Влияние химических элементов на прочностные свойства стали типа 14ГНМДФТР Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006p Вип. №16

УДК 669.017.07

Ткаченко И.Ф.1, Пинько Ф.С.2, Близнюк H.A.3 ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

ТИПА 14ГНМДФТР.

С использованием ранее предложенной компьютерной технологии, изучено влияние химического состава и толщины листового проката сталей типа 14ГНМДФТР на его прочностные свойства в термически улучшенном состоянии. Построена дендрограмма и разработана регрессионная модель, характеризующие воздействие исследованных факторов на <з02.. Адекватность модели проверяли методами компьютерных экспериментов. Рассчитаны гистограмма частотного распределения и диаграммы рассеяния <з02 при изменении рассмотренных параметров в исследованных пределах. Показано хорошее соответствие результатов компьютерных и реальных экспериментов. Проанализировано влияние технологических параметров на прочность стали по результатам компьютерных экспериментов. Полученные выводы хорошо согласуются с известными данными.

В настоящее время значительную долю в объеме производства металлургической продукции занимает толстолистовой прокат высокопрочных свариваемых сталей (ВСС). Указанные стали, являются основным материалом для изготовления многих видов промышленной продукции в ма-шино- и судостроительной промышленности, строительстве и других отраслях, в связи с тем, что они позволяют достичь высокого комплекса эксплуатационных свойств проката, в сочетании с его пониженной стоимостью[1,2]. Основной особенностью химического состава ВСС является комплексный характер их легирования. При этом, как правило, вводят химические элементы трех основных видов[ 1 ]:

• традиционные легирующие элементы (марганец, хром, никель и др.), для обеспечения необходимых: прокаливаемости, положения порога хладноломкости и др.;

• микролегирующие элементы (карбидо- и нитридобразующие металлы, азот, бор), для измельчения зерна, получения дисперсных упрочняющих выделений и др.;

• щелочные и редкоземельные элементы, для улучшения качества макроструктуры проката. В результате указанных, а также ряда других технологических мероприятий на стадии выплавки и разливки сталей, их последующей прокатки и термической обработки, в большинстве случаев достигается требуемое сочетание контрольных показателей эксплуатационных свойств. Однако, опыт производства проката ВСС показал [1,3], что основной возникающей при этом проблемой является нестабильность эксплуатационных характеристик, что не позволяет гарантировать высокое качество продукции. Среди возможных причин указанной нестабильности важное место занимают факторы, связанные с химическим составом сталей: (i) не всегда обоснованный качественный и количественный состав системы легирования; (ii) неаддитивный характер взаимодействия химических элементов между собой и дефектами кристаллического строения; (iii) неконтролируемое отклонение концентраций химических элементов от оптимальных значений.

Как известно, решение отмеченных проблем полностью на теоретической основе в настоящее время невозможно. С другой стороны, проведение специальных экспериментальных исследований для сложнолегированных сталей требует больших затрат и также связано с неизбежными неточностями. В связи с изложенным, при решении вопросов повышения и стабилизации качества современной промышленной продукции, все большее значение приобретают методы статистического анализа и моделирования [4]. Вместе с тем, использование традиционных способов статистических исследований не позволяет получать необходимую информацию, особенно при изучении многомерных массивов экспериментальных данных [5]. В качестве иллюстрации на рис.1 показаны диаграммы рассеяния и результаты регрессионного анализа, характеризующие влияние ряда химических элементов на предел текучести стали типа 14ГНМДФТР. Как видно, даже в тех случаях (рис. 1а), когда коэффициенты корреляции являются статистически значимыми, они имеют

ПГТУ. канд. техн. наук, доц.

2ПГТУ, аспирант

3МК «Азовсталь», инженер

Г = 0,0568; г = 0,2384, р = 00,0000: у = 636,653954 + 495,327338*х

1= 2 Н 1=

1 О

j э - 1

е о о : о

о о

« 800 с: 5 н

с 700 600

500

- = 0,0005; г= 0,0215, р = 0,1877; у = 786,220461 + 38,4454233'х

8 о

° 9 8 | 0

о

0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 Си, %

0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 Мо, %

а б

Рис.1 Экспериментальные диаграммы рассеяния, отражающие влияние Си и Мо на предел текучести термически улучшенного листового поката стали типа 14ГНМДФТР.

низкие значения, а основная масса экспериментальных точек находится за пределами 95% доверительных интервалов, что свидетельствует о неслучайном характере наблюдаемых широких диапазонов изменения предела текучести стали. Высокую эффективность в указанных условиях имеют методы Data Mining [5]. В работах [6,7] предложена комплексная компьютерная технология анализа экспериментальных данных, включающая методы Data Mining и Монте-Карло [4], и показана перспективность ее использования при исследовании сложнолегированных борсодержащих сталей [7], а также среднелегированных ВСС [8].

