Разработка фундаментальных закономерностей создания слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, доктор наук Лось Ирина Сергеевна

• Лось Ирина Сергеевна
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Лось Ирина Сергеевна

Введение

1 Аналитический обзор основных направлений повышения коррозионной стойкости металлических материалов

1. 1 Особенности локальных коррозионных разрушений

технологического оборудования

1.1.1 Электрохимическая природа локальных видов коррозии

1.1.2 Питтинговая коррозия

1.1.3 Контактная коррозия

1.2 Способы повышения коррозионной стойкости технологического оборудования

1.2.1 Промышленные монометаллические коррозионно-стойкие материалы

1.2.2 Слоистые металлические коррозионно-стойкие материалы

1.2.3 Электрохимическая защита

1.2.4 Модифицирование среды путём использования ингибиторов

1.3 Предлагаемое направление разработки

Выводы

2 Методология и методы исследования.

Характеристики материалов

2.1 Системный подход в изучении слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

2.1.1 Техническая система как объект системного подхода

2.1.2 Метод морфологического анализа

2.2 Методы макро- и микроанализа структуры

2.2.1 Макроскопический анализ структуры

2.2.2 Микроскопический анализ структуры

2.3 Механические испытания

2.3.1 Испытание на срез

2.3.2 Испытание на ударный изгиб

2.3.3 Испытание на изгиб

2.4 Методы определения скорости коррозии и показателей коррозионной стойкости

2.4.1 Анализ существующих методов испытаний на стойкость

к общей и питтинговой коррозии

2.4.2 Гравиметрический метод определения скорости коррозии

2.4.3 Метод графического расчёта скорости коррозии с применением коррозионных диаграмм

2.4.4 Методы ускоренных испытаний на стойкость

к питтинговой коррозии

2.4.5 Метод капиллярного контроля

2.5 Статистический метод обработки результатов испытаний

2.6 Характеристика используемых металлов и сплавов

Выводы

3 Фундаментальные закономерности создания

слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

3. 1 Разработка фундаментальных закономерностей создания слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

3.1.1 Обоснование научного подхода к формированию структуры слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

3.1.2 Формирование структуры слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

3.2 Конструирование слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором на основе системного подхода

3.2.1 Функционально-физический анализ технической системы «Слоистый металлический коррозионно-стойкий материал

с внутренним протектором»

3.2.2 Морфологический анализ системы «Слоистый металлический коррозионно-стойкий материал с внутренним протектором»

3.3 Апробация функциональных закономерностей создания слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

3.3.1 Испытание трехслойного материала на образцах

с искусственным питтингом

3.3.2 Испытание трехслойного материала на образцах с полостью

Выводы

4 Моделирование соударения, деформационного процесса

и волнообразования при высокоскоростном формировании

слоистых материалов

4.1 Обоснование применения сварки взрывом для образования слоистой структуры металлических коррозионно-стойких материалов

4.2 Компьютерное моделирование соударения и деформационного процесса металлических пластин при сварке взрывом в программе ЬБ-ВУИА

Выводы

5 Исследование коррозионной стойкости слоистых металлических корозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

5.1 Разработка метода ускоренных коррозионных испытаний слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором на образцах разборного типа

5.2 Расчёт значений относительного показателя коррозионной стойкости слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

5.2.1 Расчёт относительного показателя коррозионной стойкости для трёхслойного слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с одним внутренним протектором

5.2.2 Расчёт относительного показателя коррозионной стойкости

для четырёхслойного слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с одним внутренним протектором

5.2.3 Расчёт относительного показателя коррозионной стойкости для шестислойного слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с двумя внутренними протекторами

5.3 Расчёт скорости коррозии графическим методом с применением коррозионных диаграмм

Выводы

6 Исследование микроструктуры, механических свойств слоистых металлических корозионно-стойких материалов с внутренним протектором. Технологические рекомендации

6.1 Исследование структуры слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

6.1.1 Влияние структурно-механической неоднородности на свойства слоистых металлических коррозионно-стойких

материалов с внутренним протектором

6.1.2 Макроструктурный анализ слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

6.1.3 Микроструктурный анализ слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

6.2 Механические испытания слоистых металлических

коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

6.2.1 Испытания на срез

6.2.2 Испытания на ударный изгиб

6.3 Испытания на изгиб

6.4 Разработка технологических рекомендаций получения слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором сваркой взрывом

Выводы

7 Проектирование, экономическое обоснование и внедрение слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

7.1 Проектирование слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

7.1.1 Рекомендации по составлению программы ускоренных испытаний слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором для применения в технических объектах

7.1.2 Разработка алгоритма проектирования слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

