Микроструктурные механизмы повышения ударной вязкости и предела текучести высокопрочныхнизколегированных сталей

Руководитель направления:	Беляков Андрей Николаевич
Код ГРНТИ:	53.49.05

Образовательное структурное подразделение (институт): НИИ «Материаловедения и инновационных технологий», Институт инженерных и цифровых технологий

Структурное подразделение (лаборатория, кафедра и др.): Лаборатория механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов, Кафедра материаловедения и нанотехнологий.

Состав (с указанием руководителя):

1. Беляков Андрей Николаевич - руководитель

2. Долженко Анастасия Сергеевна

3. Долженко Павел Дмитриевич

4. Тихонова Марина Сергеевна

5. Дудко Валерий Александрович

6. Луговская Анна Сергеевна

7. Борисов Сергей Игоревич

8. Борисова Юлия Игоревна

Актуальность научного направления:

Разработка технологии, которая обеспечит аналогичный уровень прочности и ударной вязкости при пониженных до -90С температурах в катаных полуфабрикатах высокопрочных низколегированных сталей, будет уникальным научным и техническим результатом. Получение такого уникального сочетания механических свойств в низколегированных высокопрочных сталях, суммарное содержание легирующих элементов в которых не превышает 4%, имеет большое практическое значение. Такие стали будут перспективными материалами для замены имеющих ценовые ограничения мартенситно-стареющих сталей в изделиях, выпускаемых крупными сериями. На основании полученных результатов будут разработаны научные основы технологии производства специальных сталей с уникальным сочетанием высокой прочности и ударной вязкости. Проект направлен на решение конкретной задачи в рамках одного из направлений Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, поскольку разрабатываемые способы производства сталей ориентированы на использование отечественной промышленностью. Это обеспечит отечественную промышленность новыми материалами и технологиями их обработки, адаптированными к отечественным металлургическим предприятиям, с целью замены дорогостоящих и/или не соответствующих современным требованиям сталей.

Направления исследований: Микроструктурные механизмы повышения ударной вязкости и предела текучести высокопрочныхнизколегированных.

Основные публикации (за последние 5 лет):

1. А.С. Долженко, М. С. Тихонова, Р.О. Кайбышев, А.Н. Беляков (Anastasiia Dolzhenko, Marina Tikhonova, Rustam Kaibyshev, Andrey Belyakov) Microstructures and Mechanical Properties of Steels and Alloys Subjected to Large-Strain Cold-to-Warm Deformation Metals номер 12, том 3, 454 https://doi.org/10.3390/met12030454 (2022 г.)

2. А.С. Долженко, Р.О. Кайбышев, А.Н. Беляков (Anastasiia Dolzhenko, Rustam Kaibyshev, Andrey Belyakov) Tempforming Strengthening of a Low-Alloy Steel Materials Том 15, Выпуск 15 https://doi.org/10.3390/ma15155241 (2022 г.)

3. Долженко А.С., Кайбышев Р.О., Беляков А.Н. (Dolzhenko A., Kaibyshev R., Belyakov A.) Outstanding impact toughness of low-alloyed steel with fine lamellar microstructure Materials Letters 303, 30547 https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130547 (2021 г.)

4. Долженко П.Д., Долженко А.С., Беляков А.Н., Кайбышев Р.О. (Dolzhenko A. S., Dolzhenko P. D., Belyakov A.N., Kaibyshev R.O/) Microstructure and Impact Toughness of High-Strength Low-Alloy Steel after Tempforming Physics of Metals and Metallography 122, 10, 1014-1021 https://doi.org/10.1134/S0031918X21100021 (2021 г.)

5. Долженко А.С., Кайбышев Р.О., Беляков А.Н. (Dolzhenko A.S., Kaibyshev R.O/, Belyakov A.N.) Effect of thermomechanical treatment on the microstructure and mechanical properties of a low-carbon low-alloy steel IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (2020 г.)

