Підвищення механічних властивостей сталі 10Г2ФБ усуненням перлітної смугастості - Автореферат

Однією з причин, через які ця сталь до останнього часу не використовується у будівництві, є анізотропія механічних властивостей, повязана з наявністю в ній перлітної смугастості. В той же час, при використанні будівельних металевих конструкцій, наприклад, двотаврових балок, які працюють в умовах динамічних навантажень з великим згинальним моментом, низькі механічні властивості в напрямку, перпендикулярному до площини листа (Z-напрямку), можуть спричинити до розшарування металу і руйнування конструкції. Дисертація виконувалась відповідно до науково-дослідної роботи "Дослідження, розробка та впровадження маловуглецевих низьколегованих сталей для виготовлення металічних конструкцій масового призначення", що виконується кафедрою матеріалознавства і обробки матеріалів Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Робота є однією із складових частин наукових досліджень, що виконуються в рамках науково-дослідних тем "Дослідження аустенітно-бейнітних перетворень у вуглецевих і низьколегованих сталях у процесі ТМО" (Державний реєстраційний номер 0102V002363), "Дослідження структурних перетворень у вуглецевих низьколегованих будівельних сталях при ТМО і газо-термічних покриттях" (Державний реєстраційний номер 0106V005345). Розробити і рекомендувати для впровадження у виробництво вдосконалених технологічних переділів при виготовленні товстого листа сталі 10Г2ФБ, що дозволить за рахунок значного подрібнення зерен фериту і перлітних колоній поліпшити комплекс експлуатаційних характеристик даної марки сталі, особливо в Z-напрямку.У вступі обґрунтовано вибір і актуальність напрямку досліджень, мета, завдання і методи досліджень, наукова новизна та практичне використання результатів дисертаційної роботи, показано особистий внесок пошукача та відомості про апробацію результатів досліджень. У першому розділі розглянута ефективність використання сталей підвищеної міцності в будівництві, показано, що підвищення міцності металу дає змогу знизити вагу металоконструкцій, підвищити технологічність за рахунок монтажу укрупненими елементами, скоротити обсяг зварювальних робіт у загальному часі будівництва обєкта. Аналіз літературних джерел показує, що сталі такого класу могли б успішно використовуватись при виготовленні будівельних металоконструкцій за умов зниження анізотропії механічних властивостей готового прокату. Для оцінки розмірів зерен аустениту розроблена нова методика визначення розміру зерна аустеніту за кінцевою ферито-перлітною структурою металу, яка базується на оцінці відстані між центрами перлітних смуг. Таким чином, структури можна представити у вигляді кулястих перерізів радіусом 0,8164R (де R - середній радіус апроксимованого кулею зерна аустеніту), тоді відстань між центрами перерізів аустенітних зерен на шліфі припускаємо рівною середньому розміру зерна.Показано, що після гомогенізації сталі 10Г2ФБ при температурі 1150ЄС протягом 4 годин сегрегація марганцю незначна, додаткове нагрівання до температури 950ЄС з витримкою 30 хвилин, деформацією на 60% з наступним гартуванням у маслі підвищує ступінь сегрегації марганцю, а після додаткового нагрівання до температури 950ЄС з витримкою 0,5 години і охолодження разом із піччю сегрегація марганцю стає яскраво вираженою, а марганець зосереджується, в основному, в перлітних смугах. Встановлено, що в сталі 10Г2ФБ при розтягуванні в напрямку, перпендикулярному до площини листа, у перлітних смугах виникають пори, розвиток яких є причиною пониженої міцності і пластичності в цьому напрямку. Лабораторна гаряча деформація сталі 10Г2ФБ оброблена за режимом: нагрів до температури 1150ЄС, витримка 4 години, підстуження до 950ЄС, деформація одновісним стисненням з е = 60 % з одночасним охолодженням до температури 750ЄС з наступним охолодженням у масло, дозволила значно знизити утворення перлітної смугастості та отримати феритно-перлітну структуру з середнім розміром зерен менше 5 мкм і високими ізотропними механічними властивостями. (здобувач експериментально показав, що у сталі 10Г2ФБ можливо отримати несмугасту ферито-перлітну структуру з розміром зерна фериту та перліту до 5 мкм; встановив, що при зменшенні зерна аустеніту менше 8 мкм спостерігається зменшення кількості перліту нижче розрахованого за хімічним складом сталі 10Г2ФБ (12,5%)). (здобувачем проведено дослідження мікроструктури товстолистової сталі 10Г2ФБ, що піддавалась деформації розтягненням у напрямку нормалі до площини листа; виявив підвищену текучість металу у місцях, де перлітна смуга не доходить до бокової поверхні зразка; виявив, що найбільше утворення пор утворюється в перлітних смугах, які разом із місцевим звуженням можна вважати основною причиною низьких механічних властивостей сталі 10Г2ФБ у напрямку нормалі до площини листа, отриманого контрольованою прокаткою).

