Промышленные технологии создания

реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
“ПРОМЕТЕЙ”
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
СОЗДАНИЯ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
И СПЛАВОВ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Хлусова Е.И., первый зам. начальника НПК-3, д.т.н.
Горынин И.В., президент-научный руководитель, академик РАН
Рыбин В.В., первый заместитель генерального директора
по научной работе, чл.-корр. РАН
Малышевский В.А. зам. генерального директора, д.т.н., профессор
Орлов В.В., начальник сектора, к.т.н.
1
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
РОЛЬ СТРУКТУРЫ В ФОРМИРОВАНИИ ВАЖНЕЙШИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Два важнейших показателя механического поведения металлов при внешнем
нагружении:


сопротивление пластическому течению (предел текучести)
склонность к распространению хрупких трещин (трещиностойкость).
Традиционная система упрочнения
приводит к снижению
трещиностойкости
прочность
Упрочнение при наномодифицировании
позволяет сохранить высокий уровень
трещиностойкости
трещиностойкость
прочность
трещиностойкость
Уровень легирования
Нано
Микро
10-9м
10-6м
Размер структурных элементов
Уровень легирования не изменяется
Главенствующая роль мезоструктуры
(масштабный уровень фрагментов зерен и дислокационных субструктур: 100-3000 нм)
в формировании механических характеристик.
2
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СУБМИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ
КВАЗИИЗОТРОПНОЙ СТРУКТУРЫ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ
ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Макроскопическая деформация – согласованная эволюция внутренней структуры.
Пластическая деформация в материале определяется процессами, происходящими
на микро-, мезо- и макроуровнях:
скольжение (трансляция)
повороты (ротация)
целых структурных агрегатов.
Для исключения локализации деформации, преждевременного разрушения
и обеспечения протекания процессов релаксации напряжений при пластической
деформации конструкционных сталей, необходимо:
1.
Исключение формирования протяженных межфазных границ;
2.
Формирование мелкодисперсной карбидной фазы глобулярной морфологии;
3.
Формирование оптимальной структуры, максимально наследующей
фрагментированную структуру деформированного аустенита;
4.
Морфологическое подобие структурных составляющих,
преобладание структур глобулярного типа.
3
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ТИПЫ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ
Низкое содержание углерода, пониженный уровень легирования СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ГЛОБУЛЯРНОЙ МОРФОЛОГИИ
феррит
бейнит гранулярный
мартенсит
высокотемпературный
Высокое содержание углерода, повышенный уровень легирования СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ РЕЕЧНОЙ МОРФОЛОГИИ
перлит
бейнит реечный
мартенсит реечный
Структуры реечной морфологии в меньшей степени наследуют фрагментацию
аустенита по сравнению с глобулярными структурами
4
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ЗЕРНА ДЕФОРМИРОВАННОГО АУСТЕНИТА
НА МОРФОЛОГИЮ ПРОДУКТОВ γ→α-ПРЕВРАЩЕНИЯ
В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
06Г2НДФБТ, Vохл=20о/с
0,5C-1,5Mn-(Ni-V-Nb-Ti)
05ГНФБТ
0,6C-1,8Mn-(Ni-Cu-V-Nb-Ti)
06Г2НДФБТ
Реечный бейнит
0,5C-1,9Mn-(Ni-Cu-Мо-V-Nb-Ti)
05Г2НДМФБТ
___
___
исходное крупное зерно
05Г2НДМФБТ, Vохл=50о/с
исходное мелкое зерно
Гранулярный бейнит
06Г2НДФБТ, Vохл=5о/с
Реечный бейнит и мартенсит
Реечный бейнит
Измельчение
аустенитного
зерна
при
деформации
обусловливает
изменение
морфологии бейнитных структур с реечной на
глобулярную
Реечный и гранулярный бейнит
Гранулярный бейнит и5феррит
5
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И
СТРУКТУРУ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
0,5C-1,5Mn-(Ni-V-Nb-Ti)
05ГНФБТ
Нагрев до 1000оС, выдержка 5 мин., деформация 25%
при 920оС, размер зерна аустенита 40-60 мкм
0,6C-1,8Mn-(Ni-Cu-V-Nb-Ti)
06Г2НДФБТ
0,5C-1,9Mn-(Ni-Cu-Мо-V-Nb-Ti)
05Г2НДМФБТ
___ без деформации
___ с деформацией
Без деформации
VОХЛ=10оС/с
С деформацией
VОХЛ=10оС/с
Пластическая деформация низкоуглеродистой стали ниже температуры рекристаллизации
способствует увеличению доли структур глобулярного типа,
6
6
повышению их дисперсности
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ НА ФАЗОВЫЕ
ПРЕВРАЩЕНИЯ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 06Г2НДФБТ
Тдеф=920оС
Тдеф=750оС
Тдеф=850оС
40%
450
500
550
600
650
700
750
800
о
температура, С
