Теоретичні основи формування субструктури переохолодженного аустеніту та механічних властивостей мікролегованих будівельних сталей

Abstract

UK: Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми отримання в металопрокаті для зварних будівельних конструкцій підвищеного рівня експлуатаційних властивостей шляхом розробки удосконаленої технологічної схеми виробництва високоміцного прокату з низьковуглецевих, низько-, мікро- та нелегованих сталей. Проблему вирішено шляхом виявлення загальних закономірностей формування в області дифузійного механізму розпаду переохолодженого аустеніту нанорозмірних структурних елементів та особливостей їх впливу на підвищення механічних властивостей будівельного металопрокату з низьковуглецевих низько-, мікро- та нелегованих сталей. Актуальність роботи обумовлена пошуком нових резервних можливостей удосконалення структури і властивостей металопрокату з низьковуглецевих низько, мікро та нелегованих сталей, і розробку нових та вдосконалення існуючих технологій виробництва високоміцного товстолистового металопрокату, який би задовольняв сучасним потребам будівельної індустрії. Згідно з вимогами чинної в будівництві нормативної документації, сталь для металевих будівельних конструкцій, в тому числі відповідального призначення, використовується у ферито-перлітному структурному стані. При цьому, різноманіття визначень перліту та моделей його утворення, в першу чергу, пов’язано с тим, що в реальних перлітних колоніях будова як цементитної, так і феритної складових є більш складною, чим у запропонованих 3 теоретичних моделях: в залежності від кінетики процесу зросту одна і таж колонія може набувати декількох морфологічних форм. З іншого боку, тенденції розвитку сучасного матеріалознавства йдуть шляхом зменшення розмірів структурних складових (особливо це стосується сталей, призначених для будівельних металевих конструкцій відповідального призначення). Отримання нанорозмірних структурних елементів в металопрокаті дозволить додаткового збільшити міцності властивості при збереженні пластичних та в’язкісних характеристик. Типовими прикладами таких нанорозмірних елементів структури є внутрішньофазні та міжфазні границі, цементний каркас перлітної колонії, міжпластинчата відстань в перлітній колонії. Виходячи з цього, необхідним є проведення поглибленого комплексу досліджень, спрямованих на виявлення загальних закономірностей формування елементів тонкої структури в області дифузійного механізму розпаду переохолодженого аустеніту низьковуглецевих сталей та особливостей їх впливу на підвищення комплексу механічних властивостей будівельного металопрокату. Таким чином, метою роботи є додаткове збільшення міцностних властивостей при збереженні пластичних та в’язкісних характеристик металопрокату для будівельних металевих конструкцій на основі поглибленого дослідження впливу нанорозмірних елементів, які формуються під час дифузійного розпаду аустеніту. Поставленої мети вдалося досягнути за рахунок: встановлення основних особливостей утворення перлітної колонії в доевктектоїдних будівельних сталей та аналізу морфології структурних складових перлітної колонії; аналізу мікроструктури продуктів дифузійного перетворення аустеніту та визначені механізму зросту перлітної колонії; дослідження взаємних орієнтацій між складовими та феритною матрицею в перлітному нодулі; застосування математичного апарату теорії обробки масивів експериментальних даних при визначення кількісного взаємозв’язку між параметрами процесів, які досліджуються; аналізу впливу структурних 4 елементів на кінетику розповсюдження пластичної деформації та зародження руйнування у низьковуглецевих низько-, мікро- та нелегованих сталях після різних видів термо-механічної обробки. Наукове значення роботи полягає в удосконаленні теорії збереження дислокаційної субструктури аустеніту низьковуглецевих