Формирование структуры и механических свойств низколегированных ферритно-мартенситных сталей различного состава в процессе термической обработки и старения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Сторожева, Лидия Михайловна

• Сторожева, Лидия Михайловна
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сторожева, Лидия Михайловна

ГЛАВА I. Аналитический обзор литературы

1.1. Материалы для автомобилестроения.

1.2. Двухфазные ферритно-мартенситные стали (ДФМС). Ю

1.2.1. Особенности микроструктуры и механических свойств ДФМС

1.2.2. Термическая обработка ДФМС

1.2.3. Чувствительность ДФМС к закалочному и деформационному старению

1.2.4. Влияние легирующих элементов на свойства

1.2.5. Химический состав и механические свойства промышленных ДФМС

1.3. Состояние вопроса и задачи исследования. 4j

ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований

2.1. Состав исследуемых сталей и подготовка образцов

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Методика металлографических, исследований

2.2.2. Методика исследования механических свойств и штампуемости

2.2.3. Метод внутреннего трения

ГЛАВА 3. Влияние химического состава и термической обработки на структуру и свойства двухфазных ферритно-мар^енситных сталей

3.1. Результаты предварительных исследований ДФМС различного состава.

3.2. Влияние параметров термической обработки на структуру и свойства ДФМС.

3.3. Влияние ванадия на структуру и свойства ДФМС.

3.4. Влияние марганца на структуру и свойства ДФМС

3.5. Выводы к главе

ГЛАВА 4. Исследование процесса старения ДФМС

4.1. Влияние времени отпуска, температуры и предварительной деформации на закалочное и деформационное старение ДФМС различного состава.

4.1.1. Исследование закалочного старения.

4.1.2. Исследование деформационного старения. юб

4.1.3. Влияние ванадия на прирост предела текучести при старении ДФМС, охлажденной с различной скоростью.

4.2. Исследование кинетических характеристик закалоч ного старения ДФМС методом внутреннего трения

4.2.1. Влияние ванадия на кинетические характеристики старения ДФМС

4.2.2. Влияние марганца на кинетические характе ристжи старения ДФМС

4.3. Выводы к главе

ГЛАВА 5, Разработка режимов непрерывной термической обработки ДФМС и опробование штампуемости в промышленных условиях.

5.1. Сравнительное исследование режимов непрерывной термической обработки в лабораторных условиях.

5.2. Отработка режимов термической обработки на агрегате непрерывного отжига (АНО) НЛМЗ с целью получения стали с двухфазной ферритно-мартенситной структурой.

5.2.1. Влияние параметров термической обработки на структуру и механические свойства стали.

5.2.2. Воспроизводимость механических свойств , по длине и ширине листа, влияние направления вырезки и дрессировки.

5.2.3. Исследование старения

5.3. Получение опытно-промышленных партий ДФМС и штамповка деталей на автозаводах

ВЫВОДЫ. 12*

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование структуры и механических свойств низколегированных ферритно-мартенситных сталей различного состава в процессе термической обработки и старения»

Снижение массы машин и механизмов за счет повышения прочности сталей и, соответственно, увеличение допустимых удельных нагрузок является важнейшей народнохозяйственной задачей, отмеченной в Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 264 от 2.03.81 " 0 мерах повышения эффективности производства и использования металлопродукции из черных металлов в 1981-1986 гг." Другим, не менее важным направлением повышения эффективности использования металлопродукции, отмеченным в решениях ХХУ1 съезда КПСС, является развитие методов изготовления деталей с применением малоотходных технологий: листовой и объемной штамповки. Однако применение высокопрочных материалов для холодной штамповки обычно осложняется или исключается вследствие неизбежного понижения технологической пластичности. Кроме того, исходный высокий предел прочности высокопрочных сталей не позволяет обрабатывать их на существующем оборудовании. Поэтому важной задачей является разработка таких высокопрочных сталей, которые, при исходном низком пределе текучести и хорошей штампуемости, обладают высокой прочностью в готовом изделии. Этим условиям соответствует высокопрочная сталь с двухфазной ферритно-мартенситной структурой, интенсивное исследование и внедрение которой проводится в последнее время во многих странах.

