Использование случайно - вероятностной модели для управления структурой и свойствами углеродистых сталей в процессе деформационного наноструктурирования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.141.24.017 : 539.3

А.Г. Корчунов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (3519) 29-84-51 [email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), М.В. Чукин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (3519) 29-85-26, [email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), М.А. Полякова, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-81, [email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), Д.Г. Емалеева, канд. техн. наук, ст. преп., (3519) 29-84-81, [email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), А.В. Лысенин, асп., (3519) 29-84-81,

[email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНО-ВЕРОЯТНОСТНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ

Разработана схема управления структурой и свойствами углеродистых конструкционных сталей в процессе разработанного метода деформационного наност-руктурирования - равноканальной угловой протяжки. Разработана система критериев для изучения и прогнозирования уровня механических свойств стали с ультрамелкозернистой структурой.

Ключевые слова: деформационное наноструктурирование, углеродистая сталь, ультрамелкозернистая структура, критериальный анализ.

Как известно, характерной особенностью металлов и сплавов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой является сочетание высокого уровня прочностных свойств с сохранением высокой пластичности. Это предопределяет их высокую востребованность для производства металлоизделий. Одним из направления формирования УМЗ структуры в металлах и сплавах являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД). Однако, в большинстве случаев существующие методы ИПД характеризуются низкой технологичностью, требуют создания специального оборудования и дорогостоящей оснастки, имеют ограничения по размерам обрабатываемой заготовки. Эти факторы сдерживают промышленное внедрение методов ИПД в действующее производство [1 - 3]. С этой точки зрения представляют интерес такие методы деформационного нанострук-турирования, которые по своим техническим характеристикам сравнимы с традиционными методами обработки давлением и могут быть адаптированы к действующим технологическим процессам производства металлоизделий.

Одним из перспективных методов деформационного нанострукту-рирования является равноканальная угловая протяжка (РКУ протяжка) [4 -6]. Суть предлагаемого способа заключается в многократном протягивании

стальной проволоки через сборную волоку специального профиля, что вызывает одноосное растяжение и изгиб проволоки одновременно в двух очагах деформации. Обработка заготовки способом РКУ протяжки обеспечивает существенную немонотонность и одновременно высокое значение накопленной степени деформации сдвига в металле, что приводит к эволюции дислокационной структуры, активизации новых систем скольжения, разориентации микрообъемов в пределах одного зерна и перестройке сформированных фрагментов в ультрамелкие зерна с неравновесными высокоугловыми границами. РКУ протяжка реализуется при неполном заполнении инструмента проволокой, которая в процессе обработки сохраняет неизменной площадь поперечного сечения. Существенным отличием предлагаемого способа от большинства существующих схем интенсивной пластической деформации является возможность непрерывной обработки длинномерных изделий круглого сечения в условиях массового производства на действующем волочильном оборудовании метизной отрасли (рис. 1).

Рис. 1. Возможный вариант интеграции РКУ протяжки в процесс традиционного волочения проволоки

Данный метод был апробирован на углеродистой конструкционной стали марки 45 с феррито-перлитной структурой в исходном состоянии. В ходе металлографического анализа установлена возможность получения УМЗ структуры углеродистой стали марки 45 в ходе РКУ протяжки в поверхностном слое проволоки [7]. Однако для разработки технологических процессов производства проволоки с ультрамелкозернистой структурой, формируемой в результате РКУ протяжки, для дальнейшего внедрения в действующее производство проволоки требуется проведение комплекса теоретико-экспериментальных исследований, направленного на оценку, прогнозирование и повышение однородности структуры и свойств обрабатываемой проволоки при различных режимах разработанного метода деформационного наноструктурирования (рис. 2).

