Оптимизация химического состава и параметров термомеханической обработки ТРИП сталей на основе новых методов рентгеновской тензометрии, текстурного и фазового анализов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00330

НазваниеОптимизация химического состава и параметров термомеханической обработки ТРИП сталей на основе новых методов рентгеновской тензометрии, текстурного и фазового анализов

Руководитель Бецофен Сергей Яковлевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова трип-стали, остаточные напряжения, метастабильный аустенит, текстура, количественный фазовый анализ

Код ГРНТИ53.01.77 55.01.77 55.01.81

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку количественных критериев оптимизации химического состава и параметров термомеханической обработки трип-сталей для различных областей авиационного материаловедения и автомобилестроения. В основе проекта заложены новые методические подходы, включающие методику измерения остаточных напряжений для гетерогенных материалов, позволившую впервые оценить реальное распределение остаточных напряжений в трип-стали. Наши исследования показали, что для реализации трип-эффекта необходимо получить в тонком поверхностном слое высокие сжимающие напряжения за счет положительного объемного эффекта γ→α' превращения половины из 80% аустенита, стимулированного растягивающими сдвиговыми напряжениями на поверхности листа при холодной прокатке. Эти напряжения препятствуют образованию усталостной трещины, продвижение которой в подповерхностный слой стимулирует распад метастабильного аустенита, что приводит к сжимающим напряжениям тормозящих ее продвижение вглубь материала. Таким образом, экспериментальная оценка распределения остаточных напряжений по толщине листа и комплекса механических свойств в зависимости от условий деформации и последующей термообработки позволяет оптимизировать параметры всей технологической цепочки. Оптимизация химического состава ТРИП сталей будет реализована на основе количественного критерия их стабильность к инициированному деформацией α'-мартенситному превращению. Для решения этой задачи нами впервые будет использован параметр, аналогичный параметру Md30, но скорректированный применительно к условиям работы ТРИП сталей . В дополнение к этому предлагается использование новой составляющей механизма ТРИП эффекта, которая заключается в том, что его реализации способствует наличие определенных текстурных компонент в основном сечении листа и в поверхностном слое. Наши исследования показали, что мартенситное превращение происходит преимущественно в зернах определенной ориентировки, поэтому одним из направлений исследований будет изучение влияния условий процесса прокатки на распределение текстуры по сечению листа соответственно для гамма и альфа фаз. Также будут изучены текстуры гамма-альфа превращения, «отбор» вариантов превращения, влияние на процесс деформации упругой анизотропии. На первом этапе исследования будут проводится на стали ВНС9-Ш с большим содержанием аустенита (>50%), поскольку в этом случае эффекты превращения будут более наглядными и будет проще выявить наиболее существенные его закономерности после чего можно будет перейти на ТРИП стали с меньшим (15-20%) содержанием аустенита.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ашмарин А.А., Бецофен С.Я., Лукин Е.И. Исследование влияния отжига на фазовый состав и термические коэффициенты линейного расширения трип-стали ВНС9-Ш Металлы, 2022. №6. С.66-72. (год публикации - 2022)

2. Ашмарин А.А., Бецофен С.Я., Лукин Е.И., Гордеева М.И. Особенности количественного фазового анализа трип-сталей Деформация и разрушение материалов, 2022.№12.17-22. (год публикации - 2022)

3. Ашмарин А.А., Бецофен С.Я., Лукин Е.И. Effect of Annealing on the Phase Composition and the Linear Thermal Expansion Coefficient of VNC9-Sh TRIP Steel. Russian Metallurgy, 2022.№11. 1397-1402 (год публикации - 2022)

4. Серов М.М., Бецофен С.Я., Патрушев А.Ю., Ашмарин А.А., Гордеева М.И. Влияние высокоскоростного затвердевания расплава на структурные характеристики сплавов Со-TiC Деформация и разрушение материалов, 2022.11.2-9. (год публикации - 2022)
10.31044/1814-4632-2022-11-2-9

5. И.О. Банных, А.А. Ашмарин, С.Я. Бецофен, Е.И. Лукин, Г.С. Севальнев, Е.В. Блинов,А.А. Александров Effect of Tensile Deformation on the Texture, Phase Composition, and Residual Stresses of the  and  Phases in VNS9-Sh Steel Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2023, No. 7, pp. 905–913 (год публикации - 2023)
10.1134/S0036029523070029

6. М.М. Серов, С.Я. Бецофен, А.Ю. Патрушев, А.А. Ашмарин, М.И. Гордеева Influence of Melt Quenching on the Structural Characteristics of a Co–6TiC Alloy Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2023, No. 4, pp. 439–445 (год публикации - 2023)
10.1134/S0036029523040225

