CC BY
40
В ходе экспериментов осуществлялось калибрование 5 образцов. По результатам проведения экспериментов получены максимальные значения усилий, затрачиваемых на волочение проволоки в монолитной во-
На основании данных, полученных при теоретическом и экспериментальном исследовании, были построены графики распределения максимальных усилий волочения в зависимости от диаметра заготовки (рис. 6).
71000 ЦгИ-69000 67000 65000 63000 61000 59000 57000 55000 53000 5X000 49000 47000 45000 43000 41000 39000 37000
10,5
♦ Расчетное
А jKCIK'PUMCHIUllbHUl.'
12.S
d, мм
Рис. 6. График усилия волочения при различном диамегре исходной заготовки
Полученные результаты экспериментов использовать для оценки адекватности результатов теоретических исследований.
Анализ результатов компьютерного моделирования и данных, полученных при проведении эксперимента [3-6], показал, что расхождение между усилием волочения, полученным при испытаниях и при моделировании, составило менее 10 %. Это позволяет сделать вывод о достоверности результатов моделирования процесса и возможности использования программного комплекса «DEFORM-3D» для проведения дальнейших исследований, в том числе распространить данный метод на моделирование процесса волочения в роликовых волоках.
Список литературы
1. Перлин И.Л., ЕрманокМ.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 447 с.
2. Галлагер Р. Метод конечных элементов.: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 428 с.
3. Железков О.С., Малаканов С.А., Мухаметзянов И.Ш. Исследование процесса волочения в монолитной волоке проволоки трапециевидного сечения / Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением. Сб. науч. тр. под ред. В.М.Салганика.- Магнитогорск, Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та. им. Г.И.Носова.2011. С.132-134.
4. Моделирование процессов волочения трапециевидной проволоки в монолитной и роликовой волоках / О.С. Железков, С.А. Малаканов, И.Ш. Мухаметзянов и др. // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Междунар. сб. науч. тр. под ред. В.М. Салганика. Изд-во Магнитогорск, гос. тех. ун-та им. Г.И.Носова, 2012. С. 44-46."
5. Железков О.С., Малаканов С.А., Мухаметзянов И.Ш. Исследование процесса формирования трапециевидного профиля волочением в монолитных и роликовых волоках // Тезисы доклада Международного форума «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении». Челябинск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та. им. Г.И.Носова. 2011. С. 51-55.
6. Железков О.С., Мухаметзянов И.Ш., Малаканов С.А. Исследование процесса волочения трапециевидного профиля / Материалы 72-ой международ, науч. техн. конф. «Актуальные проблемы науки, техники и образования». Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. тех. ун-та им. Г.И.Носова, 2014. Т. 1. С. 147-148.
УДК 669.771
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОПРОКАТА
ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ДВУХФАЗНЫХ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Голубчик Э.М., Тарасов П.П.
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.П.Носова», г. Магнитогорск, Россия
Интерес к низколегированным двухфазным сталям как к штампуемому материалу повышенной прочности возник еще в середине 1970-х годов [1]. Однако к концу 1980-х годов интерес к использованию этих сталей
практически сошел на нет, вследствие резкого снижения цен на горючее и недостаточной мотивации производителей автомобилей, так как для внедрения этих сталей требовались существенные коррекции штампов и сварочного оборудования. Ситуация резко изменилась в последние годы прежде всего в связи с введением обязательных, постоянно растущих, требований к безопасности пассажиров [2]. При этом становится наиболее значимым возможность снижения массы деталей автомобиля при одновременном повышении прочностных свойств кузовных элементов. Конструкция кузова, созданная на основе концепции его минимальной массы, порой оказывается ведущей в системе оптимальных параметров автомобиля в целом. Требования к ней вынуждают изготовителей автомобилей проводить обширные конструктивные мероприятия, реализовать которые без увеличения массы можно только с применением стальных листов высокой прочности. Вместе с уменьшением массы автомобиля на 20-25 % сокращается эмиссия углекислого газа. Опыт и исследования показали, что с увеличением прочности стали, растет поглощенная ею энергия, способная к разрушению (если ее не рассеять), т.е. возрастает надежность автомобильных конструкций: двухфазная сталь для своего разрушения требует большего расхода энергии.
