Направления исследований

1. Диспергирование структуры конструкционных сталей вплоть до наноуровня методами термической и термомеханической обработкиСимонов Юрий Николаевичд.т.н., зав. кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Пермского государственного технического университета Направления исследований 1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со структурой бескарбидного бейнита 2. Повышение характеристик надежности мартенситностареющих сталей путем создания в них структуры типа «Нано-Триплекс» 3. Разработка принципов легирования и режимов термической обработки низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих получение структуры блочного наномартенсита 4.Разработка технологии диспергирования структуры низколегированной конструкционной стали вплоть до наноуровня с целью создания материала для сосудов высокого давления. 5. Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических материалов

2. Механизмы упрочнения металлов и сплавов Препятствия, которые вводятся в решетку для затруднения движения дислокаций, могут быть подразделены, в соответствии с их геометрическими размерами, на 4 группы: 0-мерные  легирующие атомы замещения и внедрения; 1-мерные  дислокации; 2-мерные  границы зерен, субзерен, двойников, фаз; 3-мерные  частицы второй фазы. В соответствии с этим, рассматривают 4 основных механизма упрочнения. Для описания соотношений между плотностью препятствий и приростом предела текучести используют следующие соотношения: ∆ σ1= α G c1/2 твердорастворное упрочнение. - ТРУ;∆ σ2= a G b ρ1/2 дислокационное (деформационное) упрочнение - Дисл.У;∆ σ3= k d 1/2 упрочнение границами зерен. - ЗГУ;∆ σ4= β G b λ 1 дисперсионное упрочнение. - ДУ; в формулах: α безразмерная постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие растворенных атомов; G модуль сдвига матричного металла; с концентрация растворенных атомов; а, β≈ 0,5; b вектор Бюргерса; ρ плотность дислокаций; k постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие границ элементов структуры и субструктуры, λ – расстояние между дисперсными частицами. Тогда предел текучести сплава, в котором действуют все указанные механизмы упрочнения, можно рассчитать как: σ0,2 = σ0 + ∆σ1 + ∆ σ2 + ∆σ3 + ∆σ4, где σ0 – предел текучести монокристалла (для α-Fe σ0 ~ 30 МПа)

3. Причина перспективности использования зернограничного упрочнения Закон Холла –Петча: σ0,2= σ0 + k d 1/2, то есть, с измельчением зерна сопротивление пластической деформации (предел текучести) растет. Закон Коттрелла: σС = σ0 + k 1 β G γ d 1/2 , то есть, с измельчением зерна растет сопротивление хрупкому разрушению В формулах: σ0 – предел текучести монокристалла (для α-Fe σ0 ~ 30 МПа) k постоянная, характеризующая удельное упрочняющее действие границ элементов структуры и субструктуры, d – размер зерна, β – коэффициент, учитывающий тип напряженного состояния, G – модуль сдвига, γ - удельная поверхностная энергия.

4. а б в γ γ α γ 300 нм 300 нм 50нм 1. Разработка и внедрение конструкционных сталей со структурой бескарбидного нанобейнита. 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

5. Режимы термической обработки и характеристики механических свойств стали 38ХС со структурой бескарбидного бейнита.

6. 300 нм 2 1 3 2. Повышение характеристик надежности мартенситностареющих сталей путем создания в них структуры типа «Нано-Триплекс» Структура «Нано-Триплекс» в стали МС-200 1 – мартенсит; 2 – остаточный аустенит 3 – ревертированный аустенит II 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.

7. Механические свойства стали МС-200 с различными типами аустенита Кроме того, сталь со структурой «Нано-Триплекс» обладает высокой циклической трещиностойкостью, а также - исключительно высоким сопротивлением ударной усталости.

8. 500 нм 3. Разработка принципов легирования и режимов термической обработки низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих получение структуры блочного наномартенсита Уровень 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). Структура блочного наномартенсита низкоуглеродистой стали 12Х2Г2НМФТ

9. Р 3 2  1 4. Разработка технологии диспергирования структуры низколегированной конструкционной стали вплоть до наноуровня с целью создания материала для сосудов высокого давления. Р 3 Во второй половине ХХ века были разработаны способы ХПД, позволяющие, за счет многократной локальной деформации, реализовать в заготовках сверхвысокие степени суммарной пластической деформации, которые, в отличие от традиционных способов ХПД, способствующих наноструктурированию, позволяют получать заготовки, пригодные для последующего промышленного использования: листовая, трубная заготовка и т.п. К таким, наиболее перспективным способам, относят штамповку обкатыванием. 2 1 Схема штамповки обкатыванием (ШО) 1 – прецессирующий инструмент; 2 – Деформируемая трубная заготовка; 3 - оправка Структура стали 35Х после обработки по режиму: термическое улучшение + ШО 63% + отжиг 570 °С

10. Сравнительный анализ требований ОСТ 3-1686-80 для изделий типа «труба» и характеристик механических свойств трубных заготовок после различных режимов обработки

11. 4 3 2 1 Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических материаловИспытания образцов с трещиной различной длины. Образцы без боковых надрезов Изломы образцов стали 09Г2С с трещиной различной длины после отпуска 200°С Сталь 09Г2С, закалка с отпуском: 1 – отпуск 200, 2 – отпуск 400, 3 – отпуск 500. 4 – отпуск 650°С

12. Разработка методов оценки динамической трещиностойкости наноструктурированных металлических материаловИспытания образцов с трещиной различной длины. Образцы с боковыми надрезами Изломы образцов стали 09Г2С с боковыми надрезами и с трещиной различной длины после отпуска 650°С Микромеханизм роста трещины 09Г2С Закалка925°С, вода,Отпуск 200°СКСТ* = 60 Дж/см 2

13. Построение диаграмм динамической трещиностойкости и характеристики динамической трещиностойкости Сталь 09Г2С, диаграммы динамической трещиностойкости Схема ДДТ и характеристики ДТ СХЕМА ДДТ И ХАР-КИ ДТ

14. Спасибо за внимание!Вопросы?