Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. С помощью модуля Pocket Jaw комплекса Gleeble 3800 проведено исследование кинетики разупрочнения за счет возврата и рекристаллизации при изотермическом отжиге (при трех температурах в интервале 600÷750°C) холоднокатаного листа 12 автомобильных сталей с химическим составом, изменяющемся в практически важном диапазоне. С использованием оптической и сканирующей электронной микроскопии (метод EDSD−анализа) выполнены металлографические исследования частично и полностью рекристаллизованных микроструктур изучаемых сталей для получения данных по размерам рекристаллизованного зерна феррита и долям рекристаллизованного объема. Основные научные результаты выполненных исследований: • Установлено, что химический состав сталей оказывает сильное влияние на кинетику разупрочнения при отжиге. При этом увеличение содержаний Mn и Тi в твердом растворе значительно замедляет развитие процессов возврата и рекристаллизации, что достоверно продемонстрировано впервые. • Предложен подход к количественным оценкам энергии активации рекристаллизации (энергии активации зернограничной самодиффузии) в зависимости от химического состава твердого раствора феррита, результаты которых согласуются с наблюдаемой кинетикой этого процесса для ряда рассматриваемых сталей. • На основании полученных экспериментальных данных и результатов оценок энергии активации рекристаллизации сделано заключение о возможном значительном ускорении этого процесса за счет свободного углерода, появляющегося в результате растворения третичного цементита при отжиге холоднодеформированных структур исследованных сталей. • В результаты проведенного исследования полученных микроструктур с помощью оптической микроскопии показано, что размер рекристаллизованного зерна феррита слабо зависит от температуры отжига. Это означает, что количество «жизнеспособных» зародышей (субзерен), которые в процессе сложной перестройки деформированной структуры превращаются в конечные рекристаллизованные зерна феррита, в основном, определяется исходной структурой горячекатаного металла и параметрами его холодной деформации. Справедливость данного результата впервые надежно подтверждена для ряда сталей с существенно разным химическим составом. • Проведен анализ различных методик оценки доли рекристаллизованного объема на основе данных, полученных методом EBSD−анализа. Показано, что оптимальной является методика, основанная на использовании данных по изменению в процессе рекристаллизации деформированного металла количества большеугловых границ (c углами разориентировки > 15°). • На основании проведенных расчетов долей рекристаллизованного объема для различных режимов отжига 6 изучаемых сталей с использованием полученных ориентационных EBSD−карт показано, что для всех сталей и рассмотренных температур отжига доли разупрочнения, определенные методом измерения твердости, и доли рекристаллизованного объема, рассчитанные по данным EBSD−анализа, при долях разупрочнения больших ~ 30−40% оказываются весьма близкими. 2. С помощью модуля Hydro Wedge комплекса Gleeble 3800 методом двойного нагружения выполнено исследование кинетики возврата при изотермическом отжиге в интервале температур 350÷600 °С для IF−стали (0.004С, 0.14Mn, 0.06Ti) и стали 08пс (0.06С, 0.17Mn). Данные эксперименты выполняли по схеме: нагрев образцов до температуры испытаний (350÷600 °С) со скоростью 10 °С/с → деформация сжатием со скоростью 1 с-1 (величина истинной деформации ~ 0.6) → полная разгрузка испытываемого образца → изотермическая выдержка разной длительности → повторная деформация сжатием со скоростью 1 с-1 (величина истинной деформации ~ 0.2). Разупрочнение исследуемых образцов в результате возврата, развивающегося во время междеформационной паузы, рассчитывали на основании данных измерений пределов текучести при первом и повторном нагружениях. На основании полученных результатов разработана математическая модель для описания кинетики возврата, позволяющая достичь хорошего согласия с экспериментальными данными. 