Для двухфазных ферритно-мартенситных сталей (ДФМС), получаемых, как правило, ускоренным охлаждением от температур 4 ^ области, характерны низкий предел текучести, высокая пластичность и штампуемость, а также способность эффективно упрочняться в процессе деформации и низкотемпературного нагрева, что позволяет получать в готовых деталях предел текучести выше 500 МПа.

Проблема получения.ДФМС с высоким комплексом свойств является довольно новой и.содержит довольно много нерешенных и спорных вопросов, в частности, о влиянии легирующих элементов, параметров термической обработки и старения на структуру и свойства стали. Поэтому в настоящей работе были проведены исследования, позволившие уточнить влияние температуры нагрева и скорости охлазцдения на структуру и свойства ДФМС. Впервые показано влияние концентрации ванадия и марганца на структуру и свойства ДФМС после различных скоростей охлазвдения. С применением метода внутреннего трения и электронной микроскопии на просвет установлено влияние легирующих. элементов, параметров отпуска и деформации на старение ДФМС, определены кинетические характеристики старения стали. По результатам проведенных исследований на агрегате непрерывного отжига Новолипецкого металлургического комбината получены опытно-промышленные партии ДФМС с высоким комплексом свойств, опробование штампу емости которых на ведущих автозаводах страны показало их пригодность для штамповки автомобильных деталей пониженной толщины.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- результаты влияния параметров термической обработки на структуру и свойства ДФМС;

- результаты исследования влияния концентрации легирующих элементов на структуру и свойства ДФМС после охлаждения от температур оС * ^ области; ~ результаты исследования закалочного и деформационного старения ДФМС, влияния на него температуры и продолжительности нагрева, степени деформации, легирующих элементов.

Автор глубоко признателен кандидату физико-математических наук Нине Михайловне Фонштейн за ценные консультации по научным и практическим вопросам.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Сторожева, Лидия Михайловна

1. С применением комплексных механических испытаний, измере ний внутреннего трения, световой и электронной микроскопии на просвет установлено влияние параметров термической обработки и содержания ванадия и марганца на структуру, механические свойст ва и особенности старения малоуглеродистых двуфазных ферритно мартенситных сталей (ДФМС).2. Показано, что после резкого охлаждения от температур J^. + )( области прочность стали возрастает,а относительное удли нение снижается с повышением температуры нагрева, что определяет ся увеличением объемной доли мартенсита в структуре ДФМС. Под тверждено, что при использовании умеренной скорости охлаждения (не выше 30-50 град/с) прочность практически постоянна в широком диапазоне температур нагрева, а пластичность повышается с зшели чением температуры нагрева в межкритическом интервале, что связа но с постоянством доли упрочняющей с^рруктурной составляющей при возрастании количества "нового" феррита при распаде аустенита.Показано, что верхним пределом возможных температур нагрева явля ется температура появления площадки текучести, что связано с не допустимым снижением устойчивости аустенита и, соответственно, появлением в структуре перлитных продуктов распада.3. Установлено, что влияние ванадия на свойства ДФМС зави сит от скорости охлаждения стали. При использовании резкой закал ки от температур МКИ влияние ванадия ъ интервале концентраций до 0,18?^ на свойства ДФШ практически не наблюдается.При умерен ной скорости охлаждения с повышением содержания ванадия прочность стали возрастает, а пластичность снижается (аналогично влиянию его на нормализованную сталь), что, вероятно, обусловлено выде лением ванадийсодержащих частиц. 4. Показано, что после резкой закалки от постоянной темпера туры межкритического интервала прочность стали с повышением со держания марганца от 1,03 до 1,87?^ возрастает, а пластичность сни жается, что связано с повышением количества упрочняющей фазы (от наблюдается скачкообразное возрастание прочности вблизи 1,5^ Мп, дальнейшее повышение содержания марганца приводит к снижению пла стичности. По данным электронной микроскопии на просвет изменение концентрации марганца в сталях, охлажденных с умеренной скоростью, сопровождается изменением природы упрочняющей структурной состав ляющей - от тростита к бейниту и мартенситу.5. Подтверждено, что при комнатной температуре ДФМС обладают практически отсутствием склонности к старению. При повышенных тем пературах наблюдается рост предела текучести, что связано с за креплением свободных дислокаций, образовавшихся в феррите в ре зультате объемного эффекта фазового превращения, атомами внедре ния. Установлено, что измельчение зерна феррита при добавлении в сталь ванадия и алюминия приводит к ускорению процесса старения, что связано с уменьшением путей диффузии атомов внедрения к об ластям с повышенной плотностью дислокаций, которая, по данным электронной микроскопии, наблюдается вокруг упрочняющей фазы.6. Изучение старения ДФМС после деформации растяжением по казало повышение склонности стали к старению и перестариванкю с увеличением степени деформации, что обеспечивает при нагреве до

