ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З.І. НЕКРАСОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

ДЬОМІНА КАТЕРИНА ГЕННАДІЇВНА

УДК 669.0.17: 620.184.2: 669.14.018.29 (043)

ВПЛИВ ОСОБЛИВОСТЕЙ ПЕРИТЕКТИЧної КРИСТАЛІЗАЦІЇ НА СТРУКТУРУ та ВЛАСТИВОСТІ ПРОКАТУ З КОНСТРУКЦІЙНОЇ СТАЛІ

Спеціальність 05.16.01 -

Металознавство та термічна обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова

Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Левченко Геннадій Васильович,

Інститут чорної металургії

ім. З.І. Некрасова НАН України,

завідувач відділом проблем структуроутворення та властивостей чорних металів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Спиридонова Ірина Михайлівна

Дніпропетровський національний університет, кафедра металофізики

кандидат технічних наук, доцент

Чайковський Олег Олександрович

Придніпровська державна академія будівництва й архітектури, кафедра матеріалознавства й обробки матеріалів

Провідна установа: Національна металургійна академія України Міністерства освіти й науки України, кафедра металознавства.

Захист відбудеться ”_26 ” травня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1.

Автореферат розісланий ”_07” _квітня 2006 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Приходько І.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однією з найважливіших задач, що стоять перед металургами в цей час, є забезпечення споживачів новими видами прокату з підвищеним комплексом механічних властивостей і експлуатаційних характеристик.

Зокрема, для виготовлення анкерного кріплення гірських виробок і проектування залізобетонних конструкцій підземних споруджень потрібен арматурний прокат, який поряд з високим рівнем міцності (т не менше 400 Н/мм2) має підвищений рівень пластичних і експлуатаційних характеристик (5 в/т ,25). Дані вимоги вищі за встановлені ДСТУ 3760 і Держстандартом 5781 для прокату даного класу міцності. Це пов’язане з тим, що для оцінки надійності роботи арматурного прокату в залізобетонних конструкціях підземних споруджень не можна орієнтуватися тільки на характеристики міцності (Т, В), нормовані в стандартах. Критеріями оцінки придатності арматурного прокату слугують і інші показники, які можна одержати з аналізу діаграм розтягання. Надійність роботи арматури в залізобетонній конструкції зростає зі збільшенням величини енергії, що поглинається сталлю при її руйнуванні. Величина енергії визначається площею під кривою напруга-деформація й у першому наближенні характеризується величиною (В5). Резерв роботи, яка сповільнює процеси руйнування арматури, визначається значенням відношення В/Т застосовуваної сталі.

Загальні закономірності формування структури й властивостей виробленого за діючими стандартами прокату залежно від його хімічного складу, технологічних параметрів прокатки й наступного охолодження вивчені досить глибоко й всебічно. Проте істотну роль у формуванні необхідного комплексу властивостей прокату можуть надавати структурні характеристики, які залежать від характеру кристалізаційних процесів. Основний вплив на структуру вилитих сталей робить багатофазна перитектична кристалізація, механізм якої визначається вмістом хімічних елементів і термокінетичними умовами твердіння металу.

Тому дисертаційна робота, у якій запропоновано новий підхід до використання потенційних можливостей складу сталей, що полягає в регулюванні й оптимізації характеристик дендритної структури з урахуванням їх впливу на структуру й властивості готового прокату, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов’язане з тематичними планами наукових досліджень Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України в рамках держбюджетної роботи: (Дослідження фазово-структурних перетворень у низьковуглецевих перитектичних сплавах при кристалізації й у твердому стані й удосконалення хімічного складу конструкційного прокату з підвищеним комплексом властивостей( (№ держреєстрації 0103U005407) і госпдоговірних робіт: ”Розробка хімскладу, геометричних параметрів і технології виробництва прокату для гірських виробок” (№ держреєстрації 0103U007222), ”Оптимізація хімічного складу та механічних властивостей арматурного прокату для залізобетонних конструкцій підземних споруджень” (№ держреєстрації 0105U007487).

Мета й задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи було встановлення впливу особливостей лікваційних процесів і фазових перетворень, що відбуваються при кристалізації, на структуру та комплекс властивостей конструкційного прокату, а також удосконалення на цій основі хімічного складу арматурного прокату для виробництва гірських виробок і підземних споруджень із підвищеним комплексом механічних властивостей і експлуатаційних характеристик.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені наступні завдання:

·

·

·

Об’єкт дослідження. Арматурний прокат спеціального призначення з низьколегованих і вуглецевих сталей.

Предмет дослідження. Процеси структуроутворення при кристалізації й деформаційно-термічній обробці в конструкційних низьколегованих сталях. Закономірності впливу особливостей дендритної структури на комплекс механічних властивостей і експлуатаційних характеристик готового прокату.

Методи дослідження. Проведені дослідження виконані за допомогою гартівного, металографічного, рентгеноспектрального, растрового електронного мікроскопічного методів, а також із застосуванням хімічного та статистичного аналізів. Визначення механічних властивостей здійснювали за допомогою стандартних методів механічних випробувань на розтягання.

Наукова новизна отриманих результатів.

· Установлено, що при охолодженні низьколегованих сталей, що містять (% мас.): 0,10-0,50 вуглецю, кремнію й марганцю десь близько 1кожного, зі швидкостями 10-2-10 К/с перитектичне перетворення протікає за дендритно- ободковим механізмом. При швидкостях охолодження більше 102 К/с в cталях, що містять (% мас.): 0,18-0,22 С, 1,0<Mn<3,0, 0,5-1,0перитектичне перетворення може здійснюватися за аномальним механізмом, який полягає в придушенні перитектичної реакції й однофазній кристалізації аустеніту із частковим розчиненням первинних кристалів -фериту.

