blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-3-179-186blackmet-1267Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВЗАИМОСВЯЗЬ УРОВНЯ ЛЕГИРОВАНИЯ, СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙINTERRELATIONS OF ALLOYING LEVEL, STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH-STRENGTH STEELSОрыщенкоА. С.OryshchenkoA. S.

д.т.н., генеральный директор

Dr. Sci. (Eng.), General Director

МалышевскийВ. А.MalyshevskiiV. A.

д.т.н., советник генерального директора

191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, д. 49

Dr. Sci. (Eng.), Adviser of General Director

victorm@crism.ruПетровС. Н.PetrovS. N.

к.х.н., начальник лаборатории

Cand. Sci. (Chem.), Head of the Laboratory

ШумиловЕ. А.ShumilovE. A.

инженер II категории

Engineer

ЦНИИ КМ «Прометей» имени академика И.В. Горынина НИЦ «Курчатовский институт»РоссияAcademician I.V. Gorynin Central Research Institute of Structural Materials “Prometey” National Research Center “Kurchatov Institute”, St. PetersburgRussian Federation201808042018613179186Copyright © Орыщенко А.С., Малышевский В.А., Петров С.Н., Шумилов Е.А., 20182018Орыщенко А.С., Малышевский В.А., Петров С.Н., Шумилов Е.А.Oryshchenko A.S., Malyshevskii V.A., Petrov S.N., Shumilov E.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/1267

В связи с необходимостью решения важных проблем освоения мирового океана, особенно арктических районов, необходимо строительство современного флота, в том числе атомных ледоколов, судов арктического плавания, газовозов, стационарных и плавучих буровых платформ, подводных комплексов, обеспечивающих добычу нефти и газа на континентальном шельфе, обустройство прибрежных районов, строительство портов. Для этого требуется большое количество хладостойких, хорошо свариваемых сталей, причем сталей высокопрочных с целью снижения металлоемкости конструкций. Именно для решения этих задач развернуто строительство дальневосточной, самой крупной в России и в мире, судостроительной верфи «Звезда», модернизируется Выборгский судостроительный завод, «Северная верфь» в г. Санкт-Петербург и др. Создание новых сталей, по возможности с минимальным легированием, унифицированным химическим составом для обеспечения возможности разработки более экономичных технологий сварки и сборки столь уникальных конструкций судов и морских технических сооружений является насущной задачей. В работе рассмотрены вопросы формирования структуры низколегированных сталей с переменным содержанием никеля в процессе пластического деформирования. Исследования проводились на образцах от трех опытных плавок разного химического состава, отличающихся содержанием никеля (0,5, 1 и 2 %). Для выбранных ста- лей проведены испытания на исследовательском комплексе «Gleeble 3800», имитирующие термомеханическую обработку с различными температурными параметрами чистовой стадии прокатки и с ускоренным охлаждением до заданной температуры. В работе представлены результаты исследования структуры методами оптической металлографии и кристаллографического анализа с применением сканирующей электронной микроскопии (EBSD-анализ), определены механические свойства. Показано, что схема термодеформационного воздействия должна быть выбрана в зависимости от уровня легирования, т. е. от конечной превращенной структуры стали (феррито-бейнитной, бейнитной или мартенсито-бейнитной). Установлено, что в сталях с феррито-бейнитной структурой наиболее эффективно упрочнение получено за счет создания малоугловых границ в α-фазе при пластической деформации. Стали с бейнитной структурой не склонны к значительному упрочнению за счет изменения температурных параметров деформации на чистовой стадии термомеханической обработки, а в мартенсито-бейнитных сталях не выявлено режимов, обеспечивающих создание дополнительных малоугловых границ, что, возможно, связано с последующим воздействием полиморфного превращения по сдвиговому механизму.