7. По результатам измерения внутреннего трения( на основании величин констант вьзделения) и электронной микроскопии установле но, что старение ДФМС протекает в последовательности: выделение частиц в матрице, формирование выделений на дислокациях, рост и коалесценция выделений на дислокациях; причем эти процессы

могут перекрываться во времени.8. Установлено, что влияние марганца на характеристическое время старения, определенное методом внутреннего трения, носит экстремальный характер. Наименьшей склонностью к старению отли чается сталь с содержанием марганца 1,45?^ . Показано, что добавле ние в сталь 0,18^ ванадия уменьшает величину времени релаксации '>^ в 6 раз, что свидетельствует об интенсификации процесса старе ния. Энергия активации процесса старения, рассчитанная по данным внутреннего трения и электронной микроскопии, составляет 20,5-

-20,8 ккал/моль, что примерно соответствует энергии активации ди1|)фузии углерода в ск -железе.9. Проведенные исследования позволили выбрать химические составы и разработать технологию получения в промышленных усло виях (на агрегате непрерывного отжига Ш1МК) ДФМС со следующим комплексом свойств: 6о,г= 280-320 МПа; (Из = 540-650 Ш а ;

6о,2/ &В =0,48-0,55; Ch =28-34fo; после старения ( & > 5 0 0 Ш а .Опробование штампуемости полученных сталей на ведущих автозаво дах страны ( ВАЗ, ЗИЛ, ГАЗ ) показало пригодность их для штампов ки автомобильных деталей сложной конфигурации с понижением тол щины на 10-15^, что в результате внедрения только для опробован ных деталей ЗЙ1-130 позволит сэкономить 650 т металлопроката и получить годовой экономический эффект 94 тыс.руб.10. Полученные общие закономерности влияния режимов непре рывной термической обработки на свойства сталей различного со става могут быть использованы для создания ДФМС различного уров ня прочности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сторожева, Лидия Михайловна, 1984 год

1. ,Гуренко В.Д.,Зварковский Ю.Д. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали.- М.; Металлургия, 1979 -224 с.

2. Owen W.S. Can а simple heat treatment help to save Detroit ?- Metals a?echnology,1980,v.7,H 1,p.1*-13.

3. Hayami S.,Purukawa J, A family of high-strength cold-rolled steels.-In: Microalloying-75,Oct.1975,Hew York 1977,p»78-87.

4. Гуляев A.П. Металловедение.- М.; Металлургия, 1978- 646 с.

5. Magee C.,Davies R, Factors influencing automotive application of high strength steels.- Journal of Metals, 1980,v.32,II 11, p.28-35.

6. ГолованеHKO C.A., Фонштейн H.M. Малоуглеродистые ферритно- мартенситяые стали для холодной штамповки и высадки.- Автомобильная промышленность, 1982, В 8, с.27-29.

7. Davies R.,Magee Phisical metallurgy of automotive high strength steel. - In: Structure and properties of dual-phase steels. - Proc.Trans.Met.Soc. AIME,1979,Feb.19-21,Hew Orleans,p.1-19»

8. Bldis G. The influence of microstructure and testing procedure on the measured mechanical properties of heat treatment dual-phase steels.- In: /7/,p»202-220.

9. Davies R.,Magee C. High strength steel technology development at Pord. - Proc.of seminar in Berlin (West),1978,oct.p.25-31• JO. Lagneborg R. Structure-property relationships in dual-phase steels. - In: /9/,p.43-52.

