автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Термомеханическое упрочнение малоуглеродистых низколегированных сталей для оффшорных конструкций и трубопроводов

он

/ 1 ПО; ,, ,

п1-" 11.1/

На правах рукописи

Сулягин Роман Валерьевич

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ОФФШОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ТРУБОПРОВОДОВ.

Специальность № 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург, 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научные руководители: Доктор технических наук, профессор Е.Л. Гюлиханданов

Доктор технических наук, профессор Г.Е. Коджаспиров

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Г.Н. Теплухин

Кандидат технических наук, доцент В.И. Крахмалев

Ведущее предприятие - ОАО «Кировский завод»

Защита диссертации состоится лекпбРр 1997г. в

4-1 часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.08 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, С.-Петербург, Политехническая ул., д.29, Химический корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан «¿4 » НоЯб/Ф 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

Г.С. Казакевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие черной металлургии в значительной мере. _ обусловлено требованием металлопотребляющих отраслей промышленности по повышению эксплуатационных свойств конструкционных сталей с целью увеличения допустимых нагрузок, снижения металлоемкости и повышения надежности конструкций, в том числе магистральных газопроводов, оффшорных конструкций и др. Освоение шельфа Северных морей диктует необходимость использования высокопрочных низколегированных свариваемых сталей. При больших объемах производства металлопроката на одно из первых мест выдвигается задача снижения энергопотребления и расхода сырьевых ресурсов при его производстве. В связи с этим актуальными являются работы, направленные на создание и разработку новых технологий, позволяющих производить продукцию для оффшорных конструкций и трубопроводов с требуемым сочетанием свойств непосредственно в потоке прокатного стана (исключая последующую термическую обработку) путем управления процессами структурообразования и расширения областей применения различных технологических схем в части марочного состава. Такой подход позволяет повысить конкурентоспособность отечественной металлопродукции, определяемую достигаемым сочетанием высокого уровня служебных характеристик металла при снижении затрат на его производство.

Цель работы. Разработка технологических схем термомеханической обработки (ТМО) в сочетании с рациональным легированием с целью получения проката из экономно легированных сталей повышенной прочности, обеспечивающих снижение себестоимости при обеспечении высокого комплекса механических свойств и сопротивления хрупкому разрушению.

Научная новнзна:

♦ сформулированы и экспериментально обоснованы требования к легирующему комплексу высокопрочных низколегированных сталей, предназначенных для использования в виде термоупрочненного листа;

♦ сформулированы и экспериментально обоснованы требования к термодеформационным режимам, позволяющим получать требуемые структуру и свойства проката без последующей термической обработки;

♦ установлены закономерности влияния скорости последеформацион-ного охлаждения при применении ТМО на структуру и механические свойства проката;

♦ установлены основные структурные механизмы, определяющие улучшение комплекса свойств.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности.

Применительно к толстолистовому прокатному стану «5000» А.О. «Ижорские заводы» разработана и опробована технология ТМО сталей типа НБЬА с применением душирующего устройства для проката толщиной 1025мм., используемых для свариваемых конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера. Разработанные технологические решения позволили получить значительный эффект: обеспечить сочетание высоких механических свойств проката при отсутствии дополнительной термической обработки.

Предложенный в работе подход служит основой для дальнейших разработок новых сталей и технологических схем производства проката в режимах ТМО с заданными свойствами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Конференция «Инновационные наукоемкие технологии для России.», СПбГТУ, 1995; Международная научно-техническая российско-германская конференция «Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов», Санкт-Петербург, май 1995г.; первый конгресс прокатчиков России Магнитогорск, октябрь 1995г.; Третье собрание металловедов России, Рязань, 1996; Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 1996; Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении», Санкт-Петербург, май 1997г.;

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений, содержит 153 страницы, 91 рисунок и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ, СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Введение.

Во введении обоснована актуальность применения ТМО для низколегированных высокопрочных сталей (типа ШЬА) в сочетании с целенаправленным легированием сталей и выбором соответствующих технологических схем.

Гпава 1. Современное состояние вопроса.

В первой главе изложено современное состояние вопросов легирования и режимов термомеханической обработки малоуглеродистых высокопрочных низколегированных сталей, обоснован выбор легирующего комплекса для составов экспериментальных сталей.