7.2 Экономическое обоснование внедрения слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

7.2.1 Классификация видов потерь от коррозии

7.2.2 Расчёт экономической эффективности от внедрения

слоистых металлических коррозионно-стойких материалов

с внутренним протектором

7.3 Внедрение слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором

7.3.1 Внедрение разработки по результатам научно-исследовательских

и опытно-конструкторских работ

7.3.2 Внедрение разработки в образовательный процесс

Пензенского государственного университета

Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка фундаментальных закономерностей создания слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором»

Введение

Актуальность темы исследования. Развитие современных технологий в различных отраслях промышленности диктует повышенные требования, предъявляемые к конструкционным металлическим материалам. Одно из важнейших требований связано с коррозионной стойкостью. Коррозионные разрушения являются причиной выхода из строя более 60 % технологического оборудования, транспортных средств и изделий. По мнению экспертов, более 80 % металлических конструкций и сооружений находятся в контакте с агрессивными средами, что вынуждает производителей и эксплуатантов расходовать значительные средства на защиту от коррозии.

Опубликованные данные свидетельствуют, что экономический ущерб от коррозии в развитых странах составляет 1-5 % от валового внутреннего продукта. В США, по данным NACE, ущерб от коррозии составляют 3,1 % валового внутреннего продукта ($276 млрд в год), в Германии - 2,8 % валового внутреннего продукта. В КНР, по данным 2015 г., затраты на преодоление коррозии были оценены в 2127,8 млрд юаней (около 310 млрд долл.), что составляет 3,34 % валового внутреннего продукта [1, 2]. Общий объём металлофонда в РФ оценивают в 1,6 млрд т [3], при этом объём потерь от коррозии составляет от 10 до 20 % годового производства стали [4]. Проблема повышения коррозионной стойкости и обеспечения надёжности промышленного оборудования, предназначенного для эксплуатации в агрессивных средах в течение длительного времени, является актуальной в мировом масштабе.

Однако необходимый комплекс физических, химических, механических, технологических свойств и эксплуатационных показателей невозможно достигнуть при использовании только существующих монометаллических материалов. Перспективным направлением является разработка слоистых коррозионно-стойких материалов, которые сочетают в себе уникальные свойства, что делает их незаменимыми и открывает перспективы их эксплуатации в условиях повышенной агрессивности среды, температуры, давления, усталостного разрушения. Отдельный класс композитов составляют слоистые коррозионно-стойкие биметаллы, которые являются одной из наиболее распространённых групп конструкционных материалов. Коррозионно-стойкие биметаллы используются в химическом и нефтегазовом машиностроении, судостроении, транспортном машиностроении, энергетике, в том числе атомной. Применение слоистых коррозионно-стойких материалов позволяет повысить коррозионную стойкость, главным образом, стальных конструкций, одновременно обеспечить высокие технологические и технико-экономические показатели при снижении их общей стоимости.

Производство коррозионно-стойких биметаллов осуществляют по технологиям горячей пакетной прокатки, электрошлаковой наплавки, сварки взрывом, которые обеспечивают высокую прочность соединения слоёв. В то же время использование биметаллов не решает проблему повышения коррозионной стойкости в случаях длительной эксплуатации технических объектов. Коррозионная стойкость биметаллов полностью определяется свойствами плакирующего слоя и зависит от его толщины, и увеличение толщины не приводит к существенному повышению коррозионной стойкости. Под воздействием коррозионной среды плакирующий слой претерпевает коррозионное разрушение, обусловленное пит-тинговой коррозией, которая характерна для высоколегированных сталей. Время непрерывной эксплуатации биметалла определяется продолжительностью сквозного проникновения питтинговой коррозией через всю толщину плакирующего слоя. Затем требуется ремонтно-восстановительный этап, что приводит к снижению производительности оборудования и увеличению затрат.

В этой связи задача разработки нового класса слоистых коррозионно-стойких материалов, реализующих принципиально иной способ увеличения продолжительности эксплуатации с сохранением сквозной целостности, представляется весьма актуальной. Помимо обоснования основных принципов построения конфигурации слоистых материалов, обеспечивающей длительное сохранение его целостности, важным является разработка новых методов исследования, которые позволяют изучить слоистые материалы и выполнить сравнение с существующими металлами и сплавами.

