Регистрация / Вход
Прислать материал

14.583.21.0012

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.583.21.0012
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Название доклада
Разработка научных основ получения сверхпрочных наноструктурных сталей методом интенсивной пластической деформации за счёт комбинирования механизмов упрочнения.
Докладчик
Валиев Руслан Зуфарович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Одной из актуальных задач современного физического материаловедения, на решение которой направлен проект, является повышение прочностных свойств сталей, в частности, аустенитных сталей.
Целью исследования является выявление параметров наноструктур и комбинации механизмов, ответственных за проявление сверхпрочности аустенитных сталей, и развитие методов интенсивной пластической деформации (ИПД) для получения объёмных наноструктурных заготовок исследуемых сталей для передовых промышленных применений.
Основные научно-технические задачи исследования:
1) Создание наноструктур различного типа в исследуемых сплавах за счёт использования методов интенсивной пластической деформации.
2) Исследования тонкой структуры образцов с различным типом сформированных наноструктур.
3) Измерение механических (прочностных) характеристик экспериментальных образцов.
4) Проведение работ по теоретическому исследованию структурных вкладов в упрочнение и упрочняющих механизмов с использованием многоуровневого компьютерного моделирования.
5) Установление взаимосвязи механических свойств с параметрами наноструктур, образуемых при различных режимах деформационной и пост-деформационной обработки. Выявление природы формирования сверхпрочных состояний.
6) Исследование коррозионной стойкости и термостабильности полученных образцов наноструктурных сталей.
7) Разработка технологических режимов получения объёмных заготовок наноструктурных сталей в виде прутков с повышенными прочностными характеристиками.
Актуальность и новизна исследования
Современные высокотехнологичные отрасли промышленности предъявляют высокие требования к прочности конструкционных материалов на основе железа, что требуется для передовых применений высокоточного и наукоёмкого производства.
Традиционно для достижения высокой прочности сплавов используется вариация химического состава сплава, приводящего к упрочнению за счёт изменения фазового состава, выделения частиц, и т.д. В последнее время одним из актуальных методов повышения прочностных свойств конструкционных материалов становится повышение за счёт модификации их зёренной структуры. Дополнительное повышение прочности достигается в результате формирования в материале нанокристаллических зёрен. Стали и сплавы с ультрамелкозернистой или нанокристаллической структурой характеризуются высокими прочностными характеристиками при сохранении приемлемого ресурса пластичности даже при пониженных температурах.
В настоящее время одним из наиболее перспективных подходов в этой области представляется метод интенсивной пластической деформации (ИПД), позволяющий за счёт варьирования параметров обработки получать различные наноструктуры в широком спектре металлических материалов. При этом увеличение прочности достигается не только за счёт уменьшения размера зёрен, но и за счёт совместного действия ряда других упрочняющих механизмов.
В результате исследования разработаны научные основы получения и впервые получены объёмные заготовки наноструктурных аустенитных хромо-никелевых и TWIP сталей с повышенными прочностными свойствами за счёт реализации комбинированных механизмов упрочнения.
Описание исследования

1) Создание наноструктур различного типа в исследуемых сплавах за счёт использования методов ИПД.

Использовались преимущества методов ИПД для формирования наноструктур с различными параметрами в выбранных материалах исследования. Были использованы два метода ИПД – интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) и равноканально-угловое прессование (РКУП).

Осуществление метода ИПДК позволило получить лабораторные образцы (диски диаметром 10 мм и 20 мм и толщиной до 1 мм) с разными типами наноструктур для проведения всесторонних экспериментальных исследованийа также для валидации результатов разработанных и использованных для анализа механизмов упрочнения теоретических моделей.

На основе полученных фундаментальных знаний о природе проявления сверхпрочности в исследуемых сталях были разработаны режимы получения объёмных заготовок наноструктурных сталей с использованием метода РКУП. В результате были получены заготовки из наноструктурных сталей в виде прутков диаметром 10-16 мм и длиной 60-80 мм.