3. С помощью модуля Pocket Jaw комплекса Gleeble 3800 проведено исследование кинетики аустенитизации полностью (для 4 сталей) и частично рекристаллизованных структур (для 2 сталей) холоднокатаного листа в условиях непрерывного нагрева со скоростями 1, 5 и 20 °C/с. Основные научные результаты выполненного исследования: • Показано, что разница в кинетике аустенитизации изученных сталей определяется как характером исходной рекристаллизованной структуры, так и химическим составом твердого раствора феррита. При этом одним из основных структурных факторов, влияющих на кинетику превращения, является количество и морфология частиц цементита, в области которых зарождается и быстро растет аустенит, поглощающий эти частицы. Наиболее быстрая кинетика превращения имеет место для стали DP780, исходная структура которой содержит большое количество мелких и равномерно распределенных по объему частиц цементита. • Показано, что при прочих равных условиях аустенитизация исследованных сталей начинается быстрее (при более низких температурах) в случае частично рекристаллизованных (или нерекристаллизованных) структур. В случае превращения нерекристаллизованных структур при больших скоростях нагрева процесс может развиваться даже быстрее, чем при меньших скоростях. 4. В результате проведенных экспериментальных исследований, результаты которых представлены в пунктах 1−3, сформирована база экспериментальных данных, необходимая для разработки интегральной математической модели для описания эволюции микроструктуры холоднокатаного листа при его отжиге в промышленных условиях. 5. Создана база экспериментальных данных по деформационному упрочнению при холодной прокатке в промышленных условиях ПАО «Северсталь» для 46 полос 27 марок автомобильных сталей разной категории прочности с широким диапазоном изменения химического состава. Для исследованных полос с помощью разработанной ранее интегральной компьютерной модели горячей прокатки STAN 2000 сформирована база расчетных данных по набору параметров их микроструктуры после горячей прокатки. С использованием указанных баз данных разработана математическая модель для предсказания величины упрочнения при холодной прокатке в зависимости от степени суммарной деформации и значений параметров микроструктуры стали после горячей прокатки, позволяющая с хорошей точностью (средняя относительная погрешность предсказаний не превышает 10%) воспроизводить экспериментальные значения упрочнения. 6. С помощью программного пакета Thermo-Calc созданы обширные массивы расчетных данных для концентраций углерода в феррите и аустените, отвечающих параравновесию этих фаз, а также их параравновесию с цементитом, температуры фазового параравновесия аустенит-феррит (А3) и эвтектоидной температуры (А1). Отмеченные массивы получены в широких температурных интервалах и для диапазонов изменения концентраций углерода и наиболее важных легирующих элементов замещения (Mn, Si, Cr, Ni, Mo), соответствующих низко− и среднеуглеродистым/ среднелегированным сталям. С использованием полученных опорных массивов данных разработаны аналитические формулы для расчета равновесных концентраций углерода в феррите и аустените (в зависимости от температуры и химического состава), а также температур А1 и А3 (в зависимости от химического состава), позволяющих с высокой точностью воспроизводить результаты соответствующих вычислений с помощью Thermo-Calc. 7. Для 10 автомобильных сталей разного класса прочности с широким диапазоном изменения химического состава созданы базы экспериментальных данных по размерам зерна феррита в горячекатаном листе, а также в рекристаллизацованных образцах холоднокатаного листа. Дополнительно сформирована база данных по деформационному упрочнению сталей при холодной прокатке с разными степенями суммарного обжатия. На основе указанных баз данных разработана математическая модель для предсказания размера рекристализованного зерна феррита в зависимости от его размера после горячей прокатки и степени деформации при холодной прокатке, позволяющая с хорошей точностью (средняя относительная погрешность предсказаний составляет 4.7%) воспроизводить надежные экспериментальные данные, полученные в рамках настоящего Проекта. 