name: Особенности механизмов разрушения и деформационного старения в зависимости от структурного состояния низколегированных трубных сталей
keyword_list: бейнит структура механические свойства трещиностойкость хладостойкость сопротивление разрушению деформационное старение низколегированная трубная сталь
abstract: Интенсивное развитие топливно-энергетического комплекса предполагает обеспечение высокой экономической эффективности трубопроводного транспорта, достигаемой увеличением пропускной способности труб путем расширения их диаметра. При этом для сохранения надежности трубопроводов с повышением рабочего давления требуется повышение прочности материала труб с целью снижения металлоемкости. В процессе производства (на металлургическом, трубном переделах), при строительстве готовых трубных конструкций металл подвергается различного рода воздействиям. Помимо этого при сооружении трубопроводных систем необходимо учитывать топографические, геологические данные о местности, определяющие характер эксплуатации труб. Так, транспортировка углеводородов может производиться по сейсмоактивным районам или территориям, находящимся в условиях вечной мерзлоты.
  Пластическая деформация металла труб может приводить к развитию деформационного старения и, как следствие, снижению сопротивления разрушению, что нашло экспериментальное подтверждение. В связи с этим, деформационное старение является одной из причин снижения эксплуатационной надежности трубопроводов.
  Деформационное старение – процесс, происходящий в стали в результате протекания пластической деформации и последующей выдержки (или нагрева) металла в течение длительного времени. Как известно, явление деформационного старения связано с внесением свежих дислокаций при деформации, взаимодействующих со свободными атомами внедрения в структуре, что в итоге приводит к повышению сопротивления движению дислокаций и, следовательно, появлению в металле локальных микронапряжений, следствием которых являются эффекты упрочнения и охрупчивания.
  Критерием протекания деформационного старения (исчерпания способности металла к деформационному упрочнению) является изменение механических свойств стали: увеличение соотношения σт/σв, снижение пластичности, ударной вязкости, трансформация кривой «напряжение – деформация».
  Явление деформационного старения исследовалось в работах А.Х. Коттрелла, Ю.А. Скакова, В.И. Саррака, М.А. Криштала, С.А. Головина и др. Наиболее полно изучена физическая природа деформационного старения железа, склонность к которому зависит от содержания примесей внедрения – углерода и азота. Склонность к деформационному старению стали зависит еще и от структурного состояния, и поэтому вопрос менее изучен.
  В связи с этим, целью работы было выявление природы изменения механических свойств и хладостойкости в результате деформационного старения трубных сталей в зависимости от их структурного состояния. Проведено комплексное исследование с использованием современных методов оценки стандартных и специальных свойств; прямых (световая и электронная микроскопия) и физических методов изучения структурного состояния стали.
  В работе получены результаты, характеризующиеся научной новизной: 
  1. Установлена связь между хладостойкостью низколегированных трубных сталей и склонностью к релаксации напряжений в локальном микрообъеме, возникающих в ходе нагружения в упругой области. Повышение неоднородности и снижение дисперсности структуры, а также уменьшение подвижности дислокаций в результате деформационного старения увеличивают склонность низколегированной стали к хрупкому разрушению, что является следствием затруднения протекания релаксационных процессов. 
  2. Показано, что в отличие от стали с феррито-перлитной структурой, сталь со структурой бейнитного типа в процессе деформационного старения теряет способность к деформационному упрочнению (отношение σт/σв→1) при степени деформации 2%, что приводит к снижению эксплуатационной надежности. 
  3. Установлено, что в ходе деформации низколегированной трубной стали со структурой бейнитного типа реализуется процесс превращения остаточного аустенита в мартенсит (локальный TRIP-эффект). С увеличением степени деформации происходит превращение участков остаточного аустенита, в том числе содержащегося в островках М/А-составляющей, до полного его исчезновения при степени деформации 3%. Дальнейший нагрев при температуре 200 °С приводит к распаду мартенситной составляющей с выделением карбидов. 
  4. Предложен структурный механизм, объясняющий трансформацию вида диаграммы растяжения бейнитной стали после деформационного старения, являющийся следствием двух процессов, одновременно протекающих в структуре на различных масштабных уровнях и имеющих противоположное влияние на сопротивление деформации: повышение предела текучести в результате упрочнения вследствие закрепления дислокаций атомами внедрения и разупрочнение, вызванное исчезновением участков М/А, упрочняющей металл в исходном состоянии, в результате локального TRIP-эффекта при предварительной деформации и распада мартенсита при последующем нагреве. 
  5. На основании исследования скоростной зависимости предела текучести сталей впервые установлено увеличение прироста предела текучести после деформационного старения, наблюдаемое при скачкообразном изменении скорости нагружения. Показано, что более высокий прирост предела текучести в результате деформационного старения стали с бейнитной структурой является следствием затруднения термоактивированного скольжения, связанного с увеличением полей искажений кристаллической решетки вокруг атомов внедрения, концентрация которых выше в менее равновесной бейнитной структуре.
  Теоретическая и практическая значимость работы:
  1. Установлено, что основная доля в суммарной энергоемкости разрушения при пониженных температурах приходится на работу зарождения трещины, поэтому для объективной оценки риска образования протяженных разрушений магистральных трубопроводов важно учитывать интенсивность снижения работы распространения трещины при понижении температуры испытаний, а не суммарной работы разрушения (ударной вязкости).
  2. На основании установленной предельно допустимой величины холодной деформации металла труб (не более 5%), гарантирующей величину равномерного удлинения, выданы рекомендации по изготовлению отводов холодного гнутья для труб магистральных газопроводов, предназначенных для эксплуатации в зонах активных тектонических разломов (АТР). 
  3. Оценка надежности и долговечности эксплуатации трубопроводов является важной задачей для производителей труб. Результаты данного исследования могут служить для диагностики текущего состояния материала, проведения экспертиз, анализа разрушения трубопроводов и других конструкций из малоуглеродистых низколегированных сталей, а также могут стать основой для дальнейших исследований, проводимых в данной области.
chairman_dissertation_council.name: Ирина
chairman_dissertation_council.surname: Родионова
chairman_dissertation_council.patronymic: Гавриловна
chairman_dissertation_council.position: Заместитель директора Научного центра
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Старший научный сотрудник
chairman_dissertation_council.wos_research_id: G-6289-2017
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7004972135
chairman_dissertation_council.rinc_id: 175642
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Виктор
organization_supervisor.surname: Семёнов
organization_supervisor.patronymic: Владимирович
organization_supervisor.position: Генеральный директор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 53.49.05
rubrics.name: Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах
rubrics.code: 53.49.09
rubrics.name: Прочность и пластичность металлов и сплавов
rubrics.code: 53.49.21
rubrics.name: Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов
rubrics.code: 53.49.13
rubrics.name: Структура и свойства стали, сплавов и композиционных материалов на основе железа
oecds.code: 02.05.PM
oecds.name: MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY
speciality_codes.name: Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
speciality_codes.code: 2.6.1.
supervisors.fio: Шабалов Иван Павлович
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
supervisors.fio: Филиппов Георгий Анатольевич
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Чувильдеев Владимир Николаевич
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Соколовская Элина Александровна
opponents.scientific_degree: Кандидат технических наук
opponents.speciality_code: Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГУП "ЦНИИЧЕРМЕТ ИМ.И.П. БАРДИНА"
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ИМ.И.П.БАРДИНА"
protection_organization.ogrn: 1037739060920
protection_organization.supervisor_name: ВИКТОР
protection_organization.supervisor_surname: СЕМЕНОВ
protection_organization.supervisor_patronymic: ВЛАДИМИРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство промышленности и торговли Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные унитарные предприятия
author_organization.short_name: ФГУП "ЦНИИЧЕРМЕТ ИМ.И.П. БАРДИНА"
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ИМ.И.П.БАРДИНА"
author_organization.ogrn: 1037739060920
author_organization.supervisor_name: ВИКТОР
author_organization.supervisor_surname: СЕМЕНОВ
author_organization.supervisor_patronymic: ВЛАДИМИРОВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство промышленности и торговли Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные унитарные предприятия