выдержки в межкригическом интервале температур при 760:-780°С.

Выполнено промышленное опробование разработанной технологии термического упрочнения проката борсодержащих сталей, позволяющей устранить охрупчивающее влияние бора на сталь. Проверка проведена на 10 листах толщиной 15,9 мм двух плавок стали В по стандарту АБТМ А514.

Полученные механические свойства полностью удовлетворяют требованиям действующего стандарта (табл.1).

Таблица 1

Средние значения механических свойств листов из стали по стандарту АБТМ А514 после термоулучшения по разработанной технологии

№ партии СТ02, Н/мм2 ств. Н/мм2 6,% V, % НВ

7459 710 800 25,0 52,0 235

7460 740 825 23,5 57,0 248

7457 755 825 27,0 58,0 248

7458 715 790 26,0 57,0 241

7464 750 825 23,0 55,0 255

7465 780 860 24,5 55,0 255

7467 740 815 27,0 55,0 248

7468 700 785 26,0 58,0 248

7466 780 850 21,0 51,0 255

7463 775 855 20,0 51,0 255

Стандарт США 690 760 +895 16+18 35 + 40 235 + 293

Микроструктурные исследования показали наличие в листах опытной партии в состоянии поставки структуры сорбита отпуска, размер зерен составлял 8 +10 баллов.

Раздел 5. Изучепие возможности получения высокого комплекса механических свойств в сталях с повышенным содержанием азота.

Малые количества нежелательных примесей типа азота, как известно, способны вызывать охрупчивание металлов благодаря образованию зернограничных сегрегации. Определение граничной концентрации таких элементов экспериментальным путем является практически невыполнимой задачей, а существующие расчетные методики разработаны для элементов, растворенных по типу замещения. В связи с этим, в работе выполнен анализ процесса образования сегрегаций из атомов азота, растворенного по типу внедрения. При выполнении анализа впервые было учтено влияние на граничную концентрацию, кроме исходного содержания примеси и температуры, размера зерна. В результате анализа получено уравнение, определяющее зависимость граничной концентрации данного элемента внедрения от указанных выше параметров

Сг-{4$-т-Ь-Сг + г.{у-т-С0У) =

(г.С0-А,5-Ь-Сг-(и-Сг) ' К 1

где т - величина, определяющая число заблокированных октапор;

Ъ - межатомное расстояние;

г-радиус зерна;

V - коэффициент Пуассона;

С0 - исходная концентрация элемента;

<2 - энергия связи с границей зерна;

Я - универсальная газовая постоянная;

Г-температура.

с помощью которого были рассчитаны значения зернограничной концентрации Сг азота в а-твердом растворе, характеризующемся различным размером зерна, при изменении исходной концентрации азота в нем от 10'8 до 10*5 при 300-1000 К. Показано, например, что уменьшение радиуса зерна от 10"2 до 10"3 см при 600 К сопровождается снижением Сг от 0,6 до 0,1. При температурах > 700 К, независимо от радиуса зерна, Сг приближается с Со, т.е. происходит полная десегрегация азота.

Исходя из допущения, что зерно имеет сферическую форму и находящийся в а-твердом растворе азот, выходя из тела зерна, скапливается на границе, определено время, в течение которого концентрация азота изменяется на определенную величину. При этом использовалось известное выражение

г =

(8)

где 7}—(со" с г)/с о -доля азота, вышедшего из зерна;

Ст-концеетрация азота внутри зерна в момент т;

Д-коэффициент диффузии азота;

¿/-средний диаметр зерна

Установлено, что высокая степень обогащения границ зерен азотом при комнатной температуре требует длительной выдержки. С повышением температуры и уменьшением размера зерна время обогащения границ зерен азотом резко сокращается; при этом снижается концентрация азота на границах. Устранение зернограничной концентрации азота может быть достигнуто нагревом а - твердого раствора до температур, превышающих ~ 600 К (327 °С).

Для изучения возможности получения требуемого комплекса механических свойств в сталях с повышенным содержанием азота выполнен статистический анализ результатов механических свойств борсодержащей стали стандарта АБТМ А514В.