К настоящему времени в России и за рубежом разработан ряд высокопрочных среднелегированных сталей с повышенным содержанием таких элементов, как N1, Мл и т.д. (09ХН2МД, 10ХНЗМД и др.) для конструкций специального применения. Однако, эти стали являются дорогостоящими, что затрудняет их применение в изделиях металлоемких конструкций типа оффшорных и трубопроводов. Стали более дешевые, типа НвЬА, используются в конструкциях, к которым предъявляются более низкие требования по прочности и хладостойкости. В связи с этим в данной работе была поставлена задача при снижении себестоимости по сравнению со сталями содержащими > 2% N1 и других дорогостоящих легирующих элементов разработать систему легирования в сочетании с упрочняющим воздействием ТМО с целью повышения прочности при высоком сопротивлении хрупкому разрушению.

На основании изученного материала сформулированы цели и задачи работы.

Гпава 2. Материалы, оборудование и методика исследования.

Материалы для исследования.

В качестве основных материалов исследования использовали стали

опытного состава. Выбор легирующих элементов определялся требуемыми свойствами и стоимостью. Использовали феррито-перлитные стали типа 09Г, 09НФ, 09ГНФ, 09ГФБ, 09ГНБ, состав которых представлен в таблице 1:

Марки сталей С 51 Мп Б Р N1 V кь Сэ

09Г 0.09 0.32 0.95 0.022 0.008 0.32 - - 0,27

09НФ 0.06 0.17 0.31 0.007 0.008 1.04 0.02 - 0,21

09ГНФ 0.07 0.25 0.98 0.017 0.009 1.00 0.01 - 0,31

09ГФБ 0.07 0.29 0.97 0.020 0.010 0.31 0.02 0.06 0,26

09ГНБ 0.09 0.32 0.52 0.003 0.003 1.38 - 0.03 0,27

Выплавка данных марок сталей производилась в индукционной сталеплавильной печи АО «Ижорские заводы» ИСТ-016 емкостью 100 кг. с основной футеровкой.

Оборудование и методика проведения экспериментов по термомеханической обработке.

Моделирование режимов ТМО производилось на торсионом пласто-метре «Б^агат» при скоростях деформации от 16.5 до 165об./мин. (образцы на кручение диаметром 6мм.) и на прокатном стане «210» СПбГТУ, имеющем линейную скорость прокатки 0.324м/с (исходные заготовки размером 30x75мм). Охлаждение после прокатки проводили в воде, на воздухе и в полимерной жидкости (Иа-КМЦ) с общей формулой СбН702(ОСН2СООМа3)3.

Свойства стали после термомеханической обработки ( ТМО ) определяются особенностями структуры, образующейся к завершению обработки. Эта структура, формируется в условиях протекания двух процессов, идущих во взаимно противоположных направлениях: упрочнения и разупрочнения. Кинетику протекания этих процессов определяет совокупное влияние темпе-ратурно-деформационно-временных параметров ТМО.

Для изучения совокупного влияния параметров ТМО на структуру и свойства рационально применять метод планируемого эксперимента. При проведении лабораторных экспериментов с целью максимального приближения к промышленным условиям следует использовать специальные методические приемы, суть которых заключается в моделировании температурно-деформационных режимов конечной стадии прокатки и охлаждения.

Основными параметрами ТМО проката являются температура прокатки, скорость, степень и дробность деформации, промежуток времени от конца прокатки до закалки, скорость последеформационного охлаждения, температура отпуска. Температурный интервал при ТМО ограничивается диапазоном температур горячей прокатки, причем нижняя граница этого интервала находится в прямой зависимости от уровня допускаемых нагрузок на оборудование. Промежуток времени от конца прокатки до начала закалки определяется расстоянием от клети стана до закалочного устройства и временем транспортировки. Соответственно в качестве варьируемых факторов служили: температура конца прокатки, дробность деформации и скорость охлаждения, определяющие по данным многочисленных исследований структуру и механические свойства конечной продукции.

С учетом вышеописанного выбирали уровни варьирования факторов. При моделировании процесса КПУО для толстолистового стана «5000» параметрами оптимизации служили стандартные характеристики механических свойств: предел текучести ( а0.2, МПа ), временное сопротивление ( ав> МПа ), относительное удлинение ( 5, % ), относительное сужение ( у, % ) и ударная вязкость ( KCV, КДж/м2 ). В данном исследовании использовали факторный план типа 23.

Испытания на растяжение проводили на испытательной машине на растяжение модели Instron 1195.

Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре модели КМ 2130-0.3. Образцы для испытаний при отрицательной температуре охлаждали в криокамере. Хладагентом являлся спирт, через который пропускается жидкий азот. Контроль температуры при охлаждении осуществлялся термометром.

Микроструктуру стали изучали на протравленных шлифах, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки. Травление микрошлифов проводили в 4% спиртовом растворе азотной кислоты.

Изучение и фотографирование структуры стали производилось на микроскопе Neofot2.

Исследование характера изломов образцов, разрушенных при различных температурах проводилось методом сканирующей электронной микроскопии на растровом электронном микроскопе «Филипс».

Промышленное опробование проводили на толстолистовой прокатном стане «5000» АО «Ижорские заводы» имеющим следующие технические характеристики: усилие прокатки - < 9000 т.е., момент прокатки - < 600 т.м., скорость прокатки - < 4,5 м/с.

Гпава 3. Моделирование термомеханической обработки стали на торсионном пластометре.

Процесс прокатки характеризуется дробным деформированием, т.е. чередованием деформаций и пауз. Количество проходов, степень деформации за проход, продолжительность междеформационных пауз, как и температура прокатки оказывают существенное влияние на структуру и механические свойства прокатанной стали, а также и на энергосиловые характеристики процесса прокатки. Моделирование прокатки на торсионном пластометре позволяет изучить влияние вышеуказанных характеристик процесса для условий промышленной реализации процесса ТМО. Суть методики моделирования термомеханической обработки на торсионном пластометре состоит в воспроизведении температурно-деформационного режима процесса обработки стального листа на прокатном стане с учетом количества проходов, степени деформации, температуры и пауз между проходами.

Исследования пластичности сводились к построению зависимости предельной пластичности металла от температуры испытания. В качестве меры предельной пластичности при испытании на кручение принимали число оборотов до разрушения. Диаграмма, построенная в координатах «количество оборотов - температура», позволяет судить об уровне пластических свойств данной стали при разных температурах, о максимально допустимой температуре нагрева для деформации, о температурном интервале деформирования.

В соответствии с вышеописанной методикой были проведены исследования на температурную пластичность образцов из наиболее перспективной для оффшорных конструкций стали типа 09ГНБ. Были построены

диаграммы деформации стали 09ГНБ для различных температур. На рисунке 1а и 16 представлены такие диаграммы для двух температур испытания.

Общий характер диаграмм «напряжение - деформация» для различных температур качественно одинаков, различаются лишь численные значения их параметров.

Результаты данных исследований позволили уточнить экспериментальные режимы ТМО, проводимые с целью моделирования термомеханической обработки на торсионном пластометре и стане «210» СПбГТУ условий прокатки на стане «5000» АО «Ижорские заводы».

Рисунок 1. Диаграммы высокотемпературной деформации кручением при различных температурах испытания для стали 09ГНБ.

Таблица 2. Режимы и механические свойства образцов при моделировании термомеханической обработки иа

торсионном пластометре.

№ п./п и, % п % Тдеф., °С V охл., °С/с 81', % п ЕЬ % 1 деф.э °С V охл., °С/с 2, МПа СТв, МПа 5,'%

1 15 5 60 1000 25 - - - - - 965 1054 13,4

2 15 5 60 1000 8 - - - - - 433 631 22,5

3 15 5 60 1000 15 5 60 800 8 530 670 22,5

4 - - - - - 15 5 60 800 25 635 753 18,3

5 - - - 15 5 . 60 800 8 440 598 29,0 .

Температура нагрева образцов под прокатку - 1200 °С; Тдеф. - температура конца деформации; е, - деформация за проход;

- суммарная деформация; ^хл. - скорость охлаждения; п - количество проходов.

В таблице 2 представлены механические свойства образцов, обработанных по различным режимам. В зависимости от сочетания параметров ТМО структура получилась различной: от феррито-перлитной при охлаждении на воздухе до феррито-бейнитной при охлаждении в воде.

Результаты данных исследований положены в основу разработки программы экспериментов по моделированию режимов ТМО в условиях стана «210».

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТМО В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ.

Для проведения экспериментов на лабораторном прокатном стане «210» СПбГТУ предварительно были построены кривые охлаждения прокатываемых образцов на воздухе с температуры нагрева под прокатку. При разработке технологических режимов ТМО для условий прокатки листов на толстолистовом стане «5000» проведен математический расчет с использованием метода конечных элементов кривых охлаждения натурных листов из малоуглеродистой низколегированной стали.

