автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Влияние термической и термомеханической обработки на хрупкую прочность малоуглеродистой стали для металлических конструкций

\ и

1 , 11

.3. л

Днепропетровский инженерно-строительный институт

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ХРУПКУЮ ПРОЧНОСТЬ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.01 - материаловедение в машиностроении

На правах рукописи АСКЕРОВ ХАНГАРДАШ АДГЕЗАЛ ОГЛЫ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск- 1992

Работа выполнена на кафедре технологии металлов Днепропетровского инженерно-строительного института.

Научные руководители— академик АМН Украины доктор технических наук,

B.И. Большаков старший научный сотрудник, кандидат технических наук

C.М. Антонов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, I—офессор Ю.Я. Мешкоа кандидат технических наук, доцент В.К. Фларов

Ведущая организация— Днепропетровский завод металлоконструкций им. И.В. Бабушкина. ^^

Защита состоится "юав» 1993 года в *часов на заседании специализированного совета К. 068. 32.03 Днепропетровского инженерно-строительного института по адресу:

320600, г.Днепропетровск, ул. Чернышевского 24-а, ДИСИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан декабря1992г.

Ученый секретарь

► совета

специализированного ( к. т. и., доцент и V Н.П. КОЛЕСНИК

; л ОБЩАЯ 'ХАРАКТЕРИСТИКА РАБСГШ

Актуальность тяня. Технологическая возможность и экономическая целесообразность широкого применения в строительстве взамен низколегированных сталей распространенных малоуглеродистых сталей, про шедаизс термическое упрочнения, ставит перед исследователями ряд серьезных проблем. В первую очередь это, естественно, проблеяв их универсального приненения в конструкциях, что определяется стабильностью свойств стали и ее сопротивляемостью хрупкий разрушениям.

Рассмотрение калоуглеродистой стали типа ВСтЗсп в качестве первоочередного объекта термического упрочнения связано с подавляющим обьемом ее использования (более 70 процентов) в строительстве. В последние годы в связи с перспективой широкого использования терноупрочненных с прокатного нагрева малоуглеродистых сталей их целенаправленном изучением занимаются ведущие научные коллективы. В тоге ярекя систематических исследований, посвященных особенностях структуры таких сталей в связи с их хрупкой прочность» не проводилось.

Такое положение,а также нацеленность внедрения термоупроч-ненных сталей в конструкциях с требованиями повышенной надежности делает задачу исследований актуальной.

Диссертационная работа выполнялась как составная часть научно-исследояательских работ кафедры технологии металлов ДИСИ, включенных в Комплексную програмну научных исследований и опытно-пронашленных работ по созданию прогрессивных процессов производства высокопрочных видов проката и ловьсаения эффективности их использования в строительстве Минчеркета ■Украинм. Отре.слег.*тэ программу расширения производства терккчесхи

обработанного прожата на период до 2000 года Минчериета Украина м Задание Нянмонтакспецстроя Украинн на проведение вакнеиаих каучно-мсследовательсхих работ в 1986-1990 годах.

Цхль раЛпти - исследование влияния термической и терноме-хакическои обработки на хрупкую прочность малоуглеродистой стали для установления путей обеспечения висок он сопротивляемости хрупкому разрушению и температурных границ ее применения.

Указанная цель достигается посредством ревения следующих задач:

анализ методов к параметров оценхк хрупкое прочности строительно* стали и определение их места в системе критериев выборе материала «ля строительных конструкция.

* обоснование и проведение кикроструктурно» систематизации малоуглеродистых сталей, полученных при различных текпервтурно-•ремекккх условиях прокатки к термическом обработки.

методического обоснование м проведения экспренентальных исследований по количественном оценке параметров хрупкой прочности малоуглеродистой стали.

обработка и обобщение результатов исследовании с целью установления путем обеспечения высокого сопротивления хрупкому разруаени».

Нжумняя ряЛгуу-ц; заключается в ток, что применительно к

строительным конструкциям из термически упрочненной с прокатного нагрева малоуглеродистой стели.

-экслвримекгальио установлена фактическая сопротивляемость хрупким разрушениям при различных методах механических испытании;

-экспериментально установлены параметры оценки хрупком прочности необходимые для построения методики расчета элементов стальных конструкции.