· Побудовано просторову фазово-концентраційну діаграму, яка дозволяє визначити границю до- і заперитектичної фазових областей кристалізації конструкційних сталей залежно від вмісту вуглецю, кремнію й марганцю.

· Показано, що в сталях, які містять 0,25-0,33вуглецю, легованих кремнієм і марганцем (типу 30ГС), структура аустеніту характеризується найменшими розмірами дендритних гілок (I-го, II-го, III-го порядків) зерен і рівномірним розподілом ділянок концентраційної мікронеоднорідності. Установлено спадкоємний взаємозв’язок концентраційних і морфологічних особливостей дендритної структури з параметрами кінцевої структури прокату.

· Установлено, що в конструкційному прокаті з низьколегованих сталей концентраційна мікронеоднорідність утвориться, переважно, за рахунок розвитку лікваційних процесів кремнію. Кількість і рівномірність чергування зон, збагачених і збіднених легуючими елементами, впливає на комплекс механічних властивостей і експлуатаційних характеристик конструкційного прокату.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлені в роботі закономірності формування структури й властивостей низьколегованих конструкційних сталей дозволили:

-

-

Особистий внесок здобувача. Аналітичний огляд, визначення мети та завдань досліджень, проведення експериментів, обробка, аналіз і наукове обґрунтування одержаних результатів виконані особисто автором під керівництвом докт.техн.наук Г.В. Левченка. Узагальнення результатів експериментальних і теоретичних досліджень процесів структуроутворення при перитектичній кристалізації виконані автором при консультаційній допомозі канд.техн.наук А.І. Яценко.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи були повідомлені й обговорені на: Міжнародній науковій конференції ”Евтектика VI” (м. Запоріжжя, 2003 р.); Міжнародних науково-технічних конференціях ”Проблеми сучасного матеріалознавства (Стародубівські читання)” (м. Дніпропетровськ 2003-2005 рр.); Науково-технічних конференціях молодих учених і студентів ”Молода академія” (м. Дніпропетровськ 2003-2005 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в 10 статтях. З них 9 - у виданнях, рекомендованих ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт, 1 - у додатковому виданні. Результати дисертаційної роботи опубліковані в матеріалах 4 науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із введення, ... розділів, висновків, списку літературних джерел і додатків. Матеріали роботи викладені на ... сторінках, з яких .... сторінки машинописного тексту, ... рисунків; ... таблиці; ... сторінок - список використаних джерел з .... найменувань, ... сторінок - додатку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність проблеми для поліпшення співвідношення характеристик міцності й пластичності, досягнення необхідного запасу міцності арматурного прокату для виготовлення анкерного кріплення гірських виробок і залізобетонних конструкцій підземних споруджень при одночасному зниженні витрат легуючих елементів і доцільність виконання обраної теми, сформульовані мета й задачі дослідження, наукова новизна та практична цінність результатів роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасних способів підвищення комплексу властивостей арматурного прокату. Показано доцільність розширення виробництва арматурного прокату спеціального призначення: для виготовлення анкерного кріплення гірських виробок і залізобетонних конструкцій підземних споруджень. Сформульовано основні вимоги, запропоновані до властивостей арматурного прокату спеціального призначення.

Детальне вивчення вітчизняних і зарубіжних літературних даних за цими напрямками показало необхідність коректування хімічного складу та режимів деформаційно-термічної обробки для стабільного забезпечення високих вимог до арматурного прокату спеціального призначення.

На підставі проведеного аналізу були поставлені мета й задачі даної роботи.

У другому розділі наведені дані про матеріал і методики досліджень. Матеріалом досліджень послуговували: а) випробні потрійні Fe-C-Si і четверні Fe-C-Si-Mn сплави, що містять (% мас.) від 0,05 до 0,70 вуглецю, від 0,50 до 5,0 кремнію й від 0,50 до 8,0 марганцю, б) вуглецеві й низьколеговані промислові сталі.

Встановлення особливостей механізму перитектичної кристалізації проводили методом перерваної кристалізації. Навішення дослідних сплавів масою 200 г плавили, нагріваючи до температури 16000С, витримували 5-10 хвилин у печі електроопору в слабо відновлювальній атмосфері гелію. Потім накачували у кварцові трубки діаметром 4 мм і товщиною стінки 0,1 мм та охолоджували на повітрі. Стрижні дробили й навішеннями по 5 г переплавляли в печі Таммана в запаяних з одного кінця кварцових трубках. Поруч із пробою у печі поміщали Pt-Pt термопару з ідентичним кварцовим чохлом. Зміни температури контролювали мілівольтметром МПП-254М. Проби, нагріті до 16000С, витримували 2 хвилини й охолоджували в печі зі швидкістю 3 К/с. По ходу охолодження з інтервалом 200С проби послідовно гартували у воді. Розрізані уздовж вертикальної осі зливочки (4 мм і висотою 20 мм) аналізували металографічним і мікрорентгеноспектральним методами.

Для дослідження впливу базових елементів вуглецю, кремнію й марганцю на характеристики дендритної структури дослідні сплави масою 200 г плавили аналогічним способом. Після розкислення кремнієм і введення легуючих добавок розплав з тиглем охолоджували від 16000 до 12000 у печі ШП-I. Потім гартували від постійної температури 12000С у 10водяному розчині NaCl. Із розрізаних уздовж вертикальної осі циліндричних виливків діаметром 35 мм і висотою 40 мм відбирали стружку для хімічного аналізу й готували зразки для металографічного та мікрорентгеноспектрального аналізу.

