Перспективные материалы и технологии для повышения долговечности оборудования и конструкций нефтегазовой отрасли


О. Ю. Елагина




ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И КОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ



Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.276:621.785.5
ББК 39.77+34.3
     Е47

Рецензенты:
заведующий лабораторией надежности и долговечности при термомеханических циклических воздействиях ИМАШ РАН д. т. н., проф. ГВ. Москвитин;
профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина д. т. н., проф. Л. А. Ефименко


     Елагина, О. Ю.

Е47 Перспективные материалы и технологии для повышения долговечности оборудования и конструкций нефтегазовой отрасли : учебное пособие / О. Ю. Елагина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -240 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1112-7

     Рассмотрены вопросы формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов за счет легирования, применения технологий аморфизации, термомеханической обработки, получения монокристаллов и композиционных материалов. Приведены практические работы, направленные на закрепление знаний по применению различных подходов к решению задачи достижения заданного комплекса свойств деталей машин и оборудования и элементов конструкций.
     Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Машиностроение». Может быть полезно аспирантам и инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами изготовления и реновации машин и оборудования.

УДК 622.276:621.785.5
                                                   ББК 39.77+34.3









ISBN 978-5-9729-1112-7

     © Елагина О. Ю., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5

ГЛАВА1.ЛЕГИРОВАНИЕМЕТАЛЛОВ.................................. 6
 1.1. Твердыерастворызамещения.............................. 7
 1.2. Твердые растворы внедрения и фазы внедрения........... 18
 1.3. Стали и сплавы с упрочнением на основе твердых фаз и интерметаллидов......................................... 34
 1.4. Упрочнение поверхностных слоев методами химико-термической обработки.............................. 46
 Практическая работа №1.................................... 51
 Контрольные вопросы по главе 1............................ 59

ГЛАВА 2. УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ................................................. 60
 2.1. Физические основы получения аморфных твердых тел и стекол. 66
 2.2. Способность различных материалов к аморфизации....... 72
 2.3. Технологические методы получения аморфных материалов. 77
   2.3.1. Получение аморфных материалов из расплавов....... 79
 2.4. Получение аморфных пленок путем осаждения из газовой фазы. 84
   2.4.1. Методы термического испарения в вакууме.......... 84
   2.4.2. Получение аморфных слоев методом катодного распыления. 92
 2.5. Свойствааморфныхматериалов........................... 99
   2.5.1. Механические свойства аморфных металлов........... 100
   2.5.2. Коррозионная стойкость аморфных материалов........ 102
 Практическая работа №2.1................................. 104
 Практическая работа №2.2................................. 106
 Лабораторная работа...................................... 109
 Контрольные вопросы по главе 2........................... 112

3

ГЛАВА 3. УПРОЧНЕНИЕ ПРИ ПРИЛОЖЕНИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙДЕФОРМАЦИИ ...................................113
  3.1. Движение дислокаций............................... 119
  3.2. Образование и размножение дислокаций.............. 122
  3.3. Взаимодействие дислокаций между собой............. 128
  3.4. Типы дислокационных субструктур................... 132
  3.5. Упрочнение при деформации. Поверхностное пластическое деформирование......................................... 134
  3.6. Упрочнение при термомеханической обработке........ 145
  Практическая работа №3.1............................... 151
  Практическая работа №3.2............................... 153
  Контрольные вопросы по главе 3......................... 155

ГЛАВА 4. МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ...................156
  4.1. Методы получения монокристаллов................... 163
  Лабораторнаяработа..................................... 192
  Контрольные вопросы по главе 4......................... 194

ГЛАВА 5. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯИХПОЛУЧЕНИЯ........................................... 195
  5.1. Классификация композиционных материалов........... 195
  5.2. Технологии изготовления композиционных материалов. 198
  Практическая работа №5.1............................... 225
  Контрольные вопросы по главе 5......................... 228

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ......................................... 229

4

            ВВЕДЕНИЕ



     Развитие современной техники в последние десятилетия связано с повышением эксплуатационных воздействий и необходимостью формирования различных комплексов специальных свойств. В практику применения все больше входят сплавы на основе цветных металлов, высоколегированные малоуглеродистые стали, композиционные и метастабильные материалы. Это требует от специалистов, работающих в области изготовления, эксплуатации и ремонта оборудования и конструкций, как нефтегазового, так и общего машиностроительного профиля, системного понимания основных закономерностей формирования комплекса свойств при применении различных технологических и металловедческих подходов. Уровень подготовки бакалавра, закончившего обучение по направлениям «Технологические машины и оборудование» или «Машиностроение», как правило, включает изучение таких дисциплин как «Технология конструкционных материалов», «Материаловедение» и ряда курсов специальных технологических дисциплин. В результате формируется набор знаний по применению различных материалов и технологических методов, обеспечивающих эксплуатационные свойства элементов машин, оборудования и конструкций для различных условий эксплуатации. Целью данного учебного пособия является систематизации и обобщение всего спектра существующих технологий упрочнения и повышения эксплуатационной долговечности конструкционных материалов. В представленном издании рассмотрены существующие и перспективные группы материалов и технологических методов их получения и обработки. Они разбиты на пять групп в зависимости от физических процессов, формирующих в изделии или в его поверхностном слое заданный комплекс механических и специальных характеристик.
     Представленный в учебном пособии материал базируется на знаниях, полученных при обучении в бакалавриате и предназначен для углубленного изучения физических процессов, протекающих в металле детали при реализации различных технологий упрочнения. При необходимости данное учебное пособие должно быть дополнено сведениями из литературных источников, специализированных на конкретных технологических процессах. Для получения практических навыков при изучении курса предусмотрены практические работы, порядок выполнения которых представлен в конце каждого раздела.
     Пособие рассчитано на магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Машиностроение», а также на аспирантов, обучающихся по УПГ «Машиностроение».