Удовлетворить потребность в указанных аспектах стало возможным за счет применения современных высокопрочных сталей. В общем ряду, так называемых «прогрессивных высокопрочных сталей» (AHSS - Advanced High Strength Steels), главенствующая роль принадлежит двухфазным сталям [3]. На сегодняшний день ведущие производители авто листовых сталей имеют в своем портфеле десятки марок двухфазных сталей с прочностью от 500 до 1200 МПа.
В связи с массовой локализацией производственных линий по штамповке деталей кузовов автомобилей зарубежными производителями на территории Российской Федерации, актуальным является вопрос получения необходимых механических свойств проката из высокопрочных сталей, применяемых в автомобилестроении, с целью импортозамещения [4].
Состав марок стали и возможное относительное применение их в кузове автомобиля, вес которого может быть снижен за счет использования до 90 % прочной и особо прочной стали, представлен на рис. 1. В составе этих марок стали свыше 70 % - двухфазные стали, составляющие основу стального корпуса современного автомобиля [5, 6].
1ГЗМ/411
0р»0'600 34
Рис. 1. Соотношение типов и марок стали, прочностные свойства которой благоприятны для ее применения при создании облегченного кузова автомобиля [7]
Представляет значительный интерес исследования механизмов формирования механических свойств металлопроката из двухфазных сталей различных марок в процессе его производства и, в частности, на финишных технологических операциях, таких как термообработка (отжиг) и/или дрессировка. Совокупность технологических параметров заключительных операций в значительной степени оказывает влияние на вариацию и изменение сложного комплекса механических свойств двухфазных сталей.
Кроме того, интерес вызывает вопрос изучения и оценивания влияния химического состава двухфазных сталей и корреляции содержания отдельных элементов с механическими свойствами готовой продукции, что позволяет получать необходимые параметры проката при минимальных затратах на легирующие элементы в рамках определенных режимов дальнейшей переработки данных сталей. Кроме того, подобного рода исследования способствуют разработке стратегии экономного легирования нового поколения высокопрочных двухфазных сталей при массовом их производстве. Для этого необходимо определить корреляцию содержания отдельных элементов химического состава с механическими свойствами высокопрочных двухфазных сталей.
В рамках настоящей работы были проведены исследования холоднокатаного металлопроката из двухфазных сталей марок НСТ780Х и НСТ980Х производства ОАО «ММК» [8-14].
Требования, предъявляемые европейскими нормативными документами к механическим свойствам и химическому составу двухфазных сталей марок НСТ780Х и НСТ980Х, представлены в табл. 1,2.
Требования ЕК 10338:2015 к механическим свойствам высокопрочных двухфазных сталей марок НСТ780Х, НСТ980Х
Требования EN 10338:2015 для марки стали Предел текучести О"0 2, МПа Временное сопротивление разрыву <ТВ, МПа Относительное удлинение ' А80, % ВН эффект МПа
НСТ780Х 440-550 >780 >14 >30
НСТ980Х 590-740 >980 >10 >30
Таблица 2
Требования EN 10338:2015 к химическому составу высокопрочных двухфазных сталей
Марка Массовая доля элементов, %
стали С Si Мп Р S А1 Сг+Мо Nb+Ti V В
НСТ780Х <0.18 <0.80 <2.50 <0.08 <0.015 0.0152.000 <1.40 <0.15 <0.20 <0.005
НСТ980Х <0.20 <1.00 <2.90 <0.08 <0.015 0.0152.000 <1.40 <0.15 <0.20 <0.005
В процессе исследования влияния химического состава на механические свойства двухфазных сталей марок НСТ780Х и НСТ980Х были проанализированы результаты 177 испытаний готового металлопроката из 6 плавок. Анализ химического состава стали осуществлялся по ковшевой пробе. Усредненный химический состав исследуемых марок стали представлен в табл. 3.