Практическая ценность исследования заключается в разработке и внедрении Рекомендации ло изготовление и расчету на прочность с учеток хрупкого разрушения стальных конструкции из термически упрочив кна г о листового проката с уровнен предела текучести 326 МПа. а также конструкции мэ этого проката в объеме 1 тис. тонн.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационном работа докладывались и получили одобрение на научной семинаре кафедры технологии металлов Днепропетровского инженерно-строительного института; на научно-технической конференции "Интенсификация металлургических процессов и порыяение качества металла" - Н.-Кузнецк. 19Э6; на научно-техническоя конференции "Практика, проблемы разработки и внедрение ресурсосберегающих технологии" - Липецк. 1987; на всесоюзной научно-технической конференции "Проблеям повышения качества металлопродукции по основный переделай черной яеталлургим" - Днепропетровск, 1989; на VII всесоюзной конференции по динамике основании, фундаментов и подземных сооружении. Секция: Технология металлов Днепропетровск. 1989.

Результаты проведенных исследовании использовались в научно-исследовательских работах "Разработка физически обоснованных критериев прочности, в той числе при хрупкой разрушении, строительных сталей после термоиехакическои обработки". "Исследовать, разработать и организовать на толстолистовом стоне Э600 производство опатно-проныоленных партии низкоуглеродистои термоулрочненной стали, внедрить ее на заводах металлоконструкции Украины" выполненных в Днепропетровской ин»енерно-етроительноя институте в 1987-1992 гг..

Достоверности результатов обеспечена необходимым объело* экспериментальных исследования современники научно обоснованными

методами с применение* приборов проведших государственную поверку. Корректность построения матеиатичесхои иодели обеспечивается привлечением теории подобия, а также согласованностью результатов лабораторных и промышленных исследования.

ПуЛлиуяггии . По результата« диссертационных исследований олубли-ховано 10 работ.

работы. Диссретационная работа изложена на НО страницах основного машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, списка использованной литератур» и 120 наименований, приложении и иллюстрирована рисунками.

Ня яящкту ттпгятр)!: обоснование систематизации микроструктур малоуглеродистой стали, полученной в результате термической и термоиеханичесхои обработки; результата теоретических и экспериментальных исследовании определения хрупкой прочности малоуглеродистой стали, а так»е взаимосвязь различных методов исследовании; обоснование значимости отдельных параметров микроструктур» для обеспечения сопротивляемости стали хрупким разрушениям.

СОДЕЕВДШЕ РАБОТЫ Во введении обоснована необходимость эхсперикентально-теоретических исследовании хрупкой прочности термически упрочненной малоуглеродистой стали в многообразии подходов н методов ее определения, в связи с особенностями ее структура.

В первой глякя проанализирована проблема хрупкой прочности с тали м стальных конструкции и связанное с этим современное состояние и тенденции конструкционного материаловедения.На основании достижений различных областей науки, связанных с проблемой хрупких разрушении, показано первичность фактора

свойств стали и его интегральная роль в системе факторов хрупкой прочности. Сформулированы основные задачи металловедения в обеспечении высокой сопротивляемости хрупким разрушениям.

Принципиальная возможность значительного улучшения комплекса механических свойств малоуглеродистой стали путем термического упрчнения била установлена в 60-е года в работах академика АН УССР К.Ф.Стародубова. М.В.Приданцева, З.Н.Красильаикова и других. Однако, потребовалось значительное время для обеспечения повышения прочности и вязкости в промышленных условиях. В работе приводятся сведения о современных технологиях термического упрочнения, в первую очередь прикеняваихся для материала исследования.

Изложена современные физические представления о хрупкой прочности стали и еуаностъ подходов и ее объяснения в райках металлофизики (работы А.Х.Коттрелла, 0.Н.Романива, Дж.Ф.Нотта, В.Я.Меихова и других). Показана возможность объяснения с точки зрения этих подходов феноменологических теории хрупкого разрушения (труда А.Ф.Иоффе, К. Н.Давиденхова, Е.Орована, Я.Б.Фридмана, Г.В.Ужика). Кратко проанализированы основные положения механики разрушения,в первую очередь структурной механики разрувеиия (работа Дж.Ф.Нотта. В.С.Ивановой, Р.О.Ритчи и других).

