Навигация
Новости науки
Структура управления научной деятельностью
Научные направления
Научные мероприятия
Конкурсы и гранты
Программы, проекты
НОЦ «Инновационные решения в АПК»
Повышение квалификации
Диссертационные советы
Защита диссертаций
Лучшие аспиранты
Зимняя школа будущего аспиранта
V Молодежный форум университетов стран ШОС-2020
Научные издания БелГУ
Интерактив
Научные ресурсы
Электронный архив открытого доступа
НИУ «БелГУ» приглашает
НИУ



НИУ

Механизмы формирования структуры в алюминиевых и медных сплавах, упрочненных наночастицами с когерентными границами, в процессе интенсивной пластической деформации (Научная школа)

Руководитель направления: Кайбышев Рустам Оскарович
Код ГРНТИ: 29.19.00; 53.49.00

Состав научного коллектива:

- к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Дудова Н.Р.,

- к.т.н., старший научный сотрудник Дудко В.А.,

- к.т.н., младший научный сотрудник Мишнев Р.В.,

- к.т.н., научный сотрудник Федосеева А.Э.,

- аспирант Никитин И.С.,

- аспирант Ткачев Е.С.

Научные результаты (за последние 5 лет):

- опубликовано более 200 научных статей в высокорейтинговых зарубежных журналах и российских научных изданиях,

- получено более 30 свидетельств патентов на изобретение и ноу-хау;

- защищены 3 кандидатские диссертации (по специальности 05.16.01. – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов);

- осуществлено руководство и принято участие в 15 научных проектах, поддерживаемых различными фондами и организациями;

- результаты научно-исследовательской деятельности были широко представлены на различных международных зарубежных и российских конференциях и выставках.

Актуальность:

9-12%-хромистые стали мартенситного класса – современные материалы для энергетического машиностроения. Они способны работать в условиях повышенных температур и нагрузок в паровых котлах и турбинах очень длительное время, 10-20 лет. Их преимущество обусловлено высокой длительной прочностью и низкой стоимостью. Однако существует проблема дальнейшего повышения температуры их эксплуатации до 650°С, связанная с разработкой тепловых электростанций нового поколения с повышенным КПД и сниженными выбросами углекислого газа в атмосферу.

Наиболее перспективным путем повышения длительной прочности сталей является модификация микролегирования их элементами, обеспечивающими повышение уровень твердорастворного упрочнения и дисперсионного упрочнения частицами вторых фаз, таким как кобальт, хром, бор, азот, рений и др. С целью создания оптимального микроструктурного дизайна сталей нового поколения разрабатываются новые химические составы и режимы их термической обработки. Разработка проводится на основе анализа физических механизмов ползучести, детальных микроструктурных исследований, а также получения базы данных по комплексу механических свойств.

Основные результаты исследований (за последние 5 лет):