8. По результатам проведенных исследований и разработанным моделям опубликованы 3 статьи (1 статья в журнале "Сталь", индексируемом в базе данных РИНЦ; данная статья отобрана редакционной коллегией журнала к переводу на английский язык и опубликованию в журнале «Steel in Translation», индексируемом в базе данных SCOPUS, в 2018 году; 2 статьи в журнале "American Scientific Journal", индексируемом в базе данных РИНЦ). Приняты в печать 2 статьи (1 статья в журнале "Деформация и разрушение материалов", индексируемом в базе данных РИНЦ, с последующей публикацией в переводной версии журнала в 2018 году – приложении к журналу "Russian Metallurgy (Metally)", индексируемом в базе данных SCOPUS; 1 статья в сборнике докладов научного форума, индексируемом в базе данных РИНЦ). Общее количество опубликованных и принятых к опубликованию индексируемых статей – 5 (2 SCOPUS, 5 РИНЦ).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Разработана модель для описания кинетики рекристаллизации холоднокатаных автомобильных сталей с учетом одновременно развивающегося возврата и влияния химического состава стали, а также предсказания размера рекристаллизованного зерна феррита. Создана компьютерная программа, реализующая рассматриваемую модель, с помощью которой проведена ее калибровка на основе полученных ранее экспериментальных данных по кинетике рекристаллизации рассматриваемых сталей с химическим составом, изменяющимся в практически важном диапазоне: 0.005÷0.2С; 0.1÷2.0Mn; 0.2÷0.3Si; 0.1÷0.5Cr; 0.01÷0.03Nb; 0.01÷0.07Ti (масс.%). Результаты моделирования кинетики рекристаллизации и предсказания конечного размера зерна феррита хорошо согласуются с экспериментом. Данная модель находится на уровне мировых аналогов, превосходя их в адекватности учета эффектов химического состава сталей, и может быть обоснованно рекомендована для практического использования. 2. С использованием модуля Pocket Jaw экспериментального комплекса Gleeble 3800 для 5 автомобильных сталей проведено исследование кинетики нормального роста зерна феррита в условиях изотермических выдержек, включающее в себя металлографический анализ структур для получения данных по размерам зерна феррита. 3. Разработана модель для описания кинетики нормального роста зерна феррита с учетом влияния химического состава. Создана компьютерная программа, реализующая эту модель, и проведена ее калибровка на основе полученных экспериментальных данных. Модель позволяет получить хорошее количественное согласие с экспериментальными данными по кинетике роста зерна феррита в IF−сталях. 4. С использованием модуля Pocket Jaw экспериментального комплекса Gleeble 3800 проведено исследование кинетики аустенитизации в условиях непрерывного нагрева (со скоростями 0.5, 1, 3, 10, 50 °С/с) сталей со сложной исходной структурой и получены данные по конечным размерам зерна аустенита. Данное исследование выполнено для 8 промышленных конструкционных сталей с химическим составом, изменяющимся в широком диапазоне: 0.08÷0.66С, 0.37÷1.55Mn, 0.20÷0.56Si, 0.10÷1.08Cr, 0.06÷1.94Ni, 0.10÷0.52Cu, 0.01÷0.52Mo, 0.002÷0.041Nb, 0.002÷0.152V, 0.002÷0.063Ti (масс.%). На основании полученных результатов сделаны следующие выводы: − Для всех сталей и их исходных микроструктур полученные кривые аустенитизации значительно смещены в область более высоких температур по сравнению с кривыми, соответствующими изменению параравновесной доли аустенита. Иначе говоря, процесс аустенитизации протекает в условиях значительного перегрева. − Начало превращения имеет место в весьма узком температурном интервале, что особенно выражено для бейнитно-мартенситных структур исследованных сталей. − Наблюдается слабая зависимость кинетики процесса от скорости нагрева. Это выражается в том, что соответствующие наборы кривых образуют плотный «пучок». Отмеченный эффект свидетельствует о том, что существуют физические механизмы, приводящие, при прочих равных условиях, к ускорению кинетики аустенитизации с ростом скорости нагрева. 