Степень разработанности темы исследования. Проблемы защиты от коррозии не снижают свою значимость как в РФ, так и за рубежом. В России этими вопросами занимаются институты РАН и отраслевые организации: ФГБУН «Институт проблем химической физики РАН», ФГБУН «Институт физической химии и электрохимии РАН им. А.Н. Фрумкина», ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов», АО «НПО «ЦНИИТМАШ», АО «Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова», ФГУП ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», НИТУ «МИСиС». Исследования в области создания новых коррозионно-стойких сталей и сплавов, слоистых коррозионно-стойких материалов, способов защиты от коррозии, изучения коррозионного поведения металлических материалов в агрессивных средах и разработки новых методов испытаний связаны с именами таких советских и российских ученых, как Я.М. Колотыркина, Е.Н. Каблова, Ю.П. Трыкова, В.С. Седыха, В.И. Лысака, И.Г. Родионовой, Л.Б. Первухина, А.Г. Кобелева, С.В. Кузьмина, И.И. Реформатской, И.Л. Хариной и других. За рубежом проблемами защиты от коррозии занимаются в США, Японии, КНР, ФРГ, Франции, Великобритании, Саудовской Аравии и других странах.

Настоящая работа направлена на создание нового класса слоистых металлических коррозионно-стойких материалов, в которых реализована конфигурация, основанная на электрохимическом взаимодействии слоёв различного состава и

обеспечивающая многократное повышение коррозионной стойкости в сравнении с монометаллическими материалами.

Объект исследования: слоистые металлические коррозионно-стойкие материалы с внутренним протектором.

Предмет исследования: взаимосвязь состава, структуры, механических свойств и закономерности коррозионного разрушения слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором.

Целью диссертационной работы являются разработка функциональных закономерностей создания нового класса слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором, изучение взаимосвязи структуры и свойств, установление закономерностей их коррозионного разрушения для обеспечения целостности материала в течение длительного времени.

Задачи исследования:

1. На базе известных положений материаловедения в области защиты от коррозии разработать фундаментальные закономерности создания слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором, в которых повышение коррозионной стойкости достигается за счёт формирования условий взаимного влияния слоёв, изменения механизма коррозионного разрушения и обеспечения целостности материала в течение длительного времени.

2. Исследовать взаимосвязь между составом, структурой слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с внутренним протектором, в котором сочетаются слои с различными значениями стационарных электрохимических потенциалов, и закономерностями его коррозионного разрушения.

3. На основе методов системного подхода обосновать условия обеспечения целостности слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором путём реализации его главной целевой функции и функций отдельных элементов. Разработать алгоритм выбора состава, числа и толщины слоёв в зависимости от состава коррозионной среды и уровня механических нагрузок.

4. Разработать методы коррозионных испытаний слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором, позволяющие варьировать состав среды и продолжительность испытания на различных этапах проектирования.

5. Выполнить комплекс лабораторных ускоренных коррозионных испытаний и рассчитать количественные показатели коррозионной стойкости слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором в сравнении с существующими монометаллическими материалами.

6. Изучить особенности процесса соударения и деформации металлических пластин при формировании слоистой структуры посредством компьютерного моделирования с применением программы ЬБ-ВУИА для оценки возможности управления технологическими параметрами сварки взрывом и достижения заданной прочности соединения слоёв при получении слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором.

7. Исследовать закономерности формирования структуры слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором, их механические и технологические свойства. Разработать технологические рекомендации получения слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором сваркой взрывом, оценить экономическую эффективность их внедрения.

Научная новизна работы (соответствует пунктам 2, 5, 6 и 9 паспорта специальности 05.16.09):

1. Разработаны фундаментальные закономерности создания слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором, в которых повышение коррозионной стойкости достигается за счёт сочетания в определённой последовательности слоёв, характеризующихся различающимися значениями стационарных электрохимических потенциалов, достаточными для сохранения пассивного состояния защищаемых слоёв. Установлено, что внутреннее положение протектора, имеющего электрохимический потенциал более низ-

кий по сравнению с электрохимическим потенциалом защищаемого наружного (первого) слоя, приводит к изменению механизма коррозионного разрушения. Питтинговая коррозия, вызывающая сквозное разрушение первого слоя, трансформируется в анодное растворение второго слоя (протектора), и путём катодной защиты создаются условия, предотвращающие сквозное разрушение третьего слоя в течение длительного времени при условии сохранения электропроводности раствора. Увеличение числа слоёв сопровождается защитным действием протектора по отношению к защищаемым слоям, расположенным выше и ниже. П.2.

2. Впервые предложен системный подход к изучению слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с внутренним протектором как технической системы, разработана методология анализа и синтеза, которая включает выявление функций каждого слоя, структурную декомпозицию, оценку сложности, обоснование критериев отказа в зависимости от числа слоёв исходя из условия реализации главной полезной функции системы и функции отдельных элементов, построение требуемой конфигурации системы. П.5.

