Мир начал обретать привычные очертания и скорости, когда во второй половине XIX века появились промышленные способы массово выплавлять сталь — основной каркасный элемент любой конструкции: от моста до корабля, от небоскребов до туннелей метро. Инженерные задачи требуют от металла разных свойств: сверхвысокой прочности, стойкости к воздействию внешней среды или, например, легкости в сварке или соединении с другими металлами. На рынке есть стали с этими свойствами. Однако в текущих условиях России нужно учиться производить их самостоятельно. И для решения этой задачи требуется серьезная научная работа. Вместе с «Уральской Сталью» рассказываем, как получить сталь с необходимыми характеристиками.

Идеально чистое железо — относительно мягкий металл. Однако даже небольшое количество углерода в составе (менее 2,14 процента) превращает его в прочную сталь.

Дело в том, что в чистом железе, как в любом другом металле, присутствуют дислокации. Это частичные сдвиги слоев атомов, которые могут скользить в металле буквально со скоростью звука. Именно дислокации делают железо мягким.

Углерод, находящийся в стали в виде твердого раствора, замедляет это движение и делает сталь прочнее железа. В то же время избыток углерода делает металл более хрупким. Аналогичным образом действуют некоторые другие легирующие добавки, например никель.

В производстве стали, как и в кулинарии, важен не только состав, но и способ «приготовления»: температура расплава, скорость охлаждения, механическая обработка — горячая или холодная. Все это влияет на фазовый состав и микроструктуру стали, во многом определяющую ее свойства.

В зависимости от температуры сталь может находиться в разных фазовых состояниях. Они отличаются друг от друга кристаллической решеткой, плотностью упаковки и способностью растворять в себе углерод. Например, при комнатной температуре железо находится в α-форме, в которой много углерода не растворить — всего 0,005 процента при 0 ℃. Углерод с железом при этом образуют относительно мягкий феррит. Выше 910 ℃ железо еще не расплавлено, но переходит в менее плотную γ-форму. В ней можно растворить больше углерода. Эта фаза стали называется «аустенит».

При охлаждении, в зависимости от скорости понижения температуры и количества углерода в составе, результат будет разным.

Избыток углерода может химически связаться с железом, образуя карбид железа, который кристаллизуется и создает твердый и хрупкий материал — слоистые структуры из мягкого феррита и твердого карбида. Если толщина слоев невелика, они упрочняют сталь, так как не дают слоям металла скользить.

Если охладить сталь резко, как происходит при закалке, образуется новая фаза — мартенсит. В таком случае ее решетка объемнее прежних, а при расширении образуется множество дефектов, которые тормозят сдвиги. Материал получится очень твердый и хрупкий, со множеством напряжений.

Легирующие добавки делают картину еще сложнее и разнообразнее. Они могут:

• стабилизировать нужную кристаллическую решетку;
• образовывать твердые карбиды с углеродом стали;
• нейтрализовывать вредные примеси, такие как сера или фосфор;
• образовывать защитный слой на поверхности;
• упрочнять сталь аналогично углероду.

Например, хром, ключевой компонент нержавеющей стали, реагирует с кислородом, образуя защитный слой из оксида хрома, который не дает атомам железа окисляться. А никель стабилизирует фазу аустенита, сохраняя ударную прочность металла и предотвращая хрупкость.

Высший пилотаж — это управление структурой с помощью термомеханической обработки, такой как контролируемая прокатка, в том числе с ускоренным охлаждением, а также чередование нужных температурных режимов: отжига, нормализации, закалки с отпуском и так далее. Все это позволяет регулировать размер и форму зерен, распределение фаз и примесей, размер включений, напряжения в металле — и в результате получать необходимые для стали свойства.

Чего можно достичь с помощью термической и механической обработки:

• снизить количество примесей и сделать сталь более дешевой при сохранении прочности;
• повысить хладостойкость, сохраняя вязкие фазы;
• контролировать микроструктуру, размер зерен, распределение твердых включений.

В основе инноваций лежит запрос промышленных отраслей, которым требуется сталь с определенными свойствами, например стойкостью к износу, экстремальным условиям, низким температурам и так далее. Однако процесс внедрения нововведений в производство может занимать десятки лет. Чтобы получить сертификат, сталь проходит ряд проверок и испытаний — она должна гарантированно соответствовать техническим нормам и стандартам. Требования к безопасности здесь не менее строгие, чем в фармацевтике.

