КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-29-00106

НазваниеОбеспечение надежности машиностроительных деталей путем оптимизации химического состава и внедрения экологически безопасных технологий термической обработки

РуководительМайсурадзе Михаил Васильевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаСталь; изотермическая обработка; бейнит; мартенсит; остаточный аустенит; численное моделирование; кинетика; прочность; вязкость; пластичность; усталость; наноструктура; легирование; оптимизация

Код ГРНТИ53.49.13

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время изотермическая обработка стальных деталей широко применяется за рубежом в различных областях промышленности – авиастроении, автомобилестроении, машиностроении и др. Разработаны и научно обоснованы принципы таких способов изотермической обработки стали, как austempering (изотермическая закалка в интервале температур бейнитного превращения), quenching-partitioning (изотермическая или ступенчатая закалка в области температур мартенситного превращения), ausbay quenching (изотермическая выдержка в температурном интервале относительной устойчивости переохлажденного аустенита для выравнивания температуры по сечению детали перед последующей закалкой). В результате реализации вышеперечисленных способов изотермической обработки достигается достаточно высокий комплекс механических свойств даже для стандартных марок стали, что позволяет снизить вес конструкций и узлов за счет повышения прочности при сохранении на приемлемом уровне показателей пластичности и вязкости. Тем не менее, реализация изотермической обработки стальных деталей, особенно крупногабаритных, сопряжена с рядом проблем, связанных как с получением требуемого уровня механических и эксплуатационных свойств в заданном сечении изделия, так и с необходимостью применения дорогостоящего и экологически небезопасного оборудования – печей-ванн. Указанные проблемы можно решить, применяя стали с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в области диффузионного превращения, что позволит производить на воздухе операции охлаждения до температуры изотермической выдержки, непосредственно выдержку, и охлаждение после выдержки. Это особенно актуально в случае производства крупногабаритных изделий, поскольку изотермическое термоупрочнение на воздухе имеет следующие основные преимущества: - пониженный уровень остаточных напряжений, отсутствие закалочных трещин; - однородность микроструктуры по всему сечению изделия; - отсутствие возможности возгорания закалочных сред (масла); - не требуется специализированное закалочное оборудование (печи-ванны, закалочные баки или установки); - стабильность получаемых свойств; - низкий уровень вредного воздействия на окружающую среду (отсутствие выброса дыма, паров, необходимости утилизации отработанных закалочных сред, отсутствие необходимости очистки деталей от масла и застывших солей и щелочей). Многочисленные исследования показали, что микроструктура, формирующаяся в сталях при изотермической выдержке в температурном интервале низкотемпературных превращений переохлажденного аустенита, может обладать повышенными показателями пластичности и ударной вязкости по сравнению со структурой после традиционных закалки и отпуска. Однако это характерно не для любого состава стали и не для любого режима изотермической обработки. Для научно обоснованной разработки оптимального состава стали, обладающего наилучшим сочетанием прочности, пластичности и вязкости, необходимо знать количественные характеристики тонкой структуры стали, сформированной в температурно-временном интервале бейнитного и мартенситного превращений, в зависимости от содержания легирующих элементов и параметров режима изотермической обработки. Научной новизной проекта является впервые проводимое комплексное исследование тонкой структуры сталей разных систем легирования после реализации различных технологий изотермической обработки (austempering, quenching-partitioning, ausbay quenching). Количественные зависимости, связывающие параметры тонкой структуры сталей (размер пластин и субпластин α и γ фазы), степень перераспределения углерода между α и γ фазой с химическим составом стали, температурно-временными параметрами термической обработки (температура и продолжительность изотермической выдержки, скорость охлаждения до и после температуры изотермической выдержки, количество ступеней при изотермической выдержке и т.п.) и механическими свойствами, будут объединены в виде математических моделей, учитывающих также кинетику изотермического и атермического превращения переохлажденного аустенита. На основании анализа литературных данных, теоретических сведений и полученных зависимостей, связывающих химический состав стали с физическими и механическими свойствами, будут разработаны составы сталей, обладающих сочетанием нескольких основных параметров: 1) высокая устойчивость переохлажденного аустенита в температурной области диффузионного превращения (700…500 °С), определяемая отсутствием в структуре стали феррита и перлита после охлаждения со скоростью более 0,1…0,3°С/с; 2) возможность получения повышенной ударной вязкости (не менее 1,0 МДж/м2) и пластичности (относительное удлинение не менее 15 %) при сохранении достаточного уровня прочности (временное сопротивление не менее 1400 МПа) после изотермической обработки, определяемая морфологией формируемой тонкой структуры и термодинамическими условиями реализации превращения аустенита; 3) низкая себестоимость по сравнению с существующими промышленными сталями с высокой прокаливаемостью (18Х2Н4МА, 25Х2Н4МА, 30Х2ГСН2ВМ и др.), достигаемая оптимальным содержанием легирующих элементов.