Для подальшого вивчення структурних перетворень аустеніту лабораторні сплави охолоджували на повітрі від температури 12000С.

Регулювання розмірів дендритних гілок здійснювали за рахунок зміни умов охолодження при кристалізації. Швидкості охолодження при затвердінні вибирали таким чином, щоб у лабораторних умовах імітувати кристалізацію 8-тонного зливка (0,01-10 К/с) та безперервнолитої заготовки 125х125 мм або слябу товщиною 50 мм (0,5-10 К/с). Дослідні сталі 18ГС і 30ГС нагрівали до температури 15500С у печі електроопору лабораторної конструкції, витримували 4-5 хвилин, а потім при температурі 1450-15000С розливали у форми, однакові за розмірами, але з різною теплопровідністю. Температуру вимірювали за допомогою Pt-Pt10термопари із записом на потенціометрі КСП-4.

При охолодженні з піччю зливка, відлитого в шамотний кокіль, швидкість охолодження при кристалізації склала близько 0,05 К/с, при охолодженні в шамотному кокілі - 5 К/с. Для більш повного вивчення впливу термокінетики охолодження на розміри дендритних гілок використали металеву форму, швидкість охолодження в якій була 500 К/с.

Після охолодження до кімнатної температури від виливків відрізали зразки 20х10х6 мм для металографічного аналізу. Дослідні зливки розмірами 20х120х6 мм прокатували на лабораторному прокатному стані 280 при температурі 11000С на штаби товщиною 3,5 мм, які остигали на спокійному повітрі. З гарячекатаних штаб готували зразки для металографічних, рентгеноспектрального мікроаналізів і для механічних випробувань.

Мікроструктурні дослідження проведені на оптичному мікроскопі ”Neophot-2” і автоматичному структурному аналізаторі ”Epiquant” із застосуванням методів кількісної металографії. Первинну (дендритну) структуру виявляли травленням у гарячому розчині пікрату натрію.

Розподіл легуючих елементів досліджували за допомогою електронно-зондового мікроаналізатора МС-46 фірми CAMECA (Франція). Детальне дослідження характеру руйнування конструкційних сталей здійснювали за допомогою растрового електронного мікроскопа (РЕМ) JSM-35 фірми JEOL (Японія). Вивчення структури зламів вели безпосередньо після випробування зразків на розтягання, що дозволило запобігти утворенню окисної плівки, яка негативно впливає на якість зображення.

Випробування на розтягання дослідних зразків робили на машині FP 100/1 шкала 2т за ДСТ 1497-84; мікротвердість вимірювали на ПМТ-3 при мінімальному навантаженні на індентор 5 г. Випробування механічних властивостей зразків дослідно-промислових партій прокату проводили на металургійному підприємстві.

Матеріалом для статистичних досліджень служили результати здавального контролю промислових партій прокату з різних марок сталей, зроблених на ВАТ ”Криворіжсталь”.

У третьому розділі проведені дослідження особливостей фазових і структурних перетворень при кристалізації легованих конструкційних сталей.

Встановлено, що механізм перитектичної кристалізації в конструкційних низьколегованих сталях може змінюватися залежно від хімічного складу й термокінетичних умов твердіння. Встановлено, що при охолодженні низьколегованих сталей, що містять (% мас.): 0,10-0,50 вуглецю, кремнію та марганцю близько 1кожного, зі швидкостями 10-2-10 К/с перитектичне перетворення протікає за дендритно-ободковим механізмом. За даним механізмом перитектична кристалізація здійснюється у дві стадії. На першій стадії відбувається утворення й кристалізація дендритів твердої фази – д_фериту (рис. , а), а на другій стадії за рахунок дифузійного перерозподілу компонентів між контактуючими феритом і рідиною відбувається зміна складу граничних мікрооб’ємів д-фази й зародження перитектичної фази - аустеніту - на міжфазових границях д-фериту з рідиною (рис.1, б). Ріст перитектичного аустеніту уздовж міжфазових границь приводить до утворення суцільної оболонки навколо дендритних гілок д-фериту та зникнення їхнього контакту з рідиною (рис.1, в).

а б в

Рис. 1. Схема дендритно-ободкового механізму перитектичної кристалізації:

а – 1 стадія L+Lост, б ? 2 стадія +Lост

З утворенням аустенітного ободка та розділенням первинних фаз перетворення продовжує здійснюватися двома шляхами. На внутрішній стороні перитектичного ободка триває високотемпературне поліморфне перетворення з дифузією вуглецю, заліза й легуючих елементів через аустеніт; на зовнішній – кристалізація аустеніту із залишкової рідини Lзалиш. Дифузійне пересення компонентів через аустеніт є важливою кінетичною ланкою процесу аустенітизації. Його незавершеність сприяє відхиленню складу фаз від рівноважних значень і розвитку внутрішньокристалічної й дендритної ліквації (рис. ).

а б

Рис. 2. Мікроструктура сплаву 0,18C, 1Si, 2,5Mn після завершення кристалізації: а – х 200, б – х 320

При підвищених швидкостях охолодження понад 102 К/с у сплавах, що містять (% мас.): 0,18-0,22 С, 1,0<Mn<3,0, 0,5-1,0перитектичне перетворення може здійснюватися за аномальним механізмом, який полягає в пасивуванні перитектичної реакції та роздільному в просторі й у часі зародженні обох твердих фаз за реакціями L і L. Аномальна структура різноманітна за будовою й складається з тонкорозгалужених ”волокон” фериту та аустеніту у вигляді двофазної конструкції (рис. 3).

