Перспективные металлургические и технологические процессы производства конструкционных материалов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
1 

УДК 669.05 
ББК 34.3 
П27 
Авторы: 
В. И. Муравьев, П. В. Бахматов, А. В. Фролов, В. В. Григорьев 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры инжиниринга технологического оборудования 
Института экотехнологий и инжиниринга Национального исследовательского  
технологического университета «МИСиС» Алюшин Юрий Алексеевич;  
доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ, лауреат премии 
Правительства РФ в области науки и техники, почетный работник сферы образования  
Российской Федерации, заведующий кафедрой материаловедения, литейного и сварочного 
производства Козырев Николай Анатольевич 
П27  
Перспективные металлургические и технологические процессы 
производства конструкционных материалов : монография / [В. И. Муравьев и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. í  328 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-0740-3 
Приведены теоретические основы методов повышения надежности конструкций из сталей и сплавов. Рассмотрены вопросы эффективности существующих металлургических и технологических процессов производства изделий из 
конструкционных материалов. Изложены методы исследований фазовых превращений. Освещены вопросы защиты поверхности сталей и сплавов от окисления, обезлегирования и газонасыщения.  
Для специалистов в области металлургии. Может быть полезно студентам 
и аспирантам металлургических направлений подготовки. 
УДК 669.05 
ББК 34.3 
ISBN 978-5-9729-0740-3 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
 
ГЛАВА 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУЩЕСТВУЮЩИХ  
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  
ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ..... 8 
1.1. Современное состояние сталеплавильного производства  
и качество готовых металлоизделий 
.......................................................... 8 
1.2. Структурные изменения в сталях и сплавах при выплавке  
в электрических и индукционных печах ................................................. 12 
1.3. Влияние технологических процессов  
на структурные изменения готовых деталей .......................................... 15 
1.4. Особенности выплавки металлопродукции из титановых сплавов 
...... 18 
1.5. Анализ свойств полуфабрикатов, заготовок и деталей  
из титановых сплавов в процессе серийного производства  
летательных аппаратов 
.............................................................................. 23 
 
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ  
НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ .......................... 33 
2.1. Механические свойства материалов и методы их определения ........... 33 
2.2. Дислокационная теория прочности 
.......................................................... 54 
2.3. Пластическая деформация и разрушение металлов ............................... 58 
2.4. Достижения в области управления дислокационной структурой  
сталей и сплавов 
......................................................................................... 61 
2.5. Создание материалов с наноструктурными элементами ....................... 80 
 
ГЛАВА 3. ЗАЩИТА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ  
ОТ ОКИСЛЕНИЯ, ОБЕЗЛЕГИРОВАНИЯ, ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ ..................... 94 
3.1. Факторы, определяющие эффективность основных  
техпроцессов изготовления конструкций ............................................... 94 
3.2. Граничные условия существования защитной оксидно-нитридной 
пленки на поверхности титановых сплавов .......................................... 119 
3.3. Влияние режимов нагрева в вакууме на свойства конструкций  
из титановых сплавов .............................................................................. 139 
3.4. Защита поверхности титановых и стальных конструкций  
при технологических нагревах в воздушной среде 
.............................. 150 
3.5. Автономная защитная среда для нагрева сталей и сплавов ................ 156 
 
3 

ГЛАВА 4. УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО  
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА  
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТОВ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ 
............. 171 
4.1. Полиморфные превращения в сталях и сплавах 
................................... 180 
4.2. Явления изменения структуры и свойств сталей и сплавов  
в интервале температур предпревращения ........................................... 195 
4.3. Свойства титановых конструкций после пластической  
деформации листовых заготовок  
в интервале температур предпревращения ........................................... 207 
4.4. Структурные изменения и свойства крупногабаритных  
титановых штамповок в процессе  
металлургического производства 
........................................................... 215 
4.5. Влияние режимов термообработки на структурные изменения  
и свойства сталей и сплавов в температурно-временных  
условиях фазовых превращений ............................................................ 226 
 