Таблица 3
Усредненный химический состав плавок стали по ковшевой пробе исследованных образцов марок НСТ780Х и НСТ980Х
№ плавки Массовая доля элементов, %
С Si Mil S Р Сг А1 Мо Nb V Ti В
1 0.10 0.08 2.00 0.007 0.008 0.48 0.052 0.112 0.021 0.004 0.002 0.0004
2 0.12 0.29 1.54 '\002 0.017 0.65 0.005 0.052 0.236 0.004 0.003 0.0004
3 0.15 0.17 2.04 0.005 0.011 0.48 0.043 0.209 0.023 0.004 0.002 0.0004
4 0.11 0.09 1.80 0.011 0.009 0.24 0.051 0.069 0.008 0.004 0.002 0.0003
5 0.09 0.04 1.81 0.011 0.010 0.35 0.040 0.083 0.017 0.005 0.002 0.0004
6 0.09 0.04 1.81 0.008 0.010 0.34 0.044 0.094 0.016 0.003 0.002 0.0004
Образцы для испытаний механических свойств металлопроката отбирались от передних и задних концов рулонов холоднокатаных полос после операции дрессировки в условиях ОАО «ММК». Дрессировка осуществлялась с относительными обжатиями 0,3-0,7 %. Усредненные по плавке механические свойства полученных образцов представлены в табл. 4.
Результаты исследований механических свойств образцов проката были обработаны с помощью программного комплекса «Statistic». Полученные вариации механических свойств готового металлопроката из исследуемых двухфазных сталей представлены на рис. 2.
Усредненные по плавке результаты испытаний механических свойств образцов, полученных в процессе
производства стали марок НСТ780Х и НСТ980Х
Усредненные механические свойства
Марка стали № плавки Предел текучести СГ0 2, МПа Временное сопротивление разрыву <7В. МПа Относительное удлинение А80. %
1 629 974 11.6
НСТ980Х 2 504 825 16.8
3 851 1170 8
4 489 740 15.3
НСТ780Х 5 502 782 15.2
6 526 787 15.1
а 6 Б ю 1: и ЩГ^ 1Б я н J4
Рис. 2. Усредненные вариации механических свойств готового металлопроката из двухфазной стали марок НСТ780Х, НСТ980Х
На основании результатов исследования методом корреляционного анализа была проанализирована связь между содержанием химических элементов и механическими свойствами готового металлопроката из изучаемых двухфазных микролегированных сталей.
Результаты корреляционного анализа представлены в табл. 5,6, 7.
Значимость коэффициентов Стьюдента проверялась путем сравнения полученных значений с табличной величиной. Исходя из полученной информации, делался вывод о статистической значимости влияния содержания определенных элементов на механические свойства готового проката
Анализ табл. 7 свидетельствует, что с доверительной вероятностью ОС = 95 % коэффициенты множественной корреляции механических свойств и химического состава являются статистически значимыми, так как расчетное число Фишера /ф больше табличного /•'. Это свидетельствует, что механические свойства рассмотренных двухфазных сталей частично обусловлены химической композицией сталей.
Коэффициенты множественной детерминации £>, приведенные в табл. 7, показывают, что для рассмотренных условий производства металлопроката предел текучести на 91,7 %, временное сопротивление разрыву на 82,7 % и относительное удлинение образцов на 49,4 % обусловлены выбранным в соответствии с нормативными документами химическим составом стали.