Исследование комплексного влияния температуры, дробности деформации и скорости охлаждения на структуру и свойства стали.

В условиях стана ДУО-2Ю было смоделировано проведение ТМО с целью изучения влияния реально осуществимых режимов на структуру и свойства стали. Параметры, предлагаемые в планируемом эксперименте, представлены в табл. 3 :

Таблица 3. Соответствие проведенного планируемого эксперимента реальным

№ испытания Температура конца прокатки (Х,),°С Количество проходов (Х2),п Скорость охлаждения ( Хз), °С/с

1 1000 5 25

2 1000 5 8,6

3 800 5 25

4 800 5 8,6

5 1000 3 25

6 1000 3 8,6

7 800 3 25

8 800 3 8,6

2. Выдержка при 1200 °С - 1ч.30мин. 3. Суммарное обжатие с?- 75 %.

После проведения эксперимента из полученных прокатанных заготовок были изготовлены образцы для проведения механических испытаний.

Таблица 4.

Механические свойства образцов кз стали 09ГНБ после ТМО по режимам, предусмотренными

матрицей планирования 23.

X» IL/П. Температура прокатки, °С Количество пром- ДОВ Скорость охлаждения, «С/с От, МПа МПа 8,% VJI,% KCV, КДж/м2 HB

прод. +20 °С попер. +20 °С шпер. -20 "С попер. -40 "С

. 1 .1000 5 25 986,9 1,192,7 ,12,3 72,3 1923 1776 1668 1246 363

2 1000 5 8,3 463,5 669,3 25,0 68,7 785 471 294 128 192

3 800 5 25 820,3 1019,2 14.5 72,7 2031 1501 1040 510 277

4 800 5 8,3 509,6 686,0 23.2 67,3 814 500 216 157 223

5 1000 3 25 797,9 1010,2 17,2 72,3 2315 2267 893 206 266

6 1000 3 8,3 520,0 686,7 20,7 67,7 1324 893 294 157 212

7 800 3 25 630,5 987,4 13,0 71,3 1217 1172 978 148 241

S 800 3 8,3 449,6 673,6 23,3 69.3 1040 922 265 137 185

В результате обработки данных методами регрессионного и дисперсионного анализа были построены уравнения регрессии:

У, = 647,3 + 44,78Х1 + 47,78Х2+ 161,60Х3; Х,=(Ткдаф-900)/100

У2= 865,0 + 24,10X1 + 26,16X2+ 186,73Х3; Х2=(п-4)/1

У3= 18,65 + 0.15X1 + 0,10X2 - 4,4Х3; Х3=^охл-16,7)/8,4

У4 = 70,2 + 0,005Х, + 0,005Х2 + 1,95Х3,

где: Ткдеф - температура конца деформации; п - количество проходов; Уохл - скорость охлаждения;

У1 - предел текучести; У2 - временное сопротивление; У3 - относительное удлинение; У4 - относительное сужение.

Анализ уравнений регрессии свидетельствует, что все варьируемые факторы оказывают значимое влияние на механические свойства. Судя по коэффициентам регрессии по степени значимости на первом месте находится скорость охлаждения, на втором месте - дробность деформации и, наконец, температура конца прокатки.

Как следует из результатов механических испытаний наибольшей прочностью обладают заготовки, подвергнутые ТМО по режиму №1 (табл.3). Это связано с получением структуры нижнего бейнита, диспергированного вследствие фрагментирования структуры исходного (до превращения) горячедефор-мированного аустенита, наследственные признаки которого проявляются в измельчении бейнитной структуры.

Снижение температуры конца деформации до 800 °С приводит к появлению в структуре участков перлита и феррита из-за понижения температуры конца деформации ниже Аг3. Отсюда и снижение прочности.

Уменьшение числа проходов сопровождается дальнейшим незначительным снижением прочности. Это можно связать с меньшей плотностью дефектов кристаллического строения и большим размером фрагментов горячедеформированного аустенита. Наследственные признаки этого изменения проявляются в меньшей диспергированности полученного бейнита.

Охлаждение на воздухе кардинальным образом меняет структуру и, соответственно, свойства стали. Основными структурами из-за диффузионного превращения у П+Ф являются феррит и перлит. Однако, размеры колоний перлита и размеры ферритных зерен, а также их соотношения зависят от режима ТМО.

