CC BY
51
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.785:621.771.23-022.532 DOI:10.18503/1995-2732-2016-14-4-72-75
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА
Чукин М.В.1, Полецков П.П.1, Набатчиков Д.Г.1, Гущина М.С.1, Алексеев Д.Ю.1, Хакимуллин К.2
1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия.
2 Хосокава Колб GMBH, Бонн, Германия
Аннотация
Постановка задачи: в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого по инициативе Магнитогорского металлургического комбината с участием Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова и Термодеформ-МГТУ, разрабатывается технология производства импортозамещающего нанострукгурированного листового проката с уникальным комплексом механических свойств. Цель работы: исследование зависимости твердости и ударной вязкости от химического состава и режимов термической обработки нанострукгурированого высокопрочного листового проката. Используемые методы: с использованием оборудования лабораторного комплекса «Термодеформ-МГТУ» проведена выплавка слитков с различными химическими композициями, которые в последующем подвергались горячей деформации и термической обработке по различным режимам. После термической обработки был осуществлен раскрой полученных раскатов для измерения твердости и проведения испытаний на ударный изгиб. Полученные результаты механических испытаний в дальнейшем подвергались статистической обработке. Новизна заключается в разработанных для высокопрочного листового проката математических зависимостях твердости и ударной вязкости от химического состава и режимов термической обработки. Результат: на основе статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения зависимости твердости и ударной вязкости от химического состава и режимов термической обработки высокопрочного листового проката. Также в процессе исследований выявлено, что отпуск высокопрочной стали системы легирования Cr-Ni-Mo-V с 0,3% С в температурном интервале 250-400°С является нежелательным, поскольку в данном диапазоне температур наблюдается развитие необратимой отпускной хрупкости. Практическая значимость: с использованием разработанных математических зависимостей возможно создание новых или корректировка действующих технологических режимов производства высокопрочного листового проката.
Ключевые слова: высокопрочная сталь, термическая обработка, твердость, ударная вязкость, статистический анализ.
Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участиемроссийского высшегоучебного заведения (договор 02.G25.31.0105).
«Магнитогорский государственный технический Введение университет им. Г.И. Носова» и ООО «Термоде-В рамках комплексного проекта по созданию форм-МГТУ» разрабатывается технология произ-высокотехнологичного производства, выполняе- водства импортозамещающего наноструктуриро-мого по инициативе ОАО «Магнитогорский ме- ванного листового проката с уникальным ком-таллургический комбинат» с участием ФГБОУ ВО плексом механических свойств [¡, 2]. Целью дан__ного проекта является создание и освоение произ-
© ЧукинМ.В., Полецков П.П., Набатчиков Д.Г., Гущина М.С., ВОДСТВа НОВЫХ наноструктурированных ВЫСОКО-
Алексеев Д.Ю., Хакимуллин К., 2016 прОЧНЫХ СТЗЛеЙ СО СЛОЖНЫМ комплексом СВОЙСТВ.
Методика проведения исследований
В процессе реализации проекта в условиях лабораторного комплекса «Термодеформ-МГТУ» были проведены исследования влияния химического состава и температуры отпуска на механические свойства наноструктурированного высокопрочного листового проката системы легирования Сг-М-Мо-У [1].
Для этого была произведена выплавка слитков с различными химическими композициями, которые в последующем нагревались в камерной печи ПКМ 3.6.2/12,5 до температуры 1200°С. Далее осуществлялось обжатие слитков с применением гидравлического прессаП6334 (имитация черновой стадии прокатки) и одноклетьевого реверсивного стана горячей прокатки 500 «ДУО» (имитация чистовой стадии прокатки). Термическая обработка раскатов заключалась в закалке и последующем отпуске при температуре 200-600°С [3-5]. После термической обработки были отобраны образцы для измерения твердости и проведения испытаний на ударный изгиб. Измерение твердости проводилось по методу Бринелля с использованием твердосплавного шарика по ГОСТ 9012-59. Испытание на ударный изгиб проводилось по ГОСТ 9454-78 на образцах с У-образным концентратором.