а б

Рис. 3. Аномальний тип перитектичної структури

у сплаві 0,18C, 1,0Si, 2,5Mn: а – х 200, б – х 500

Просторова архітектоніка структури, що утворилася, визначається особливостями дендритного росту кристалів д-фериту, що утворяться на першій стадії перетворення. Вони першими виділяються з рідини й формують дендритний каркас із пересічними гілками у всьому об’ємі сплаву, що кристалізується (рис. , а).

Неперетворена рідина збагачується вуглецем, легуючими та домішковими елементами, змінює свій склад, і в умовах значного переохолодження, викликаного високою швидкістю охолодження сплаву (Vохол.=102-104 К/с), відбувається заглушення перитектичної реакції (L+). У результаті кристали аустеніту утворяться безпосередньо із цієї рідини без зникнення первинної твердої д-фази (рис. , б). Ріст кристалів д-фази здійснюється від периферії дендритів д-фериту до просторових центрів аустеніту (рис. , в). Ділянки аустеніту, які кристалізуються останніми із залишкової рідини, є найбільш збагаченими легуючими та домішковими елементами й відрізняються за забарвленням у результаті травлення (рис. ).

а б в

Рис. 4. Схема аномального механізму перитектичної кристалізації:

а - 1 стадія L>д+L; б, в – 2 стадія д+L> г+д

З особливостями перитектичної кристалізації пов’язують виникнення кристалізаційних (гарячих) тріщин у конструкційних сталях. У даному розділі розглянуто утворення даного дефекту в металознавчому аспекті.

Основну роль у формуванні аустенітної структури в сталях доперитектичного складу (0,10-0,16%З) грає поліморфне перетворення (д>г). Понад 65аустеніту утвориться в результаті даного фазового перетворення, що супроводжується різкою зміною об’єму на 9,0-9,5що знижує міцність кристалічного кістяка. У результаті в момент закінчення твердіння відбудеться різке збільшення усадки, додатково до усадки твердіння, і ризик появи гарячих тріщин у даних сталях підвищується.

У сталях заперитектичного типу (0,16-0,50 С) структура аустеніту утвориться, здебільшого, за рахунок кристалізації із залишкової рідини (Lзалиш), кількість і розташування якої в об’ємі металу в ефективному інтервалі кристалізації відіграють важливу роль в ”заліковуванні” тріщин, що утворяться.

У доперитектичних сплавах залишкової рідини мало (менше 20(лікваційні ділянки зосереджені в міжгалуззях дендритів - рис. , а). В’язкість даної рідини досить велика, що не дає їй можливість швидко пересуватися й ”заліковувати” мікророзриви, порожнечі й пори. Зі збільшенням її кількості в заперитетичних сплавах (рис. 5, б), концентрація легуючих і домішкових елементів у ній зростає, а її кінематична в’язкість знижується, тобто залишкова рідина стає рухливою і здатною швидко заповнювати, ”заліковувати”

а б

Рис. 5. Розподіл залишкової рідини в доперитектичних (а) і заперитектичних (б) сталях:

а – 0,15С, 1,01,0Mn; б – 0,30С, 1,0Si, 1,0Mn; а, б - 200

мікротріщини, що появилися (у вигляді пор, порожнеч, мікронадривів). Чутливість цих сплавів до появи даного дефекту знижується.

На підставі теорії Сміта та даних Молдавського металургійного заводу показано, що тенденція утворення гарячих тріщин підсилюється в сталях доперитектичного типу (0,10-0,16вуглецю).

Визначено вплив вмісту базових елементів – вуглецю, кремнію й марганцю - на характеристики дендритної структури й, отже, на положення сталі в певній фазовій області кристалізації.

Установлено, що при переході від одностадійної (первинноферитної) кристалізації д-фериту в область перитектичної кристалізації розмір дендритних гілок подрібнюється, досягаючи найменших значень у сталях, що містять 0,25-0,33вуглецю, а при подальшому підвищенні концентрації вуглецю знову збільшується. При переході від перитектичної кристалізації в область одностадійної кристалізації аустеніту розмір дендритних гілок спочатку продовжує зростати, але при збільшенні вмісту вуглецю понад 0,60починає зменшуватися (рис. ).

Результати рентгеноспектрального аналізу показали, що пряма дендритна ліквація кремнію й марганцю в низьколегованих заперитектичних сталях розвинена сильніше, ніж у низьколегованих доперитектичних сталях (табл. ). Для сталей доперитектичного типу характерна яскраво виражена зворотна ліквація кремнію. У дендритній структурі сталей заперитектичного типу вона слабшає, а при подальшому збільшенні вмісту вуглецю зворотна ліквація кремнію зникає (рис. , а, в).

Встановлено, що в дендритній мікроструктурі вуглецевої сталі Ст3пс (табл. ) марганець розподіляється за типом прямої ліквації. Низький вміст кремнію сприяє його розподілу у вигляді окремих зон з підвищеною концентрацією (рис. , б - це ділянки блакитних кольорів у міждендритних просторах) і є недостатнім для утворення рівномірного розподілу концентраційної мікронеоднорідності.