Наибольшей прочностью обладают образцы, подвергнутые ТМО по режиму №6 (табл.3). Это можно связать наибольшей диспергированностью пер-лито-ферритной смеси, что вызвано наиболее полным протеканием предшествующей превращению рекристаллизации ( либо фрагментации ) в горячедеформированном аустените, что обусловило создание большого числа центров зарождения перлита и феррита.

Наименьшая прочность (стт = 449,6 МПа) наблюдается у образцов, обработанных по режиму №8, что обусловлено с чрезмерно низкой ( ниже Агз) температурой окончания деформации,~ когда частичный распад аустенита произошел в малодеформированном аустените. Об этом свидетельствует больший размер перлитных колоний, чем, например, по режимам №№ 2 и 6 (табл.3).

Увеличение дробности при Тк'деФ. = 800 °С приводит уже к наклепу образующегося феррита и некоторому диспергированию перлита вследствие чего Стт несколько возрастает.

На рис.2 представлена зависимость ударной вязкости образцов, подвергнутых различным режимам ТМО, от температуры испытания, из которой следует, что наибольшей хладостойкостыо обладают образцы, обработанные по режиму №1 (табл.3).

КОТ, КДж/м

Температура испытаний, С

Рисунок 2. Влияние ТМО на хладостойкость стали 09ГНБ в зависимости от режимов, представленных в таблице 3.

Термомеханическая обработка сталей различного легирования в условиях стана «210».

Для изучения совместного влияния режимов ТМО и легирующих элементов были выбраны составы опытных плавок, представленные в таблице 1.

С учетом результатов планируемого эксперимента, проведенного на стали 09ГНБ, были реализованы режимы термомеханической обработки (табл.4), позволяющие при сокращении числа опытов определить влияние двух важнейших факторов - температуры конца прокатки и скорости охлаждения на структуру и свойства сталей 09Г, 09НФ, 09ГНФ, 09ГФБ.

Таблица 5. Режимы термомеханической обработки.*

№ режима Температура конца прокатки, °С Среда охлаждения Скорость охлаждения, °С/с

1 1000 воздух 8,3

2 полимерная жидкость 13,5

3 вода 25

4 800 воздух 8,3

5 полимерная жидкость 13,5

6 вода 25

* - количество проходов п=5=сол£1

- суммарное обжатие е£ = 75 %

Для моделирования скорости охлаждения, являющейся промежуточной между скоростью охлаждения в воде и скоростью охлаждения на воздухе применили полимерную водо-растворимую среду. Это было сделано в связи с тем, что в условиях установки контролируемого охлаждения ( УКО ), находящейся в потоке стана «5000» скорость охлаждения можно варьировать в пределах от скорости охлаждения стального листа на воздухе до скорости закалки этого листа в воде. Кроме этого, наличие в эксперименте 3 скоростей охлаждения позволяет более точно проследить зависимость изменения структуры и механических свойств прокатанных образцов от скорости охлаждения - важнейшего параметра ТМО.

Поскольку оборудование лабораторного стана ДУО-2Ю не позволяет реализовать ТМО с использованием спрейерного устройства, была использована полимерная закалочная среда, обеспечивающая скорость охлаждения промежуточную между водой и воздухом.

После проведения ТМО по различным режимам были определены механические свойства образцов, вырезанных из полученных стальных полос.

Из результатов механических испытаний стали 09НФ следует, что наибольшей прочностью обладают заготовки, обработанные по шестому режиму (табл. 5) с охлаждением после деформации в воде. Деформация при Т^ = 800 С проведена ниже Аг3, что привело к наклепу образующегося феррита и диспергированию перлита. Структура стали более дисперсная по сравнению с заготовкой, охлажденной после Тк деф= 1000 °С в воде. В связи с этим несколько отличаются и пластические свойства.

Охлаждение в водо-растворимой полимерной среде незначительно понижают прочностные свойства, однако возрастает пластичность ( относительное удлинение возрастает с 16,3 % до 20,3 % при Ткдеф= 1000 °С ) в связи с образованием бейнитной структуры.

Охлаждение на воздухе привело к образованию ферритной структуры с небольшим ( до 5 % ) содержанием перлита.

