Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие современного машиностроения невозможно без создания новых материалов и разработки передовых технологических процессов. В свою очередь материалы и технологии являются конечным продуктом металловедческих исследований, которые опираются на новые знания о структуре и свойствах металлов.
Информация о структуре сталей является определяющей для управления качеством и свойствами металлопродукции. Под термином структура подразумевается вся совокупность структурных параметров, свойственных сталям. Одним из важнейших структурных параметров является фазовый состав, как матрицы, так и выделяющихся избыточных фаз.
Основной целью различных вариантов термообработки сталей в технологических процессах является изменение их фазового состава, как матрицы (соотношение феррита, аустенита, мартенсита), так и вторичных выделяющихся фаз (карбидов, нитридов, интерметаллидов и т.д.), поскольку фазовый состав сталей играет определяющую роль в формировании их свойств – физических, механических, коррозионных, эксплуатационных.
Изменение структурных параметров в процессе эксплуатации разнообразных промышленных изделий оказывает решающее воздействие на их потребительские качества – надежность, долговечность, поэтому контроль за структурой, в том числе и за изменением фазового состава, вносит существенный вклад в решение вопросов о продлении ресурса оборудования.
По мере развития техники и расширения областей применения изделий машиностроения к используемым материалам предъявляются все более высокие требования. Они должны сохранять свои свойства при очень жестких условиях эксплуатации. Изготовление подобных материалов связано с разработкой и внедрением новейших технологических процессов. К технологическим процессам, играющим основополагающую роль, относятся выплавка, термическая обработка, обработка давлением и механическая обработка. Все указанные выше процессы оказывают существенное влияние на структуру сталей, в том числе и на фазовый состав.
Необходимо учитывать тот факт, что и химический состав сталей становится все более сложным. Введение новых легирующих элементов с постоянно расширяющимся интервалом концентраций – от десятков процентов до сотых и даже тысячных долей процентов – вносит дополнительные изменения в структуру и фазовый состав.
На этапе выплавки полностью формируется состав и морфология неметаллических включений (оксиды, сульфиды, нитриды и т.д.). Термообработка определяет фазовый состав матрицы и создает вторичные фазы (карбиды, нитриды, интерметаллиды) и в основном определяет их морфологию. Обработка давлением, особенно ее разновидности, совмещенные со сложным циклом нагрева и охлаждения или интенсивной пластической деформацией, также может существенно менять фазовый состав и матрицы, и выделяющихся фаз. Изменение числа и количества легирующих элементов, совместно с соответствующей термообработкой, формирует структуру сталей и сплавов вплоть до образования наночастиц вторичных выделяющихся фаз.
Таким образом, в процессе изготовления металлопродукции и изделий машиностроения происходит существенное изменение структуры металла, в том числе его фазового состава, что требует соответствующего контроля за этими изменениями и, при необходимости, коррекции технологических процессов.
При эксплуатации металл подвергается негативным воздействиям со стороны внешних факторов. К основным факторам можно отнести температуру, механические напряжения и среду, в которой работает изделие. В случае объектов атомной энергетики следует включить в этот список воздействие ионизирующего излучения. Все указанные факторы способны с той или иной степенью интенсивности изменять фазовый состав сталей.
Температурный фактор непосредственно влияет на фазовый состав, поскольку каждой фазе соответствует температурный интервал, в котором она может существовать. Кроме того, внутри этих интервалов возможно изменение морфологии фаз. Нагрузки, приложенные к изделию, способны преобразовывать и тонкую структуру металла (в результате пластической деформации), и фазовый состав (образование деформационного мартенсита). Среда влияет на структуру и фазовый состав металла в основном через диффузионные процессы. Они способны изменить содержание и распределение некоторых элементов и, тем самым, привести к образованию или исчезновению фаз.
Таким образом, и в процессе эксплуатации необходим контроль за изменениями структуры и фазового состава металла, поскольку они могут претерпевать заметные изменения под воздействием различных эксплуатационных факторов. Изменения структуры и фазового состава, в свою очередь, в значительной мере определяют ресурс изделия.
Фазовый состав – число фаз, их тип, кристаллическая структура, количество, морфология – оказывает определяющее влияние на формирование свойств металла. Это влияние может как снижать, так и повышать качество металла.
Выделение вторичных фаз в теле зерна приводит к повышению твердости матрицы, а также изменяет ее кратковременные механические свойства. В некоторых случаях подобные выделения могут обуславливать появление питтинговой коррозии металла в процессе эксплуатации. Выделения карбидов хрома по границам зерен в аустенитных сталях приводит к появлению межкристаллитной коррозии. Неметаллические включения способствуют возникновению в сталях водородного растрескивания (HIC).
Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением проведенных в ней исследований в рамках научных договоров и контрактов, финансируемых Министерством образования и науки в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; «Разработка наноструктурированных жаропрочных сталей и технологий производства из них высокотемпературных элементов энергетического оборудования нового поколения» ГК, Роснаука.
Приведенный краткий обзор проблем, касающихся влияния фазового состава сталей и сплавов на свойства металлопродукции, показывает необходимость идентификации и анализа фаз и подтверждает актуальность настоящей работы.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов идентификации и исследования фаз в сталях, а также расширении возможностей и повышении надежности контроля структуры, в том числе фазового состава, в процессе изготовления и эксплуатации изделий машиностроения.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи, имеющие научное, методическое и практическое значение:
-
Разработка и развитие метода дифференциального рентгеноструктурного анализа сталей с целью повышения надежности идентификации избыточных фаз в сталях.
