ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Шейченко Галина Валентинівна

УДК 669.14.018.8:669.15-194.56(043.3)

СТВОРЕННЯ ЕКОНОМНОЛЕГОВАНИХ КОРОЗІЙНО-СТІЙКИХ МЕТАСТАБІЛЬНИХ АУСТЕНІТНО-ФЕРИТНИХ СТАЛЕЙ І КЕРУВАННЯ ЇХ ВЛАСТИВОСТЯМИ

Спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня
кандидата технічних наук

Запоріжжя - 2005

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Матеріалознавство” в Приазовському державному технічному університеті (м. Маріуполь) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

- доктор технічних наук, професор Чейлях Олександр Петрович, Приазовський державний
технічний університет, проректор з науково-педагогічної та виховної роботи.

Офіційні опоненти:

-

-

Провідна установа – Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 14.06.2005 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.01 при Запорізькому національному технічному університеті (ЗНТУ) за адресою:

96063, Україна, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд.153.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ЗНТУ.

Автореферат розісланий 05.05.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої

ради Д17.052.01 д.т.н., проф. Ю.М. Внуков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У період 2002_рр. в Україні зазначилася тенденція стійкого зростання випуску валового внутрішнього продукту, яка супроводжується збільшенням споживання промисловістю енергії, сировини та конструкційних матеріалів. Перед виробниками високотехнологічного обладнання стоїть завдання забезпечення випуску конкурентоспроможної продукції з підвищеним комплексом фізико-механічних та експлуатаційних властивостей. В умовах ринкової конкуренції виробник змушений іти на підвищення якості машинобудівних матеріалів, збільшення довговічності та надійності деталей машин при зниженні їх металомісткості.

Максимальну питому вагу в споживанні корозійно-стійких сталей посідає універсальна високонікелева сталь аустенітного класу типу Х18Н10Т. У ряді випадків ця сталь може бути замінена менш дорогими хромонікелевими сталями 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т та ін. ферито-аустенітного класу з меншим вмістом нікелю. Порівняно з аустенітними, вони мають більш високі міцнісні властивості (межа текучості вища в 2 рази), підвищену опірність міжкристалітній корозії (МКК) і корозійному розтріскуванню (КР). Однак і ці сталі містять 5-7гостродефіцитного і дорогого нікелю, який не виробляється в Україні і отримується підприємствами за кордоном. Недостатня вивченість двофазних сталей, і особливо економнолегованих композицій, перешкоджає їх широкому впровадженню в промисловості.

Одним зі шляхів зниження вартості корозійно-стійких сталей є заміна гостродефіцитного і дорогого в Україні нікелю більш дешевими легуючими компонентами. Дуже перспективним напрямом у створенні нових економнолегованих сталей є створення сталей з метастабільним станом аустенітної фази і цілеспрямоване використання деформаційних мартенситних    перетворень при випробуваннях (ДМПВ) та експлуатації. Це дозволяє підвищувати як окремі механічні властивості різноманітних сплавів, так і їх комплекс і компенсувати заміну в їх складі легування нікелем.

Таким чином, дана дисертаційна робота спрямована на створення нових економнолегованих корозійно-стійких сталей аустенітно-феритного класу з підвищеним комплексом фізико-механічних і службових властивостей для заміни дорогих хромонікелевих дефіцитних сталей, що є дуже актуальним і своєчасним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає напрямам досліджень, які проводяться кафедрою “Матеріалознавство” Приазовського державного технічного університету щодо створення нових економнолегованих різнофункціональних сталей і чавунів з метастабільною структурою, яка самозміцнюється при експлуатації. За темою дисертації зі участю автора виконано госпдоговірна робота № (2001 р.) у рамках Державної науково-технічної програми з пріоритетного напряму № “Нові речовини і матеріали” за замовленням Міносвіти і науки України.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є створення економнолегованих корозійно-стійких метастабільних сталей аустенітно-феритного класу на основі комплексних досліджень впливу легування, режимів термічної обробки на фазовий склад, структуру, фазові перетворення при навантаженні та управління їх фізико-механічними властивостями.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі науково-технічні задачі:

- вивчити вплив роздільного і комплексного легування (Cr, Mn, Si, Сu) на структуру, фазовий склад, ступінь метастабільності аустеніту, фізико-механічні властивості сталей аустенітно-феритного класу на Fe основі;

- досліджувати вплив температурно-тимчасових параметрів термообробки на фазовий склад, ступінь метастабільності аустеніту і механічні властивості сталей;

- вивчити кінетику деформаційного мартенситного перетворення безпосередньо в процесі випробувань механічних властивостей для встановлення взаємозв'язку між ними в досліджуваних сталях;

- побудувати математичні моделі кінетики деформаційного мартенситного перетворення Fe-Cr-Mn сталей з різним співвідношенням аустеніту і фериту і формування їх механічних властивостей;

- побудувати скінченоелементні математичні моделі, враховуючи геометричні особливості конструкцій та умови їх навантаження, здійстнити розрахунок і виконати аналіз отриманих результатів;

- виробити рекомендації для практичного використовування і впровадження у виробництво нових корозійно-стійких сталей аустенітно-феритного класу з метастабільним аустенітом.

Об'єкт дослідження - нові економнолеговані корозійно-стійкі сталі аустенітно-феритного класу з метастабільним аустенітом, процеси структуровитворення і формування їх фізико-механічних властивостей під впливом легуючих елементів і термічної обробки.

Предмет дослідження – закономірності впливу легуючих елементів і параметрів термічної обробки на структуру, фазовий склад, кінетику ДМПВ метастабільного аустеніту і фізико-механічні властивості нових економнолегованих корозійно-стійких сталей.