5

            ГЛАВА 1.


            ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ


     Изменение свойств железа за счет его легирования другими элементами является наиболее древним методом повышения эксплуатационных свойств. Основным результатом легирования, позволяющим целенаправленно изменять свойства железа, является формирование в сплавах на его основе различных фаз, отличающихся типом кристаллической решетки и комплексом эксплуатационных свойств. Подробный анализ систем легирования сталей и сплавов широко представлен в учебной литературе [2, 3, 4, 5] и рассматривался в курсах материаловедения, изучаемых в бакалавриате. В данном разделе основное внимание будет уделено изучению роли атомов легирующих элементов, выступающих в виде точечных дефектов в кристаллической решетке базового металла и участвующих в процессе его упрочнения.
     Минимальное количество дефектов кристаллического строения, которое существует в отожженном нелегированном металле составляет примерно 10⁶ шт/см². В процессе легирования при растворении в кристаллической решетке металла атомов других элементов происходит увеличение количества точечных дефектов до величин порядка 108-10⁹ шт/см². Это способствует изменению прочностных свойств исходного металла. У металла, сохранившего исходный тип кристаллической решетки, благодаря повышению концентрации точечных дефектов кристаллического строения, в большей или меньшей степени растет прочность. Если легирование изменило исходный тип кристаллической решетки металла на новый, то происходит скачкообразное изменение свойств металла. Это изменение определяется строением вновь образованной кристаллической решетки и способностью в значительно большем количестве растворять атомы легирующего элемента.
     Точечные дефекты - это дефекты, размер которых во всех направлениях не превосходит параметра кристаллической решетки металла. К ним относятся вакансии, внедренные и замещенные атомы. Эффект от наличия единичных точечных дефектов в кристаллической решетке металла весьма ограничен. Их способность - изменять свойства металла, определяется теми искажениями решетки, которые они вызывают. Эти искажения от единичного дефекта, как правило, сосредоточены в пределах нескольких ячеек кристаллической структуры и различаются в зависимости от его типа (рисунок 1.1).


6

Рисунок 1.1. Видыточечных дефектов: ■ - атом замещения; о - вакансия; • - атом внедрения

     Формирование точечных дефектов внедрения и замещения в металлах связано с легированием и образованием твердых растворов разного типа. В зависимости от расположения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различаются три типа растворов - замещения, внедрения, вычитания. При этом следует учитывать, что бинарный твердый раствор, представляющий собой смесь атомов двух компонентов, может формироваться:
     -      неупорядоченно с вероятностным распределением атомов растворяемого вещества в кристаллической решетке растворителя;
     -      упорядоченно с созданием двух встроенных друг в друга кристаллических подрешеток, состоящих из атомов разного типа.
     Неупорядоченные твердые растворы образуются в пределах растворимости исходной кристаллической решетки металла - растворителя. При этом полученный сплав представляет собой гомогенную фазу, а соотношение количества атомов А и В может меняться произвольным образом в фиксированном диапазоне. Изменение свойств металла в этом случае напрямую зависит от количества инородных атомов, растворенных в кристаллической решетке растворителя. При формировании упорядоченного твердого раствора кристаллическая решетка приобретает новое строение, что определяет скачкообразное изменение свойств металла и значительное увеличение количества растворенных атомов. Диапазон существования упорядоченных твердых растворов ограничен строго определенным интервалом концентраций.


        1.1. Твердые растворы замещения

     В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента занимают узлы кристаллической решетки металла растворителя. Растворение чужеродных атомов приводит, естественно, к изменению размеров единичной ячейки

7

кристаллической решетки. При этом в диапазоне малых концентраций для сильно разбавленных растворов геометрические параметры решетки меняются по линейному закону (закон Вегарда), а в концентрированных по более сложному.
     Максимальная концентрация легирующего элемента в решетке растворителя зависит, в первую очередь, от соотношения диаметров атомов легирующего металла и металла-основы. Чем больше это соотношение отличается от единицы, тем ниже максимальная концентрация легирующего металла, растворяющегося в исходной кристаллической решетке металла-растворителя. Помимо размерного фактора на растворимость металла влияет их сравнительное энергетическое состояние, близость типов и параметров элементарных ячеек кристаллических решеток и другие факторы.
     В неупорядоченных твердых замещения вероятность размещения атомов легирующего элемента одинакова для всех узлов кристаллической решетки. Атомы легирующего элемента располагаются в узлах кристаллической решетки беспорядочно, что приводит к нарушению периодичности ее строения и к геометрическим искажениям из-за разницы в атомных радиусах компонентов. Схема деформации кубической кристаллической решетки при легировании по принципу твердых растворов замещения из-за смещения атомов из положений равновесия представлена на рисунке 1.2.