Наилучшим комплексом свойств (прочностных, пластических и сопротивления хрупкому разрушению) обладают заготовки, охлажденные в водо-полимерной среде с Тк 1 ООО °С. -----------------------------------

Из результатов механических испытаний заготовок из стали 09ГНФ следует, что общий уровень прочностных характеристик данной марки стали несколько выше, чем у предыдущей, а наилучшими механическими свойствами обладают заготовки подвергнутые ТМО по последнему режиму. Это можно объяснить тем, что деформация проводилась в области существования феррита. При деформации произошел наклеп феррита. Кроме этого аустенит после деформации при Т" деф.= 800 °С более мелкий и при охлаждении в воде и образовании бейнита наследуется мелкодисперсная структура по сравнению с более грубым бейнитом, образовавшимся из крупных рекристаллизовашшх зерен аустенита при охлаждении с Тк деф = 1000 °С .

Охлаждение в водополимерной среде, как и в случае предыдущей стали, ведет к сохранению высоких прочностных свойств, но некоторому снижению пластичности. Вероятно, это связано с тем, что появившийся в данной марке стали марганец вместе с присутствующим никелем несколько сдвигает область феррито-перлитного превращения на термокинетической диаграмме вправо, а бейнитного превращения - влево. В связи с этим в процессе охлаждения в воде появляется более дисперсный бейнит, при этом его количество несколько больше, чем в стали 09НФ.

Охлаждение заготовок на воздухе так же как и в предыдущей стали приводит к образованию феррита и перлита, однако содержание перлита несколько выше (до 8-9 %), что также подтверждает теорию об увеличении области устойчивого аустенита.

С точки зрения совокупности механических свойств наиболее оптимальными кажутся свойства, получаемые после охлаждения заготовок в водополимерной среде с Т' дсф ^ 1000 °С.

Охлаждение в водополимерной среде ведет, как и в случае предыдущих сталей, ведет к сохранению высоких прочностных свойств и характеристик пластичности. За*метно, что бейнитные колонии при Ткдеф = 800 °С несколько вытянуты вдоль направления прокатки. Это связано с тем, что при данной температуре не произошла рекристаллизация аустенита и бейнит наследовал форму аустенитных зерен.

Охлаждение заготовок на воздухе так же как и в предыдущих сталях приводит к образованию феррита и перлита (до 8-9 %). Однако зерна феррита и колонии бейнита меньше по размерам по сравнению с предыдущими сталями. Это объясняется присутствием двух сильных карбидообразующих элементов - ЫЬ и V. Образующиеся как до так и в процессе деформации карбиды сдерживают рост зерен аустенита.

По совокупности механических свойств наиболее оптимальными кажутся свойства, так же получаемые после охлаждения заготовок в водополимерной среде с Т^'деф — 800 °С.

Для стали 09Г наибольшую прочность имеют заготовки охлажденные в воде с Ткдеф.= 1000 °С и имеющие структуру бейнита. Несколько меньшие прочностные характеристики при охлаждении заготовок с Тк'дсф.= 800°С объясняются отсутствием рекристаллизации аустенита.

Охлаждение заготовок в водополимерной среде понижает прочностные характеристики, но практически не повышает характеристики пластичности по сравнению с охлаждением в воде. Однако, ударная вязкость падает незначительно.

Охлаждение на воздухе приводит к образованию равноосных зерен феррита и перлитных колоний (до 8%). При Тк деф.= 800 °С получены несколько более высокие прочностные и пониженные пластические свойства по сравнению со свойствами получаемыми при Тк деф.= 1000 °С.

На рис.3 представлены графические зависимости ударной вязкости разных марок сталей после проведения ТМО по оптимальным режимам.

Н08Г ■ 09НФ

□ 09ГФБ

□ 09ГНФ

Рисунок 3. Зависимость ударной вязкости (КСУ ) при температурах испытания +20 С и -60 °С от марок сталей после проведения ТМО по оптимальным режимам.

Глава 5. ТМО листа из малоуглеродистой низколегированной стали в промышленных условиях.

Исследования по влиянию режимов контролируемой прокатки (КП) проводили на промышленной стали 10Г2ФБЮ. Для установления влияния температурных условий прокатки на структуру и механические свойства в условиях промышленного толстолистового стана «5000» были проведены эксперименты, заключающиеся в том, что деформация в последних чистовых проходах проводилась при температурах от 800 до 700 °С. Дробность деформации и степени обжатия за каждый проход оставались одинаковыми.

На основании более 500 проведенных экспериментов была получена зависимость изменения прочностных и пластических характеристик прокатанных листов от температуры конца деформации.