2) Исследования тонкой структуры образцов с различным типом сформированных наноструктур.

С помощью исследований микроструктуры полученных образцов удалось получить информацию о таких параметрах тонкой структуры, как размер и распределение зёрен по размерам, фазовый состав, характеристики (размер, форма, пространственное распределение) выделений и частиц, плотность кристаллографических дефектов, текстура, состояние и спектр разориентировок границ зёрен, особенности распределения легирующих элементов, объёмная доля и размеры двойников. Эти данные необходимы для сопоставления структуры и свойств объектов исследования, для входных данных и валидации разработанных компьютерных моделей, а также для анализа комбинированного действия упрочняющих механизмов.

3) Измерение механических (прочностных) характеристик экспериментальных образцов.

Повышение прочностных свойств исследуемых сталей является центральной линией данного проекта, и измерение механических свойств является одной из ключевых задач проекта. Полученные образцы проходили экспресс-тестирование твёрдости на предмет контроля уровня свойств и однородности распределения по поверхности образца. Механические испытания на растяжения предоставили  информацию о прочности (предел текучести и предел прочности) и пластичности (удлинение до разрушения) данных материалов, также проводилось наноиндентирование для определения механических свойств, динамики и механизмов деформации. Полученные истинные кривые

«напряжение-деформация» были также использованы в качестве исходных данных для моделирования ИДП-процессов получения наноструктурных сталей на макроуровне методом конечных элементов.

4) Проведение работ по теоретическому исследованию структурных вкладов в упрочнение и упрочняющих механизмов с использованием многоуровневого компьютерного моделирования.

На макроуровне при помощи конечно-элементных моделей исследовались особенности течения материала с учётом технологических параметров, на мезоуровне – деформационное поведение поликристаллического материала при данной схеме нагружения в рамках моделей поликристаллической пластичности, на микро – эволюция параметров микроструктуры на основе дислокационных и микромеханических моделей.

5) Установление взаимосвязи механических свойств с параметрами наноструктур, образуемых при различных режимах деформационной и пост-деформационной обработки. Выявление природы формирования сверхпрочных состояний.

Были выявлены закономерности формирования наноструктурных состояний, обеспечивающих комбинированное действие упрочняющих механизмов и обуславливающих проявление сверхпрочности, то есть прочности, превышающей значение, рассчитанной для данного размера зёрен согласно соотношению

Холла-Петча. Решение этой задачи позволяет осуществить целенаправленное формирование методами ИПД высокопрочных состояний в исследуемых материалах.

6) Исследование коррозионной стойкости и термостабильности полученных образцов наноструктурных сталей.

Были выполнены исследования коррозионной стойкости и термической стабильности исследуемых сталей в сравнении с их крупнозернистыми аналогами и материалами, подвергнутыми традиционной деформационной обработке.

7) Разработка технологических режимов получения объёмных заготовок наноструктурных сталей в виде прутков с повышенными прочностными характеристиками.

Была осуществлена модернизация существующих установок для РКУП и последующих формообразующих термомеханических обработок для получения полуфабрикатов разной формы и размеров. 

Результаты исследования

В ходе исследования были получены следующие научные и научно-технические результаты:
1. Отчеты о прикладных научных исследованиях, содержащие следующую информацию:

- закономерности формирования наноструктур в аустенитной TWIP стали и стали типа 08Х18Н10Т методами ИПД;

- научно обоснованные подходы к формированию оптимальных наноструктур в аустенитной TWIP стали и стали 08Х18Н10Т для достижения высокопрочного состояния за счёт комбинирования механизмов упрочнения;

- результаты определения параметров тонкой структуры лабораторных образцов высокопрочных наноструктурных аустенитных сталей, полученных разными методами ИПД;

- результаты испытания механических, коррозионных и термических свойств экспериментальных заготовок в виде прутков из высокопрочных наноструктурных аустенитных сталей;

- результаты моделирования процессов получения, формирования структуры и анализа упрочняющих механизмов наноструктурных аустенитных сталей, полученных разными методами ИПД.