  1. Разработан микроструктурный дизайн высокохромистых мартенситных сталей с низким содержанием азота на основе стали типа Р92 путем оптимизации аустенит- и феррит-стабилизирующих элементов, и на его основе выплавлены высокохромистые стали мартенситного класса с 10-12% хрома для котельных и паропроводных труб, роторов и лопаток турбин. Было показано, что только микроструктурный дизайн, основанный на низком содержании азота, обеспечивает высокую длительную прочность при долговременной ползучести мартенситных сталей с 9% хрома.
  2. Увеличение содержания хрома до 12% в сталях, необходимое для повышения сопротивления окислению вплоть до 650°C, в совокупности с низким содержанием азота было скомпенсировано увеличением содержания элементов замещения, стабилизирующих аустенит, а именно повышено содержание кобальта до 4% и бора до 0,012%, добавлены медь до 1% и тантал до 0,1%. Ранее была установлена неприменимость Ni и Mn для этих целей, поскольку они неблагоприятно влияют на скорость коагуляции зернограничных карбидов M23C6. Скорректированный микроструктурный дизайн новых сталей позволил получить содержание дельта-феррита менее 3%.
  3. Показано, что карбиды М23С6 вносят основной вклад в Зинеровскую силу торможения, которая препятствует трансформации дислокационной структуры троостита отпуска в субзеренную структуру. Наименьший вклад в силу торможения вносят карбонитриды M(C,N), а вклад фаз Лавеса сильно зависит от их расположения и размера. Существует критическая величина Зинеровской силы торможения 0.12 МПа, выше которой структура троостита отпуска не трансформируется в субзеренную структуру.
  4. Установлена стадийность выделений вторых фаз и эволюции структуры при отпуске, а также влияние легирующих элементов на эти процессы. Показано, что деформация при ползучести ускоряет процессы выделения фаз Лавеса, трансформации карбонитридов V(C,N) в Z-фазу, коагуляции карбидов M23C6. Эти процессы по отдельности или в совокупности приводят к трансформации структуры троостита отпуска в субзеренную структуру при ползучести. Влияние деформации на коагуляцию фаз Лавеса не значительно.
  5. Показано, что в сталях с обычным содержанием азота (0,05%) при кратковременной ползучести и длительном старении структура троостита отпуска сохраняется, деформация при ползучести слабо влияет на процессы структурных изменений. При долговременной ползучести процессы вызванного деформацией выделения (W+Mo) из феррита происходят на установившейся стадии, увеличение размера частиц на третьей стадии ползучести с низкой скоростью разупрочнения, а трансформация структуры троостита отпуска в субзеренную структуру в несколько раз ускоряет разупрочнение.
  6. Кристаллография и ориентационные отношения карбидов M23C6 зависят от механизмов их зарождения и содержания бора в стали. Ориентационное отношение Курдюмова-Закса обеспечивает сохранение когерентности границ карбидов M23C6 при ползучести и высокую долговременную прочность в сталях с низким содержанием азота.
  7. Было установлено, что повышение температуры эксплуатации высокохромистых сталей мартенситного класса, которое достигается за счет увеличения содержания бора до ≥0,008% и уменьшения содержания азота до ≤0,003%, обеспечивает смещение перелома на кривой зависимости «приложенное напряжение – время до разрушения» в сторону больших времен до разрушения, более 40000 ч при температуре 650°С. Было установлено, что уменьшение содержания азота приводит к подавлению замещения наночастиц карбонитридов M(C,N) частицами Z-фазы микронного размера при ползучести. Было обнаружено, что карбонитриды МХ, обогащенные ванадием, выделяются в стали в условиях длительного отжига или ползучести (около 10 000 ч).
  8. Было установлено влияние отдельных легирующих элементов на межфазную энергию частиц вторых фаз в высокохромистых сталях мартенситного класса: а) легирование сталей 3%Со увеличивает в 1,7 раза межфазную энергию карбидов М23С6 и карбонитридов МХ, что соответствует 4- и 1,5-кратному увеличению коэффициента скорости укрупнения, соответственно. Добавка Со не приводит к изменению межфазной энергии фазы Лавеса; б) увеличение вольфрама с 2% до 3% вес. в кобальт-содержащих сталях 9Cr3Co2W и 9Cr3Co3W приводит к увеличению межфазной энергии фазы Лавеса до 0.78 Дж/м2. Добавка W не повлияла на межфазную энергию карбидов М23С6 и карбонитридов МХ; в) сочетание 3% Co и 2% W обеспечивает минимальную скорость укрупнения частиц фазы Лавеса при ползучести; г) увеличение бора до 0,012% вес. уменьшает межфазную энергию карбидов М23С6 до 0,12 Дж/м2 и не влияет на межфазную энергию частиц фазы Лавеса и карбонитридов МХ.

