ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Контроль механических свойств конструкционных сталей является одним из основных процессов, регламентирующих срок эксплуатации оборудования. В большинстве технических процессов (обработка давлением, сварка, прокатка, термическое воздействие) происходит изменение ее структуры как в локальных областях, так и во всем объеме. Изменение структуры влечет за собой изменения свойств стали, в результате которых в локальных областях, на различных этапах эксплуатации увеличивается вероятность возникновения и развития критических дефектов. Их наличие существенным образом сказываются на эксплуатационных характеристиках оборудования и приводят к преждевременному старению материала и выводу его из строя. Именно потому, что контроль механических свойств стали остается одной из актуальных проблем, разрабатываются новые методы контроля. Известно, что все свойства стали зависят от структуры вещества, однако работ по изучению влияния дисперсности рассматриваемой структуры на механические свойства представлены в незначительном объеме. Цель работы: проанализировать, с математической точки зрения влияние фактора разнозернистости, как параметра, отражающего дисперсности системы, на механические свойства конструкционной стали. В работе исследованы термообработанные образцы стали 15ХСНД, 09Г2С и Ст3, изготовленные из листового проката. Методы исследования. Для исследования сталей 15ХСНД, 09Г2С и Ст3 в работе применялись: растровый электронный и оптический микроскопы – для изучения зеренной структуры и межзеренных границ; программный пакет SIAMS 700 – для нахождения границ и среднестатистических данных зеренной структуры; портативный рентгенофлуоресцентный анализатор металлов и сплавов X-MET 7000 – для определения химического состава исследуемых образцов в процентном отношении; разрывная машина ИР-50 – для измерения предела прочности образцов; твердомер по Виккерсу – для определения твердости образцов. Результаты и обсуждения. Обнаружено, что для механических свойств конструкционных сталей (твердости и предела прочности), величины внутренних напряжений и фактора разнозернистости наблюдается удовлетворительная корреляция, которая может быть использована для предсказания опасных состояний конструкций и времени их эксплуатации. Проведен дисперсионный и регрессионный анализ обнаруженных зависимостей. Замечено, что выпадение некоторых значений из общей регрессионной зависимости, скорее всего, может быть связано с уменьшением величины внутренних напряжений в результате уменьшения искажений кристаллической решетки стали, происходящих при термической обработке. Стоит отметить, что происходящие процессы и степень их влияния на свойства рассматриваемых конструкционных сталей могут быть различными из-за наличия в составе исследованных сталей разного количества легирующих элементов.

1. Новиков В.Ф., Нерадовский Д.Ф., Соколов Р.А. Использование квазистатических петель магнитного гистерезиса для контроля структуры стали // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. – 2016. – Т. 18, № 2. – С. 38–50. – DOI: 10/15593/2224-9877/2016.2.03.

2. Experimental determination and prediction of the mechanical properties of steel 1.7225 / J. Brnic, G. Turkalj, M. Canadija, J. Niu // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 600. – P. 47–52. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.01.097.

3. Zambrano O.A., Coronado J.J., Rodríguez S.A. Mechanical properties and phases determination of low carbon steel oxide scales formed at 1200° C in air // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 282. – P. 155–162. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.10.028.

4. Surface morphology characteristics and mechanical properties of corroded cold-formed steel channel sections / B. Nie, S. Xu, Z. Zhang, A. Li // Journal of Building Engineering. – 2021. – Vol. 42. – P. 102786. – DOI: 10.1016/j.jobe.2021.102786.

5. Determination of surface mechanical property and residual stress stability for shot-peened SAF2507 duplex stainless steel by in situ X-ray diffraction stress analysis / M. Chen, Sh. Xing, H. Liu, Ch. Jiang, K. Zhan, V. Ji // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9, iss. 4. – P. 7644–7654. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.05.028.

6. Determination of the mechanical properties of surface-modified layer of 18CrNiMo7-6 steel alloys after carburizing heat treatment / M.H. Zhao, X.C. Han, G. Wang, G.T. Xu // International Journal of Mechanical Sciences. – 2018. – Vol. 148. – P. 84–93. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2018.08.021.

