Хлусова Е.И., первый зам. начальника НПК-3, д.т.н.

1

Хлусова Е.И., первый зам. начальника НПК-3, д.т.н.

Горынин И.В., президент-научный руководитель, академик РАНРыбин В.В., первый заместитель генерального директорапо научной работе, чл.-корр. РАНМалышевский В.А. зам. генерального директора, д.т.н., профессорОрлов В.В., начальник сектора, к.т.н.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ

УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

“ПРОМЕТЕЙ”

2

РОЛЬ СТРУКТУРЫ В ФОРМИРОВАНИИ ВАЖНЕЙШИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Два важнейших показателя механического поведения металлов при внешнем нагружении:

сопротивление пластическому течению (предел текучести) склонность к распространению хрупких трещин (трещиностойкость).

ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»

Главенствующая роль мезоструктуры (масштабный уровень фрагментов зерен и дислокационных субструктур: 100-3000 нм)

в формировании механических характеристик.

Уровень легирования

Традиционная система упрочненияприводит к снижению

трещиностойкости

прочность

трещиностойкость

Упрочнение при наномодифицированиипозволяет сохранить высокий уровень

трещиностойкости

Размер структурных элементов

прочность

трещиностойкость

Нано10-9м

Микро10-6м

Уровень легирования не изменяется

3

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СУБМИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ КВАЗИИЗОТРОПНОЙ СТРУКТУРЫ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ

ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Макроскопическая деформация – согласованная эволюция внутренней структуры. Пластическая деформация в материале определяется процессами, происходящими на микро-, мезо- и макроуровнях: скольжение (трансляция) повороты (ротация) целых структурных агрегатов.

Для исключения локализации деформации, преждевременного разрушения и обеспечения протекания процессов релаксации напряжений при пластической

деформации конструкционных сталей, необходимо:

1. Исключение формирования протяженных межфазных границ; 2. Формирование мелкодисперсной карбидной фазы глобулярной морфологии;

3. Формирование оптимальной структуры, максимально наследующей фрагментированную структуру деформированного аустенита;

4. Морфологическое подобие структурных составляющих, преобладание структур глобулярного типа.


4

ТИПЫ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

феррит бейнит гранулярный мартенситвысокотемпературный

Низкое содержание углерода, пониженный уровень легирования -СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ГЛОБУЛЯРНОЙ МОРФОЛОГИИ

мартенсит реечныйбейнит реечныйперлит

Высокое содержание углерода, повышенный уровень легирования -СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ РЕЕЧНОЙ МОРФОЛОГИИ


Структуры реечной морфологии в меньшей степени наследуют фрагментацию аустенита по сравнению с глобулярными структурами

5Гранулярный бейнит и феррит

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ЗЕРНА ДЕФОРМИРОВАННОГО АУСТЕНИТА НА МОРФОЛОГИЮ ПРОДУКТОВ γ→α-ПРЕВРАЩЕНИЯ

В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Реечный бейнит

Гранулярный бейнит

06Г2НДФБТ, Vохл=20о/с

Реечный бейнит

06Г2НДФБТ, Vохл=5о/с

Реечный бейнит и мартенсит

5

Реечный и гранулярный бейнит

05Г2НДМФБТ, Vохл=50о/с


Измельчение аустенитного зерна при деформации обусловливает изменение морфологии бейнитных структур с реечной на глобулярную

___ исходное крупное зерно

___ исходное мелкое зерно

0,5C-1,5Mn-(Ni-V-Nb-Ti)05ГНФБТ

0,6C-1,8Mn-(Ni-Cu-V-Nb-Ti)06Г2НДФБТ

0,5C-1,9Mn-(Ni-Cu-Мо-V-Nb-Ti)05Г2НДМФБТ

6

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СТРУКТУРУ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

6

Без деформацииVОХЛ=10оС/с

С деформациейVОХЛ=10оС/с

0,5C-1,5Mn-(Ni-V-Nb-Ti)05ГНФБТ

Нагрев до 1000оС, выдержка 5 мин., деформация 25% при 920оС, размер зерна аустенита 40-60 мкм


Пластическая деформация низкоуглеродистой стали ниже температуры рекристаллизации способствует увеличению доли структур глобулярного типа,

повышению их дисперсности

___ без деформации___ с деформацией

0,6C-1,8Mn-(Ni-Cu-V-Nb-Ti)06Г2НДФБТ

0,5C-1,9Mn-(Ni-Cu-Мо-V-Nb-Ti)05Г2НДМФБТ

7

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 06Г2НДФБТ

Тдеф=850оСТдеф=920оС Тдеф=750оС

Относительная деформация при заданной температуре ____ – 0% ____ – 25% ____ – 50%


