Многоцелевая оптимизация технологии термического упрочнения проката высокопрочных свариваемых сталей с использованием компьютерной технологии " DATA MINING"

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004р Вип. №14

УДК 669.017.07

Ткаченко И.Ф.*

МНОГОЦЕЛЕВАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРОКАТА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СВАРИВАЕМЫХ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ "DATA MINING"

Рассмотрена проблема оптимизации химсостава и параметров обработки материалов с целью повышения эксплуатационной эффективности промышленной продукции. Показана необходимость проведения многоцелевой оптимизации характеристик конструкционных сталей. Предложен обобщенный критерий многоцелевой оптимизации, разработана методика его расчета. Новый критерий использован при выборе оптимальной технологии термического упрочнения толстолистового проката.

Оптимизация является одним из важнейших этапов разработки новых, а также совершенствования существующих материалов и технологий производства, обработки и упрочнения промышленной продукции. Непосредственная цель оптимизации - достижение экстремальных значений контрольных показателей материалов или технологических процессов [1,2]. Поскольку в качестве контрольных, как правило, используются показатели наиболее тесно связанные с потребительскими свойствами готовой продукции, то конечной целью любой оптимизации следует считать повышение эффективности эксплуатации реальных промышленных изделий [2]. Наиболее важными техническими контрольными показателями, относящимися к конструкционным сталям являются: стандартные характеристики механических свойств; температуры вязко-хрупкого перехода, критерии механики разрушения. Многие из указанных показателей, в особенности характеристики механических свойств, широко используются в качестве целевых функций при проведении оптимизации химического состава и технологий упрочнения современных конструкционных сталей. При этом, однако, как показывает анализ литературных данных [3,4,5], рассматривается только один критерий оптимизации, т.е. одна из характеристик свойств, в то время как одновременные изменения остальных показателей в зависимости от химического состава сталей и параметров их обработок детально не учитываются. Характерным примером являются современные высокопрочные свариваемые стали, качество которых оценивается по уровню их прочностных характеристик в сочетании с весьма неопределенными требованиями («минимальный», «технически приемлемый») к запасу их пластичности или сопротивления разрушению[4,5]. В то же время, очевидно, что для оценки возможности и эффективности эксплуатации деталей в реальных условиях, необходимо одновременно принимать во внимание не только значения указанных выше характеристик, но и влияние таких факторов как температура эксплуатации и склонность к охрупчиванию. Таким образом, повышение эксплуатационной эффективности промышленной продукции, требует проведения многоцелевой (векторной) оптимизации т.е. одновременного достижения экстремальных значений нескольких контрольным показателей применяемого материала или технологии. При этом основной нерешенной проблемой является определение и расчет обобщенной целевой функции [2].

Цель настоящей работы - разработка обобщенного критерия многоцелевой оптимизации химического состава и параметров технологий упрочнения конструкционных сталей с дальнейшим его применением к выбору технологии термической обработки толстолистового проката ответственного назначения.

Критический анализ возможных видов векторных целевых функций [2], особенностей оптимизации характеристик материалов и технологий [6] показал, что наиболее приемлемым типом обобщенного критерия оптимальности F(x) является произведение

ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

частных целевых функций О, - (¿¡(х) , где х = [х1,х2...хп}~ вектор управляющих параметров:

концентраций легирующих элементов, параметров технологического процесса. Основными преимуществами указанного критерия являются: монотонность его изменения при одновременном возрастании или убывании всех целевых функций О,; существование максимума ^(х) в случае альтернативного характера зависимостей О, = О, (х) . Вследствие указанных особенностей, достижение высокого уровня /' (х) гарантированно обеспечивает получение высоких или, как минимум, средних значений всех без исключения контрольных показателей. Следуя [6], в частном случае оптимизации параметров технологии упрочнения стали с целью достижения высокого комплекса механических свойств и низкого порога хладноломкости, величину 1' (х) выразим в виде:

Р = ' б у ' <2ксу <2КСУ-60  От,

где Оп, Оч,, О и 7 -, 0кс V-60 , От - частные критерии оптимизации, характеризующие уровни следующих контрольных показателей, соответственно: предела текучести, а02 • относительного сужения, цт ; ударной вязкости по Шарпи в полностью вязком, К(' V. и хрупком, КСУ_60, состояниях; критических температур хрупкости, Тхр.