По тггороа грпрп рассматриваются тенденции етруктурообраэования малоуглеродистых сталей. Предложены принципы иикроструктурной классификации. Показана сложность такой классификации, з&хлючаюцаяся в терминологической, а иногда этимологической, неопределенности понятий, сложности идентификации, различии подходов к классификации и толковании природы етруктурообраэования.

В качестве материала исследований был выбран прокат малоуглеродистой стали ВСтЗеп пяти толщин {12,18,20,25,30мк) проведоий термичесхое упрочнение в потоке стана "Азовсталь" по технологии разработанное ИЧМ м соответствоваввии требованиям ВСтЗеп Т2 по ТУ 14-1-3521-87, а т&хве горячекатанныя прокат соответствусцих плавок.

Выбор различных толщин проката позволил получить вирокия слектр структур термически упрочненном малоуглеродистой стали.

Для анализа струхтурообразования применялся метод совместного анализа реальных кривых изменения температуры листа и термохинетичесжои диаграммы распада аустенита данной стали. Для больвеи достоверности положение критических точек (Ао1 и Ааэ) на диаграмме рассчитывали по интерполяционным моделям их зависимости от концентрации химических элементов в стали.

Микроструктура те-иоупрочненного проката изучалась иа металлографических олифах, приготовленных в плоскости продольного сечения листа с помощью светового оптического микроскопа "НеорЬо1-21". Количественные характеристики микроструктуры размер зерна, содержание фаз и их распределение по размерам определяли на структурном анализаторе "Ер1диап1". Параллельно были проведены измерения микротвердости структурных составляющих ло толщине листа.

Обоснованность классификационных принципов иллюстрируется электронномикрографичесхини фотографиями.

Проведенные исследования показали неоднородность распределения микроструктуры по толщине листов, которая наиболее сильно вырокеиа в листах толщиной 20, 25 и 30 км. Мохно выделить несколько структурных зон различном толщины, плавно переходящих одна » другу». Поверхностная состоит из видмаквтетгового к

полиэдрического феррита и пеевдоэвтектоидв. В переходной зоне наблюдается измельчение полиэдрического феррита, а соотношение феррита и пеевдоэвтектоидв не изменяется. В центральной зоне наблюдается укрупнение зерна и увеличение количества ^иррита в структуре.

Наблюдаемое повышение механических свойств при термическом упрочнении малоуглеродистой стали происходит, очевидно, Злагодг'р.ч действию следующих механизмов упрочнения: (1) значительному увеличению лсевдозвтектоида. который равномерно распределяется в объеме; (2) измельчению перлитных участков - ь псевдозвтентоиде цементитные пластины представляют собой неоднородную карбидную фазу и состоят из отдельных субникросколических частиц цементита и д^-фаэы: (3) существенному измельчению ферритннг зерен; (4^ благодаря затруднению диффузионных процессов в ходе ускоренного охлаждения пресыщается углеродом, что зачительно увели швает его прочность. Прочность второй фазы при зтом снижается, что затрудняет образование зародышевых субмикрогреиин на границах фаз.

В треты-я гляид обосновывается и разрабатывается методика экспериментальных исследовании.методы ее математической обработки, а также приводятся се результаты. Исследование хрупюя прочности структур, получаемых при термическом упрочнении, достаточно сложная методическая задача, поскольку наблюдается как микроструктуриая, так и макроструктурная (по сечению прохата) неоднородности. Это предопределило весьма разнообразный и объемный комплехс экспериментальных исследовании.

9У I

МП« сед 9Й8 888 7ЕЗ 608 эм

4М

зев

77 93 ИЗ ГГЗ 2И 233 253 эта т.*

Рис. 1

г.е и

I

1 .

" 1

вл

8.4

V -I • •*

• •

вз газ г!з гзз газ т зо т*

Рис .2

;На первой этапе Силы проведены испытания на ударный изгиб и растяжение в впроко* температурной диапазоне для образцов.

вырезанных из поверхностных и средних слоев проката (си.рисунки 1 и 2).