90
80
70
60%
60
50
40
30
20
10
0
400
____ – 25%
____ – 50%
100
доля превращенного аустенита,%
50
40
30
20
10
0
400
____ – 0%
100
100
90
80
70
60
доля превращенного аустенита,%
доля превращенного аустенита, %
Относительная деформация при заданной температуре
450
500
550
600
650
700
750
800
90
80
70
60
50
40%
40
30
20
10
0
400
450
500
550
600
650
о
температура, С
700
750
температура, С
Скорость охлаждения 20о/сек
Наиболее эффективно с точки зрения увеличения доли превращенного аустенита в области
формирования глобулярных структур - повышение степени деформации до 50%
при температурах на 100-150оС ниже температуры рекристаллизации
800
о
7
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ НА ДИСПЕРСНОСТЬ И
СООТНОШЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕФОРМАЦИИ
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ
Сталь с феррито-перлитной структурой
Тдеф=803оС
Тдеф=780оС
Тдеф=780оС
Тдеф=725оС
=50%
=50%
=50%
=70%
=70%
Снижение температуры и повышение степени деформации измельчает ферритное зерно,
способствует формированию «вырожденного» перлита, обусловливает фрагментацию ферритного зерна
Тдеф=950оС
=40%
Сталь с феррито-бейнитной структурой
Тдеф=800оС
Тдеф=800оС
=40%
=60%
=80%
Понижение температуры деформации повышает дисперсность, повышение степени деформации при температуре
заторможенной рекристаллизации способствует изменению морфологии бейнита с реечной на гранулярную 8
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ РАЗМЕРОВ ФРАГМЕНТОВ И УГЛОВ ИХ РАЗОРИЕНТИРОВКИ ПОСЛЕ
РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ ДЕФОРМАЦИИ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 06Г2НДФБТ
Температура деформации 850оС
Температура деформации 750оС
EBSD - АНАЛИЗ
мк м
7
6
5
4
2,71
3
2
1,1
1
Максимальное
измельчение
фрагментов и наибольшая доля
фрагментов
размером
менее
500 нм
с большеугловыми
границами наблюдается после
деформации
50%
при
о
температурах вблизи Аr3 (750 С)
0
 = 25%
мкм
 = 15%
 =50%
Средний размер фрагментов
%
Доля фрагментов
≤500 нм
- Тдеф=850оС; =25%
≤1мкм
%
≥1мкм
- Тдеф=850оС; =50%
 = 50%
Доля углов разориентировки
2-15о
>15о
- Тдеф=750оС; =50%
9
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ НА ТВЕРДОСТЬ СТАЛИ
Сталь типа 06Г2НДФБТ
Микротвердость
HV
920 °С
400
380
360
Фрагментированный аустенит
340
320
300
25%
280
50%
260
240
220
200
Частично рекристаллизованный аустенит
0%
25%
850 °С
50%
Степень деформации
920оС
850оС
750оС
Скорость охлаждения 20о/сек
Повышение
твердости
–
после
пластической деформации при температурах
на
100-150оС
ниже
температуры
рекристаллизации за счет формирования
фрагментированного аустенита.
Понижение температуры до 750оС и
деформация
50%
увеличивают
долю
феррита в структуре, способствуя снижению
твердости.
920 °С, 25%
750 °С, 25%
Увеличение доли феррита
10
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СУБМИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ
СТРУКТУРЫ ПРИ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
ТРАДИЦИОННАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
Формирование структуры, неоднородной по толщине
Нагрев
Предотвращение
значительного роста
зерна при нагреве
Деформация выше
температуры
рекристаллизации
Измельчение зерна
аустенита за счет
рекристаллизации
Деформация ниже
температуры
рекристаллизации
Создание
фрагментированной
структуры в аустените
Ускоренное
охлаждение
Измельчение
структуры при
фазовом
превращении
РАЗРАБОТАННАЯ
КОНЦЕПЦИЯ
Измельчение структуры на всех иерархических уровнях,
создание субмикро и нанокристаллической структуры,
квазиизотропной по толщине
11
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ФОРМИРОВАНИЕ ФРАГМЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ
МАЛОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ
мкм
Средний размер фрагментов
Доля углов разориентировки
Доля фрагментов
%
%
поверхность
середина
≤500 нм
≤1мкм
≥1мкм
поверхность
Свойства листового проката, δ= 28 мм
σв=730 МПа
σ02=670 МПа
5=18%
2-15о
≤15о
середина
ИПГ=98% CTOD при -60ОС=0,35 мм
Статистическая обработка
100 нм
200 нм
5 мкм
5 мкм
Субзерна в феррите
300-1000 нм, х10000
Поверхность листового
проката
Субзерна в бейните
200-500 нм, х56000
Середина по толщине
12
листового проката
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ С ЭЛЕМЕНТАМИ НАНОСТРУКТУРЫ
Рmax
260 МПа
256 МПа
250 МПа
Традиционная
сталь низкой
прочности
Х70
1420
t=26 мм
Возрастание допускаемого
внутреннего давления в
трубопроводе при росте
прочности стали
Высокопрочная
сталь с элементами
наноструктуры
Х90
1220
t=20мм
