Промышленные технологии создания
advertisement
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 5104 Исходная толщина 25,8 мм 3104 1,5104 Требования для нефтепровода 104 Требования для газопровода 2103 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», К50 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: vvv@prometey2.spb.su www.crism-prometey.ru ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! Выражаем признательность всем сотрудникам института, участвовавшим в выполнении этой работы