Рис. 6. Вплив вмісту вуглецю на розмір дендритних гілок

а б в

Рис. 7. Мікроструктура сталей 18ГС (а), Ст3пс (б) 30ГС (в) після завершення кристалізації (х100)

Таблиця 2

Розподіл кремнію й марганцю по перетину дендритних гілок у конструкційних сталях

Вміст елементів, % мас. | Розподіл у дендритній структурі

Si, % | Mn, %

С | Si | Mn | вісь | пери-ферія | міжгалуззя | КДSi | вісь | пери-ферія | міжгалуззя | КДMn

0,15 | 0.78 | 1,16 | 0,96 | 0,76 | 1,18 | 0,81 | 0,98 | 1,06 | 1,19 | 0,82

0,22 | 0,04 | 0,74 | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,64 | 0,71 | 0,78 | 0,91 | 0,78

0,30 | 0.69 | 1,21 | 0.79 | 0.68 | 1.23 | 0.64 | 1,18 | 1,31 | 1,52 | 0,78

Примітка. Для сталі Ст3пс наведені дані отримані розрахунковим шляхом.

Результати металографічного аналізу дослідних Fe-C-Si сплавів показали, що легування кремнієм не змінює положення сплавів ні в до-, ні в заперитектичній областях. Однак, збільшення вмісту кремнію понад 2не є доцільним, оскільки в дендритній структурі з’являються морфологічні й концентраційні розходження.

Збільшення вмісту марганцю в Fe-C-Si-Mn сплавах здатне змінити тип кристалізації. Також при концентраціях марганцю понад 2спостерігається розширення доперитектичної фазової області кристалізації до 0,22вуглецю.

Узагальнюючи дані металографічного аналізу дослідних Fe-C-Si і Fe-C-Si-Mn сплавів, побудована просторова фазово-концентраційна діаграма, яка дозволяє визначити границю до- і заперитектичних фазових областей кристалізації (при Vохол=0,5-10 К/с) залежно від вмісту вуглецю, кремнію та марганцю (рис. ).

Комп’ютерна обробка даних металографічного аналізу за методом багатокритеріальної оптимізації показала, що структура аустеніту в сталях, які містять 0,25-0,33вуглецю й близько 1кремнію й марганцю, характеризується мінімальними розмірами дендритних гілок (рис. ).

Показано, як при подальшому посткристалізаційному охолодженні відбувається трансформація дендритної структури в зеренну. Встановлено, що при переході від ”первинноферитних” сталей до доперитектичних розмір аустенітних зерен різко збільшується (від 0,25 до 0,70 мм), досягає найбільших значень (0,85 мм) у сталях, близьких до перитектичного складу. Зі збільшенням вмісту вуглецю в заперитектичній області розмір аустенітного зерна різко зменшується (0,35 мм).

Рис. 8. Просторова фазово-концентраційна діаграма, яка розмежовує до- і заперитектичну фазові області кристалізації конструкційних сталей (Vохол=0,5-10 К/с) залежно від вмісту вуглецю, кремнію та марганцю

а б

Рис. 9. Вплив вмісту вуглецю й кремнію (а) і вуглецю й марганцю (б) на розміри дендритних гілок

Таким чином, показано, що найбільш дисперсна дендритна структура аустеніту утвориться в сталях, що містять вуглець 0,25-0,33 %, кремній і марганець близько 1,0кожного. Ці сталі також відрізняються рівномірним розподілом концентраційної мікронеоднорідності й мінімальних розмірів аустенітних зерен.

У четвертому розділі наведені результати досліджень по утворенню спадкоємної концентраційної мікронеоднорідності в гарячекатаному прокаті.

В лабораторних умовах цілеспрямованим шляхом, змінюючи швидкості охолодження при кристалізації сталей двох типів: доперитектичної - 18ГС і заперитектичної - 30ГС, впливали на розмір дендритної структури й характер розподілу в литих заготовках. Забезпечуючи постійні умови наступного переробу заготовок, досліджено спадкоємний зв’язок між дендритною ліквацією кремнію й марганцю в литому стані й концентраційній мікронеоднорідності в гарячекатаному стані, а також визначено вплив спадкоємної концентраційної мікронеоднорідності на механічні властивості прокату.

Показано, що при кристалізації в широкому діапазоні швидкостей охолодження (від 0,05 до 500 К/с) у сталі заперитектичного типу (30ГС) формується більш висока дисперсність дендритної структури й рівномірність розподілу лікваційних зон, ніж у структурі сталі доперитектичного типу (18ГС) (рис. , а, б).

а б

в г

Рис. 10. Мікроструктура сталей 18ГС (а, в) і 30ГС (б, г):

а, б - литий стан; в, г - після гарячої деформації, х100

Доведено, що особливості дендритної структури (коефіцієнти дендритної ліквації кремнію та марганцю, об’ємні частки дендритних гілок і міждендритних просторів) значною мірою успадковуються в структурі гарячекатаного прокату. Дендритна структура зберігає характерну їй щільність у гарячекатаному матеріалі, змінюючи тільки свою форму й розміри залежно від ступеня деформації (рис. , в, г).

Установлено, що в рудиментах дендритної структури зразків гарячекатаних штаб із до- і заперитектичних сталей (18ГС і 30ГС, відповідно), що утворилася при кристалізації з низькою швидкістю охолодження (0,05 К/с), марганець розподіляється в дендритній структурі більш рівномірно (коефіцієнт дендритної ліквації КдMn=0,94-0,81), ніж кремній (КдSi=0,81-0,58). Тому концентраційна неоднорідність у мікроструктурі гарячекатаного прокату утвориться переважно за рахунок розвитку лікваційних процесів кремнію.

Зі збільшенням швидкості охолодження при кристалізації (від 5 до 500 К/с) дендритна ліквація кремнію й марганцю в гарячекатаній структурі доперитетичних сталей зростає (КдMn=0,88-0,76; КдSi=0,71-0,65). У сталях заперитектичного типу дендритна ліквація марганцю зростає (КдMn=0,77-0,67), а кремнію – слабшає (КдSi=0,62-0,65).