низько-, мікро- та нелегованих сталей в верхній частині міжкритичного інтервалу температур шляхом урахування виділення фериту не тільки по великокутовим а й по дислокаційним полігональним границям аустеніту. Це призводить до блокування процесів рекристалізації в аустеніті та формуванні над дрібного зерна фериту перед подальшою контрольованою деформацією. В дисертації розглянуто основні ідентифікаційні ознаки, що вказують на приналежність однієї чи іншої границі у фериті до спеціальних в концепції решіток співпадаючих вузлів, що володіють зниженою поверхневою енергією. На підставі дослідження зерногранічної структури встановлено наявність спеціальних низькоенергетичних границь у феритній складовій низьковуглецевих низьколегованих сталей 10Г2ФБ, 09Г2С, Ст3, 06Х1 та оцінено відсоткове співвідношення різних типів границь. Таким чином, виявлено залежність між технологічною схемою виробництва металопрокату та морфологією внутрішньофазних границь. Встановлено морфологічні особливості тонкої структури цементитного каркасу колоній квазіевтектоїду та проаналізовано відмінностей в морфології перлітних колоній низьковуглецевих низько-, мікро- та нелегованих сталей широко спектру технологій виробництва товстолистового прокатку. Проведений комплекс досліджень тонкої структури показав, що зародки перлітної фази з’являються на стиках границь аустенітних зерен та поверхнях розділу матриця–частка другої фази. Зріст колонії перліту припиняється, в більшості випадків, при зіткненні з іншою колонією, фронт зросту якої має протилежний напрямок. На основі аналізу літератури та металофізичного підходу запропоновано фізичну модель формування перлітної колонії в 5 низьковуглецевих низько-, мікро та нелегованих сталях. Показано, що колонії перліту в процесі росту зазнають кілька морфологічних переходів: спіральний двофазний зародок → розростання пластин і дефектів – стійких щілин → перехід пластинчастого цементиту в стрічковий →перетворення стрічок у стрижні. Проаналізовано взаємозв'язок між морфологічним типом колонії перліту та її міцносними характеристиками. Показано, що найвищу мікротвердість мають колонії стрічкового типу. Встановлено, що пластична деформація починаються від місць з підвищеним рівнем вільної енергії і розповсюджується вздовж кристалографічних площин, які складають найменший кут із напрямком максимального дотичного напруження від зовнішнього навантаження. При цьому показано, що пластична деформація, створює періодично неоднорідну зміцнену середу, яка буде визначати напрям розвитку тріщини. При умовах навантаження, що мають місце в стандартних випробуваннях на розтяг, опір матеріалу відриву долається в структурних складових з меншим опором пластичної деформації, тобто у фериті, так як в процесі пластичної деформації тут виникають залишкові напруги, котрі поступово наростають до досягнення граничного стану. Така концентрація напружень спостерігається, поблизу границь зерен. При рівномірному розподілі напруги в критичному перетині сталевої деталі пластична деформація може розвиватися майже одночасно у ряді зерен фериту. При монотонному збільшенні навантаження утворюється велика кількість мікротріщин, які зрештою об'єднуються, утворюючи поверхню зламу з великим числом нерівностей і зміною напрямку розвитку від зерна до зерна. Границі зерен утворюють сітку, яка вирівнює розподіл деформацій між зернами полікристалічної структури. Удосконалено моделі зародження та розповсюдження руйнування у сталях з ферито-перлітною структурою. Встановлено, що зародження в’язкого руйнування, можливо описати дією трьох механізмів: початкова стадія – 6 формування дислокаційних петель навколо частки (модель Броека); наступні стадії зросту пори відбуваються за рахунок накопичення дислокацій. При цьому, ця стадія відбувається під дією обох компонентів напруги нормальної і зсувної. Проаналізовано