6. Долженко А.С., Беляков А.Н. (A. Dolzhenko, A. Belyakov) Mechanical Properties of High-Strength Low-Alloy Steel after Tempforming AIP Conference Proceeding (2022 г.)

7. Долженко А.С., Кайбышев Р.О., Беляков А.Н. (Dolzhenko A., Kaibyshev R., Belyakov A.) Tempforming as an Advanced Processing Method for Carbon Steels Metals https://doi.org/10.3390/met10121566 (2020 г.)

Основные проекты/ Грантовая активность и хоздоговора (за последние 5 лет):

РНФ № 20-19-00497 «Микроструктурные механизмы повышения ударной вязкости и предела текучести высокопрочных низколегированных сталей»

Научные результаты (за последние 5 лет).

Одним из недостатков углеродистых сталей является их относительно высокая температура хрупко-вязкого перехода в закаленном состоянии, что делает эти стали хрупкими при температурах чуть ниже комнатной и, соответственно, ограничивает их применение при пониженных температурах. Согласно диаграмме Иоффе, увеличение сопротивления хрупкому разрушению и/или уменьшение эффективного предела текучести должно снижать температуру хрупко-вязкого перехода. Обычный подход к подавлению хрупкого межкристаллического разрушения включает измельчение зерна и выделение дисперсных частиц по границам зерен. С другой стороны, уменьшение эффективного напряжения течения в вершине трещины может быть достигнуто в микроструктуре, которая расслаивается перед трещиной поперек направлению распространения трещины и, таким образом, притупляет вершину трещины. Оба подхода, и измельчение зерна и расслоение, реализуются благодаря термомеханической обработке, которая также известна как аусформинг в условиях стабильного или метастабильного аустенита. Горячая обработка аустенита предназначена для улучшения деформационной микроструктуры наряду с некоторым наклепом. Последний изменяет режим межкристаллитного разрушения по границам исходных аустенитных зерен на транскристаллитное разрушение по исходным аустенитным зернам. Кроме того, горячая прокатка аустенита приводит к образованию полос в исходной литой структуре, что приводит к затуплению трещин и увеличивает ударную вязкость из-за расслаивания вдоль полос сегрегаций или включений. Кимура с соавторами предложил альтернативный подход к увеличению ударной вязкости и снижению температуры хрупко-вязкого перехода углеродистых сталей. Предлагаемый способ заключается в формировании субмикрокристаллической микроструктуры ламельного типа с однородным распределением частиц вторичной фазы путем теплой прокатки в условиях отпуска. Такая термомеханическая обработка, известная как темпформинг, обеспечивает превосходное сочетание механических свойств низколегированных углеродистых сталей. Сталь после такой термообработки обладает высокой прочностью за счет уменьшения размера зерна и дисперсионного твердения, а также высокой ударной вязкостью за счет расслаивания. Теплая прокатка с большой деформацией после мартенситного превращения (темпформинг) приводит к образованию микроструктуры ламельного типа с мало- и большеугловыми границами, это было выявлено с помощью просвечивающей электронной микроскопии с использованием метода сходящегося луча. Такая обработка обычно проводится при повышенных температурах (диапазон высокотемпературного отпуска). Еще одна особенность микроструктуры стали, полученной темпформингом, заключается в наследовании от отпущенного мартенсита дисперсных частиц, в основном карбидов. Пластическая деформация ускоряет процесс выделения вторых фаз, что приводит к более полному и дисперсному распределению частиц. Таким образом, стали, подвергнутые темпформингу, характеризуются однородным распределением частиц второй фазы. Повышение ударной вязкости сталей, подвергнутых темпформингу, объясняется расслаиванием образцов перпендикулярно направлению удара.

