Особливості формування структури і властивостей зони термічного впливу зварних з’єднань із мікролегованих будівельних сталей

Abstract

UK: Дисертаційна робота присвячена встановленню взаємозв’язку між механізмами структуроутворення та механічними властивостями листів після лабораторного режиму вдосконаленої контрольованої прокатки сталей 09Г2С та 10ХСНД та структуроутворенням і механічними властивостями в зоні термічного впливу та основного металу після зварювання за найбільш розповсюдженими при будівництві режимами. Одним із можливих шляхів використання вітчизняного металопрокату на внутрішньому ринку України, є використання сталей вітчизняного виробництва у будівельній галузі, насамперед при будівництві та мостобудуванні. При цьому, вітчизняний металопрокат повинен бути конкурентоздатним у порівнянні з закордонними аналогами, як за комплексом властивостей, так і за собівартістю готових виробів. Однією з найважливіших вимог, що висуваються до сучасних будівельних сталей є підхід до вирішення наукової задачі, яка ґрунтуються на забезпеченні механічних властивостей вздовж, поперек та Z-напряму прокату. Цей підхід ґрунтується на забезпеченні механічних властивостей при повторному нагріві при різних циклах зварки, а також стабільності механічних властивостей в зоні сфероідезованого перліту. Таким чином, дослідження, які спрямовані на підвищення механічних властивостей і розширення областей застосування прокату з низьковуглецевих 3 мікролегованих сталей вітчизняного виробництва на основі встановлення взаємозалежностей між структурою готового прокату та зоною термічного впливу виробів будівельного та мостобудівельного призначення є актуальними як з наукової так і з економічної точок зору. Для вирішення поставлених задач була проведена попередня обробка масивів експериментальних даних та отримані кількісні залежності взаємозв’язку між параметрами виробництва на комплекс основних механічних характеристик низьковуглецевих мікролегованих сталей 10ХСНД та 09Г2С. При цьому, у якості незалежних змінних використовувалися температура початку (Тп) та кінця (Тк) чистової прокатки, функцій відгуку – границя плинності (σт), границя міцності (σв), відносне видовження (δ5). При проведені аналізу використовувалися масиви експериментальних значень відповідних величин, отриманих при заводському виробництві металопрокату зі зазначених сталей. Для визначення впливу температур початку і кінця прокатки на комплекс механічних властивостей низьковуглецевих мікролегованих сталей було проведено комплекс досліджень, який містив елементи попарного кореляційного аналізу. Даний тип аналізу було застосовано з метою визначення наявності впливу кожної незалежної змінної на кожну з функцій відгуку. Для побудови математичної моделі взаємозв’язку між параметрами прокатки та комплексом механічних властивостей досліджуваних сталей було застосовано математичний апарат одно та багато параметричного регресійного аналізу. Попередній статистичний аналіз функцій відгуку (σт , σв, δ5) для сталей 09Г2С показав, що розподіл змінних має вигляд близький до нормального. Отже, можливе подальше застосування математичного моделювання без додаткового перетворення вихідних значень. Результати проведеного кореляційного аналізу дозволили встановити, що для обох сталей, прокатаних за технологією контрольованої прокатки 4 значний вплив на механічні властивості оказує не тільки температура кінця деформації в чорновій кліті, а й найбільш вагомо температура початку деформації в чистовій кліті. Виходячи зі знаку коефіцієнта кореляції, можливо припустити, що при зростанні температури початку деформації в чистовій кліті, границя міцності та плинності зростатимуть при стабілізації значень пластичності та в’язкості. Однофакторний дисперсійний аналіз підтвердив дані, отримані за допомогою