ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Внутренние факторы, включая фазовую гетерогенность, кристаллографическую текстуру, амплитуду остаточных напряжений и концентрацию неметаллических включений, оказывают нелинейное мультипараметрическое воздействие на коррозионную резистентность металлических систем в агрессивных средах. Такая сложность взаимодействий существенно затрудняет прогнозирование кинетики коррозионной деградации и оценку эксплуатационной долговечности металлоконструкций. Указанные параметры модулируют пространственное распределение коррозионных дефектов, их морфологию и глубину проникновения, что требует применения системного подхода для установления количественных корреляций. Для более точного понимания и учёта влияния внутренних факторов на коррозионный процесс необходимо проводить комплексные исследования и анализ. Использование математических методов обработки при анализе влияния позволит выявить более сильные закономерности применительно к процессу коррозионного разрушения. Это позволит разработать методы и подходы для оптимизации проектирования, производства и эксплуатации металлических конструкций и изделий, а также повысить их надёжность и долговечность. Цель работы: разработка многокритериальной модели, связывающей глубину коррозионных повреждений (интегральный показатель агрессивности среды) с микроструктурными, механическими и топографическими характеристиками низкоуглеродистой стали Ст3. Объектом исследования являются образцы из листового проката с варьируемой степенью остаточной пластической деформации (ε = 0–7 %). Методы исследования. Микроструктурный анализ проводили с использованием оптической микроскопии (Olympus GX53) и сканирующей электронной микроскопии (JEOL 6008A) для оценки размера зерна, текстуры и дислокационной плотности. Количественную морфометрию коррозионных повреждений осуществляли методом цифрового анализа изображений (программный комплекс AXALIT) с определением медианной глубины как ключевого параметра. Рентгенографический анализ остаточных напряжений применялся для построения тензорных полей напряжений. Результаты и обсуждения. Экспериментальные данные демонстрируют нелинейный рост медианной глубины коррозионных повреждений от степени деформации: при ε = 6,6 % наблюдается двукратное увеличение медианной глубины по сравнению с недеформированным состоянием. Многомерный регрессионный анализ выявил доминирующее влияние внутренних остаточных напряжений на кинетику процесса коррозионного разрушения (R² = 0,89). Разброс определяемых значений по внутренним напряжениям составляет ±5 мкм. Обнаруженные закономерности связаны с поведением структуры материала при пластической деформации, которая в наибольшей степени происходит в направлениях {111} <110>, что приводит к возникновению обратных остаточных внутренних напряжений. Медианная глубина коррозионных повреждений отражает скорость протекания коррозии. Метод группового учёта аргументов (МГУА) позволил синтезировать комплексный параметр, объединяющий различные параметры структуры стали. Полиномиальная аппроксимация зависимости медианной глубины коррозионных повреждений в 5 % HCl от комплексного параметра демонстрирует высокую сходимость (R² = 0,99) при ошибке определения ±1 мкм. Разработанная модель подтверждает, что остаточные напряжения являются одним из ключевых факторов, модулирующим коррозионную активность деформированной стали Ст3. Полученные результаты позволяют оптимизировать процессы холодной обработки стали для повышения коррозионной стойкости металлоконструкций. Дальнейшие исследования планируется сосредоточить в направлении влияния динамических нагрузок и температурных градиентов на эволюцию дислокационных субструктур.

1. Li Y., Wang F.G., Liu G. Grain size effect on the electrochemical corrosion behavior of surface nanocrystallized low-carbon steel // Corrosion. – 2004. – Vol. 60 (10). – P. 891–896. – DOI: 10.5006/1.3287822.

2. Оценка влияния дисперсности структуры стали на магнитные и механические свойства / Р.А. Соколов, В.Ф. Новиков, К.Р. Муратов, А.Н. Венедиктов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 4. – С. 93–110. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-93-110.

3. Помазова А.В., Панова Т.В., Геринг Г.И. Роль факторов формы зеренной структуры в электрохимической коррозии котельных труб, изготовленных из углеродистой стали 20 // Практика противокоррозионной защиты. – 2013. – № 3 (69). – С. 68–71.

4. Шур Я.С., Зайкова В.А. О влиянии напряжений на магнитную структуру кристаллов кремнистого железа // Физика металлов и металловедение. – 1958. – Т. 6, вып. 3. – С. 545–555.

5. Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Основы термической обработки стали: учебное пособие. – Екатеринбург: УрО РАН, 1999. – 495 с.

6. Tensile properties and twinning behavior of high manganese austenitic steel with fine-grained structure / R. Ueji, N. Tsuchida, D. Terada, N. Tsuji, Y. Tanaka, A. Takemura, K. Kunishige // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 59 (9). – P. 963–966. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2008.06.050.

7. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С / Р.А. Соколов, В.Ф. Новиков, И.М. Ковенский, К.Р. Муратов, А.Н. Венедиктов, Л.З. Чаугарова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 113–126. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-113-126.

8. Influence of surface treatment of construction steels on determination of internal stresses and grain sizes using X-ray diffractometry method / R. Sokolov, V. Novikov, A. Venedictov, K. Muratov // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 19 (5). – P. 2584–2585. – DOI: 10.1016/j.matpr.2019.09.015.

9. Introduction to Corrosion Monitoring // Metal Samples: Corrosion Monitoring Systems: website. – URL: https://www.alspi.com/introduction.htm (accessed: 25.03.2025).

10. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. – М.: Металлургия, 1976. – 472 с.

11. Intelligent coatings for corrosion control / ed. by A. Tiwari, L. Hihara, J. Rawlins. – Butterworth-Heinemann, 2014. – 746 p. – ISBN 9780124114678.

12. Nalli K. Corrosion and its mitigation in the oil and gas industry. An overview // PetroMin Pipeliner Report. – 2010. – January – March. – P. 10–16.

13. Определение взаимосвязи фактора разнозернистости и скорости коррозии конструкционной стали / Р.А. Соколов, В.Ф. Новиков, К.Р. Муратов, А.Н. Венедиктов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 106–125. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-106-125.

14. Помазова А.В., Панова Т.В., Геринг Г.И. Роль факторов формы зеренной структуры в электрохимической коррозии котельных труб, изготовленных из углеродистой стали 20 // Практика противокоррозионной защиты. – 2013. – № 3 (69). – С. 68–71.

15. Effect of grain boundary segregations on martensitic transformation temperatures in NiTi bi-crystals / R. Babicheva, A. Semenov, S. Dmitriev, K. Zhou // Письма о материалах. – 2019. – Т. 9, № 2. – С. 162–167. – DOI: 10.22226/2410-3535-2019-2-162-167.

16. Study of defect evolution by TEM with in situ ion irradiation and coordinated modeling / M. Li, M.A. Kirk, P.M. Baldo, D. Xu, B.D. Wirth // Philosophical Magazine. – 2012. – Vol. 92. – P. 2048–2078. – DOI: 10.1080/14786435.2012.662601.

17. Мамадалиев Р.А., Бахматов П.В. Распределение легирующих элементов в многопроходных сварных швах хромоникелевой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2023. – № 5 (815). – С. 55–60. – DOI: 10.30906/mitom.2023.5.55-60.

18. The role of nonmetallic inclusions in accelerating the local corrosion of metal products made of plain-carbon and low-alloy steels / I.G. Rodionova, O.N. Baklanova, G.A. Filippov, I.I. Reformatskaya, A.N. Podobaev, S.D. Zinchenko, M.V. Filatov, S.V. Efimov, V.Ya. Tishkov, A.V. Golovanov, V.I. Stolyarov, A.V. Emel’yanov, E.Ya. Kuznetsova // Metallurgist. – 2005. – Vol. 49 (3–4). – P. 125–130. – DOI: 10.1007/s11015-005-0065-3.

19. Vacancy defects in Fe: comparison between simulation and experiment / M.R. Gilbert, Z. Yao, M.A. Kirk, M.L. Jenkins, S.L. Dudarev // Journal of Nuclear Materials. – 2009. – Vol. 386–388. – P. 36–40. – DOI: 10.1016/j.jnucmat.

20. Роль неметаллических включений и микроструктуры в процессе локальной коррозии углеродистых и низколегированных сталей / И.И. Реформатская, И.Г. Родионова, Ю.А. Бейлин, Л.А. Нисельсон, А.Н. Подобаев // Защита металлов. – 2004. – Т. 40, № 5. – С. 498–504.

