Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0071

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0071
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка сталей нового типа, в том числе легированных азотом, применительно к условиям Арктики для использования при добыче, хранении и транспортировке газа и нефти .
Докладчик
Капуткина Людмила Михайловна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Поиск и разработка новых материалов применительно к сложным климатическим условиям необходимы для более эффективного решения проблемы освоения арктического шельфа. Повышение надежности конструкций и работоспособности оборудования, применяемых при добыче и транспортировке нефти и газа в северных и сейсмически активных восточных регионах, связаны в первую очередь с решением задач по созданию хорошо свариваемых конструкционных материалов с повышенной прочностью, хладостойкостью, сопротивлением хрупким и вязким разрушениям, высокой коррозионной стойкостью.
Конкретная цель проекта – разработка легированных азотом сталей, отличающихся уникальным комплексом свойств: высокой прочностью и пластичностью (σв= 800–1000 МПа, δ>25%, KCU-100 > 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 циклическому нагружению и термоциклированию, а также свариваемостью.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность и новизна темы обусловлена необходимостью создания сталей нового типа с более широким набором гарантированных повышенных потребительских свойств, экономичных и по возможности доступных к освоению в ближайшей или среднесрочной перспективе.
На основе анализа развития новых материалов, в частности, высокопрочных, хладостойких, криогенных и коррозионностойких сталей:
- разработка сталей нового поколения с широким спектром гарантированных специальных и комплексом повышенных механических характеристик (прочности, пластичности, вязкости) для более широких диапазонов условий нагружения;
- унификация базовых составов сталей разного назначения;
- индивидуализация (конкретизация) дополнительного, в том числе комплексного легирования с привязкой к конкретному производству металлопродукции;
- повышение эффективности легирования стали за счет создания гибких технологий при жестком контроле каждого этапа производства металлопродукции для получения строго регламентированных структур;
- усиливается внимание к азоту как к легирующему элементу для упрочнения, повышения коррозионной стойкости, стабилизации аустенита, замены более дорогих легирующих элементов.
Описание исследования

В рамках исследований вводится ряд ограничений:

  • разрабатываются азотсодержащие стали (азот должен заменить в первую очередь никель);
  • разрабатываемые стали должны быть производимы на действующих предприятиях либо требования к вновь создаваемым сталям могли быть реализованы в краткосрочной или среднесрочной перспективе;
  • разрабатываемые стали должны обладать большим набором гарантированных специальных свойств без существенного изменения технологий производства, т.е. отличаться большой универсальностью по областям применения и общим подходом к технологиям производства металлопродукции.

На основании теоретических расчетов и экспериментальных исследований формулируются принципы выбора базового легирования, включая азот, структурного состояния, режимов термической и термомеханической обработок азотистых сталей, обеспечивающих получение плотного слитка и заданного комплекса специальных и механических свойств.

На основании термодинамических расчетов и построенных уточненных фазовых диаграмм сплавов систем Fe-Cr-Mn-Ni-Cu-Al-N-C определены температурные области существования возможных фаз в сплавах конкретных представительных составов экспериментальных сталей.

На выплавленных образцах экспериментальных сталей отработаны режимы предварительной ковки и горячей прокатки, заключительных операций термической и деформационных обработок, в частности, высокотемпературной термомеханической обработки.

Исследованы физические и механические свойства, новых сталей в широком диапазоне температур и условий нагружения (измерение плотности, твердости, испытания на статическое растяжение и на ударный изгиб при +100, +20 и при -175 (-196) °С, коррозионное растрескивание под нагрузкой (КРН) – растяжение с σ=670 МПа в 3% водном растворе NaCl в течение 720 часов), а также механическое поведение в условиях горячей и теплой деформации сжатием с использованием комплекса «Gleeble System 3800». Исследованы структурное и фазовое состояние (методами световой микроскопии, дилатометрии, рентгеноструктурного, магнитометрического анализа) этих сталей после различных обработок, их взаимосвязь со свойствами.

Исследовали сопротивление различным видам коррозии в неорганических средах: общей коррозии в морской воде (3% NaCl), в кислой среде (0,5M H2SO4, в том числе с продувкой H2S), питтинговой и межкристаллитной коррозии в тестовых растворах с использованием электрохимической станции Zive MP2 и стенда высокоинтенсивных кавитационных воздействий, а также в органической биоактивной среде, продуцирующей сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ).