Ожидаемые результаты
1. Физически обоснованные закономерности формирования микроструктуры и механических свойств в сталях при реализации различных технологий изотермической обработки (austempering, quenching-partitioning, ausbay quenching). В научной и производственной практике весьма спорными и не всегда учитываемыми факторами являются: скорость охлаждения от температуры аустенитизации до температуры изотермической выдержки; перераспределение углерода в процессе образования бейнита при реализации технологии quenching-partitioning; морфологические различия микроструктуры после реализации промежуточной изотермической выдержки в температурном интервале относительной устойчивости переохлажденного аустенита (ausbay quenching) по сравнению со стандартными режимами термической обработки. Учет скорости охлаждения от температуры аустенитизации до температуры изотермической выдержки в научной литературе практически не освещен. Тем не менее, в случае реализации изотермической обработки деталей, в том числе крупногабаритных, при охлаждении от температуры аустенитизации до температуры изотермической выдержки неизбежно формируется градиент температур по сечению, а скорости охлаждения в отдельных точках сечения могут отличаться в несколько раз. Вследствие этого данный вопрос весьма актуален, поскольку во время охлаждения до температуры выдержки протекают процессы (сдвиговые явления, диффузия и перераспределение примесей и легирующих элементов и т.п.), оказывающие заметное влияние на дальнейшую кинетику бейнитного превращения и морфологию формирующейся микроструктуры. В случае реализации технологии quenching-partitioning, используемая в настоящее время расчетная методика весьма часто приводит к ошибочному предсказанию содержания остаточного аустенита в QP сталях и машиностроительных сталях различного состава. Также существенно различается стабильность остаточного аустенита, определяемая содержанием в нем углерода. В результате комплекс свойств стали после реализации ступенчатой закалки по технологии quenching-partitioning оказывается значительно ниже ожидаемого уровня. В основном это связано с тем, что используемая расчетная методика не учитывает протекание конкурирующих процессов при изотермической выдержке ниже температуры Мн: наряду с перераспределением углерода между сформировавшимся мартенситом и непревращенным аустенитом, реализуется изотермическое бейнитное превращение, а также самоотпуск образующихся структурных составляющих с выделением частиц карбидной фазы. Поэтому актуальной проблемой является разработка новой методики учета процессов, протекающих в сталях при изотермической выдержке ниже Мн, для повышения адекватности расчетного определения доли остаточного аустенита, стабилизирующегося при комнатной температуре после реализации изотермической или ступенчатой закалки. Кроме того, в рамках проекта будут получены экспериментальные данные об отличиях микроструктуры и свойств, формируемых в сталях различного состава после непрерывного охлаждения от температуры аустенитизации с различными скоростями и после ступенчатого охлаждения с промежуточной изотермической выдержкой в области относительной устойчивости переохлажденного аустенита (ausbay quenching). Данные вопросы представляют интерес не только с технологической точки зрения, но и для дальнейшего развития теории металловедения сталей и методик проведения экспериментальных исследований. 2. Количественные зависимости, связывающие параметры тонкой структуры сталей (размер пластин и субпластин α и γ фазы, кристалло-геометрические параметры фаз), степень перераспределения углерода между α и γ фазой с химическим составом стали, температурно-временными параметрами термической обработки (температура и продолжительность изотермической выдержки, скорость охлаждения до и после температуры изотермической выдержки, количество ступеней при изотермической выдержке и т.п.) и механическими свойствами. Полученные зависимости, оформленные в виде математических и физических моделей, будут способствовать более глубокому развитию теории металловедения и металлургии стали, а также позволят определить направления для дальнейшей разработки новых составов высокопрочных сталей в рамках настоящего проекта. 