-
Исследование различных методов разделения избыточных фаз с целью определения оптимальных методов и условий проведения идентификации и анализа фаз в зависимости от химического состава сталей, технологического цикла изготовления и условий эксплуатации.
-
Исследование влияния кристаллической текстуры и вторичных фаз на определение остаточного аустенита в сталях и разработка рентгеноструктурной методики определения содержания остаточного аустенита, которая позволит избежать негативного влияния указанных факторов.
-
Исследование изменения фазового состава матрицы аустенитных сталей в процессе изготовления и эксплуатации изделий машиностроения и разработка методических приемов, позволяющих однозначно идентифицировать фазы на основе о.ц.к. решетки – феррит и мартенсит.
При решении поставленных задач получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
-
Разработан метод дифференциального рентгеноструктурного фазового анализа сталей и сплавов. Метод позволил повысить достоверность идентификации фаз в сталях за счет увеличения чувствительности и разрешающей способности в результате последовательного уменьшения числа фаз и упрощения рентгеновских дифракционных спектров.
-
Путем проведения экспериментальных исследований большого числа разнообразных сталей подтверждена высокая надежность разработанного метода. В каждом случае результаты рентгеноструктурного анализа подтверждены иными методами исследования фазового состава, в частности оптической металлографией, просвечивающей и растровой электронной микроскопией, рентгеноспектральным микроанализом, карбидным анализом, магнитной ферритометрией.
-
Разработанный метод позволил впервые методами рентгеноструктурного анализа:
- идентифицировать в низколегированных сталях весь комплекс избыточных фаз вплоть до наночастиц спецкарбидов, формирующихся в процессе изготовления и длительной эксплуатации;
- выявить в высокохромистых роторных сталях наночастицы карбида ванадия со сложной гексагональной кристаллической структурой;
- идентифицировать пленочные наночастицы карбида ниобия, образовавшиеся в трубах из аустенитной стали после длительной эксплуатации на тепловых станциях;
-
На основании проведенных для широкого круга сталей экспериментальных исследований определены оптимальные варианты методов и условия проведения идентификации и анализа фаз. Эти варианты обусловлены химическим составом сталей, особенностями технологического цикла изготовления и режимами эксплуатации.
-
Развит метод рентгеноструктурного анализа для проведения количественного определения остаточного аустенита, который позволяет избежать негативного влияния кристаллической текстуры и избыточных фаз на результаты измерений.
-
Экспериментально исследованы изменения состава матрицы сталей аустенитного и аустенито-ферритного классов в зависимости от различных параметров технологических процессов при изготовлении и от воздействия различных факторов в процессе эксплуатации.
Достоверность экспериментальных результатов и обоснованность выводов обеспечивается применением современных методов исследования, подтверждением результатов полученных методами рентгеноструктурного анализа экспериментальными данными, полученными другими методами, а также сопоставлением с результатами исследований других авторов. Кроме того, достоверность подтверждается успешной реализацией разработок на практике.
Практическая значимость работы
Полученные в работе новые научные результаты нашли практическое использование:
при разработке технологии изготовления новых марок сталей для суперсверхкритических параметров пара («Разработка наноструктурированных жаропрочных сталей и технологий производства из них высокотемпературных элементов энергетического оборудования нового поколения» ГК, Роснаука);
для выполнения экспертных работ и оптимизации технологии при производстве и монтаже оборудования атомных электростанций (технический акт ОАО «Концерн Энергоатом»);
для оптимизации технологии при производстве теплообменных труб, используемых в конструкции парогенераторов для атомных электростанций (технический акт ОАО «ЗиО-Подольск»);
при разработке способа изготовления алмазов методом ударно-волнового нагружения (патент РФ №2074115).
Личный вклад соискателя состоит в постановке задач и инициативе проведения исследований, обработке и трактовке полученных результатов. Все экспериментальные исследования проведены лично соискателем или при его активном участии.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на следующих конференциях: Второе совещание по всесоюзной межвузовской комплексной программе “Рентген” (г.Черновцы, 1987); Научная сессия Керамического общества СССР (г.Москва, 1991); II International Interdisciplinary Colloquium on Science and Technology of the Fullerenes (Oxford, UK, 1995); II International Workshop “Fullerenes and atomic clusters” (St.Petersburg, 1995); 3rd Int. Conf. on Application of Diamond Films and Related Materials (ADC’95) (Gaithersburg, Maryland, USA, 1995); 3rd Int. Workshop on Fullerene and Atomic Clusters (St. Petersburg, 1997); 2-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР (г. Подольск, 2001); 6-я Международная научно-техническая конференция «Инженерия поверхности и реновация изделий» (г. Ялта, 2006); Центры коллективного пользования (ЦКП) и испытательные лаборатории – в исследованиях материалов: диагностика, стандартизация, сертификация и метрология (г. Москва, 2007); XIX Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Екатеринбург, 2008); Tenth international conference “Material Issuse in Design, Manufacturing and Operation of Nuclear Power Plants Equipment” (Saint Petersburg, 2008).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 54 печатных работах (24 из которых помещены в журналах, рекомендованных для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук), включая патент РФ и публикации в трудах научных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Работа изложена на 222 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 26 таблиц. Список использованной литературы содержит 156 наименований.
