Диспергирование структуры конструкционных Диспергирование структуры конструкционных сталей вплоть до наноуровня методами термической сталей вплоть до наноуровня методами термической

и термомеханической обработкии термомеханической обработкиСимонов Юрий НиколаевичСимонов Юрий Николаевич

д.т.н., зав. кафедрой «Металловедение и термическая обработка д.т.н., зав. кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Пермского государственного технического металлов» Пермского государственного технического

университетауниверситета

Направления исследованийНаправления исследований

1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со 1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со структурой бескарбидного бейнитаструктурой бескарбидного бейнита

2. Повышение характеристик надежности 2. Повышение характеристик надежности мартенситностареющих сталей путем создания в них мартенситностареющих сталей путем создания в них структуры типа «Нано-Триплекс»структуры типа «Нано-Триплекс»

3. Разработка принципов легирования и режимов термической 3. Разработка принципов легирования и режимов термической обработки низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих обработки низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих получение структуры блочного наномартенситаполучение структуры блочного наномартенсита

4.Разработка технологии диспергирования структуры 4.Разработка технологии диспергирования структуры низколегированной конструкционной стали вплоть до низколегированной конструкционной стали вплоть до наноуровня с целью создания материала для сосудов наноуровня с целью создания материала для сосудов высокого давления.высокого давления.

5. 5. Разработка методов оценки динамической трещиностойкости Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических материаловнаноструктурированных металлических материалов

Механизмы упрочнения металлов и сплавовМеханизмы упрочнения металлов и сплавовПрепятствия, которые вводятся в решетку для затруднения Препятствия, которые вводятся в решетку для затруднения

движения дислокаций, могут быть подразделены, в соответствии с их движения дислокаций, могут быть подразделены, в соответствии с их геометрическими размерами, на 4 группы: 0-мерные геометрическими размерами, на 4 группы: 0-мерные легирующие легирующие атомы замещения и внедрения; 1-мерные атомы замещения и внедрения; 1-мерные дислокации; 2-мерные дислокации; 2-мерные границы зерен, субзерен, двойников, фаз; 3-мерные границы зерен, субзерен, двойников, фаз; 3-мерные частицы второй частицы второй фазы. В соответствии с этим, рассматривают 4 основных механизма фазы. В соответствии с этим, рассматривают 4 основных механизма упрочнения. Для описания соотношений между плотностью упрочнения. Для описания соотношений между плотностью препятствий и приростом предела текучести используют следующие препятствий и приростом предела текучести используют следующие соотношения:соотношения: ∆ ∆ σσ11= α G c= α G c1/21/2 твердорастворное упрочнение. - ТРУ; твердорастворное упрочнение. - ТРУ;

∆∆ σ σ22= a G b ρ= a G b ρ1/21/2 дислокационное (деформационное) упрочнение - дислокационное (деформационное) упрочнение - Дисл.У;Дисл.У;∆∆ σ σ33= k d = k d 1/21/2 упрочнение границами зерен. - ЗГУ; упрочнение границами зерен. - ЗГУ;∆∆ σ σ44= β G b λ = β G b λ 11 дисперсионное упрочнение. - ДУ; дисперсионное упрочнение. - ДУ;в формулах: в формулах: αα безразмерная постоянная, характеризующая безразмерная постоянная, характеризующая

удельное упрочняющее действие растворенных атомов; удельное упрочняющее действие растворенных атомов; GG модуль модуль сдвига матричного металла; сдвига матричного металла; сс концентрация растворенных атомов; концентрация растворенных атомов; аа, , ββ ≈≈ 0,5; 0,5; bb вектор Бюргерса; вектор Бюргерса; ρρ плотность дислокаций; плотность дислокаций; kk постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие границ элементов структуры и субструктуры, границ элементов структуры и субструктуры, λλ – расстояние между – расстояние между дисперсными частицами.дисперсными частицами.

Тогда предел текучести сплава, в котором действуют все Тогда предел текучести сплава, в котором действуют все указанные механизмы упрочнения, можно рассчитать как: указанные механизмы упрочнения, можно рассчитать как: σσ0,20,2 = σ = σ00 + +

∆∆σσ11 + + ∆∆ σ σ22 + + ∆∆σσ33 + + ∆∆σσ44, где , где σσ00 – предел текучести монокристалла (для – предел текучести монокристалла (для α-Fe α-Fe σσ00 ~ 30 МПа) ~ 30 МПа)

Причина перспективности использования Причина перспективности использования зернограничного упрочнениязернограничного упрочнения

Закон Холла –Петча:Закон Холла –Петча:

σσ0,20,2= σ= σ00 + k d + k d 1/21/2,,

то есть, с измельчением зерна сопротивление то есть, с измельчением зерна сопротивление пластической деформации (предел текучести) растет.пластической деформации (предел текучести) растет.