7. Сандомирский С.Г. Корреляционные зависимости между механическими свойствами и магнитным параметром стали 40Х // Механика машин, механизмов и материалов. – 2019. – № 3 (48). – С. 43–50.

8. Исследование деформации и оценка напряжений в материалах с упрочненным поверхностным слоем магнитными методами / Э.С. Горкунов, С.Ю. Митропольская, А.Л. Осинцева, Д.И. Вичужанин // Физическая мезомеханика. – 2009. – Т. 12, № 2. – С. 95–104.

9. Об ультразвуковом контроле неоднородности механических свойств горячекатаной стали / И.М. Полетика, Н.М. Егорова, О.А. Куликова, Л.Б. Зуев // Журнал технической физики. – 2001. – Т. 71, № 3. – С. 37–40.

10. Relationship between microstructure and yield strength for plain carbon steel with ultrafine or fine (ferrite+cementite) structure / Ch. Zheng, L. Li, W. Yang, Z. Sun // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 617. – P. 31–38. –  DOI: 10.1016/j.msea.2014.08.050.

11. Zheng Ch., Li L. Effect of microstructure on mechanical behavior for eutectoid steel with ultrafine- or fine-grained ferrite+cementite structure // Materials Science and Engineering: A. – 2017. – Vol. 688. –P. 83–91. – DOI: 10.1016/j.msea.2017.01.082.

12. Tensile properties and twinning behavior of high manganese austenitic steel with fine-grained structure / R. Ueji, N. Tsuchida, D. Terada, N. Tsuji, Y. Tanaka, A. Takemura, K. Kunishige // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 59, iss. 9. – P. 963–966. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2008.06.050.

13. Substructure hardening in duplex low density steel / H.R. Abedi, A. Zarei Hanzaki, K.-L. Ou, C.-Y. Yu // Materials and Design. – 2017. – Vol. 116. – P. 472–480. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.12.020.

14. Elastoplastic transition in a metastable β-Titanium alloy, Timetal-18 – An in-situ synchrotron X-ray diffraction study / J.J. Bhattacharyya, S. Nair, D.C. Pagan, V. Tari, R.A. Lebensohn, A.D. Rollett, S.R. Agnew // International Journal of Plasticity. – 2021. – Vol. 139. – P. 102947. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2021.102947.

15. Motaman S.A.H., Haase Ch. The microstructural effects on the mechanical response of polycrystals: a comparative experimental-numerical study on conventionally and additively manufactured metallic materials // International Journal of Plasticity. – 2021. – Vol. 140. – P. 102941. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2021.102941.

16. Motaman S.A.H., Roters F., Haase Ch. Anisotropic polycrystal plasticity due to microstructural heterogeneity: a multi-scale experimental and numerical study on additively manufactured metallic materials // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 185. – P. 340–369. – DOI: 10.1016/j.actamat.2019.12.003.

17. ГОСТ 6996–66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. – Введ. 1967–01–01. – М.: Стандартинформ, 2005. – 62 с.

18. Гроховский В.И. Возможности цифровой микроскопии в металлографии // Цифровая микроскопия: Материалы школы семинара. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. – С. 18–20.

19. Помазова А.В., Панова Т.В., Геринг Г.И. Влияние разнозернистости структуры на коррозионную стойкость наружной поверхности труб из углеродистой стали 20, применяемых в теплоэнергетике // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. – 2014. – Т. 14, № 4. – С. 37–44.

20. Определение взаимосвязи фактора разнозернистости и скорости коррозии конструкционной стали / Р.А. Соколов, В.Ф. Новиков, К.Р. Муратов, А.Н. Венедиктов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 106–125. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-106-125.

21. ГОСТ 5639–82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. – Введ. 1983–01–01. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 45 с.

22. Влияние структурно–фазового состояния нанокомпозитов железо – цементит на процессы локальной активации / А.В. Сюгаев, С.Ф. Ломаева, С.М. Решетников, А.С. Шуравин, Е.Ф. Шарафеева, Д.В. Сурнин // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2008. – Т. 44, № 4. – С. 395–399.

23. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. – М.: Металлургия, 1994. – 288 с.

24. Callister W.D. Materials science and engineering: an introduction. – 6th ed. – Hoboken, NJ: Wiley, 2020. – 848 p. – ISBN 978-0471135760.

25. Influence of surface treatment of construction steels on determination of internal stresses and grain sizes using X-ray diffractometry method / R.A. Sokolov, V.F. Novikov, K.R. Muratov, A.N. Venediktov // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 19, pt. 5. – P. 2584–2585. – DOI: 10.1016/j.matpr.2019.09.015.

26. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 568 с.

27. Чулкина А.А., Ульянов А.И. Влияние магнитных свойств цементита на коэрцитивную силу высокоуглеродистых сталей после закалки и отпуска // Физика металлов и металловедение. – 2009. – Т. 108, № 6. – С. 581–588.

28. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1996. – 266 с.

29. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы неразрушающего контроля структурного состояния и прочностных характеристик термически обработанных изделий (обзор) // Дефектоскопия. – 1985. – № 3. – С. 3–21.

30. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. – М.: Наука, 1993. – 252 с.

31. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. – Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – 218 с.

32. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1978. – 392 с.

33. Ryan T.P. Modern regression methods. – 2nd ed. –Hoboken, NJ: Wiley, 2008. – 672 p.

34. Sprent P., Smeeton N.C. Applied nonparametric statistical methods. – 3rd ed. – London, UK: Chapman & Hall/CRC, 2001. – 470 p.

35. Scheffe H. The analysis of variance. – New York: Wiley, 1959. – 267 p.

36. Faraway J.J. Practical regression and anovausing R. – URL: https://cran.r-project.org/doc/contrib/Faraway-PRA.pdf (accessed: 24.09.2021).

37. The R Manuals / ed. by the R Development Core Team. – URL: https://cran.r-project.org/manuals.html (accessed: 24.09.2021).

38. Влияние зернограничных сегрегаций на температуры мартенситного превращения в бикристаллах NiTi / Р.И. Бабичева, А.С. Семенов, С.В. Дмитриев, К. Жоу // Письма о материалах. – 2019. – Т. 9, № 2. – С. 162–167. – На англ. яз.

39. Wollenberger H.J. Point defects // Physical metallurgy / ed. by R.W. Cahn, P. Haasen. – Amsterdam: Elsevier, 1996. – Vol. 2. – P. 1621–1721. – ISBN 978-0-444-89875-3. – DOI: 10.1016/B978-044489875-3/50023-5.

40. Rohrer G.S. Structure and bonding in crystalline materials. – Cambridge: Cambridge University Press, 2004. – 552 p. – ISBN 9780511816116. – DOI: 10.1017/CBO9780511816116.

41. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 208 с.

42. Фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях / Л.М. Клейнер, Д.М. Ларинин, Л.В. Спивак, А.А. Шацов // Физика металлов и металловедение. – 2009. – Т. 108, № 2. – С. 161–168.

43. Gao F., Heinisch H., Kurtz R.J. Diffusion of He interstitials in grain boundaries in α-Fe // Journal of Nuclear Materials. – 2006. – Vol. 351. – P. 133–140. – DOI: 10.1016/j.jnucmat.2006.02.015.

44. Hart E.W. On the role of dislocations in bulk diffusion // Acta Metallurgica. – 1957. – Vol. 5, iss. 10. – P. 597. – DOI: 10.1016/0001-6160(57)90127-X.

45. Courtney Т.Н. Mechanical behavior of materials. – Singapore: McGraw Hill, 2000. – 752 p. – ISBN 978-1577664253.

46. Study of defect evolution by TEM with in situ ion irradiation and coordinated modeling / M. Li, M.A. Kirk, P.M. Baldo, D. Xu, B.D. Wirth // Philosophical Magazine. – 2012. – Vol. 92. – P. 2048–2078. – DOI: 10.1080/14786435.2012.662601.

47. Noyan I.C., Cohen J.B. Residual stress – measurement by diffraction and interpretation. –New York: Springer, 1987. – 285 p. – ISBN 978-1-4613-9570-6.