Испытания на ударный изгиб включали испытания образцов с V- и Ц-образными концентраторами и образцов с предварительно наведенной трединои в температурном диапоэоне от 213 до 313К. При испытаниях регистрировались слвдусщив параметра разрушения энергия зарождения и развития разрушения, ударная вязкость, доля вязкой составляюяей и относительное сужение в изломе. После установления 95-процентных доверительных областей результатов испытании определялись производные параметры - критические температуры по различным методам. Помимо получения значительного объема данных для сравнительного анализа при испытании на ударный изгиб были выявлены наиболее текпературно чувствительные параметры разрушения и параметра имевшие наименьшим разброс результатов испытании в температурном диапазон, что имеет самостоятельное прикладное значение. При испытаниях на

растяжение определялись температурные зависимости, временного сопротивления разрыву, истинного - разрушающего разруиения, относительного сужения в изломе. Это позволило определить температурные зависимости предела текучести и минимального напряжения сопротивления микросколу Йпо.

Значительная часть исследований была посвядена испытаниям на трещиностояхость (вязкость разруиения). Проведение таких испытании потребовало изготовления специальной оснастки для наведения трещины, осудествления принятой схемы нагружения и регистрации смещения борегов трещины. Испытания проводились на образцах, вырезанных из проката пяти толщин в температурном диапазоне от 113 до 273К. Результата испытании были использованы

для получения геклературках зависимостей Ко (Кхо!, Je (Jl.o)(CM.p«ICyHXH 3 и 4)

Рис.З Рис.4

Ч^т^ерт^я rifrlf посвящена анализу результатов исследовании и испытании, а также прикладному применение полученных результатов.

Сопоставлением результатов количественных металлографических исследовании и экспериментально полученных значении напряжения сопротивления микроскопу было локаэанно, что минимальное значение напряжения сопротивления микросколу для структур термоупрочненнои малоуглеродистой стали R«o может быть теоретически рассчитано по известному уравнению:

Как, - 400 ч

в котором Rm измеряется в МПа, ad. - размер действительного зерна той структурной составляющей, объемная доля которой в структуре исследуемой стали больве, мк.

Сравнение значения сопротивления михросколу расчитанных ПО структурны* параметрам и полученных экспериментально для

некоторых структур приведены в таблице 1.________

Кол-во !?ка,МПа Кмо.МПа Отклоне-

феррит« феррит« ( энспер. ) (расчет пс ние, X

формуле)

65.8 6.47 1180 1220 3.3

82.3 13.46 1007 969 3.8

Экспериментально установленные температурные записикости предела текучест* были аппроксимированы уравнением экспоненциальной регрессии и приведены к виду:

Б» = ¿^ехр^ (1/Т-1/То)1 Анализ результатов испытании на вязкость разрушения показал их достаточно высокую сопротивляемость хрупкому разруяенив, в том числе * в сравнении со сталями аналогичного класса прочности. Было установлений, что структурные особенности термоупрочненном стали сказывает больиее влияние на показатели треииностоикости чем стеснение деформация перед вершиной трещины. Прокат толцинои 18-25км показал устойчиво высокий уровень вязкости, в то время как у проката толцинои 12 и 30 мм вязкость была понижен». Последнее, очевидно указывает на необходимость повывенного внимания к технологическим особенностям его упрочнения.

Специальным раздел главы посвящен практическому применению полученных результатов для оценки сопротивляемости хрупкому разрушению стали и конструкции из нее.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ШЕОДЫ

Основные результата выполненной работы, применительно х термически упрочненной малоуглеродистой стали могут быть сфоркули-рованв следующим образом:

1. Экспериментально и теоретически установлена количественная зависимость между структурой стали и ее сопротивляемостью хрупким разрушениям. Показана принципиальная возможность ислольеования физическое модели кикроскола для количественной оценки ее хрупкой прочности.

2. Б результате методической разработки и проведения эхепзримектальных исследований установлена фактическая сопротивляемость хрупкому разрушению, что позволило рекомендовать применение термически упрочненной малоуглеродистой стали в климатических районах с расчетной температурой эксплуатации до минус 70 С.

3. Полученные температурные зависимости параметров разрушения позволили количественно и качественно оценить сопротивляемость хрупким разрушения«.