Получены уравнения, характеризующие изменение показателей механических свойств в зависимости от концентрации азота:

Показано, что увеличение концентрации азота в стали сопровождается снижением значений всех исследованных характеристик мехашиеских свойств проката в состоянии поставки. Наиболее интенсивно снижается уровень прочностных свойств и твердости.

Экспериментальным путем установлено, что азот снижает прокаливаемость из-за образования в структуре частиц нитридов. Это приводит также к снижению устойчивости переохлажденного аустенита, уменьшению трещиностойкости стали в связи с преимущественным выделением частиц нитридов алюминия и титана на границах зерен.

Результаты исследований макро- и микроструктуры сталей с различным содержанием азота показали, что повышение концентрации его в стали не

от= 809,45 -3312,9Ш; ов= 883,55 -3841,1-Ш, 6= 19,249-18,551-%Ы; у>= 46,223-31,846-Ш-, НВ= 262,45-693,55-Ш

(9)

(10) (")

(12) (13)

вызывает изменения характера макроструктуры, не сопровождается изменением объемного содержания, формы и характера распределения неметаллических включений, регистрируемых стандартными методами, не приводит также к изменению типа микроструктуры по толщине проката.

Параллельно с изучением структуры и механических свойств борсодержащей стали ASTM А514 проведено исследование стали стандарта ASTM А36, имеющей в своем составе количество углерода и азота, приближенное к стандарту ASTM А514, и не содержащей бор. В результате разработаны и рекомендованы следующие режимы термического упрочнения сталей с повышенным содержанием азота:

- предварительная термообработка: нагрев до 760 + 780 °С, выдержка го расчета 10 + 20 мин/мм и последующее охлаждение в воде;

- окончательное улучшение по режиму: закалка от 930 ± 10°С, 2 мин/мм и отпуск при 630 + 670 °С, 4 мин/мм с последующим охлаждением на воздухе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертации приведены расчетно-анашггические, экспериментальные исследования и новые решения задач металловедения, которые послужили основой для совершенствования технологии термоупрочнения листового проката го борсодержащих статей.

2. Результаты аналитического исследования состояния бора в решетках а- и y-Fe показали, что атомы этого элемента, аналогично углероду и азоту, растворены по типу внедрения; это обусловливает высокую степень их конкурирующего взаимодействия в твердых растворах, в результате чего затрудняется развитие процессов, протекающих на ранней стадии распада аустенита (перераспределение углерода и формирование зародышей а-фазы).

3. Определены значения энергий взаимодействия элементов внедрения с дефектами кристаллической решетки, дислокациями и субграницами в у-Fe. Показано, что бор, обладая максимальной энергией связи с дислокациями и субграницами (~27 кДж/г-ат) и высокой диффузионной подвижностью, проявляет более высокую склонность к образованию зернограничных сегрегации, чем углерод и азот: время образования сегрегаций у субграниц при 700 К составляет для бора и углерода, соответственно, тв=2-10"5 с и тс=840^ с.

4. Выполнен компьютерный анализ начальной стадии распада переохлажденного аустенита. Построены "С"- диаграммы, отражающие зависимость периода предпревращения от температуры для углеродистого и борсодержащего аустенита при 0,2+0,6 %С и 2-10"4+М0"3 %В. Анализ

процесса формирования зернограничных сегрегации элементов, растворенных по типу внедрения позволил установить зависимость зернограничной концентрации этих элементов от теьшературы, исходной средней концентрации и размера зерна

Показано, что например, при Т=600 К в а-твердом растворе с исходной концентрацией азота 10"5 уменьшение радиуса зерна от 10"2 до 10'3 см должно сопровождаться снижением граничной концентрации в 6 раз, а нагрев до 700 К приводит к полной десегрегации азота, независимо от размера зерна.

5. Установлено, что снижение температуры конца прокатки борсодержащих сталей от 910 до 810 °С сопровождается измельчением зерна и получением более равномерной микроструктуры по толщине листа, характеризующейся однородным распределением диспергированной ферритной составляющей.