1. Разработана высокопрочная низколегированная сталь типа Fe-0,3%C-0,6%Mn-0,5%Cr-0,5%Mo

2. Разработан режим проведения термомеханической обработки (аусформинга) стали типа 10ХГМТ: нагрев до температуры 850°С, однократная прокатка со степенью обжатия 20%, охлаждение в воду. После аусформинга отпуск при температурах 550, 600, 650°С в течении 1 часа с охлаждением на воздухе.

3. Разработан режим проведения темпформинга (отпуск и прокатка) стали типа 10ХГМТ: отпуск в течение 1 часа в интервале температур 500-650°С, многократная прокатка при этой же температуре до различных степеней деформации, подогрев до температуры отпуска после каждого прохода, обжатие за проход 10%.

4. При увеличении истинной деформации до 1,5 стали типа 10ХГМТ наблюдается формирование нанокристаллической слоистой структуры, состоящей из сильно вытянутых вдоль направления прокатки зерен. С повышением температуры темпформинга (при е=1,5) увеличивается поперечный размер зерен с 370 до 500 нм. После темпформинга до истинной деформации 1,5 экспериментальная сталь типа 10ХГМТ характеризуется наличием волокнистой текстуры деформации <001> //ND и <111> //ND.

5. Установлены структурные механизмы упрочнения низколегированных высокопрочных сталей с нанокристаллической волокнистой структурой. Определено влияние размера зерен и субзерен, плотности дислокаций, дисперсных частиц, строения границ зерен и текстуры на предел текучести и ударную вязкость. Высокая прочность деформированных сталей обусловлена малым поперечным размером зерна, высокой плотностью дислокаций (дислокационное упрочнение) и мелкодисперсными карбидами (дисперсионное упрочнение). Приведенные механизмы упрочнения обычно рассматриваются как независимые и линейно-аддитивные. Такой подход хорошо согласуется с экспериментом для отожженных и рекристаллизованных металлов/сплавов. Однако суммирование размера зерен и дислокационного упрочнения приводит к сильно завышенной оценке прочности для холодно/теплообработанных металлических материалов. Плотность дислокаций и размер зерна зависят от условий темпформинга, выраженного температурно-компенсированной скоростью деформации. Кроме того, размер зерна зависит от дисперсности частиц. Определенные степенные функции, выявленные между параметрами микроструктуры и условиями обработки предполагают линейную зависимость между этими механизмами упрочнения. Дисперсионное упрочнение и упрочнение от размера зерна также могут быть связаны с дислокационным упрочнением через линейные функции. Таким образом, увеличение плотности дислокаций (деформационное упрочнение) должно зависеть от микроструктуры и условий обработки. Интересно, что суммирование зернограничного упрочнения и дисперсионного упрочнения дает прочность, почти такую же, как от дислокационного упрочнения. Таким образом, предел текучести может быть выражен исключительно плотностью дислокаций, накопленной в образцах стали, подвергнутых темпформингу, то есть теплой прокатке при больших деформациях. Упрочнение темпформингом сопровождается повышением ударной вязкости, особенно при низких температурах, когда ударная вязкость неожиданно возрастает с понижением температуры испытания за счет расслаивания слоистой микроструктуры. Помимо ожидаемого увеличения прочности ударная вязкость также увеличивается при снижении температуры темпформинга и/или увеличении истиной деформации при темпформинге. Влияние темпформинга на повышение ударной вязкости рассматривается как результат изменения длины когерентной плоскости скола вдоль и поперек образца, что приводит к уменьшению напряжения скола при разрушении в поперечном направлении и возрастанию в направлении прокатки. Расслоение образцов поперек первичной трещины, распространяющейся при испытаниях на удар, рассматривалось как основной механизм повышения ударной вязкости образцов из деформированной стали. Парадокс вязкости расслоения состоит в том, что хрупкое разрушение благоприятствует ударной вязкости. Быстрый скол в поперечном направлении в направлении удара затупляет надрез, сбрасывает концентрацию напряжений и разветвляет основную трещину. Чем легче расслоение вдоль образца, тем выше ударная вязкость, которую можно получить.