математичного апарату кореляційного аналізу, а саме показав значний вплив температури початку деформації в чистовій кліті на міцнісні характеристики та стабілізації значень пластичності та в’язкості сталей 09Г2С та 10ХСНД. Багатофакторний дисперсійний та регресійний аналізи показали можливість збільшення значень границі міцності та плинності зі збільшенням температури початку деформації сягає близько 830…790С. Показники відносного видовження отримують стабільні значення при підвищенні температури початку деформації в указаному діапазоні температур. Листи з низьковуглецевих мікролегованих сталей 09Г2С та 10ХСНД виготовляють за технологічною схемою гарячої прокатки Проведений комплекс металографічних досліджень показав, що на поверхні зразків зі сталі 09Г2С у результаті термічної обробки формується ферито-перлітна структура. При цьому зерна фериту мають правильну поліедричну форму. Сталь 10ХСНД також має ферито-перлітну структуру, але при цьому структурні складові мають менший розмір ніж у сталі 09Г2С. Для обох сталей спостерігається виражена ферито-перлітна смугастість, при цьому у феритній складовій відсутні дислокаційні субграниці. Для реалізації ідеї збереження дислокаційної субструктури аустеніту та підтвердження факту віділення доевтектоїдного фериту не тільки по великокутовим, а й по дислокаційним субграницям аустеніту в міжкритичному інтервалі температур, був проведений лабораторний експеримент. 5 Для цього, карти-листи розміром 50х230х20 мм нагрівали до температури 950°С (імітація температури кінця деформації в чистовій кліті) і витримували протягом часу, який визначається з розрахунку 1 хв на 1 мм товщини зразка. Після цього карти-листи прокатували з різними ступенями сумарної деформації, а саме: Ɛ=7.5, 15, 22.5, 30 та 37.5%. Аналіз отриманих структур показав, що в зразках, охолодження зі швидкістю 80°С/с, спостерігається зростання кількості аллотріоморфного фериту в напрямку від поверхні до центру аустенітного зерна. Переважною структурною складової є мартенсит, оточений аллотріоморфним феритом, який виділяється на границях аустеніту. Кількість зерен новоутвореного фериту залежить від загального ступеня деформації та зниженні температури кінця прокатки, однак зерна новоутвореного фериту не зростають, а утворена субзеренна структура в фериті не тільки зберігається, але й збільшується її загальна кількість. Проведені лабораторні дослідження впливу деформації в міжкритичному інтервалі температур на формування структури та субструктури фериту, показали що поступове накопичення деформації в міжкритичному інтервалі температур призводить до збереження дислокаційної субструктури аустеніту. Підтверджується той факт, що нові феритні зерна зароджуються на малокутових дислокаційних субграницях аустеніту. Лабораторний експеримент по вдосконаленню режимів контрольованої прокатки сталей 09Г2С та 10ХСНД базується на створенні стійкої дислокаційної структури аустеніту, за рахунок зниження температури кінця деформації до нижньої границі міжкритичного інтервалу температур. Такий режим призводить до зародження численних зерен доевтектоїдного фериту не тільки по великокутових, але й по субзеренних границях аустеніту. Безперервна деформація металу в міжкритичному інтервалі температур, дозволяє пригнічити процеси рекристалізації в аустеніті, а в утворених 6 дрібних зернах фериту сформувати додаткові малокутові субзеренні границі, що призводить до утворення наддрібних структурних складових сталей. Збільшення числа центрів зародження феритної фази, вирівнює структуру і властивості в трьох напрямках, що актуально в разі застосування листового прокату в будівельних конструкціях. Металографічна оцінка показала, що після лабораторного експерименту по вдосконаленню режиму контрольованої прокатки, феритна складова сталей 09Г2С та 