Значения коэффициентов корреляции механических свойств и химического состава стали марок НСТ780Х и НСТ980Х
Химический элемент в стали Коэффициент корреляции
Предел текучести а0,2 Временное сопротивление разрыву Относительное удлинение а80
С 0,313 0,247 -0,177
0,184 0,210 -0,049
Мп 0,775 0,762 -0,661
в -0,634 -0,677 0,417
Р -0,417 -0,384 0,443
Сг 0,626 0,712 -0,425
А1 0,404 0,346 -0,424
Мо 0,850 0,802 -0,641
№> -0,042 0,036 0,141
V -0,388 -0,338 0,282
■Л -0,116 -0,045 0,196
в 0,353 0,427 -0,231
Сг+Мо 0,596 0,673 -0,385
■п+М) 0,160 0,237 -0,003
Таблица 6
Значения чисел Стьюдента для соответствующих коэффициентов корреляции механических свойств и химического состава стали марок НСТ780Х и НСТ980Х
Элемент Коэффициент Стьюдента для а0 2 Коэффициент Стьюдента для СТВ Коэффициент Стьюдента для А80 Табличное значение коэффициента Стьюдента
С 4,360 3,360 2,373 1,974
Si 2,482 2,839 0,643 1,974
Мп 16,226 15,525 11,659 1,974
S 10,832 12,121 6,064 1,974
р 6,070 5,481 6,528 1,974
Cr 10,612 13,388 6,216 1,974
AI 5,848 4,858 6,189 1,974
Mo 21,35 17,725 11,062 1,974
Nb 0,561 0,469 1,878 1,974
V 5,563 4,744 3,890 1,974
Ti 1,545 0,589 2,639 1,974
В 4,985 6,225 3,138 1,974
Cr+Mo 9,827 12,018 5,517 1,974
Ti+Nb 2,138 3,218 0,038 1,974
Таблица 7
Показатели множественной корреляции химического состава и механических свойств стали марок НСТ780Х и НСТ980Х
Показатель Ago
R 0,957 0,909 0,703
Fp 126,265 54,692 11,233
а 0,95
F 1,754
D 91,652 82,716 49,414
Заключение
Таким образом, результаты исследования позволили сформулировать ряд выводов по влиянию химических элементов, изучаемых двухфазных микролегированных сталей на механические свойства готового металлопроката.
1. С доверительной вероятностью 95 % статистически значимыми являются коэффициенты корреляции между содержанием С, Si, Mn S, Р, Cr, AI, Mo, V, В и пределом текучести и временным сопротивлением раз-
Коэффициенты корреляции между содержанием Nb, Ti и прочностными параметрами (0{) 2. <УК) с доверительной вероятностью 95 % не являются статистически значимыми.
С доверительной вероятностью 95 % статистически значимыми не являются коэффициенты корреляции между содержанием Si, Nb, Ti+Nb и относительным удлинением образцов.
Отрицательные коэффициенты корреляции говорят о том, что при увеличении содержания химического элемента в стали уменьшается соответствующий показатель механических свойств.
2. При оценке степени влияния массовой доли элементов на механические свойства стали сравнивались полученные в результате корреляционного анализа коэффициенты Стьюдента.
Наибольшее влияние на механические свойства рассмотренных двухфазных сталей, в соответствии с полученными результатами оказывают Мо и Мп. Наименьшее влияние оказывают Si, Nb и Ti.
Проведенные исследования позволяют определить стратегию легирования, в том числе экономного, для управления механическими свойствами металлопроката из двухфазных сталей в процессе его производства.
Работа проведена в соответствии с госзаданием Министерства образования и науки РФ Магнитогорскому государственному техническому университету им ГЛ. Носова по теме «Разработка технологии получения высокопрочных длинномерных профилей из материалов с ультрамелкозернистой структурой в условиях комбинирования процессов интенсивного пластического деформирования» (МОиМРФ 2014-14 ГЗ ОНО фундаментальные).
Список литературы
1. Yayami S., Ferukawa Т. A family of high strength cold rolled steels // Proc. of an Int. Symposium on High-Strength Low-Alloyed Steels "Microalloying - 75" New York, October 1-3, 1975. PP. 311-333.
