ЦНИИчермет встречает 80-летний юбилей. Прочность и стойкость стали всегда в приоритете

На портале «Прометалл» вышла статья "ЦНИИчермет встречает 80-летний юбилей. Прочность и стойкость стали всегда в приоритете".  В преддверии праздника рассказываем о научных школах Института. В этот раз - о Научной школе создания конструкционных сталей и сплавов, которой руководит Г.А. Филиппов, д.т.н., директор Научного центра качественных сталей ЦНИИчермет им. И.П. Бардина.

Основных научных школ в Институте пять, они составляют научное ядро, основу 12 научно-исследовательских центров ЦНИИчермет. Та, о которой сегодня пойдёт речь, специализируется на проблемах, связанных с физической природой деградационных процессов и разрушения металлических материалов, а также на создании конструкционных сталей и сплавов повышенной прочности и эксплуатационной стойкости.

Начало этим исследованиям в ЦНИИчермет было положено в шестидесятые годы ХХ века. Постоянно растущие требования к прочности конструкционных материалов заставляют учёных искать пути её повышения при сохранении или увеличении запаса вязкости.

Решение этой задачи не может быть выполнено без глубокого изучения физической природы охрупчивания и разрушения сплавов на основе железа. В то время по инициативе проф. Р.И. Энтина была организована группа под руководством проф. В.И. Саррака по изучению физической природы хрупкости металлических материалов, впоследствии получившая статус лаборатории с одноимённым названием.

В разные годы сотрудниками лаборатории и аспирантами ЦНИИчермет проводились фундаментальные исследования природы разных видов хрупкости железа и стали: вызванные явлением вторичной твёрдости, отпускной, кислородной хрупкости железа, замедленного разрушения закалённой стали, водородной, хрупкости хромистого феррита при 475 °C и др.

Сегодня исследования по определению физической природы хрупкого разрушения металлов и способов борьбы с этим явлением проводятся директором Научного центра качественных сталей ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, д.т.н., профессором Георгием Анатольевичем Филипповым и возглавляемой им научной школой.

Существуют два вида хрупкости стали — в зависимости от скорости нагружения и температуры испытаний. Первый вид хрупкости характеризуется тем, что увеличение скорости нагружения и понижения температуры способствуют переходу металла из вязкого в хрупкое состояние. В основе этого вида хрупкости лежит явление хладноломкости.

Для второго вида хрупкости — замедленного разрушения — характерна противоположная зависимость от скорости и температуры нагружения. При обычных динамических испытаниях сталь не обнаруживает повышенной склонности к хрупкому разрушению, но оказывается склонной к этому в результате воздействия в течение определённого времени статической нагрузки значительно ниже предела текучести или при малой скорости деформации. Специалисты института тщательно изучают и тот, и другой виды.

Развитие метода измерения внутреннего трения позволило выявить природу явления деформационного старения и хладноломкости железа и стали. Эти и другие исследования ученых ЦНИИчермет по изучению релаксации напряжений под нагрузкой в зависимости от условий деформации и содержания углерода в железе и структурного состояния стали послужили основой для создания концепции возникновения локальных пиков и напряжений в структуре металла, определяющих механизм хрупкого разрушения железа и стали при низких температурах.

В результате этих работ были сформулированы представления о физической природе явления хладноломкости, включающие основные факторы, от которых зависит склонность стали к хрупкому разрушению.

Одним из необычных видов хрупкости чистого железа является охрупчивание, вызванное кислородом. Было установлено, что склонность железа к кислородной хрупкости зависит от содержания углерода. Были сформулированы предложения по термообработке, которые позволяют бороться с этим процессом.

В ряду исследований разных видов хрупкости особый интерес представляла хрупкость сталей со структурой закалённого мартенсита. Это было важно, потому что большинство высокопрочных конструкционных легированных сталей имеют именно структуру мартенсита. В результате этих исследований были разработаны способы увеличения сопротивления высокопрочных сталей замедленному разрушению, направленные на повышение надёжности и долговечности стальных изделий.

Особенно актуальными сегодня становятся исследования по водородной хрупкости стали, поскольку водород должен сыграть особую роль в так называемом «зелёном переходе», в создании новой экономики. При этом возникает вопрос, в чём его можно хранить и транспортировать.

Такой вид водородной хрупкости обусловлен диффузионноподвижным водородом. В частности, следствием его высокой подвижности, способности перераспределяться под нагрузкой и накапливаться в местах локальных напряжений, вызывая развитие замедленного разрушения.

Результаты работ специалистов ЦНИИчермета по изучению природы водородной хрупкости высокопрочных сталей позволили сформулировать основные принципы создания структурных состояний с повышенным сопротивлением этому виду разрушения.

Важнейшей задачей для отечественной металлургии становится создание сталей повышенной надёжности и долговечности. В частности, в институте был разработан способ релаксационной обработки — отпуск под напряжением.

Выявление причин склонности к замедленному разрушению высокопрочных болтов из стали 40Х «селект» позволили выдать рекомендации по совершенствованию технологии их производства. Разработаны и освоены в промышленных условиях стали повышенной степени чистоты с микролегирующими добавками титана, ниобия и бора для производства высокопрочных болтов повышенной прочности и сопротивления замедленному разрушению.

За разработку и освоение производства на ОАО «ОЭМК» проката для холодной объёмной штамповки, пружин, подшипников, рельсов коллектив авторов в составе В.А. Синельникова, Ю.Е. Кана, В.А. Тарасова и Г.А. Филиппова удостоен Премии Правительства РФ в области науки и техники за 1996 год.

О.В. Ливановой, А.Р. Мишетьян и Е.Ю. Нарусовой проведён цикл работ по изучению деградационных процессов при длительной эксплуатации металла труб магистральных нефтепроводов и высокопрочной арматурной проволоки преднапряжённых железобетонных конструкций. Результаты этих работ нашли практическое применение для оценки остаточного ресурса и планирования ремонта магистральных трубопроводов, железобетонных мостов и путепроводов.

С 2000-х годов коллектив Научного центра качественных сталей активно проводит научно-исследовательские работы по созданию новых материалов и технологий для производства железнодорожных рельсов и колёс с повышенными прочностью и запасом вязкости.

Разработана и освоена технология производства рельсов из непрерывнолитой заготовки высокочистой стали в ОАО «ОЭМК» и ОАО «НТМК». Впервые в условиях ОАО «НТМК» опробована ресурсосберегающая технология производства рельсов из низколегированной стали, без завершающей термообработки, обеспечивающая получение свойств на уровне рельсов, подвергнутых объёмной закалке. Предложена технология производства рельсов повышенной износостойкости.

По совокупности полученных научных и практических результатов работа коллектива специалистов АО «ВМЗ», АО «ОМК», ОАО «РЖД», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» и АО «ВНИИЖТ» по разработке материалов для создания вагонов нового поколения в 2011 году была удостоена премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники.

Результаты проведённых проф. Г.А. Филипповым и его научной школой фундаментальных исследований физической природы взаимодействия атомов примесей с дефектами кристаллического строения и механизмов разных видов хрупкости железа и стали послужили основой для разработки и освоения производства новых типов конструкционных сталей с повышенными прочностью и надёжностью.