Основний зміст роботи

1. Аналіз літературних джерел показав, що за кордоном найефективніше використовуються сталі підвищеної і високої міцності в елементах, які працюють на розтяг та згин.

2. Встановлено, що із сталей вітчизняного виробництва перспективними для використання в великопрольотних та багатоповерхових будівель є сталі, які використовуються в теперішній час для виготовлення труб великого діаметра та зєднувальних деталей магістральних нафто - газопроводів.

3. Розроблена нова методика оцінки середнього розміру зерна аустеніту шляхом вимірювання середньої відстані між перлітними смугами готового прокату з низьковуглецевих мікролегованих сталей.

4. Порівняння отриманих середніх значень величини зерна аустеніту показало, що сталь виробництва ОАО "ММК ім. Ілліча" поступається більшості зарубіжних зразків, отже, зменшення зерна аустеніту в цій сталі є резервом поліпшення її механічних властивостей.

5. Показано, що після гомогенізації сталі 10Г2ФБ при температурі 1150ЄС протягом 4 годин сегрегація марганцю незначна, додаткове нагрівання до температури 950ЄС з витримкою 30 хвилин, деформацією на 60% з наступним гартуванням у маслі підвищує ступінь сегрегації марганцю, а після додаткового нагрівання до температури 950ЄС з витримкою 0,5 години і охолодження разом із піччю сегрегація марганцю стає яскраво вираженою, а марганець зосереджується, в основному, в перлітних смугах.

6. Встановлено, що в сталі 10Г2ФБ при розтягуванні в напрямку, перпендикулярному до площини листа, у перлітних смугах виникають пори, розвиток яких є причиною пониженої міцності і пластичності в цьому напрямку. При розтягуванні сталі 10Г2ФБ промислового виробництва в напрямках, що лежать у площині листа, переважного виникнення пор у перлітних смугах не спостерігається.

7. Лабораторна гаряча деформація сталі 10Г2ФБ оброблена за режимом: нагрів до температури 1150ЄС, витримка 4 години, підстуження до 950ЄС, деформація одновісним стисненням з е = 60 % з одночасним охолодженням до температури 750ЄС з наступним охолодженням у масло, дозволила значно знизити утворення перлітної смугастості та отримати феритно-перлітну структуру з середнім розміром зерен менше 5 мкм і високими ізотропними механічними властивостями.

8. Установлено, що зменшення кількості перліту зі зменшенням розмірів зерен фериту повязане з утворенням твердого розчину вуглецю в фериті.

9. На основі проведеного комплексу досліджень, а також аналізу їх результатів розроблені і запропоновані технологічні схеми виробництва товстого листа із сталі 10Г2ФБ, включаючи отримання дрібного зерна аустеніту, та, відповідно, фериту і колоній перліту. Ці технологічні схеми запропоновані для дослідно-промислової прокатки на обладнанні металургійних заводів України.

Список опублікованих праць здобувача

1. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю. И., Саркиц И.Г., Василенко Т.С. Методика измерения среднего размера аустенитного зерна по структуре горячекатаных микролегированных сталей // Металознавство та термічна обробка металів. - 2001.- № 2. - С. 4 -10. (здобувач запропонував новий спосіб оцінювання середнього розміру аустенітних зерен перед останньою гарячою прокаткою мікролегованих сталей з ферито-перлітною структурою).

2. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю.И., Саркиц И.Г., Буньковская Т.В. Измельчение зерна аустенита и феррита стали 10Г2ФБ // Металознавство та термічна обробка металів. - 2001. - №4. - С. 4 - 10. (здобувач експериментально показав, що у сталі 10Г2ФБ можливо отримати несмугасту ферито-перлітну структуру з розміром зерна фериту та перліту до 5 мкм; встановив, що при зменшенні зерна аустеніту менше 8 мкм спостерігається зменшення кількості перліту нижче розрахованого за хімічним складом сталі 10Г2ФБ (12,5%)).

3. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю. И. Новый механизм торможения роста зерна феррита в микролегированных сталях // Перспективные задачи инженерной науки: Сб. науч. трудов. - Вып. 3. / Под общ. ред. акад. МИА, д.т.н., проф. В.И. Большакова. - Днепропетровск: GAUDEAMUS. - 2002. - C. 112-116. (здобувач запропонував новий механізм затримання росту феритних зерен у низьковуглецевих сталях за рахунок утворення мікросмуг перліту в процесі гарячої пластичної деформації; знайдено новий ефект зменшення кількості перліту в низьковуглецевих сталях при зменшенні зерна фериту; експериментально довів можливість подрібнення зерна аустеніту в сталі 10Г2ФБ менше 6 мкм).

4. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю. И., Фролкова О.Н. Природа перлитной полосчатости в низкоуглеродистых сталях // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - Вып. 27. Ч. 2 / Под общ. ред. д.т.н., проф. В. И. Большакова. - Днепропетровск: ПГАСА.- 2004. - С. 167. (здобувачем розглянуті механізми утворення перлітної смугастості, виявив призупинення перлітної реакції при подрібненні феритних зерен у сталі 10Г2ФБ).

5. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю. И. Изменение структуры толстолистовой стали 10Г2ФБ при растяжении // Металознавство та термічна обробка металів.- 2004.- № 2-3.- С. 76 - 79. (здобувачем проведено дослідження мікроструктури товстолистової сталі 10Г2ФБ, що піддавалась деформації розтягненням у напрямку нормалі до площини листа; виявив підвищену текучість металу у місцях, де перлітна смуга не доходить до бокової поверхні зразка; виявив, що найбільше утворення пор утворюється в перлітних смугах, які разом із місцевим звуженням можна вважати основною причиною низьких механічних властивостей сталі 10Г2ФБ у напрямку нормалі до площини листа, отриманого контрольованою прокаткою).

6. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю. И., Фролкова О.Н. Вторичная рекристаллизация как причина перлитной полосчатости стали 10Г2ФБ // Металознавство та термічна обробка металів.- 2004. - № 4. - С. 42 - 46. (здобувач шляхом лабораторного моделювання процесу гарячої прокатки товстого листа сталі 10Г2ФБ підтвердив можливість росту крупного зерна аустеніту в цій сталі у процесі транспортування раскатів литих слябів між станами чорнової та чистової прокатки на металургійних заводах).

7. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю. И. Особенности формирования перлитной полосчатости в толстолистовой стали 10Г2ФБ // Металознавство та термічна обробка металів. - 2005. - № 1. - С.15-25. (здобувачем показано, що у процесі охолодження розпад аустеніту відбувається за рахунок зародження кристалів фериту на границях зерен аустеніту та росту їх вглиб аустенітного кристалу з відтісненням вуглецю до його центру).

8. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю. И., Фролкова О.Н. Перлитная полосчатость и анизотропия механических свойств толстолистовой стали 10Г2ФБ // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - Вып. 32. Ч.1. /Под общ. ред. д.т.н., проф. В.И. Большакова. - Днепропетровск: ПГАСА.- 2005. - С. 244 - 252. (здобувач розробив методику дослідження анізотропії механічних властивостей листової сталі товщиною 18 мм та більше методом мікромеханічних випробувіань).

9. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Спильник А. Я. Изменение параметра решетки феррита при устранении перлитной полосчатости в стали 10Г2ФБ // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - Вып. 36. Ч.3. /Под общ. ред. д.т.н., проф. В. И. Большакова. - Днепропетровск: ПГАСА.- 2006. - С. 153-162. (здобувач шляхом рентеноструктурних досліджень показав, що у процесі гарячої пластичної деформації у сталі 10Г2ФБ можливе розчинення вуглецю за типом впровадження, про що свідчить збільшення параметру решітки фериту більше, ніж на 0,0004 нм).

10. Большаков В. И., Воробьев Г. М., Тютерев И. А., Хоменко Ю.И. Изменение микроструктуры стали 10Г2ФБ при скоростном нагреве и охлаждении в процессе сварки // Теория и технология процессов пластической деформации - 2004: Тезисы докладов. /МИСИС, Москва.- 2004. - С. 219-221. (здобувач розробив методику дослідження анізотропії механічних властивостей листової сталі товщиною 18 мм та більше методом мікромеханічних випробувіань).