Meeting the challenges of the world’s oceans development, especially in the Arctic regions, in the first place, it is absolutely necessary to build a modern fleet, nuclear icebreakers, Arctic cargo ships, gas carriers, stationary and floating drilling structures and offshore platforms, underwater complexes that provide oil and gas production on the continental shelf; to reconstruct coastal areas; and to build harbors, that require a large number of cold-resistant high-strength weldable steels to reduce metal consumption in engineering structures. That’s why the Russian government motivates construction of the shipbuilding complex “Zvezda” situated in the Far East (which is the largest national and world-wide shipyard). Vyborg Dockyard and Severnaya Verf (Northern Shipyard) in St. Petersburg are being modernized. The creation of new steels with minimum alloying and unified chemical composition to enable the development of more economical technologies for welding and assembling such unique vessels and marine technical structures is an urgent task. The paper deals with the issues of formation of the low-alloy steel structure with variable nickel content during the plastic deformation process. The specimens taken from three experimental melts of different chemical composition with varying nickel content (0.5  %, 1  %, and 2  %) were investigated. Selected steels were tested by means of Gleeble 3800 imitating thermomechanical treatment with various temperature parameters of the finishing rolling stage and accelerated cooling up to the predetermined temperature. Mechanical properties were determined. The paper presents results of structure examination by means of optical metallography as well as crystallographic analysis of microstructure using scanning electron microscopy (EBSD analysis). It is demonstrated that the scheme of thermal-deformation effect should depend on the alloying level, i.e. the final structure of steel (ferrite-bainitic, bainitic or martensite-bainitic). The most effective strengthening in steels with a ferrite-bainitic structure is obtained by formation of low-angle boundaries in the α-phase during the plastic deformation. Steels with bainitic structure are not likely to be significantly strengthened by changing of deformation temperature parameters at the finishing stage of thermomechanical treatment. Conditions providing the formation of additional low-angle boundaries were not found in martensite-bainitic steels, which might be the subsequent effect of polymorphic transformation by shearing.