Показано, що концентраційна неоднорідність у структурі гарячекатаних штаб складається із зон з різним вмістом кремнію й марганцю та витягнутих уздовж напрямку прокатки. Зони, збагачені цими легуючими елементами, відрізняються високими значеннями мікротвердості. У структурі сталі 30ГС, незалежно від розмірів дендритної структури, спостерігається рівномірне чергування більш твердих та м’яких прошарків. Зі здрібнюванням дендритної структури кількість зон, збагачених легуючими елементами та з зонами, що чергуються, збідненими легуючими елементами, зростає, частота чергування твердих і м’яких прошарків підвищується, що приводить до деякого підвищення середнього рівня мікротвердості. У структурі сталі 18ГС розподіл мікротвердості з високою частотою чергування твердих і м’яких прошарків досягається тільки в зразках з найменшими розмірами дендритних гілок.

Встановлено, що зі збільшенням щільності дендритної структури на кривих розтягнення зразків зі сталі 18ГС з’являється площадка текучості. На кривих розтягнення зразків зі сталі 30ГС площадка текучості спостерігається при будь-яких розмірах дендритної структури. З її підвищенням довжина площадки текучості збільшується. Таким чином, більш висока дисперсність і рівномірність зон концентраційної мікронеоднорідності в структурі гарячекатаного прокату обумовлює підвищення загального рівня пластичності й відношення уВ/уТ (табл. ).

Встановлено як формується концентраційна мікронеоднорідність у промисловому металі виробництва ВАТ ”Криворіжсталь”. Металографічний аналіз зразків катаних заготовок 80х80 мм і готового прокату показав, що розподіл лікваційних ділянок і об’ємні частки в деформованому металі повністю успадковують характер розташування в дендритній структурі, лише з урахуванням деформації змінюється їхня форма й трохи підвищуються об’ємні частки.

Таблиця 3

Механічні властивості гарячекатаних штаб

Швидкість охолодження при кристалізації,

V, К/с | Границя текучості,

ут, Н/мм2 | Тимчасовий опір

ув, Н/мм2 | Відносне подовження,

д5, % | Запас міцності,

ув/ ут

18ГС

0.05 | 375 | 514 | 18 | 1,37

5 | 385 | 530 | 23 | 1,39

500 | 385 | 540 | 30 | 1,40

30ГС

0.05 | 410 | 582 | 25 | 1,43

5 | 405 | 590 | 28 | 1,45

500 | 405 | 595 | 32 | 1,47

Показано, що в структурі низьколегованої сталі доперитектичного типу 08М2С лікваційні ділянки розташовані відособлено (рис. , а). Концентрація легуючих елементів нестабільна навіть по довжині окремої лікваційної смуги (колірна гама при травленні пікратом натрію змінюється від блакитного до пшеничних кольорів).

а б в

Рис. 11. Спадкоємна концентраційна мікронеоднорідність у промислових сталях 08М2С (а), Ст3пс (б) і 30ГС (в), х100: а - катанка 6 мм,

б, в - арматури 25мм

Структура вуглецевої сталі заперитектичного типу Ст3пс після деформації складається з декількох суцільних лікваційних смуг (рис. , б). У структурі низьколегованої сталі заперитектичного типу 30ГС спостерігається рівномірний розподіл лікваційних смуг, збагачених легуючими елементами (рис. , в), достатньої довжини, які мають підвищену твердість (міцність) і несуть основне навантаження, передане на них більш м’якою матрицею.

Таким чином, на підставі досліджень дослідних і промислових матеріалів, сталь 30ГС можна віднести до розряду природно армованих (композитних) матеріалів.

У п’ятому розділі проведено визначення раціонального хімічного складу сталі й розроблені технічні умови ”Прокат для виготовлення анкерного кріплення гірських виробок” (ТУ У 27.1-4-556-2003).

Уточнено раціональні параметри технології виробництва, що забезпечують необхідну (табл. ) якість даного прокату.

Таблиця 4

Вимоги ТУ У 27.1-4-556-2003 до прокату щодо виготовлення прокату для гірських виробок

Масова частка елементів, % | Клас прокату | Механічні властивості

C | Mn | Si | S | P | Т,

Н/мм2 | В,

Н/мм2 | 5,

%

не більше | не менше

0,25-0,33 |

0,90-1,30 |

0,60-0,90 |

0,045 |

0,040 | А400ш | 400 | 500 | 20

А500ш | 500 | 620 | 20

А600ш | 600 | 750 | 20

Показано, що збільшення вуглецевого еквіваленту рекомендованої сталі 30ГС у межах марочного складу може істотно (на 50-100 Н/мм2) підвищити міцностні властивості й трохи знизити пластичність гарячекатаного прокату, а в термозміцненому стані цей вплив незначний. Арматурний прокат у термозміцненому стані характеризується більш низькими значеннями В/Т та Вх5, у порівнянні з гарячекатаним прокатом, що може знизити енергію руйнування анкерів у гірській породі.

Фрактографічний аналіз розривних зразків зі сталі 30ГС показав, що характер зламів у гарячекатаному стані (А400) винятково вязкий дрібночашковий. Застосування ТМО та підвищення класу міцності прокату (до А600) приводить до збільшення частки квазисколу в структурі зламів до 30

Результати випробувань арматури 25мм із різних марок сталі, виробленої на Криворізькому металургійному комбінаті, показали, що прокат зі сталі 30ГС у гарячекатаному стані стабільно має границю текучості більше 400 Н/мм2, відносне подовження 5 не менше 21і відношення В/Т не менше 1,35.