Результаты исследований
В процессе исследований выявлено, что с повышением температуры отпуска с 200 до 600°С ударная вязкость стали КСУ-40 увеличивается на 80 Дж/см2, но при этом твердость снижается на 180 НВ (табл. 1). Также при отпуске высокопрочной стали системы легирования Сг-М-Мо-У с 0,3% С в температурном интервале 250-400°С наблюдается одновременное падение твердости и ударной вязкости, что свидетельствует о развитии необратимой отпускной хрупкости (см. рисунок). Следовательно, «средний» отпуск для таких сталей не рекомендуется.
Таблица 1
Результаты механических испытаний высокопрочного листового проката системы легирования Сг-№-Мо-У с 0,3% С
Температура отпуска, °С Механические свойства (среднее значение)
Твердость HBW Ударная вязкость, Дж/см2 KCV-40
200 495 41
250 477 37
300 415 32
350 415 29
400 375 33
450 375 50
500 363 73
550 341 94
600 321 118
250 2 225
I 200
«
> 175
о
W 150 125
л н о о W
СП «
m
ts ts
К &
£
100 75 50 25 0
500 450 400
350 Si
И
300 Я
А
h 250 |
|- 200 &
m
150 Н 100 50 0
150 250 350 450 550 650
Температура отпуска, °С
Влияние температуры отпуска на твердость и ударную вязкость наноструктурированного высокопрочного листового проката из стали системы легирования Cr-Ni-Mo-V с 0,30% С
Для получения зависимости механических свойств от химического состава и температуры отпуска был собран массив данных, состоящий из 60 позиций. Далее полученная выборка значений была проверена на однородность методом, рекомендованным E.H. Львовским [6, 7]. В случае если tmax > х [0,001; n-2] элемент выборки признавался аномальным и исключался из массива.
После проверки выборки на однородность был проведен корреляционный анализ [9, 10]. В качестве факторов были рассмотрены следующие параметры: Al, Si, S, P, Ti, Nb, B, C3KB и Тотп, а в качестве откликов - твердость (HBW) и ударная вязкость (KCV-40).
По результатам анализа выявлено, что для отклика HBW значимыми оказались только 2 фактора - углеродный эквивалент Сэкв и температура отпуска Тотп, а для отклика KCV-40 значимыми оказались 3 фактора - содержание серы S (% масс.), углеродный эквивалент Сэкв и температура отпуска Тотп.
Далее на основе полученной информации был проведен множественный регрессионный анализ по откликам HBW и KCV-40, подсчитаны остатки и проверено отсутствие их автокорреляции по критерию Дарбина-Уотсона [8]. Полученные значения удовлетворяют данному критерию, следовательно, между откликами и факторами существует взаимосвязь, которую с доверительной вероятностью 95% можно аппроксимировать представленными в табл. 2 уравнениями регрессии.
Таблица 2
Полученные в результате статистической обработки данных зависимости
Уравнение регрессии Граничные условия
h, мм г ^экв т °г 1 отш ^ S, % масс.
HBW = 180 + 574C + 96Mn + 115(Cr + Mo + V) + + 38(Cu + Ni) - 0,38Тотп [6-10] [0,49-0,89] [25-590] -
KCV-40 = 76 - 2430S - 70C - 11,7Mn-- 14(Cr + Mo + V) - 4,7(Cu + Ni) + 0,05Тотп [6-10] [0,49-0,89] [25-590] [0,001-0,009]
HBW = 264 + 440C + 73Mn + 88(Cr + Mo + V) + + 29(Cu + Ni) - 0,35Тотп [20-30] [0,52-0,89] [25-590] -
KCV-40 = 136 - 2931S - 139C - 23Mn-- 27,8(Cr + Mo + V) - 9,3(Cu + Ni) + 0,05Тотп [20-30] [0,68-0,89] [25-250] [0,002-0,009]
Выводы
1. Отпуск в температурном интервале 250-450°С для высокопрочных сталей системы легирования Сг-№-Мо-У является нежелательным, поскольку в данном диапазоне температур проявляется необратимая отпускная хрупкость, что приводит к одновременному падению твердости и ударной вязкости стали.