Методи досліджень – кількісний металографічний, магнітометричний, фазовий рентгеноструктурний аналізи; рентгеноспектральний мікроаналіз фазових складових; вимірювання мікротвердості структурних складових, випробування механічних властивостей: на розтягування, на кручення, динамічний вигин зразків з V_ і U_ подібними надрізами; випробування корозійної стійкості та розрахування показників корозії; математична обробка результатів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблені оптимальні склади економнолегованих корозійно-стійких сталей з підвищеними міцнісними і пластичними властивостями, ударною в'язкістю, у тому числі й у литому стані, що досягається певним фазовим співвідношенням фериту і метастабільного аустеніту та використанням деформаційного мартенситного    перетворення при випробуваннях та експлуатації;

- встановлено закономірність зміни кінетики мартенситного    перетворення при деформації і властивостей економнолегованих Fe-Cr-Mn сталей залежно від початкового фазового співвідношення між кількістю аустеніту і фериту;

- уперше знайдено ефекти стабілізації та дестабілізації аустеніту в аустенітно-феритних сталях після термічної обробки при різних температурно-тимчасових параметрах і показані широкі можливості регулювання ступеня метастабільності аустеніту для управління їх властивостями;

- побудовано математичні моделі кінетики деформаційного мартенситного    перетворення в Fe-Cr-Mn сталях з різними співвідношеннями аустеніту і фериту та моделі формування механічних властивостей, які дозволяють прогнозувати одержуваний рівень властивостей;

- оптимізовано хімічний склад нових економнолегованих корозійно-стійких сталей для роботи в ряді агресивних середовищ і показані можливості заміни дефіцитної дорогої хромонікелевої сталі 10Х18Н10Л, яка застосовується для виготовлення деталей насосних агрегатів;

- застосовано метод скінчених елементів (МСЕ) у математичному моделюванні для прогнозу локалізації зон ДМП у матеріалі деталей, який дозволив встановити закономірності розвитку ДМП у матеріалі конструкції деталей насосів.

Практична цінність отриманих результатів:

- розроблені економнолеговані нікелем корозійно-стійкі сталі аустенітно-феритного класу на хромомарганцевій основі, які за властивостями не поступаються відомим дорогим хромонікелевим аналогам;

- показано, що зміною температурно-тимчасових параметрів гартування, високотемпературної термоциклічної обробки (ВТЦО), старіння й обробки холодом можна в досить широких межах регулювати фазове співвідношення між феритом і аустенітом, впливати на ступінь деформаційної метастабільності аустеніту в хромомарганцевих сталях аустенітно-феритного класу та управляти комплексом їх фізико-механічних властивостей;

- на основі результатів досліджень і математичного моделювання нові сталі оптимальних складів впроваджені на ВАТ “Південьгідромаш” з економічним ефектом понад 240 тис. грн. для виготовлення ряду деталей насосних агрегатів, що дозволило суттєво знизити собівартість виробництва при збереженні їх високої експлуатаційної довговічності;

- розроблена розрахункова модель конструкції деталей насосів з використанням МСЕ для дослідження напружено-деформованого стану від дії зовнішніх навантажень, яка дозволяє здійснювати доапріорний розрахунок і встановлювати закономірності розвитку деформаційного мартенситного    перетворення при експлуатації реальних деталей.

Особистий внесок здобувача.

Автором зроблено аналітичний огляд наявних корозійно-стійких сталей і пропонованих режимів їх термічної обробки, також проведено аналіз відомих патентів і запропоновано рекомендації щодо складу нових економнолегованих корозійно-стійких сталей. Проведені дослідження та обробка їх результатів із впливу легування і режимів термообробки на структуру, фазові перетворення і властивості сталей. Побудовані математичні моделі ДМПВ на кручення і формування механічних властивостей. Запропоновано застосування методу скінчених елементів для математичного моделювання і прогнозу локалізації зон ДМП у матеріалі конструкції. Здійснено обчислювальний експеримент на імітаційних моделях і виявлені загальні закономірності розвитку ДМП у матеріалі конструкції.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали роботи докладалися на 6-й, 7-й, 9-11-й регіональних науково-технічних конференціях (1999 р., 2000 р., 2002-2004 рр., м. Маріуполь), міжнародних науково-технічних конференціях “Стародубовские чтения” (2002 р., 2003 р., м. Дніпропетровськ), на 3-й, 4-й міжнародних науково-технічних конференціях молодих фахівців ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат імені Ілліча” (2003 р., 2004 р., м. Маріуполь), на 5-й міжнародній науково-технічній конференції “Оборудование и технологии термической обработки металлов сплавов” ОТТОМ – (2004 р., м. Харків).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано: у спеціалізованих наукових журналах – 6 статей, 3 статті в міжнародних технічних журналах, 10 тез доповідей. Усього у співавторстві за темою дисертації опубліковано 20 робіт, у тому числі отримано 1 патент на винахід (№  А).

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку літератури, додатків. Матеріали роботи викладені на 180 сторінках, з яких 50 рисунків на 37 сторінках, 12 таблиць на 9 сторінках, 3 додатки на 15 сторінках, 135 найменувань використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У загальній характеристиці роботи розкрита актуальність теми, її наукова новизна, подана характеристика сучасного стану проблеми, сформульована мета та основні положення дослідження, які виносяться на захист, наведені дані про практичну значущість роботи, кількість публікацій і структуру дисертаційної роботи.

У першому розділі наводиться аналіз наявних робіт, присвячених розробці економнолегованих корозійно-стійких сталей різних структурних класів, можливості створення метастабільної аустенітної фази і використання деформаційних мартенситних перетворень при випробуваннях або при експлуатації.

