Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых аустенитных нержавеющих конструкционных сталей, в том числе упрочненной дисперсными наночастицами, для работы при низких температурах в морской воде.

Номер контракта: 14.575.21.0070

Руководитель: Беляков Андрей Николаевич

Должность: ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
аустенитная азотосодержащая нержавеющая сталь, механические свойства при криогенных температурах, ударная вязкость, хрупко-вязкий переход, усталость, теплая прокатка, деформационное упрочнение, зернограничное упрочнение, твердорастворное упрочнение, дисперсные частицы

Цель проекта:
1. В рамках выполнения проекта будут решены следующие задачи: 1) Разработка новых азотосодержащих аустенитных сталей. 2) Разработка режимов их термомеханической обработки. 3) Определение комплекса механических и коррозионных свойств разработанного материала после термомеханической обработки. 4) Изготовление демонстрационных сваренных листов и определение относительной прочности сварного соединения. 2. Цель-разработка азотосодержащих аустенитных нержавеющих сталей нового типа и технологий их термомеханической обработки для применения в сооружениях и конструкциях различного назначения в арктических условиях вплоть до температур минус 100°С.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках проекта будут получены следующие результаты.
1) Листы гомогенной аустенитной стали с пределом прочности σв ≥820 МПа, δ>35%, KCU при минус 100°С > 1,5 МДж/м2 и устойчивой микроструктурой в интервале температур от минус 100°С до плюс 100°С; скорость общей коррозии в морской воде (3,5% раствор NaCl) не более 0,01 мм/год. База данных по статическим свойствам (σ0.2, σв, δ), ударной вязкости (KCU) в интервале температур минус 196 – 20°С, усталостной выносливости при комнатной температуре, механическому поведению в интервале температур 20-800°С, износостойкости, сопротивляемости общей коррозии, межкристаллитной коррозии и питтинговой коррозии.
2) Листы дисперсионно-упрочненной аустенитной стали с пределом прочности σв ≥1050 МПа, δ>25%, KCU при минус 100°С > 1,5 МДж/м2 и устойчивой микроструктурой в интервале температур от минус 100°С до плюс 100°С; скорость общей коррозии в морской воде (3,5% раствор NaCl) не более 0,01 мм/год. База данных по статическим свойствам (σ0.2, σв, δ), ударной вязкости (KCU) в интервале температур минус 196 – 20°С, усталостной выносливости при комнатной температуре, механическому поведению в интервале температур 20-800°С, износостойкости, сопротивляемости общей коррозии, межкристаллитной коррозии и питтинговой коррозии.
3) Лабораторные технологические инструкции получения и термомеханических обработок, регламентирующие производство листов вышеуказанных двух сталей с однородной мелкозернистой структурой.
4) Данные по влиянию размера зерна и деформационного упрочнения на твердость, предел текучести и ударную вязкость при криогенных температурах двух вышеуказанных сталей, а также сопротивление коррозии.
5) Данные по влиянию химического и фазового состава азотосодержащих сталей на динамическую и постдинамическую рекристаллизацию.
6) Опытная технология аргонно-дуговой или лазерной сварки листов из новых сталей с данными по свойствам сварного шва.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт реализуемого проекта - это две стали, нового типа, легированных азотом, отличающиеся микроструктурным дизайном. Кроме того разрабатываемые стали будут обладать уникальным комплексом свойств:
- высокой прочностью и пластичностью (σв = 800-1000 МПа, δ > 25%, KCU при минус 100С > 1,5 МДж/м2 и устойчивой микроструктурой в интервале температур от минус 100 до плюс 100°С;
- высокой стойкостью к различным видам коррозии в морской воде и в биоактивных средах;
- высокой устойчивостью к длительным циклическим и ударным нагружениям;
- свариваемостью.
Для реализации проекта и получения конечного продукта будут применены следующие методики:
-исследование структуры и фазового состава с использованием нового современного оборудования методом просвечивающей и растровой электронной микроскопии, включая методы высокого разрешения.
-проведение комплекса механических испытаний на растяжение, ударную вязкость, микротвердость по Виккерсу, циклических испытаний.
-проведение испытаний на коррозионную стойкость к различным видам коррозии.
-изготовление демонстрационных сваренных листов и определение относительной прочности сварного соединения.
Также стоит отметить, что по сравнению с современными мировыми аналогами, разрабатываемые стали будут отличаться экономным легированием дорогостоящими элементами.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Реализация разработанной технологии производства новых азотосодержащих аустенитных нержавеющих сталей позволит расширить спектр выпускаемой продукции за счет производства новых стальных полуфабрикатов, отличающихся улучшенными характеристиками ударной вязкости при пониженных температурах и коррозионной стойкости в морской воде. Востребованность такой продукции на отечественном рынке в первую очередь обусловлена необходимостью освоения нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе, что накладывает определенные требования к механическим свойствам (сочетание повышенной прочности и ударной вязкости при низких температурах) и коррозионной стойкости (стойкость в морской среде) материалов, используемых в конструкциях и сооружениях по добыче и транспортировке газа и нефти. Разрабатываемые стали и способы их обработки могут быть использованы также для производства полуфабрикатов для изготовления элементов конструкций различного назначения, включая объекты инфраструктуры, транспорт и судостроение, рассчитанные для применения в условиях крайнего севера. Полученные результаты могут быть также интересны предприятиям, связанным с производством специальных сталей, как например ОАО «Металлургический завод «Электросталь», ОАО «Мечел» – крупнейший производитель коррозионностойкой стали в России, ОАО «Металлургический завод «Электросталь, ВМК «Красный октябрь», Златоустовский МЗ, ЧМК «Северсталь», и др.