особливості процесів структуроутворення, які відбуваються в металопрокаті з низьковуглецевих низько-, мікро- та нелегованих сталей при застосуванні найбільш поширених технологічних схем виробництва: гарячої та контрольованої прокатки. Встановлено, що ефективний і стабільний вплив деформації на структуру сталей визначається наявністю і величиною трьох температурних інтервалів, обмежених критичними точками перетворення і температурами рекристалізації деформованого аустеніту. З застосуванням математичного апарату теорії обробки масивів експериментальних даних кількісно проаналізовано взаємозв’язок між параметрами технологічних схем виробництва низьковуглецевих низько-, мікро- та нелегованих сталей (гаряча прокатка, контрольована прокатка) та основними механічними властивостями металопрокату. При цьому показано, що зміна температурного інтервалу чистової прокатки призводить до змінення міцностих характеристик (для технологічної схеми контрольованої прокатки). Пластичні властивості залишаються незмінними. З застосуванням математичного апарату однопараметричного (для гарячої прокатки) та багатопарметричного регресійного аналізу (для контрольованої прокатки) побудовано математичні моделі взаємозв’язку між механічними характеристиками та температурами початку та кінця чистової прокатки. Аналіз моделей показав, що підвищення температури початку чистової прокатки (для контрольованої прокатки) призведе до підвищення рівня механічних характеристик, зокрема міцності. Для технологічної схеми гарячої прокатки позитивний вплив на комплекс властивостей буде оказувати розширення температурного діапазону гарячої деформації. 7 На підставі отриманих результатів теоретично обґрунтовано температурно-деформаційний режим гарячої прокатки в міжкритичному інтервалі температур, яка призводе до збереження дислокаційної субструктури аустеніту до нижньої границі міжкритичного інтервалу температур. Як наслідок, деформація в міжкритичному інтервалі температур дозволить отримати наддрібну структуру деформованого фериту та перліту, характерною особливістю якої є відсутність ферито-перлітної смугастості. Ця концепція реалізована для низько-, мікро- та майже нелегованих сталей. Таким чином, аналіз результатів проведених досліджень показав можливість корегування процесів формування структурних і субструктурних компонентів шляхом безперервного деформування в міжкритичному інтервалі температур. При цьому, зниження температури кінця гарячої прокатки до нижній границі міжкритичного інтервалу дозволить додатково покращити та стабілізувати комплекс механічних характеристик прокату для будівельних конструкцій. Збереження стабільної полігональної структури аустеніту, яка формується під час деформації в між критичному інтервалі температур, призводить до формування розвиненої ферито-перлітної структури з заданим типом цементитного каркасу перлітної складової. За рахунок цього, виникає можливість підвищити і стабілізувати міцностні властивості не тільки в сталях, с карбідоутворюючими елементи, а також і в матеріалах без додаткового легування. Використаний в роботі комплексний підхід щодо з’ясування принципів формування тонкої структури сталей в області дифузійного розпаду аустеніту (фериту та перліту) дозволив розробити технологічну схему виробництва прокату з низьковуглецевих низько-, мікро та нелегованих сталей, яка дозволяє розкрити резервні можливостей вітчизняних технологій виробництва та вдосконалити структуру і властивості високоміцного прокату з низьковуглецевих сталей, таким чином, щоб задовольнити вимоги сучасної вітчизняної будівельної індустрії. Отримані результати можуть бути 8 кваліфіковані як рішення важливої науково-прикладної проблеми, що має вагоме значення з точки зору удосконалення прокату з низьковуглецевих низько-, мікро та нелегованих сталей, що виробляється вітчизняними підприємствами.