3. Разработка химического состава и режимов изотермической обработки сталей для формирования заданных функциональных характеристик. На данном этапе научных исследований большинство разработанных марок стали применяется, в основном, в автомобилестроении, не обладает высокой устойчивостью переохлажденного аустенита и не может использоваться для изготовления крупногабаритных изделий. В связи с этим, полученные ранее, а также новые экспериментальные зависимости между химическим составом, кинетикой фазовых и структурных превращений, морфологией тонкой структуры и уровнем механических свойств после реализации различных режимов термической обработки (закалка, отпуск, изотермическая обработка), будут проанализированы для выявления наиболее критичных параметров (содержание основных легирующих элементов и примесей, размер зерна и др.), влияющих на комплекс физических, технологических и функциональных свойств, таких как: - устойчивость переохлажденного аустенита к образованию феррита, перлита и бейнита при непрерывном охлаждении и изотермической выдержке; - параметры микроструктуры (количество остаточного аустенита и его стабильность при нагружении, определяемая содержанием в нем углерода; размер пластин α фазы и прослоек γ фазы; наличие блочных составляющих микроструктуры, содержащих остаточный аустенит и т.д.); - ударная вязкость бейнитной структуры (верхний и нижний бейнит), в сравнении с ударной вязкостью мартенсита (после закалки и низкотемпературного отпуска); - параметры математических уравнений, описывающих кинетику изотермического бейнитного превращения (Колмогорова-Джонсона-Мела-Аврами (КДМА), Остина-Риккета (ОР), обобщенное дифференциальное уравнение кинетики фазового превращения в сплавах); - смещение, ΔТ0, зависимости температуры Т0’ = f(%С) (температура квазиравновесия α и γ фаз при температуре бейнитного превращения в стали определенного состава) относительно термодинамически равновесной зависимости Т0 =f(%С), определяющей равновесие α и γ фаз в сплаве системы Fe-C; - прочность стали и стойкость к усталостным разрушениям различной природы. На основании полученных зависимостей будут предложены новые составы сталей, обеспечивающие высокую прокаливаемость, а также соответствующие режимы изотермической обработки, направленные на формирование оптимального комплекса механических свойств (прочность не менее 1400 МПа, относительное удлинение не менее 15 %, ударная вязкость не менее 1,0 МДж/м2), в том числе для крупногабаритных деталей при использовании термоупрочнения в воздушных средах. 4. Разработка алгоритма численного моделирования фазовых и структурных превращений в машиностроительных сталях при непрерывном охлаждении и изотермической выдержке с учетом перераспределения углерода и/или карбидообразования в процессе формирования бейнитной микроструктуры. Данный алгоритм будет основан на физически и термодинамически обоснованных принципах (диффузия углерода и примесных элементов в процессе протекания ферритного и бейнитного превращений переохлажденного аустенита, выполнение условия равновесия α и γ фаз при реализации бейнитного превращения). Это позволит создать более точную модель, предсказывающую формирующуюся микроструктуру и, следовательно, механические свойства стали. Полученная модель может быть использована как в рамках настоящего проекта при оптимизации химического состава и режимов термообработки сталей, так и в дальнейшей научной и производственной практике для решения подобных задач. Основной алгоритм модели будет использовать уравнения Колмогорова-Джонсона-Мела-Аврами, КДМА (при формировании диффузионных продуктов превращения – феррита и перлита), Остина-Риккета, ОР (при формировании бейнита) и Коистинена-Марбургера, КМ (при формировании мартенсита). В основе расчета будет применяться правило аддитивности, рассматривающее непрерывное охлаждение как ряд последовательных изотермических выдержек с постоянным шагом по температуре. Исходными данными для расчета превращений переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении являются значения коэффициентов уравнений КДМА и ОР (k и n) в зависимости от температуры для описания превращения переохлажденного аустенита по диффузионному и промежуточному механизму, соответственно, а также параметры уравнения КМ (α, Мн) для расчета процесса мартенситного превращения. Указанные коэффициенты определяются экспериментально при анализе изотермической кинетики превращения переохлажденного аустенита (в случае бейнитного превращения) или процесса превращения аустенита при непрерывном охлаждении (в случае образования мартенсита). Для перехода от расчета по уравнению КДМА к расчету по уравнению ОР будет использоваться аналитически или экспериментально определенная температура начала бейнитного превращения Бн, а также