Актуальные проблемы современной науки: тезисы докладов XV Международной научно-практической конференции (Москва - Астана - Харьков - Вена, 28 декабря 2016)
Секция: Технические науки
ТКАЧ ТАТЬЯНА ВАДИМОВНА
младший научный сотрудник лаборатории
экспериментальных научных исследований
Приднепровская государственная академия
строительства и архитектуры
г. Днепр, Украина
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРОКАТА ПОСЛЕ НАГРЕВА И ДЕФОРМАЦИИ В МЕЖКРИТИЧЕСКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР
Введение. Толстые листы из строительных низкоуглеродистых сталей являются массовым видом металлопродукции и широко применяются в промышленном и гражданском строительстве, сооружении мостов и небоскрёбов, магистральных нефте- и газопроводов. Различные сферы применения металла требуют повышения уровня механических свойств [1, 2].
С развитием крупногабаритного и высотного строительства, нефте- и газодобивыющей промышленности возрастает потребление более толстых, до 40…60 мм листов, при этом их ударная вязкость снижается. В связи с этим толстолистовой прокат, изготовляемый по технологии гарячей прокатки, не в полной мере соответствует предъявляемым к нему требованиям по механическим свойствам. Наиболее приемлемой, к настоящему времени, является технология контролируемой прокатки, которая повышает качество толстолистового проката [3-5].
Ранее одним из возможных путей снижения температуры вязко-хрупкого перехода применялась термическая обработка с отдельного нагрева, заключающаяся в закалке от температур межкритического интервала с высоким отпуском [6-9].
Вследствие вышеописанного возникает острая необходимость более подробного изучения механизмов структурообразования при нагреве, выдержки и охлаждении от температур межкритичекого интервала (МКИ), а также разработки по полученным результатам новых и корректиравания действующих температурно-деформационных параметров технологии для повышения ударной вязкости и прочности толстолистового проката.
Цель исследования – определение влияния формирования структуры при нагреве и деформации от различных температур МКИ с последующим ускоренным охлаждением на механические свойства толстолистового проката из низкоуглеродистых сталей 10Г2ФБ и 09Г2С.
Материалы и методики. Исследовали низкоуглеродистые стали 10Г2ФБ и 09Г2С, применяемые для изготовления толстолистового проката. Использовали световую качественную и количественную микроскопию, испытания механических свойств.
Температурную зону МКИ (727…910°С) поделили на 8 участков через каждые 25°С. Деформацию в лабораторных условиях осуществляли по следующему режиму: нагрев до 1000°С в течение 90 минут, перенос в печь, нагретую до выбранной температуры в МКИ, выдержка 10 минут, деформация на 45%, ускоренное охлаждение в масле.
Результаты исследования и их обсуждение.
В лабораторных экспериментах установлено, что структурные превращения в стали развиваются следующим образом. При нагреве до 1000°С формируется равновесная структура аустенита, который при снижении температуры до МКИ частично распадается с образованием зёрен избыточного феррита (до 10 мкм), количество которого зависит от выбранной температуры выдержки и деформации, при этом концентрация углерода в аустените повышается.
По мере накопления деформации обе фазы приобретают всё более высокую плотность дислокаций, которые формируются в разветвленную сеть малоугловых полигональных границ. Таким образом, чем ниже температура конца деформации в двухфазной области, тем большее количество зерен α-фазы выделится и подвергнется деформации. После окончания деформации, с началом охлаждения и понижением температуры, начинается распад нового, не свойственного исходному составу стали аустенита, в котором концентрация углерода составляет Cγмки (табл. 1.), происходит вторичное образование зерен феррита на большеугловых и полигональных малоугловых границах деформированного аустенита. Размер новообразовавшихся зерен феррита не достигает более 3 мкм. Значительная часть углерода при этом вытесняется в аустенит, где его концентрация повышается, но не достигает 0,8% С. При ускоренном охлаждении и снижении температуры ниже Аrз стартует бейнитная реакция в аустените.