6. В результате выполненного статистического анализа данных приемосдаточных испытаний и проведенных экспериментальных исследований установлено, что одной из основных причин получеши уровня механических свойств, не соответствующего требованиям стандартов борсодержащей стали после термического улучшения, является повышенная концентрация азота; при содержании азота >0,002% наблюдается снижение всех показателей механических свойств, а также прокаливаемости исследуемых сталей.

7. Показано, что все характеристики механических свойств термически улучшаемых борсодержащих сталей, особенно ударная вязкость, существенно зависят от температуры отпуска и условий охлаждения; охлаждение в воде от температур отпуска способствует повышению характеристик прочности и ударной вязкости.

8. Установлено, что в большинстве случаев повышение показателей механических свойств борсодержащих сталей до уровня, соответствующего требованиям стандартов, может быть обеспечено при использовании режимов нагрева под аустешггизащпо, включающих промежуточную выдержку в межкритическом интервале; подстуживание листового проката в этом интервале температур перед закалкой способствует повышению прокаливаемости.

9. Результаты выполненных исследований использованы на ОАО "ММК "Азовсталь" для совершенствования существующей технологии термического упрочнения листового проката из борсодержащих сталей и разработки новых режимов, обеспечивающих гарантированное получение уровня механических свойств, соответствующего требованиям стандартов ASTM А514 и ASTM А36. При объеме производства 33800 т/год,

ожидаемый экономический эффект в условиях ОАО "ММК "Азовсталь"

составляет 162240 гривен в год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Гаврилова В.Г., Влияние температуры нагрева под закалку и условий последующего охлаждения на микроструктуру и механические свойства листовой борсодержащей стали // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 1999,- Вып.8,- С. 70-72.

2. Гаврилова В.Г., Ткаченко Ф.К., Влияние температуры отпуска и условий охлаждения на механические свойства листовой борсодержащей стали // Вестник Приазов. гос.техн.ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 2000,- Вып.9 С. 80-82.

3. Компьютерный расчет периода предпревращения при распаде переохлажденного аустеяита в нелегированной стали // Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Тихонюк С.Л., Солошенко П.В., Рябикина М.А.; Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.-Мариуполь, 1996. -Вып.2. - С. 93-97.

4. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О зернограничной сегрегации примесных элементов внедрения в а-железе Н Приднепроз.науч.вестник.-Дн,-1998. № 96(163) -С.32-36.

5. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Влияние условий охлаждения после аустенитизации на механические свойства борсодержащих сталей с различным содержанием азота 11 Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр,-Мариуполь, 1999.-Вып.8,- С. 73-75.

6. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. Анализ условий зарождения а-фазы при распаде переохлажденного аустенита / Приазов.гос.техн.ун-т.-Мариуполь, 1993,-8с.-Библиогр.:6 назв.-Деп. в ГНТБ Украины 19.07.93, № 1528 - Ук - 93.

7. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О факторах, определяющих кинетику структурообразования в доэвтектоидных сталях / Приазов.гос.техн.ун-т,-Мариуполь, 1993.-8с. -Библиогр.: 4 назв.- Деп. в ГНТБ Украины 19.07.93, 1527-Ук-93.

8. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О влиянии приложенных напряжений на мартенситное превращение / Приазов. гос.техн.ун-т.-Мариуполь,1995.- 8с.-Библиогр.: 6 назв.-Деп. в ГНТБ Украины 05.04.95, № 796-Ук-95.

9. О влиянии дефектов кристаллической решетки на состояние переохлажденного аустенита / Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Тихонюк C.JI., Солошенко П.В.; Приазов. гос. техн.ун-т.-Мариуполь, 1994.-12 е.- Библиогр.: 10 назв.- Деп. в ШТБ Украины 05.12.94, № 2254- Ук-94.

10. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Тихонюк С.Л. Термодинамика и механизм бейнитного превращения / Приазов. гос.техн.ун-т.- Мариуполь,1994,-14 е.- Библиогр.: 14 назв.- Деп. в ГНТБ Украины 05.12.94, №2253 -Ук-94.