определенная термодинамическими расчетами температура Т0. Начало моделирования процесса мартенситного превращения с использованием уравнения КМ будет реализовано при достижении температуры Мн. Поскольку температура Мн зависит от содержания углерода в непревращенном аустените, то для адекватного расчета необходимо учитывать степень понижения Мн, зависящую от доли образовавшегося ранее феррита и бейнита, с учетом перераспределения углерода и выделения карбидов. Для этого будет использоваться математическая модель, основанная на численном решении дифференциального уравнения диффузии в одномерной постановке, а также литературные данные о параметрах кинетики образования карбидов в стали. Кроме того, будет изучено влияние содержания углерода на положение температуры Бн, что необходимо в случае моделирования структурных превращений в сталях после поверхностной цементации, а также при реализации термообработки с нагревом в межкритический интервал температур.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Проведены дилатомтерические исследования превращений аустенита в промышленных сталях (13 марок) при непрерывном охлаждении. Построены термокинетические диаграммы превращения аустенита. Полученные данные, в совокупности с ранее проведенными исследованиями (в сумме 26 марок стали), позволили получить аналитические зависимости параметров оптимизации от химического состава стали: • температура начала мартенситного превращения, Мн; • отношение твердости стали после охлаждения со скоростью 0,3 °С/с к твердости мартенситной структуры, HRC0,3/М; • максимальная температура начала образования бейнита в интервале скоростей охлаждения 0,1…30 °С, tБмакс. 2. Рассчитана зависимость температуры Т0 от содержания углерода в аустените для промышленных сталей. Установлено, что уменьшение отклонения ΔТ0 приводит к повышению ударной вязкости микроструктуры нижнего бейнита по сравнению с мартенситом (HVб/HVм). Таким образом, для достижения высоких показателей ударной вязкости сталь должна обеспечивать высокую ударную вязкость мартенситной структуры и обладать минимальным смещением температуры Т0 относительно идеальной. При этом содержание легирующих элементов должно обеспечить высокий уровень прочностных характеристик, а также высокую устойчивость переохлажденного аустенита для того, чтобы можно было реализовать процессы термической и изотермической обработки с применением конвективного теплообмена. 3. Произведена оценка скорости охлаждения в температурном интервале бейнитного и мартенситного превращений в сталях (500…200 °С). Средняя скорость охлаждения при закалке в масле составляет 25 °С/с; при охлаждении на спокойном воздухе – 1 °С/с; при охлаждении в контейнере с чугунной стружкой – 0,2 °С/с. Установлено, что с понижением интенсивности охлаждения происходит снижение прочностных характеристик. Однако изменение ударной вязкости в зависимости от интенсивности охлаждения происходит неоднозначно. Ряд сталей имеет тенденцию к повышению ударной вязкости при снижении скорости охлаждения, причем с уменьшением содержания углерода эта тенденция проявляется в большей степени. Ряд сталей склонен к существенному снижению ударной вязкости при уменьшении интенсивности охлаждения. В основном это обусловлено устойчивостью переохлажденного аустенита и химическим составом стали: - наличие карбидообразующих элементов и повышение содержания углерода приводит к снижению ударной вязкости; - наличие никеля в количестве более 2 масс. % и низкое содержание углерода способствует повышению ударной вязкости; - наличие кремния в составе стали обеспечивает менее интенсивное снижение ударной вязкости при снижении интенсивности охлаждения. 4. Установлено, что продолжительность стадии замедленного охлаждения перед выходом на заданную температуру оказывает значительное влияние на кинетику последующего изотермического превращения. С увеличением температурного интервала замедленного охлаждения происходит уменьшение инкубационного периода и бейнитное превращение начинается и заканчивается раньше. Это связано с тем, что при замедленном охлаждении, даже при отсутствии заметного дилатометрического эффекта, в стали протекают процессы, связанные с образованием зародышей новой фазы. 5. Результаты математического анализа кинетики изотермического бейнитного превращения при помощи уравнения Остина-Риккета показывают, что для всех сталей характерна линейная зависимость n = f[ln(k)], причем у сталей с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, для которых характерно отсутствие распада переохлажденного аустенита до достижения температуры изотермической закалки, она смещена в область более низких значений ln(k). Условным порогом является значение ln(k) = -15. Анализ кинетики изотермического бейнитного превращения с точки зрения взаимосвязи параметров может показать, имело ли место образование зародышей в стали до момента достижения заданной температуры. 