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ 
........ 257 
5.1. Традиционные методы исследований 
.................................................... 257 
5.2. Современные методы исследований ...................................................... 269 
5.3. Перспективный акустико-эмиссионный метод исследований 
............ 277 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 311 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
По мнению ряда учёных и инженеров XXI век может стать веком техногенных катастроф, причиной которых должна стать высокая степень износа  
и низкая надёжность вышеуказанных конструкций. Повышению риска техногенных катастроф также способствует ужесточение природных условий - повышенная сейсмическая активность, цунами, наводнения и др. При этом социальные, экономические, экологические и иные последствия указанных катастроф соизмеряются с потерями от мировых войн. 
С другой стороны, современный уровень развития техники постоянно повышает требования к снижению весовых показателей конструкционных материалов с сохранением их эксплуатационных характеристик, особенно в области 
ракето- и авиастроения. А современные тенденции рынка к снижению себестоимости продукции гражданского назначения распространяют указанное требование практически на всю современную продукцию, начиная от гаек и шайб  
и заканчивая такими сложными техническими устройствами как самолеты, 
космические корабли, морские и речные суда и т. д. 
Кроме того, активное развитие техносферы в настоящее время привело  
к значительному снижению запасов природных ископаемых, что, в свою очередь, также обуславливает необходимость совершенствования конструкционных материалов и перехода от количественных показателей к качественным, то 
есть перехода к использованию материалов с высокими показателями надёжности при низкой ресурсоёмкости, трудо- и энергоёмкости их изготовления. 
В настоящее время и в ближайшем будущем самыми распространёнными 
конструкционными материалами будут являться стали и сплавы как в «чистом» 
виде, так и в составе ряда композиционных материалов. Кроме того, сплавы отличаются повышенной жаропрочностью, технологичностью изготовления  
и ремонта и в ряде сфер применения ещё длительное время будут оставаться 
вне конкуренции. 
Поэтому одной из первостепенных задач современного металлургического производства можно считать разработку технологических решений, обеспечивающих повышение надёжности сталей и сплавов при сохранении или снижении их массогабаритных показателей, ресурсо-, энерго- и трудоёмкости изготовления. 
Надёжность конструкции определяется механическими характеристиками 
материала, такими как прочность, пластичность, коррозионная стойкость, красностойкость, хладноломкость, износостойкость, твёрдость, вязкость разрушения, усталостная прочность и др. При этом основными характеристиками материала условно можно считать показатели прочности и пластичности. В связи с 
чем высокая надёжность обуславливается сочетанием максимально высокой 
прочности материала с сохранением его достаточной пластичности. 
В соответствии с дислокационной теорией деформации и разрушения прочностные и пластические свойства сталей связаны с их дефектной структурой.  
При этом повышение плотности дислокаций (в реальных сталях промышленного 
5 

применения) приводит к повышению прочностных свойств с одновременным 
снижением пластических характеристик. То есть классическая дислокационная 
теория и разработанные в соответствии с ней технологические приёмы не позволяют одновременно повышать показатели прочности и пластичности. В настоящее время широко используются следующие методы создания требуемой дислокационной структуры: легирование, термическая обработка, интенсивная 
пластическая деформация и их сочетания. Но легирование является энергоёмким процессом с использованием дорогостоящих легирующих элементов. Кроме того, потенциальные возможности легирования для повышения эксплуатационных характеристик ряда сплавов практически исчерпаны. Интенсивная 
пластическая деформация и термопластическая обработка обеспечивают максимальные показатели прочности, но ценой существенного снижения вязкости 
разрушения. Кроме того, указанные виды создания дефектной структуры не являются обратимыми, то есть позволяют только повышать плотность дефектной 
структуры материала без возможности её снижения. 
Термическая (а также термомеханическая) обработка позволяет управлять 
плотностью дефектной структуры, изменяя её в любую сторону. Это необходимо в технологическом цикле производства практически любой конструкции - 
на этапе размерной обработки и формообразования необходимо снизить прочностные показатели за счёт снижения плотности дефектной структуры, а на завершающем этапе производства необходимо обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики изделия за счёт формирования оптимальной дислокационной структуры. Указанная особенность термической обработки обуславливает её уникальность. 
Традиционные технологии термической обработки направлены на создание требуемой структуры материала и дефектной структуры зёрен на макро-  
и микроуровнях. Но на мезо- и наноуровнях получаемые структуры отличаются 
значительной степенью неоднородности, что приводит также и к неравномерному распределению дислокаций. В результате в отдельных локальных объёмах 
плотность дислокаций превышает критическую степень, что приводит к повышению хрупкости не только этих зон, но и всей детали. Для исключения этого 
явления традиционные технологии термической обработки предусматривают 
операцию отпуска. Но отпуск приводит к распаду мартенситной структуры,  
к резкому снижению плотности дислокаций и, как следствие, к значительному 
разупрочнению материала. 
В связи с чем заслуживает внимание разработка технологии, позволяющей формировать оптимальную дефектную структуру с максимально возможной плотностью дислокаций и её равномерным распределением на мезо- и наноуровнях, а также упорядочивать нанодефектную структуру, предварительно 
созданную вышеперечисленными способами. Одним из перспективных направлений решения этой задачи можно считать технологии термической обработки 
с использованием эффектов фазовых предпревращений, физическая основа которых базируется на ослаблении межатомных связей, приводящей к повышенной диффузионной активности элементов химической и дислокационной 
структуры материала. Подобные технологии позволяют управлять плотностью 
6 