Как показано в [6], обобщенный критерий оптимизации вида (1) позволяет учесть и количественно оценить сопротивление материала основным видам совместно действующих внешних, эксплуатационных факторов: статических растягивающих, динамических изгибающих нагрузок, рабочих температур. Кроме того, функция (1) дает также возможность измерить в количественной форме склонность материала к основным видам охрупчивания, вызванного: увеличением размера зерна; образованием сегрегаций примесных элементов и скоплением частиц вторых фаз на границах зерен; ростом объемного содержания неметаллических включений; увеличением концентрации водорода в металле и др. Согласно [6], значения всех указанных выше частных критериев оптимизации, за исключением (2Т, рассчитываются в соответствии с обобщенной формулой:

дГ)> О

где qi - среднее значение контролируемого показателя механических свойств £/,;

Sj - стандартное средне-квадратичное отклонение показателя £/,;

требуемый действующим стандартом минимальный уровень показателя £/, . Важным преимуществом частных критериев вида (2) является возможность одновременного учета как средних уровней показателей механических свойств, так и ширины статистического разброса их возможных значений. Оба указанные статистические характеристики, в соответствии с правилом «3-х сигм» [8,9], являются важнейшими показателями качества материалов или технологических процессов. Величина определяется по формуле [6]:

2 .(т -Т \

п - V экс хр ) И4»

Ут - / в _ я \ ' У '

\ хр хр )

где Тэкс - температура эксплуатации промышленной продукции;

Тх|- среднее значение температуры в интервале вязко-хрупкого перехода материала;

Тхр - верхняя температура хрупкости материала;

Тхрн - нижняя температура хрупкости материала. Как следует из формулы (3), уровень частного критерия От характеризует положение и ширину температурного интервала вязко-хрупкого перехода стали по отношению к температуре эксплуатации изготовленной из неё промышленной продукции. Поскольку указанные характеристики сталей зависят от факторов, вызывающих большинство видов их охрупчивания, величину ()т можно также рассматривать как обобщенный показатель склонности сталей к охрупчива-

0='

I -Ь-если (я.

3 •

I 0 , если

нию, обусловленному: присутствием примесных элементов; наличием неоднородностей микроструктуры и дефектов внутреннего строения металла; особенностям формы детали и др.

В качестве конкретного примера использования предложенного обобщенного показателя (1), рассмотрим выбор оптимального варианта технологии термического упрочнения толстолистового проката высокопрочных свариваемых сталей. Непосредственной целью разрабатываемой технологии являлось повышение комплекса механических свойств и хладостойкости толстых листов и плит из сталей типа 10Х2Н4МДФШ за счет формирования микроструктуры с повышенной дисперсностью и однородностью [7]. Все исследованные варианты технологии включали в себя три основных этапа:

• предварительную изотермическую выдержку при температурах ниже А1;

• изотермическую выдержку в межкритическом интервале (МКИ) температур (А1 - А3);

• улучшение с высоким отпуском по единому режиму: Тотп= 575 + 5 °С, т0ТП = 5 час. Интервалы изменений исследованных параметров опытных режимов термической обработки указаны в таблице 1.

Таблица 1- Параметры исследованных режимов термического упрочнения проката

Толщина проката, мм Предварительная выдержка Выдержка в МКИ Закалка

Т °С А пв? ^ Тпв, час т °с А МКИ? ^ "^мки? час та,°с та, час

49 20 - 580 0-25 660 - 720 4-30 790 - 855 3 -6

Дополнительно изучалась также степень неоднородности распределения механических свойств по длине раскатов. С этой целью отбирались заготовки для изготовления необходимых образцов в головной (Г) и донной (Д) частях листов.