6. Установлено, что в ряде случаев наиболее адекватно кинетику превращения описывает уравнение ОР, а в ряде случаев – уравнение КДМА. Для решения данной проблемы была предложена методика, в основе которой лежит производная доли превращения по времени для функций КДМА и ОР. Полученное дифференциальное уравнение содержит новый параметр с: при с = 1 ход превращения соответствует кинетике, описываемой уравнением КДМА, при с = 0 – уравнением ОР, а при 0 < c < 1 наблюдается переходный процесс. 7. Разработана методика численного моделирования превращений переохлажденного аустенита, учитывающая одновременное образование бейнита и мартенсита при непрерывном охлаждении. Модель основана на результатах дилатометрического исследования при изотермической выдержке (температурная зависимость коэффициентов уравнения ОР/КДМА для моделирования бейнитного превращения) и непрерывном охлаждении (значение коэффициента α уравнения Коистинена-Марбургера для описания мартенситного превращения). 8. Проведено исследование процессов, протекающих в промышленных марках стали при реализации технологии Quenching-Partitioning. Показано, что при изотермической выдержке на первой ступени происходит формирование бейнита и перераспределение углерода, вследствие чего при последующем охлаждении образуется обогащенный углеродом мартенсит. Во время нагрева до температуры второй ступени закалки не наблюдается превращений, связанных с изменением объема образца. Во время выдержки на второй ступени происходит уменьшение длины образца на 7 %, связанное с перераспределением углерода и с образованием карбидов. Показано, что при охлаждении от температуры второй ступени мартенсит образуется при более низкой температуре, что свидетельствует о более значительном обогащении аустенита углеродом. В связи с этим количество остаточного аустенита в структуре сталей после реализации двухступенчатой закалки оказывается больше. При реализации технологии QPT во время выдержки на второй ступени происходит отпуск бейнита и мартенсита, поэтому в данном случае более явно проявляется отпускная хрупкость, и уровень ударной вязкости оказывается минимальным. Выявлены основные моменты, необходимые для проведения дальнейших исследований: - Отклонение между прогнозируемым количеством остаточного аустенита и фактически получаемым экспериментально обусловлено протеканием бейнитного превращения, а также обарзованием карбидов; - При реализации двухступенчатой закалки или одноступенчатой закалки с отпуском необходимо учитывать температурный интервал отпускной хрупкости α-фазы. - Снижение ударной вязкости стали в случае ступенчатой закалки вызвано совокупным влиянием следующих факторов: карбидообразование; формирование хрупкого высокоуглеродистого мартенсита; недостаточная стабильность остаточного аустенита к образованию мартенсита деформации. Дальнейшие исследования будут направлены на снижение негативного влияния указанных выше факторов. 9. Установлено, что наличие температурной остановки в области относительной устойчивости переохлажденного аустенита приводит к ускорению образования бейнита по сравнению с непрерывным охлаждением. Таким образом, выдержка в области относительной устойчивости переохлажденного аустенита способствует формированию дополнительных благоприятных мест для последующего зарождения и роста бейнита. В случае ausbay quenching мартенситное превращение начинается на 10 °С ниже, чем в случае непрерывного охлаждения. 10. На основании проведенных исследований промышленных марок стали были разработаны составы опытных сталей: 20ХГС2НМА, 20ХГ2С2МА, 20ХГ2С2НМА, 20ХГС2Н2МА, 20Г2С2М1А, 20ХГС2М1А, 20Х2ГС2НМА. Предварительные расчеты показали, что опытные стали должны обладать достаточно высокой прокаливаемостью: отношение твердости стали после замедленного охлаждения к твердости мартенситной структуры составляет HRC0,3/М = 0,7…0,9, минимальная скорость охлаждения, при которой подавляется образование феррита или перлита, составляет 0,3...0,5 К/с (согласно расчетам при помощи JMatPro). Это подтверждает пригодность опытных марок для выполнения целей настоящего проекта.