10. G0ib M.,Matlock D,,Krauss G. The effect of intercritical annealing temperature on the structure of niobium microalloyed dual-phase steel.- Met.Trans.,1980,v.11A,N 10,p.1683-1689.

11. Krauss 6.,Marder A. The morphology of martensite in iron al - loys.- Met. Trans,,1971,V.2,H 9,p.2343-2357. 19» Thomas G. Alloy design of dual-phase steel.- Sheet Metal Ind., 1981,v.58, и 6,p.442,444,446.

12. Бронфия Б.М., Гольдштейн М.И., Емельянов A.A. Свойства низколегированной стали с мартенситно-ферритной структурой.-М и ТОМ, 1983, ^ 3, с.59-62.

13. Rigsbee J. Structure-processing and structiire-property relationships in commercially processed dual-phase steel.- /7/,p. 304-529.

14. Cribb W.,Rigsbee J. Work-hardening behavior and its relationship to the microstructure and mechsuaical properties of dual-phase steels.- /7/, p..91-117.

15. Ste^ e^nson R., Bailey D. High strength low carbon sheet steel by thermomechanical treatment. II. Microstructure.- /11/,p.57-62.

16. Лжзуяов В.И. Композиционные материалы. - М.: Металлургия, 1978- 150 с.с ш.

17. Hornbogen Е.,KOster V. Recrystallization and duplex materials.- Metalliargia i odlewiictwo,1980,v.4,.J 1,p.65-67-

18. Лившиц Б.Т., Крапошия B.C., Яинецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов.- М.: Металлургия, 1980. 320 с.с ил.

19. Hoel R.,Thomas G. Ferrite structure and mechanical properties of low alloy duplex steels.-Scr.met.,1981,v.15»N8,p.867-872.

20. Koo J., Banfaru V.,Rao N. Designing high performance steels with dual phase structures.- Metal Progress,1979»v.116, N 9» p.66-77.

21. Speich G.,Miller R. Mechanical properties of martensite-ferrite steels.- Report fron United States Steel Corp., 1979.-

22. Dom J.,Starr C. Relation of properties to microstructure.- Metals Park Ohio. American Society for Metals,195^, 77 P« 23. Mileiko S.O}. The tensile strength and ductility of continuous fibre composites.- Jornal of Mat.Sci. ,1969,v.4,K 11,p.97^977^

24. Koo J.,Young M.,Thomas G. On the low of mixture in dual-phase steels.- Metal.a}rans.,1980,v.11 A,N 5»p.852-854.

25. Ramos L.,Matlock D.,Krauss D. On the deformation behavior of dual-phase steels.- Metal.a}rans. ,1979,v.10 A,N 2,p.259-65.

26. Balliger N.K.,Gladman Ш.,Work hardening of dual-phase steels.- Met.Sci.,1981,v.15,N 5»p.95-408.

27. Ashby M. Work hardening of dispersion-hardened crystals.-Phil. Mag.,1966,v.14,N 152,p.1157-1178.

28. Sowerby R. ,Uko D. ,!ronuta Y. A review of certain aspects of the Bauschinger effect in metals.- Mater.Sci. and Eng.,1979, v.41,N 1,p.43-58.

29. Davies R. On the ductility of dual-phase steels.-/21/,p.25-59.

30. Davies R.,Magee C. Physical metallurgy of automotive high- s t r e n ^ steels.- Journal of metals,1979,v.31 ,N11,p.17-25.-

31. Owen W. The development of high-strength steels for automobiles.- La Metallurgia Italiana,1977,v.69,N 7-8,p.293-305. - 150 -

32. Головаяеяко A., Фонштейн Н.М. Новый класс материалов - феррито-мартеяситяые стали высокой штампуемости.- Сталь, 1980, № 7, с.615-620. 4-9. Tafcahashi I. Gold high-strength steel with low yield.- Kinzo-ku,1979,v.4-9,N 12,p.58-59.

33. Mould P.S.,Skena O.C. Structure and properties of cold-rolled ferrite-martensite (dual-phase) steel sheets.- /21/,p.181-204-.