6. Проведен анализ хрупко-вязкого перехода в высокопрочных низколегированных сталях после темпформинга. Оценено влияние химического и фазового состава, параметров микроструктуры и кристаллической текстуры на ударную вязкость высокопрочных низколегированных сталей. Повышение температуры темпформинга положительно влияет на ударную вязкость при криогенных температурах, тогда как низкая температура темпформинга улучшает ударную вязкость при комнатной и пониженной температурах. Аналогичное влияние на низкотемпературную ударную вязкость образцов стали, подвергнутых темпформингу, недавно было достигнуто дополнительным отжигом при несколько повышенной температуре после темпформинга. Еще одним преимуществом темпформинга является его пригодность для сталей с высокой концентрацией вредных элементов, таких как фосфор. Сегрегации фосфора способствовали повышению ударной вязкости стали с 0,09% Р, подвергнутой темпформингу. С одной стороны, сегрегации на плоскостях слоев, расположенных вдоль направления прокатки в стальных стержнях/пластинах, подвергнутых темпформингу, ослабляют связи и способствуют разрушению, а с другой стороны, такое легкое расщепление приводит к затуплению трещин и повышению ударной вязкости. Температура хрупко-вязкого перехода в стали, подвергнутой темпформингу, снижается с уменьшением содержания углерода. Упрочняющий эффект темпформинга уменьшается с увеличением содержания углерода. Следовательно, эффективность темпформинга в улучшении механических свойств углеродистой стали снижается по мере увеличения содержания углерода. Влияние температуры темпформинга на ударную вязкость при низкой температуре также более выражено в сталях с низким содержанием углерода, хотя влияние темпформинга на свойства сталей с разной степенью легирования требует дальнейшего изучения.

7. Темпформинг при температурах отпуска до истинной деформации 1,5 высокопрочных сталей типа Fe-(0,1-0,3)%С-(0,1-0,5)%Si-(0,5-1,5)%Mn-(0,5-1,5)%Cr-Mo-Nb-V-Ti приводит к формированию волокнистой микроструктуры с поперечным размером зерен около 100-700 нм и равномерным распределением дисперсных частиц вторичных фаз, как правило, карбидов и карбонитридов, размер которых варьируется в диапазоне 10-100 нм. Благодаря этому сталь обладает высокой прочностью за счет уменьшения размера зерен и дисперсионного твердения. С другой стороны, сформировавшая волокнистая микроструктура повышает ударную вязкость, особенно при пониженных температурах, благодаря расслаиванию, т.е. разветвлетвлению в вершине трещины в направлении перпендикулярном направлению начального распространения трещины, тем самым понижая концентрацию напряжений в вершине трещины без снижения ударной вязкости. Этот феномен называется вязкость расслоением (delamination toughness). Образцы с такой структурой демонстрируют вязкое разрушение по плоскостям, перпендикулярным к направлению прокатки и разрушение расслоением по плоскостям вдоль направления прокатки при температурах испытания вплоть до -150С.

8. Разработаны инновационные способы получения полуфабрикатов из высокопрочных низколегированных сталей с пределом текучести более 1000 МПа при комнатной температуре и ударной вязкостью KCV более 100 Дж/см^2 при -90С. Предложенные способы обработки состоят из предварительной и окончательной обработки:

9. предварительная обработка включает нагрев до температуры выше линии А3 и выдержку заготовки в течение 1 часа при этой же температуре с последующей однократной прокаткой с обжатием 20%, после чего осуществляют закалку в воде;

10. окончательная обработка включает отпуск при температуре 550-650°С в течение 1 часа и многократную прокатку при температуре отпуска до истинной деформации не менее 1,4, после каждого прохода заготовку подогревают до заданной температуры, обжатие за проход составляет около 10%.

Информацию предоставил А.Н. Беляков 21.06.2023