В отраслях промышленности при производстве ответственных изделий, например, в деталях аэрокосмической техники или компонентах ядерных реакторов, широко используют мартенситностареющие стали. Свое название они получили из-за мартенсита в составе — особой структуры, которая образуется в результате перестроения атомов внутри металла после нагрева и последующего охлаждения. Она придает сплавам высокую прочность, пластичность и ударную вязкость. При всех положительных качествах такого материала, важно контролировать его трещиностойкость, чтобы не допустить разрушения состоящих из него конструкций. Ученые Пермского Политеха исследовали, как температура закалки металла влияет на его конечные характеристики, и разработали рекомендации для повышения устойчивости к образованию трещин.
Ученые Пермского Политеха исследовали, как температура закалки металла влияет на его конечные характеристики / © Ilya Babakov, Unsplash
Статья опубликована в журнале «Физика металлов и металловедение». 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 так далее, 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 так далее.
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 трех 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 три 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.