10ХСНД стала більш дисперсною в порівнянні з виробництвом за класичною гарячою прокаткою. Також для обох сталей спостерігається повне зникнення перлітної смугастості. Це відбулося за рахунок зародження нових зерен доевтектоїдного фериту не тільки на великокутових границях, но і на дислокаційних субграницях аустеніту. Зерна доевтектоїдного фериту, які виділяються, фіксують дислокаційну субструктуру блокуючи рекристалізацію та зростання зерен аустеніту. Подальша деформація в міжкритичному інтервалі температур та нижче не тільки зберігає субструктуру в фериті, але й збільшує ії, що в свою чергу призводить до утворення наддрібної кінцевої субструктури фериту та перліту. Розглянуто вплив наддрібної зеренної структури отриманої після лабораторного експерименту по вдосконаленню режиму контрольованої прокатки на зону термічного впливу, яка забезпечує стабілізацію в’язкісних властивостей за рахунок формування дислокаційної субструктури аустеніту та фериту. Експериментально показано, що після лабораторного експерименту по вдосконаленню режиму контрольованої прокатки та подальшого зварювання сталей 09Г2С та 10ХСНД в середовищі захисних газів та автоматичного зварювання під флюсом руйнування зразків відбувається по основному металу, розташованому далеко від зварного шва і супроводжується значними пластичними деформаціями. Дислокаційні субграниці аустеніту виступають новими центрами зародження фериту зазнаючи деформацію та в свою чергу насичується 7 дислокаційними субграницями, які відповідають за стабілізацію міцнісних та в’язкісних властивостей товстолистового прокату будівельного та мостобудівельного призначення. Зерна доевтектоїдного фериту, які виділяються по границям колишніх аустенітних зерен та дислокаційних субграницях блокують рекристалізацію в аустеніті та фериті. Вперше для сталі 10ХСНД було запропоновано контрольовану прокатку по вдосконаленому режиму (в основу режиму взято збереження дислокаційної структури аустеніту та збереження дислокаційної субструктури фериту у міжкритичному інтервалі температур). Вперше для сталі 10ХСНД запропонований вдосконалений режим контрольованої прокатки, який розкриває додаткові резервні можливості реалізації чистової кліті на підвищення та стабілізацію механічних властивостей товстолистового прокату (основою якої є теоретична концепція впливу формування та збереження дислокаційної структури аустеніту, а потім фериту в зоні термічного впливу). Вперше для сталі 09Г2С та 10ХСНД режим контрольованої прокатки, яка направлена на збереження дислокаційної субструктури аустеніту та фериту в діапазоні температур між 850…715 °С. (Це реалізується за рахунок підвищення дрібності деформації в чорновій та чистовій кліті, зменшенням температури кінця деформації в чорновій кліті та збільшенням температури початку деформації в чистовій кліті). Вперше для зварних виробів зі сталі 10ХСНД було отримано механічні властивості на рівні границі плинності 680…690 МПа, що реалізовано за рахунок збереження стійкої дислокаційної субструктури аустеніту та фериту при виготовленні та зварюванні (це реалізується за рахунок формування наддрібної ферито-перлітної структури, підвищення механічних властивостей в зоні зі сфероідезованим перлітом та зниженням ризику крихкого руйнування в зоні формування дуальної ферито-бейнітної структури). 8 Результати дисертаційної роботи впроваджено у діяльність Дніпропетровського науково-дослідного експертно-криміналістичного центру Міністерства внутрішніх справ України при дослідженні знищених рельєфних знаків та замаскованих зварних швів, а також для присвоєння та підтвердження кваліфікації судового експерта працівників Дніпропетровського НДЕКЦ МВС за експертними спеціальностями 8.9 «Дослідження металів і сплавів» та 8.17 «Дослідження причини руйнування виробів з металів та сплавів».

