Верхний баннер
04:06 | СУББОТА | 15 АВГУСТА 2020

$ 73.22 € 86.41

Сетка вещания

??лее ????ов??ое ве??ние

Список программ
12+

отдел продаж:

206-30-40

11:30, 31 марта 2015

«Сейчас металловедение переживает качественный переход», - Юрий Симонов - завкафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» ПНИПУ

Тема: Структура, прочность и трещиностойкость высокопрочных конструкционных сталей
Гости: Юрий Симонов - заведующий кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Пермского национального исследовательского политехнического университета, директор экспертно-аналитического центра «Кристалл-ПНИПУ», доктор технических наук; Анатолий Ташкинов, ректор ПНИПУ
Программа: "Ни дня без науки"
Ведущий: Владимир Соколов
Дата выхода: 8 марта 2015 года

Визитка: Юрий Симонов - заведующий кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Пермского национального исследовательского политехнического университета, директор экспертно-аналитического центра «Кристалл-ПНИПУ», доктор технических наук, почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации. В 1976 году закончил Пермский государственный технический университет, факультет механико-технологический, кафедра «Металловедение и термическая обработка металлов». В 88 году защитил кандидатскую, в 2004 - докторскую.

Ведет педагогическую деятельность в должности профессора.

Научные интересы: структура, прочность и трещиностойкость высокопрочных конструкционных сталей.

Параметры работы современных машин и механизмов непрерывно ужесточаются: возрастают скорости, нагрузки, снижаются эксплуатационные температуры, возрастает коррозионная активность рабочих сред. Главной задачей отечественного машиностроения в настоящее время является повышение конкурентоспособности производимой продукции. Для решения этой задачи необходимо обеспечить снижение металлоемкости изделий. В свою очередь, это возможно за счет повышения уровня прочности материалов, применяемых для изготовления деталей и узлов.

Анализ фактических данных о процессах замены сталей другими конструкционными материалами в отраслях их массового использования показывает, что сталь остается главным конструкционным материалом. Четко прослеживается тенденция замены сталей не другими материалами, а новыми сталями, прежде всего легированными высокопрочными. В этих условиях ведущей проблемой становится одновременное повышение как прочности, так и надежности конструкционных материалов, главными из которых на сегодняшний день остаются сплавы на основе железа с углеродом, то есть – стали. Единственным приемом, с помощью которого можно достигать такого эффекта, является общее измельчение (диспергирование) структуры сталей. В связи с этим актуальной проблемой на данный момент является отыскание технологических приемов одновременно с разработкой новых составов, позволяющих решить задачу диспергирования структуры сталей.

Еще одним важным элементом, необходимым для создания перспективной конкурентоспособной продукции, является применение новых технологий, причем почти всегда разработка и промышленное использование новых материалов открывает возможности применения принципиально новых технологических процессов.

В настоящее время ученые кафедры «Металловедения и термической обработки металлов» занимаются отысканием составов и технологий механо-термической обработки, обеспечивающих диспергирование структуры конструкционных сталей вплоть до наноуровня. Одновременно мы пытаемся решать задачу обеспечения высокой технологичности механо-термической обработки деталей из разработанных сталей, то есть - достижения наноразмеров элементов структуры самыми простыми, доступными, и, как следствие – дешевыми путями.

Создание подобных конструкционных сталей позволит успешно решать такие проблемы, как разработка технологий производства железнодорожных рельсов северного исполнения, различных труб для газонефтедобычи на шельфе Северного Ледовитого океана, высокопрочных глубинно-насосных штанг, высокопрочной строительной арматуры, широкой гаммы изделий специального назначения.

 

- Диспергирование структуры стали. Что это такое.

Юрий Симонов: По-русски это просто измельчение. Это маленькие кристаллики сплава углерода с железом.

- А чем это отличается от сплава?

Юрий Симонов: Сплав железа с углеродом - это присутствие атомов железа и углерода, хотя это не так. Там присутствуют атомы легирующих элементов.

Анатолий Ташкинов: С самого начала мы попытались зайти слишком глубоко. Речь идет не о каком-то уникальном сплаве. Это обычные стали, которые широко применяются. Они отличаются химическими составами. В зависимости от примесей, которые входят в стали, стали обладают различными свойствами. Есть второй параметр, который характеризует стали - это зерна, из которых состоит сталь. Это не видно невооруженным глазом.

Управляя не только химическим составом, но и этой самой структурой, размерами зерен, можно управлять и свойствами материала.

- К каким свойствам мы стремимся?