Часть новых видов стали можно испытывать прямо на производстве, если технологи хорошо представляют себе желаемый результат. Они подбирают состав, режимы выплавки, прокатки и другие характеристики. Но одна плавка на производстве — это 120 тонн жидкой стали. Запускать ее имеет смысл, только если действительно уверен в успехе, а для экспериментов это слишком дорогое удовольствие.

Современная разработка включает в себя и передовые технологии.

На первом этапе происходит математическое моделирование структуры: расчет времени и температуры нагрева, охлаждения, моделирование кристаллизации и тому подобное.

Затем наступает черед физической имитации процессов. Ключевая задача на этом этапе — максимально точно воспроизвести термические условия и деформационные процессы, которые материал пройдет на производстве. Необходимо собрать информацию о возможных сложностях и подобрать оптимальные режимы.

Следующий этап происходит в лаборатории, где можно изготовить образец небольшого размера и оценить его свойства. Важно также проанализировать микроструктуру стали — этим занимаются металлографы. Структуры могут быть настолько сложными, что обычных оптических наблюдений недостаточно, и нужно прибегать к сканирующей электронной микроскопии и дифракционной рентгеновской микроскопии. Металлографы могут определить плотность границ зерен, их размер и распределение — все это влияет на прочность стали.

Результат тщательно оценивают, проводя механические испытания. Разработка испытаний для конкретного вида стали — отдельная задача. Нужно продумать, каким именно нагрузкам и в каких условиях она будет подвергаться. И только когда образцы протестированы, а также собрана вся информация о критических параметрах, запускается пробная плавка на производстве.

Представьте ковш экскаватора или кузов тяжелого БелАЗа, перевозящего руду. Они регулярно подвергаются механическому воздействию — трению и ударам. На поверхности структура металла деформируется, накапливаются дефекты, происходит упрочнение и изменение его структуры.

Со временем металл становится хрупким, изнашивается и начинает крошиться. Между тем высокая твердость поверхности — это главное требование к износостойкой стали. Вот с помощью чего этого можно добиться:

• твердые карбиды железа в пластичной матрице из стали, особенно эффективны мелкодисперсные структуры;
• мартенсит — самая твердая фаза стали, образующаяся при закалке.

Для рамы грузовика больше подойдет высокопрочная сталь с большой ударной вязкостью, которая снизит вес и вынесет большую нагрузку. Она также должна свариваться без потери качества под нагревом горелки. Такое сочетание могут обеспечить:

• железо с большим процентом легирования никелем; во время охлаждения образуются интерметаллидные соединения железа с никелем, которые упрочняют сталь;
• легирующие элементы, такие как хром, молибден и ванадий, сохраняющие прочность при отпуске стали;
• аустенитные и многофазные стали с большим содержанием никеля, который стабилизирует фазу аустенита, имеющего высокую вязкость.

Сталь для опор и мостов должна быть очень прочной: выдерживать накопившееся напряжение, быть устойчивой к ударным нагрузкам и воздействию любой погоды и не ржаветь. А в нашей стране еще и выдерживать температуры с разбросом почти в сотню градусов, от 50 до −70 ℃. Задача инженеров — не только построить надежное и прочное сооружение, но и по возможности облегчить вес конструкции и максимально продлить срок эксплуатации.

При сооружении мостов в России используют низколегированные стали с добавками хрома, никеля и меди с относительно небольшим содержанием углерода — до 0,15 процента. Термическая обработка позволяет улучшить их механические свойства. Такие стали несколько дороже обычных конструкционных, зато надежнее и долговечнее, а также обладают достаточной хладостойкостью. И все же их требуется красить для защиты от коррозии, что сказывается на стоимости обслуживания моста.

Конечно, существует высоколегированная нержавеющая сталь, в которой может содержаться до 20 процентов хрома, а также никель, молибден, ванадий и вольфрам. Это долговечная сталь, которой не страшна коррозия — но и стоит она значительно дороже. А значит, мост обойдется недешево.