5. Разработана модель для описания кинетики аустенитизации холоднокатаных сталей, имеющих сложную исходную структуру, с учетом эффектов химического состава и параллельного развития процесса рекристаллизации. Работа по созданию модели выполнена в два этапа. На первом ее этапе разработана модель для описания кинетики аустенитизации (и предсказания конечного размера зерна аустенита) сложных недеформированных структур конструкционных сталей с широким диапазоном изменения химического состава. На втором этапе разработанная модель аустенитизации адаптирована для описания кинетики процесса в холоднокатаных автомобильных сталях. Создана компьютерная программа, реализующая данную модель, и проведена ее калибровка с использованием баз экспериментальных данных по кинетике аустенитизации и размеру конечного зерна аустенита для 8 легированных конструкционных сталей и 5 холоднокатаных автомобильных сталей, а также расчетных данных по параметрам исходной микроструктуры. Результаты моделирования находятся в хорошем согласии с экспериментом. Средняя относительная погрешность расчета кинетических кривых для легированных конструкционных сталей составляет 9.4%, а для холоднокатаных автомобильных сталей − 8.2%. Средняя относительная погрешность предсказания размера конечного зерна аустенита не превышает 17.5%. Разработанная модель превосходит известные мировые аналоги по возможности количественного описания кинетики аустенитизации сталей, имеющих сложную исходную структуру и химический состав, изменяющийся в широком диапазоне. Данная модель может быть обоснованно рекомендована для практического использования. 6. С использованием модуля Pocket Jaw экспериментального комплекса Gleeble 3800 проведено исследование кинетики распада частично и полностью аустенитизированных структур стали CR420LA при непрерывном охлаждении. Выполнен анализ конечных структур методом оптической металлографии. Показано, что размер зерна феррита, сформировавшегося при охлаждении частично аустенитизированной структуры заметно меньше, чем в случае полностью аустенитизированной структуры. При этом при распаде полностью аустенитизированной структуры данный размер значительно уменьшается с ростом скорости охлаждения, а при распаде частично аустенитизированной структуры он слабо зависит от этой скорости. 7. Выполнена работа по уточнению созданной ранее модели для расчета коэффициента диффузии углерода (КДУ) в аустените с учетом влияния химического состава. Полученная в результате оптимизированная модель для расчета КДУ в аустените используется в разработанной за отчетный период модели аустенитизации сталей со сложной исходной структурой при расчетах скорости роста зерен аустенита. 8. Разработана модель для расчета КДУ в сложнолегированном феррите. Значения эмпирических параметров модели определены на основе литературных данных по измерению КДУ, полученных методом меченых атомов для бинарных сплавов α−Fe-X (X = Cr, Mo, Ni, Si), а также результатов собственных исследований влияния концентраций Mn и P на кинетику деформационного старения автомобильных BH−сталей. Показано, что легирование феррита Si, Ni, Mo, Mn и Cr оказывает замедляющий эффект на диффузию углерода (элементы расположены в порядке возрастающего влияния в расчете на 1 ат.%). Впервые установлен сильный ускоряющий эффект P на диффузию углерода в феррите, обусловленный, по-видимому, высокими упругими искажениями решетки, создаваемыми атомами P в твердом растворе феррита. Разработанная модель будет использована при создании моделей для предсказания величины ВН−эффекта и времени возврата площадки текучести при естественном деформационном старении промышленных автомобильных ВН−сталей. 9. Разработана модель для предсказания величины коэффициента Лэнкфорда (КЛ) листа автомобильных сталей, произведенного в промышленных условиях, в зависимости от размера зерна феррита после горячей прокатки, степени холодной деформации, химического состава стали, а также объемных долей перлита и бейнита в конечной структуре листа. Набор значений эмпирических параметров модели определен с использованием созданных баз экспериментальных и расчетных данных. Результаты расчетов КЛ с помощью созданной модели хорошо согласуются с экспериментом. Средняя относительная погрешность расчетов для всей совокупности полос рассмотренных сталей составляет 7,1%, что сопоставимо с погрешностью измерений КЛ. Для описания зависимости КЛ от содержания углерода впервые использовано его расчетное содержание в феррите в конце ферритного превращения аустенита в процессе охлаждения после горячей прокатки. На основе анализа соответствующей зависимости сделан вывод, что КЛ определяется не только содержанием углерода в твердом растворе перед холодной прокаткой, но и его количеством, которое выделилось по границам зерен феррита в виде третичного цементита. Этот результат показывает, что дополнительный свободный углерод, появляющийся в растворе при растворении частиц третичного цементита в ходе нагрева холоднокатаного листа, существенно влияет на его рекристаллизацию и характер формирующейся при этом текстуры. 