Публикации

1. Майсурадзе М. В.,Юдин Ю. В., Куклина А. А., Лебедев Д. И. Влияние термической обработки на механические свойства и микроструктуру перспективной высокопрочной стали Металловедение и термическая обработка металлов, №9, С. 51-57 (год публикации - 2022)

2. Майсурадзе М.В, Куклина А.А., Рыжков М.А., Лебедев Д.И., Антаков Е.В. Effect of Cooling Rate during Heat Treatment on Martensitic-Bainitic Class Alloy Steel Microstructure and Properties Metallurgist, Vol. 66, №7-8, P.895-908 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s11015-022-01402-2

3. Майсурадзе М.В., Куклина А. А., Лебедев Д. И., Рыжков М. А., Макаров Д. А. Микроструктура и механические свойства авиастроительной стали 30Х2ГСН2ВМ Металловедение и термическая обработка металлов, №8, С.48-56 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.30906/mitom.2022.8.45-53

4. Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Лебедев Д.И., Рыжков М.А., Макаров Д.А. Microstructure and Mechanical Properties of Aircraft Steel 30Kh2GSN2VM Metal Science and Heat Treatment, Vol. 64, №7-8, P.465-473 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s11041-022-00832-8

5. Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Рыжков М.А., Лебедев Д.И., Антаков Е.В. Влияние интенсивности охлаждения при термической обработке на микроструктуру и свойства легированных сталей мартенсито-бейнитного класса Металлург, №8, С.27-36 (год публикации - 2022)

6. Майсурадзе М.В., Лебедев Д.И., Куклина А.А., Антаков Е.В., Назарова В.А. Mechanical Properties of Alloyed Steel Grades with Superior Stability of Supercooled Austenite Steel in Translation, Vol.52, №3, PP. 355-362 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3103/S0967091222030093