Анализ влияния исследованных технологических параметров, а также места отбора проб (МОП) по длине листов, на уровень стандартных механических свойств и критических температур хрупкости выполнялся с использованием компьютерной технологии многомерного анализа "Data Mining" [8,9]. Результаты выполненного анализа автоматически представлялись в виде «деревьев» классификации [8,9]. В связи с ограничением допустимого объема настоящей публикации, ниже приведены соответствующие дендрограммы только для предела текучести и относительного сужения проката.

Как видно из дендрограммы для предела текучести, рис.1, наиболее существенное статистически значимое влияние на прочностные свойства проката оказывают: температуры предварительной выдержки, выдержки в МКИ, и аустенитизации, а также продолжительности предварительной выдержки и выдержки в МКИ. За счет регулирования указанных параметров предел текучести может изменяться в пределах: 837 -1035 МПа. При этом, наиболее высокий уровень прочности (<Зо2 = 1035 МПа) достигается после термообработки по режимам 1, 2, параметры которых приведены в табл.2. Значения всех показателей механических свойств для указанных режимов представлены в табл.3. На рис.2 показана дендрограмма для относительного сужения проката. Наиболее существенное влияние на величину \|/, оказывают: Тпв, Тмки, Тпв, Тмки. Максимальное относительное сужение ( \|/ = 70% ) может быть получено при использовании варианта технологии 2 согласно табл.2. Дендрограммы для ударной вязкости проката при температурах +20 °С и -60 °С показали, что основными технологическими факторами, определяющими уровень KCV являются: Тмки, Тпв и Та . За счет изменения указанных факторов ударная вязкость проката может быть изменена в пределах: 887 - 1693 кДж/см . Наиболее высокое сопротивление ударным нагрузкам, KCV = 1693 кДж/см2 достигается после термообработки по режиму 3 (См. табл.2). Технологическими параметрами, оказывающими наиболее существенное влияние на KCV" являются: Тпв, Тмки и Та. Максимальный уровень KCV =1190 кДж/слГ достигается после термообработки по режиму 3. Повышенные значения KCV и KCV"60 могут быть получены также в результате термического упрочнения по режимам 4 и 5, соответственно (См. табл.3). Значения критических температур хрупкости стали после термообработки по режимам, указанным в табл.2 и 3, представлены в табл.4.

Node 0

Mean 989,6797

Std. Dev. 57,1694

n 64

% 100,00

Predicted 989,6797

т

TAUST lrrprovement=1 548,9873

-=795 =-795

TSH

hiprovetnent=312,6410

Node 3

Mean 1030,1 250

Std. Dev. 9,7562

n 16

% 25,00

Predicted 1030,1 250

TICI

mprovement=1,1 900

Node 4

Mean 988,8295

Std. Dev. 33,6753

n 44

% 68,75

Predicted 988,8295

О

TAUST

lrrprovement=1 22,6138

NodeS

Mean 1029,0769

Std. Dev. 9,8865

n 13

% 20,31

Predicted 1029,0769

TICI

mprovement=1 ,3633

_I_

Node 6

Mean 1034,6667 Я<1 Dev. 9,4516 n 3 % 4,69

Predicted 1034,6667

Node 7

Mean 995,1250

Std. Dev. 32,7979

n 36

% 56,25

Predicted 995,1250

DICI

mprovetnent=70,0338

_I_

Node 8

Mean 960 ;5000

Std. Dev. 21 J6003

n 8

% 12 £0

Predicted 960 £000

Node 9

Mean 1031,1250

Std. Dev. 11 ,4572

n 8

% 12,50

Predicted 1031,1250

TICI

mprovement=1 ,4238

Node 10

Mean 1025,8000 Std. Dev. 6,4576 n 5 % 7,81 Predicted 1025,8000

Node 11

Mean 1016,0000

Std. Dev. 24,6808

n 8

% 12,50

Predicted 1016,0000

"El

DSH

mprovement=2,531 3

Node 12

Mean 989,1607

Std. Dev. 32,71 85

n 28

% 43,75

Predicted 989,1607

Рис.1- Дендрограмма, характеризующая влияние параметров технологии термообработки проката на его предел текучести.