Цель настоящей работы - выявление и количественное описание закономерностей влияния химических элементов и толщины термически улучшенного листового проката сталей типа 14ГНМДФТР на его прочностные свойства. Исследования проводились с использованием результатов сдаточных испытаний механических свойств ~ 4000 листов толщиной 8... 60 мм от ~240 конверторных плавок. В соответствии с разработанной методикой [6,7], последовательно выполнялись: глубокий разведочный анализ экспериментальных данных (ГРАД); построение математической модели методом пошаговой восходящей множественной регрессии; проверка адекватности регрессионной модели и исследование совместного влияния химических элементов на предел текучести методами компьютерных экспериментов.

Результаты ГРАД представлены в виде дендрограммы на рис.2. Как видно, статистически значимое влияние на предел текучести исследованной стали оказывают: Си, Ni, Мо, А1, Мп и толщина проката, h. Полученные данные позволяют выявить ряд основных закономерностей влияния

исследованных факторов на On 2 сталей типа 14ГНМДФТР. Прежде всего, следует подчеркнуть

статистическую независимость О0.2 от содержания таких элементов как: V, Ti, способных, в принципе, оказывать значительный упрочняющий эффект, что свидетельствует о неэффективности их использования с целью повышения прочностных свойств рассматриваемой стали. Повышение концентрации меди в исследованных пределах способствует увеличению прочностных свойств независимо от значений остальных переменных факторов (узлы 1,2), что можно объяснить дисперсионным упрочнением при отпуске. В сталях с повышенным содержанием Си (узел 2) аналогичное

влияние на Оп.2 оказывает никель (узлы 2, 4). При повышенной концентрации Ni (узел 4) рост содержания А1 вызывает снижение прочностных свойств, что согласуется с данными других авторов [1]. Аналогичное воздействие оказывает Мо в сталях с пониженным содержанием Ni (узлы 5,6), что связано, по-видимому, с изменением состояния границ зерен. В условиях Мо > 0,41% (узел 6),

повышение толщины проката, h, приводит к увеличению (Тол (узлы 9, 10), что можно объяснить дополнительным выделением упрочняющих частиц в объеме ферритных зерен в условиях замедленного охлаждения на воздухе после окончания высокого отпуска. Увеличение On.2 с ростом концентрации марганца (узлы 11 и 14) в прокате толщиной менее 52 мм (узел 9), по-видимому, связано с повышением устойчивости переохлажденного аустенита в условиях формирования полумар-тенситной структуры в процессе закалки листов толщиной вблизи 55 мм, которая соотвстетвуст граничному значению, указанному в стандарте.

Node 0

Mean 803,7886

Std. Dev. 48,8391

n 3752

% 100,00

Predicted 803,7886

CU

Improvements 36,5141

<=0,31 >0,31

Node 1 Node 2

Mean 761,5768 Mean 807,0227

Std. Dev. 35,6054 Std. Dev. 48,2105

n 267 n 3485

% 7,12 % 92,88

Predicted 761,5768 Predicted 807,0227

NI

lmprovement=71,3564

<=0,85499999999999998

>0,85499999999999998

Node 3

Mean 802,7743

Std. Dev. 47,6531

n 2822

% 75,21

Predicted 802,7743

МО

lmprovement=36,0473

Node 4

Mean 825,1056

Std. Dev. 46,3794

n 663

% 17,67

Predicted 825,1056

AL

lmprovement=48,3389

<=0,40500000000000003 >0,40500000000000003 <=0,034000000000000002

Node 5 Node 6 Node 7

Mean 851,4286 Mean 801,7892 Mean 837,1198

Std. Dev. 49,6049 Std. Dev. 47,1057 Std. Dev. 43,0170

n 56 n 2766 n 434

% 1,49 % 73,72 % 11,57

Predicted 851,4286 Predicted 801,7892 Predicted 837,1198

h, mm

lmprovement=32,5527

<= 52,5 >52,5

Node 9 Node 10

Mean 801,1172 Mean 867,5000

Std. Dev. 46,7672 Std. Dev. 31,6081

n 2738 n 28

% 72,97 % 0,75

Predicted 801,1172 Predicted 867,5000

>0,034000000000000002

Node 8

Mean 802,3362

Std. Dev. 43,9984

n 229

% 6,10

Predicted 802,3362

MN

lmprovement=22,4585

<=0,91 500000000000004

>0,91 500000000000004

Node 11

Mean 799,2115

Std. Dev. 46,6711

n 2449

% 65,27

Predicted 799,2115

Node 1 2

Mean 817,2664

Std. Dev. 44,4796

n 289

% 7,70

Predicted 817,2664

Рис.2 Денрограмма, характеризующая влияние химического состава стали типа 14ГНМДФТР и толщины термически улучшенного проката на его предел текучести.