3. Разработан метод ускоренных коррозионных испытаний, основанный на моделировании взаимодействия слоёв с коррозионной средой в образцах разборного типа. Результатом испытаний является относительный показатель коррозионной стойкости слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с внутренним протектором, который вычисляется как отношение минимального времени сквозного проникновения коррозии на заданную глубину в слоистом и монометаллическом материалах. Экспериментально установлено, что коррозионная стойкость трёхслойного материала в 12,1 раза, четырёхслойного - в 21,9 раза, шестислойного - в 56,4 раза выше в сравнении с монометаллическим материалом (высоколегированной коррозионно-стойкой сталью) равной толщины. П.6.

4. Разработан метод графического расчёта скорости коррозии с применением коррозионных диаграмм, который позволяет выполнять оценку лимитирующего фактора коррозионного процесса и устанавливать целесообразность использования конкретной пары «защищаемый металл - протектор» в определённой

среде на этапе проектирования слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с внутренним протектором. Показано, что лимитирующим фактором коррозионного процесса для пары 08Х18Н10Т - Ст3 являлся катодный процесс. П.6.

5. Предложен способ повышения коррозионной стойкости металлических материалов, предусматривающий формирование слоистой структуры, в которой протекторные слои из углеродистой или низколегированной стали с более низким электрохимическим потенциалом расположены между защищаемыми слоями из высоколегированной коррозионно-стойкой стали. Экспериментально показано, что толщина протекторных слоёв должна превышать толщину защищаемых слоёв, число протекторных слоёв должно быть минимальным, но достаточным для сохранения целостности материала в течение установленного срока. Разработан алгоритм проектирования слоистого металлического коррозионно-стойкого материала с внутренним протектором, включающий выбор числа, состава и толщины слоёв, технологии производства в зависимости от состава коррозионной среды и уровня механических нагрузок. П.9.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке фундаментальных закономерностей создания нового класса слоистых металлических коррозионно-стойких материалов, в которых повышенная коррозионная стойкость в сравнении с монометаллическими материалами достигается путём формирования структуры, состоящей из слоёв различного состава, характеризующихся различающимися значениями стационарных электрохимических потенциалов.

Практическая значимость работы:

1. На основе теоретических исследований и лабораторных испытаний разработаны составы слоистых металлических коррозионно-стойких материалов (СМКМ) с внутренним протектором (ВП), предназначенных для эксплуатации в условиях одностороннего контакта с коррозионной средой. Техническое решение запатентовано в 11 странах под названием «Многослойный материал повышенной коррозионной стойкости (варианты) и способы его получения»: Евразийский па-

тент № 016878 ЕАПВ, патент Украины № 100188, патент Кореи 10-1300674 (Приложение).

2. Расчёт значений относительного показателя коррозионной стойкости СМКМ с одним и двумя ВП по сравнению с монометаллом, выполненный по результатам ускоренных испытаний на образцах разборного типа, позволил выполнить оценку экономической эффективности применения СМКМ с ВП взамен монометалла - стали 12Х18Н10Т. Установлено, что при замене монометаллической стали 12Х18Н10Т на трёх-, четырёх- и шестислойных материалы экономическая эффективность возрастает в 4,3 раза, 17,5 раза и 44,9 раза соответственно за счёт существенного повышения срока эксплуатации. Применение материала 12Х18Н10Т+10+12Х18Н10Т+09Г2С взамен биметаллического материала 12Х18Н10Т+09Г2С увеличивает экономическую эффективность в 14,4 раза также за счёт повышения длительности эксплуатации.

3. Метод графического расчёта скорости коррозии с применением коррозионных диаграмм использован для выявления наиболее продолжительной стадии коррозионного взаимодействия. Экспериментально установлено, что применение малоуглеродистых сталей в качестве внутреннего протектора является целесообразным по отношению к защищаемым слоям из высоколегированной стали 08Х18Н10Т и её аналогам. Разработано и запатентовано устройство для электрохимического исследования коррозии металлов (Патент 2533344 РФ).

4. На основе компьютерного моделирования соударения, деформационного процесса и волнообразования в трехслойном пакете в программе ЬБ-ВУИА установлена возможность управления технологическими параметрами сварки взрывом с целью достижения заданной прочности соединения слоёв и снижения материалоёмкости экспериментальных работ при получении СМКМ с ВП.

5. Выполненные микроструктурные, механические и технологические испытания показали, что в структуре СМКМ с ВП обеспечена удовлетворительная прочность соединения слоёв от 310 до 380 МПа в термически обработанном состоянии, высокая пластичность и ударная вязкость. Разработаны технологиче-

ские рекомендации получения СМКМ с ВП сваркой взрывом в условиях открытого полигона.