21. Родионова И.Г., Бакланова О.Н., Зайцев А.И. О роли неметаллических включений в ускорении процессов локальной коррозии нефтепромысловых трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей // Металлы. – 2004. – № 5. – С. 13–19.

22. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали / Р.А. Соколов, К.Р. Муратов, А.Н. Венедиктов, Р.А. Мамадалиев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 167–179. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-167-179.

23. The corrosion behaviour of stainless steels and Ni-based alloys in nitrate salts under thermal cycling conditions in concentrated solar power plants / Q. Liu, R. Barker, C. Wang, J. Qian, A. Neville, F. Pessu // Solar Energy. – 2022. – Vol. 232. – P. 169–185. – DOI: 10.1016/j.solener.2021.12.072.

24. The formation of FeCO₃ and Fe₃O₄ on carbon steel and their protective capabilities against CO₂ corrosion at elevated temperature and pressure / Y. Hua, S. Xu, Y. Wang, W. Taleb, J. Sun, L. Zhang, R. Barker, A. Neville // Corrosion Science. – 2019. – Vol. 157. – P. 392–405. – DOI: 10.1016/j.corsci.2019.06.016.

25. Влияние напряженного-деформированного состояния металла трубопровода на скорость развития «ручейковой» коррозии / И.В. Жуйков, Д.В. Гареев, Г.Г. Попов, В.И. Болобов // Современные образовательные технологии в подготовке специалистов для минерально-сырьевого комплекса: III Всероссийская конференция: сборник научных трудов. – СПб., 2020. – С. 1364–1370.

26. Зайнуллин Р.С., Зайнуллина А.Р. Взаимосвязь скорости коррозии и напряженно-деформированного состояния стали // Нефтегазовые технологии и новые материалы. Проблемы и решения. – Уфа, 2016. – Вып. 5 (10). – С. 347–353.

27. Материаловедение: учебное пособие / под ред. А.Г. Багинского. – Томск: Изд-во Том. политехн. ун-та, 2015. – 104 с.

28. Zhao Q., Holmedal B., Li Y. Influence of dispersoids on microstructure evolution and work hardening of aluminium alloys during tension and cold rolling // Philosophical Magazine. – 2013. – Vol. 93 (22). – P. 2995–3011. – DOI: 10.1080/14786435.2013.794315.

29. Фоминых Е.А. Совершенствование технологии производства конструкционной легированной стали для крупных поковок: дис. … канд. техн. наук: 05.16.02 / Южно-Уральский государственный университет. – Челябинск, 2007. – 179 с.

30. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2017664341 Российская Федерация. Программный комплекс съемки, анализа и контроля цифровых панорамных изображений микро и макроструктур различных материалов Axalit: № 2017660805: заявл. 25.10.2017: опубл. 27.12.2017 / Юсупов А.А., Рябков М.С.

31. Modelling the plastic anisotropy of aluminum alloy 3103 sheets by polycrystal plasticity / K. Zhang, B. Holmedal, O.S. Hopperstad, S. Dumoulin // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2014. – Vol. 22 (7). – P. 075015. – DOI: 10.1088/0965-0393/22/7/075015.

32. Abuku S. Magnetics studies of residual stress in iron and steel induced by uniaxial deformation // Japanese Journal of Applied Physics. – 1977. – Vol. 16 (7). – P. 1161–1170. – DOI: 10.1143/JJAP.16.1161.

33. Magnetic incremental permeability as indicator of compression stress in low-carbon steel / A.N. Stashkov, E.A. Schapova, A.P. Nichipuruk, A.V. Korolev // NDT & E International. – 2021. – Vol. 118. – P. 102398. – DOI: 10.1016/j.ndteint.2020.102398.

34. Биргер И.А. Техническая диагностика. – М.: Машиностроение, 1978. – 240 с.

35. Баласанян С.Ш., Геворгян Э.М. Сравнительный анализ методов регрессии и метода группового учета аргументов при моделировании процессов переработки полезных ископаемых // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2016. – Т. 327, № 4. – С. 23–34. – EDN WBPEQB.

36. Аузин А.А., Муравина О.М. Статистический анализ данных каротажа методом группового учета аргументов // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. – 2010. – № 2. – С. 219–224.