термомеханическая обработкапластическая деформациялегированиемалоугловые границыбольшеугловые границыструктурные элементыдифракция обратно рассеянных электроновthermomechanical treatmentplastic deformationalloyinglow-angle boundarieshigh-angle boundariesstructural elementsdiffraction of back-scattered electronsReferencesГорынин И.В., Рыбин В.В., Малышевский В.А. и др. Экономно-легированные стали с наномодифицированной структурой для эксплуатации в экстремальных условиях // Вопросы материало- ведения. 2008. № 2 (54). С. 7 – 19.Gorynin I.V., Rybin V.V., Malyshevskii V.A., Khlusova E.I., Nesterova E.V., Orlov V. V., Kalinin G.Yu. Economically alloyed steels with nanomodified structure for operation under extreme conditions. Voprosy materialovedeniya. 2008, no. 2 (54), pp. 7–19. (In Russ.).Горынин И.В., Хлусова Е.И. Наноструктурированные стали для освоения месторождений шельфа Северного ледовитого океана // Вестник РАН. 2010. № 12. С. 1069 – 1075.Gorynin I.V., Khlusova E.I. Nanostructured steels for developing the shelf of the Arctic Ocean. Herald of the Russian Academy of Sciences. 2010, vol. 80, no. 6, pp. 507–513.Рыбин В.В., Хлусова Е.И., Нестерова Е.В., Михайлов М.С. Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой низколегированной стали при термомеханической обработке с ускоренным охлаждением // Вопросы материаловедения. 2007. № 4(52). С. 329 – 340.Rybin V.V., Khlusova E.I., Nesterova E.V., Mikhailov M.S. Formation of the structure and properties of low-carbon low-alloy steel under thermomechanical treatment with accelerated cooling. Voprosy materialovedeniya. 2007, no. 4(52), pp. 329–340. (In Russ.).Хлусова Е.И., Мотовилина Г.Д., Голосиенко С.А. Возможности повышения прочностных характеристик экономнолегированных высокопрочных сталей за счет образования наноразмерных карбидов // Вопросы материаловедения. 2010. № 4 (64). С. 27 – 32.Khlusova E.I., Motovilina G.D., Golosienko S.A. Possibilities to increase the strength characteristics of economically alloyed highstrength steels due to the formation of nanoscale carbides. Voprosy materialovedeniya. 2010, no. 4 (64), pp. 27–32. (In Russ.).Ермакова С.В., Орлов В. В., Круглова А.А., Хлусова Е.И. Сравнительные исследования фазовых превращений, структуры и свойств марганцево-никелевой стали после закалки с отпуском и термомеханической обработки // Проблемы черной металлургии и материаловедения 2010. № 4. С. 60 – 67.Ermakova S.V., Orlov V. V., Kruglova A.A., Khlusova E.I. Comparative studies of phase transformations, structure and properties of manganese-nickel steel after quenching with tempering and thermomechanical treatment. Problemy chernoi metallurgii i materialovedeniya. 2010, no. 4, pp. 60–67. (In Russ.).Хлусова Е.И., Мотовилина Г.Д., Пазилова У.А., Голосиен- ко С.А. Влияние легирования на структуру и свойства высо- копрочной хладостойкой стали после термической и термомеханической обработки // Вопросы материаловедения. 2007. № 1(49). С. 20 – 31.Khlusova E.I., Motovilina G.D., Pazilova U.A., Golosienko S.A. Effect of alloying on the structure and properties of high-strength cold-resistant steel after thermal and thermomechanical treatment. Voprosy materialovedeniya. 2007, no. 1(49), pp. 20–31. (In Russ.).Хлусова Е.И., Круглова А.А., Орлов В.В. Влияние технологических режимов и химического состава на размер аустенитного зерна в низкоуглеродистой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 12. С. 8 – 12.Khlusova E.I., Kruglova A.A., Orlov V.V. Effect of hot plastic deformation in the austenite interval on structure formation in lowalloyed low-carbon steel. Metal Science and Heat Treatment. 2007, vol. 49, Issue 11–12, pp. 545–560.Круглова А.А., Орлов В.В., Хлусова Е.И. Влияние горячей пластической деформации в аустенитной области на формирование структуры низколегированной низкоуглеродистой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 12 (630). С. 8 – 12.Kruglova A.A., Orlov V.V., Khlusova E.I. Effect of chemical composition and heat and strain treatment on austenite grain size in lowcarbon steel. Metal Science and Heat Treatment. 2007, vol. 49, Issue  11–12, pp. 556–560.Михайлов М.С., Немец А.М., Нестерова Е.В. и др. Фазовые превращения в низкоуглеродистой высокопрочной стали при моделировании ТМО на деформационном дилатометре // Сб. тезисов II Междунар. школы «Физическое металловедение». – Тольятти, 2006. С. 172.Mikhailov M.S., Nemets A.M., Nesterova E.V., Semicheva T.G., Golosienko S.A. Phase transformations in low-carbon high-strength steel when modeling thermomechanic treatment on a deformation dilatometer. In: Sbornik tezisov II Mezhdunarodnoi shkoly “Fizicheskoe metallovedenie” [Coll. of Theses of the 2nd Int. School “Physical Metallurgy”]. Tolyatti, 2006, p. 172. (In Russ.).