4. Количественные металлографические исследования совместно с проведанными механическими испытаниями позволили указать основные механизмы повышения комплекса свойств.

Основные положения диссертации опубликованы ь работах: 1. Большаков Ь.И. ,-Лукьянскова А.Н.,Укеренксва К.А.,Володащик

В.А. , Лвсогор И.А.,Аскеров Х.А. Повышение долговечности

механизмов горного и литейного двора доменных печей //

Металлургическая к горнорудная лроивяленность, 19С4, Н 3, С.

54-55.

2. Большаков В.И.»Ролодащик В.А., Погребная Н.Э.,Ваганов В.Е..Аскеров Х.А.,Хотова Л.И. Создание оптимального субструктурного состояния с целью повышения трещиностойкости конструционнах свариваемых сталей // Интенсификация металлургических процессов и поввшэние качества металла: Тез. докл. науч.-техн. хонф. - Н.-Кузнецк, 1986. - С. 108.

3. Большаков В.И.,Снольянинова H.A..Антонов С.М..Аскеров Х.А. Влияние режимов термомеханячэсхоя обработки на конструктивную прочность строительной малоуглеродистой стали // Практика, проблемы разработки и внедрение ресурсосберегающих технологии: Теэ. докл. науч.-техн. хонф. - Липецк, 1987. - С. 11-12.

4. Большаков В.И.,Аскеров X.А.,Антонов С-М..Унереккова H.A., Лысогор И.А. Вязкость разрушения термомеханической упрочненной строительной стали // Разработка ресурсосберегающих технология, эффективных технологий производства строительных материалов и конструкций и ведения строительно-монтажных работ: Теэ. докл. респ. науч.-техн. конф. - Днепропетровск, 1988. -С. 31.

5. Большаков В.И., Аскеров Х.А., Антонов С.М.,/укьянскова А.Н. Повышение вязкости строительной стали ВСтЗсп термомеханическоя обработкой // Разработка ресурсосберегающих технологии, эффективных технологии производства строительных материалов и конструкций и ведения строительно-монтажных работ: Теэ. докл. респ. науч.-техн. конф. - Днепропетровск, 1988. - С. 136.

6. Большаков В.И., Аскеров Х.А., Котова Л.И., Погребная Н.Э. Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки // Теэ. докл. всесоюэ. науч.-техн. конф. - «., 1988. - с. 21.

?. Лукьянсхова А. Н.»Большаков В.И., Аскеров Х.А. Определение рациональных режимов охлаждения тернически упрочненного проката из низколегированной строительной стали // В книге: Современное оборудование и технология термической и химико-термичесхои обработки металлических материалов, М.:, 1989, с. 78.

8. Большаков Б.И..Смольянинова H.A.,Антонов С.М.,Аскерос Х.А. Особенности структуры ни окоуглеродчстов стали СтЗсп после термомеханичесхой обработки и ее влияния на свойства // Проблемы пови-шания качества металлопродукции по основным переделам черной металлургии: Тез. докл. всесоюз. науч.-техн. конф. - Днепропетровск, 1989. - С. 119.

9. Большаков В.И., Антонов С.И., Аскеров Х.А. Влияние масштаба на треииностоикость термически упрочненной малоуглеродистой стали // Производство и применение тернически упрочненного проката в строительстве: Сб. дохл. VII всесоюз. конф. по динамике основании, фундаментов и подземных сооружений - Днепропетровск, 1989. - С. 205-212.

10.Большаков В.И.,Снольянинова H.A..Антонов С.М..Асхеров Х.А. ,Крулиховсхая И.Г. Основные закономерности формирования структуры строительных сталей в процессе термомеханической обработки // Термомеханическая обработка металлических материалов. - М.: МДНТП, 1989. - С. 34-35.

Подписало к печати 16.12.19S2,

Формат Ъ0х84/16. Бумаге тапогр. № 2. Лечегь офсетная, Фяз.пл, 0,75. УЧ.-ИЗДЛ, 0,7. Усл.вл, 0,69. Ttopam 100 экз. Заказ 771. Бесплатно.

Днепропетровские метатлургическнй ивстатут, 320035, Днепропетровск, др. Гагарине, 4

ОЗ ДМегИ, 320005, Ловмааслое шоссе, 3-6.