Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время широкое применение находят литейные коррозионно-стойкие высокопрочные стали мартенситного класса, прецизионные изделия из которых предназначены для работы в агрессивных средах, а также в условиях знакопеременных статических и динамических нагрузок. Используемая для подобных изделий термическая обработка является сложной, многоступенчатой и связана с существенными энерго- и трудозатратами, что снижает их конкурентноспособность.
Вопросы структурообразования коррозионно-стойких сталей нашли отражения в работах Ульянина Е.А., Химушина Ф.Ф., Грачева СВ., Гольдштейна М.И., Гудремона Э, Nilsson S., Irvine К. и др. Однако данные различных авторов о влиянии параметров термической обработки на фазовый состав и особенности формирования структуры сталей мартенситного класса неполны и противоречивы.
Большой производственный опыт показал наличие проблем (при соблюдении всех технологических регламентов), связанных пониженными значениями ударной вязкости (менее 400 кДж/м ) и с размерной нестабильностью изделий, работающих при повышенных (до 400 С) температурах.
Структурообразование коррозионно-стойких сталей находится в
неоднозначной зависимости от параметров термической обработки. Для изучения формирующегося при этом структурного состояния недостаточно применения только качественных металлографических исследований, необходимы точные количественные методы описания структур сталей.
В этой связи перспективной представляется адаптация методик фрактальной и мультифрактальной параметризации структур для количественной характеристики структурно-фазовой неоднородности коррозионно-стойких сталей, а также установление корреляции между
характеристиками механических свойств и мультифрактальными параметрами микроструктуры.
Решение перечисленных задач должно быть направлено на разработку и реализацию ресурсосберегающего сквозного цикла термической обработки прецизионных изделий из литой коррозионно-стойкой стали, обеспечивающего формирование заданного комплекса механических свойств при одновременном повышении размерной стабильности изделий.
Цель и задачи исследования. Выявление закономерностей структурообразования литой коррозионно-стойкой стали 09Х16Н4БЛ на всех этапах термической обработки и оптимизация на этой основе режимов термической обработки, обеспечивающих заданный уровень механических свойств и размерную стабильность (минимальное количество остаточного аустенита) в процессе эксплуатации прецизионных деталей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Изучить влияние колебаний химического состава стали 09Х16Н4БЛ (в
рамках марочного) на механические свойства и количество остаточного
аустенита после завершения термической обработки.
-
Использовать методики фрактальной и мультифрактальной параметризации для исследования микроструктуры коррозионно-стойкой стали.
-
Установить влияние параметров термической обработки на формирование структуры и свойств литой коррозионно-стойкой стали 09Х16Н4БЛ.
-
На основе выявленных закономерностей структурообразования разработать цикл термической обработки стали 09Х16Н4БЛ, получить заданный комплекс механических свойств (ав не менее 1200 МПа и KCU не менее 600 кДж/м ) и размерную стабильность прецизионных деталей.
Для решения задач, поставленных в работе, использованы фрактальный,
мультифрактальный методы анализа и современные методы структурных
исследований (микроскопический, микрорентгеноспектральный,
рентгеноструктурный, фрактографический, фазовый магнитный).
Научная новизна.
1. Разработаны математические модели изменения механических свойств
стали 09Х16Н4БЛ и количества остаточного аустенита в зависимости от
вариаций химического состава и параметров термической обработки.
2. С использованием мультифрактального анализа микроструктуры стали
09Х16Н4БЛ определен управляющий параметр структурообразования (Cr/Ni), а
также его оптимальное значение, вблизи которого реализуются устойчивые
мелкозернистые структуры.
-
Разработаны компьютеризированные методы оценки влияния режимов термической обработки на структурную неоднородность стали 09Х16Н4БЛ, заключающиеся в определении количественных параметров распределения структурных элементов с помощью фрактальной и мультифрактальной параметризации.
-
Впервые использована методика мультифрактальной параметризации и метод анализа кривизны структурных функций применительно к данным растровой электронной микроскопии поверхностей излома, позволяющая получить количественные зависимости между фрактальными характеристиками и значениями механических свойств.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов подтверждаются применением комплекса современных методов структурного и физико-механического анализа и статистических методов обработки экспериментальных данных, хорошей воспроизводимостью результатов исследований, а также апробацией технологий применительно к условиям ОАО АНІЖ «Блик» и ОАО «КБП».
Практическая ценность работы.
1. Получены математические модели, описывающие влияние вариаций химического состава на механические свойства коррозионно-стойкой стали 09Х16Н4БЛ, что позволяет провести отбраковку отливок на начальной стадии производства.
2. Разработана комплексная ресурсосберегающая технология
термической обработки литых изделий из стали 09Х16Н4БЛ, обеспечивающая
сокращение продолжительности термической обработки и снижение
энергозатрат в 2 раза.
3. Результаты работы были использованы на ОАО АНІЖ «Блик» при
оптимизации и корректировке режимов термической обработки деталей
опытных насосов для откачки нефти с повышенным содержанием серы, а также
на ОАО «КБП» для термической обработки прецизионных деталей
высокоточных приборов.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных исследований, позволяющие получить
количественную связь мультифрактальных параметров с размером
аустенитного зерна и механическими характеристиками.
2. Результаты исследований влияния неметаллических включений на
характер разрушения литой коррозионно-стойкой стали 09Х16Н4БЛ и
разработанные на их основе рекомендации по выплавке стали на нижнем
пределе по кремнию и марганцу.
3. Разработанные математические модели, позволяющие прогнозировать
механические свойства и количество остаточного аустенита в функции от
химического состава стали и параметров упрочняющей термической обработки.
4. Результаты фрактальной и мультифрактальной параметризации
поверхностей излома стали 09Х16Н4БЛ, позволяющие количественно оценить
структурную однородность стали и получить корреляционную связь
мультифрактальных параметров с величиной ударной вязкости.
5. Разработанная ресурсосберегающая технология сквозной термической
обработки литых изделий из стали 09Х16Н4БЛ, обеспечивающая при
сокращении количества циклов окончательной термической обработки
сохранение заданного уровня механических свойств и минимального
количества остаточного аустенита.
Личный вклад автора. Автор участвовала в постановке целей и задач исследования, в выборе методик исследования. Проводила комплексные исследования мартенситной коррозионно-стойкой стали 09Х16Н4БЛ с помощью микроскопического, фрактографического, рентгеноструктурного метода, оценивала фрактальные и мультифрактальные структурные параметры.
Апробация работы. Содержание работы прошло апробацию на международных и всероссийских научно-практических конференциях: «Гагаринские чтения» (Москва, 2008-2012 г. г.); «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 2007 г.); XXI Уральская школа металловедов - термистов (Магнитогорск, 2012 г.); «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе» (Москва, 2011 г.); Уральская школа-семинар металловедов - молодых учёных (Екатеринбург, 2011-2012 г. г.); «Молодёжные инновации» (Тула, 2007-2011г. г.); «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2011 г.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 10 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, основных результатов и выводов, библиографического списка из 141 наименования и приложений. Общий объём работы составляет 183 страницы, содержит 64 иллюстрации и 33 таблицы.