Проведены циклические нагружения (в течение N = 106 циклов при σmax = 0,9σR, σmin = 0,1σmax) и термоциклирование (400 циклов в интервале от -100 °С до +100 °С) образцов новых сталей и последующие исследования их структуры, механических и коррозионных свойств.

Результаты исследования

Сбалансированность состава новых разработанных сталей по основным легирующим элементам, включая азот, позволяет получать плотный слиток и проводить горячую деформацию, термическую и термомеханическую обработку по схемам и режимам, не требующим повышения нагрузки на деформирующее оборудование, обычно сопутствующего более высокому содержанию азота в стали.

Разработанные стали после горячей прокатки и закалки из аустенитной области имеют требуемые уровни прочности и пластичности при растяжении при 20 °С и 100 °С, ударной вязкости при минус 100 °С и подтвердили стабильность аустенита при холодной деформации вплоть до δ=25 %: σв= 865–970 МПа, δ=2533%, KCU-100 = 2,0–2,3 МДж/м2. Уровень легированности аустенита этих сплавов гарантирует термическую стабильность аустенита по отношению к мартенситному превращению при охлаждении.

Новые хромоникельмарганцевые стали, легированные азотом и  совместно азотом и медью, даже при меньшем содержании никеля, не подвержены образованию питтингов в морской воде и в растворе хлорида железа (III) и более стойки к общей коррозии в кислой среде, в морской воде, в том числе при кавитационном воздействии на поверхность, по сравнению с традиционной сталью Х18Н9. Скорость общей коррозии в морской воде новых сталей составляет не более 0,01 мм/год.

Все разработанные коррозионностойкие стали стойки в биологически активной среде, продуцирующей СВБ, близки по показателям условной скорости коррозии, обрастанию микроорганизмами, выделению H2S и степени поражения поверхности под воздействием микроорганизмов не хуже стали Х18Н9. Добавка меди и совместно меди и азота повышают сопротивление локальным видам коррозии, компенсируя отрицательное влияние снижения содержания никеля и повышения содержания марганца.

Новые стали сохраняют устойчивую структуру аустенита, механические свойства и коррозионную стойкость после длительного циклического нагружения (N = 106 циклов, σmax = 400 МПа) и термоциклирования (от -100 °С до +100 °С).

Таким обозом, разработан новый класс комплекснолегированных высокопрочных аустенитных корроионностойких в неорганических и биоактивных средах конструкционных азотистых сталей с особыми свойствами (немагнитные, криогенные, с низкой магнитной  проницаемостью), которые достигаются за счет сбалансированного состава, специальной технологии выплавки и обработки. Стали отличаются стабильной структурой аустенита при статическом и длительном циклическом нагружении (при термоциклировнии и многоцикловой усталости).

Практическая значимость исследования
Комплексное легирование хромоникельмарганцевых сталей азотом и медью эффективно для упрочнения, увеличения термической и механической стабильности аустенита, его коррозионной стойкости, а также для получения новых потребительских свойств сталей. Новые разработанные малоникелевые экономичные коррозионностойкие стали могут быть использованы при температурах от +100 до -175 °С, при которых имеют стабильную аустенитную структуру и высокие механические свойства, могут при этих температурах заменить высоколегированные стали типа Х22Н16АГ7. Более высокая прочность сталей новых сталей по сравнению с традиционной коррозионностойкой сталью Х18Н9 обеспечивается за счет твердорастворного упрочнения благодаря большей степени легированности, в том числе азотом. Последующие обработки в технологическом процессе таких сталей должны исключать выдержки в двухфазных областях для предотвращения выделения карбидов и нитридов.
Разработанные новые стали благодаря их многофункциональности и уникальному сочетанию различных свойств не только повысят эксплуатационную надежность, и эффективность, экономичность, уменьшат материалоемкость арктических машин и сооружений, но могут использоваться во многих отраслях промышленности и существенно поднять уровень качества отечественной техники. Перечисленные характеристики новых сталей обладают патентоспособностью.
Данное исследование входит в научно-технологические мировые приоритеты развития.