Принцип метастабільности аустеніту, запропонований в 50-х роках ХХ століття І.Н. Богачевим і Р.І. Мінцем, та ідея використання мартенситного перетворення при навантаженні в умовах випробування властивостей або експлуатації надалі був підтверджений у ряді фундаментальних і прикладних робіт А.П. Гуляєва, О.П. Максимової, Л.С. Малінова, А.І. Уварова, О.А. Банних, М.А. Філіппова та ін. вчених на цілій групі нестабільних Fe-Mn, Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Mn аустенітних сталей. Однак у переважній більшості відомих робіт з корозійно-стійких сталей не розглядається можливість створення метастабільної аустенітної фази і не використовуються деформаційні мартенситні перетворення при випробуваннях та експлуатації для підвищення властивостей корозійно-стійких сталей різних структурних класів.

Можливість якісного та кількісного регулювання фазового складу для керування ступенем метастабільності аустенітної фази, а отже, і властивостями сталей аустенітно-феритного, феритно-аустенітного і феритного класів з'являється при проведенні термообробки у різних режимах гартування і відпустки. Однак дотепер ця можливість не використовується, що не дозволяє реалізувати внутрішні резерви сплавів і відкриває нові перспективи для розробки нових економнолегованих двофазних (+г) сталей і нових технологій керування їх властивостями. Недостатньо вивчені і механізми дії на г– фазу з погляду регулювання ступеня її деформаційної метастабільності в аустенітно-феритних сталях, що представляє певний науковий інтерес.

З аналітичного огляду витікає, що аустенітно-феритні сталі є не тільки повноцінними замінниками аустенітних сталей, але й особливим класом матеріалів, які перевершують за міцнісними властивостями, стійкості до МКК і КР аустенітні стали, а для ряду середовищ – вони економічніше за суперферити. Однак при цьому широковживані аустенітно-феритні сталі містять близько 5-6дорогого нікелю. Тому дуже актуальною є розробка безнікелевих і малонікелевих сталей аустенітно-феритного класу при збереженні фізико-механічних і службових властивостей.

У другому розділі наведені дані про матеріал і методики досліджень.

Матеріалом дослідження служили розроблені нові економнолеговані корозійно-стійкі сталі на Fe основі аустенітно-феритного класу, в яких з метою регулювання кількісного співвідношення аустенітної та феритної фаз і ступеня метастабільності аустеніту варіювався зміст хрому (від 15 до 22марганцю (від 6,5 до 12Для визначення змісту фаз використовувалися кількісний металографічний і магнітометричний методи; фазовий склад визначався на рентгенівському дифрактометрі ДРОН_у залізному К _ випромінюванні; рентгеноспектральний мікроаналіз фаз проводили на растрових електронних мікроскопах РЕМ_У за допомогою хвильового рентгенівського спектрофотометра і РЕММА_М по рентгенівських спектрах розподілу хімічних елементів за енергіями; фрактографічні дослідження зламів зразків здійснювали на растровому електронному мікроскопі РЕММА_М. Випробування механічних властивостей на розтягування проводили у відповідності з ГОСТ _, на кручення проводилися на машині КМ__зі швидкістю навантаження 1,8 град/с зі ГОСТ ; твердість сталей виміряли на твердомірі Роквелла (НRC і HRB) у відповідності з ГОСТ , вимірювання мікротвердості фазових і структурних складових проводили вдавлюванням алмазної чотиригранної піраміди під навантаженням 0,5 Н у відповідності з ГОСТ _на твердомірі ПМТ_. Динамічні випробування на вигин здійснювалися на зразках з U _ подібним надрізом (R1) і V _ подібним надрізом (R0,25) при температурах від плюс до мінус  °С на маятниковому копрі МК_А за ГОСТ _. Як охолоджувальну рідину використовували суміш рідкого азоту зі спиртом у різних пропорціях.

Випробування корозійної стійкості проводили за ГОСТ .905_, ГОСТ , ГОСТ .908-85 у різних корозійних активних середовищах: концентрованій HNO3 та її 65розчині (72 години); концентрованому NH4OH та його 25розчині (168 години); концентрованому моноетаноламіні та його 25розчині (168 годин); 3розчині NaCl (1 міс.); 10розчині FeCl3 на пітінгову корозію (ГОСТ .91289) (72 години); синтетичній морській воді Тихого океану і воді Азовського моря (2 міс.). Визначали кількісні показники корозії (показник зміни маси, об'ємний показник корозії і швидкість корозії) за ГОСТ .908_і визначали корозійну стійкість у відповідності з ГОСТ _.

Математично оброблено залежність фазового складу механічних властивостей від змісту легуючих елементів, мартенситних кривих деформації. Застосовували метод скінчених елементів для прогнозування локалізації деформаційного мартенситного перетворення.

У третьому розділі наведені результати впливу легуючих елементів на структуру, фазовий склад, кінетику ДМПВ і формування комплексу механічних властивостей.

Показано, що фазовий склад сталей визначається, головним чином, змістом феритоутворювального елемента хрому. Сталі, яки містять ? хрому, мають переважно аустенітну фазу в структурі (? _інше – ферит. Із збільшенням змісту хрому від ? до 21зростає доля феритної складової з ? _до 75_і сталі поступово переходять з аустенітно-феритного у феритно-аустенітний клас. Мікроструктура досліджених сталей на Fe-Cr-Mn основі з 15_хрому в литому стані представляє собою зерна аустеніту, обрамлені прошарками і включеннями феритної складової. У сталях з 19_хрому навпаки невеликі зерна аустеніту присутні у феритній матричній фазі. Гартування сталей з аустенітизацією при 1050°С розчиняє у_фазу і виключає її виділення при охолоджуванні у воді або маслі.

