Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Актуальность проекта определяется необходимостью получения в изделиях ответственного назначения (магистральные трубопроводы, трубопроводы для ядерной промышленности, трубки тепловыделяющих элементов - ТВЭЛов ядерных реакторов) уникальных комплексов механических свойств (в зависимости от условий их эксплуатации), а также необходимостью повышения конструктивной прочности материалов и снижения их себестоимости. Понимание кристаллографических закономерностей возникновения локальных текстурных состояний в материале совместно с информацией о фазовом составе, форме и размерах зерен, при фазовых превращениях в процессе деформационных и термических обработок, является основой для проектирования структуры материала или изделия для различных применений. В качестве материалов для исследований использовали: 1. Образцы высокопрочной малоуглеродистой низколегированной трубной стали конверторной выплавки типа 06Г2МБ (~ 0,05 мас. % C, ≤ 2,0 мас. % Mn, ~ 0,2 мас. % Mo, ~ 0,05 мас. % Nb, остальное железо и неизбежные примеси), отобранные от горячекатаных листов, предназначенных для производства труб большого диаметра классов прочности К60–К65. Образцы проходили контролируемую термомеханическую обработку (TMCP - Thermo-Mechanical Controlled Processing) по нескольким режимам, существенно отличающимся температурами окончания чистовой горячей прокатки, регулируемой скоростью транспортировки проката (то есть временем охлаждения от окончания ГП до начала ускоренного охлаждения), расходами хладагента в агрегате ускоренного охлаждения (УО) и, соответственно, интенсивностью УО. 2. Опытные образцы нержавеющих низкоуглеродистых сталей с 15 мас. % Cr, дополнительно легированных никелем и карбидообразующими элементами (Mo, V, Nb). Исследуемые марки стали относились к мартенситному и супермартенситному классам с дополнительным эффектом дисперсионного твердения при отпуске. Образцы подвергали аустенитизации при различных температурах с последующей закалкой и отпусками. 3. Образцы из нержавеющей аустенитной стали 316L, вырезанные из области сварного соединения, следующего химического состава (мас. %): С – 0,02; Ni – 10,0; Cr – 17,0; Mn – 1,0; Mo – 2,0; Ti – 0,5; Si – 0,5; остальное железо и неизбежные примеси. В качестве основных методов исследования в 2023 г. использованы: термодинамические расчеты совместно с теплофизическими измерениями (калориметрия и дилатометрия); измерение механических свойств при растяжении; динамический анализ разрушения образцов материалов; сканирующая электронная микроскопия с использованием ориентационной микроскопии (EBSD). Основным научным результатом проекта является установление взаимосвязи основных компонент текстуры деформированного аустенита и ориентировок α′(α)-фазы. Возникновение в материале при полиморфном превращении, имеющем выраженную сдвиговую составляющую (мартенситное или бейнитное γ→ α′(α)-превращение в сталях) кристаллографической текстуры, характеризующейся наличием сравнительно небольшого количества компонент, является удивительным фактом. Реализация подобных фазовых превращений, всегда реализующихся в соответствие с многовариантными ориентационными соотношениями (ОС) (в сталях: Курдюмова-Закса, Нишиямы-Вассермана, Гренингера-Трояно или других; при ОЦК-ГПУ-превращениях – Бюргерса) предполагает (в случае отсутствия ограничений на места зарождения кристаллов новой фазы) возникновение из каждой исходной ориентировки высокотемпературной фазы, количество которых обычно составляет 3-7, не менее 12, а во многих случаях не менее 24, кристаллографических ориентировок. Таким образом, общее число ориентировок новой фазы, возникших в результате фазового превращения может, составить величину от 3х12=36 до 7х24=168. Таким образом, возникновение всех возможных ориентировок новой фазы в одном исходном зерне высокотемпературной фазы должно приводить к возникновению практически бестекстурного состояния. При этом все современные исследования, включая результаты данной работы, указывают на формирование выраженной кристаллографической текстуры в полуфабрикатах и функциональных изделиях, проходивших при производстве горячую деформацию и последующее охлаждение с реализацией полиморфного фазового превращения. Очевидно, что появление ограниченного числа ориентировок в результате многовариантного фазового превращения, в материале с исходно сложной многокомпонентной текстурой, предполагает наличие неких структурных факторов, существенно ограничивающих возникновение всех возможных ориентаций кристаллитов при фазовой перекристаллизации. Показано, что кристаллографическая текстура, возникающая в результате многовариантного γ→α′(α)-превращения, может быть объяснена зарождением α′(α)-фазы на кристаллографически упорядоченных границах между зернами с деформационными ориентировками γ-фазы близкими к РСУ-границам ∑3 и ∑11. За отчетный период получены следующие научные, при этом практически значимые результаты: 1. Установлено, что все структуры в стали 06Г2МБ, сформировавшиеся при опытно-промышленных режимах контролируемой термомеханической обработки (ТМСР), вне зависимости от температур чистовой горячей прокатки и интенсивности (скорости) ускоренного охлаждения являются феррито-бейнитными с включениями отпущенного мартенсита. Показано, что фазовая неоднородность, формирующаяся при чистовой прокатки ниже температуры начала γ→α-превращения (A3) в процессе контролируемой термомеханической обработки (TMCP) низкоуглеродистой трубной стали 06Г2МБ, оказывает существенное влияние на структурно-текстурное состояние стали после контролируемого охлаждения, и, соответственно, на анизотропию механических свойств. В структуре материала формируются протяженные в направлении прокатки области однородной кристаллографической текстуры, по которым с наименьшими энергетическими затратами могут распространяться трещины, то есть реализовываться протяженные разрушения. Показано, что понижение температуры чистовой горячей прокатки и/или повышение интенсивности ускоренного охлаждения в целом приводят к диспергированию структуры и повышению прочности. Понижение температуры чистовой горячей прокатки ниже температуры А3 приводит к появлению в структуре вытянутых в направлении прокатки областей и ферритных зерен, что отрицательно сказывается на конструктивной прочности стали. Оптимальным режимом TMCP с точки зрения прочностных и пластических характеристик проката является обработка, включающая чистовую горячую прокатку при температурах несколько выше А3 и контролируемое ускоренное охлаждение с максимальной интенсивностью. 2. Установлено влияние химических составов и параметров термической обработки на комплекс механических свойств стали нержавеющих низкоуглеродистых сталей с 15 мас. % Cr. Построены сериальные кривые ударной вязкости в интервале температур от 0 до минус 60 °С. Полученные результаты показали возможность применения опытных сталей для производства трубной продукции, применяемой в поглощающих скважинах. 3. Установлено, что в результате сварки изделий из нержавеющей стали 316L как в области шва (зона расплавления материала), так и в зоне термического влияния происходит выделение высокотемпературного δ-феррита, который сохраняется при комнатной температуре. Зафиксировано, что при кристаллизации стали 316L рост кристаллов как аустенита (ГЦК), так и δ-феррита (ОЦК) преимущественно происходит по оси <100>, параллельной направлению теплоотвода. Показано, что возникновение δ-феррита приводит к неравномерному распределению легирующих элементов.