П.Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О возможности компьютерного расчета периода предпревращения при распаде переохлажденного аустенита / Приазов. гос. техн. ун-т.-Мариуполь, 1996.-14с,- Библиогр.: 13 назв.-Деп. в ГНТБ Украины 24.10.96, №2038-Ук-93.

12.Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г, О возможности расслоения переохлажденного аустенита // IV per. научно-тех. конф., апрель 1997: Тез.докл.-Мариуполь, 1997.-T.V. Экономика,- С.21.

13. Гаврилова В.Г., Ткаченко И.Ф., Тихонюк JI.C. О Time растворения бора в аусгешгге и его взаимодействие с дислокациями // V per. научно-тех. конф., апрель 1998: Тез. докл.-Мариуполь,1998,- T.1V. Инженерно-экономический факультет,-С.22.

14. Гаврилова В.Г., Ткаченко И.Ф., Тихонюк JI.C. Влияние температуры нагрева и условий охлаждения при отпуске на механические свойства листовой борсодержащей стали // V per. научно - тех. конф., апрель 1998: Тез. докл,-МариупольД998.- T.IV. Инженерно-экономический факультет,-С.23.

15. Ткаченко Ф.К., Гаврилова В.Г., Тихонюк JI.C. Статистический анализ влияния колебаний по содержанию на механические свойства листовой борсодержащей стали // VI per. научно - тех. конф., сентябрь 1999: Тез. докл,-Мариуполь,1999.- Т.1 ,-С.Ю.

16. Гаврилова В.Г., Ткаченко Ф.К., Солошенко П.В. Влияние параметров режима отпуска на механические свойства борсодержащих сталей с повышенным содержанием азота // VI per. научно- тех. конф., сентябрь 1999: Тез. докл. Мариуполь, 1999,- Т.1, -С.8.

Анотащя

Гаврилова В.Г. Пщвшцення мехашчних властивостей листового прокату боромктких сталей за рахунок регулювання структури, складу та режимов термообробки. - Рукопис.

Дисертащя на здобутгя наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.16.01 - Металознавство та тер\нчна обробка метал ¿в. Приазовський державний технгппш университет, ВАТ "Металурлйнш комбшат "Азовсталь", м. Мар1уполь, 2000 р.

Дисертащя мстить результата теоретичних та експериментальних дослщжень стану бору та азоту в сташ, Ы внлив на структурний стан та мехашчш властивосп боровм1стких сталей, виконаних за стандартом АБТМ А514. Встановлено тип твердого розчияу, утвореного атомами бору в гратщ у -Ре. Розглянуто взаемодцо атом!в прошшнення з межами зерен та отримано р1вняння, що вщтворюють залежшетъ межовоГ концентрацп азоту вщ розм1ру зерна та температура На пщегав! статистичного анал1зу отримано р1вняння, що характеризують залежшеть показнитав мехашчних властивостей ви концешрацн бору, а також азоту, яте! в юльюсному виглядо дозволяють оцшити максимально допустлмий вм^ст азоту в стал!, при якому може бути отримаяа задана кoнцeнтpaдiя бору. Запропоноват режими термообробки, яю дозволяють за рахунок регулювання структури пщвшциги мехашчш властивослз та усунути окрихчувальний вплив азоту в досладжуваних сталях при вщхиленш 'к складу в1д вимог стандарту.

Кяючов1 слова: ¡зотермтта витрнмка, м1жкритичний шгервал, аустеттизащя, зерномежов! сегрегацн, межова концентрация, розчшш проникнення та зампцення.

Аннотация

Гаврилова В.Г. Повышение механических свойств листового проката борсодержащих сталей за счет регулирования структуры , состава и режимов термообработки.

- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. Приазовский государственный технический университет, ОАО 'Металлургический комбинат "Азовсталь", г. Мариуполь, 2000 г.