2. Peixinho N.. Jones N„ Ponlio A. Application of Dual-Phase and TRIP Steels on the Improvement of Crash-worthy Structure //Material Science Forum, 2005. V. 502. PP. 181-186.
' 3. Corbett В., Priddle A. Dual Phase leads Revival // Auto Word. 2004. V. 40, No. 9. PP. 31-37.
4. Избыточные мощности в России: угроза кризиса или потенциал роста? / С.Я. Унру, М.В. Немкин, А.Н. Алексеев, E.JI. Кандауров // Производство проката. 2013. № 11. С. 40-48.
5. Беняковский М.А., Масленников В.А. Автомобильная сталь и тонкий лист. Череповец: Издательский дом «Череповец», 2007. С. 357-365.
6. Кузова следующего поколения. Перспективы технологий обработки поверхности / Б. Осбург, А. Грю-некли, А. Патберг и др. // Черные металлы. 2004. июль-август. С. 55-58.
7. Иводитов В.А. Автомобильная сталь // Производство проката. 2005. № 1. С. 37-44.
8. Освоение технологий производства проката в новом комплексе холодной прокатки / Б.А. Дубровский, П.В. Шиляев, С.А. Ласьков, Э.М. Голубчик, A.B. Горбунов, С.А. Лукьянов // Сталь. 2012. № 2. С. 63-65.
9. Разработка инновационной технологии производства высокопрочных инварных сплавов нового поколения/ М.В. Чукин, Э.М. Голубчик, A.C. Кузнецова, Е.М. Медведева // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2013. № 1 (39). С. 62 - 66.
10. Разработка композиций многофункциональных сплавов инварного класса с расширенными эксплуатационными характеристиками / М.В. Чукин, Э.М. Голубчик, A.C. Кузнецова, Ю.Л. Родионов, И.А. Корме, Н.Ю. Бухвалов, A.B. Касаткин, Д.П. Подузов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. № 3 (43). С. 62-66.
11. Голубчик Э.М. Адаптивное управление качеством металлопродукции // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014, № 1 (45). С. 63-69.
12. Исследование физико-механических свойств и структуры высокопрочных многофункциональных сплавов инварного класса нового поколения / М.В. Чукин, Э.М. Голубчик., Г.С. Гун, Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова, Д.М. Чукин, А.Н. Матушкин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 43-48.
13. Голубчик Э.М. Современные концепции адаптивного управления качеством металлопродукции // Качество в обработке материалов. 2015. № 1 (3). С. 68-75.
14. Исследование свойств высокопрочных инварных сплавов нового поколения / Н.В. Копцева, Э.М. Голубчик, Ю.Ю. Ефимова, М.П. Барышников, A.C. Кузнецова, М.Б. Гитман // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2015. № 2 (43). С. 13-18.
15. Производство высокопрочной стальной арматуры для железобетонных шпал нового поколения: монография / авторский коллектив: Чукин М.В., Корчунов А.Г., Бакшинов В.А., Барышгников М.П., Гун Г.С.,
Долгий Д.К., Ефимова Ю.Ю., Колокольцев В.М., Копцева Н.В., Куранов К.Ю., Лебедев В.Н., Мезин И.Ю., Полякова М. А., ЧукинВ.В. М.: Металлургиздат, 2014. 276 с.
16. Актуальные проблемы квалиметрии метизного производства в период зарождения шестого технологического уклада / Г.С. Гун, М.В.Чукин, Г.Ш. Рубин, И.Ю. Мезин, А.Г. Корчунов //Металлург. 2014. №4. С. 92-96.
17. Научно-педагогическая школа Магнитогорского государственного технического университета по управлению качеством продукции и производственных процессов / Гун Г.С., Мезин И.Ю., Корчунов А.Г., Чу-кин М.В., Гун И.Г., Рубин Г.Ш. // Качество в обработке материалов. 2014. № 1. С. 5-9.
18. Гун Г.С., Чукин М.В., Рубин Г.Ш.Управление качеством в метизном производстве // Металлургические процессы и оборудование. 2013. № 4. С. 106-112.