7. Майсурадзе М.В., Лебедев Д.И., Куклина А.А., Антаков Е.В., Назарова В.А. Механические свойства легированных сталей с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита Сталь, №3, С.38-45 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Разработан алгоритм численного моделирования фазовых и структурных превращений в сталях на основании известного химического состава. В основу алгоритма положены следующие зависимости, установленные в рамках настоящего проекта: • Степень устойчивости переохлажденного аустенита, характеризующаяся величиной HRC0.3/HRCМ • Зависимость параметра n уравнения Остина-Риккета от температуры. • Взаимосвязь коэффициентов зависимости n(t) и химического состава. • Линейная взаимосвязь параметров уравнения Остина-Риккета n и ln(k) для сталей с разной устойчивостью переохлажденного аустенита. • Зависимость температуры Мн, максимальной температуры образования бейнита при непрерывном охлаждении от химического состава стали. • Зависимость параметров αБ и Бн уравнения для расчета полноты бейнитного превращения от химического состава стали. • Учет образования карбидной фазы и перераспределения углерода при моделировании превращений при непрерывном охлаждении. 2. Установлено, что в случае одноступенчатой закалки аустенит в значительной степени обогащается углеродом только в объемах, непосредственно прилегающих к пакетам мартенсита и бейнита. В случае двухступенчатой закалки объем аустенита, обогащенный углеродом в достаточной степени для снижения температуры Мн ниже 20 °С, оказывается существенно больше, а концентрация углерода в нем выравнивается, что приводит к уменьшению параметра кристаллической решетки. 3. Установлено влияние размера пластин микроструктуры бейнита на механические свойства сталей. Наименьшей ударной вязкостью обладает структура верхнего бейнита, размер пластин которого составляет 0,53 мкм, а при уменьшении размера пластин до 0,25 мкм ударная вязкость повышается от 0,33 до 0,48 МДж/м2. 4. Разработана усовершенствованная методика прогнозирования микроструктуры при реализации Quenching-Partitioning. Исходными данными для расчета являются: химический состав стали, продолжительность изотермической выдержки, зависимость равновесной концентрации углерода в α и γ фазах от температуры. Предложенная методика позволяет учесть изменение концентрации углерода в непревращенном аустените вследствие протекания конкурирующих процессов – бейнитного превращения и карбидообразования. Показано, что разработанная методика позволяет существенно улучшить (до 10 раз) результаты прогнозирования для разной продолжительности изотермической выдержки. Разработанная методика адекватно прогнозирует количество вторичного мартенсита (что подтверждается дилатометрическими исследованиями), а также повышение количества остаточного аустенита в структуре стали при увеличении продолжительности изотермической выдержки. 5. Построены термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита в опытных сталях при непрерывном охлаждении с постоянными скоростями в диапазоне 0,1…30 °С/с. Установлено, что требованию высокой устойчивости переохлажденного аустенита (отсутствие диффузионного превращения при скорости охлаждения более 0,3 °С/с) удовлетворяют стали 20ХГ2С2НМА, 20Х2Г2С2НМА и 45Х2ГС2НМА. При помощи численного моделирования и экспериментальных исследований установлено, что данные стали могут быть использованы для реализации конвективного термоупрочнения деталей. 6. На основании данных дилатометрического исследования определено количественное соотношение структурных составляющих в опытных сталях, образующихся при изотермической закалке, установлена температура начала формирования «вторичного» мартенсита при окончательном охлаждении после изотермической выдержки, а также рассчитано содержание углерода во «вторичном» мартенсите. 7. Предложена расчетная методика оценки доли остаточного аустенита в структуре стали после охлаждения до комнатной температуры по данным дилатометрических экспериментов, основанная на изменении удельного объема фаз. Результаты оценки доли остаточного аустенита по дилатометрическим данным удовлетворительно совпадают с данными рентгеноструктурного анализа. Установлено, что для низкоуглеродистых сталей доля остаточного аустенита в структуре после изотермической закалки при температуре ниже Мн находится в диапазоне от 0,06 до 0,16, а при повышении температуры изотермической выдержки – снижается до 0,04…0,09. 8. Показано, что наибольшая ударная вязкость наблюдается для смешанной микроструктуры «первичного» мартенсита и нижнего бейнита при небольшом количестве «вторичного» мартенсита (обычно не более 5%). Статистический анализ позволил связать химический состав с величиной ударной вязкости стали после изотермической закалки на нижний бейнит (KCVНБ), а также с величиной относительного прироста ударной вязкости относительно вязкости мартенсита (KCVНБ/М). Также установлена зависимость ударной вязкости мартенсита от содержания углерода. 9. Уточнена зависимость величины KCVНБ/М от смещения термодинамической температуры Т0’ относительно теоретического значения. Данная зависимость носит нелинейный характер, и с уменьшением величины ΔТ0 потенциал к повышению ударной вязкости нижнего бейнита относительно мартенситной структуры резко возрастает. При величине ΔТ0 > 100 °С ударная вязкость структуры, содержащей нижний бейнит, оказывается меньше ударной вязкости полностью мартенситной структуры. 10. Проведен анализ механических свойств опытных сталей после изотермической закалки с позиции комплексных критериев: используемого в настоящее время в научно-технической литературе PSE (произведение прочности и удлинения) и предлагаемого в настоящем проекте PSET (произведение прочности, удлинения и ударной вязкости). Показано, что наиболее близкие к требуемому (21000) значения критерия PSE были получены для сталей 20ХГ2С2НМА, 20ХГ2С2МА, 20ХГС2НМА и 20Х2Г2С2НМА в случае формирования нижнего бейнита при изотермической закалке. Для стали 20Г2С2М1А был достигнут критерий PSET при формировании нижнего бейнита (температура выдержки 320 °С). При изотермической закалке стали 20ХГ2С2НМА, которая обладает достаточно высокой устойчивостью переохлажденного аустенита для реализации конвективного термоупрочнения, было достигнуто значение критерия PSET на уровне 18000. Таким образом, данную сталь можно рассматривать как наиболее перспективную для реализации изотермической термообработки с применением конвективных сред. 11. Показано, что применение двухступенчатой закалки с конвективным охлаждением для машиностроительных сталей нецелесообразно по следующим причинам: 1) Стали с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита не позволяют получить достаточную ударную вязкость: зачастую после ступенчатой закалки она оказывается ниже, чем ударная вязкость мартенситной структуры. 2) В случае применения конвективных сред охлаждения для реализации ступенчатой закалки время, необходимое для достижения требуемой температуры по всему сечению детали будет составлять не менее 30 мин. Это делает нецелесообразным проведение второй ступени изотермической выдержки, а все процессы, протекающие в стали, будут идентичны процессам, протекающим при изотермической закалке с последующим отпуском. 12. Показано, что реализация технологии Ausbay Quenching не приводит к значимому изменению механических свойств стали. Получаемые свойства не зависят от наличия промежуточной изотермической выдержки в области относительной устойчивости переохлажденного аустенита. Таким образом, основное преимущество данной технологии термообработки заключается в выравнивании температурного градиента по сечению детали перед окончательным охлаждением, что приводит к более однородному протеканию превращений в объеме металла и, как следствие, к снижению уровня временных и остаточных напряжений. Это можно использовать в случае реализации изотермической закалки массивных деталей при использовании конвективного охлаждения, когда необходимо максимально одновременно достичь требуемой температуры выдержки для реализации бейнитного превращения.