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОРМОЖЕНИЯ ХРУПКОЙ ТРЕЩИНЫ
0
-20
Расчетная температура,
подводные трубопроводы
минус 10оС
минус 20оС
Расчетная температура,
наземные трубопроводы
-40
-60
-80
Проба
DWTT
Проба
NDT
Х70
Понижение критических
температур хрупкости
Рост прочности
Проба
DWTT
Проба
NDT
Х90
13
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО РАСКРЫТИЯ
ТРЕЩИНЫ CTOD
Характер распространения вязкого
разрушения в трубе из стали категории Х70
(стендовые испытании ВНИИСТ)
Требования
DNV OS-F101
Х70, толщина 26,8 мм
Х80, толщина 27,7 мм
Х90, толщина 20 мм
Обеспечение трещиностойкости в высокопрочных сталях с элементами наноструктуры
на уровне низкопрочных сталей
14
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
РЕЗУЛЬТАТЫ ЦИКЛИЧЕСКИХ И РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТРУБ ИЗ
ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ С ЭЛЕМЕНТАМИ НАНОСТРУКТУРЫ
Число циклов нагрузки N за 25 лет эксплуатации
при =0,7 предела текучести
Результаты разрушающего
статического испытания
5104
Исходная толщина
25,8 мм
3104
1,5104
Требования для
нефтепровода
104
Требования для
газопровода
2103
Х70
Х80
Х90
Конечная
толщина
11 мм
Сужение поперечного сечения в изломе
перед статическим разрушением предварительно
циклически нагруженной трубы
Трубы
Рразр = 250 атм
длина разрыва 2100 мм
раскрытие – 290 мм
утонение стенки - до 11 мм
Исходная толщина – 25,8 мм
Высокая стойкость к статическим и циклическим нагружениям
15
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
СТОЙКОСТЬ К КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИМ РАЗРУШЕНИЯМ ПРИ
ВОЗДЕЙСТВИИ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ, МОРСКОЙ ВОДЫ, В ТОМ ЧИСЛЕ В
ПРИСУТСТВИИ СЕРОВОДОРОДА
К
К, %
100
К  К 
К  К 
2
2
 100%
Коэффициент снижения пластичности
при коррозионном воздействии
50
Х70
Х80
Почвенная среда
Х90
Морская вода
Требования ОАО «Газпром», К50
Выполнение критерия высокого сопротивления коррозионно-механическому разрушению
по СТО Газпром 2-5.1-148-2007 (утв. ОАО «Газпром» в 2008г.)
16
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Конструкционные материалы
Конструкционные материалы с
с регулируемой долей
наноструктуры:
элементами
наноструктуры
• за счет управляемой кристаллизации
• интенсивной пластической деформации
• прецизионной термической обработки
10-20мкм
500 нм
400-500нм
Экономия за счет снижения легирования
10-30нм
200нм
Резкое повышение свойств
400-500нм
Инжиниринг поверхности и
создание конструкционнофункциональных элементов
Резкое повышение экономичности
30-50нм
10-30нм
50 нм
400 нм
вязкость
трещиностойкость
прочность
прочность
РОСТ ПРОЧНОСТИ ПРИ
СОХРАНЕНИИ ВЯЗКОСТИ
РОСТ ПРОЧНОСТИ ПРИ
ПОВЫШЕНИИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ,
НОВОЕ СОЧЕТАНИЕ
ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ
СВОЙСТВ
Защита от коррозионномеханических воздействий
УНИКАЛЬНЫЕ
ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ
СВОЙСТВА
17
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
18
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
ОСНОВНЫЕ ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
разработка
технологий
изготовления
наноструктурированных
конструкционных сталей с пределом текучести до 1500 МПа с высокой
пластичностью
и
вязкостью,
отличающихся
резким
повышением
экономичности производства за счет снижения уровня легирования
на 20-25%, ресурсо- и энергозатрат, унификации химических составов как в
части формирования свойств, так и в части назначения;
освоение
промышленного
производства
наноструктурированных
конструкционных сталей для широкого внедрения в судостроении,
топливно-энергетическом
комплексе,
промышленном
строительстве,
транспортном и энергомашиностроении, медицине, сельском хозяйстве и
других отраслях промышленности;
создание
рынка
конкурентоспособных
наноструктурированных
конструкционных сталей с высоким комплексом потребительских свойств с
объемом продаж не менее 9 млрд. руб. в год;
обеспечение роста объемов инновационных продуктов в металлургической
и металлообрабатывающих отраслях промышленности;
подготовка, сохранение и рост высококвалифицированных научных и
производственных кадров.
19
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
“Прометей”
Российская Федерация, 191015,
Санкт- Петербург,
ул. Шпалерная, д. 49
Тел.: (812) 274-37-96
Факс: (812) 710-37-56
E-mail: [email protected]
www.crism-prometey.ru
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Выражаем признательность всем сотрудникам института,
участвовавшим в выполнении этой работы
Скачать