10. По результатам проведенных экспериментальных исследований и разработки моделей в течение 2018 года опубликовано 3 статьи (2 в журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS; 1 в сборнике трудов международной конференции, индексируемом в базе данных РИНЦ). Приняты в печать 3 статьи в журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Проведены металлографические исследования микроструктур листа автомобильных сталей на всех стадиях его промышленного производства. Данные исследования выполнены для 12 сталей разной категории прочности (08Ю, 08ПС, DX54D, CR210B2, HX220YD, HX260YD, HX260BD, S320GD, HX300LAD, CR420LA, DP600, DP780), произведенных на ПАО «Северсталь». Для ряда перечисленных сталей исследования выполнены для нескольких полос (одинакового химического состава), различающихся величиной деформации при холодной прокатке и другими технологическими параметрами их производства. В результате проведенных исследований для 10 сталей (15 полос) определен размер зерна феррита в конечных структурах (один из наиболее важных микроструктурных параметров, определяющих конечные механические свойства листа). Полученные данные использованы при верификации разработанной в рамках Проекта компьютерной модели для описания эволюции микроструктуры холоднокатаных сталей при произвольных промышленных режимах последующего отжига. 2. Выполнено исследование влияния степени обжатия отожженного промышленного листа 4 холоднокатаных автомобильных сталей (DX54D, 08ПС, HX300LAD, CR210В2) при дрессировке на лабораторном стане на его механические свойства. Степень деформации (обжатия) при дрессировке варьировалась в интервале от 0.2 до 3%. Полученные результаты показывают, что для всех сталей, за исключением DX54D, в исходном состоянии имеет место зуб текучести и значительная площадка текучести, величина которой сокращается с ростом деформации дрессировки. Предел прочности и относительное удлинение слабо зависят от степени этой деформации. Характер изменения предела текучести с увеличением деформации значительно зависит от химического состава стали. При этом может наблюдаться как его монотонный рост с увеличением деформации (сталь DX54D), так и немонотонное изменение, включающее значительное падение в определенном интервале изменения деформации (стали 08ПС, HX300LAD, CR210В2). 3. Разработана модель для количественной оценки вклада дрессировки в конечный предел текучести листа холоднокатаных автомобильных сталей. Модель позволяет с хорошей точностью оценивать вклад дрессировки. Средняя абсолютная величина относительной погрешности расчетов предела текучести после дрессировки не превышает 4.5%. 4. Получены эмпирические формулы для количественной оценки величины ВН-эффекта и времени возврата площадки текучести при естественном деформационном старении автомобильных ВН-сталей и проведена их калибровка на базе промышленных данных. На основании проведенных исследований сделан вывод, что для промышленных BH-сталей энергия активации возврата площадки, в основном, зависит от содержаний Mn и P и предложена формула, количественно описывающая эту зависимость. С использованием этой формулы и набора экспериментальных данных по времени возврата площадки при разных температурах, получена эмпирическая формула для количественной оценки времени ее возврата для рассматриваемых автомобильных сталей. На основе базы данных по величине BH-эффекта для 280 полос 5 марок сталей (A5, CR180B2, CR210B2, HX180BD, HX220BD), произведенных в промышленных условиях, получена эмпирическая формула для предсказания величины данного эффекта. Средняя абсолютная величина относительной погрешности расчета ВН-эффекта с использованием полученной формулы близка к 14%, что сопоставимо с погрешностью его измерений. 