7. А.А. Ашмарин, С.Я. Бецофен, Е.И. Лукин, М.И. Гордеева Quantitative Phase Analysis of TRIP Steels Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2023, No. 4, pp. 412–418 (год публикации - 2023)
10.1134/S0036029523040067

8. Е.И. Лукин, А.А. Ашмарин, И.О. Банных, С.Я. Бецофен, Е.В. Блинов, Г.С. Севальнев, Д.В. Черненок, А.Н. Быкадоров ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ОБЖАТИЯ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, ТЕКСТУРУ И ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СТАЛИ 20Х15АН3МД2 Металлы, №6, с. 26-34 (год публикации - 2023)
10.31857/S0869573323060046

9. И.О. Банных, А.А. Ашмарин, С.Я. Бецофен Е.И. Лукин, Г.С. Севальнев, Е.В. Блинов, А.А. Александров Исследование влияния степени деформации при испытаниях на растяжение га текстуру, фазовый состав и остаточные напряжения в α и ϒ- фазах стали ВНС0-Ш Металлы, №4, с 50-59 (год публикации - 2023)
10.31857/S0869573323040067

10. А.А. Ашмарин, С.Я. Бецофен, А.А. Лозован, Е.И. Лукин, М.И. Гордеева А.Л. Митрофанов, А.Н. Быкадоров Особенности термического расширения трип-сталей и композитных покрытий Деформация и разрушение материалов, №11, с. 13-21 (год публикации - 2023)
10.31044/1814-4632-2023-11-13-21

11. С.Я. Бецофен, А.А. Лозован, В.С. Моисеев, С.А. Александрова, Н.А. Иванов, А.Н. Быкадоров Особенности формирования остаточных напряжений в поверхностных слоях и покрытиях Деформация и разрушение материалов, №10 (год публикации - 2023)
10.31044/1814-4632-2023-10-30-40

12. С.Я. Бецофен Особенности формирования и измерения остаточных напряжений в гетерогенных поверхностных слоях и покрытиях ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ XI МЕЖДУНАРОДНОЙ ШКОЛЫ. Тольятти, 2023, с. 17 (год публикации - 2023)

13. А.А. Ашмарин, С.Я. Бецофен, А.А. Лозован, А.С. Ленковец, М.И. Гордеева, А.А. Александров; Е.И. Максименко Определение ТКЛР В ТРИП-СТАЛИ, MG-LI сплаве И SI+SIC покрытии Сборник трудов ХV Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат» по тематике «Современные подходы и тенденции развития структурно-фазовых, химикоаналитических методов анализа», 2023 с 7-17 (год публикации - 2023)

14. Гордеева М.И., Прокопенко Д.А., Максименко Е.И Фазовый состав, текстура и упругие свойства сплавов системы Al–Cu–Li 22-я Международная конференция «Авиация и космонавтика»., с 238-239 (год публикации - 2023)

15. Бецофен С.Я., Лозован А.А., Ашмарин А.А., Ленковец А.С., Митрофанов А.Л. Определение термических коэффициентов линейного расширения в многофазных сплавах и покрытиях Материалы XIX-ой Международной научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» 18-19 октября 2022 года, МАИ, Москва., 2022.137-143 (год публикации - 2022)

16. Е.И. Лукин, А.А. Ашмарин, Г.С. Севальнев, С.Я. Бецофен, И.О. Банных, Е.В. Блинов, П.В. Рыжков, Д.В. Черненок Исследование влияния предварительной деформации на характеристики малоцикловой усталости, фазовый состав и остаточные напряжения для трип стали ВНС9-Ш Деформация и разрушение материалов, №3 (год публикации - 2024)

17. Бецофен С. Я., Лукин Е. И., Ашмарин А. А., Банных И.О., Блинов В.М., Севальнев Г.С., Александров А.А., Черненок Д.В. Исследование влияния холодной прокатки на фазовый состав, текстуру и остаточные напряжения сталей с 15,9 и 17,7% Mn. Деформация и разрушение материалов, № 10. С. 26-34 (год публикации - 2024)
10.31044/1814

18. Лукин Е. И., Ашмарин А. А., Бецофен С. Я., Севальнев Г.С., Александров А.А., Черненок Д.В. Фазовый состав, текстура и остаточные напряжения в сталях с 1,6 и 2,9% Mn после закалки и холодной прокатки Металлы (год публикации - 2025)

