blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-6-457-462blackmet-1098Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИ УПРОЧНЕННОЙ БАЛКИSTRUCTURE-PHASE STATES, MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF THERMOMECHANICALLY STRENGTHENED BEAMИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник 

(634055, Томск, пр. Академический, 2/3) 

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Chief Researcher

yufi55@mail.ruБеловЕ. Г.BelovE. G.

Кандидат технических наук, начальник прокатного производства 

(654043,  Кемеровская обл., Новокузнецк, шоссе Космическое, 16) 

Cand. Sci. (Eng.), Head of Rolling Production

belov_eg@zsmk.ruГромовВ. Е.GromovV. E.

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля 

(654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42)

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruКоноваловС. В.KonovalovS. V.

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения 

(443086,  Самара, Московское шоссе, 34) 

 

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair of Metals Technology and Aviation Materials

ksv@ssau.ruКосиновД. А.KosinovD. A.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник УНИ 

(654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42) 

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Department of Scientific Research

kosinov.dima@rambler.ruИнститут сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of High Current Electronics SB RAS; National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationАО «ЕВРАЗ - Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияJSC “EVRAZ – Joint West Siberian Metallurgical Plant”Russian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. КоролеваРоссияSamara National Research UniversityRussian Federation201702072017606457462Copyright © Иванов Ю.Ф., Белов Е.Г., Громов В.Е., Коновалов С.В., Косинов Д.А., 20172017Иванов Ю.Ф., Белов Е.Г., Громов В.Е., Коновалов С.В., Косинов Д.А.Ivanov Y.F., Belov E.G., Gromov V.E., Konovalov S.V., Kosinov D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1098

Методами современного физического материаловедения выполнены исследования и проведен сравнительный анализ структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры, механических и трибологических свойств поверхности полки термомеханически упрочненной и неупрочненной двутавровой балки ДП155 из малоуглеродистой стали 09Г2С, используемой для шахтных монорельсовых дорог. Установлено, что ускоренное охлаждение балки в линии сортового стана 450 АО «ЕВРАЗ – Западно-Сибирский металлургический комбинат» (скорость прокатки 6 м/с, давление воды на секции охлаждения полки 0,22 – 0,28 МПа, температура перед холодильником приблизительно 800 °С) формирует в поверхностном слое высокодефектную структуру, характеризующуюся более высокими (по отношению к неупрочненному состоянию) значениями твердости, износостойкости, скалярной плотности дислокаций. В нетермоупрочненном состоянии значение микротвердости образцов составляет 2,70 ± 0,33 ГПа, а модуль Юнга – 269,6 ± 27,1 ГПа. Термомеханическое упрочнение материала приводит к уменьшению его микротвердости до 3,30 ± 0,29 ГПа и к увеличению модуля Юнга до 228,2 ± 25,7 ГПа соответственно. Кроме того, установлено увеличение интервала значений микротвердости с 2,20 – 3,80 ГПа до 2,64 – 4,60 ГПа и уменьшение интервала значений модуля Юнга с 208,0 – 403,0 ГПа до 184,1 – 278,2 ГПа при термомеханическом упрочнении стали. Показано, что термомеханическое упрочнение стали приводит к увеличению износостойкости поверхностного слоя ~ 1,36 раза (скорость изнашивания изменяется с 5,3·10–5 до 2,9·10–5 мм3/Н·м) и увеличению коэффициента трения в 1,36 раз (c 0,36 до 0,49). В нетермоупрочненном состоянии наблюдается структура дислокационного хаоса (cкалярная плотность дислокаций – (0,9 ÷ 1,0)·1010 см–2). Высокотемпературная прокатка и последующее ускоренное охлаждение образцов приводят к формированию полосовой дислокационной субструктуры в зернах феррита и сетчатой дислокационной субструктуры в зернах мартенсита (cредняя скалярная плотность дислокаций в поверхностном слое – 4,5·1010 см–2). Обсуждены возможные причины наблюдаемых закономерностей. 

