Российские ученые разработали метод повышения прочности стали, используемой в бурильных трубах.

Исследование опубликовано в журнале «Черные металлы». Оно было выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Бурильные трубы должны отличаться высокой прочностью, ударной вязкостью и стойкостью к коррозии, поскольку они подвергаются значительным механическим нагрузкам и агрессивным химическим средам. Перспективными для их производства считаются специальные стали — низкоуглеродистые мартенситные.

Эти стали содержат небольшое количество углерода (до 0,2 процента), что обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств: пластичность позволяет легко формировать и обрабатывать сталь для получения труб нужной формы, а ударная вязкость гарантирует, что материал способен выдерживать нагрузки. Кроме того, особая структура этих сталей придает им высокую прочность, что предотвращает разрушение под воздействием больших внешних нагрузок.

Для улучшения характеристик стали проводят термическую обработку — закалку из двухфазной области, когда металл первоначально нагревается до высоких температур, а затем быстро охлаждается, что приводит к изменению его кристаллической структуры. Это увеличивает прочность, твердость и износостойкость, но снижает ударную вязкость. Преимущество сталей с исследуемой структурой заключается в том, что они упрощают этот процесс, так как закаливаются при охлаждении на обычном воздухе и не требуют специального ускорения, при этом значительное падение ударной вязкости не происходит.

Разные методы закалки могут по-разному влиять на характеристики металла. Существующие марки либо не обеспечивают необходимое сочетание прочности, вязкости и пластичности, либо их получение требует слишком больших технологических и финансовых затрат.

Ученые Пермского Политеха исследовали изменения структуры низкоуглеродистой мартенситной стали при нагреве и охлаждении и предложили метод закалки, который обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств.

Для этого политехники изготовили образцы в виде слитков и нагрели их до высоких температур (800 °С и более), что приводит к изменению структуры стали в твердом состоянии. Этот процесс называется закалкой из межкритического температурного интервала. После этого провели испытания для определения механических свойств образцов, вырезанных из готового изделия.

«Эксперимент показал, что изменения атомной структуры металла при нагреве со скоростью 5-40 °C/мин происходят одновременно по двум механизмам – сдвиговому и диффузионному, которые иногда могут накладываться. При первом механизме атомы смещаются «группами», то есть не теряют связей со своими соседями – это быстрый процесс, позволяющий получить требуемую структуру, определяющую свойства материала. Причем для этого не требуются значительные энергетические затраты», – комментирует Сергей Гребеньков, ведущий инженер кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.

«При более высоких температурах нагрева атомы перемещаются на расстояния, превышающие межатомные – это диффузионный механизм, который более длителен, но с его помощью также можно добиться желаемых механических свойств стали», – объясняет Сергей Лаптев, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ.

«В результате мы установили, что закалка стали из межкритического интервала температур обеспечивает для выбранной стали лучшее сочетание необходимых свойств по сравнению с традиционными технологиями. Предел прочности составляет 1300 МПа, относительное сужение – около 70 процентов, а ударная вязкость – 2,5 МДж/м². Сталь с такими характеристиками может стать альтернативой современным сталям для бурильных труб», – рассказывает Александр Шацов, профессор кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, доктор технических наук.

Предложенный учеными Пермского Политеха состав стали и метод термообработки значительно улучшают свойства материала. Это имеет важное значение для производства стальных бурильных труб и позволяет повысить их конструкционную прочность. Работа защищена патентом.