EN: The work deals with solving scientific-applied problem of getting in metal-roll for welding building constructions of increased level of operating capacity by means of elaboration of the improved technological production scheme of high-strength rolled metal from low-carbon low-, micro- and non-alloyed steels. The problem is solved by means of the detection of general regularities of nanoscale structural elements formation in the area of diffusive mechanism of supercooled austenite decay and the peculiarities of their influence on the increase in mechanic properties of building metal-roll from low-carbon steels. The urgency of the work is conditioned by the search for new additional opportunities to improve the structure and the properties of metal-roll from lowcarbon low-, micro- and non-alloyed steels. The elaboration of new and improvement of the existing technologies of production of high-strength plate metal-roll that satisfies the modern demands of building industry was also of primary importance. 9 According to the demands of current building standard documents, the steel for metal building constructions, including appropriate applicability, is used in ferriteperlite structural state. At the same time, the diversity of perlite definitions and models of its formation, first of all, is connected with the fact that in real perlite colonies the creation of both cementite and ferrite components is more complicated than in suggested theoretical models: depending on kinetics of the growth process one and the same colony can obtain several morphological forms. On the other hand, the tendencies of modern material science development tend to decrease the size of structural components (especially it concerns the steels for building metal constructions of appropriate applicability). Obtaining nanoscale structural elements in metal-roll will enable to increase additionally the strength properties while keeping ductile and viscosity characteristics. The typical examples of such nanoscale elements of structure are innerphase and interphase boundaries, cementite frame of the perlite colony, inter-plate distance in the perlite colony. Hence, it is necessary to carry out a wide complex of research aimed at detection of general regularities of the thin structure elements formation in the area of diffusive decay mechanism of supercooled austenite of low-carbon steels and peculiarities of their influence on the increase in the complex of mechanic properties of building metal-roll. Thus, the aim of the work is an additional increase in strength properties while keeping ductile and viscosity characteristics of metal-roll for building metal constructions on the basis of a grounded research of the influence of nanoscale elements that are formed during the diffusive decay of austenite. This aim was reached thanks to: the determination of the main peculiarities of perlite colony formation in pre-eutectoid construction steels and the analysis of the morphology of perlite colony structural components; the study of mutual orientations between the components and ferrite matrix in perlite nodule; the application of mathematical apparatus of the theory of processing arrays of experimental data, while detecting the quantitative interconnection between the parameters of the process studied; the 10 analysis of structural elements influence on the kinetics of spreading the plastic deformation and the initiation of destruction in low-carbon low-, micro- and nonalloyed steels after different types of thermo-mechanic processing. The scientific value of the work is to improve the theory of conservation of dislocation substructure of austenite of low-carbon low-, micro- and non-alloyed steels in the upper part of intercritical temperature range by means of considering ferrite separation not only at large-angle but also at dislocation polygonal boundaries of austenite. It leads to blocking the processes of recrystallization in the austenite and forming fine-grained ferrite before further controlled deformation. The dissertation examines the main identification features that indicate the belonging of one or another boundary in the ferrite to the special in conception of lattices of matching nodes, which possess reduced surface energy. On the basis of the grain boundary structure, it is detected that there are special low-energetic boundaries in the ferrite component of low-carbon low-alloyed steels 10G2FB, 09G2S, St3, 06H1. The percentage of different types of these boundaries is evaluated. Thus, the dependence between the technological scheme of metal-roll production and the morphology of innerphase boundaries is defined. Morphological peculiarities of the thin structure of cementite framework of quasi-eutectoid colonies are determined. The differences in morphology of perlite colonies of low-carbon low-, micro- and non-alloyed steels of a wide specter of production technologies of thick-sheet rolling are analyzed. The conducted research of the thin structure showed that the nuclei of the perlite phase appear on the boundary joints of austenite grains and the separation surfaces matrix-part of the second phase. The perlite colony growth stops, in the majority of cases, while colliding with another colony, the growth front of which has the opposite direction. On the bases of literature analysis and metallophysical approach, a physical model of perlite colony formation in low-carbon low, micro- and non-alloyed steels was introduced. It is shown that perlite colonies in the process of growth undergo several morphological transitions: spiral two-phase nucleus → accretion of plates and defects 11 – stable cracks → transition of lamellar cementite to tape → conversion of tapes into rods. The interconnection between the morphological type of perlite colony and its strength characteristics is analyzed. It is