Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0070

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0070
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Название доклада
Разработка новых аустенитных нержавеющих конструкционных сталей, в том числе упрочненной дисперсными наночастицами, для работы при низких температурах в морской воде.
Докладчик
Беляков Андрей Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования - 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.
Задачи исследования:
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.

Актуальность и новизна исследования
Аустенитные стали широко используются как криогенные материалы. Основным недостатком этих сталей является низкая прочность . Существуют несколько способов повысить прочность аустенитных сталей. Во-первых, это холодная прокатка, которая позволяет получать в полностью нагартованном состоянии после холодной прокатки с обжатием 50-60% предел прочности выше 900 МПа при уменьшении пластичности > 10%. Во-вторых, измельчение зерна при термомеханической обработке в процессе горячей прокатки позволяет поднять прочность аустенитных сталей за счет зернограничного упрочнения по закону Холла-Петча. Однако, эффективность этого способа упрочнения невелика, поскольку чувствительность напряжений течений к размеру зерна, примерно в 2 раза меньше, чем в феррите. Третьим способом повышения прочности аустенитных сталей является их насыщение азотом. Применение аустенитных сталей с высоким содержанием азота позволяет получить высокую прочность при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости. Соответственно, разработка аустенитной стали, которая сочетает высокую прочность с высокой пластичностью и высокой ударной вязкостью представляет собой нетривиальную задачу. Исходя из существующих представлений об аустенитных сталях, эта задача не может быть решена только за счет какого-либо одного из трех перечисленных подходов. Таким образом, при реализации проекта данная задача решалась в результате совместной разработки как азотосодержащей аустенитной стали, так и технологии ее термомеханической обработки. Последнее особенно важно, поскольку термическая обработка является эффективным способом повышения механических свойств азотосодержащих аустенитных сталей.
Описание исследования

В рамках проекта было создано две стали, чтобы оценить применимость двух типов микроструктурного дизайна: гомогенная аустенитная сталь на основе твердого раствора и сталь матричного типа – аустенитная матрица, содержащая дисперсные частицы. Аустенитная матрица в обеих сталях имеет приблизительно одинаковый состав и отличается только содержанием такого γ-стабилизатора, как Mn. Во второй стали его количество увеличено на величину, которая компенсирует уменьшение содержание азота, который идет на образование карбонитридов M(C,N).

Были подобраны режимы термомеханической обработки, которые обеспечивают однородную структуру с размером зерна менее 5 мкм. Получение такой структуры необходимо для повышения прочности в соответствии с законом Холла-Петча и ударной вязкости при криогенных температурах за счет повышения однородности внутризеренного скольжения. Для разработки режимов получения рекристаллизованной структуры было изучено влияние скорости, температуры и степени горячей деформации на развитие динамической рекристаллизации в обеих сталях, а также времени последеформационной выдержки на постдинамическую рекристаллизацию. Структурные исследования проводили с помощью современного растрового электронного микроскопа, оснащенного детектором регистрации обратно-рассеянных электронов (метод EBSD).

Было изучено влияние размера зерна и деформационного упрочнения на твердость, предел текучести и ударную вязкость двух вышеуказанных сталей, а также сопротивление коррозии, включая общую межкристаллитную и питтинговую коррозию. Для этого были проведены механические испытания на растяжение с помощью универсальной напольной электромеханической испытательной машины Instron 5882 , измерена микротвердость с помощью цифрового прибора для испытания на твердость по микро-Виккерсу фирмы Instron, испытания на ударную вязкость проводили с использованием маятникового копра «Instron SI». Испытания на межкристаллитную коррозию проводили с помощью  установки Потенциостата IPC-Pro MF.

На основании разработанных лабораторных регламентов аргонно-дуговой и лазерной сварки из листов экспериментальных сталей нового типа были получены сварные швы на листах толщиной от 3 до 13 мм.

Результаты исследования

В рамках проекта были 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.

Практическая значимость исследования
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.
В отличие от существующих сталей климатического холода и криогенной техники, таких как 12ХН3А, 20Х13, 18Х2Н4МА, 12Х18Н10Т, 08Х15Н24В4ТР, 04Х21Н16АГ8М2ФД, разрабатываемые стали отличаются улучшенным комплексом механических свойств, а именно сочетанием высокой прочности и ударной вязкости при низких температурах вплоть до минус 100°С, и более экономным легированием, что обеспечивает более низкую себестоимость данных сталей по сравнению со сталями и сплавами с содержанием никеля более 15%.