Ученые Пермского Политеха нашли способ упрочнить стальные конструкции

Термическая обработка мартенситностареющих сталей происходит в несколько ключевых этапов. Для упрочнения в них добавляют различные элементы, например, никель, кобальт, титан, алюминий и другие. Полученные сплавы нагревают до температуры выше критической точки (800-950 °С) и выдерживают для равномерного распределения этих элементов и получения особой структуры – мартенсита, – после чего охлаждают. Этот процесс называется закалкой.

Затем сталь снова нагревают на 450-550 °С и выдерживают в течение нескольких часов. Эту обработку называют старением. Во время него происходит распад мартенсита и формирование внутри его кристаллов выделений, например, никель-титан, никель-алюминий и т.д., размеры которых составляют несколько нанометров.

Все это приводит к упрочнению сплава, однако важную роль в повышении трещиностойкости играет размер этих соединений, который меняется в зависимости от температуры старения. Расширение базы знаний о таком явлении требует исследования изменения структуры материала в зависимости от разных факторов. Подобные испытания периодически проводятся, но политехники использовали собственное оборудование, конкретную сталь и определенные условия, в которых ранее эксперименты не проводились.

Ученые Пермского Политеха изучили показатели устойчивости к образованию трещин при периодических нагружениях на примере одной из самых распространенных отечественных мартенситностареющих сталей –03Х11Н10М2Т (ЭП-678). Ее применяют для производства силовых сварных и механически обрабатываемых элементов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, деталей авиастроения, работающих при температурах от -200 до +400 °C, и к тому же – в коррозионных средах типа морской воды и т.д.

Промышленные слитки подвергали горячей ковке, и изготовили из них образцы для исследований. Заготовки закаливали в воде от 920 °С и выдерживали при температурах 300-560 °С в течение 3 часов. Испытания на устойчивость к трещинам проводили на специальной машине жесткого нагружения. Далее сравнивали образцы до и после экспериментов на обычном и электронном микроскопах.

– Принято считать, что чем мельче структура, тем выше трещиностойкость. Однако исследование этой стали показало, что укрупнение ее элементов повышает устойчивость к разрушениям в условиях периодического нагружения. При этом максимальный положительный эффект наблюдали при низких нагрузках – не более 1-2 тонны: так, после закалки с 1200 °С (крупнозернистая сталь) скорость роста трещины в 3 раза меньше, чем после закалки с 920 °С (мелкозернистая). Здесь это значит, что чем выше температура закалки и крупнее зерно, тем медленнее разрушается материал, – комментирует Юрий Симонов, заведующий кафедрой «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, профессор, доктор технических наук.

Характер изменения трещиностойкости мартенситностареющих сталей имеет целый ряд особенностей, которые необходимо учитывать при назначении конкретных режимов термической обработки. В случае с этой сталью ученые нашли закономерность: чем крупнее дисперсные частицы, тем выше устойчивость к разрушениям, хотя обычно бывает наоборот.

Исследования ученых Пермского Политеха могут быть использованы в машиностроительной, нефтегазовой, аэрокосмической и других отраслях промышленности для подбора оптимальной температуры закалки и улучшения трещиностойкости материалов. Результаты экспериментов позволяют более обоснованно назначать режимы закалки, которые обеспечат материал большей устойчивостью к разрушениям.