Закон Коттрелла:Закон Коттрелла:

σσСС = σ = σ0 0 + k + k 1 1 β G γ d β G γ d 1/2 1/2 ,,

то есть, с измельчением зерна растет сопротивление то есть, с измельчением зерна растет сопротивление хрупкому разрушениюхрупкому разрушению

В формулах:В формулах:

σσ0 0 – предел текучести монокристалла (для α-Fe σ – предел текучести монокристалла (для α-Fe σ00 ~ 30 МПа) ~ 30 МПа) kk постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие

границ элементов структуры и субструктуры,границ элементов структуры и субструктуры,

dd – размер зерна, – размер зерна, β β – коэффициент, учитывающий тип напряженного состояния,– коэффициент, учитывающий тип напряженного состояния, G – G – модуль сдвига,модуль сдвига, γ - γ - удельная поверхностная энергия.удельная поверхностная энергия.

1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со 1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со структурой бескарбидного нанобейнита.структурой бескарбидного нанобейнита.

а

300 нм

γ

γ α

50нм

в

Структура стали 38ХС с бескарбидным бейнитом (а, б)На рис. а, б - основных: светлые области – бейнитный феррит, темные области –

остаточный аустенит (т.н. светлопольное изображение);На рис. а, б дополнительных – темные области – бейнитный феррит, светлые области –

остаточный аустенит (т.н. темнопольное изображение). Рис.в: высокоуглеродистая сталь типа 100Х2Г2С2

300 нм

б

γ

Режимы термической обработки и характеристики Режимы термической обработки и характеристики механических свойств стали 38ХС со структурой механических свойств стали 38ХС со структурой

бескарбидного бейнита.бескарбидного бейнита.

Режим термообработкиАост+20 , %Аост-196, %

В / 0,2,

МПа

KCU КСТIC,

МПа м1/2МДж/м2

Изотерм. закалка:920 оС, 20 мин. →420 оС, 20 мин., вода

265

1350 / 750 0,4 0,07 58

Изотерм. закалка:920 оС, 20 мин. →370 оС, 20 мин., вода

2220

1450 / 1200 1,2 0,3 113

Закалка920 оС, 20 мин., масло ++ отпуск 200 оС, 2 часа

8 1750 / 1650 0,7 0,2 53

Закалка920 оС, 20 мин., масло ++ отпуск 600 оС, 2 часа

1050 / 850 1,6 1,4 104

2. Повышение характеристик надежности 2. Повышение характеристик надежности мартенситностареющих сталей путем создания в них мартенситностареющих сталей путем создания в них структуры типа «Нано-Триплекс»структуры типа «Нано-Триплекс»

Схемы формирования аустенита различных типов в стали МС-200 (03Н18К9М5Т): а – ревертированного аустенита в при закалке из межкритического интервала температур (600 - 700°С); б – аустенит при скоростном нагреве до 820 °С с короткой выдержкой; в – остаточный аустенит после скоростной закалки от 820 °С; г – формирование ревертированного аустенита в процессе окончательного старения при 490 °С.

Структура «Нано-Триплекс» в стали МС-200

1 – мартенсит;

2 – остаточный аустенит

3 – ревертированный аустенит II

300 нм

1

2

3

Механические свойства стали МС-200 с различными типами Механические свойства стали МС-200 с различными типами аустенитааустенита

Доля аустенита, % Механические свойства

Общее к-во Доля Рев. А Доля Ост. А σВ, МПа σ0,2, МПа KCU+20 / KCU-196

МДж/м2

Jc,МДж/м2

Сталь МС-200 без аустенита (100% мартенсит + интерметаллиды)

0 0 0 2100 2000 0,40 / 0,25 0,05

Сталь МС-200 с ревертированным аустенитом

20 20 0 1750 1700 0,50 / 0,30 0,06

Сталь МС-200 с остаточным аустенитом

20 0 20 1780 1750 0,85 / 0,43 0,13

Сталь МС-200 с обоими типами аустенита (Структура «Нано-Триплекс»)

40 10 30 1710 1630 1,00 / 0,55 0,14

40 16 24 1870 1820 0,90 / 0,50 0,12

40 20 20 1900 1860 0,85 / 0,50 0,11

Кроме того, сталь со структурой «Нано-Триплекс» обладает высокой циклической трещиностойкостью, а также - исключительно высоким сопротивлением ударной усталости.