6. Получены опытные партии СМКМ с одним и двумя ВП, что подтверждено актами сдачи-приемки НИР, шифр «Уведомление», ОКР, шифр «Сверхкрит», и четырёх НИР рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации (2009-2019 гг.).

7. Разработаны технические условия ТУ 0989-001-43070235-12 «Многослойные металлические материалы листовые повышенной коррозионной стойкости с протекторной питтинг-защитой» торговой марки «Слоймет» («БЬОУМЕТ»)».

Методология и методы исследования:

1. Теоретическое обоснование вопросов, составляющих предмет исследования диссертационной работы, основано на положениях современного материаловедения, общей теории систем, теории коррозии.

2. Экспериментальные исследования были выполнены по общепринятым в материаловедении методам и методикам: методы исследования макро- и микроструктуры, статические и динамические методы испытания механических свойств, метод капиллярной дефектоскопии, стандартные методы статистической обработки результатов.

3. Использованы стандартные и разработаны оригинальные методы коррозионных испытаний.

4. Компьютерное моделирование выполнено с применением лицензионного программного продукта ЬБ-ЭУЫА.

Положения, выносимые на защиту:

1. Фундаментальные закономерности создания слоистых металлических коррозионно-стойких материалов с внутренним протектором, в которых снижение скорости коррозионного разрушения достигается за счёт комбинирования сплавов с различными значениями стационарных электрохимических потенциалов, достаточными для сохранения пассивного состояния защищаемых слоёв. Ре-

зультаты изучения механизма коррозионного разрушения СМКМ с одним и двумя внутренними протекторами в коррозионных средах.

2. Результаты изучения технической системы «Слоистый металлический коррозионно-стойкий материал с внутренним протектором» с применением системного подхода. Разработанный алгоритм проектирования и результаты выбора числа и состава слоёв СМКМ с внутренним протектором, предназначенного для эксплуатации в условиях одностороннего контакта с коррозионной средой, в зависимости от состава среды и уровня механических нагрузок.

3. Метод ускоренных коррозионных испытаний с применением образцов разборного типа. Результаты вычислений значений относительного показателя коррозионной стойкости СМКМ с ВП по сравнению с монометаллическим материалом, рассчитанного через минимальное время сквозного проникновения коррозии на заданную глубину в слоистом и монометаллическом материалах.

4. Метод графического расчёта скорости коррозии с применением коррозионных диаграмм, позволяющий определять лимитирующий фактор коррозионного процесса в условиях варьирования состава и температуры коррозионной среды и оценивать целесообразность использования выбранной пары «защищаемый металл - протектор» в конкретной коррозионной среде на этапе проектирования СМКМ с ВП.

5. Результаты микроструктурных исследований, механических и коррозионных испытаний СМКМ с внутренним протектором.

6. Результаты компьютерного моделирования соударения, деформационного процесса и волнообразования пластин трехслойного пакета с применением программы ЬБ-ОУЫА, позволяющего осуществлять управление технологическими параметрами сварки взрывом при получении СМКМ с ВП.

Реализация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы использованы для выполнения следующих НИР и ОКР:

1. НИР «Разработка научных основ получения сваркой взрывом многослойных композиционных металлических материалов для создаваемых и модер-

низируемых образцов вооружения, военной и специальной техники», шифр «Уведомление», по заказу Министерства обороны Российской Федерации (государственный контракт № 1385 от 22.03.2004).

2. ОКР «Разработка технологий, обеспечивающих ликвидацию различных химически опасных отходов, находящихся на территории накопителей, свалок и захоронений, на основе методов сверхкритического водного окисления и пиролиза в восстановительной среде без процесса горения», шифр «Сверхкрит», по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (государственный контракт № 94111007500.13.1007 от 23.07.2009) в рамках Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности РФ (2009-2013 гг.)».

3. НИР «Разработка теоретических основ новых многослойных металлических материалов повышенной коррозионной стойкости» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (№ 1.16.09, номер государственной регистрации № 0120095067).

4. НИР «Разработка теоретических основ и лабораторно-практическая реализация новых многофункциональных многослойных металлических материалов повышенной коррозионной стойкости для специальной техники» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации в 2012-2014 гг. (номер государственной регистрации № 01201255876).

5. НИР «Создание новых многослойных коррозионно-стойких материалов, обеспечивающих безопасность эксплуатации объектов химической промышленности и атомной энергетики» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации (номер государственной регистрации №114111940062, 2014-2016 гг.).

6. НИР «Научные принципы коррозионного разрушения многослойных металлических материалов с внутренним протектором» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации

(номер государственной регистрации № АААА-А17-1170419100026-0, 2017-2019 гг.).

7. Гранты РФФИ 08-08-08067-з, 10-08-08085-з.