Публикации. Результаты исследований высокохромистых сталей опубликованы в многочисленных статьях в рецензируемых журналах и сборниках конференций, в том числе журналах, индексируемых базой данных Scopus:

1. A.Fedoseeva, N. Dudova, R. Kaibyshev. Creep strength breakdown and microstructure evolution in a 3%Co modified P92 steel. Materials Science and Engineering A, 2016, V. 654, p. 1–12. DOI: 10.1016/j.msea.2015.12.027

2. A. Fedoseeva, N. Dudova, R. Kaibyshev. Effect of tungsten on a dispersion of M(C,N) carbonitrides in 9%Cr steels under creep conditions. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2016, V. 69, No. 2, p. 211-215. DOI: 10.1007/s12666-015-0767-6

3. R. Kaibyshev, R. Mishnev, E. Tkachev, N. Dudova. Effect of Ni and Mn on the creep behaviour of 9–10 %Cr steels with low N and high B. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2016, V. 69, No. 2, p. 203-210. DOI :10.1007/s12666-015-0761-z

4. A. Fedoseeva, N. Dudova, U. Glatzel, R. Kaibyshev. Effect of W on tempering behaviour of a 3%Co modified P92 steel. Journal of Materials Science, 2016, V. 51, p. 9424-9439. DOI: 10.1007/s10853-016-0188-x

5. R. Mishnev, N. Dudova, A. Fedoseeva, R. Kaibyshev. Microstructural aspects of superior creep resistance of a 10%Cr martensitic steel. Materials Science and Engineering A, 2016, V. 678, p. 178–189. DOI: 10.1016/j.msea.2016.09.096

6. A. Fedoseeva, N. Dudova, R. Kaibyshev. Creep behavior and microstructure of a 9Cr-3Co-3W martensitic steel. Journal of Materials Science, 2017, V. 52, Issue 5, p. 2974-2988. DOI: 10.1007/s10853-016-0595-z

7. А. Fedoseeva, N. Dudova, R. Kaibyshev. Role of tungsten in the tempered martensite embrittlement of a modified 9 pct Cr steel. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2017, V. 48A, Issue 3, p. 982-998. DOI: 10.1007/s11661-016-3926-4
8. A. Fedoseeva, E. Tkachev, V. Dudko, N. Dudova, R. Kaibyshev. Effect of alloying on interfacial energy of precipitation/matrix in high-chromium martensitic steels. Journal of Materials Science, 2017, V. 52, Issue 8, p. 4197-4209. DOI: 10.1007/s10853-016-0654-5

9. R.V. Mishnev, N.R. Dudova, R.O. Kaibyshev. Structural changes in steel 10Kh10K3V2MFBR under low-cycle fatigue. Metal Science and Heat Treatment, 2017, V. 59, Nos. 1-2, p. 85-92. DOI 10.1007/s11041-017-0108-y

10. А.E. Fedoseeva, N.R. Dudova, R.O. Kaibyshev. Effect of stresses on the structural changes in high-chromium steel upon creep. Physics of Metals and Metallography, 2017, V. 118, No. 6, p. 591-600. DOI: 10.1134/S0031918X17040032

11. N.R. Dudova, R.V. Mishnev, R.O. Kaibyshev. Sources of ultrahigh creep resistance of advanced martensitic steels. Doklady Physical Chemistry, 2017, V. 474, No. 2, p. 103-105. DOI: 10.1134/S0012501617060057

12. A. Fedoseeva, N. Dudova, R. Kaibyshev, A. Belyakov. Effect of tungsten on creep behavior of 9%Cr-3%Co martensitic steels. Metals, 2017, Vol. 7, Issue 12, No. 573. DOI:10.3390/met7120573
13. Fedoseeva A.E., Dudova N.R., Kaibyshev R.O. Effect of tungsten on the temper brittleness in steels with 9% Cr. Metal Science and Heat Treatment, Vol. 59, No. 9-10, 2018, pp. 564-568. DOI: 10.1007/s11041-018-0190-9

14. R. Mishnev, N. Dudova, R. Kaibyshev. On the origin of the superior long-term creep resistance of a 10%Cr steel. Materials Science and Engineering A, Vol. 713, 2018, p. 161-173. DOI: 10.1016/j.msea.2017.12.066