shown that the colonies of a tape type have the highest microhardness. It is stated that ductile deformation starts from the places with the enlarged level of free energy and spreads along crystallographic areas that make the smallest angle with the direction of maximal tangential stress from outer loading. It is shown that ductile deformation creates periodically inhomogeneous hardened environment, which will define the direction of crack growth. Under the conditions of loading, which happen in standard tensile tests, the resistance of material detachment is overcome in structural components with a lower resistance of ductile deformation, i.e. in ferrite because during the process of ductile deformation, residual strengths appear which gradually grow to reach the boundary state. Such concentration of strengths is observed close to grain boundaries. At the even strength spreading in the critical cross section of the steel part, ductile deformation can develop almost simultaneously in a number of ferrite grains. At the monotonous increase in loading a great number of micro cracks appear, which eventually unite, making the fracture surface with a large number of imperfections and the change of the direction from grain to grain. Grain boundaries create a net that evens the separation of the deformations among the grains of poly-crystal structure. The models of initiation and spreading the destruction in steels with ferriteperlite structure are perfected. It is found out that the initiation of viscous destruction can be described by the activity of three mechanisms: the initial stage – the formation of dislocation loops near the part (Broek`s model); the next stage of pore growth happens owing to the accumulation of dislocations. Herewith, this stage occurs under the activity of both strength components normal and sliding. The peculiarities of structure-creation processes are analyzed, which happen in metal-roll with low-carbon low-, micro- and non-alloyed steels during the use of the 12 most wide-spread technological production schemes: hot and controlled rolling. It is found out that the effective and stable deformation influence on the steel structure is determined by the presence and the size of three temperature intervals limited by critical points of transformation and the temperatures of recrystallization of the deformed austenite. With the application of mathematical apparatus of the theory of experimental data array processing, the interconnection between the technological parameters of production schemes of low-carbon low-, micro- and non-alloyed steels (hot rolling, controlled rolling) and the main mechanic metal-roll properties is quantitatively analyzed. Hereby, it is shown that the change of the temperature interval of finish rolling leads to the change of strength characteristics (for the technological scheme of controlled rolling). Ductile peculiarities remain constant. With the application of mathematic apparatus of one-parameter (for hot rolling) and multiparmetry regression analysis (for controlled rolling), mathematic models of interconnection between mechanic characteristics and temperatures of the beginning and the end of finish rolling are created. The analysis of the models showed that the increase in the temperature of the beginning of finish rolling (for controlled rolling) would lead to the increase in the level of mechanic characteristics, particularly strength. For the technological scheme of hot rolling, widening of temperature range of hot deformation will have a positive influence on the properties complex. On the basis of the obtained results, temperature-deformation regime of hot rolling in intercritical temperature interval is theoretically grounded, which leads to the conservation of the dislocation austenite substructure to the lowest boundary of intercritical temperature interval. As a result, the deformation in intercritical temperature interval will enable to obtain a fine structure of the deformed ferrite and perlite, the peculiarity of which is the absence of ferrite-perlite striation. This conception is realized for low-, micro- and almost non-alloyed steels. 13 Thus, the analysis of the research results proved the possibility to correct the processes of the formation of structure and substructure components by means of constant deformation in intercritical temperature interval. Herewith, the decrease in the temperature of the end of hot rolling to the lowest boundary of intercritical interval will make it possible to improve further and stabilize the complex of mechanic characteristics of rolling for building constructions. The conservation of a stable polygonal structure during the deformation in the intercritical temperature interval leads to the formation of a developed ferrite-perlite structure with a certain type of cementite carcass of the perlite component. Due to this, it becomes possible to increase and stabilize the strength properties not only in steels with carbide-forming elements but also in materials without additional alloying. The complex approach, applied in the work, as for the clarification of principles of thin structure steel formation in the area of diffusive decay of austenite (ferrite and perlite) made it possible to work out the technological scheme of rolling production with low-carbon low-, micro- and non-alloyed steels, which enables to reveal the backup capabilities of domestic production technologies and to improve the structure and properties of high-strength roll from low-carbon steels the way to meet the demands of modern domestic building industry. The obtained results can be classified as the solution to the important scientific-applied problem, which has a significant importance in terms of rolling improvement with low-carbon low-, microand non-alloyed steels produced by domestic enterprises.