34. Morrison W. Effect of grain size on the stress-strain relationship in low-carbon steel.- (Erans.ASM, 1966,v.59,p.824-4-5.

35. Ostrom P. Deformation models for two-phase materials.- Met. Trans.,1981,V.I2 A,H 2,p.555-557.

36. Davies R. The deformation behavior of a vanadiiam strengthe - ning dual-phase Bteel.- Met. Irans. ,1978,v.9A,N1 ,p.41-52. 54-. Koo J.,Thomas G. Design of duplex low carbon steels for improved strength: weight applications.- /21/,p.40-55-

37. Davies R. Influence of silicon and phosporous on the mechanical properties of both ferrite and dual-phase steels.-Met, Trans.,1979,V.10 A,n 11,p.113-418.

38. Davies R. The mechanical properties of low-carbon ferrite - plus-martensite structure.- Met.Trans. ,1978,v.9A,N5,P•^5'^-^55. - 151 -

39. Голованенко G.A., Коннова И.Ю., Банков A.M. Получение двухфазных низколегированных сталей с повышенной пластичностью путем термической обработки. Сталь, I98I, № 9, с.65-70.

40. Tomota У.,Татига I. Mechanical properties of two-ductile phase steels.- Journal of the Iron and Steel Inst.of Japan, 1981,V.67,H 3,p.439-455.

41. Rashid M.S. Relationship between steel microstructure and fors* mability.- /21/,p.1-24.

42. Jonston W.G«,Oilman J.J. Dislocation velocities,dislocation densities, and plastic flow in lithium fluoride cristals.-Journal Appl. Phis.,1959,V.30,и 2,p.129-144. 43. Hahn G. A model for yielding with special reference to the yield-point phenomena of iron and related BCC metals.-Acta met.,1962,H 40,p.727-738.

44. Tanaka T.,.Tishida M. Formation and properties of ferrite plus martensite dual-phase structures.- /7/,p.221-241.

45. Purukawa I. Dual-phase sheet steels for automotive applications. - Metall progress,1979,V.116,H 8,p.36-39.

46. Dabknowski D.,Speich G. Mechanical working and steel.rlntProces- sing XV. Iron and Steel Society of АШЕ, 1977,p.284-292.

47. Wilson D.jOgram G. Directionality of yield point in strain- aged steels.-Journal Iron Steel Inst.,1968,v.206,H 9,p.911-920.

48. Голованенко А., Фонштейя Н.М., Борцов А.Н., Сторожева Л.М., Василевский М.С. Выбор составов и режимов термической обработки малоуглеродистых сталей с ферритно-мартенситной структурой.- /61 /, с.84-87.

49. Hayami S.,Purukawa Т. Recent developments in fomable hot and cold-rolled HSLA incluging dual-phase sheet steels.-/21/, р,1б7"180.

50. Harder A.R.,Bramfitt B.L. Processing of a molybdenum bearing dual-phase steel.- /7/,p.242-259.

51. Ohashi U.,Takahasi I.,Hashiguchi K. Processing techniques and formability of age-hardenable low-yield,high tensile strength cold-rolled sheet steels.- Trans.of Iron and Steel Inst, of Japan,1978,V.18,p.321-329.

52. Жакаока К,,Araki K.,Kinbara S. Continuously annealed high strength cold rolled steels with bake-hardenability.-Journal Japan Soc,for Technology of Plasticity,1976,v,17,HI90, p.875-8824

53. Grande R.,Hribal C,Porter L. Hardness of tempered martensite in carbon and low-alloy steels.- Met.Trans.,1977,v.8A,p. 1775-1785. - 154 -

54. Накаока K,,Araki K,,Kurihara К, Strength,ductility and aging properties of continuously-annealed dual-phase high strength sheet steels,- /21/,p,126-141,

55. Krafft I. Correlation of plane strain crack toughness with stra*» in hardening characteristics of low, a medium, and a high strength steel,- Appl. Mat,Res,,1964,v,3,n 2,p,88-101,124-28,

56. Titner G.,Lavite M, Beneficial stress-strain behaviour of moly- -columbium steel line pipe.- Journal of Metals, 1975,v,27»1?9, p.15-23.