Скорость охлаждения 20о/сек

0102030405060708090

100

400 450 500 550 600 650 700 750 800

температура,оС

доля

пре

вращ

енно

го а

усте

нита

, %

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

400 450 500 550 600 650 700 750 800


доля

пре

вращ

енно

го а

усте

нита

,%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

400 450 500 550 600 650 700 750 800


доля

пре

вращ

енно

го а

усте

нита

,%

Наиболее эффективно с точки зрения увеличения доли превращенного аустенита в области формирования глобулярных структур - повышение степени деформации до 50%

при температурах на 100-150оС ниже температуры рекристаллизации

40%60%

40%

8

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ НА ДИСПЕРСНОСТЬ И СООТНОШЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

Сталь с феррито-перлитной структуройТдеф=803оС Тдеф=780оС Тдеф=780оС Тдеф=725оС

=50% =50% =70% =70%

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕФОРМАЦИИ ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ

=50%Снижение температуры и повышение степени деформации измельчает ферритное зерно,

способствует формированию «вырожденного» перлита, обусловливает фрагментацию ферритного зерна


=60% =80%

Тдеф=800оСТдеф=800оС

=40%Понижение температуры деформации повышает дисперсность, повышение степени деформации при температуре

заторможенной рекристаллизации способствует изменению морфологии бейнита с реечной на гранулярную

=40%

Сталь с феррито-бейнитной структуройТдеф=950оС

9

2,71

1,1

0

1

2

3

4

5

6

7

РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ РАЗМЕРОВ ФРАГМЕНТОВ И УГЛОВ ИХ РАЗОРИЕНТИРОВКИ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ ДЕФОРМАЦИИ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 06Г2НДФБТ

мкм

- Тдеф=850оС; =25% - Тдеф=850оС; =50% - Тдеф=750оС; =50%

%

2-15о >15о

%


= 25% =50% = 50% = 15%

Температура деформации 850оС Температура деформации 750оС

Средний размер фрагментов Доля фрагментов Доля углов разориентировки

Максимальное измельчение фрагментов и наибольшая доля фрагментов размером менее 500 нм с большеугловыми границами наблюдается после деформации 50% при температурах вблизи Аr3 (750оС)

≤500 нм ≤1мкм ≥1мкм

EBSD - АНАЛИЗ

10

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ НА ТВЕРДОСТЬ СТАЛИ

25% 50%

920 °С, 25% 750 °С, 25%


920 °С

850 °С

200

220

240260

280

300

320

340360

380

400

Скорость охлаждения 20о/сек

920оС 850оС

0% 25% 50%

HV Микротвердость

750оС

Фрагментированный аустенит

Частично рекристаллизованный аустенит

Степень деформации

Повышение твердости – после пластической деформации при температурах на 100-150оС ниже температуры рекристаллизации за счет формирования фрагментированного аустенита. Понижение температуры до 750оС и деформация 50% увеличивают долю феррита в структуре, способствуя снижению твердости.

Сталь типа 06Г2НДФБТ

Увеличение доли феррита

11

Предотвращение значительного роста

зерна при нагреве

Измельчение зерна аустенита за счет рекристаллизации

Создание фрагментированной

структуры в аустените

Измельчение структуры при

фазовом превращении

Нагрев

Деформация выше температуры

рекристаллизации

Ускоренноеохлаждение

Измельчение структуры на всех иерархических уровнях, создание субмикро и нанокристаллической структуры,

квазиизотропной по толщине

РАЗРАБОТАННАЯ КОНЦЕПЦИЯ

ТРАДИЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Формирование структуры, неоднородной по толщине

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СУБМИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙСТРУКТУРЫ ПРИ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ


Деформация ниже температуры

рекристаллизации

12

5 мкм

ФОРМИРОВАНИЕ ФРАГМЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАЛОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Свойства листового проката, δ= 28 мм

поверхность середина

мкм

≤500 нм

%

σв=730 МПа

≤1мкм ≥1мкм

%

2-15о ≤15о

σ02=670 МПа 5=18% ИПГ=98%

Поверхность листового проката

Середина по толщине листового проката

Доля фрагментовСредний размер фрагментов Доля углов разориентировки


5 мкмСубзерна в бейните200-500 нм, х56000

Субзерна в феррите300-1000 нм, х10000

поверхность середина

200 нм100 нм

CTOD при -60ОС=0,35 ммСтатистическая обработка

13

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ С ЭЛЕМЕНТАМИ НАНОСТРУКТУРЫ

250 МПа

260 МПа 256 МПа

Х701420

t=26 мм

Х901220t=20мм

Рmax


0

-20

-40

-60

-80

Расчетная температура, подводные трубопроводы

Расчетная температура, наземные трубопроводы

Проба DWTT

Проба NDT

Х70

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОРМОЖЕНИЯ ХРУПКОЙ ТРЕЩИНЫ

минус 10оС минус 20оС

Проба NDT

Проба DWTT

Х90Рост прочности

Понижение критическихтемператур хрупкости

Возрастание допускаемого внутреннего давления в трубопроводе при росте

прочности стали

Традиционная сталь низкой

прочности

Высокопрочнаясталь с элементами

наноструктуры

14

Характер распространения вязкого разрушения в трубе из стали категории

Х70 (стендовые испытании ВНИИСТ)

РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО РАСКРЫТИЯ ТРЕЩИНЫ CTOD

Х70, толщина 26,8 ммХ80, толщина 27,7 ммХ90, толщина 20 мм

Требования DNV OS-F101


Обеспечение трещиностойкости в высокопрочных сталях с элементами наноструктуры на уровне низкопрочных сталей

15

Требования для газопровода

Число циклов нагрузки N за 25 лет эксплуатации при =0,7 предела текучести

РЕЗУЛЬТАТЫ ЦИКЛИЧЕСКИХ И РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТРУБ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ С ЭЛЕМЕНТАМИ НАНОСТРУКТУРЫ

104

2103

Х70 Х80Трубы


3104

5104

1,5104

Х90

Требования для нефтепровода

Результаты разрушающего статического испытания

Рразр = 250 атмдлина разрыва 2100 ммраскрытие – 290 ммутонение стенки - до 11 ммИсходная толщина – 25,8 мм

Конечная толщина

11 мм

Исходная толщина25,8 мм

Сужение поперечного сечения в изломеперед статическим разрушением предварительно

циклически нагруженной трубы

Высокая стойкость к статическим и циклическим нагружениям

16

СТОЙКОСТЬ К КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИМ РАЗРУШЕНИЯМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ, МОРСКОЙ ВОДЫ, В ТОМ ЧИСЛЕ В

ПРИСУТСТВИИ СЕРОВОДОРОДА


%100КК

ККК

22

50

Х70 Х80

Морская вода

Выполнение критерия высокого сопротивления коррозионно-механическому разрушению по СТО Газпром 2-5.1-148-2007 (утв. ОАО «Газпром» в 2008г.)

Почвенная среда

К, %

Требования ОАО «Газпром», К50

100

Коэффициент снижения пластичности при коррозионном воздействии

Х90

17

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конструкционные материалы с элементами

наноструктуры

Конструкционные материалы с регулируемой долей

наноструктуры:• за счет управляемой кристаллизации• интенсивной пластической деформации• прецизионной термической обработки

Инжиниринг поверхности и создание конструкционно-

функциональных элементов

прочностьвязкость

400-500нм 10-20мкм

200н

м

10-30нм

400 нм

500

нм

прочностьтрещиностойкость

10-30нм 400-500нм

50 нм

Защита от коррозионно- механических воздействий

Экономия за счет снижения легирования Резкое повышение экономичностиРезкое повышение свойств

30-50нм

РОСТ ПРОЧНОСТИ ПРИСОХРАНЕНИИ ВЯЗКОСТИ

РОСТ ПРОЧНОСТИ ПРИПОВЫШЕНИИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ,

НОВОЕ СОЧЕТАНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ

СВОЙСТВ

УНИКАЛЬНЫЕПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ

СВОЙСТВА


18


19

ОСНОВНЫЕ ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ разработка технологий изготовления наноструктурированных конструкционных сталей с пределом текучести до 1500 МПа с высокой пластичностью и вязкостью, отличающихся резким повышением экономичности производства за счет снижения уровня легирования на 20-25%, ресурсо- и энергозатрат, унификации химических составов как в части формирования свойств, так и в части назначения;

освоение промышленного производства наноструктурированных конструкционных сталей для широкого внедрения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, промышленном строительстве, транспортном и энергомашиностроении, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности;

создание рынка конкурентоспособных наноструктурированных конструкционных сталей с высоким комплексом потребительских свойств с объемом продаж не менее 9 млрд. руб. в год;

обеспечение роста объемов инновационных продуктов в металлургической и металлообрабатывающих отраслях промышленности;

подготовка, сохранение и рост высококвалифицированных научных и производственных кадров.


ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

““Прометей”Прометей”

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

Российская Федерация, 191015,Санкт- Петербург, ул. Шпалерная, д. 49Тел.: (812) 274-37-96Факс: (812) 710-37-56E-mail: [email protected]

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!Выражаем признательность всем сотрудникам института,

участвовавшим в выполнении этой работы

http://www.crism-prometey.ru/



Хлусова Е.И., первый зам. начальника НПК-3, д.т.н.

Documents

Transcript of Хлусова Е.И., первый зам. начальника НПК-3, д.т.н.