Текущие результаты проекта:
Исходя из разработанных требований к химическому составу, были отлиты две экспериментальные стали нового типа, легированные азотом: гомогенная и дисперсионно-упрочняемая аустенитные нержавеющие стали. Химический состав отливок сталей в исходном состоянии соответствовал всем требованиям, а именно: не более 0,05%С, 0,4-0,5%N, 20-23%Cr, 8-12%Ni, 4-10%Mn, 1-2%Mo, а дисперсионно-упрочняемая сталь дополнительно легирована ниобием в количестве 0,2-0,4%. По разработанным методам получения нового поколения сталей была проведена термомеханическая обработка отливок сталей, которая включала горячую ковку при 1100°С с последующей горячей прокаткой при температурах 950°С и 1000°С и последующим отжигом при 1000°С, в результате чего были получены экспериментальные образцы сталей нового типа, легированные азотом. В результате проведенных структурных исследований с помощью сканирующего электронного микроскопа был определен средний размер зерен после различных режимов термомеханической обработки отливок сталей. Было установлено, что размер зерен около 5 мкм был получен после горячей ковки при 1100°С с последующей горячей прокаткой при 950°С, а последующий отжиг приводит к рекристаллизации и росту зерна. По разработанной программе и методикам испытаний – 001.2014 ПМ были проведены механические испытаний на растяжение, твердость и ударную вязкость. В результате проведенных механических испытаний экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом после горячей ковки, прокатки и отжига следует, что все образцы выдержали испытания, полученные значения выше номинальных значений программы и методик – 001.2014 ПМ. По зависимости размера зерна от параметра Z(параметра Зинера-Холломона) были определены оптимальные режимы термомеханической обработки для получения в экспериментальных образцах сталей нового типа, легированных азотом однородной мелкозернистой структуры с размером зерен менее 5 мкм, которые заключаются в горячей ковке до степени деформации ε=0,7 при температуре 1100°С с последующей горячей прокаткой до истинной степени ε=0,7 при температуре 950°С. Экспериментальные образцы сталей нового типа были прокатаны в интервале температур от 20 до 800°С, для дальнейшего проведения механических испытаний с целью получения заданных техническим заданием свойств.