Представленные выше результаты были использованы для разработки математической модели, в количественной форме характеризующей влияние указанных технологических параметров на

(То.2- Разработка проводилась методами множественной восходящей пошаговой регрессии. Полученная модель имеет следующий вид:

оо,2= 250-Ю3- 4-103-Ь{1-3-Си-[1 - 11-А1-(0,3 + 0,8-Мп-№) - 2-Мо-(1,8 - Мп- №) - 1,4• Мп -Мо] -

- 49-103-А1-(0,3 - № + 0,7-Мп-№ + 0,1-Мп) - 9-103-Мо-(2,0 - 1,2-Мп - М) - 5,5-103-Мп-№}-

- 198-103-Си-№-[4,4 - 5,0-Мп - Мо-(8,6 - 10,0-Мп + А1)] -

- 137-103-А1-(0,9-Мп-№ - № + 0,9-Мп-Мо) - 286-103-(Мп +1,8-Мо - 2,0-Мп-Мо) (1)

«

И

<а

£

к о ч о

54

150

100

50

О1—

568.54

722.21

875.88

1029.56

где Ь - толщина проката, мм; Си, А1, N1, Мп и Мо - концентрации соответствующих химических элементов, вес.%.

Коэффициент детерминации приведенной регрессионной зависимости составляет: Я- = 0,94. Проверка адекватности модели (1) выполнялась методами Монте-Карло. Как видно из рис.3, гистограмма, построенная на основе компьютерных экспериментов, достаточно точно совпадает с

кривой частотного распределения, полученной на основе результатов механических испытаний, что свидетельствует о высокой степени адекватности полученной регрессионной модели. С целью дополнительной проверки возможностей модели (1) было выполнено исследование совместного влияния химических элементов на прочностные свойства стали типа 14ГНМДФТР методом компьютерных экспериментов. На рис.4 приведены диаграммы рассеяния, рассчитанные с использованием регрессионной модели (1) методом Монте-Карло в условиях одновременного изменения концентраций всех исследованных элементов в пределах, допускаемых действующим стандартом. Результаты корреляционного анализа расчетных статистических зависимостей, а также со от в ст ст в у ю щ их экспериментальных данных приведены в таблице. Компьютерные диаграммы рассеяния показывают, прежде всего, что в условиях допускаемых стандартами колебаний концентраций исследованных химических элементов, при различной толщине проката, возможно изменение (Год в более широких пределах, чем наблюдается экспериментально. Очевидно, это связано с тем, что метод компьютерных экспериментов обеспечивает более полный учет всех возможных комбинаций различных значений независимых переменных в допустимых пределах. Сопоставление результатов корреляционного анализа компьютерных и реальных регрессионных зависимостей (см таблицу) показывает достаточно точное их соответствие, что свидетельствует о возможности с помощью полученной математической модели адекватно прогнозировать не только средние значения и степень статистического разброса предела текучести стали типа 14ГНМДФТР, но, в частности, и поведение отдельных химических элементов при совместном изменении их концентраций в сталях, что наиболее часто имеет место в условиях реальных экспериментов. Так, из диаграмм рис.4 следует, что наиболее низкие ( ~200 МПа) и нестабильные ( ~200...950 МПа) значения (Т02 исследованной стали наблюдаются в условиях: пониженного содержания Си (~0,27... 0,32 %); повышенной концентрации Мп ( > 0,92 %), относительно невысоких содержаний N1 (~0,77...0,80 %), А1 < 0,04 % и Мо < 0,45 %, при малых толщинах проката 10 мм < Ь <20 мм.

Предел текучести, МПа

Рис.3 Экспериментальная кривая и расчетная гистограмма частотного распределения предела текучести проката стали типа 14ГНМЛФТР

1000 800 600 400 200

0 0.25

1000 800 600 ► 400 200

5 1« * ф

X.

•—• >

0.3

0.35

0.4

Си. %

ей

с 1000

к 800

ь

о

<а

ЕГ 600

И

о

н ► 400

ч

о>

ч:

о 200

а

С

1000 800 600 ► 400 200 0

• ^ А • -Э

А!

• • V Ж • •

4 4 » » •

ей

С

1000

800

85

0.9

0.95

Мп. %

8 Н о о (Г

о

£ ► 400 К и П (а

Ё

600

200

• •

• • • » •

02

0.03

0.04

0.05

0.75

0.8

0.85

0.9

А1. %

N1 %

Г** • 4 « 'А • » •

• %

0.4

0.45

0.5

0.55

1000 800 600 ► 400 200 0

• •

• I V •

• • •

0

20

40

60

Мо. % Ь. мм

Рис.4 Расчетные диаграммы рассеяния, характеризующие влияние химических элементов и

толщины термически улучшенного проката на его предел текучести.