2. Разработаны математические зависимости твердости и ударной вязкости от химического состава и режимов термической обработки, с использованием которых возможно создание новых или корректировка действующих технологических режимов производства высокопрочного листового проката.
Список литературы
1. Анализ технических требований, предъявляемых к нанострук-турированному высокопрочному листовому прокату / М.В. Чу-кин, В.М. Салганик, П.П. Полецков и др. // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2014. № 2. С. 19-28.
2. Особенности получения наноструктурированного высокопрочного листового проката / В.М. Салганик, П.П. Полецков, М.С. Гущина и др. // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2015. №1. С. 27-30.
3. Влияние отпуска на механические свойства и микроструктуру высокопрочной низколегированной стали / Янюше-вич 3. и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2014. № 2. С. 23-25.
4. M.W. Tong, P.K.C. Venkatsurya, W.H. Zhou. Structure-mechanical property relationship in a high strength microal-loyed steel with low yield ratio: The effect of tempering temperature. Materials Science and Engineering, 2014, vol. 609, pp. 209-216.
5. Pradipta Kumar Jena, Ponguru Senthil P., Siva Kumar K. Effect of tempering time on the ballistic performance of a high strength armour steel. Journal of Applied Research and Technology, 2016, vol. 14, pp. 47-53.
6. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпе-рических формул: учеб. пособие для втузов. 2-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Высш. шк., 1988. 239 с.
7. Румянцев М.И., Ручинская Н.А. Статистические методы для обработки и анализа числовой информации, контроля и управления качеством: учеб. пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2008. 207 с.
8. Смирнов Н.В. Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969. 211 с.
9. Минько А.А. Статистический анализ в MS Excel. М.: Изд. Дом «Вильяме», 2004. 448 с.
10. Боровиков В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере. СПб.: Питер, 2003. 688 с.
Материал поступил в редакцию 12.09.16. INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
DQI:10.18503/1995-2732-2016-14-4-72-75
MATHEMATICAL DEPENDENCES BETWEEN THE MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH-STRENGTH ROLLED SHEET STEEL AND ITS CHEMICAL COMPOSITION AND HEAT TREATMENT CONDITIONS
Mikhail V. Chukin - D.Sc. (Eng.), Professor, First Vice-Rector, Vice-Rector for Research and Innovation Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Pavel P. Poletskov - D.Sc. (Eng.), Professor
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7(3519)29-85-25. E-mail: [email protected]
Dmitry G. Nabatchikov - Ph.D. (Eng.), Assistant Professor
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7(3519)29-85-25.
Marina S. Gushchina - Master's Student
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Daniil Yu. Alekseev - Postgraduate Student
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected] Konstantin Khakimullin - Proj ect Engineer
Hosokawa kolb, Bonn, Germany (FRG). E-mail: [email protected], [email protected]
Abstract
Problem Statement: As part of the comprehensive project of creating a hi-tech production process, which is carried out by Nosov Magnitogorsk State Technical University together with Termodeform-MGTU LLC at the request of Magnitogorsk Iron and Steel Works, a process is being developed for the production of nanostructured flat rolled products having a unique combination of mechanical properties and capable of substituting similar imported products. Objectives: The objective is to look at how the chemical composition and the heat treatment conditions effect the hardness and the impact strength of nanostructured high-strength rolled sheet steel. Methods Applied: With the help of the Termodeform-MGTU laboratory facilities, a number of ingots were produced, which had various chemical compositions and which were later exposed to hot deformation and different modes of heat treatment. After the heat treatment, a number of samples were prepared from the sheets for hardness and impact testing. The results of the mechanical tests were then analysed for statistics. Originality: The originality of this work includes the mathematical dependences established which show how the chemical composition and the heat treatment conditions can effect the hardness and the impact strength in high-strength rolled sheet steel. Findings: Following the statistical analysis of the experimental data, equations were obtained that show how the chemical composition and the heat treatment conditions effect the hardness and the impact strength of high-strength rolled sheet steel. Also, it was found that the temperature range of 250 to 400 °C does not prove to be a good tempering temperature for high-strength Cr-Ni-Mo-V steel with 0.3% of carbon as it can lead to constant temper brittleness. Practical Relevance: The mathematical dependences established enable to create new or improve the current high-strength rolled sheet steel production processes.