15. A. Fedoseeva, I. Nikitin, N. Dudova, R. Kaibyshev. Strain-induced Z-phase formation in a 9% Cr-3% Co martensitic steel during creep at elevated temperature. Materials Science and Engineering A, Vol. 724, 2018, p. 29-36. DOI: 10.1016/j.msea.2018.03.081

16. R. Mishnev, N. Dudova, V. Dudko, R. Kaibyshev. Impact toughness of a 10% Cr steel with high boron and low nitrogen contents. Materials Science and Engineering A, Vol. 730, 2018, p. 1-9. DOI: 10.1016/j.msea.2018.05.103

17. A. Fedoseeva, I. Nikitin, N. Dudova, R. Kaibyshev. On effect of rhenium on mechanical properties of a high-Cr creep-resistant steel. Materials Letters, Vol. 236, 2019, p. 81-84. doi:10.1016/j.matlet.2018.10.081
18. A. Fedoseeva, I. Nikitin, N. Dudova, R. Kaibyshev. Structural evolution of P92-type C. Acta Physica Polonica A, 2018,°martensitic steel during creep at 650 Vol. 134, No. 3, pp. 644-648. doi: 10.12693/APhysPolA.134.644 (Proceedings of the International Symposium on Physics of Materials (ISPMA), September 10-15, 2017, Prague).

19. A. Fedoseeva, I. Nikitin, N. Dudova, R. Kaibyshev. Short-term creep of advanced re-containing 10% Cr – 3% Co – 3% W martensitic steel at elevated temperature. AIP Conference Proceedings, 2018, 2051, 020083. doi: 10.1063/1.5083326 (Proceedings of the Advanced Materials with Hierarchical Structure for New Technologies and Reliable Structures. 1–5 October 2018, Tomsk, Russia)

20. Nikitin I., Fedoseeva A., Dudova N., Kaibyshev R. Effect of tempering temperature on structure and mechanical properties of re-containing 10%CR martensitic steel. METAL 2018 - 27th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings 2018, pp. 808-813. (27th International Conference on Metallurgy and Materials, METAL 2018; Hotel Voronez I Brno; Czech Republic; 23 -25 May 2018)

21. Fedoseeva A., Dudova N., Kaibyshev R. Evolution of laves phase particles in A 9 %CR-3 %CO-3 %W martensitic steel during creep at 650 °C. METAL 2018 - 27th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings2018, pp. 681-687. 27th International Conference on Metallurgy and Materials, METAL 2018; Hotel Voronez I Brno; Czech Republic; 23-25 May 2018.

22. Dudko, V., Belyakov, A., Molodov, D., Kaibyshev, R. Microstructure evolution and pinning of boundaries by precipitates in a 9 pct Cr heat resistant steel during creep // Metal. and Mat. Trans. A, 2013, Vol. 44 (SUPPL. 1), pp. S162-S172. DOI: 10.1007/s11661-011-0899-1, JCR 2013: 1.730

23. Fedoseeva A. E., Kozlov P. A., Dudko V. A., Skorobogatykh V. N., Shchenkova I. A., Kaibyshev R. O. Microstructural changes in steel 10Kh9V2MFBR during creep for 40000 hours at 600°C // Phys. Met. Metallogr. 2015, Vol. 116, pp. 1047-1056, DOI: 10.1134/S0031918X15080049, JCR 2013: 0.605

24. Dudko V. A., Fedoseeva A. E., Belyakov, A. N., Kaibyshev R. O. Influence of the carbon content on the phase composition and mechanical properties of P92-type steel // Phys. Met. Metallogr. 2015, Vol. 116, pp. 1165-1174, DOI: 10.1134/S0031918X15110058, JCR 2013: 0.605

25. Dudko V. A., Belyakov, A. N., Kaibyshev R. O. Sources of high creep resistance of modern high-chromium martensitic steels // Doklady Physical Chemistry, 2015, Vol. 464, pp. 191-193, DOI:10.1134/S0012501615090018, JCR 2013: 0.475