Досліджували схильність до крихкого руйнування розривних зразків з рекомендованої сталі 30ГС і порівняльної – Ст5Гпс (обидві класу А500). Структура зламів зразків зі Ст5Гпс представляє сполучення дрібночашкового зламу й квазисколу в кількості 30з ділянками крихкого транскристалітного руйнування рядкового характеру (рис. , а).

а б

в г

Рис. 12. Фрактограми зламів розривних зразків (а, в) і мікроструктура гарячекатаного арматурного прокату (б, г) зі сталей Ст5Гпс і 30ГС: а, в - х300, б, м - х400

Такий характер розташування ділянок крихкого руйнування приведе до виникнення й розвитку крихких транскристалітних магістральних тріщин. Злами зразків зі сталі 30ГС відрізняються в’язкою, дрібночашковою будовою (рис. , в). Висока в’язкість матеріалу не дозволяє розвиватися тріщині. В’язкий характер руйнування зразків зі сталі 30ГС може бути пояснений рівномірно розподіленою концентраційною мікронеоднорідністю, що не спостерігається в структурі Ст5Гпс (рис.12, б, г).

Таким чином, у прокаті зі сталі 30ГС концентраційна мікронеоднорідність, утворена здебільшого за рахунок ліквації кремнію, формує в матриці рівномірний міцний каркас, який забезпечує в’язкий характер руйнування сталі. Сполучення основних хімічних елементів (вуглецю, кремнію й марганцю) у сталі 30ГС приводить до утворення найбільш сприятливої концентраційної мікронеоднорідності, що забезпечує високий рівень запасу міцності (В/Т) і енергії руйнування (В/5) не тільки в порівнянні з вуглецевою сталлю Ст3пс, але навіть і зі сталями 25М2С и 35ГС. Тому для виробництва залізобетонних конструкцій підземних споруджень у сьогоднішніх умовах можна застосовувати сталь 30ГС, що рекомендується в дійсній роботі. Виготовлений з неї арматурний прокат буде задовольняти вимогам (Т > 400Н/мм2, 5 > 20% і В/Т > 1,30) розроблених технічних умов ”Прокат арматурний для залізобетонних конструкцій підземних споруджень” (ТУУ 27.1-23365425-590:2005) і показникам діючих СНіП.

ВИсновки ПО РОБОТІ

У роботі виконано теоретичне узагальнення й запропоновано нове рішення актуальної науково-технічної задачі - підвищення комплексу міцностних і пластичних характеристик конструкційного прокату за рахунок впливу на процеси структуроутворення й формування лікваційної неоднорідності під час кристалізації сталі.

1. Показано, що одним з важливих напрямків виробництва конструкційних низьколегованих сталей перитектичного типу є освоєння спеціальних видів арматурного прокату, що мають комплекс властивостей, які забезпечують його надійну експлуатацію при використанні в підземних спорудженнях.

2. Встановлено, що перитектична кристалізація низьколегованих конструкційних сталей при охолодженні зі швидкостями (10-2-10 К/с) протікає за дендрито-ободковим механізмом. При швидкостях охолодження більше 102 К/с) у сплавах, що містять (% мас.): 0,18-0,22 С, 1,0<Mn>3,0 і 0,5-1,0 Si, перитектична кристалізація здійснюється за аномальним механізмом.

3. Побудовано просторову фазово-концентраційну діаграму, що розмежовує області кристалізації конструкційних сталей залежно від вмісту вуглецю, кремнію й марганцю. Показано, що сталі заперитектичного типу (0,16-0,50 С) відрізняються меншими розмірами дендритних гілок аустеніту, рівномірністю розподілу ділянок концентраційної мікронеоднорідності й стійкістю до утворення гарячих тріщин, а також здрібнюванням розмірів зерен аустеніту, у порівнянні зі сталями доперитектичного типу (0,10-0,16С).

4. Встановлено, що сталі, які містять 0,25-0,33вуглецю, кремнію та марганцю близько 1,0кожного (типу 30ГС), характеризуються найменшими розмірами дендритних гілок (I-го, II-го та III-го порядків), аустенітних зерен і рівномірним розподілом ділянок концентраційної мікронеоднорідності. Показано, що зазначені особливості аустенітної структури зберігаються при кристалізації в широкому діапазоні швидкостей охолодження (0,05-500 К/с).

5. Показано, що характеристики дендритної структури (коефіцієнти дендритної ліквації кремнію й марганцю, об’ємні частки дендритних гілок і міждендритних просторів, дисперсність дендритної структури) значною мірою успадковуються структурою гарячекатаного прокату.

6. Встановлено, що успадкована від литого стану концентраційна мікронеоднорідність приводить до формування в структурі гарячекатаного прокату витягнутих уздовж напрямку прокатки ділянок, збагачених і збіднених легуючими елементами, насамперед кремнієм і марганцем, і розрізнюваних рівнем твердості (міцності). Присутність у структурі витягнутих уздовж напрямку прокатки ділянок з різним рівнем твердості (міцності) дозволяє характеризувати прокат зі сталі 30ГС як природно армований (композиційний) матеріал.

7. Встановлено, що більш висока щільність і рівномірність розподілу ділянок концентраційної мікронеоднорідності в структурі гарячекатаного прокату із заперитектичної сталі 30ГС обумовлює збільшення площадки текучості на діаграмах розтягання, а також загального рівня пластичності й відношення уВ/уТ.

8. Сформульовано основні вимоги до вмісту хімічних елементів (сталь 30ГС) і рівня механічних властивостей прокату для виготовлення анкерного кріплення гірських виробок (ТУ У 27.1-4-556-2003) і залізобетонних конструкцій підземних споруджень (ТУ У 27.1-23365425-590:2005).