Keywords: High-strength steel, heat treatment, hardness, toughness, statistical analysis.
This research was conducted as part of the major project aimed at creating a hi-tech production technology and to be implemented in cooperation with a Russian higher education institution (Contract 02.G25.31.0105) with support from the Russian Ministry of Education and Science.
References
1. Chukin M.V., Salganik V.M., Poletskov P.P., Berezhnaya G.A., Gushchina M.S., Kuznetsova A.S., Alekseev D.Y. Analysis of technical requirements applicable to high-strenght nanostruc-tured sheet steel. Obrabotka sploshnykh i sloistykh materi-alov [Solid and laminate materials processing]. 2014, no. 2, pp. 19-28. (In Russ.)
2. Salganik V.M., Poletskov P.P., Gushchina M.S., Berezhnaya G.A., Kuznetsova A.S., Stekanov P.A., Alekseev D.Y. Some features of procuding high-strength nanostructured sheet steel. Vestnik Gomel skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo uni-versiteta im. P.O. Suhogo [Vestnik of Sukhoy Gomel State Technical University]. 2015, no. 1, pp. 27-30. (In Russ.)
3. Yanyushevich Z. et al. The effect of tempering on the mechanical properties and microstructure of high strength low alloy steel. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Physical metallurgy and heat treatment of metals]. 2014, no. 2, pp. 23-25. (In Russ.)
4. M.W. Tong, P.K.C. Venkatsurya, W.H. Zhou. Structure-mechanical property relationship in a high strength microalloyed steel with low yield ratio: The effect of tempering temperature. Materials Science and Engineering, 2014, vol. 609, pp. 209-216.
5. Pradipta Kumar Jena, Ponguru Senthil P., Siva Kumar K. Effect of tempering time on the ballistic performance of a high strength armour steel. Journal of Applied Research and Technology, 2016, vol. 14, pp. 47-53.
6. Lvovsky E.N. Statisticheskie metody postroenya empericheskikh formul: Ucheb. posobie dlya vtuzov. 2-e izd, pererab. i dop. [Statistical methods of building empirical formulae. A guide for technical university students: 2nd ed.: revised and extended]. Moscow: Higher Sk., 1988, 239 p. (In Russ.)
7. Rumyantsev M.I., Ruchinskaya N.A. Statisticheskie metodyi dlya obrabotki i analiza chislovoy informatsii, kontrolya i up-ravleniya kachestvom [Statistical methods for processing and analysis of numerical information and for control and quality management]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2008, 207 p. (In Russ.)
8. Smirnov N.V., Dunin-Barkovskii I.V. Kurs teorii veroyatnostey i ma-tematicheskoy statistiki dlya tehnicheskih prilozheniy [A course in the probability theory and mathematical statistics for technical applications]. Moscow: Nauka, 1969, 211 p. (In Russ.)
9. Minko A.A. Statisticheskiy analiz v MS Excel [The statistical analysis in MS Excel]. Moscow: Williams Publishing House, 2004, 448 p. (In Russ.)
10. Borovikov V. STATISTICA. Iskusstvo analiza dannyih na kompyutere [STATISTICA. The art on computer analysis of data]. S. Petersburg, 2003, 688 p. (In Russ.)
Received 12/09/16
Математические зависимости механических свойств от химического состава и режимов термической обработки высокопрочного листового проката / Чукин М.В., Полецков П.П., Набатчиков Д.Г., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю., Хакимуллин К. // Вестник Магнитогорского государственноготехническогоуниверситета им. Г.И. Носова. 2016. Т.14. №4. С. 72-75. doi:10.18503/1995-2732-2016-14-4-72-75
Chukin M.V., Poletskov P.P., Nabatchikov D.G., Gushchina M.S., Alekseev D.Yu., Khakimullin K. Mathematical dependences between the mechanical properties of high-strength rolled sheet steel and its chemical composition and heat treatment conditions. Vestnik Magnito-gorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2016, vol. 14, no. 4, pp. 72-75. doi:10.18503/1995-2732-2016-14-4-72-75