EN: The dissertation is devoted to establishing the interconnection between the mechanisms of structure formation and mechanical properties of sheets after laboratory control of advanced controlled rolling of steels 09G2S and 10HSND and structure formation and mechanical properties in the zone of thermal influence and base metal after welding according to the most common construction modes. One of the possible ways to use domestic rolled metal production in the domestic market of Ukraine is the use of domestic steels in the construction industry, especially in construction and bridge construction. At the same time, domestic metal must be competitive in comparison with foreign counterparts, both in terms for a complex of properties and the cost of finished products. 9 One of the most important requirements for modern construction steels is the approach to solving the scientific problem, which is based on providing mechanical properties along, across and Z-direction of rolling. This approach is based on ensuring the mechanical properties of reheating during different welding cycles, as well as the stability of mechanical properties in the area of spheroidized perlite. In this way, studies aimed at improving the mechanical properties and expansion the scope of rolling of low-carbon microalloyed steels of domestic production based on the interconnection between the structure of finished rolling and the zone of thermal influence of construction and bridge products are relevant from both scientific and economic points of view. To solve the problems, preliminary processing of experimental data arrays was carried out and quantitative dependences of the relationship between production parameters on the set of basic mechanical characteristics of low-carbon microalloyed steels 10HSND and 09G2S were obtained. In this case, the temperature of the beginning (Tb) and the end (Te) of the final rolling, the response functions - yield stress (σt), tensile strength (σv), relative elongation (δ5) were used as independent variables. The analysis used arrays of experimental values of the corresponding values obtained in the factory production of rolled metal from these steels. To determine the effect of temperature of the beginning and the end of rolling on the complex of mechanical properties of low-carbon microalloyed steels, a complex of studies was conducted, which contained elements of pairwise correlation analysis. This type of analysis was used to determine the presence of the influence of each independent variable on each of the response functions. A mathematical apparatus of one and many parametric regression analysis was used in order to build a mathematical model of the interconnection between the parameters of rolling and the complex of mechanical properties of the studied steels. Previous statistical analysis of response functions (σt , σv, δ5) for 09G2S steels showed that the distribution of variables looks close to normal. Therefore, it 10 is possible to further apply mathematical modeling without additional conversion of the original values. The results of the correlation analysis revealed that for both steels rolled by controlled rolling technology, the mechanical properties are significantly affected not only by the temperature of the end of deformation in the roughing stand, but also by the most significant temperature of the beginning of deformation in the finishing stand. Based on the sign of the correlation coefficient, it is possible to assume that as the temperature of the beginning of the deformation in the finishing stand increases, the tensile strength and yield stress will increase as the values of ductility and viscosity stabilize. One-way analysis of dispersion confirmed the data obtained using a mathematical apparatus of correlation analysis, namely, showed a significant effect of the temperature of the beginning of deformation in the finishing stand on the strength characteristics and stabilization of plasticity and viscosity of steels 09G2S and 10HSND. Multivariate dispersion and regression analyzes showed the possibility of increasing the values of the yield stress and tensile strength with increasing temperature of the beginning of deformation and is about 830…790С. Indicators of relative elongation receive stable values with increasing temperature of the beginning of deformation in the specified temperature range. Sheets of low-carbon microalloyed steels 09G2S and 10HSND are made according to the technological scheme of hot rolling. A complex of metallographic studies showed that on the surface of samples of steel 09G2S as a result of heat treatment, a ferritic-pearlitic structure is formed. The ferrite grains have the correct polyhedral shape. Steel 10HSND also has a ferritic-perlite structure, but the structural components are smaller than in steel 09G2S. For both steels, there is a pronounced ferritic-pearlitic striation, while the ferrite component has no dislocation subboundaries. To implement the idea of preserving the dislocation substructure of austenite and confirm the fact of separation of pre-eutectoid ferrite not only by large angles, 11 but also by dislocation subboundaries of austenite in the intercritical temperature range, a laboratory experiment was conducted. To do this, cards-sheets with a size of 50x230x20mm were heated to a temperature of 950°C (simulation of the temperature of the end of the deformation in the finishing stand) and were kept for a time determined at the rate of 1 min per 1 mm of sample thickness. After that, the map-sheets were rolled with different degrees of total deformation, namely: Ɛ = 7.5, 15, 22.5, 30 and 37.5%. Analysis of the obtained structures showed that in the samples, cooling at a rate of 80 °C/s, there is an increase the amount of allotriomorphic ferrite in the direction from the surface to the center of the austenitic grain. The predominant structural component is martensite, surrounded