Рис. 2. Схема управления структурой и свойствами углеродистых конструкционных сталей в процессе РКУ протяжки

Использование данного алгоритма позволяет находить такие параметры управления процессом РКУ протяжки, которые обеспечат требуемый уровень механических свойств готовой проволоки (временное сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение) при любом уровне механических свойств исходной заготовки. При этом параметрами управления процессом являются число циклов РКУ протяжки, степень деформации сдвига, скорость РКУ протяжки, температура обработки, угол пересечения каналов инструмента, исходный диаметр проволоки, радиусы скруглений кромок каналов. К параметрам состояния углеродистой стали относятся межпластинчатое расстояние цементита, толщина цементитных пластин, толщина ферритных пластин, ширина деформационных полос, размер фрагментов феррита,

объемная доля фрагментированного феррита, объемная доля деформационных полос.

Изучение процесса РКУ протяжки связано с преобразованием величин, имеющих детерминированный и недетерминированный характер. Параметры управления являются детерминированными, однозначно определенными величинами и выражаются действительными числами (например, число циклов РКУ протяжки, степень деформации сдвига, геометрические параметры инструмента и др.). Параметры микроструктуры и механических свойств обрабатываемой углеродистой конструкционной стали являются случайными, недетерминированными величинами. Поэтому в данном случае целесообразно использовать случайно-вероятностную модель управления структурой и свойствами углеродистой стали с УМЗ структурой. Данная модель основана на использовании плотностей вероятностей величин для описания недетерминированного характера параметров микроструктуры и свойств стали.

В ходе проведения экспериментальных исследований образцы из стали марки 45 подвергали РКУ протяжке при комнатной температуре в 2, 6 и 10 проходов. После каждого цикла обработки измеряли механические свойства и особенности формируемой УМЗ структуры стали. При этом объем выборки (общее число исследуемых элементов) на каждом этапе по каждому исследуемому показателю механических свойств стали составил в среднем от 20 до 50 единиц. По данным эксперимента были построены частотные кривые плотности распределения величин временного сопротивления углеродистой стали марки 45 (рис. 3).

Дисперсионный анализ показал (рис. 4), что степень рассеяния параметра временного сопротивления разрыву стали марки 45 параметров при увеличении количества проходов РКУ протяжки имеет неоднозначный характер. Наибольшее снижение наблюдается после 6 циклов РКУ протяжки, при дальнейшей обработке (после 10 проходов) вновь увеличивает-

При увеличении циклов обработки РКУ протяжкой происходит увеличение сопротивления деформации при сохранении пластических свойств проволоки, что является важным для проведения дальнейшего волочения проволоки на готовый размер. Поэтому эффективность процесса РКУ протяжки целесообразно рассматривать с точки зрения изменения показателей механических свойств стали. Критерий, характеризующий эффективность изменения механических свойств процессе РКУ протяжки, можно формализовать в следующем виде

= Уi -У/-1

т

т

К

У

х 100%,

(1)

где у! -у1_\ - абсолютное изменение величины показателя механического

свойства по циклам обработки РКУ протяжки; У\-\ - величина показателя механического свойства стали после (п - 1) цикла обработки РКУ протяжкой; у1!1 - величина показателя механического свойства стали после п-то цикла обработки РКУ протяжкой; т - количество механических свойств стали; / = 1...;? - количество циклов обработки РКУ протяжкой.

Интенсивность изменения (увеличение или снижение) показателя механического свойства от каждого предыдущего деформационного перехода к последующему свидетельствует об эффективности деформационной обработки, поэтому эффективность деформационного воздействия накладывает требование максимизации данного критерия, а именно Ку-^>тах.