57. Repas P.E. Metallurgy,production technology and properties of dual phase sheet steels.- /9/,p.13-24. *

58. Mcffiahon C. Intergranular brittleness in iron.- Acta Met., 1-966, H 14,p.839-845.

59. Abramowitz P.,Moll E. Silicon-carbon interaction and its effect on the notch toughness of mild steel.- Met.Trans.,1970, v,1, H 6,p.1773-1775.

60. Hehemann R. Phase transformation.-Amer.Soc.for Metals,1970,410 p,

61. Rashid M.S. Manufacrure of automotives components from dual phase steel.- /9/»p.32-42.

62. Bucher J.,Humburg E, Structurerproperties relationships for VAK-QIT dual-phase steels.- /21/,p.142-150.

63. Butler J.,Bucher J. Development of vanadium HSLA steels with improved formability,- Iron and Steel Inst.,1979,v,52jN 2, P.85-89,91-93,95,.

64. Ostrom P.,Lomiberg R.,Lindgren I. Role of vanadium.in dual phase steels.-Metals Technology,1981,v.8,IT 3,p.81-93.

65. Голованенко A., Василевский M.C., Сторожева I.M., Фапкон В.И. Свойства высокопрочнойлистовой стали для штамповки.- Автомобильная промышленность, 1982, № 10, с.26-27.

66. Matsudo R.,Shimomura Т. Production of high strength cold rolled steel sheets by the ШК continuous annealing line process.- Hippon Kokan Technical Report,1980,Ж 29,p.1-9. - 156 - .

67. Hakagawa A.,Кос J.,Thomas G. Effect of vanadium on structure- property:i€&tions of dual phase Pe/Mn/Si/0,1C steels.-Met. Trans., 1981, v.12A,IT 11,p.1965-1972.

68. Balliger lf.K.,Honeycombe R.W, Coarsening of vanadium carbide, carbonitride and nitride in low-alloy steels.- Met.Sci.,1980, v.U, H 4,p.121-133.

69. Purukawa T. Development and utilization of dual phase steels in the United States of America.- Journal of Iron and Steel Inst, of Japan,1981,V.67, H 3, p.399-405.

70. Chihara T. Commercial development of dual-phase steels in Japan.- Molibdenum Mosaic,s.a.,v.4,H 3,p.10-12.

71. Coldren A.P.,Eldis G.T. Phisical metallurgy of the dual phase steel.- Molibdenum Mosaic,s.a^v.4,H 3,p.3-5.

72. Wakefield B.D. Dual-phase steel form like butter.- Production, 1978,V.82,IT 4,p.62-66. 115. -Криштал M.A., Пигузов Ю.В., Головин A. Внутреннее трение в металлах и сплавах.-М.;Металлургия,1964, 245 с.с ил.

73. Криштал М.А.,Головин А. Внутреннее трение и структура металлов.- М.: Металлургия, 1976, 376 о.

74. Криштал M.A., Головин A., Власов В.М. Диффузионная стадия процесса термического старения малоуглеродистых сплавов на основе железа.- ФММ, 1969,т.28, вып.4, с.615-620.

75. Wert А. Precipitation out of dual solid solution of carbon and nitrogen in alpha-iron.- Acta Met.,1954,N 2,p.36

76. Hughes I.F.,Daniell B.b. Enchanced aging due to the garama-al - pha transformation in an iron-0,025?SB alloy••- Journal Iron and Steel Inst.,1968,v.206,.!r 3,p.283-288.

77. Шьюмон П.Дйффузия в твердых телах.-М.:Металлургия,1966,195 с.

78. Wert CZener -Phys.Rev.,1949,vol.76,р.1169-1174.

79. Курдюмов Т.В. Явление закалки и отпуска стали.- М.:Метал- лургиздат, I960, 64 с.

80. Головин А.,Саркисян Д.А. К вопросу о деформационном старении малоуглеродистой стали.- ФММ, 1962,т.13, вып.6, с.924-926.

81. Третьяков А.В., Третьяков Е.М., Мигачева Г.Н. Дрессировка и качество тонкого листа.-М.: Металлургия, 1977, 231 с. с ил.