Головною особливістю і найважливішою перевагою розроблених сталей є деформаційна метастабільність аустенітной фази, яка при навантаженні зазнає ДМПВ. Перетворення розвивається в робочій частині розривних зразків, зразків на кручення і зламах ударних зразків. Це викликає істотне самозміцнення сталей у ході випробувань у результаті утворення мартенситу деформації, а сам процес ДМПВ супроводиться релаксацією мікронапруг.

Встановлено, що зміна вмісту хрому в досліджених сталях суттєво впливає на механічні властивості. Так, зі збільшенням вмісту хрому від 15 довідбувається помітне збільшення межі міцності до 825 _  МПа. Подальше збільшення кількості хрому до 20призводить до зниження межі міцності до 670 МПа. Однак у досліджених сталях при вмісті хрому ? % знову відбувається збільшення межі міцності. Вплив вмісту хрому в досліджуваних сталях на межу текучості аналогічний розглянутому впливу на межу міцності. Зі збільшенням змісту марганцю від ? до ? відбувається деяке зниження механічних властивостей, що обумовлено підвищенням ступеня стабільності аустеніту і зниженням інтенсивності ДМПВ. При оптимальному підборі хімічного складу (17-18 Cr і 9_ Mn) розроблені сталі мають підвищений комплекс механічних властивостей у порівнянні з відомою сталлю 08Х18Г8Н2Т, яка містить ~ гостродефіцитного нікелю, до того ж у гарячекатаному (а не в литому) стані (рис.1).

У четвертому розділі вивчено дію впливу температурно-тимчасових параметрів термічної обробки на регулювання фазового складу, метастабільності аустеніту, кінетики ДМПВ, для можливості управління властивостями розроблених сталей.

Досліджені сталі піддавалися гартуванню з різних температур: 950 °С, 1050 °С, 1150 °С пічного нагріву в воду з часом витримки при кожній температурі від 10 до 120 хв., гартування в інтервалі від 1000 до 1400 °С проводили нагрівом струмами високої частоти (СВЧ). У литих аустенітно-феритних сталях зі збільшенням температури нагріву під гартування зростає на 5_частка фериту, при цьому одночасно знижується мікротвердість як феритної, так і аустенітної складової. Рентгеноспектральний мікроаналіз складу фаз показав, що зміна мікротвердості пов'язана з перерозподілом легуючих елементів між зернами аустеніту і фериту в процесі нагріву. Було встановлено, що вміст хрому, титану, кремнію, ванадію у феритній сфері є набагато більшим, ніж в аустенітних зернах. Зміна концентрації марганцю і міді протилежна феритоутворювальним елементам. Зі збільшенням часу витримки з 10 до 120 хв. при температурі 1050 С у сталях зростає доля фериту, що аналогічно впливу підвищення температури.

Формування властивостей розроблених сталей визначається з одного боку вихідним фазовим складом і структурою, яки отримують при термообробці, з іншого _кінетикою ДМПВ. Кінетику ДМПВ можна представити мартенситними кривими, отриманими при випробуваннях на кручення від ступеня деформації. Вплив часу аустенітизації при температурі 1050 С на кінетику ДМПВ у сталях у цілому протилежний впливу температури нагріву (рис. ).

Після витримки 10 хв. ДМПВ характеризується невисокою інтенсивністю, однак при збільшенні часу витримки до 60 хв. для сталі 08Х18Г6СФ і до 120 хв. для сталі 09Х15Г9НДСЛ кінетика ДМПВ активізується. У результаті у сталі 08Х18Г6СФ збільшується з 23 до кількість мартенситу деформації, який утворився за час випробувань, у сталях 09Х15Г9НСДЛ і 09Х18Г9НДСЛ з 18 до 36і 10 до відповідно.

Механічні властивості досліджених сталей після гартування змінюються неоднозначно. З підвищенням температури нагріву під гартування, незалежно від способу нагріву, у більшості випадків одночасно зростають межа текучості, пластичність і ударна в'язкість. Зміна часу витримки при нагріві під гартування трохи впливає на межу текучості і неоднозначно на межу міцності і пластичність сталей. При 30-хвилинній витримці досягається високий комплекс властивостей (в  МПа; 0,2  МПа;  ;  ; KCV ,75 МДж/м2; пч  МПа; g 

Для досліджених сталей характерний змішаний вид зламу: у зернах феритної складової утворюється чисто чашковий рельєф, в аустенітній матриці – квазисколювання. Динамічні випробування в інтервалі температур +20..._ С знаходять зниження ударної в'язкості сталей, особливо різко при температурах _…_ С. При цьому в інтервалі температур випробування +20..._ С частка в'язкої складової (чашкового рельєфу руйнування) поступово зменшується з 100до 60а при температурі випробування _196 С вона взагалі відсутня (рис. 3).

Можливості термообробки більшості корозійно-стійких сталей обмежуються в основному гартуванням з температур 1050_ °С. У роботі розглядалася можливість підвищення міцнісних властивостей при збереженні достатньої пластичності нових економнолегованих корозійно-стійких сталей аустенітно-феритного класу за рахунок різних видів термообробки. Досліджені сталі піддавалися гартуванню з 1050 °С з подальшим старінням при 530 °С. Збільшення часу витримки при старінні приводить до зростання частки аустенітної складової в сталі, ступінь стабільності при цьому знижується. При збільшенні часу витримки до 8 годин зростає інтенсивність ДМПВ, приріст мартенситу деформації досягає 33Найвищі міцнісні властивості відповідають п'ятигодинній витримці (для сталі 09Х17Г9НДСЛ фпч=950 МПа ф0,3=300 МПа, g=80