3. Разработка принципов легирования и режимов 3. Разработка принципов легирования и режимов термической обработки низкоуглеродистых сталей, термической обработки низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих получение структуры блочного обеспечивающих получение структуры блочного наномартенситананомартенсита

Структура блочного наномартенсита Структура блочного наномартенсита низкоуглеродистой стали низкоуглеродистой стали 12Х2Г2НМФТ12Х2Г2НМФТ

500 нмУровень свойств, достигнутый за счет наноструктурирования низкоуглеродистого мартенсита на стали с 0,12-0,14% углерода: предел прочности ~ 1600 МПа, предел текучести ~ 1400 МПа, ударная вязкость на образцах с трещиной, КСТ ~ 1.0 МДж/м2.Ожидается, что повышение содержания углерода до 0,20-0,25% при условии сохранения структуры блочного наномартенсита приведет к дальнейшему повышению уровня прочности при неизменном уровне трещиностойкости (или небольшом его снижении).

4. Разработка технологии диспергирования структуры 4. Разработка технологии диспергирования структуры низколегированной конструкционной стали вплоть до низколегированной конструкционной стали вплоть до наноуровня с целью создания материала для сосудов наноуровня с целью создания материала для сосудов высокого давления.высокого давления.

Р 32

1

Р

Схема штамповки обкатыванием (ШО)

1 – прецессирующий инструмент;

2 – Деформируемая трубная заготовка;

3 - оправка

1

2

3 Во второй половине ХХ века Во второй половине ХХ века были разработаны способы были разработаны способы ХПД, позволяющие, за счет ХПД, позволяющие, за счет многократной локальной многократной локальной деформации, реализовать деформации, реализовать в заготовках сверхвысокие в заготовках сверхвысокие степени суммарной степени суммарной пластической деформации, пластической деформации, которые, в отличие от которые, в отличие от традиционных способов традиционных способов ХПД, способствующих ХПД, способствующих наноструктурированию, наноструктурированию, позволяют получать позволяют получать заготовки, пригодные для заготовки, пригодные для последующего последующего промышленного промышленного использования: листовая, использования: листовая, трубная заготовка и т.п. К трубная заготовка и т.п. К таким, наиболее таким, наиболее перспективным способам, перспективным способам, относят штамповку относят штамповку обкатыванием. обкатыванием.

Структура стали 35Х после обработки по режиму: термическое улучшение + ШО 63% + отжиг 570 °С

Сравнительный анализ требований ОСТ 3-1686-80 Сравнительный анализ требований ОСТ 3-1686-80

для изделий типа «труба» и характеристик механических для изделий типа «труба» и характеристик механических свойств трубных заготовок после различных режимов свойств трубных заготовок после различных режимов

обработкиобработки

Категория прочности по ОСТ 3-1686-80 для изделий типа «труба»

σ0,2,

МПа

δ,%

ψ,%

KCU+20, МДж/м2

Не менее

КС55 550 12 45 0,66

КС70 700 9 45 0,60

КС100 1000 5 40 0,44

Свойства трубных заготовок в зависимости от режима обработки

Режим обработки σ0,2,

МПа

δ,%

ψ,%

KCU+20, МДж/м2

Термоулучшение: закалка 860°С, вода + отпуск 570°С, 2 часа (исходное состояние)

550 15 65 1,65

ШО, ε = 42%, без отжига 900 12 65 1,60

ШО, ε = 63%, без отжига 952 11 60 1,48

ШО, ε = 42% + отжиг 570, 2 часа 700 18 68 2,0

ШО, ε = 63% + отжиг 570, 2 часа 757 17 67 1,80

Разработка методов оценки динамической Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических трещиностойкости наноструктурированных металлических

материаловматериалов

Испытания образцов с трещиной различной длины. Испытания образцов с трещиной различной длины. Образцы без боковых надрезовОбразцы без боковых надрезов

1

2

4

3

Сталь 09Г2С, закалка с отпуском:

1 – отпуск 200, 2 – отпуск 400,

3 – отпуск 500. 4 – отпуск 650°С

Изломы образцов стали 09Г2С с трещиной различной длины после отпуска 200°С

Разработка методов оценки динамической Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических трещиностойкости наноструктурированных металлических

материаловматериалов

Испытания образцов с трещиной различной длины. Испытания образцов с трещиной различной длины. Образцы с боковыми надрезамиОбразцы с боковыми надрезами

Изломы образцов стали 09Г2С с боковыми надрезами и с трещиной различной длины после отпуска 650°С

МикромеханиМикромеханизм роста зм роста трещинытрещины

09Г2С 09Г2С ЗакалкаЗакалка925925°°С, вода,С, вода,Отпуск 200Отпуск 200°°ССКСТКСТ** = 60 = 60 Дж/см 2Дж/см 2

Построение диаграмм динамической трещиностойкости и Построение диаграмм динамической трещиностойкости и характеристики динамической трещиностойкостихарактеристики динамической трещиностойкости

Сталь 09Г2С, диаграммы динамической

трещиностойкости

СХЕМА ДДТ И ХАР-КИ ДТ

Схема ДДТ и характеристики ДТ

Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!Вопросы?Вопросы?