Разработка высокомарганцевых аустенитных сталей с улучшенным комплексом механических свойств

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.584.21.0003

Руководитель: д.ф-м.н., А.Н. Беляков

Приоритетное направление: Индустрия наносистем

Критическая технология: Технология получения и обработки конструкционных материалов

Период выполнения: 27.08.2014- 31.12.2016

Плановое финансирование проекта в: 48,34 млн. руб., из них:

• Бюджетные средства 24,170 млн. руб.,
• Внебюджетные средства 24,170 млн. руб.

Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

Иностранный партнер: Национальный институт Металловедения, Япония

Ключевые слова: Перспективные конструкционные материалы; наноструктурные материалы; прочность и пластичность; усталость; разрушение; термомеханическая обработка; измельчение зерен; нанодвойники; мартенсит деформации.

Основные результаты 1 этапа:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «23» октября 2014 г. № 14.584.21.0003 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 27 августа по 31 декабря 2014 г. выполняли следующие работы:

1. Проведение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках научных исследований, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
2. Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96.
3. Расчет энергии дефектов упаковки и моделирование равновесного фазового состава экспериментальных сталей.
4. Разработка и выбор оптимальных систем легирования перспективных высокомарганцевых аустенитных сталей.
5. Подготовка экспериментальных образцов перспективных высокомарганцевых сталей.
6. Разработка Программ и методик испытания образцов экспериментальных сталей.

Работы иностранного партнера:

1. Подготовка образцов высокомарганцевых аустенитных сталей.
2. Структурные исследования образцов сталей в исходном состоянии.
3. Оценка энергии дефектов упаковки экспериментальных сталей.

При этом были получены следующие результаты:

1) Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).

Обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы показал огромные перспективы высокомарганцевых TWIP сталей в автомобильной промышленности.

Анализ найденных патентов показал, что недостатком известных способов является то, что они не позволяют получить в стальных листах повышенный уровень пластичности, и при этом сохранить высокую прочность. На данный момент не найдено патентов на стали, обладающие повышенными циклическими свойствами.

Разработаны Программа и методики испытания образцов экспериментальных сталей: программа и методики механических статических испытаний; программа и методики механических циклических испытаний на малоцикловую усталость; программа и методики механических циклических испытаний на многоцикловую усталость.

Разработаны и выбраны оптимальные системы легирования перспективных высокомарганцевых аустенитных сталей: по результатам анализа литературных источников и термодинамических расчетов были определены оптимальные системы легирования сталей: Fe-Mn-Si-C-N. Исходя из химического состава высокомарганцвых сталей, по диаграммам была определена их расчетная энергия дефектов упаковки. Fe- 30% Mn – 6% Al знергия дефеутов упаковки равна 7,8 мДЖ/м², для Fe- 30% Mn – 3% Al – 3% Si 40 мДж/м² , для Fe- 22% Mn – 1,5 % Si – 0,4% C – 0,1% N 24 мДж/м² , для Fe- 18% Mn – 0,6 % C – 0,1 N 24 мДж/м².

2) Основные характеристики полученных результатов (в целом и/или отдельных элементов), созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции.

Основные результаты, полученные на первом этапе проекта, показали уровень мировых разработок и определили вектор развития дальнейших исследований в области высокомарганцевых аустенитных сталей.

3) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявших методик и решений.

Результаты, полученные при выполнении первого этапа проекта, являются новыми в масштабе Российской Федерации, так как работы по этим сталям в Российской Федерации не велись.

4) Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту.

Все задачи, поставленные при выполнения первого этапа проекта, полностью выполнены. На основании полученных теоретических данных были разработаны и выбраны оптимальные системы легирования перспективных высокомарганцевых аустенитных сталей. Был произведен расчет энегии дефектов упаковки в экспериментальных сталях, а также были подготовлены экспериментальные образцы перспективных высокомарганцевых аустенитных сталей.

5) Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

Результаты 1-го этапа проекта «Разработка высокомарганцевых аустенитных сталей с улучшенным комплексом механических свойств» были получены с применением современного высокотехнологического оборудования при участии группы японских ученых под руководством известного приглашённого учёного Kaneaki Tzusaki, что обеспечивает уровень результатов сопоставимый с мировым.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Основные результаты 2 этапа:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «23» октября 2014 г. № 14.584.21.0003 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01 января по 30 июля 2015 г. выполняли следующие работы:

1. Определение химического и фазового состава, структурного состояния экспериментальных сталей в исходном состоянии (после литья с последующей гомогенизацией и горячей ковкой).
2. Многократная всесторонняя ковка образцов экспериментальных сталей в условиях теплой деформации при температурах 400-600°С.
3. Отжиг кованых образцов экспериментальных сталей при температурах 400-600°С.
4. Измерение твердости и исследование эволюции структуры образцов экспериментальных сталей в процессе многократной ковки в условиях теплой деформации и последеформационного отжига.
5. Установление закономерностей развития непрерывной динамической и пост-динамической рекристаллизации и определение оптимальных режимов пластической обработки для формирования однородной мелкозернистой структуры.
6. Изготовление образцов экспериментальных сталей с однородной мелкозернистой структурой.
7. Механические статические и циклические испытания на растяжение и усталостную долговечность образцов экспериментальных сталей с динамически и пост-динамически рекристаллизованной структурой.
8. Фрактография и анализ структурных изменений в экспериментальных сталях после усталостных испытаний 

Работы иностранного партнера:

1. Термомеханическая обработка образцов экспериментальных сталей с различной энергией дефектов упаковки, включающая ковку, прокатку и отжиг при 1000°С с последующей закалкой в воду.
2. Структурные исследования образцов экспериментальных сталей после закалки с 1000°С.
3. Механические испытания образцов экспериментальных сталей после закалки с 1000°С.
4. Структурные исследования образцов экспериментальных сталей после закалки и циклических испытаний.

При этом были получены следующие результаты:

1) Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).

Исследована микрокструктура в исходном состоянии в сталях Fe-18Mn-0.6C-0.1N-1.5Si и Fe-22Mn-0.4C-0.1N-1.5Si. Получены данные по химическому и фазовому состовау исследуемых сталей. На основании полученных микроструктурных данных были выбраны оптимальные режимы для формирования мелкозернистой структуры в сталях Fe-18Mn-0.6C-0.1N-1.5Si и Fe-22Mn-0.4C-0.1N-1.5Si. При совместных работах с инострынным партнером был получен комплексный анализ механичестик свойств в разнообразных структурных состояниях в высокомарганцевых сталях. Данные были обсуждены с иностранным партнером.

2) Основные характеристики полученных результатов (в целом и/или отдельных элементов), созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции.

Установлен оптимальный режим получения мелкозернистой микроструктуры для сталей Fe-18Mn-0.6C-0.1N-1.5Si и Fe-22Mn-0.4C-0.1N-1.5Si. Термомеханическая обработка заключается в многократной всесторонней ковке при температуре 600°С, а так же в многократной всесторонней ковке при температуре 600°С и последующем отжиге при температуре 600°С в течении 1часа.

3) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявших методик и решений

Результаты, полученные при выполнении первого этапа проекта, являются новыми в масштабе Российской Федерации, так как работы по этим сталям в Российской Федерации не велись.

4) Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту.

На основании полученных микроструктурных данных были выбраны оптимальные режимы для формирования мелкозернистой структуры в сталях Fe-18Mn-0.6C-0.1N-1.5Si и Fe-22Mn-0.4C-0.1N-1.5Si. Получены образцы образцы экспериментальных сталей с однородной мелкозернистой структурой.

5) Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

Результаты 2-го этапа проекта «Разработка высокомарганцевых аустенитных сталей с улучшенным комплексом механических свойств» были получены с применением современного высокотехнологического оборудования при участии группы японских ученых под руководством известного приглашённого учёного Kaneaki Tzusaki, что обеспечивает уровень результатов сопоставимый с мировым.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Основные результаты 3 этапа:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «23» октября 2014 г. № 14.584.21.0003 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 в период с 01 июля по 31 декабря 2015 г. выполняли следующие работы:

1. Многократная всесторонняя ковка образцов экспериментальных сталей в условиях холодной деформации при комнатной температуре.
2. Отжиг холоднокованых образцов экспериментальных сталей при температурах 400-600°С.
3. Измерение твердости и исследование эволюции структуры образцов экспериментальных сталей в процессе многократной ковки в условиях холодной деформации и последеформационного отжига.
4. Установление закономерностей формирования нанокристаллической структуры в экспериментальных сталях в процессе холодной многократной ковки.
5. Установление закономерностей статической рекристаллизации в процессе отжига экспериментальных сталей с нанокристаллической структурой, полученной многократной холодной ковкой.
6. Изготовление образцов экспериментальных сталей с однородной мелкозернистой структурой, полученной холодной ковкой с последующим отжигом.
7. Механические статические и циклические испытания образцов экспериментальных сталей с однородной мелкозернистой структурой, полученной холодной ковкой с последующим отжигом.
8. Фрактография и анализ структурных изменений в экспериментальных сталях после усталостных испытаний.
9. Проведение дополнительных патентных исследований.
10. Подача заявки на патент.

Работы иностранного партнера:

1. Термомеханическая обработка образцов экспериментальных сталей, включающая закалку с 1000°С с последующей прокаткой при температурах 600-900°С.
2. Структурные исследования образцов экспериментальных сталей после закалки с 1000°С и прокатки при температурах 600-900°С.
3. Механические испытания образцов экспериментальных сталей после закалки с 1000°С и прокатки при температурах 600-900°С.
4. Структурные исследования образцов экспериментальных сталей после прокатки при температурах 600-900°С и циклических испытаний.

При этом были получены следующие результаты:

1) Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).

Установлены закономерности формирования нанокристаллической структуры в экспериментальных сталях в процессе холодной многократной ковки и закономерности статической рекристаллизации в процессе отжига экспериментальных сталей с нанокристаллической структурой, полученной многократной холодной ковкой. Получены образцы экспериментальных сталей с однородной мелкозернистой структурой, полученной холодной ковкой с последующим отжигом. Оценены механические свойства образцов экспериментальных сталей с однородной мелкозернистой структурой, полученной холодной ковкой с последующим отжигом.

2) Основные характеристики полученных результатов (в целом и/или отдельных элементов), созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции.

Образцы сталей Fe-18Mn-0.6C-0.1N-1.5Si и Fe-22Mn-0.4C-0.1N-1.5Si, полученные холодной ковкой с последующим отжигом имеют мелкозернистую структуру. Был получен комплексный анализ механичестик свойств в сталях сталей Fe-18Mn-0.6C-0.1N-1.5Si и Fe-22Mn-0.4C-0.1N-1.5Si. С иностранном партнером обсуждены закономерности формирования нанокристаллической структуры в экспериментальных сталях в процессе холодной многократной ковки и закономерности статической рекристаллизации в процессе отжига экспериментальных сталей с нанокристаллической структурой, полученной многократной холодной ковкой.

3) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявших методик и решений.

Результаты, полученные при выполнении первого этапа проекта, являются новыми в масштабе Российской Федерации, так как работы по этим сталям в Российской Федерации не велись.

4) Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту.

5) Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

Полученные результаты соответствуют требованиям Технического задания.

Результаты 3-го этапа проекта «Разработка высокомарганцевых аустенитных сталей с улучшенным комплексом механических свойств» были получены с применением современного высокотехнологического оборудования при участии группы японских ученых под руководством известного приглашённого учёного Kaneaki Tzusaki, что обеспечивает уровень результатов сопоставимый с мировым.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.