и равномерностью распределения дислокаций при сохранении внутренней 
структуры сплава за счёт строго дозированного термического воздействия на 
границе фазового превращения. 
Эффективность использования термической обработки сталей с использованием эффектов фазовых предпревращений определяется точностью расчёта 
точки фазового перехода и длительностью нахождения стали на границе этого 
перехода. В связи с чем, для эффективного использования упомянутой технологии необходима разработка метода точного определения и контроля точек фазовых переходов. Границы фазовых переходов зависят от химического состава 
сплава (отклонения химического состава в пределах требований ГОСТ приводят к изменению температуры фазового превращения более 15 qC), скорости 
нагрева или охлаждения (изменение скорости нагрева от 0,1 qС/с до 100 qС/с 
изменяет границу фазового превращения более чем на 50 qС), температуры 
нагрева, и, следовательно, от толщины и формы детали. Поэтому метод контроля фазовых переходов должен отличаться высокой точностью, возможностью его применения в реальном времени, непосредственно на обрабатываемой 
детали, отличаться относительной простотой реализации, низкой ресурсо-  
и трудоёмкостью и возможностью интеграции в автоматическую систему 
управления циклом термической обработки. Из всех существующих методов 
исследований (структурный, дюрометрический, магнитометрический, дилатометрический и др.) наилучшим сочетанием указанных свойств характеризуется 
метод исследований, основанный на анализе сигналов акустической эмиссии 
(АЭ), излучаемых материалом во время его термической обработки. 
Предлагаемые авторами современные достижения в области: защиты от 
газонасыщения поверхности заготовок при штамповке, т/о, и хто в атмосфере 
воздуха; увеличения прочности при высокой пластичности при минимуме усилий в процессе формообразования в условиях субкритической сверхпластичности за счет эффекта наноструктурирования - позволяют обеспечить функциональные возможность новой техники на уровне мировых достижений, снизить 
массу изделий, повысить коэффициент использования материала и снизить материалоемкость, уменьшить себестоимость за счет более высокого уровня автоматизации производства: экономии материалов и энергетических ресурсов, 
использовать совмещенные технологические процессы.  
Авторами изложены современные достижения и перспективные направления металлургии и металловедения сталей и титановых сплавов, технологии 
производства титановых и стальных конструкций для обеспечения надежности 
ЛА при непосредственном участии ПАО Филиал «ОКБ Сухой» «КнААЗ», 
ФГБОУ ВО «КнАГУ», МАИ, НИАТ, ВИАМ, корпорации «ВСМПО-АВИСМА» 
и др. 
Авторы выражают благодарность коллективам специалистов ПАО «ОКБ 
Сухой», «КнААЗ», ФГБОУ ВО «КнАГУ», за ценные замечания, дополнения и 
помощь в проведении исследований, внедрении положительных результатов и 
написании учебного издания. 
7 