Using the methods of modern materials science the researches and the comparative analysis are performed for the structural and phase states, dislocation substructure, mechanical and tribological properties of the surface of the thermo-mechanically strengthened and non-strengthened I-beam DP155 from low carbon steel used for mine monorails. It was found that accelerated cooling of the beam section in line 450 of the mill at “EVRAZ – Consolidated West-Siberian Metallurgical Plant” (rolling speed is 6 m/s, the water pressure on the sections of shelf cooling is 0.22 – 0.28 MPa, the temperature before the refrigerator is approximately 800 °С) forms a high defect surface layer structure characterized by higher (relatively to the unhardened state) values of hardness, wear resistance and scalar dislocation density. In the non-heat-resistant state, the microhardness of the samples is 2.70 ± 0.33 GPa, and Young’s modulus is 269.6 ± 27.1 GPa. Thermo-mechanical hardening of the material leads to a decrease in its microhardness up to 3.30 ± 0.29 GPa and to an increase in the Young’s modulus up to 228.2 ± 25.7 GPa, respectively. In addition, an increase in the range of microhardness values from 2.20 – 3.80 GPa to 2.64 – 4.60 GPa and a decrease in the Young’s modulus range from 208.0 to 403.0 GPa to 184.1 to 278.2 GPa is established during thermomechanical hardening of steel. It is shown that the thermomechanical strengthening of steel leads to an increase in the wear resistance of the surface layer in approximately 1.36 times (the wear rate varies from 5.3·10–5 mm3/N·m  to 2.9·10–5 mm3/N·m) and an increase in the friction coefficient by 1.36 times (from 0.36 to 0.49). In the non-strengthened state the dislocation chaos structure is observed (the dislocation scalar density is (0.9 . 1.0)·1010 cm–2). High-temperature rolling and subsequent accelerated cooling of the samples lead to the formation of a strip dislocation substructure in the grains of ferrite and a reticular dislocation substructure in martensite grains (the average scalar dislocation density in the surface layer is 4.5·1010 cm–2). The possible reasons for the observed regularities are discussed. 