В интервале температур конца прокатки 750 - 700 °С наблюдается рост прочностных характеристик и понижение пластичности. Тенденция повышения прочности с понижением температуры окончания деформации является теоретически ожидаемой и объяснимой. При охлаждении листа со скоростью 3-4 °С/с, что соответствует скорости охлаждения на воздухе, с температуры ~ 750 °С начинается образование перлита, при деформации которого несколько возрастают прочностные характеристики проката. Более значительное влияние на повышение прочности оказывает деформация образующегося феррита. Нужно отметить, что при окончании деформации при температуре 740 °С часть зерен феррита так же вытянута вдоль направления прокатки. Окончание деформации при температуре 800 °С ведет к получению так же феррито-перлигной структуры, но уже с менее ярко выраженными вытянутыми участками перлита и равноосными зернами феррита.

Температура окончания деформации при проведении контролируемой прокатки в значительной степени влияет и на такой важный показатель, как значение ударной вязкости при отрицательных температурах.

Для проката из стали марки 10Г2ФБЮ определяющим годность показателем ударной вязкости является значение ударной вязкости на образце с острым надрезом при температуре испытания -20°С (KCV.2o)- Полученные данные свидетельствуют о высоком - более 1300 кДж/м2 - значении ударной вязкости при Тк.п= 780-800 °С.

Помимо изучения влияния на структуру и свойства проката режима КП проводили эксперименты по исследованию режимов ускоренного охлаждения.

Последеформационное охлаждение листов толщиной 10-20 мм. проводили в установке контролируемого охлаждения (УКО), а последеформационное охлаждение листов толщиной 25 мм. проводили в воде (специальном закалочном баке).

При использовании для последеформационного охлаждения УКО наблюдается рост прочностных свойств (ст0,2>500 МПа) по сравнению с охлаждением на воздухе по режиму КП. Структура материала после деформации и охлаждении в УКО с температуры 890 °С имеет равноосные зерна феррита и колонии бейнита.

При рассмотрении влияния температуры конца деформации и температуры непосредственно перед охлаждением в баке наблюдаются тенденции, сходные с тенденциями происходящими при охлаждении продеформированных листов в УКО. Структура металла в том и в другом случае феррито- бейнитная. Прокат имеет следующие механические свойства: ов=620 МПа, о0,2=470МПа, 8=29,4%, *|/=67%.

На рисунке 4 представлена зависимость прочностных параметров от режимов термомеханической обработки. Необходимо отметить, что значение относительного удлинения при данных на рисунке значениях прочностных характеристиках остается примерно на одинаковом уровне - 25-28 %.

Наилучшее сочетание механических свойств наблюдается для варианта ТМО предусматривающего использование в качестве охлаждения УКО. Температура листа непосредственно перед охлаждением должна быть не ниже 800 °С. Такая температура обеспечивает заданный техническими условиями комплекс механических свойств - ав=620-680 МПа, сто,2=420-510МПа 5=27-30 % -без дополнительной термической обработки.

КП ВТМО(сУКО) ВТМО (с баком)

Рисунок 4. Значение прочностных параметров проката из стали 10Г2ФБЮ б зависимости от режимов термомеханической обработки. КП - контролируема« прокатка; ВТМО (с УКО) - высокотемпературная термомеханическая обработка с охлаждением проката в установке контролируемого охлаждения; ВТМО (с баком ) - высокотемпературная термомеханическая обработка с охлаждением проката в водяном баке.

Помимо стали 10Г2ФБЮ проводили исследования термомеханической обработки стали 09ГНБ с ускоренным охлаждением в условиях стана «5000». В результате опытно-промышленного опробования ТМО при прокатке листов из стали 09ГНБ толщиной 10мм с последеформационным охлаждением в УКО были получены следующие механические свойства: От=620 МПа, Ств=830, 5=22%, у=71,5%.

На основании вышеописанных исследований были предложены режимы термомеханической обработки листа из стали 09ГНБ в условиях промышленного стана «5000»: нагрев подкатов производить до температуры 1200 - 1250 °С; время выдержки 4-6 часов.

Листы толщиной до 20 мм. охлаждать в УКО. При этом необходимо соблюдать следующие условия: температура конца прокатки не менее 850 °С; температура начала охлаждения не менее 800 °С; скорость движения листа в УКО 0,7 м/с.

Листы толщиной более 20 мм. охлаждать в закалочном баке. При этом необходимо соблюдать следующие условия-.температура конца прокатки не менее 900 °С; температура начала охлаждения не менее 800 °С; время передачи листа в бак не более 1,5 минут.