Наконец, третий вариант — это атмосферостойкие стали, образующие

из оксидов. Самая известная из них — кортеновская сталь с высоким содержанием хрома, никеля и меди. Она покрывается защитным слоем, который выглядит как ржавчина, но предохраняет внутренние слои железа от контакта с кислородом и дальнейшего окисления. В стандартной кортеновской стали присутствует фосфор, который помогает образоваться патине, но вреден для стали, поскольку делает ее хрупкой. Хром и медь повышают стойкость патины. Кортеновскую сталь часто используют в декоративных целях — для отделки фасадов, а вот для мостов она не подходит.

Для агрессивных сред, таких как морская вода, химические реакторы и коксовые камеры, где сталь находится в контакте с едкими веществами, высокой температурой и давлением, нужна дополнительная защита. Обеспечить ее может нержавеющая сталь. Однако из-за большого процента легирующих примесей она обходится дорого.

Более дешевый, но не уступающий по качеству аналог — биметаллические пакеты, в которых соединены два металла. Часто их получают с помощью плакирования: на этапе проката соединяются два металлических листа, которые после горячей деформации становятся единым целым. Такой пакет обладает преимуществами обоих видов стали.

Будущее энергетики связано со сжиженным природным газом (СПГ) и водородом. Для хранения и перемещения каждого из этих веществ нужна инфраструктура, в которой важное место занимает сталь. Например, для хранения жидкого газа требуется сталь, стойкая к хладноломкости и сохраняющая свои вязкие свойства в условиях чрезвычайно низких температур: −163 ℃ для СПГ, −196 ℃ для азота и −253 ℃ для жидкого водорода.

В этом случае требуется, чтобы в металле сохранилась возможность скольжения слоев. Для этого необходимо:

• минимизировать количество углерода, который, упрочняя металл, делает его менее пластичным;
• использовать примеси, стабилизирующие вязкий феррит и не дающие появиться твердым хрупким карбидам железа, — это прежде всего никель, а также марганец;
• использовать аустенитные нержавеющие стали, в которых никель и марганец предотвращают переход в хрупкую мартенситную фазу;
• получить мелкозернистую структуру с небольшим количеством примесей на границах зерен; этому также способствует никель.

Сталь для водородной энергетики — это вызов будущего. Во-первых, отрасль только находится на этапе формирования. Во-вторых, есть и технические сложности: жидкий водород хранится при крайне низкой температуре, а газ удержать в трубах очень тяжело. Небольшие атомы водорода легко проникают в трещины и дефекты трубопроводов, создавая напряжение и риск разрушения конструкции. При определенных условиях (повышенная температура и давление) водород реагирует с углеродом в стали, приводя к коррозии. На больших расстояниях «сбежать» из трубы могут до 40 процентов водорода. Чтобы этого не происходило, требуется однородная микрозернистая сталь, которая и после сварки не потеряет свои свойства.

Физика и химия сталей изучена, кажется, вдоль и поперек, однако это не значит, что инновациям не осталось места. Одно из наиболее перспективных направлений — еще более виртуозное управление микроструктурой стали. Примером могут быть трип-стали, которые структурно «запрограммированы» менять фазу под нагрузкой: метастабильный за счет примесей аустенит переходит в более твердый мартенсит в пластичной ферритной матрице. Они обладают равной прочностью по сравнению с обычной углеродистой сталью, но при этом в 2–3 раза пластичнее.

Развитие методов моделирования и успехи в создании искусственного интеллекта означают намного более точное моделирование поведения стали на этапе разработки и даже поиск новых сплавов с помощью ИИ. Но это пока скорее теоретическая область.

А вот на этапе производства ИИ уже внедряется крупными металлургическими компаниями. Его используют для создания двойников производственных процессов, операционной аналитики и мониторинга производственных процессов. Системы машинного зрения уже сейчас помогают, например:

• контролировать количество и качество сырья в машинах и на конвейерах;
• отслеживать соблюдение техники безопасности;
• искать дефекты и считывать маркировку.

Кроме того, рекомендательные сервисы предлагают различные решения — от оптимизации ферросплавов до загрузки тяжелых агрегатов на производстве, а также помогают планировать ремонт и техобслуживание. Все это позволяет экономить ресурсы.

Реклама: ООО «Уральская Сталь», ИНН 6732185689, LjN8JzjH8