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. Например, снижение стоимости транспортировки углеводородов по трубопроводам нового поколения за счет повышения их пропускной способности и экономии материалов при строительстве.
Производство любых конструкционных и функциональных металлических материалов, и изделий, как правило, реализующееся в виде направленных деформационных и термических воздействий, приводит к формированию в них кристаллографической текстуры. Наличие текстуры придает изделиям определенный уровень ориентационно-зависимых физико-механических свойств, а учет ее возникновения и развития позволяет оптимизировать известные и разрабатывать новые технологии производства данных материалов. Научной новизной и оригинальностью исследований в данном направлении является использование подхода о первостепенной роли кристаллографически обусловленных границ (включая межфазные, двойниковые, специальные и полуспециальные) в формировании текстур при структурных и сдвиговых фазовых превращениях в металлах и сплавах.
Для решения поставленной задачи будет использован подход, сочетающий изучение взаимосвязи механизмов формирования структуры на всех масштабных уровнях (нанометрическом, мезоуровне и глобальном), в комплексе с феноменологией, реализующейся в виде последовательности: напряженное состояние – деформация – текстура в виде совокупности стабильных ориентировок – термическое воздействие – структурные превращения с учетом специальных разориентаций и/или фазовое превращение с учетом ориентационных соотношений. В качестве основных методов исследования выбраны: термодинамические расчеты совместно с теплофизическими измерениями (калориметрия и дилатометрия); динамический анализ разрушения образцов материалов, включающей анализ вида зависимости сила-перемещение-время; сканирующая электронная микроскопия с использованием ориентационной микроскопии; и просвечивающая электронная микроскопия.
Ожидаемые результаты:
Основным результатом проекта будет являться научно-обоснованная концепция управления процессами формирования текстуры металлических материалов в результате кристаллографически ориентированных фазовых и структурных превращений на мезо- и наноуровнях для получения необходимого комплекса конструкционных и функциональных свойств изделий. Концепция будет основываться на результатах экспериментальных исследований формирования структуры и текстуры высокопрочных низкоуглеродистых трубных сталей, нержавеющих сталей при термомеханической обработке (в том числе при TMСP). Будет получена информация о возможных структурно-текстурных состояниях в данных материалах, формирующихся при различных технологических параметрах и возможностях ее оптимизации.
Получение оптимальной анизотропии физико-механических свойств листовых широкополосных материалов при горячей деформации для изготовления труб (в том числе большого диаметра) позволит существенно повысить эксплуатационную надежность магистральных нефте- и газопроводов, работающих в различных климатических условиях. Также в результате реализации проекта будут разработаны технологии, позволяющие получать изделия классов прочности К80 (X100) и выше, не производящиеся в России в настоящее время, и не применяющиеся в мире для трубопроводов высокого давления из-за малой пластичности и низкой способности противостоять распространению трещин.
Решение вопроса целенаправленного получения необходимой кристаллографической текстуры в трубных изделиях ответственного назначения, изготовляемых методами горячей деформации и термической обработки из нержавеющих сталей мартенситного, супермартенситного и аустенитного классов, а также сплавов на основе циркония позволит существенно повысить эксплуатационную надежность трубопроводов высоких температур и давлений в ядерной промышленности, а также твэлов в ядерных реакторах.
Возможность целенаправленного получения заданной анизотропии физико-механических свойств, обусловленной наличием кристаллографической текстуры, может явиться мощным импульсом для создания новых или развития современных перспективных материалов с ориентационно-зависимыми свойствами (композиционные порошковые материалы, материалы с эффектом памяти формы, аморфные магнитные материалы, наноматериалы и т.д.).
Таким образом, основными результатами проекта будут являться оптимизированные по химическому составу сталей, параметрам обработки (температуры, времена выдержки, степени и скорости деформации, скорости охлаждения) технологии производства полупродуктов и трубных изделий. Предполагается, что данные технологии в зависимости от реализации различных структурно-текстурных состояний позволят управляемо получать в материалах и изделиях вариативные, требуемые (заданные) в зависимости от условий обработки или эксплуатации, и прогнозируемые комплексы механических и химических свойств. В частности, при ТМСР, реализуемой на новых станах горячей прокатки 5000, получать изделия классов прочности К80 (X100) и выше.