9. Результати виконаних досліджень реалізовані на Криворізькому металургійному комбінаті при освоєнні технології виробництва арматурного прокату, який забезпечує необхідну за ТУ У 27.1-4-556-2003 якість металу. Це дозволило впровадити виготовлені за цією технологією анкерні кріплення гірських виробок на ряді шахт України.

Основний зміст роботи викладено у публікаціях:

1. Левченко Г.В., Яценко А.И., Репина Н.И., Грушко П.Д., Дёмина Е.Г. Полиморфные превращения и наследственность в низкоуглеродистых сталях //Новини науки Придніпров’я. – 2003. – № 2. – С. 15-19.

2. Левченко Г.В., Яценко А.И., Дёмина Е.Г. Формирование аустенита в железоуглеродистых сплавах перитектического типа //Фундаментальные и прикладные проблемы чёрной металлургии. ? Днепропетровск: ИЧМ. – 2004. – вып. 7. – С. 165-169.

3. Дёмина Е.Г., Левченко Г.В., Яценко А.И. Перитектическая кристаллизация и качество стальных отливок //Фундаментальные и прикладные проблемы чёрной металлургии. ? Днепропетровск: ИЧМ. – 2004. – вып. 8. – С. 313-319.

4. Левченко Г.В., Дьоміна К.Г., Грушко П.Д. Вплив умов кристалізації на спадкоємну концентраційну мікронеоднорідність і механічні властивості гарячекатаного прокату //Металознавство та обробка металів. – 2005. – № 1. – С. 9-14.

5. Дёмина Е.Г., Левченко Г.В., Репина Н.И., Коваль В.К. Формирование наследственной концентрационной микронеоднородности в низколегированных сталях перитектического типа //Металознавство та термічна обробка металів. – 2005. – № 2. – С. 54-58.

6. Левченко Г.В., Дьоміна К.Г., Грушко П.Д. Вплив вуглецю в низьколегованій сталі на співвідношення характеристик міцності та пластичності прокату //Металознавство та обробка металів. – 2005. – №3. – С. 16-23.

7. Левченко Г.В., Воробей С.А., Дёмина Е.Г. Кекух А.В., Гунькин И.А., Виноградов В.В. Качество арматурного проката для анкерного крепления горных выработок //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – №5. – С. 29-33.

8. Дёмина Е.Г., Левченко Г.В., Грицай Т.В. Влияние углерода, кремния и марганца на морфологию дендритной структуры конструкционных сталей перитектического типа //Фундаментальные и прикладные проблемы чёрной металлургии. ? Днепропетровск: ИЧМ. – 2005. – вып. 10. – С. 223-231.

9. Левченко Г.В., Воробей С.А., Дёмина Е.Г., Шеремет В.А., Кекух А.В., Гунькин И.А. Оптимизация химического состава и механических свойств арматурного проката для железобетонных конструкций подземных сооружений //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. – №1. – С.71-74.

Додаткові наукові результати викладені в публікаціях:

10. Яценко А.И., Левченко Г.В., Репина Н.И., Грушко П.Д., Дёмина Е.Г. Кристаллизация и структура перитектических сталей //Металлы. – 2003. – № 2. – С. 18-22.

Особистий внесок здобувача в публікаціях: виконання металографічних досліджень і узагальнення їхніх результатів в [1-10], визначення особливостей механізму перитектичного перетворення в конструкційних сталях різного складу [2, , , 10], встановлення впливу спадкоємної концентраційної мікронеоднорідності на кінцеву структуру й властивості прокату [1, ], узагальнення результатів експериментальних досліджень у промислових умовах [7, ].

аНОТАЦіЯ

Дьоміна К.Г. Вплив особливостей перитектичної кристалізації на структуру та властивості прокату з конструкційної сталі. – Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.01 – ?Металознавство та термічна обробка металів?. – Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2006.

Дисертаційна робота спрямована на підвищення комплексу механічних властивостей та експлуатаційних характеристик арматурного прокату з низьковуглецевистих конструкційних сталей перитектичного типу для виготовлення анкерного кріплення гірничих виробок і залізобетонних конструкцій підземних споруд.

Метою роботи було встановлення впливу особливостей лікваційних процесів і фазових перетворень, що відбуваються під час кристалізації сталі, на структуру та комплекс властивостей конструкційного прокату, а також удосконалення на цій основі хімічного складу арматурного прокату спеціального призначення.

Встановлено, що сталі, які містять 0,25-0,33вуглецю, кремнію та марганцю близько 1,0кожного, характеризуються найменшими розмiрами дендритних осей (I-го, II-го и III-го порядкiв) та аустенітних зерен, рівномірним розподілом дільниць концентраційної мікронеоднорідності, а також стійкістю до утворення гарячих тріщин.

Показано, що характеристики дендритної структури (коефіцієнти дендритної ліквації кремнію та марганцю, об’ємні частки дендритних осей і міжосьових ділянок, щільність дендритної структури) в значній мірі успадковуються структурою прокату у гарячекатаному стані.

Встановлено, що більш висока щільність і рівномірність розподілу ділянок концентраційної мікронеоднорідності у структурі гарячекатаного прокату зі сталі заперектичного типу 30ГС обумовлює підвищення довжини площадки текучості на діаграмах розтягання, а також загального рівня пластичності та відношення ув/ут.

Виконані дослідження дозволили сформулювати основні вимоги до вмісту хімічних елементів (сталь 30ГС) та рівня механічних властивостей прокату для виготовлення анкерного кріплення гірничих виробок (ТУ У .1-4-556-2003) і залізобетонних конструкцій підземних