Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В настоящее время разработано большое количество математических моделей, связывающих напряжение течения, технологическую пластичность, параметры микроструктуры и термомеханические параметры, такие как температура, скорость и степень деформации. Однако они были построены только для конкретных материалов, и не учитывают влияние химического состава. Из-за сложного легирования современной стали невозможно построить такие модели классическим подходом. Машинное обучение является эффективным методом нахождения связей между свойствами и параметрами в случае отсутствия связывающих их физических законов. Этот подход обычно реализуется за счет построения искусственных нейронных сетей (ИНС). На основе проведенного анализа источников научно-технической информации и результатов собственных исследований разработаны три базы данных: по реологическим свойствам, по технологической пластичности и содержащей параметры микроструктуры сталей различного химического состава после горячей пластической деформации. Общее количество записей в базе данных составило 33937 для реологических свойств, 1050 – для характеристик технологической пластичности и 1215 – для параметров микроструктуры. На основе анализа химического состава сталей в разработанных базах данных были сделаны следующие выводы: - для нержавеющих и жаропрочных сталей аустенитного класса необходимо исследование сталей с разным соотношением никеля и хрома, а также с малыми добавками элементов, не представленных в исследованных сталях; - для высоколегированных сталей феррито-мартенситного класса необходимо исследовать стали, имеющие другие зависимости соотношения феррита и аустенита в температурном диапазоне горячей пластической деформации (состав выбирается по термодинамическим расчетам); - для сталей с повышенной удельной прочностью системы Fe-Mn-Al-C необходимо дополнительно исследовать стали с повышенным содержанием марганца; - для сталей нержавеющих сталей с двухфазной структурой с разной объемной долей дисперсных боридов, распределенных в ферритной матрице в базе данных представлены свойства только для Zr и Ti содержащих сталей. Необходимо провести исследование влияния других боридобразующих элементов на деформационное поведение и эволюцию микроструктуры. Исходная структура стали A5 представляет собой однофазную аустенитную структуру со средним размером зерна 13±1 мкм. Однако микроструктура разнозернистая с наличием некоторого количества крупных зерен. Микроструктура стали A6 состоит из равноосных зерен феррита с более равномерным распределением и средним значением 15±2,1. Исследованные стали демонстрируют типичное поведение при горячей пластической деформации: истинное напряжение увеличивается с уменьшением температуры и увеличением скорости деформации. При этом более легированная сталь A5 демонстрирует более высокий уровень напряжения течения при температурах ниже 1000 °С, но при более высоких температурах значения напряжения течения выравниваются, изменяется только характер кривых. Как показали термодинамические расчеты фазовой диаграммы для этой стали, это может быть связано с выделением в структуре стали A5 фазы Ni3Ti. Для стали A6 процесс динамической рекристаллизации начинается при значительно больших значениях истинной степени деформации, что связано с более высокой энергией дефекта упаковки в данной стали. Микроструктура сталей меняется от частично до полностью рекристаллизованной в зависимости от режимов испытания. Для определения технологической пластичности исследуемых сталей было проведено растяжение при повышенной температуре при разных скоростях деформирования. С повышением температуры пластичность стали увеличивается. Микроструктура стали T3 в литом состоянии состоит из удлиненных зерен с дендритной структурой. Картирование EDS показало, что большинство элементов, кроме углерода, распределены гомогенно. Наличие карбидной фазы является результатом неравновесной кристаллизации. Как видно из температурной зависимости массовой доли твердых фаз, рассчитанной по модели Шейля, сначала из жидкого состояния кристаллизуется ОЦК-(Fe). Перитектическая реакция L+ОЦК-(Fe)→ГЦК-(Fe) практически подавляется, и при 1268 °С начинается кристаллизация аустенита. Последняя реакция кристаллизации представляет собой L→ГЦК-(Fe)+M5C2. Для устранения неравновесной дендритной структуры и осуществления основного сжатия в однофазной аустенитной области была применена двухстадийная схема деформации. Горячая деформация существенно повлияла на микроструктуру зерен исследуемой стали. Деформация при температурах выше 1050 °С обеспечивает полностью рекристаллизованную микроструктуру в отличие от микроструктуры после деформации при более низкой температуре, состоящей из крупных исходных нерекристаллизованных зерен и мелких динамически рекристаллизованных зерен. Размер динамически рекристаллизованного зерна увеличивается с повышением температуры и уменьшением скорости деформации. Зерно после деформации при 1050 °С и 10 с-1 измельчается более чем в десять раз по сравнению с исходным значением. На основе собранной базы данных были разработаны математические модели связи реологических свойств, технологической пластичности и характеристик микроструктуры с химическим составом и параметрами термодеформационной обработки отдельно для сталей четырех классов, а также объединенные модели для всех сталей. Все данные были разделены на три группы: 60% были использованы для обучения, 20 % - для корректировки в процессе обучения и 20% - для тестирования построенных моделей. Входными параметрами были температура, скорость, степень деформации и содержание элементов. Напряжение течения, технологическая пластичность, а также размер зерна были выходными свойствами. Преобразование данных в нейронах производилось функцией гиперболического тангенса. Для моделирования использовался персептрон с двумя скрытыми слоями. Обучение модели производилось по алгоритму статического обратного распространения ошибки. Построенная вычислительная система на основе ИНС была реализована в виде программного обеспечения для ЭВМ, обладающего следующими возможностями: - прогнозировать значения напряжения при любых условиях деформирования и в широком диапазоне концентраций легирующих элементов; - проанализировать поведение горячей деформации с точки зрения эффективной энергии активации для различных сталей; - построить технологические карты горячей деформации стали; - построить 2D и 3D графики зависимости напряжения течения и эффективной энергии активации от параметров деформации и/или химического состава. Аналогичные модели были разработаны для определения реологических свойств, технологической пластичности и параметров микроструктуры отдельных классов сталей. Разработанный подход к построению расчетной системы на основе ИНС может быть применен для моделирования поведения горячей деформации не только стали, но и других металлических материалов, таких как алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, благодаря большому количеству опубликованных работ с экспериментальными данными и возросшими вычислительными возможностями компьютеров.