Диссертация содержит результаты аналитических и экспериментальных исследований поведения бора в стали и его влияния на свойства сталей, зыплавляемых по стандарту АБТМ А514 и углеродистых, соответствующих л'андарту АБТМ А36, на основании которых разработаны технологические троцессы термоупрочнения листового проката, обеспечивающие гарантированное получение требуемого уровня механических свойств в случае, согда необходимые показатели не достигаются при термическом улучшении по ¡тандартным режимам.

На основе анализа состояния бора в решетках а- и у-железа показано, что атомы этого элемента, аналогично углероду и азоту, растворены по типу внедрения. Это обусловливает их конкурирующее взаимодействие в твердых растворах, в результате чего затрудняется развитие процессов, протекающих на ранней стадии распада аустештта.

Определены значения энергии связи атомов бора, углерода и азота с дислокациями и субграницами. Показано, что бор, обладая максимальной величиной энергии связи с дефектами решетки и относительно высоким коэффициентом диффузии, проявляет более высокую склонность к образованию сегрегации по границам зерен и блоков, чем азот и углерод.

Выполнен компьютерный анализ начальной стадии распада переохлажденного аустенита, содержащего различные количества углерода - 0,2 +0,6 % и бора - 0,0002+0,001 %. Построены "С"- образные кривые, отражающие зависимость периода предпревращения от температуры, для нелегированного и микролегированного бором аустенита.

Рассмотрено взаимодействие атомов внедрения с границами зерен и получены уравнения, позволяющие определить зернограничную концентрацию элементов внедрения (С, N, В) и ее изменение в зависимости от температуры, размера зерна и средней исходной концентрации элемента.

Установлено, что в большинстве случаев повышение характеристик механических свойств термоулучшением борсодержащих сталей до уровня требований стандарта ASTM А514 и углеродистых ASTM А36, может достигаться за счет использования режимов аустенитизации, включающих промежуточную выдержку в межкритическом интервале температур; в связи с повышенной склонностью борсодержащей стати к охрупчивашпо, рекомендуется применение строго регламентированного режима отпуска.

Показано, что дополнительное повышение прокаливаемости термоулучшаемого листового проката из борсодержащих сталей может быть получено путем регулирования температуры аустенитизации и условий последующего охлаждения. Благоприятное влияние на прокаливаемость оказывает подстуживание на воздухе, предшествующее охлаждению в воде.

На основе статистического анализа получены уравнения, характеризующие зависимость показателей механических свойств от концентрации бора, а также азота и позволяющие в количественном виде оценить максимально допустимое содержание азота в стали, при котором может быть получена заданная концентрация бора.

Результаты выполненных аналитических и экспериментальных исследований использованы при разработке новых режимов термоупрочнения листового проката, обеспечивающие гарантированное получение уровня показателей механических свойств, соответствующих требованиям стандартов.

Ключевые слова: изотермическая выдержка, межкритический интервал, аустегоггизадия, зернограничные сегрегации, граничная концентрация, растворы внедрения и замещения.

Summary

Gavrilova V.G. Impovement of mechanical properties of rolled sheets of boron containing steels by means of structure regulation, composition and regime of heat treatment.

-Manuscript.

This is the candidate's dissertation in Speciality 05.16.01 Metal Studies and Heat treatment of metals. Priasovsky State Technical University, Irond Steel Works "Azovsteel", Mariupol, 2000.

Dissertation contains results of theoretical and experimental investigations of boron and nitrogen condition in steel, their influence on a structure and mechanical properties of boron containing steels, made by ASTM A514 standard. The type of the hard solution made by the atoms of boron in у - Fe is found out. Interaction of inculation atoms with grain boundaries is examined, and the equations, reflecting the dependence of grain size and temperature boundary on nitrogen concentration are received. The equation which characterized the influence of boron and nitrogen concentration on significant mechanical properties is calculated on the basis of statistical analysis. This equation evaluates the maximum permissible content of nitrogen which allows the required concentration of boron in steel to come out. The regimes of heat treatment allow to improve the mechanical properties and to remove the negative influence of nitrogen in steels (in case they don't meet the standard requierements) by means of structure regulation.

Key words: isotermal holding, intercritical interval, austenitiiation, grain-boundary segregation, boundary concentration, inculation and replacement hard solutions.