8. Программа Европейского союза «ЕШАБМиБ+» КА1 по академическому обмену студентами и преподавателями в рамках двухстороннего сотрудничества в университете «1 ВЕСЕМЕШЕ 1918» города Алба-Юлия, Румыния, 17-21.10.2016.

Внедрение результатов работы.

1. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены при выполнении следующих НИР и ОКР:

• НИР, шифр «Уведомление», в объёме 5,250 млн руб.;

• ОКР, шифр «Сверхкрит», в объёме 155,4 млн руб.;

• НИР № 1.16.09 в объёме 660 тыс. руб.;

• НИР № 01201255876 в объёме 600 тыс. руб.;

• НИР № 114111940062 в объёме 2191,0 тыс. руб.;

• НИР № АААА-А17-1170419100026-0 в объёме 3664,8 тыс. руб.

2. Внедрение осуществлялось в форме обоснования критериев выбора состава слоёв СМКМ с ВП, разработки технологических рекомендаций получения СМКМ с ВП с применением сварки взрывом, получения опытных образцов слоистых материалов, обоснования состава слоистых материалов для сред различного состава, разработки методов коррозионных испытаний, исследования коррозионного поведения в средах различного состава, изучения микроструктуры, механических и технологических свойств слоистых металлических коррозионно-стойких материалов. Получены акты выполненных работ (Приложение).

3. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение» для подготовки специалистов, бакалавров и магистров по направлениям 22.03.01, 22.04.01 «Материаловедение и технология материалов», 15.03.01 «Машиностроение» и по специаль-

ности 15.02.02 «Оборудование и технология сварочного производства», а также использованы при проведении занятий по Президентской программе повышения квалификации инженерных кадров на 2012-2014 гг. (соглашение № 06.В47.21.0025 от 06.11.2012 и № 06.В47.21.0026 от 30.05.201), при чтении лекций по программе Ега8тт+ в университете «1 ВЕСЕМЕШЕ 1918» города Алба-Юлия, Румыния, при чтении лекций по дополнительной профессиональной программе повышения квалификации «Перспективные материалы и технологии в области машиностроения», разработанной для реализации проекта «Обучение граждан по программам непрерывного образования в образовательных организациях, реализующих дополнительные образовательные программы и программы профессионального обучения» в рамках федерального проекта «Новые возможности для каждого», входящего в Национальный проект «Образование» (Приложение).

4. Разработаны технические условия ТУ 0989-001-43070235-12 «Материалы металлические листовые многослойные повышенной коррозионной стойкости с протекторной питтинг-защитой торговой марки «Слоймет» («БЬОУМЕТ»)».

Документы, подтверждающие внедрение, приведены в Приложении.

Достоверность полученных в работе научных результатов обеспечиваются корректным применением основных положений материаловедения; глубиной проработки основных концепций и положений, изложенных в отечественных и зарубежных источниках, по вопросам диссертации; применением общепринятых методов и стандартизованных методик: методов исследования микроструктуры, статических и динамических методов определения механических свойств металлических материалов, методов коррозионных испытаний; значительным объёмом проведённых испытаний; использованием современных аттестованных приборов, испытательного оборудования и средств измерений; использованием лицензионного программного обеспечения.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на следующих научных мероприятиях: VIII, IX, Х, XI, XII и XIII International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations (Moscow, 2006; Lisse, 2008; Bechichi, 2010; Strasburg, 2012; Cracow, 2014, Coimbra, 2016; St. Petersburg, 2018); III, IV и VI международных конференциях «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2004, 2007, 2014); Всероссийской научно-технических конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2008, 2010); V и VI Международных научно-практических конференциях «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Суздаль, 2009; Листвянка, 2011); Всероссийской конференции «Современные проблемы коррозионно-электрохимической науки» (Москва, 2010); 12-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от на-но- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2010); Международной конференции «Explosion/Combustion-assisted Production of New Materials: Science and Technology» (Калининград, 2011); V Международном симпозиуме «Химия и химическое образование» (Владивосток, 2011); Международной научно-практической конференции «Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов» (Москва, 2012); 9-й Международной конференции «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2012); IX Всероссийской научно-практической конференции «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Современные тенденции в образовании и науке» (Тамбов, 2013); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного машиностроения» (Юрга, 2014); XIX Международной научно-методической конференции «Университетское образование» (Пенза, 2015); XV Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность регионов Рос-

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Лось Ирина Сергеевна, 2020 год

Библиография

1. Евразийский патент № 016878 ЕАПВ. Многослойны!! материал повышенной коррозионной стойкости (варианты) и способы его получения, С23К 13/06 В 32В 7/02 ; Розен Л. Е.у Лось .И, С, 11срнухии Л. Ь., Перелыгии К'). I ]., Гордополов Ю. Л., Кирнй IВ., Абрамов П. И., Усатый С. Г., Кркжои Л- В.. Первухина О. Л,, Денисок И. В., Розен А. А. - Выдан 30.06.2012; приоритет от 26.09.2008.