RA

NodeO

Mean 66,6875

Std. De/. 3,8745

n 64

% 100,00

Predicted 66,6875

----------- Тпв, Г--------J час

<=12

>12

Node 1

Mean 68,0250

Std. Dev. 2,2013

n 40

% 62,50

Predicted 68,0250

Node 2

Mean 64,4383

Std. Dev. 4,9605

n 24

% 37,50

Predicted 64,4583

Тпв.°С

<=290

>290

Node 3 Node 4

Mesn 69^750 Mean 67,1250

Std. Dev. 1 J0878 Std. Dev. 2,3090

n 16 n 24

% 25 p0 % 37,50

Predicted 69^750 Predicted 67,1250

Тмки. °c МОП

<=690

>690

д

Node 7

Mean 69,6250

Std. Dev. 1,4079

n 8

% 12,50

Predcted 69,6250

Тмки. °c

Node 8

Mean 69,1250

Std. Dev. 0,6409

n 8

% 12,50

Predicted 69,1250

Node 9

Mean 68,4167

Std. Dev. 1,4434

n 12

% 18,75

Predicted 68,4167

Тмки, i час

Node 10

Mean 65,8333

Std. Dev. 2,3290

n 12

% 18,75

Predcted 65,8333

<=670

>670

<=13

>13

Node 13

Mean 69,2500

Std. Dev. 0,9574

n 4

% 6,25

Predicted 69,2500

Node 14

Mean 70 JOOOO

Std. Dev. 1 ¡8257

n 4

% 6,25

Predicted 70 JOOOO

Node 17

Mean 69,1667

Std. Dev. 1,1690

n 6

% 9,38

Predicted 69,1667

Node 1 8

Mean 67,6667

Std. Dev. 1,3663

n 6

% 9,38

Predicted 67,6667

Рис.2 - Дендрограмма, характеризующая влияние параметров технологии термообработки в МКИ и места отбора проб по длине листов на относительное сужение проката.

Таблица 2- Параметры режимов термического упрочнения проката, обеспечивающих получение повышенных значений механических характеристик, приведенных в табл.3.

Режим термообработки Предварительная выдержка Выдержка в МКИ Закалка

Т °С А пв? ^ тпв, час т °с А МКИ? ^ "^мки? час та,°с та, час

1 20 0 720 4 -30 800 - 855 3 -6

2 20 0 680 4-30 800 - 855 3 -6

3 20 0 680 -720 4-30 790 - 800 3 -6

4 570 -580 5-25 680 - 720 17-30 800 - 855 3

5 20 0 660 - 720 24-30 800 - 855 3 -6

Таблица 3- Средние значения и стандартные отклонения показателей механических свойств проката после термообработки по режимам, параметры которых указаны в табл.2

Режим термообработки °02> МПа МПа V, % о/ /О КСУ, кДж/см2 кДж/см2 КСУ60, кДж/см2 -60 яКСУ , кДж/см2

1 1034,5 9,5 68,7 0,6 1330,2 63,3 845,0 38,4

2 1034,7 15,4 70 1,8 1277,5 52,0 773,5 169,0

3 837,3 110,4 68,5 1,9 1693,2 192,5 1189,6 462,9

4 1007,6 19,7 66,1 2,7 1538,3 217,4 682,4 118,6

5 969,3 34,0 67,5 1,7 1386,0 257,5 1010,3 234,9

Требования стандарта > 988 - > 64 - > 1120 - > 260 -

Таблица 4- Экспериментальные значения температур вязко-хрупкого перехода стали после термической обработки по режимам в соответствии с табл.2.

Режим термообработки Т ± экс Т ± хр Тхр Тхр

°с

1 -15 -10 20 -40

2 -15 -40 -10 -60

3 -15 -45 -20 -70

4 -15 -20 20 -60

5 -15 -55 -35 -75

Таблица 5- Значения частных целевых функций О, и обобщенного критерия многоцелевой оптимизации Р технологии термического упрочнения проката.