Добре відомий позитивний вплив термоциклічної обробки (ТЦО) на фізико-механічні властивості різноманітних сталей і чавунів. Разом з тим, стосовно сталей аустенітно_феритного класу, використання ТЦО вивчено недостатньо. Тому представляло безперечний інтерес вивчити можливість регулювання фазового складу, ступеня метастабільності аустеніту і властивостей нових Fe сталей аустенітно-феритного класу за допомогою ТЦО. Було встановлено, що зі збільшенням числа циклів ВТЦО (1400-600 °С) від  до  кількість фериту зростає до ? Зі збільшенням кількості циклів при ВТЦО до 10 було відзначено зменшення приросту мартенситу деформації до моменту руйнування зразків до Мдеф=25що пов'язано з підвищенням стабільності аустеніту, внаслідок розчинення карбідів і збагачення його вуглецем і легуючими елементами, а також фазовим наклепом. При цьому зростають: умовна межа текучості (0,3) сталі 17Х16Г12Д2СТЛ з 186 МПа до 220 МПа і, одночасно, пластичність (g), з 67 до 78при збереженні межі міцності на колишньому рівні.

У практиці термообробки звичайно використовують ступеневе гартування як засіб зменшення рівня внутрішніх напруг в інструментальних сталях. На прикладі корозійно-стійкої сталі 30Х13, широковживаній у промисловості, у роботі показані можливості підвищення комплексу механічних властивостей створенням метастабільних станів залишкового аустеніту за рахунок ступеневого гартування. При оптимальному режимі гартування з витримкою в інтервалі температур 200_ °С отримано високий комплекс механічних властивостей (?пч  МПа ф0,3 =  МПа, g який не досягається звичайним гартуванням. Утворення мартенситу деформації викликає значне самозміцнення сталі, а сам процес ДМПВ – ефективний розвиток релаксації мікронапруг.

У роботі вивчено вплив обробки холодом (гартування з 1050 °С у воду з подальшим охолоджуванням у сухому льоду (H2CO3)) на структуру, фазовий склад, кінетику г>б' ДМПВ і комплекс механічних властивостей розроблених сталей. Мікроструктура загартованої сталі 09Х17Г9НДСЛ, обробленої холодом при температурі -70 °С у перебігу однієї години, суттєво подрібнюється порівняно зі звичайним гартуванням з 1050 °С. В аустенітних зернах присутня невелика кількість кристалів мартенситу охолоджування, що обумовлено частковим мартенситним г>б' перетворенням у процесі обробки холодом (т. Мн ?  °С). Комплекс механічних властивостей дослідженої сталі, у тому числі і пластичність, після обробки холодом підвищуються порівняно із загартованим станом. Так, межа міцності при розтягуванні (ув) сталі 09Х17Г9НДСЛ підвищується з 725 МПа до 780 МПа, а при крученні (фпч) - з 840 МПа до 880 МПа, при цьому відносний зсув при крученні зростає з 95до 110 %. Це може бути пояснено з погляду зміни кінетики г>б' ДМПВ та урахування кількісного приросту мартенситу деформації в процесі випробувань після обробки холодом. Кінетика г>б' ДМПВ стає більш інтенсивною, збільшується приріст мартенситу деформації до моменту руйнування до 20у порівнянні із загартованим станом (? %).

У п'ятому розділі наведені результати дослідження корозійної стійкості розроблених сталей у ряді середовищ порівняно з відомими сталями. Для порівняння показників корозійної стійкості використовувалися стандартні хромонікелеві сталі різних структурних класів: 10Х18Н10Л і 12Х18Н10Т, 09Х15Н8Ю, які знаходять широке застосування в насособудуванні. Порівняння корозійної стійкості розроблених економнолегованих і відомих хромонікелевих сталей показує (табл. ), що сталі оптимальних складів, які містять 17_хрому (09Х17Г10НДСЛ, 09Х19Г10НДСЛ і ін.) у 25розчині моноетаноламіна, 3розчині NaCl перевершують аустенітну сталь 10Х18Н10Л і значно перевершують сталь 09Х15Н8Ю аустенітно-мартенситного класу.

У решті агресивних середовищ вони дещо поступаються сталі 10Х18Н10Л, однак характеризуються у відповідності з ГОСТ _2_ балом стійкості як дуже стійкі і можуть конкурувати з дорогими нікельвмісними сталями (див. табл.1). Оскільки ряд насосного обладнання використовується для перекачування морської води, в роботі досліджено корозійну стійкість нових і стандартних сталей у морській воді. Для цього використовувалася морська вода слабкої солоності (Азовського моря) і синтетична морська вода середнього складу Тихого океану. У даних середовищах найкращу стійкість мають сталі зі вмістом хрому 17-19марганцю 9-10

У шостому розділі побудовані математичні моделі, які дозволяють прогнозувати досить достовірно рівень механічних властивостей сталей від одержуваного при виплавлені хімічного складу:

,

SV = а·Mn + b,

де SV – одне із описуваних механічних властивостей (в, 02, д, НВ);
a, b, c, d – постійні коефіцієнти;

Cr – масова доля хрому, %;

Mn – масова доля марганцю, %.

Кінетика г?б' ДМПВ створених сталей, після термічної обробки при різних температурно-тимчасових параметрах із достатньою точністю описується поліномом третього ступеня:

б=а•g3+b·g2+.с•g+d,

где б – кількість мартенситу, %;
a, b, c, d – постійні коефіцієнти;
g – ступінь деформації крученням, %.

За допомогою математичної моделі було встановлено взаємозв'язок між кінетикою ДМПВ, діаграмою деформації крученням і механічними властивостями сталі 30Х13.

У дисертаційній роботі показана можливість застосування МCЕ для прогнозу локалізації деформаційних мартенситних перетворень при випробуваннях або при експлуатації в корозійно-стійких аустенітно-феритних сталях з метастабільним аустенітом, упроваджених у ВАТ “Завод “Південьгідромаш” при виробництві деталей насосних агрегатів.