19. Управление качеством продукции в технологиях метизного производства: монография / Корчунов А.Г., Чукин М.В., Гун Г.С., Полякова M. А. М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2012. 164 с.
20. Разработка теории квалиметрии метизного производства / Рубин Г.Ш., Чукин М.В., Гун Г.С., Закиров ДМ., Гун И.Г. // Черные металлы. 2012. № 7. С. 15-20.
21. Перспективы производства высокопрочной стальной арматуры из высокоуглеродистых марок стали / Чукин М.В., Гун Г.С., Корчунов А.Г., Полякова М.А. // Черные металлы. 2012. № 12. С. 8-15.
33. Высокопрочная арматура для железобетонных шпал нового поколения / Ушаков С.Н., Чукин М.В., Гун Г.С., Корчунов А.Г., Полякова М.А. // Путь и путевое хозяйство. 2012. № 11. С. 25-27.
34. Стальная проволока: монография / Белалов Х.Н., Клековкин A.A., Клековкина H.A., Гун Г.С., Корчунов А.Г., Полякова М.А. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2011. 689 с.
35. Особенности реологических свойств конструкционных наносталей / Чукин М.В., Гун Г.С., Барышников М.П., Валиев Р.З., Рааб Г.И. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2008. № 1. С. 24-27.
36. Гун Г.С., Чукин М.В. Оптимизация процессов деформирования объектов с покрытиями в технологиях и машинах обработки давлением: монография. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2006. 323 с.
37. Производство стальной проволоки: монография / Белалов Х.Н., Клековкина H.A., Клековкин A.A., Никифоров Б. А., Гун Г.С., Корчунов А.Г., Зюзин В.И., Кулеша В. А., Савельев Е.В. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 543 с.
38. Metallurgy qualimetry theory design and develoment / Gun G.S., Rubin G.SH., Chukin M.V., Mezin I.U., Korchunov A.G. // Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2013. № 5 (45). P. 67-69.
39. Гун Г.С., Пудов Е.А., Иванова Л.Б. Оптимизация процессов обработки давлением по комплексному критерию качества // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1982. № 8. С. 62.
40. Инновационные металлические материалы: монография / под общ. ред. В.М. Колокольцева / Авторский коллектив: Алсараева К.В., Барков Л.А., Барышников М.П., Бреда М., Валиев Р.З., Волокитина И.Е., Голубчик Э.М., Громов В.Е., Гун Г.С. и др. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. 371 с.
УДК 621.778: 658.652
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕРВАЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ В ТЕХНОЛОГИЯХ МЕТИЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Ширяев О.П.1, Корчунов А.Г.2, Пивоварова К.Г.2
1ОАО «ММК-МЕТИЗ», г. Магнитогорск
2ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
В условиях постоянного ужесточения требований потребителей к качеству продукции для предприятий метизного производства жизненно важными являются вопросы обеспечения заданного уровня потребительских свойств новых и традиционных видов продукции на основе эффективного сочетания технологических методов обработки и управления показателями качества.
Для успешного решения задач по управлению качеством продукции необходимо иметь математические модели, формально описывающие взаимосвязи между параметрами управления процессом обработки и показателями качества продукции. Процессы метизного производства включают в себя множество технологических операций: травление, волочение, термическую обработку, профилирование, стабилизацию и др. Степень влияния технологии на каждом этапе обработки зависит от технологии на предыдущих технологических шагах. В реальных условиях мы сталкиваемся с нестабильностью (вариативностью) технологии, проявляющейся в том, что при обработке одним и тем же технологическим режимом может быть получена продукция с существенно различающимися конечными свойствами. Имеет место неоднозначное определение качества продукции, т.е. показатели качества не задаются одним значением, а имеют интервал, в пределах которого каждый конкретный показатель может варьироваться. Поэтому для управления качеством метизной продукции важнейшим стано-