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработан программный комплекс для расчета свойств и микроструктурных характеристик сталей с использованием построенных моделей. Программный комплекс основан на использовании искусственных нейронных сетей и позволяет рассчитывать свойства сталей при горячей пластической деформации в широком диапазоне изменения химического состава и термодеформационных условий. Программа позволяет рассчитать значения напряжения течения и предельной пластичности в зависимости от концентраций легирующих элементов степени, скорости и температуры деформации. Программа позволяет строить многомерные аналитические зависимости для математической обработки. Результаты расчетов могут быть использованы для конечноэлементного моделирования термодеформационых процессов без проведения дорогостоящих экспериментальных исследований. Разработанный программный комплекс позволяет проводить анализ влияния изменения концентрации отдельных элементов на свойства сталей при горячей пластической деформации. Изменение концентрации хрома незначительно влияет на уровень напряжения течения при заданной температуре в сталях феррито-мартенситного класса. При этом увеличение концентрации вольфрама при водит к значительному понижению напряжения течения за счет увеличения количества феррита в микроструктуре стали. В сталях аустенитного класса при низких концентрациях хрома и температурах ниже 1000 °С уровень напряжения существенно увеличивается за счет, возможно, формирования в микроструктуре сигма-фазы. При этом при более высоких температурах влияние изменения концентрации хрома несущественно. Увеличение концентрации никеля при температуре 900 °С приводит к увеличению уровня напряжения. При повышенных температурах увеличение концентрации никеля понижает напряжение течения. В высокомарганцовистых сталях с повышенной удельной прочностью повышение концентрации основных легирующих элементов (марганца и алюминия) приводит к повышению напряжения течения во всем температурном интервале. Кроме того, разработанный комплекс может быть использован для анализа связи характеристик горячей пластической деформации с фазовыми диаграммами, полученными в результате термодинамических расчетов. Истинное напряжение стали Fe-xMn-8Al-1C увеличивается с увеличением содержания Mn с 20 до 30 %. Однако аналогичная зависимость для стали с переменным содержанием Al имеет максимум около 8 %. Это может быть связано с различием фазового состава рассматриваемых сплавов. В случае стали Fe-(20-30)Mn-8Al-1C присутствует только аустенитная фаза во всех диапазонах температур и концентраций. Основными факторами, определяющими увеличение истинного напряжения, являются упрочнение твердого раствора и увеличение энергии дефекта упаковки (ЭДУ). Увеличение содержания марганца приводит к увеличению ЭДУ и подавляет процесс динамической рекристаллизации, являющийся основным механизмом разупрочнения при высокотемпературной деформации. Добавление алюминия в стали с высоким содержанием марганца также значительно увеличивает ЭДУ аустенита. Однако фазовый состав стали изменяется при концентрации алюминия около 8 %. Появление ферритной фазы приводит к уменьшению истинного напряжения. Аналогичное поведение стали при горячей деформации наблюдается при изменении концентрации углерода. Уменьшение содержания углерода приводит к увеличению напряжения течения из-за высокой диффузионной способности углерода. Появление в микроструктуре феррита приводит к снижению напряжения течения. Добавление кремния в исследуемую сталь резко снижает напряжение течения. Кремний также обладает большой диффузионной подвижностью в аустенитной фазе и приводит к ускорению процессов разупрочнения, таких как динамический возврат и динамическая рекристаллизация. Полученные с использованием разработанного комплекса зависимостей реологических характеристик, технологической пластичности и параметров микроструктуры от концентрации легирующих элементов позволяют создавать рекомендации по корректировке химического состава сталей (с учетом требований к конечным свойствам изделий из них). Для сталей аустенитного класса, подвергаемых горячей пластической деформации, рекомендуемая концентрация хрома должна находится на верхнем уровне концентрационного диапазона марки для недопущения формирования в микроструктуре хрупкой сигма-фазы при существенном понижении температуры деформации. Для сталей феррито-мартенситного класса концентрация ферритостабилизирующих элементов (W, Mo др.) должна находится на верхнем уровне концентрационного диапазона марки стали для снижения уровня реологических свойств и повышения технологической пластичности стали за счет перевода микроструктуры в состояние с большей объёмной долей феррита во всём температурном диапазоне горячей пластической деформации. В высокомарганцовистых сталях с повышенной удельной прочностью рекомендуется повышать концентрацию углерода. Это способствует не только увеличению механических свойств при комнатной температуре, но и существенному снижению напряжения течения при горячей пластической деформации во всем температурном интервале, что снижает риски преждевременного разрушения за счет концентрации напряжений. Кроме того, рекомендуется дополнительное легирование кремнием для повышения технологической пластичности сталей и снижения напряжения течения.