Таблица 1
Теоретические расчетные количества фаз и концентрация углерода в них при различных температурах МКИ
Сталь 10Г2ФБ |
Сталь 09Г2С |
||||||||
tмки, °С |
γ, % |
Сγ, % |
α, % |
Сα, % |
tмки, °С |
γ, % |
Сγ, % |
α, % |
Сα, % |
885 |
70 |
0,14 |
30 |
0,005 |
885 |
63 |
0,14 |
37 |
0,005 |
860 |
41 |
0,23 |
59 |
0,007 |
860 |
37 |
0,23 |
63 |
0,007 |
835 |
27 |
0,34 |
73 |
0,01 |
835 |
25 |
0,34 |
76 |
0,01 |
810 |
20,5 |
0,44 |
79,5 |
0,013 |
810 |
18 |
0,44 |
82 |
0,013 |
785 |
16 |
0,53 |
84 |
0,015 |
785 |
15 |
0,53 |
85 |
0,015 |
760 |
13,5 |
0,63 |
86,5 |
0,017 |
760 |
12 |
0,63 |
88 |
0,017 |
735 |
11 |
0,75 |
89 |
0,019 |
735 |
10 |
0,75 |
90 |
0,019 |
Межкритический интервал разбили на три части, в зависимости от структурного соотношения и их влияния на механические свойства: верхнюю, среднюю и нижнюю. В верхней части МКИ (885...860°С) из аустенита выделяется некоторое количество избыточного феррита (≈30%), зёрна которого по размерам не превышают 10 мкм. В конечной структуре преобладает игольчатый феррит, т.е. бескарбидный верхний бейнит. Бейнитные пакеты более тёмного оттенка располагаются в ликвационных участках, обогащённых марганцем и микролегирующими добавками (рис. 1. а).
Рис. 2. Микроструктуры после деформации и ускоренного охлаждения от различных температур в МКИна примере стали 10Г2ФБ.
В средней части МКИ (835…785°С) понижение температуры конца деформации приводит к увеличению количества феррита с одной стороны, и к снижению количества бейнита с другой (рис. 1. б и в). Концентрация углерода в аустените повышается до ≈0,4% С, в следствии этого бескарбидный феррит уже не может образоваться, поэтому образуются кристаллы верхнего бейнита, с карбидными частицами по границам между рейками. В нижней части МКИ (760…735°С) в структуре увеличивается количество полигонизованного феррита до ≈70%, с развитой сетью субзеренных границ (рис 1. г). Остальной аустенит (0,7%С) распадается на нижний бейнит с многочисленными карбидами внутри него. Бейнитная составляющая при охлаждении заполняет оставшиеся объёмы аустенита, которые становятся более мелкими и разрознёнными, так как выделяющиеся кристаллы избыточного феррита многочисленны и расчленяют их на более мелкие фрагменты. Из части γ-фазы образуется ≈ 10% мелких зерен вторичного феррита (до 3 мкм).
На механические свойства толстолистового проката влияет формирование разнообразных по морфологии и химическому составу структурных составляющих после деформации и ускоренного охлаждения при различных температурах МКИ. Предел прочности (σB) после такой обработки не проявляет заметных колебаний и находится в диапазоне 770-790 H/мм2 (табл. 2.), поскольку не является структурно чувствительным показателем.
Таблица 2
Результаты механических испытаний, средние значения
(сталь 10Г2ФБ).
№ |
t, ºC |
Lo, мм |
δ5, % |
ψ, % |
σ0,2, Н/мм2
|
σB, Н/мм2
|
KCV+20, Дж/см2 |
KCV-40, Дж/см2 |
1 |
885 |
25,0 |
16,0 |
65,5 |
591 |
783 |
109 |
54 |
2 |
860 |
25,0 |
15,7 |
64,0 |
640 |
777 |
100 |
56 |
3 |
810 |
25,0 |
16,7 |
61,5 |
543 |
772 |
92 |
78 |
4 |
760 |
25,0 |
16,5 |
61,5 |
539 |
772 |
104 |
79 |
5 |
735 |
25,0 |
14,25 |
47,5 |
631 |
790 |
59 |
53 |
Предел текучести (σ0,2) существенно зависит от структурных изменений. После деформации и охлаждения от температур верхней части МКИ показатели предела текучести повышаются, так как в структуре преобладает игольчатый феррит. После обработки в средней части МКИ выделяется все большее количество избыточного феррита, поэтому σ0,2 несколько снижается. При температурах нижней части МКИ σ0,2 начинает возрастать, так как в образовавшемся (≈ 80%) феррите после деформации образуется сеть полигональных границ, то есть действует субзеренный механизм упрочнения.
Изменение ударной вязкости (KCV) стали противоположно изменению предела текучести (табл. 2.). При отрицательных температурах зависимость KCV-40 явно выражена. При верхних температурах МКИ значения ударной вязкости низкие из-за наличия в структуре большого количества игольчатного феррита или верхнего бейнита. С понижением температуры и увеличением доли мелких зерен феррита вязкость начинает возрастать. В нижнем интервале МКИ ударная вязкость снижается из-за наличия нижнего бейнита, который наследовал повышенную концентрацию углерода из аустенита (до 0,75%).
Таким образом, полученная информация позволяет судить о формировании структуры и свойств толстолистового проката из низкоуглеродистых сталей в зависимости от температуры конца деформации в МКИ с последующим ускоренным охлаждением. А также вносить изменения в температурные, деформационные и временные параметры производства листов по технологии контролируемая прокатка с ускоренным регламентированных охлаждением.
Выводы:
Литература: