Російські вчені розробили метод покращення конструкційної міцності сталі для бурильних труб.

Дослідження опубліковане у журналі «Чорні метали». Дослідження виконано в рамках програми стратегічного академічного лідерства «Пріоритет 2030».

Бурильні труби повинні мати високу міцність, ударну в'язкість і стійкість до корозії, оскільки вони піддаються значним механічним навантаженням і агресивним хімічним середовищам. Перспективними для їх виробництва вважаються особливі сталі — низьковуглецеві мартенситні.

Вони, з одного боку, містять невелику кількість вуглецю (до 0,2 відсотка), завдяки чому досягається оптимальне поєднання механічних властивостей: пластичність дозволяє легко формувати та обробляти сталь, щоб отримати труби потрібної форми, а ударна в'язкість відповідає за здатність матеріалу витримувати навантаження. З іншого боку, особлива структура цих сталей забезпечує їх високу міцність, внаслідок чого сталі не руйнуються під великими зовнішніми навантаженнями.

Для покращення характеристик сталі проводять її термічну обробку — загартування з двофазної області, коли метал спочатку нагрівають до високих температур, а потім швидко охолоджують, внаслідок чого він змінює свою кристалічну структуру. В результаті підвищується міцність, твердість і зносостійкість, але знижується ударна в'язкість. Перевага сталей з досліджуваною структурою полягає в тому, що вони спрощують цей процес, оскільки загартовуються при охолодженні на звичайному повітрі і не потребують спеціального прискорення цього процесу, при цьому значного зниження ударної в'язкості не відбувається.

Різні методи загартування можуть по-різному відображатися на характеристиках металу. Існуючі марки або не мають необхідного поєднання міцності, в'язкості та пластичності, або їх отримання вимагає занадто великих технологічних і фінансових витрат.

Вчені Пермського Політеху дослідили зміни структури низьковуглецевої мартенситної сталі при нагріванні та охолодженні і запропонували такий спосіб її загартування, який забезпечує краще поєднання її механічних властивостей.

Для цього політехніки виготовили зразки у вигляді слитків і нагріли їх до високих температур (800 °С і більше), при яких відбувається зміна структури сталі в твердому стані. Цей процес називається загартуванням з міжкритичного температурного інтервалу. Після цього провели випробування для визначення характеристик механічних властивостей зразків, вирізаних з готового виробу.

«Експеримент показав, що зміни атомної структури металу при нагріванні 5-40 °C/хв відбуваються одночасно за двома механізмами – зсувному та дифузійному, які іноді можуть накладатися. При першому механізмі атоми зміщуються «групами», тобто не втрачають зв'язків зі своїми сусідами – це швидкий процес, який дозволяє отримати потрібну структуру, що визначає властивості матеріалу. Причому для цього не потрібні значні енергетичні витрати», – коментує Сергій Гребеньков, провідний інженер кафедри «Металознавство, термічна та лазерна обробка металів» ПНІПУ, кандидат технічних наук.

«При вищих температурах нагріву атоми переміщуються на відстані більші міжатомних – це дифузійний механізм, він більш тривалий, але з його допомогою також можна досягти бажаних механічних властивостей сталі», – пояснює Сергій Лаптєв, аспірант кафедри «Металознавство, термічна та лазерна обробка металів» ПНІПУ.

«В результаті ми встановили, що загартування сталі з міжкритичного інтервалу температур забезпечує для вибраної сталі краще поєднання необхідних властивостей у порівнянні з традиційними технологіями. Межа міцності знаходиться на рівні 1300 МПа, відносне звуження – близько 70 відсотків, а ударна в'язкість – 2,5 МДж/м². Сталь такого складу та характеристик може служити альтернативою сучасним сталям для бурильних труб», – розповідає Олександр Шацов, професор кафедри «Металознавство, термічна та лазерна обробка металів» ПНІПУ, доктор технічних наук.

Запропонований вченими Пермського Політеху склад сталі і метод термообробки помітно покращує властивості матеріалу. Це має велике значення для виробництва сталевих бурильних труб, дозволяє підвищити їх конструкційну міцність. Робота захищена патентом.