Юрий Симонов: Если говорить о конструкционных сталях, то идеальный вариант - это одновременное повышение прочности и надежности, то есть, материал должен выдерживать большие нагрузки и не разрушаться внезапно или постепенно. Также важна устойчивость к повышенным и пониженным температурам.

- Давайте увяжем изменение структуры металла с его устойчивостью к температуре, например. Мне просто физика непонятна.

Юрий Симонов: Физика простая. Дело в том, что примерно 50-60 лет назад металлофизики и металловеды установили, что в результате общего измельчения структуры повышается и прочность, и сопротивление хрупкому разрушению.

Анатолий Ташкинов: Часто мы наблюдаем результаты эксперимента и потом пытаемся это объяснить, а бывает, что сначала строится теория, а потом мы пытаемся ее экспериментально подтвердить. Если говорить о влиянии размеров элементов структуры, часто очень важным является отношение объема к поверхности. Через поверхность происходит взаимодействие с соседними элементами, и чем больше удельная площадь поверхности, тем больше площадь взаимодействия.

И вот для некоторых типов сталей, чтобы добиться нужных свойств, надо уйти до наноструктуры материала. Нано - это одна тысячная микрона. Размер частички должен быть 50 - 200 нанометров. На такой уровень размеров зерен очень сложно выйти технически.

- И у нас здесь сначала была теория?

Юрий Симонов: Металлургия - это очень древнее ремесло и только потом наука. Металловедение зародилось в 1868 году. К тому времени было наработано очень много на практике, и требовалось объяснять все это теоретически. Объяснили. Сейчас металловедение переживает качественный переход от традиционной науки, где сначала практика, а потом теория, к науке современной, где сначала теория.

Анатолий Ташкинов: Все-таки можем мы утверждать, что связь размера зерен и сама технология диспергирования материала была изначально обнаружена экспериментально, или это было предсказано теоретически?

Юрий Симонов: Я абсолютно точно знаю, что уже в 30-е годы старались любыми способами измельчить зерно, и только в середине 50-х это объяснили. В то время металловедение было традиционным.

- Давайте теперь к технологиям.

Юрий Симонов: Как только специалисты выяснили эту закономерность, тут же приступили к отысканию технологий, которые позволяют измельчать структуру. Сейчас таких способов два. Первый был реализован 3-4 тысячи лет назад - металл надо продеформировать - проковать холодной ковкой, а потом нагреть. Тут решающую роль играют параметры - насколько деформировать, чтобы не появились трещины. При обычных способах холодной деформации в металле неизбежно появляются трещины, и его надо переплавлять. Нужны специальные прогрессивные способы деформации. В Перми распространен радиальный способ ковки - это когда цилиндр медленно вращают, и четыре бойка колотят металл с частотой примерно 10 ударов в секунду. Частота имеет значение, скорость вращения и подачи - тоже.

- Это опытно-экспериментальным путем выясняется или сначала рассчитывается теоретически?

Юрий Симонов: Это уже специалисты по обработке давлением могут просчитать. Вместе с металловедами. Вот когда металл обжамкали, как говорят металловеды, его надо нагреть до определенной температуры на определенное время. Металл - это кристаллические тела, но в них полно дефектов кристаллического строения. Дефекты бывают разными, но самый распространенный - линейный дефект или дислокация. Вот количество дислокаций в единице объема в результате холодной деформации резко повышается. Это приводит к повышению энергии, запасенной в металле. Металл становится нестабильным и очень дефектным. Если его нагреть, начинается процесс рекристаллизации - растут новые кристаллы. При этом химический состав остается прежним.

Анатолий Ташкинов: А количество дислокаций как-то способствует росту новых кристаллов?

Юрий Симонов: Чем больше степень пластической деформации, тем мельче зерно, которое получается при нагреве.

Анатолий Ташкинов: Можно сказать, что количество дислокаций препятствует росту зерен большего размера?

Юрий Симонов: Нет. Я бы сказал, наоборот - чем выше плотность, тем более нестабильный, тем больше в нем энергии, которая стремится наружу и выходит за счет роста новых зерен. Дислокация стимулирует кристаллизацию. Чем больше деформаций, тем больше будет зерен, которые растут до момента столкновения друг с другом.

Придумываются различные способы деформации. Последний из них - равноканальное угловое прессование. Это пока лабораторный способ. Там деформация идет за счет того, что прогоняете металл через канал, сечение которого не меняется, но меняется направление. Но для того, чтобы прогнать металл через этот канал, нужны очень большие усилия.

- Если у нас есть конкретное задание по параметрам металла, вы можете рассчитать величину кристаллов и разработать технологию обработки, чтобы получить металл с именно требуемыми свойствами?