ГЛАВА 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУЩЕСТВУЮЩИХ  
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  
ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
1.1. Современное состояние сталеплавильного производства  
и качество готовых металлоизделий 
Свыше 60  стали в мире выплавляется в конвертерах [1]. В странах Евросоюза соотношение между электропечами и конвертерами 40  и 60 . Сохранение преобладания конвертерного способа производства стали во многом 
связано с интенсивным развитием черной металлургии Китая, в основном, использующим конвертерное производство (рост электросталеплавильного производства в КНР затруднен из-за дефицита лома и электроэнергии). 
В то же время в США за последние 20 лет, доля выплавки электростали 
возросла с 30 до более 50 . Аналогичная картина наблюдается в странах Среднего Востока, Африки и Южной Америки. В ЕС-15 выплавка электростали  
за последние 10 лет возросла на 20 млн т., при этом объем производства конвертерной стали остается почти на одном уровне. В целом в мире доля электросталеплавильного производства с 28  в 1990 г. возросла до 35  в 2005 году  
и прогнозировался рост до 50  в 2010 году. Как сообщил Алексей Сентюрин, 
директор Ассоциации «Русская сталь», доля выплавки электростали в мире выросла на 2  - с 26  в 2016 году до 28  в 2017 году. Основным драйвером 
роста стал Китай, на который приходится почти половина мирового объема и 
где доля электростали выросла на 3  - с 6 до 9 . Доля электростали отечественной черной металлургии снизилась на 1  - до 31 . В 2018 году российская черная металлургия переместилась с 5-го на 6-е место в мировом рейтинге 
производства стали, уступив Южной Корее. Индия вышла на 2-место после Китая, оставив позади США и Японию. Существенное влияние на отрасль помимо 
конъюнктурных факторов оказывает протекционизм на внешних рынках, который заметно активизировался после введения США ввозных 25  таможенных 
пошлин на сталь и 10  на алюминий в марте 2018 года. Это объясняется лучшими экономическими показателями электросталеплавильного производства  
и меньшим его воздействием на окружающую среду. 
Производство стали в мартеновских печах за последние 15 лет сократилось в четыре раза и осталось практически только в странах СНГ, в основном в 
России и на Украине. Предполагалось, что к 2010 г. этот способ производства 
стали прекратит существование как наименее эффективный и экологически 
несовершенный [2]. 
Непрерывная разливка стали с защитой жидкого металла от вторичного 
окисления становится во всех странах основной технологией, позволяющей исключить разливку в слитки и прокатку слитков в заготовки. 
Производство губчатого железа в основном сосредоточено в Индии, 
Иране, Саудовской Аравии, Мексике и Венесуэле. В 2007 г. было произведено 
свыше 54 млн. т. губчатого железа [3]. 
8 