2. Многослойные коррозионно-стойкие материалы: моногр. • И.С Лось. Ю.П. Перелыгии, Л,В. Ризсн, С ТО. ТСпреев. - 2-е изд., доп. Цияш: Изд-во III У, 2015.-128 с.

С.Ю. Киреев

Л.К, Розен

Ю П. Псре.н?.1т ян

И.С. Лось

И.А. Сафонов

ИЛ, Хари па

Приложение

Форма протокола испытаний

многослойного металлического коррозионно-стойкого материала

с внутренним протектором

1. Цель испытания.

2. Метод испытания, состав коррозивной среды.

3. Материалы: марки сталей, состояние (г/к, х/к, закалка, отжиг).

4. Обозначение и описание образцов испытуемого многослойного материала (форма, размеры, количество).

5. Обозначение и описание образцов сравнения (форма, размеры, количество).

6. Подготовка образцов испытуемого многослойного материала.

7. Подготовка образцов сравнения.

8. Продолжительность экспонирования.

9. Оборудование, вспомогательные материалы.

10. Температура испытания.

11. Способ размещения и крепления исследуемых трёхслойных образцов и образцов сравнения.

12. Способ очистки образцов после экспонирования.

13. Результаты взвешивания пластин трёхслойных образцов и образцов сравнения.

14. Результаты расчета массовых показателей коррозии для каждой пластины трёхслойных образцов.

15. Результаты расчета среднего значения массовых показателей коррозии для каждого слоя трёхслойных образцов.

16. Результаты расчета массовых показателей коррозии для каждой пластины и среднего значения массовых показателей коррозии образцов

сравнения (монометаллических образцов из высоколегированной и углеродистой стали).

17. Результаты расчета доверительные оценки истинных значений массовых показателей коррозии при одинаковой доверительной вероятности по ГОСТ 9.912.

18. Результаты расчёта относительного показателя коррозионной стойкости многослойного материала с внутренним протектором по сравнению с монометаллическим коррозионно-стойким материалом Кмкм.

19. Заключение.

с огллсов л но у тв к рж; ] о

Заместитель генерального директора. -директор института материаловедения АО <<| IIЮ «11.НИИТМАШ», к.х.н.

Скоробогатых

201« г.

Ректор ФГБО^дЮ «Пензенский

Гуди кои 8 г.

Протокол испытаний

многослойного материала коррозиен но-сюйкото материала с внутренним протектором 1 Цель ис1 питания — по п. 4.1

2 Метод испытания и состав коррозионной среды по п. 4.4 и 6.1

3 Материалы тонколистовой прокат из высоколегированной стали 08X1811 ЮТ по ГОСТ 5582 в состоянии поставки. Тонколистовой прокат из малоуч леродистой стали 10 по ГОСТ 16523 и состояния поставки

4 Обозначение и описание образцов испытуемого многослойного материала (форма, размеры» кол и честно) по п. 5.1.1-5.1.4

5 Обозначение и описание образцов сравнения (форма, размеры, количество) по п. 5.2.1

6 Подготовка образцов ис- по п. 5.1.5-5.1,6, 5.1.Я

пытуемого многослойного материала

7 Подготовка образцов сравнения по п. 5.2.2 - 5.2.4

8 Продолжительность экспонирования 720 и 2208 ч для трехслойных образцов и 5 ч для образцов сравнения

9 Оборудование, вспомогательные материалы весы лабораторные по ГОСТ 24104; штангенциркуль по ГОСТ 166; стеклянные воронки по ГОСТ 25336; ареометр по ГОСТ 18481-81; стальные болты М8 по ГОСТ 7798; бумага фильтровальная по ГОСТ 12026; стаканы стеклянные по ГОСТ 25336; фторопластовая лента по ГОСТ 24222; герметик силиконовый по ТУ 2384-031-05666764

10 Температура испытания 20 оС ± 2 оС

11 Способ размещения и крепления исследуемых трёхслойных образцов и образцов сравнения по п. 7.1.1-7.1.3, 7.2.1-7.2.2

12 Способ очистки образцов после экспонирования по п. 7.1.7. и 7.2.4

13 Результаты взвешивания пластин трёхслойных образцов и образцов сравнения по п. 5.1.7, 5.2.4, 7.1.10, 7.2.5

14 Результаты расчета массовых показателей коррозии по п.8.1-8.2 и формулам (1)-(4)

для каждой пластины трёхслой-

ных образцов

15 Результаты расчета средних значений массовых показателей коррозии верхней, средней и нижней пластин трёхслойных образцов при каждом значении диаметра d по п. 8.1-8.5. В таблице 1 приведены результаты средних значений массовых показателей коррозии при продолжительности экспонирования 720 и 2208 ч.