26. Dudko, V., Belyakov, A., Kaibyshev, R. Origin of Threshold Stresses in a P92-type Steel // Transactions of the Indian Institute of Metals, 2016, Vol. 69, Issue 2, pp. 223-227, DOI: 10.1007/s12666-015-0757-8
27. Dudko, V., Belyakov, A., Kaibyshev, R. Evolution of lath substructure and internal stresses in a 9% Cr steel during creep // ISIJ International, 2017, Vol. 57, Issue 3, pp. 540-549, DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-334

28. Borisova, Y.I., Dudko, V.A., Skorobogatykh, V.N., Shchenkova, I.A., Kaibyshev, R.O. Microstructural changes in cast martensitic steel after creep at 620°C // Physics of Metals and Metallography, 2017, Vol. 118, Issue 10, pp 1022-1030, DOI: 10.1134/S0031918X1708004X
29. Fedorova, I., Kostka, A., Tkachev, E., Belyakov, A., &Kaibyshev, R. Tempering behavior of a low nitrogen boron-added 9% Cr steel // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – V. 662. – p. 443-455.DOI: 10.1016/j.msea.2016.03.092 (IF=3.414)

30. Tkachev E., Belyakov A., Kaibyshev R. Creep behavior and microstructural evolution of a 9% Cr steel with high B and low N contents //Materials Science and Engineering: A. – 2018. – V. 725. – p. 228-241. DOI: 10.1016/j.msea.2018.04.032 (IF=3.414)

Были получены патенты на химические составы высокохромистых сталей и способы их обработки:

1. Жаропрочная сталь мартенситного класса / Кайбышев Р.О., Дудова Н.Р.. Патент на изобретение RUS 2447184 28.02.2011

http://www.fips.ru/Archive/PAT/2012FULL/2012.04.10/DOC/RUNWC1/000/000/002/447/184/DOCUMENT .PDF

2. Жаропрочная сталь мартенситного класса. / Кайбышев Р.О., Беляков А.Н., Дудова Н.Р., Дудко В.А., Кипелова А.Ю., Молодов Д.А. Патент на изобретение RUS 2437956 03.08.2010. http://www.fips.ru/Archive/PAT/2011FULL/2011.12.27/DOC/RUNWC1/000/000/002/437/956/DOCUMENT .PDF

3. Жаропрочная сталь мартенситного класса. / Кайбышев Р.О., Беляков А.Н., Дудова Н.Р., Дудко В.А., Федосеева А.Э., Мишнев Р.В. Патент на изобретение RU 2585591 27.05.2016. http://www.fips.ru/Archive4/PAT/2016FULL/2016.05.27/DOC/RUNWC1/000/000/002/585/591/document .pdf

4. Жаропрочная сталь мартенситного класса и способ ее получения. / Кайбышев Р.О., Беляков А.Н., Дудова Н.Р., Дудко В.А., Федосеева А.Э., Мишнев Р.В. Патент на изобретение RU 2598725 27.09.2016. http://www.fips.ru/Archive4/PAT/2016FULL/2016.09.27/DOC/RUNWC2/000/000/002/598/725/document.pdf)

5. Жаропрочная сталь мартенситного класса. / Кайбышев Р.О., Дудова Н.Р., Дудко В.А., Федосеева А.Э., Мишнев Р.В., Ткачев Е.С. Патент на изобретение RU 2655496 28.05.2018. http://www1.fips.ru/ofpstorage/IZPM/2018.05.28/RUNWC1/000/000/002/655/496/%D0%98%D0%97-02655496-00001/document.pdf


Нашли ошибку? Выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Сообщение об ошибке автоматически отправится в редакцию.
Оставайтесь с нами:
RSS YouTube Facebook VK
OK Twitter Telegram Instagram
Пользователям
Быстрый переход
Актуально
V Всероссийский Фестиваль науки
170397727 посещений
56196266 уникальных
34314 заходили сегодня
255 сейчас онлайн
12+

Оставайтесь с нами:
RSS YouTube Facebook VK
OK Twitter Telegram Instagram

Вверх