Юрий Симонов: Классические металловеды, как я, не занимаются моделированием, и это большое упущение. Мы сейчас привлекаем модельеров из института механики сплошных сред.

- Сейчас у вас чем мельче, тем лучше. Не всегда же оправданы затраты энергии на обработку металла для получения свойств, которые излишни.

Юрий Симонов: Безусловно. Моделирование на этом этапе просто необходимо.

Анатолий Ташкинов: Любые наши действия должны быть оправданы не с точки зрения приближения к идеалу, но и экономически.

Юрий Симонов: Экономика в металлургии - это один из первейших факторов.

Анатолий Ташкинов: Если говорить о металловедении, мы не все задачи можем сами решить и привлекаем разных специалистов. А если себе представить это как некую глобальную задачу, например, освоение северного шельфа. Для решения комплексной проблемы, кроме собственно металловедов, ученые каких направлений нам нужны?

Юрий Симонов: Физики. Сейчас металловедение - это раздел физики твердого тела. Что касается экономики - это фактор номер один. Есть мартенситно-стареющие стали, которые стоят по нескольку миллионов за тонну за счет большого содержания легирующих элементов.

- И вы сейчас технологиями диспергирования можете добиться необходимых свойств металла без увеличения содержания легирующих элементов.

Юрий Симонов: Совершенно верно. Мы можем приблизиться к топовым показателям при очень экономном легировании за счет диспергировании.

- А стоимость обработки не съедает экономию на легирующих элементах?

Юрий Симонов: Мы занимаемся повышением технологичности, автоматизацией. Это очень недорого.

- У вас уже есть конкретные задачи под конкретные заказы или пока на полке все стоит?

Юрий Симонов: Мы сейчас пытаемся провести апробацию на предприятиях. С Мотовилихой мы пятый год ведем исследования по проекту. Если говорить о конкретных примерах, то сталь, скажем, 10Х3Г3МФ. Мы рекомендуем ее для толстостенных труб специального назначения. Например, для усиленных буровых труб. Она закалится в любом случае при обработке. Она имеет прочность примерно 1200 мегапаскалей и ударную вязкость примерно 20-30 Дж на см2. Если подвергнуть ее радиальной ковке, получаем прочность порядка 1400МПа, а ударная вязкость становится равной примерно 50-60 Дж на см2. Дальше подвергаем трубу постдеформационному обжигу - градусов 500. После этого у нее прочность почти не падает, а ударная вязкость возрастает еще в два раза.

- Это уже применяется?

Юрий Симонов: Мы это рекомендовали.

- Сталкиваетесь вы с инертностью потребителей при попытке предложить им продукты ваших разработок?

Юрий Симонов: Мы больше занимаемся научными разработками, мы не производственники.

- Но ПНИПУ отличается очень прочными связями с производственниками.

Юрий Симонов: Да, мы тесно сотрудничаем, но внедрять - это уже их прерогатива. Если на заводе технология отлажена, продукция покупается, соотношение цена/качество всех устраивает, они ничего менять не будут.

Анатолий Ташкинов: Я не думаю, что производственники - люди абсолютно косные и не понимают, что идет сменяемость технологий. Действительно, часто нужны огромные затраты на модернизацию оборудования, обучение персонала, но если бы в этой студии сидели те же нефтяники, они бы, наоборот, говорили, что им не хватает обоснованных научно и экономически новых технологий, что ученые им почти ничего не предлагают. Это движение навстречу есть. Действительно, ученым часто не хватает средств для того, чтобы провести еще эксперименты, привести доказательства того, что этот результат будет получаться всегда. А для этого нужна повторяемость результата. Нет никакой другой столь ищущей новые технологии компании, как, например, Лукойл. Просто нужны определенные условия, площадки.

- Я слышал, что зачастую можно вообще ничего не разрабатывать, а просто порыться на пыльных полках и найти разработки, которые делались давно, а понадобились сейчас.

Анатолий Ташкинов: Да, так бывает. В последние 2-3 года стали много говорить о сланцевых нефти и газе. А они были открыты 40 - 50 лет назад. Основные технологии и способы их добычи тоже давно известны. Просто были условия, когда саму технологию просто невыгодно было реализовать.


Обсуждение
2003
0
В соответствии с требованиями российского законодательства, мы не публикуем комментарии, содержащие ненормативную лексику, даже в случае замены букв точками, тире и любыми иными символами. Недопустима публикация комментариев: содержащих оскорбления участников диалога или третьих лиц; разжигающих межнациональную, религиозную или иную рознь; призывающие к совершению противоправных действий; не имеющих отношения к публикации; содержащих информацию рекламного характера.