Публикации

1. Майсурадзе М. В., Куклина А. А., Лебедев Д. И., Назарова В. В., Антаков Е. В., Юровских А.С. Расчетно-экспериментальное исследование структурообразования при термической обработке стали 20Х2Г2СНМА Сталь, №2, С. 33-40 (год публикации - 2023)

2. Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Лебедев Д.И., Антаков Е.В., Юдин Ю.В. Термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита в легированных сталях Сталь, №5. С. 37-44. (год публикации - 2023)

3. Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Лебедев Д.И., Антаков Е.В., Юдин Ю.В. Thermokinetic Diagrams of Transformations in Supercooled Austenite in Alloyed Steels Steel in Translation, Vol. 53. №6. P. 562-570 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S0967091223060098

4. Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Лебедев Д.И., Назарова В. В. Анализ кинетики изотермического бейнитного превращения в легированных сталях Металловедение и термическая обработка металлов., №8. С. 15-25 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.30906/mitom.2023.8.15-25

5. Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Лебедев Д.И., Назарова В.В., Антаков Е.В., Юровских А.С. Simulated and Experimental Study of Structure Formation upon Thermal Treatment of Steel 20Kh2G2SNMA Steel in Translation, Vol. 53. №2. P. 176-184 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S0967091223020122

6. Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Рыжков М.А., Лебедев Д.И., Назарова В.В., Окишев К.Ю. Особенности образования бейнита в стали 20Х2Г2СНМА при изотермической закалке Металлург, №7. С. 45-54 (год публикации - 2023)

7. Майсурадзе М.В., Рыжков М.А. A Dilatometric Study of Austenite Transformation in Aircraft Steel During Quenching–Partitioning and Austempering Transactions of the Indian Institute of Metals, Vol. 76. №10. P. 2883-2891 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s12666-023-02985-3

8. Майсурадзе М.В., Рыжков М.А., Назарова В.В. Дилатометрическое исследование структурообразования в стали 30Х2ГСН2ВМ при ступенчатой и изотермической закалках Металловедение и термическая обработка металлов, №4. С. 21-33 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.30906/mitom.2023.4.21-33

9. Майсурадзе М.В., Рыжков М.А., Назарова В.В. Dilatometric study of structure formation in steel 30KH2GSN2VM under quenching-partitioning and austempering Metal Science and Heat Treatment, Vol. 65. № 3-4. P. 209-220 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s11041-023-00916-z

10. Майсурадзе М.В., Юдин Ю.В., Куклина А.А., Лебедев Д.И. Effect of Heat Treatment on Mechanical Properties and Microstructure of Advanced High-Strength Steel Metal Science and Heat Treatment, Vol. 64, №9-10, P. 522-527 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s11041-023-00845-x

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы в различных отраслях промышленности: - при разработке новых составов машиностроительных и автомобильных сталей, подвергаемых изотермической и ступенчатой закалке, и удовлетворяющих критериям высокой эксплуатационной надежности; - для прогнозирования микроструктуры и свойств деталей при разработке режимов и технологий их термической обработки; - при анализе экспериментальных данных о превращении переохлажденного аустенита в сталях. Кроме того, полученные результаты можно использовать при создании современных курсов и учебных пособий для высших учебных заведений.