by allotriomorphic ferrite, which is released at the boundaries of austenite. The amount of grains of newly formed ferrite depends on the total degree of deformation and lowering the temperature of the end of rolling, but the grains of newly formed ferrite do not grow, and the formed subgrain structure in ferrite not only persists but also increases its total amount. Laboratory studies of the influence of deformation in the intercritical temperature range on the formation of the structure and substructure of ferrite have shown that the gradual accumulation of deformation in the intercritical temperature range leads to the preservation of the dislocation substructure of austenite. The fact that new ferritic grains are formed at the small-angle dislocation subboundaries of austenite is confirmed. Laboratory experiment to improve the modes of controlled rolling of steels 09G2S and 10HSND is based on the creation of a stable dislocation structure of austenite, by reducing the temperature of the end of the deformation to the lower limit of the intercritical temperature range. This mode leads to the formation of numerous grains of pre-eutectoid ferrite not only along the large-angle but also along the subgrain boundaries of austenite. Continuous deformation of the metal in the intercritical temperature range, allows to inhibit the recrystallization processes in austenite, and in the new formed small grains of ferrite to form additional low- 12 angle subgrain boundaries, which leads to the formation of very small structural components of steels. Increasing the number of nucleation centers of the ferrite phase, aligns the structure and properties in three directions, which is relevant in the case of the use of sheet rolling in building structures. Metallographic evaluation showed that after a laboratory experiment to improve the mode of controlled rolling, the ferrite component of steels 09G2S and 10HSND became more dispersed in comparison with the production of classical hot rolling. Also for both steels, there is a complete disappearance of pearlitic striation. This was due to the emergence of new grains of pre-eutectoid ferrite not only at the large-angle boundaries, but also at the dislocation sub-boundaries of austenite. The emerging pre-eutectoid ferrite grains fix the dislocation substructure by blocking the recrystallization and growth of austenite grains. Further deformation in the intercritical temperature range and below not only preserves the substructure in the ferrite, but also increases it, which in turn leads to the formation of a very small final substructure of ferrite and perlite. The influence of the very small grain structure obtained after the laboratory experiment to improve the mode of controlled rolling on the thermal influence zone, which provides stabilization of viscosity properties due to the formation of the dislocation substructure of austenite and ferrite, is considered. It is experimentally shown that after a laboratory experiment to improve the mode of controlled rolling and further welding of steels 09G2S and 10HSND in a protective gas environment and automatic submerged arc welding, the destruction of samples occurs on the base metal, located far from the weld and accompanied by significant plastic deformation. Dislocation subboundaries of austenite act as new centers of ferrite nucleation undergoing deformation and in turn are saturated with dislocation subboundaries, which are responsible for stabilizing the strength and viscosity properties of thick-rolled metal production for construction and bridge construction. The emerging pre-eutectoid ferrite grains block recrystallization in 13 austenite and ferrite along the boundaries of former austenitic grains and dislocation subboundaries. For the first time, controlled rolling in an improved mode was proposed for 10HSND steel (the mode is based on the preservation of the dislocation structure of austenite and the preservation of the dislocation substructure of ferrite in the intercritical temperature range). For the first time for 10HSND steel an improved mode of controlled rolling was proposed, which reveals additional reserve possibilities of realization of finishing stand to increase and stabilize mechanical properties of thick-rolled steel (based on the theoretical concept of influence of formation and preservation of dislocation structure of austenite and then ferrite in the zone of thermal influence). For the first time for steel 09G2S and 10HSND the mode of controlled rolling which is directed on preservation of a dislocation substructure of austenite and ferrite in the temperature range between 850…715°C. (This is realized by increasing the smallness of deformation in the roughing and finishing stand, reducing the temperature of the end of the deformation in the roughing stand and increasing the temperature of the beginning of deformation in the finishing stand). For the first time for welded steel products 10HSND mechanical properties were obtained at the yield stress of 680…690 MPa, which is realized by maintaining a stable dislocation substructure of austenite and ferrite in the manufacture and welding (this is due to the formation of small ferritic-perlite structure, increasing mechanical properties in the zone with spheroidized perlite and reducing the risk of brittle destracture in the zone of formation of dual ferriticmartensitic structure). The results of the dissertation are implemented in the activities of the Dnipropetrovsk Research Forensic Center of the Ministry of Internal Affairs of Ukraine in the study of destroyed relief marks and masked welds, as well as for the appropriation and confirmation of qualification of the forensic expert of workers of the Dnepropetrovsk NDEKTs of the Ministry of Internal Affairs on expert 14 specialties 8.9 «Research of metals and alloys» and 8.17 «Research of the reason of destruction of products from metals and alloys».