Таблица 1 - Средний массовый показатель коррозии Кт, г/(м2-ч)

Пластины Время, ч Диаметр линзы в протекторе d, мм

3 5 10 15 20

Верхняя 720 0,221 0,230 0,219 0,219 0,250

Средняя 1,761 0,917 0,490 0,241 0,137

Нижняя 0,250 0,201 0,142 0,050 0,003

Верхняя 2208 0,179 0,176 0,180 0,183 0,191

Средняя 0,904 0,512 0,178 0,075 0,0000

Нижняя 0,186 0,147 0,072 0,012 0,0000

16 Результаты расчета массовых показателей коррозии монометаллических образцов сравнения из высоколегированной и углеродистой стали приведены в таблице 2.

Таблица 2 Массовые показатели коррозии образцов сравнения

Марка стали Массовые показатели коррозии, г/(м •ч) Доверительные границы, г/(м •ч)

нижняя верхняя

08Х18Н10Т 14,55 14,53 14,57

Сталь 10 62,23 62,21 62,25

17 Результаты расчета доверительных значений массовых показателей коррозии при одинаковой доверительной вероятности по ГОСТ 9.912 - по п. 8.8. В качестве примера приведены вычисленные с доверительной вероятностью 90% интервалы истинных значений массовых показателей коррозии для образцов сравнения (таблица 2).

18 Результаты расчёта относительного показателя коррозионной стойкости многослойного материала с внутренним протектором по сравнению с монометаллическим коррозионно-стойким материалом Кмкм - по п. 8.9-8.11.

Время сквозного проникновения единичным питтингом верхней пластины ^ (ч) рассчитывают при условии отсутствия контакта с протектором и исходя из среднего значения массового показателя коррозии для образца сравнения высоколегированной стали. Объём и площадь питтинга определена исходя из толщины верхней пластины Н1 = 2 мм и диаметра питтинга dп = 1 мм.

Расчётное значение Ц = 242,4 ч.

Время растворения линзы в среднем слое (ч) до диаметра, при котором зафиксировано максимальное значение массового показателя коррозии для нижней пластины при продолжительности экспонирования 720 ч, рассчитывают исходя из среднего значения массового показателя коррозии для средней пластины малоуглеродистой стали. Объём и площадь линзы определена исходя из толщины средней пластины Н2 = 2 мм и диаметра d = 3 мм.

Расчётное значение ^ = 2866,4 ч

Время сквозного проникновения единичным питтингом монометаллического образца из высоколегированной стали ¿моно (ч) рассчитывают исходя из среднего значения массового показателя коррозии для образца сравнения высоколегированной стали. Объём и площадь питтинга определены исходя из толщины, равной суммарной толщине верхней и средней пластин трёхслойного образца, Имояо = 4 мм и диаметра питтинга dп = 1 мм.

Расчётное значение ¿моно = 256,1 ч

Относительный показатель коррозионной стойкости многослойного материала с внутренним протектором по сравнению с монометаллическим коррозионно-стойким материалом Кмкм по формуле (9)

Кмкм = 12,14.

Заключение

Метод ускоренных испытаний многослойного металлического коррозионно-стойкого материала с внутренним протектором основан на экспериментальном определении массовых показателей коррозии компонентов, характеризующих скорости коррозионного разрушения защищаемых слоёв и протектора, которые находятся в условиях механического контакта. Значения массовых показателей коррозии компонентов многослойного материала использованы для расчета времени коррозии многослойного материала исходя из критерия сохранения его целостности и длительной эксплуатации - отсутствие сквозного поражения третьего слоя.

Выполнена количественная оценка коррозионной стойкости многослойного металлического коррозионно-стойкого материала с внутренним протектором по сравнению с монометаллическим материалом при распространении коррозионного разрушения на одинаковую толщину. Установлено, что коррозионная стойкость многослойного металлического коррозионно стойкого материала с внутренним протектором более чем в 12 раз превышает стойкость монометаллического материала.

Метод может быть исполни ним для оценки коррозионном СТОЙ кости иеии ослойных материалов о внутренним протектором другой» состава и в других коррозионных средах, содержащих водные растворы щелочей, солей кис:нут или кислот, анионы которых не являются окислителями, и сравнения с монометаллическими материалами.

£ с г - ^ -с

С.Ю. Киресв

Л.Ь, Ршен

ЮЛХ Перелыгин

И.С. Лось

И.А. Сафонов

И.Л, Харыпу.