Полученные результаты можно объяснить влиянием химических элементов на процессы, протекающие в ходе охлаждения проката после окончательного высокого отпуска. Хорошо известно,

что при наличии в стали Мо в количестве < 0,5 %, возможно отпускное охрупчивание II рода. Дополнительно повышают вероятность межзеренного разрушения: Си, находящаяся преимущественно в твердом растворе, при её пониженной общей концентрации в стали, а также Мп, оба обладающие высокой склонностью к образованию зернограничных сегрегаций [9]. Охрупчивающий эффект, очевидно, может быть уменьшен: при введении N1, снижающего, как известно, порог хладноломкости, по-видимому, за счет своего положительного влияния на состояние границ зерен, а также - вследствие измельчения аустенитного зерна, чему способствует повышение концентрации А1 до ~0,06 % в исследованной стали.

Важным направлением дальнейших исследований является моделирование раздельного влияния каждого технологического параметра на прочностные свойства сталей типа 14ГНМДФТР в условиях постоянных значений остальных переменных, что позволит изучить особенности взаимодействия химических элементов при различных скоростях охлаждения после высокого отпуска.

Результаты корреляционного анализа расчетных и экспериментальных парных статистических зависимостей о0,2 от концентраций химических элементов и толщины проката

Независимая переменная Коэффициенты корреляции Параметры уравнения регрессии у = А+ Вх

А В

эксп. расч. эксп. расч. эксп. расч.

Mn 0,073 0,052 696 686 120 103

Си 0,23 0,18 636 605 495 504

Ni 0,093 0,10 645 550 189 207

Al -0,143 -0,11 854 838 -1471 -1320

Mo 0,012 0,021 786 792 39 20

h 0,111 0,150 788 730 0,51 0,8

Выводы

1. Впервые, с применением методов Data Mining и Монте-Карло, изучено влияние химического состава и толщины проката комплексно легированной стали типа 14ГНМДФТР на его прочностные свойства в термически улучшенном состоянии.

2. Построена дендрограмма, наглядно характеризующая закономерности воздействия химических элементов и толщины листов на предел текучести проката исследованной стали.

3. Разработана регрессионная модель, обеспечивающая адекватное количественное прогнозирование средних значений и степени статистического разброса Оо.2- Методами Монте-Карло исследовано совместное влияние рассмотренных факторов на прочностные свойства проката сталей типа 14ГНМДФТР. Установлено достаточно точное совпадение параметров расчетных и реальных парных регрессионных зависимостей.

Перечень ссылок.

1. Пилюшенко В.Л. Научные и технологические основы микролегирования стали./В.Л. Пилюшен-ко, В. А. Вихлевщук. - М, ; Металлургия, 2000. -384 с.

2. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. / Ф.Б. Пикеринг. - М. ; Металлургия, 1982,- 184 с.

3. Лякишев Н.П. Борсодержащие стали и сплавы. / П.П. Лякишев, Ю.Л.Плинер, С.И. Лаппо. М. ; Металлургия, 1986. -192 с.

4. Landau D. A Guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics./D. Landau., K. A. Binder -Cambridge Univ. Press, 2000. 384p

5. Дюк В., Самойленко A. Data-Mining: учебный курс. - СПб: Питер, 2001.-368с

6. Большаков В.И. Анализ совместного влияния химических элементов на свойства комплексно-легированных конструкционных сталей методами "Data Mining". / В.И.Большаков, И.Ф.Ткаченко, О.П.Носенко// Новини науки Приднтров'я. Cepiя: 1нженерт duci{umiHU,-№ 6, -2003, -С.52-57.

7. Большаков В.И. Расчетно-аналитическое исследование влияния взаимодействия химических элементов на прочностные свойства стали 20ХГМФТР. / В.И.Большаков, И.Ф.Ткаченко, О.П.Носенко// "Строительство, материаловедение, машиностроение". Сб. научн.трудов. Вып. 26, „Стародубовские чтения - 2004" - Днепропетровск, ПГАСиА., 2004, С. 255 -259.

8. Ткаченко И. Ф. Многоцелевая оптимизация технологии термического упрочнения проката высокопрочных свариваемых сталей с использованием компьютерной технологии "Data mining". BicHUK ПДТУ, 2004, №14. С. 30-37.

9. Bhadeshia H. Bainite in Steels. Transformations, Microstructure and Properties. IOM Communications Ltd, 2001. 478p

Статья поступила 3.03.2006