Режим термообработки й* <2ч> Оксу ОкСУ-бО От

1 1,63 2,61 1,11 5,08 -0,17 -4,07

2 1,01 1Д1 1,01 1,01 0,8 0,92

3 0 0,79 0,99 0,67 1,2 0

4 0,33 0,26 0,64 1Д9 0,13 0,01

5 0 0,69 0,34 1,06 2 0

Анализ данных, приведенных в табл.2, 3 и 4 показывает, что максимальные средние значения отдельных показателей механических свойств достигаются после существенно различающихся между собой режимов термического обработки проката. При этом сложным образом изменяются характеристики статистического рассеивания свойств и критические температуры хрупкости стали, также являющиеся важными показателями качества проката. Таким образом,

исходя из полученных данных практически невозможно объективно выбрать режим термообработки, который обеспечит одновременное получение высоких, или как минимум, средних значений всех рассмотренных выше характеристик.

Показателем, величина которого одновременно отражает уровни всех характеристик механических свойств и положение температурного интервала вязко-хрупкого перехода, является, очевидно, обобщенная целевая функция (1), расчетные значения которой приведены в табл.5. Как видно из табл.5, вариантом технологии, обеспечивающим одновременное достижение высоких значений всех рассмотренных характеристик качества проката, является режим 2:/< = 0,92. В то же время, наиболее высокие уровни показателей стандартных механических свойств достигаются после применения режима 1. Основным недостатком последнего режима является наиболее высокий, среди исследованных вариантов технологии, порог хладноломкости, QT = - 0,17, что приводит к наиболее низкому уровню обобщенного показателя качества F = - 4.07.

Основным направлением дальнейших исследований следует считать применение предложенного подхода к оптимизации химического состава конструкционных сталей. Целесообразно также дальнейшее расширение использования разработанного критерия с целью научно обоснованного, объективного выбора оптимальных технологий термического упрочнения сталей различного назначения.

Выводы

1. Показана необходимость проведения многоцелевой оптимизации химического состава и параметров технологий упрочнения конструкционных сталей с целью повышения эксплуатационной эффективности изготавливаемой из них промышленной продукции.

2. В качестве обобщенного критерия многоцелевой оптимизации предложено использовать произведение частных целевых функций, характеризующих средние значения и ширину статистического разброса контролируемых показателей качества сталей.

3. Показано, что достижение максимального положительного уровня предложенного обобщенного критерия гарантировано обеспечивает получение значений всех характеристик свойств, превышающих требования используемых стандартов.

4. Разработанный критерий оптимальности применен для выбора оптимального режима термического упрочнения толстолистового проката высокопрочной свариваемой стали на основе результатов многомерного анализа экспериментальных данных с использованием компьютерной технологии "Data Mining".

Перечень ссылок

1. Корн Г. Справочник по математике I Г.Корн, Т.Корн. - М.: Наука, 1979,- 831с.

2. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения: Пер. с англ./ Р.Штойер,- М.: Радио и связь, 1992. - 504с.

3. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей / Ф.Б. Пикеринг- М.: Металлургия, 1982. -184 с.

4. Ashby M.F. Criteria for celecting the components of composites / M.F. Ashby II Acta metal, mater.- 1993.-V.41.-No.5.-P.1313-1335.

5. Куссмаулъ К Концепция надежности,- В кн. Статическая прочность и механика разрушения сталей. Ред. В.Даль, В.Антон / К. Куссмаулъ, Л. Исслер - М.: Металлургия, 1986,- С.388-423.

6. Cnoci6 визначення схильносп металевих \iaTcpia.iÍB до окрихчування / 1.Ф. Ткаченко, КЛ.Ткаченко.- Заявка № 20031212811 вщ 29.12.2003.

7. Ткаченко И.Ф. Об особенностях образования аустенита при нагреве легированных сталей / И. Ф. Ткаченко, К. И. Ткаченко // Вюник Приазовського державного техшчного унту. 36. наук, пр.- Mapiynonb, 2001.- Вип.12,- С.31-35.

8. Дюк В. Data-Mining: Учебный курс / В. Дюк, А. Самойленко. - СПб: Питер, 2001.-368с.

9. http: //www. statsoft.com/

Статья поступила 05.01.2004