5. На основе количественных моделей отдельных процессов структурообразования (разработанных в рамках данного Проекта), развивающихся при промышленном отжиге холоднокатаных автомобильных сталей, создана интегральная модель эволюции микроструктуры этих сталей при отжиге по заданному режиму и разработана компьютерная программа (язык программирования С++), реализующая эту модель. При верификации разработанной интегральной модели проведены расчеты конечного размера зерна феррита после отжига по промышленным режимам 10 холоднокатаных автомобильных сталей (08Ю, 08ПС, DX54D, CR210B2, HX220YD, HX260YD, HX260BD, S320GD, HX300LAD, CR420LA). Созданная модель позволяет с хорошей точностью предсказывать конечный размер зерна феррита. Абсолютная величина относительной погрешности расчетов размера зерна не превышает 10%. Разработанная модель находится на уровне мировых аналогов, превосходя их в адекватности учета эффектов химического состава сталей, и может быть обоснованно рекомендована для практического использования. 6. Разработаны модели для предсказания конечных механических свойств холоднокатаного листа автомобильных сталей после отжига по промышленным режимам с учетом влияния дрессировки и проведена их калибровка с использованием расчетных данных по параметрам конечной микроструктуры и промышленных данных по механическим свойствам. Калибровка моделей выполнена на основе сформированной базы данных по режимам отжига и конечным механическим свойствам для ряда промышленных марок автомобильных сталей с широким диапазоном химических составов. При этом использовано 242 режима непрерывного отжига рассматриваемых холоднокатаных сталей и охвачены различные конечные структуры, в число которых входят: ферритно-перлитные, бейнитные, частично рекристаллизованные, полностью или частично аустенитизированые при нагреве и другие. Разработанные модели позволяют получить хорошее согласие с экспериментальными данными. Средние абсолютные величины относительных погрешностей расчетов предела текучести, предела прочности и относительного удлинения составляют, соответственно, 4.7, 3.5 и 5.3%. 7. Создана интегральная компьютерная модель/программа MACRS (Modeling Annealing of Сold Rolled Steels) для расчета параметров конечной микроструктуры и механических свойств холоднокатаных автомобильных сталей при их термической обработке на промышленной линии непрерывного отжига и цинкования. Данная программа позволяет проводить моделирующие расчеты эволюции микроструктуры стали в процессе технологической цепочки производства холоднокатаного стального листа. Программа написана на языке программирования С++ и может работать под управлением всех современных операционных систем семейства Microsoft Windows. Набор разработанных в рамках данного Проекта количественных моделей соответствующих процессов структурообразования, а также моделей для предсказания механических свойств, реализованных в программе MACRS, отличает физически обоснованный учет влияния всех практически важных легирующих элементов. Этот момент позволяет эффективно использовать программу для большого числа марок сталей с широким диапазоном химических составов. Программа может быть полезна при разработке новых и оптимизации существующих режимов термообработки холоднокатаных автомобильных сталей, включая микролегированные IF-стали. Разработанная компьютерная модель/программа находится на уровне мировых аналогов, превосходя их в адекватности учета эффектов химического состава сталей, и может быть обоснованно рекомендована для практического использования. 8. По результатам проведенных экспериментальных исследований и разработки моделей в 2019 году опубликовано 3 статьи в журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS; 2 тезиса докладов на конференциях, в сборниках индексируемых в базе данных РИНЦ. Принята в печать 1 статья в журнале, индексируемом в базе данных SCOPUS. Общее количество опубликованных и принятых к опубликованию индексируемых публикаций – 6 (4 SCOPUS, 2 РИНЦ). 9. Подготовлены и опубликованы 2 монографии (планировалось опубликовать 1 монографию), включающие в себя часть результатов, полученных в рамках данного Проекта. Информация о Проекте размещена на сайте: https://www.researchgate.net/project/Investigation-of-processes-of-structure-formation-during-annealing-of-cold-rolled-automotive-steels-and-development-of-mathematical-models-for-their-quantitative-description-RSF-project-No-17-19-01178