Знайдено спосіб зробити сталеві конструкції міцнішими.

Стаття опублікована в журналі «Фізика металів та металознавство». Термальна обробка мартенситностаріючих сталей проходить у кілька ключових етапів. Для зміцнення в них додають різні елементи, такі як нікель, кобальт, титан, алюміній та інші. Отримані сплави нагрівають до температури вище критичної точки (800-950 °C) і витримують для рівномірного розподілу цих елементів та отримання особливої структури – мартенситу, – після чого охолоджують. Цей процес називається закалюванням.

Потім сталь знову нагрівають до 450-550 °C і витримують протягом кількох годин. Цю обробку називають старінням. Під час нього відбувається розпад мартенситу та формування всередині його кристалів виділень, наприклад, нікель-титану, нікель-алюмінію та інших, розміри яких становлять кілька нанометрів.

Все це призводить до зміцнення сплаву, однак важливу роль у підвищенні тріщиностійкості грає розмір цих з’єднань, який змінюється в залежності від температури старіння. Розширення бази знань про таке явище вимагає дослідження зміни структури матеріалу в залежності від різних факторів. Подібні випробування періодично проводяться, але політехніки використовували власне обладнання, конкретну сталь та певні умови, в яких раніше експерименти не проводилися.

Вчені Пермського Політеху вивчили показники стійкості до утворення тріщин при періодичних навантаженнях на прикладі однієї з найпоширеніших вітчизняних мартенситностаріючих сталей – 03Х11Н10М2Т (ЕП-678). Її застосовують для виробництва силових зварних та механічно оброблених елементів, високонавантажених дисків турбомашин, зубчастих коліс, деталей авіабудування, що працюють при температурах від -200 до +400 °C, а також – у корозійних середовищах, таких як морська вода тощо.

Промислові слитки піддавали гарячій ковці, і виготовили з них зразки для досліджень. Заготовки закалювали у воді від 920 °C і витримували при температурах 300-560 °C протягом трьох годин. Випробування на стійкість до тріщин проводили на спеціальній машині жорсткого навантаження. Далі порівнювали зразки до і після експериментів на звичайних та електронних мікроскопах.

«Прийнято вважати, що чим менша структура, тим вища тріщиностійкість. Однак дослідження цієї сталі показало, що укрупнення її елементів підвищує стійкість до руйнувань в умовах періодичного навантаження. При цьому максимальний позитивний ефект спостерігався при низьких навантаженнях – не більше 1-2 тонни: так, після закалювання з 1200 °C (грубо зерниста сталь) швидкість зростання тріщини в три рази менша, ніж після закалювання з 920 °C (дрібнозерниста). Тут це означає, що чим вища температура закалювання і крупніше зерно, тим повільніше руйнується матеріал», – коментує Юрій Симонов, завідувач кафедри «Металознавство, термічна та лазерна обробка металів» ПНІПУ, професор, доктор технічних наук.

Характер зміни тріщиностійкості мартенситностаріючих сталей має цілий ряд особливостей, які необхідно враховувати при призначенні конкретних режимів термічної обробки. У випадку з цією сталлю вчені виявили закономірність: чим крупніше дисперсні частинки, тим вища стійкість до руйнувань, хоча зазвичай буває навпаки.

Дослідження вчених Пермського Політеху можуть бути використані в машинобудуванні, нафтовій та газовій промисловості, аерокосмічній та інших галузях промисловості для підбору оптимальної температури закалювання та покращення тріщиностійкості матеріалів. Результати експериментів дозволяють більш обґрунтовано призначати режими закалювання, які забезпечать матеріалу вищу стійкість до руйнувань.