Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Достижение поставленной цели проекта будет осуществляться путём реализации научных тематик, соответствующих направлениям Стратегии научно- технологического развития Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно- технологического развития Российской Федерации»). Финансирование научных тематик будет осуществляться за счёт привлечённого внебюджетного и бюджетного финансирования, в том числе средств гранта в форме субсидии из федерального бюджета, предоставленного на оказание поддержки Программы развития УрФУ на 2021-2030 гг. в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Постановление Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 года № 729), которые будут направлены на реализацию научной тематики «Управление ориентационно-зависимыми физико-механическими свойствами конструкционных и функциональных промышленных материалов и изделий», прошедшей конкурсный отбор.
Описание реализуемой за счёт средств ПСАЛ «Приоритет 2030» научной тематики «Управление ориентационно-зависимыми физико-механическими свойствами конструкционных и функциональных промышленных материалов и изделий».
1) Решаемая проблема. Проект направлен на развитие физических представлений о взаимосвязи процессов формирования текстуры, структуры и свойств материалов. Целью проекта является создание научно-обоснованной концепции управления процессами формирования текстуры металлических материалов в результате кристаллографически ориентированных фазовых и структурных превращений на мезо- и наноуровнях для получения необходимого комплекса функциональных свойств изделий.
2) Актуальность решения обозначенной проблемы определяется необходимостью получения в трубных изделиях ответственного назначения (магистральные трубопроводы, трубопроводы для ядерной промышленности, трубки тепловыделяющих элементов – ТВЭЛов ядерных реакторов) уникальных комплексов механических и химических свойств (в зависимости от условий их эксплуатации), а также необходимостью повышения конструктивной прочности материалов и снижения их себестоимости.
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.
3) Задачи, предлагаемые к решению:
- Получение в высокопрочных низколегированных сталях для трубной промышленности вариативных комплексов механических свойств (в зависимости от климатических условий их эксплуатации).
- Целенаправленное получение необходимой кристаллографической текстуры в трубных изделиях ответственного назначения, изготовляемых методами горячей деформации и термической обработки из нержавеющих сталей мартенситного, супермартенситного и аустенитного классов.
- Целенаправленное получения необходимой кристаллографической текстуры в трубных изделиях ответственного назначения, изготовляемых методами горячей деформации и термической обработки из сплавов на основе титана и циркония.
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.
4) Практическая значимость ожидаемых результатов.
Проект направлен на получение в высокопрочных низколегированных сталях для трубной промышленности вариативных комплексов механических свойств (в зависимости от климатических условий их эксплуатации) и одновременно на повышение прочности данных материалов с целью снижения себестоимости транспортировки углеводородов (за счет увеличения пропускной способности труб и экономии материалов). В результате реализации проекта должны быть разработаны технологии, позволяющие получать изделия классов прочности К80 (X100) и выше, не производящиеся в России в настоящее время и не применявшиеся никогда в мире для газопроводов высокого давления из-за явных ограничений в пластичности и способности тормозить распространение трещин.
Еще одной задачей проекта является 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 титана и циркония. Решение данного вопроса позволит существенно повысить эксплуатационную надежность трубопроводов высоких температур и давлений в ядерной промышленности, а также ТВЭЛов в ядерных реакторах.
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) и прогнозируемые комплексы механических и химических свойств.
5) Общий план работы на весь срок выполнения проекта:
Этап 1 (2022 год). Исследование процессов формирования структуры и текстуры в малоуглеродистых низколегированных сталях, в сплавах на основе титана, циркония и механизмов возникновения и развития текстуры в материалах для трубных изделий ответственного назначения (магистральные трубопроводы, трубопроводы для ядерной промышленности, трубки тепловыделяющих элементов – ТВЭЛов ядерных реакторов) в процессе их термомеханической и термической обработок.
Проведение структурного анализа методом электронной микроскопии, проведение механических испытаний. Сбор и аналитика полученных результатов.
Этап 2 (2023 год). Разработка новых и развитие имеющихся кристаллогеометрических моделей деформационно-индуцированных превращений с целью прогнозирования структуры, текстуры, механических свойств сталей и сплавов, формирующихся в результате термомеханической и термической обработок.
Проведение структурного анализа методом электронной микроскопии, проведение механических испытаний. Проведение термодинамических расчетов совместно с теплофизическими измерениями (калориметрия и дилатометрия). Аналитика и уточнение полученных результатов.
Этап 3 (2024 год). Разработка промышленных способов управления структурно-текстурными состояниями материалов для трубных изделий ответственного назначения за счет вариации параметров термомеханической и термической обработок с целью получения заданного уровня конструктивной прочности.
Разработка и апробация промышленных технологий производства полупродуктов и трубных изделий ответственного назначения, включающие оптимизацию химических составов сталей и сплавов и параметров обработки.
Коллектив Научного центра компетенций руководствуется в своей работе Положением о научных центрах компетенций СМК- ПВД-7-01-287-2022, введённым в действие приказом №439/03 от 04.05.2022.