Для нормализации ситуации на внутрироссийском рынке необходимо повысить технический уровень отечественного металлургического производства, ускорив переход от выпуска полупродукта к выпуску готовых металлоизделий соответствующих потребностям отечественного машиностроения. При этом необходимо повысить и уровень самого машиностроения с целью импортозамещения. 
Внедрение новейших технологий и техники позволило в 2007 г. увеличить 
долю выпуска высококачественной стали в конвертерах и электропечах в общем 
объеме произведенной стали с 76,3  в 2002 г. до 83,6 ; долю стали, получаемой на установках непрерывной разливки - с 54,6 до 71,1 . Если доля конвертерного производства в России в настоящее время практически соответствует 
показателям промышленно развитых стран, и то доля электросталеплавильного 
производства остается весьма низкой. Несмотря на то, что в период  
с 1990 по 2007 годы она возросла с 10,4 до 26,6 , Россия по-прежнему уступает развитым странам: в США - 55 , в Италии - 60 , в Еермании - 31 , Южной Корее - 44 . Вместе с тем, развитию электросталеплавильного производства в настоящее время способствует накопленный мировой металлофонд: 
США - около 3 млрд. т., Европа - 2,5 млрд. т., Россия - около 1,5 млрд. т. [4]. 
Доля холоднокатаного листа в общем объеме производства листового проката в промышленно развитых странах превышает 40 . В России в 2007 г. на долю холоднокатаного листа в производстве листового проката приходилось 32,1 . 
Современная ситуация в мировой индустрии характеризуется широким 
использованием наукоемких технологий. Интенсифицировался родственный 
процесс, увеличились удельные параметры технологического оборудования, 
улучшилось качество производимой продукции, снизились энерго- и материалоемкость, повысилась производительность труда. 
Достаточно перспективной в этом плане видится стратегия компании 
«Эстар» («Электросталь России»), имеющей активы в различных регионах 
страны, в том числе и Сибири. Компания, приобретая небольшие, металлургические предприятия формирует холдинг полного цикла, делает упор именно на 
электросталеплавильный способ производства стали. Рыночным сегментом для 
«Эстара» является продукция для нужд ЖКХ и строительства. 
Создавшаяся ситуация вынуждает производителей стали обращать еще 
большее внимание на качество выпускаемой продукции. Можно выделить следующие основные направления повышения качества металлопродукции: создание новых видов конструкционной стали и повышение дифференциации профилеразмеров готовой металлопродукции, оптимизация составов и технологии 
производства, разработка и освоение систем автоматического управления технологиями термомеханического упрочнения проката на листовых и сортовых 
станах горячей прокатки, совершенствование процессов нанесения покрытий  
на холоднокатаный металл для автомобилестроения и строительства. 
К внутренним факторам относятся: технический и технологический уровни производства, состояние сырьевой базы (обеспеченность и качественная составляющая), наличие квалифицированных кадров рабочих и управленцев, уровень заработной платы, географическое положение предприятия. 
9 

Технический и технологический уровни производства - способность 
компании обеспечивать достижение высокой эффективности производства по 
всем видам передела, повышения конкурентоспособности продукции за счёт 
повышения её качества, снижения затрат на производство, расширения сортамента и повышения потребительских свойств основных видов продукции 
Стратегией развития [1] металлургической промышленности Российской 
Федерации на период до 2015 года, необходимо предусмотреть решение следующих основных задач: 
௅ обеспечение спроса металлопотребляющих отраслей: ТЭК, ОПК, атомное машиностроение, авиастроение, судостроение, автомобилестроение, 
железнодорожный транспорт, строительство; 
௅ активное внедрение инноваций; 
௅ ресурсо-энергосбережение; 
௅ повышение конкурентоспособности продукции и производительности 
труда; 
௅ укрепление своих позиций России на мировых рынках; 
௅ защита отечественных производителей на внутреннем рынке; 
௅ развитие новых промышленных регионов. 
Основной вектор - активное инновационное развитие, что предполагает 
принятие мер, направленных на ресурсосбережение, разработку приоритетных 
проектов и стимулирование внедрения новой техники, технологий и материалов. В первую очередь это расширение государственного финансирования важнейших НИОКР и долевое участие в инновационных проектах, направленных 
на повышение конкурентоспособности отечественной металлургии в рамках 
существующих и вновь разрабатываемых целевых программ. При этом приоритет отдается направлениям и проектам, связанным с ресурсосбережением, организацией выхода новых видов продукции, развитием производства изделий  
с более высокой добавленной стоимостью. Это, например, выпуск труб нового 
поколения большого диаметра, рельсов с улучшенными показателями, листа  
с покрытиями, расширение номенклатуры и объемов производства редких  
и редкоземельных металлов, твердосплавной и полупроводниковой продукции, 
обеспечивающих потребности высокотехнологичных отраслей. 
«Северсталь» активно работает над разработкой и продвижением новых 
для отрасли продуктов - развиваются продажи высококачественного автомобильного оцинкованного листа, штрипсов по API 5L, термоупрочненной арматуры класса А400െА500, новых видов госта с полимерным покрытием. Важным стратегическим направлением развития считается усиление своего присутствия в качестве производителя металлопроката строительного назначения. 
Отбор инновационных идей является важной частью инновационного 
проекта, поскольку определяет его направление. Для выбора направления инновационной деятельности дается оценка конкурентоспособности и перспективности различных вариантов реализации проекта, при этом рассчитываются 
возможные риски. 
10