Козлов Э.В., Попова Н.А., Конева Н.А. Фрагментированная субструктура, формирующаяся в ОЦК-сталях при деформации // Известия РАН. 2004. Т. 68. № 10. С.1419 – 1427.Kozlov E.V., Popova N.A., Koneva N.A. Fragmented substructure formed in BCC steels at deformation. Izvestiya Akademii Nauk. Ser. Fizicheskaya. 2004, vol. 68, no. 10, pp. 1419–1427. (In Russ.).Рыбин В.В. Закономерности формирования мезоструктур в ходе развитой пластической деформации // Вопросы материаловедения. 2002. № 1. С. 11 – 33.Rybin V.V. Regularities of mesostructures formation during developed plastic deformation. Voprosy materialovedeniya. 2002, no.  1, pp. 11–33. (In Russ.).Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали / Под ред. М. Л. Бернштейна. – М.: Металлургия, 1983. – 480 с.Bernshtein M.L., Zaimovskii V.A., Kaputkina L.M. Termomekhanicheskaya obrabotka stali [Thermomechanical treatment of steel]. Bernshtein M.L. ed. Moscow: Metallurgiya, 1983, 480 p. (In Russ.).Ковальчук М.В., Орыщенко А.С., Малышевский В.А. и др. Проблемы создания технологичных экономнолегированных сталей для арктических конструкций // Вопросы материаловедения. 2017. № 2(90). С. 7 – 16.Koval’chuk M.V., Oryshchenko A.S., Malyshevskii V.A., Petrov  S.N., Shumilov E.A. Problems of creation of technological economical-alloyed steels for arctic constructions. Voprosy materialovedeniya. 2017, no. 2(90), pp. 7–16. (In Russ.).Хлусова Е.И., Михайлов М.С., Орлов В.В. Особенности формирования структуры толстолистовой стали при термомеханической обработке // Деформация и разрушение. 2007. № 6. С. 18 – 25.Khlusova E.I., Mikhailov M.S., Orlov V.V. Features of the structure formation of thick steel at thermomechanical traetment. Deformatsiya i razrushenie. 2007, no. 6, pp. 18–25. (In Russ.).Hanlon D.N., Van der Zwang S.J.S. The effect of plastic deformation of austenite on the kinetics of subsequent ferrite formation // ISN Int. 2001. No. 9. P. 1028 – 1036.Hanlon D.N., Van der Zwang S.J.S. The effect of plastic deformation of austenite on the kinetics of subsequent ferrite formation. ISN Int. 2001, no. 9, pp. 1028–1036.Коротовская С.В., Нестерова Е.В., Орлов В.В., Хлусова Е.И. Влияние параметров пластической деформации на формирование ультрамелкозернистой структуры в низколегированных бейнитных сталях // Вопросы материаловедения. 2011. № 1(65). С. 100 – 109.Korotovskaya S.V., Nesterova E.V., Orlov V.V., Khlusova E.I. Influence of the parameters of plastic deformation on formation of ultrafine-grained structure in low-alloyed bainitic steels. Voprosy materialovedeniya. 2011, no. 1(65), pp. 100–109. (In Russ.).Рыбин В.В. Структурно-кинетические аспекты развитой пластической деформации // Изв. вуз. Физика. 1991. № 3. С. 7 – 22.Rybin V.V. Structural kinetic aspects of the physics of evolution of plastic deformation. Soviet Physics Journal. 1991, vol. 34, no.  3, pp. 186–198.Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И., Яковлева И.Л. и др. Микроструктура и свойства низкоуглеродистой свариваемой стали после термомеханического упрочнения // Физика метал- лов и металловедение. 2012. Т. 113. № 5. С. 507.Schastlivtsev V.M., Tabatchikova T.I., Yakovleva I.L., Klyueva  S.Yu., Kruglova A.A., Orlov V.V., Khlusova E.I. Microstructure and properties of low-carbon weld steel after thermomechanical strengthening. The Physics of Metals and Metallography. 2012, vol.  113, no 5, pp. 480–488.Рыбин В.В., Рубцов А.С., Коджаспиров Г.Е. Структурные превращения в стали при прокатке с различной степенью и дробностью деформации // Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 58. Вып. 4. С. 774 – 781.Rybin V.V., Rubtsov A.S., Kodzhaspirov G.E. Structural transformations in steel during rolling with different degrees of deformation using one and many passes. Physics of Metals and Metallography. 1984, vol. 58, no.4, pp. 134–141.Круглова А.А., Орлов В.В., Хлусова Е.И., Голованов А.В. Влияние параметров термомеханической обработки на структуру и свойства горячекатаной толстолистовой низколегированной стали улучшенной свариваемости // Производство проката. 2009. № 3. С. 21 – 28.Kruglova A.A., Orlov V.V., Khlusova E.I., Golovanov A.V. Influence of thermomechanical processing parameters on the structure and properties of hot-rolled thick-plate low-alloy steel of improved weldability. Proizvodstvo prokata. 2009, no. 3, pp. 21–28. (In Russ.).ГОСТ Р52927-2015. Прокат для судостроения из стали нормальной, повышенной и высокой прочности. – М.: Стандартинформ, 2015. – 62 c.GOST R52927-2015. Prokat dlya sudostroeniya iz stali normal’noi, povyshennoi i vysokoi prochnosti [Rolled stock for shipbuilding from normal, high and high strength steel]. Moscow: Standartinform, 2015, 62 p. (In Russ.).

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