термомеханическое упрочнениедвутавровая балкаструктурадислокационная субструктуратрибологические свойстваthermomechanical strengtheningI-beamstructuredislocation substructuretribological propertiesРоссийский фонд фундаментальных исследований (грант N 16-48-420530 р_а и 16-32-60048 мол_а_дк и госзадание (проект № 3.1283.2017/ПЧ)RFBR grants no. 16-48-420530 r_a and no.16-32-60048 mole_a_dk and state assignments (project no. 3.1283.2017/PСh)ReferencesRethinam A., Shivakumar V.D., Harish L. etc. Grain refinement of C-Mn steel through thermo-mechanical processing // Journal of Engineering, Design and Technology. 2015. No.13 (2). P. 282 – 297.Rethinam A., Shivakumar V.D., Harish L., Abhishek M.B., Ramana G.V., Madhusudana R., Sah R., Manjini S. Grain refinement of C-Mn steel through thermo-mechanical processing. Journal of Engineering, Design and Technology. 2015, vol. 13, no 2, pp. 282–297.He L., Zhang H., Cui J. Effects of thermomechanical treatment on the mechanical properties and microstructures of 6013 alloy // Journal Wuhan University of Technology, Materials Science Edition. 2009. No. 24 (2). P. 198 – 201.He L., Zhang H., Cui J. Effects of thermomechanical treatment on the mechanical properties and microstructures of 6013 alloy. Journal Wuhan University of Technology, Materials Science Edition. 2009, vol. 24, no. 2, pp. 198–201.Nemecek S., Novy Z., Stankova H. Optimization of heat treatment of TRIP steels // Metallurgia Italiana. 2006. No. 98 (2). P. 47 – 51.Nemecek S., Novy Z., Stankova H. Optimization of heat treatment of TRIP steels. Metallurgia Italiana. 2006, vol. 98, no 2, pp. 47–51.Bakkaloglu A. Effect of thermomechanical treatment on the microstructure and mechanical properties of HSLA steels // Modelling, Measurement and Control C. 1994. No. 44 (3-4). P. 39 – 50.Bakkaloglu A. Effect of thermomechanical treatment on the microstructure and mechanical properties of HSLA steels. Modelling, Measurement and Control C. 1994, vol. 44, no. 3-4, pp. 39–50.Капуткина Л.М., Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Термомеханическая обработка стали. – М.: Металлургия, 1983. – 480 с.Kaputkina L.M., Bernshtein M.L., Zaimovskii V.A. Termomekhanicheskaya obrabotka stali [Thermomechanical treatment of steel]. Moscow: Metallurgiya, 1983, 480 p. (In Russ.).Chen X., Huang Y., Lei Y. Microstructure and properties of 700 MPa grade HSLA steel during high temperature deformation // Journal of Alloys and Compounds. 2015. No. 631. P. 225 – 231.Chen X., Huang Y., Lei Y. Microstructure and properties of 700 MPa grade HSLA steel during high temperature deformation. Journal of Alloys and Compounds. 2015, vol. 631, pp. 225–231.Chen X., Huang Y. Hot deformation behavior of HSLA steel Q690 and phase transformation during compression // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 619. P. 564 – 571.Chen X., Huang Y. Hot deformation behavior of HSLA steel Q690 and phase transformation during compression. Journal of Alloys and Compounds. 2015, vol. 619, pp. 564–571.Тушинский Л. И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. – Новосибирск: Наука, 1990. – 306 с.Tushinskii L.I. Teoriya i tekhnologiya uprochneniya metallicheskikh splavov [Theory and technology of metal alloys hardening]. Novosibirsk: Nauka, 1990, 306 p. (In Russ.).Термическое упрочнение проката / К.Ф. Стародубов, И.Г. Узлов, В.Я. Савенков и др. – М.: Металлургия, 1970. – 367 с.Starodubov K.F., Uzlov I.G., Savenkov V.Ya., Polyakov S.N., Kalmykov V.V. Termicheskoe uprochnenie prokata [Thermal hardening of rolled products]. Moscow: Metallurgiya, 1970, 367 p. (In Russ.).Быхин Б.Б., Канаев А.Т., Капущак А.Ф., Канаев А.А. Совершенствование режимов термоупрочнения стержневой арматурной стали // Сталь. 1998. № 12. С. 46 – 48.Bykhin B.B., Kanaev A.T., Kapushchak A.F., Kanaev A.A. Improvement of the thermal strengthening regimes of reinforcing steel bars. Stal’. 1998, no. 12, pp. 46–48. (In Russ.).Узлов И.Г. Термомеханическое упрочнение проката – эффективный путь энергосбережения и повышения качества металлопродукции // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1999. № 5. С. 61 – 63.Uzlov I.G. Thermomechanical hardening of rolled metal is an effective way of energy saving and improvement of metal products quality. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost’. 1999, no. 5, pp. 61–63. (In Russ.).Костерев В.Б., Белов Е.Г., Ефимов О.Ю. и др. Формирование тонкой структуры и механических свойств при ускоренном охлаждении балочного профиля // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 825, 826.Kosterev V.B., Belov E.G., Efimov O.Yu., Yur’ev A.B., Chinokalov V.Ya., Ivanov Yu.F., Konovalov S.V., Gromov V.E. Formation of fine structure and mechanical properties during accelerated cooling of beam profile. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya: Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2010, vol. 15, no. 3, pp. 825–826. (In Russ.).Костерев В.Б., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. и др. Формирование структурно-фазовых состояний поверхности термоупрочнения // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 10. С. 43 – 46.Kosterev V.B., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Efimov O.Yu., Yur’ev A.B. Formation of structural-phase states of the surface of thermal hardening. Deformatsiya i razrushenie materialov. 2010, no. 10, pp. 43–46. (In Russ.).Костерев В.Б., Ефимов О.Ю. Иванов Ю.Ф. и др. Формирование градиентных структурно-фазовых состояний при термомеханическом упрочнении // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 4. С. 24 – 27.Kosterev V.B., Efimov, O.Yu., Ivanov Yu.F., Belov E.G., Gromov V.E. Formation of gradient structure-phase states in thermomechanical hardening. Steel in Translation. 2011, vol. 41, no. 4, pp. 283–286.Костерев В.Б., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. и др. Формирование структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры при термомеханическом упрочнении стали 09Г2С // Изв. вуз. Физика. 2011. Т. 54. № 9. С. 80 – 90.Kosterev V.B., Ivanov Y.F., Gromov V.E., Efimov O.Y., Konovalov S.V. Formation of structure-phase states and dislocation substructures during thermomechanical hardening of Fe-0.09C- 2Mn-1Si steel. Russian Physics Journal. 2012, vol. 54, no. 9, pp. 1034–1045.Electron microscopy of thin crystals / P.B. Hirsch, A. Howie, R.B. Nicholson, D.W. Pashley, M.J. Whelan. – Melbourne: Krieger Publishing Co., 1977. – 574 p.Hirsch P.B., Howie A., Nicholson R.B., Pashley D.W., Whelan M.J. Electron microscopy of thin crystals. Melbourne: Krieger Publishing Co., 1977, 574 p.Brandon D., Kaplan W.D. Microstructural Characterization of Materials. – John Wiley & Sons Ltd., 2008. – 536 p.Brandon D., Kaplan W.D. Microstructural Characterization of Materials. John Wiley & Sons Ltd, 2008, 536 p.Zou X., Hovmoller S., Oleynikov P. Electron Crystallography: Electron Microscopy and Electron Diffraction. – Oxford University Press, 2012. – 344 p.Zou X., Hovmoller S., Oleynikov P. Electron Crystallography: Electron Microscopy and Electron Diffraction. Oxford University Press, 2012, 344 p.Williams D.B., Carter C.B. Transmission Electron Microscopy. A Textbook for Materials Science. – Springer US, 2009. – 760 p.Williams D.B., Carter C.B. Transmission Electron Microscopy. A Text-book for Materials Science. Springer US, 2009, 760 p.Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. – Springer International Publishing, 2016. – 196 p.Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. Springer International Publishing, 2016, 196 p.Конева Н.А., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения // Изв. вуз. Физика. 1982. № 8. С. 3 – 14.Koneva N.A., Kozlov E.V. Nature of substructural hardening. Soviet Physics Journal. 1982, vol. 25, no. 8, pp. 681–691.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.