Использование данных рекомендаций позволило повысить прочностные характеристики до 20 % по сравнению с закалкой с прокатного нагрева, не предусматривающей корректировку режимов прокатки.

Общие выводы.

1. Изучено современное состояние вопроса легирования низколегированных сталей, подвергающихся ТМО и проведен анализ технологий. Сформулированы и экспериментально обоснованы требования к легирующему комплексу высокопрочных низколегированных сталей, предназначенных для использования в виде термомеханически упрочненного листа.

2. С целью проведения моделирования режимов ТМО методом кручения проведена серия экспериментов на торсионном пластометре типа «Setaram». Оптимизация полученных результатов позволила определить наиболее перспективные режимы термомеханической обработки для их реализации на лабораторном прокатном стане «210».

3. На стали типа 09ГНБ проведен планируемый эксперимент типа 23 для определения получаемых в результате различных режимов деформации и скоростей последеформационного охлаждения механических свойств применительно к условиям прокатки на лабораторном прокатном стане «210». Наиболее значимыми факторами являются скорость охлаждения, дробность деформации и температура конца деформации.

4. Исследована структура и механические свойства проката после проведения планируемого эксперимента. Это позволило выявить связь между режимами деформации, скоростями охлаждения и получаемой микроструктурой. Выявлены оптимальные режимы для проведения ТМО на сталях с отличным от базового состава (09ГНБ) комплексом легирующих элементов.

5. Полученные после оптимизации режимы деформации и скорости последе-формационного охлаждения опробованы в процессе лабораторных экспериментов по ТМО стали типа 09Г с комплексным легированием №, V и №>, Выполненные структурные исследования и испытания механических свойств позволили выявить связь между комплексом легирования, режимами ТМО и получаемыми структурой и механическими свойствами прокатанных листов, Показана преимущественная роль получения бейнитной структуры, обеспечивающей высокий комплекс свойств и сочетание высокого предела текучести и сопротивления разрушению.

6. Анализ результатов экспериментов на стане «210» позволил сформулировал основные требования к режиму ТМО, которые заключаются в обеспечение конца прокатки исследуемых сталей при температуре = 900 °С, частных обжатиях 25-30 % с последеформационным охлаждением со скоростью = 13,5°С/с.

7. Разработанная технология была опробована в условиях толстолистовогс прокатного стана «5000» АО «Ижорские заводы» с использованием установки контролируемого и водяного закалочного бака охлаждения применительно к двум выбранным комплексам легирования 09Г2ФБЮ и 09ГНБ. Анали: результатов позволил разработать ряд рекомендаций к промышленному варианту процесса ТМО.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Гюлиханданов Е.Л., Сулягин Р.В. Исследование структуры и свойств стал* 10Г2ФБЮ после контролируемой прокатки. Конференция «Инновационны« наукоемкие технологии для России.» Тезисы докладов чб. СПбГТУ. 1995 С.32.

2. Гюлиханданов Е.Л., Коджаспиров Г.Е., Сулягин Р.В. Международная науч но-техническая росийско-германская конференция «Пластическая и терми ческая обработка современных металлических материалов.» 1995. С.17-19.

3. Гюлиханданов Е.Л., Коджаспиров Г.Е., Сулягин Р.В. Контролируемая про катка - эффективный способ изготовления труб энергетического назначения Международный симпозиум «Энергетика-95». СПб. 1995. С.94-95.

Коджаспиров Г.Е., Зацепин В.Г., Сулягин Р.В. Современное состояние и перспективы внедрения термомеханической обработки в условиях стана «5000» АО «Ижорские заводы». Труды первого конгресса прокатчиков. Магнитогорск, 23-27 октября 1995г. М.:1996. С.58-59.

>. Коджаспиров Г.Е., Зацепин В.Г., Сулягин Р.В. Термомеханическая обработка

низколегированных высокопрочных сталей. Третье собрание металловедов России. М. 1996г. С.83-84.

5. Гюлиханданов Е.Л., Коджаспиров Г.Е., Сулягин Р.В. Термомеханическая обработка высокопрочной низколегированной стали. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов. М.:МИСиС. 1996. С.38-39.

7. Гюлиханданов Е.Л., Коджаспиров Г.Е., Сулягин Р.В. Влияние термомеханической обработки на структуру и механические свойства низколегированной высокопрочной стали 09ГНБ. Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении.» 1997г. СПб. С.14-16.