Можливість застосування МСЕ була показана у два етапи. На першому етапі був апробований МСЕ для прогнозування локалізації ДМПВ у зразку, призначеному для випробувань на кручення. Для оцінки розподілу напруг по перетину зразка при деформації крученням, а також визначення їх впливу на розвиток ДМПВ була розроблена скінчено-елементна математична модель навантаження крученням зразка, що випробується. Розрахунок був виконаний з використанням обчислювального комплексу COSMOS/WORKS розробки Structural Research & Analysis corp., який реалізує метод скінчених елементів на ЕОМ.

На другому етапі для проведення порівняльної оцінки деталей промислових насосів відцентрових ЭЦПК16__і ЭЦПК16__виробництва ВАТ “Завод “Південьгідромаш” (м. Бердянськ) з урахуванням їх основних геометричних особливостей, були створені розрахункові скінчено-елементні схеми і проведено розрахунок напружено-деформованого стану під дією основних нормативних режимів навантаження. На підставі проведених розрахунків була досліджена залежність впливу параметрів елементів конструкції на їх напружено-деформований стан.

Розроблена математична модель дозволила оцінити зміну напруг при деформації крученням по перетину зразка і вплив їх розподілу на кінетику г>б' ДМПВ. За допомогою математичних моделей визначені зони на робочих органах насосів, які піддаються максимальним навантаженням. Встановлено, що застосування МСЕ дозволяє точно прогнозувати локалізацію зон ДМПВ у матеріалі конструкції.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації подано нове вирішення науково-технічної проблеми створення нових економнолегованих корозійно-стійких сталей на Fe основі, які самозміцнюються при експлуатації, і способів керування їх властивостями для заміни дефіцитних і дорогих хромонікелевих сталей.

2. Встановлено, що зміною вмісту хрому в нових сталях у межах 15-22і марганцю в межах 8-12можна регулювати кількість фериту та аустеніту (від 14 до 82кожної фази) і ступінь метастабільності  г- фази. Визначальний вплив на вміст феритної фази у сталях на Fe-Cr-Mn – основі надає хром. Використання марганцю, невеликих додатків міді, нікелю (< ,8є перспективним з погляду економії нікелю та отримання гарного комплексу механічних і антикорозійних властивостей.

3. Встановлено, що механічні властивості досліджених сталей суттєво залежать не тільки від початкової кількості аустеніту і фериту, але й від кінетики    ДМПВ, яка визначає формування межі міцності, пластичних властивостей та ударної в'язкості нових сталей. Кінетика    ДМПВ аустенітної фази у сталях аустенітно-феритного класу залежить від складу сталі (вмісту марганцю, хрому та інших легуючих елементів) і початкового, перед випробуваннями, співвідношення між аустенітом і феритом.

4. Встановлено, що зміною температурно-тимчасових параметрів гартування, ВТЦО, старіння і обробки холодом можна в досить широких межах регулювати фазове співвідношення між феритом і аустенітом, впливати на ступінь деформаційної метастабільності останнього й керувати комплексом механічних властивостей хромомарганцевих сталей аустенітно-феритного класу.

5. Підвищений комплекс міцнісних, пластичних властивостей і опору крихкому руйнуванню розроблених економнолегованих сталей аустенітно-феритного класу досягається при оптимальному фазовому складі й кінетиці    ДМПВ. Метастабільность _ фази і   ДМПВ при динамічних випробуваннях суттєво змінюють характер мікроруйнування, забезпечуючи гальмування тріщини, яка розвивається і збільшує її протяжність, що обумовлює аномально високі значення ударної в'язкості розроблених сталей.

6. Порівняння корозійної стійкості розроблених економнолегованих і відомих хромонікелевих сталей показує, що сталі оптимальних складів, які містять 17_Cr і 9-10Mn (09Х17Г10НДСЛ, 09Х19Г10НДСЛ та ін.) у 25розчині моноетаноламіна, у морській воді Азовського моря, синтетичній морській воді Тихого океану перевершують аустенітну сталь 10Х18Н10Л.

7. Побудовані математичні моделі, які описують вплив легуючих елементів і параметрів термічної обробки, на фазовий склад, механічні характеристики і кінетику    ДМПВ аустенітно-феритних Fe – сталей, дозволяючи прогнозувати формування їх механічних та експлуатаційних властивостей.

8. Розроблена математична модель МСЕ дозволила оцінити розподіл напруг при крученні по перетину зразка і впливу їх розподілу на кінетику    ДМПВ. За допомогою математичних моделей розподілу напруг визначені зони на робочих органах насосів, які піддаються максимальним навантаженням і руйнуванню. Встановлено, що застосування МСЕ в математичному моделюванні дозволяє точно прогнозувати локалізацію зон ДМПВ в матеріалі конструкції деталей.

9. Сталь оптимального складу 10Х17Г10НДСЛ показала підвищені експлуатаційні властивості, відповідні дорогим хромонікелевим сталям, що дозволило провести заміну дефіцитних хромонікелевих корозійно-стійких сталей (10Х18Н10Л) і впровадити її в виробництво з економічним ефектом понад 240 тис. грн.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чейлях А.П., Гавриленко Г.В. Структура и механические свойства новых безникелевых коррозионно-стойких сталей аустенитно-ферритного класса // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. научн. тр. - Мариуполь. -1999. - Вып.8. - С. 76-79. (Автором досліджена мікроструктура і механічні властивості сталей.)

2. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Влияние термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и механические свойства новых безникелевых аустенитно-ферритных сталей // Захист металургійних машин від поломок.- Зб. наук. праць. - Вип. 5.- Маріуполь. - 2000. - С. 251-256. (Автором проведені режими термічної обробки, досліджені структурні зміни і властивості, оброблені результати.)

3. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Структура и физико-механические свойства новых безникелевых коррозионностойких аустенитно-ферритных сталей // Металлы.- 2002.- № 5.- С. 47-54. (Автором досліджена структура і властивості сталей, кінет мартенситних перетворень, оброблені результати.)

4. Чейлях А.П., Шейченко Г.В., Церцек И.Г. Влияние закалки со ступенчатым охлаждением на получение метастабильного остаточного аустенита и механические свойства стали 30Х13 // Металл и литье Украины.- 2003.- № 11-12.- С. 37-39. (Автором досліджена структура і властивості сталей, кінетика мартенситних перетворень, математично оброблені результати.)

5. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Структура, фазовые превращения и сопротивление хрупкому разрушению экономнолегированных коррозионно-стойких метастабильных сталей // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - Запоріжжя. - 2003. - № 2. - С. 40-46. (Автором досліджена структура, фазові перетворення сталей, ударна в'язкість при різних температурах опробування, оброблені результати.)

6. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Влияние легирования на структуру, фазовый состав и свойства новых экономнолегированных коррозионностойких сталей // Металл и литье Украины. – 2004. - № 11. – С. 10-14. (Автором розроблена методика корозійних опробувань, досліджена структура і корозійна стійкість сталей, оброблені результати.)

7. Сталь: Патент України С22С 38/38 // Чейлях А.П., Гавриленко Г.В., Лисунец Б.С., Телегуз Э.Н. - № 34980А. Заявлено 27.07.99, опубл. 15.03.2001, Бюл. № 2. (Автором проведено аналіз відомих патентів, запропоновані рекомендації зі складу.)

8. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Новые экономнолегированные коррозионно-стойкие стали // Мир техники и технологий.- 2003.- № 9. - С. 58-59. (Автором запропоновані рекомендації для промислових випробувань.)

9. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Новые безникелевые коррозионно-стойкие стали аустенитно-ферритного класса // Мир техники и технологий. - 2004. - № 1. - С. 42-43. (Автором запропоновані рекомендації для промислових випробувань.)

10. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Упрочнение новых экономнолегированных коррозионно-стойких сталей с метастабильной аустенитно-ферритной структурой // Оборудование и технология термической обработки металлов и сплавов – Сб. докл. 5-й междунар. конф.- Харьков: ННЦ ХТФИ, ИПЦ “Контраст”, 2004, часть 1. - С. . (Автором запропоновані зміцнювальні термообробки, досліджена структура і властивості сталей, оброблені результати.)

11. Чейлях А.П., Гавриленко Г.В. Новые коррозионно-стойкие стали аустенитно-ферритного класса // Тез. докл. VI регион. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию со дня рожд. проф. Казанцева И.Г. – ПГТУ. - Мариуполь, 1999. – Т.I – С.106. (Автором досліджена мікроструктура і механічні властивості сталей.)

12. Чейлях А.П., Гавриленко Г.В. Получение метастабильного остаточного аустенита и повышение свойств стали 30Х13 закалкой со ступенчатым охлаждением // Тез. докл. VII регион. науч.-техн. конф., посвящ. 70-летию университета. – ПГТУ. – Мариуполь, 2000.-Т. II.- С. 84. (Автором досліджена мікроструктура і механічні властивості сталей, математично оброблені результати.)

13. Чейлях А.П., Гавриленко Г.В. Влияние параметров термообработки на структуру, фазовые превращения и свойства новых хромомарганцевых аустенитно-ферритных сталей // Тез. докл. VII регион. науч.-техн. конф., посвящ. 70-летию университета. – ПГТУ. – Мариуполь, 2000.-Т. II.- С. 83. (Автором проведені режими термічної обробки, досліджені структурні зміни і властивості, оброблені результати. )

14. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Разработка экономнолегированных коррозионностойких метастабильных сталей для замены дефицитных хромоникелевых // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. - Днепропетровск, 2002. - Вып. 15. ч.1.- ПГАСА. - С.139-140. (Автором проведені режими термічної обробки, досліджені структурні зміни і властивості, оброблені результати.)

15. Чейлях А.П., Шейченко Г.В., Константинов А.В., Зеленский В.С. Фазовые превращения и физико-механические свойства новых безникелевых метастабильных сталей аустенитно-ферритного класса // Тез. докл. IX регион. науч.-техн. конф. – Том 2. – Мариуполь: ПГТУ, 2002.- С.57. (Автором досліджена структура, фазові перетворення сталей, фізико-механічні властивості, оброблені результати.)

16. Чейлях А.П., Шейченко Г.В., Константинов А.В., Телегуз Э.Н. Новые экономнолегированные коррозионно-стойкие стали с повышенным комплексом механических свойств _ альтернатива хромоникелевым сталям // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. - Днепропетровск, 2003. - Вып. 22. ч.1.- ПГАСА. - С. 219. (Автором досліджена структура і властивості сталей, кінетика мартенситних перетворень, оброблені результати.)

17. Чейлях А.П., Шейченко Г.В., Константинов А.В., Телегуз Э.Н. Структура и физико-химические свойства новых экономнолегированных коррозионно-стойких сталей // Тез. докл. X регион. науч.-техн. конф. – Том 1. – Мариуполь: ПГТУ, 2003. - С. 89. (Автором проведені дослідження і оброблені результати.)

18. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Новые экономнолегированные коррозионностойкие стали с метастабильным аустенитом // Сб. тез. третьей Междунар. н.-т. конф. молодых спец. ОАО “Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича” – Мариуполь. - 2003. - С. 17-18. (Автором досліджена структура і властивості сталей, кінетика мартенситних перетворень, оброблені результати.)

19. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Перспективные способы термообработки новых экономнолегированных коррозионно-стойких сталей // Сб. тез. IV Междунар. н.-т. конф. молодых спец. ОАО “Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича” – Мариуполь. - 2004. - С.27-28. (Автором запропоновані зміцнювальні термообробки, досліджена структура і властивості сталей, оброблені результати.)

20. Чейлях А.П., Шейченко Г.В. Разработка и исследование экономнолегированных коррозионно-стойких сталей аустенитно-ферритного класса // Тез. докл. XI регион. науч.-техн. конф. – Том . – Мариуполь: ПГТУ, 2004.- С.73. (Автором проведені дослідження і оброблені результати.)

АНОТАЦІЯ

Шейченко Г.В. Створення економнолегованих корозійно-стійких метастабільних аустенітно-феритних сталей і керування їх властивостями. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – Матеріалознавство. Запорізький національний технічний університет, 2005 р.

Дисертаційна робота присвячена розробці нових економнолегованих корозійно-стійких сталей аустенітно-феритного класу з підвищеним комплексом фізико-механічних, службових характеристик для заміни дорогих хромонікелевих дефіцитних сталей. Тема дисертації є актуальною, спрямованою на вирішення важливої для України науково-технічної та народногосподарської проблеми – економії гостродефіцитного легуючого компоненту – нікелю. Дисертація має наукову та практичну цінність.

У роботі розроблені оптимальні склади економнолегованих коррозійно-стійких сталей з підвищеними міцнісними і пластичними властивостями, ударною в'язкістю, у тому числі й у литому стані, що досягається певним фазовим співвідношенням фериту і метастабільного аустеніту, а також використанням деформаційного мартенситного г>б' перетворення при випробуваннях та експлуатації. Запропоновані режими термічної обробки (температурно-тимчасові параметри гартування, ВТЦО, старіння, обробки холодом), які дозволяють регулювати фазове співвідношення між феритом та аустенітом, ступінь розвитку деформаційних мартенситних перетворень метастабільної аустенітної фази, підвищуючи комплекс механічних властивостей розроблених сталей.

Результати роботи впроваджені у ВАТ “Завод “Південьгідромаш” для виготовлення деталей насосів, які працюють в умовах морської води, розчинах середньої агресивності. Реалізація результатів роботи забезпечує надійність роботи насосів, економію матеріальних та енергетичних ресурсів.

Ключові слова: структура, фазовий склад, метастабільний аустеніт, мартенсит деформації, корозійна стійкість, корозійно-стійкі сталі.

АННОТАЦИЯ

Шейченко Г.В. Создание экономнолегированных коррозионно-стойких метастабильных аустенитно-ферритных сталей и управление их свойствами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – Материаловедение. Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2005 г.

Диссертационная работа посвящена разработке новых экономнолегированных коррозионно-стойких сталей аустенитно-ферритного класса с повышенным комплексом физико-механических служебных характеристик для замены дорогих хромоникелевых дефицитных сталей. Тема диссертации является актуальной, направленной на решение важной для Украины научно-технической и народнохозяйственной проблемы – экономии остродефицитного легирующего компонента – никеля. Диссертация имеет научную и практическую ценность. Перспективным направлением в создании новых экономнолегированных сталей является создание самоорганизующихся материалов с метастабильным состоянием аустенитной фазы и целенаправленное использование деформационных мартенситных    превращений при испытаниях (ДМПИ) и эксплуатации, впервые предложенное И.Н.Богачевым.

В работе разработаны оптимальные составы экономнолегированных коррозионно-стойких сталей с повышенными прочностными и пластическими свойствами, ударной вязкостью, в том числе и в литом состоянии, что достигается определенным фазовым соотношением феррита и метастабильного аустенита и использованием деформационного мартенситного г>б' превращения при испытаниях и эксплуатации. Установлено, что определяющее влияние на количество ферритной составляющей принадлежит хрому, образованию феррита способствует также легирование стали кремнием. При увеличении содержания марганца в стали возрастает степень стабильности аустенита. Для повышения стойкости к межкристаллитной и общей коррозии стали легировали небольшим количеством никеля (менее 1,0 и меди (0,8_,0

В диссертации предложены режимы термической обработки (температурно-временные параметры закалки, ВТЦО, старения, обработки холодом), которые позволяют регулировать фазовое соотношение между ферритом и аустенитом, метастабильности астенитной фазы, степень развития деформационных мартенситных превращений, повышая комплекс механических свойств разработанных сталей. Полученные результаты показывают, что разработанные стали оптимальных составов, при соответствующей термической обработке, превосходят хромоникелевые по прочностным свойствам, пластичности и ударной вязкости, при этом не уступают им в коррозионной стойкости. Это объясняется деформационной метастабильностью аустенитной фазы в их структуре, реализующей в процессе испытаний деформационной мартенситное превращение г>б' , которое обеспечивает дополнительное самоупрочнение и развитие релаксационных процессов. Эта главная отличительная особенность новых сталей от деформационно-стабильных известных способствует повышению кавитационной стойкости, что весьма важно для деталей насосов, испытывающих кавитационно-коррозионное разрушение.

Сравнение коррозионной стойкости разработанных экономнолегированных и известных хромоникелевых сталей показывает, что стали оптимальных составов, содержащие 17_хрома (09Х17Г10НДСЛ, 09Х19Г10НДСЛ и др.) в 25растворе моноэтаноламина, морской воде превосходят аустенитную сталь 10Х18Н10Л и значительно превосходят сталь 09Х15Н8Ю аустенитно-мартенситнного класса. В остальных агрессивных средах они несколько уступают стали 10Х18Н10Л, однако характеризуются в соответствии с ГОСТ 3819_2_ баллом стойкости,