9

| 50%

420 440 460 480 500 520 540 560 580 000 620 640 660 680 700 Временное сопротивление разрыву. МТа

--исходное

с1=5.5мм (2 прохода ПСУ протяжки) 4 <1=5.5мм (6 проходов РСУ протяжки) • <1=5.5мм (10 проходов ИС/ протяжки)

а

420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 Времетое сопротивление разрыву. МПа

---исходное

\ d=5uM (2 прохода РКУ протяяхи) % ö=5mm (6 проходов РКУ протяжки) d=5»M (10 проходов РКУ протяжки)

90%

I

75%

# 2

б 60%

/ \ / \;

420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 Временное сопротгвление разрыву. МПа

--исходное

<*=4.5мм (2 прохода РКУ протяжки) 4 с!=4.5мм (6 проходов РКУ протяжхи) '•• й=4.5»*» (10 проходов РКУ протяжки)

500 540 580 620 660 Временное сопротивление разрыву. МПа

--исходное

\ <1=4.2 мм (2 прохода РКУ протяжки) - <1=4.2мм (6 проходов РКУ протяжхи) •• <1=4.2мм (10 проходов РКУ протяжхи)

в

Рис. 3. Частотная кривая плотности распределения временного сопротивления разрыву проволоки различного диаметра из стали марки 45 после различного количества циклов

РКУ протяжки: а - 5,5 мм; 6-5 мм; в - 4,5 мм; г - 4,2 мм

102

5,5

5 4,5

Диаметр проволоки, мм

4,2

пи исходное ■ 2 прохода ■ 6 проходов ■ 10 проходов

Рис. 4. Изменение значений дисперсии временного сопротивления разрыву проволоки из стали марки 45 при различном количестве проходов РКУ протяжки

Критерий эффективности изменения механических свойств стали марки 45 с УМЗ структурой исследуем по показателям временного сопротивления и относительного удлинения стали. Критериальное уравнение процесса РКУ протяжки примет вид

где

К

(76

к*

(°в)г-1

х 100%

с

— 1 х 100%

(2)

(3)

(4)

где ав - временное сопротивление разрыву, МПа; § . относительное удлинение, %; / = 1 ...п - количество циклов обработки при РКУ протяжке.

Характер изменения критериев Кае, Крассчитанных по формулам (3) и (4) соответственно, для стали марки 45 при различном количестве проходов РКУ протяжки представлены на рис. 5 и рис. 6.

Из полученных данных видно, что в процессе РКУ протяжки повышение прочности стали марки 45 наиболее интенсивно происходит после первых шести проходов: временное сопротивление разрыву стали марки 45 для проволоки диаметром 4,2 мм увеличивается на 19,5 %, для проволоки диаметром 4,5 мм - на 14,6 %, для проволоки диаметром 5 мм -на 17,2 %, для проволоки диаметром 5,5 мм - на 15,4 %. Это можно объяснить тем, что при первых проходах наблюдается наиболее интенсивное диспергирование феррита: происходит образование деформационных полос в ферритных зернах, и начинается фрагментация внутри этих полос. При последующих проходах РКУ протяжки увеличение значений временного сопротивления разрыву стали марки 45 происходит в пределах 1-3%. При этом пластические характеристики стали существенно снижаются по-

еле первых шести проходов в среднем на 20 - 70 %, оставаясь при последующих проходах практически неизменными. С увеличением диаметра проволоки снижение пластических свойств происходит интенсивнее.

а я

2 прохода

6 проходов

10 проходов

Количество проходов РКУ протяжки

(1=4,2 ш "(1=4,5мм ■(!=? мм 1(1=5.5 мм

2 прохода 6 проходов 10 проходов

Количество проходов РКУ протяжки

(И,2мм 1(1=4,5 мм К1=5 мм 1(1=5,5мм

а б

Рис. 5. Значения критериев эффективности изменения механических свойств стали 45 с УМЗ структурой в процессе РКУ протяжки: а - Каб; б - Кё

Рис. 6. Значения криетриев эффекивности изменения механических свойтсв стали марки 45 с УМЗ структурой в процессе РКУ протяжки: а - Ков; б- К6 104

(1=4.5 мм

•(1=5ш

■(1=5.5 мм

(1= ММ

О 0.5 1 1.5 2 2,5 3 3.5 Накопленная степень деформации. Ая

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Накопленная степень деформации. Ли

В ходе проведенного критериального анализа установлено, что диаметр проволоки незначительно влияет на изменение временного сопротивления, а на изменение относительного удлинения оказывает значительное влияние. С увеличением диаметра проволоки диаметра образца снижение пластических свойств происходит интенсивнее. Это объясняется тем, что при больших диаметрах проволоки происходит почти полное заполнение инструмента, и при РКУ протяжке проволока испытывает дополнительный наклеп.