2. Отчеты о патентных исследованиях в области подходов к получению высокопрочных аустенитных сталей. 

3. Лабораторные образцы высокопрочных наноструктурных аустенитных сталей, полученных разными методами ИПД.

4. Экспериментальные объёмные заготовки в виде прутков из высокопрочных наноструктурных аустенитных сталей с повышенными характеристиками прочности.

5. Методика получения лабораторных наноструктурных образцов.

6. Методики испытания механических, коррозионных и термических свойств экспериментальных заготовок в виде прутков из высокопрочных наноструктурных аустенитных сталей.

7. Методика определения параметров тонкой структуры лабораторных образцов высокопрочных наноструктурных аустенитных сталей, полученных разными методами ИПД.

8. Технические требования (ТЗ) на проведение ОКР/ОТР по разработке полуфабрикатов из высокопрочных сталей в виде прутков для автомобильной промышленности.

В качестве объекта исследований выступали как традиционная нержавеющая сталь 08Х18Н10Т, широко используемая для конструкционных применений, так и сталь нового типа, т.н. TWIP сталь. В результате исследований разработаны научные основы получения и впервые получены объёмные заготовки наноструктурных аустенитных хромо-никелевых и TWIP сталей с повышенными прочностными свойствами за счёт реализации комбинированных механизмов упрочнения.

На основе комбинации механизмов упрочнения показана возможность рекордного увеличения прочностных свойств исследуемых сталей в наноструктурном состоянии. Продемонстрированный уровень свойств превышает все показатели, опубликованные на данный момент (т.е. выше мирового уровня). Так, по имеющимся литературным данным, максимальные значения предела текучести TWIP стали были достигнуты на уровне 1500 МПа. В рамках настоящего исследования удалось достигнуть следующих показателей для TWIP-стали: предел прочности – свыше 2000 МПа, предел текучести – 1900 МПа.

Проведено исследование коррозионных свойств и термостабильности полученных наноструктурных сталей, для того, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к данным материалам в промышленности. Выработаны рекомендации по режимам обработки аустенитных коррозионно-стойких сталей с целью получения такого структурного состояния, которое являлось бы гарантом получения заданных механических и служебных характеристик.

Практическая значимость исследования
Результаты проведенных исследований могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание опытно-промышленных технологических процессов получения полуфабрикатов в виде прутков ультрамелкозернистых наноструктрных сплавов для изготовления изделий и устройств с высоким комплексом прочностных характеристик, востребованных на российском и мировом рынках. При этом в качестве потребителей таких полуфабрикатов могут выступать предприятия, занимающиеся изготовлением топливных инжекторов автомобильных двигателей, предприятия, занимающиеся разработкой МЭМС, а также предприятия, испытывающие потребность в новых радиационно-стойких материалах или материалов с повышенной прочностью. Прогнозируемый социальный эффект от использования высокопрочных наноструктурных сталей весьма существенен, и он выражается прежде всего в уменьшении энергопотребления, увеличении срока службы изделий, а также повышении их эффективности.
На начальном этапе доведения результатов проекта до потребителя необходимы маркетинговые исследования для определения наиболее перспективных изделий и заказчиков, поиск дополнительных инвесторов в России и за рубежом с целью создания опытно-промышленного производства полуфабрикатов из наноструктурных сталей. Возможна также продажа технологий и лицензий на производство полуфабрикатов из наноструктурных аустенитных сталей, изготовление специфического оборудования и оснасток.
Потенциальными потребителями изделий из наноструктурных аустенитных сталей являются:
- Предприятия автомобильной промышленности;
- Предприятия, связанные с атомным реакторостроением и аэрокосмической промышленностью;
- Предприятия, связанные с разработкой и производством микро электромеханических систем (МЭМС).