19. Бецофен С. Я., Лукин Е. И., Ашмарин А. А., Банных И.О., Ву Р. Исследование формирования текстуры фазовых превращений ОЦК→ГП в сплавах Ti, Zr, Mg-Li и Fe-Mn. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ, № 12. С. 15-25 (год публикации - 2024)
10.31044/1814

20. Ашмарин А.А., Бецофен С.Я., Лозован А.А., Ленковец А.С., Гордеева М.И., Александров А.А., Максименко Е.И.. Determination of Thermal Expansion Coefficient in TRIP Steel, Mg–Li Alloy and Si + SiC Coatings Inorganic Materials: Applied Research, Vol. 15, No. 4, pp. 1147–1152. (год публикации - 2024)
002010.1134/S2075113324700722

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Показано, что в стали с 1,6 Mn остаточные напряжения варьируются от -170 до +220 МПа. В стали с 2,9 Mn при обжатиях 20 и 40% формируются сжимающие напряжения в результате увеличения объема при γ→α превращении 37% γ-фазы в этом интервале обжатий, при этом при обжатиях 60 и 80 % остаточные напряжения практически отсутствуют, поскольку в α-фазу превращается только 2% γ-фазы. Увеличение обжатия при холодной прокатке приводит к увеличению пределов прочности обеих сталей, при этом уровень прочности стали с 1,6 Mn существенно выше, чем стали с 2,9 Mn. Относительное удлинение при обжатиях менее 40% коррелирует с величиной деформационно нетастабильной γ-фазы, количество которой в стали с 2,9 Mn составляет 39% и 2% соответственно после закалки и 40% обжатия, чему соответствуют величины относительного удлинения в 56 и 3%. В стали с 15,9 Mn в исходном после закалки от 1100 С состоянии (и после холодной прокатки с обжатием менее 40%) присутствуют три фазы: γ, α' и ε, при этом объемная доля ε-фазы составляет 65%, 25% составляет α'-фаза и 10% γ-фаза. Механические свойства сталей 114 и 115 в зависимости от обжатия при холодной прокатке аналогичны и характеризуются резким снижением пластичности и увеличением прочности с увеличением обжатия, что обусловлено уменьшением количества метастабильной ε-фазы, обеспечивающей трип эффект при деформации, при этом увеличение α'-фазы приводит к повышению прочностных характеристик. По результатам усталостных испытаний стали с 15,9 Mn установлено, что в области напряжений, соответствующих деформации ∆ε = 0,6% и ∆ε = 0,5% усталостная долговечность существенно увеличивается с повышением обжатия при холодной прокатке, при этом в процессе усталостного нагружения высокомарганцевых сталей происходит распад α'- и ε-фаз с образованием аустенита. Показано, что для превращения ОЦК-α-фазы в ГПУ-ε-фазу в соответствии ориентационные соотношения Бюргерса: (001)ε||{110} α' и <110>ε || <110>α необходима деформация решетки растяжением на 7,4% в направлении оси [1-1 0], деформация сжатием на 12,9% по оси [001] и деформация растяжением на 0,5% в направлении [110] решетки α-фазы. На первых стадиях холодной прокатки стали с 15,9 Mn происходит интенсивный распад ε-фазы с образованием α'-фазы, после обжатий 40% изменения текстуры α' и ε фаз свидетельствует, что при этом происходит также обратное α'→ε превращение, поскольку формируется компонент текстуры ε-фазы (110)[100], который является единственным компонентом для которого деформации решетки при α'→ε превращении полностью соответствуют макродеформации при прокатке. При холодной прокатке стали с 17,7 Mn также происходят вариации фазового состава, свидетельствующие о ε→α' превращении, при этом вариации текстуры α' и ε фаз не дают оснований для вывода о наличии обратного α→ε-превращения. Принципиальное различие в механизме фазовых превращений в сталях с 15,9 Mn и с 17,7 позволило объяснить их различное напряженное состояние, когда в стали с 15,9 Mn наряду с ε→α'-превращением, дающим увеличение объема и, соответственно, сжимающие напряжения реализуется также α'→ε превращение, которое сопровождается уменьшением объема и растягивающими напряжениями, что объясняет низкий уровень остаточных напряжений в этой стали, которые варьируются от –100 до +100 МПа. В стали с 17,7 Mn реализуется только ε→α'-превращение, которое сопровождается увеличением объема, и поэтому в этой стали напряжения после всех обжатий – сжимающие и их величина варьируется от 200 до 400 МПа по модулю.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты работы могут найти применение в различных отрасля машиностроения при производстве изделий с повышенными характеристиками износостойкости, в том числе усталостной износостойкости, а также жаростойкости