Анализ критериев эффективности данного метода деформационного наноструктурирования позволяет сделать вывод о предельной эффективности процесса РКУ протяжки. Наибольшая эффективность РКУ протяжки с точки зрения достижения необходимого уровня механических свойств уровня достигается при 6 проходах (интенсивно изменяются прочностные и пластические характеристики углеродистой стали). Дальнейшее увеличение количества проходов не приводит к значительному изменению механических свойств, и поэтому увеличение числа проходов РКУ протяжки нецелесообразно.

Таким образом, на примере углеродистой конструкционной стали марки 45 показана возможность использования случайно-вероятностной модели и разработанного критериального анализа для изучения и прогнозирования уровня механических свойств стали с УМЗ структурой после процесса деформационного наноструктурирования. Данный подход позволяет конструировать технологические процессы производства металлоизделий и определять технологические режимы деформационного наноструктурирования для формирования УМЗ структуры и достижения требуемого уровня механических свойств металлоизделий.

Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 13.G25.31.0061).

Список литературы

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.: ил.

2. Перспективные направления развития методов деформационного наноструктурирования / Чукин М.В., Полякова М.А., Емалеева Д.Г. и др. // ГОУ ВПО «Магнитогорск. гос. техн. ун-т». Магнитогорск, 2011. 55 с.: ил. 17. Библиогр. 70 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 21.06.2011, № 302 - В 2011.

3. Проблемы получения стальной проволоки с ультрамелкозернистой структурой / Чукин М.В., Полякова М.А., Емалеева Д.Г. и др. // Ме-тиз. №8 (б3). 2010. С. 19 - 22.

4. Формирование субмикрокристаллической структуры и свойств сталемедной проволоки в процессе равноканальной угловой протяжки / Ефимова Ю.Ю., Емалеева Д.Г., Мохнаткин А.В. и др. // Межрегион. сб. науч. тр. под ред. В.М. Колокольцева. Вып. 7. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. С. 60 - 64.

5. Непрерывный деформационный способ формирования ультрамелкозернистой структуры стальной проволоки / Чукин М.В., Корчунов А.Г., Полякова М.А. и др. // Сталь. № 6. 2010. С. 96 - 98.

6. Принципы проектирования непрерывного способа получения стальной проволоки с ультрамелкозернистой структурой / Корчунов А.Г., Чукин М.В., Полякова М.А. и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. № 1. 2011. С. 43 - 46.

7. Исследование особенностей структурообразования в процессе интенсивной пластической деформации углеродистых конструкционных сталей / Чукин М.В., Копцева Н.В., Корчунов А.Г. и др. // Черные металлы. Июль - август. 2011. С. 25 - 28.

A.G. Korchunov, M.V. Chukin, M.A. Polyakova, D.G. Emaleeva, A.V. Lysenin

USING RANDOM-PROBABILISTIC MODEL FOR CONTROL OF CARBON STEEL STRUCTURE AND PROPERTIES IN THE PROCESS NANO-STRUCTURING DEFORMATION

Сontrol diagram of carbon steel structure and properties in the process of developed method of deformation nanostructuring - equal angular drawing is developed. The criteria system for study and predicting the level of steel mechanical properties with the ultrafine grain structure is developed.

Key words: deformation nanostructuring, carbon steel, ultrafine grain structure, criterial analysis.

Получено 19.06.12