Рисунок 1.2. Схемадеформация кристаллической кубической решетки при легировании по принципу замещения

      В таблице 1.1 представлены данные об атомных радиусах различных легирующих элементов и характеристиках их растворимости в кристаллической решетке железа.


8

Таблица 1.1

Характеристики твердых растворов замещения, формирующихся при легировании железа

Легирующий         Тип          Атомный     Параметр          Характер       
 элемент     кристаллической   радиус, нм  решетки, А      взаимодействия    
                 решетки       (10-12 м)                                     
    Fe            ГЦК;            1,26     « - 2,866;            “           
                   ОЦК                    у --- 3,650                        
           а - гексагональная;             а- (2,501,   Неограниченные твер- 
    Со           р- ГЦК          1,2148     4,066);     дые растворы с 7-Fc; 
                                            р- 3,548    ограниченные с a-Fc  
                                                        Неограниченные твер- 
    Ni             ГЦК           1,245    3,517         дые растворы с 7-Fc; 
                                                        ограниченные с a-Fc  
                                                            Ограниченные     
    Al             ГЦК           1,431      4,04014      твердые растворы,   
                                                           интерметаллиды    
    Cu             ГЦК           1,278       3,6077         Ограниченные     
                                                          твердые растворы   
                                                         Ограниченные твер-  
    Cr             КР            1,249    2,885         дые растворы с 7-Fc; 
                                                       неограниченные с a-Fc,
                                                           интерметаллиды    
                                                            Ограниченные     
    Мо             ОЦК           1,360    3,1466         твердые растворы,   
                                                           интерметаллиды    
                                                            Ограниченные     
    W              ОЦК           1,367    3,1568         твердые растворы,   
                                                           интерметаллиды    
    Si           алмаза          1,175    5,4198            Ограниченные     
                                                          твердые растворы   
            а,р - кубическая;                3,774;     Неограниченные твер- 
    Mn           7- ГЦК;         1,120       3,533;     дые растворы с 7-Fc; 
                 8- ОЦК                   3,720         ограниченные с a-Fc, 
                                                           интерметаллиды    
                                                        Неограниченные твер- 
    V              ОЦК           1,316    3,0338        дые растворы с 7-Fc; 
                                                        ограниченные с a-Fc, 
                                                           интерметаллиды    
           а - гексагональная;            а - (2,9446,      Ограниченные     
    Ti           р- ОЦК          1,444      4,6694);     твердые растворы,   
                                           р- 3,3132       интерметаллиды    

9

Окончание таблицы 1.1

Легирующий         Тип          Атомный    Параметр       Характер     
 элемент     кристаллической   радиус, нм решетки, А   взаимодействия  
                 решетки       (10-12 м)                               
                                                        Ограниченные   
    Nb             ОЦК           1,426      3,2959    твердые растворы,
                                                       интерметаллиды  
                                                        Ограниченные   
    Та             ОЦК           1,430      3,2959    твердые растворы,
                                                       интерметаллиды  
           a - гексагональная;            a - (3,223,   Ограниченные   
    Zr           р- ОЦК          1,585      5,123);   твердые растворы,
                                           р- 3,610    интерметаллиды  

     Как видно из представленных данных, наиболее близкими к железу значениями размеров атома, параметрами и типом кристаллической решетки в диапазоне нормальных температур обладает Cr. Он формирует с железом твердые растворы замещения на базе ОЦК-решетки в широком диапазоне концентраций. Чем больше разница в размерах и кристаллическом строении между железом и легирующим элементом, тем меньше будет диапазон концентраций, определяющий существование неупорядоченного твердого раствора замещения с сохранением исходного типа кристаллической решетки железа. На рисунке 1.3 представлены для сопоставления диаграммы состояния Fe-Cr и Fe-W, иллюстрирующие влияние этих факторов.
     Как видно на диаграмме Fe-Cr при температуре ниже 800 °C область неупорядоченных твердых растворов замещения на основе a-Fe расположена на диапазоне концентраций 0-30 % Cr. Близость размеров атомов хрома и железа позволяет получать на всем указанном диапазоне концентраций неупорядоченный твердый раствор на основе ОЦК-решетки a-Fe несмотря на то, что хром в отличие от железа имеет кубическую кристаллическую решетку. При превышении этой концентрации тип кристаллической решетки железа изменяется и наряду с неупорядоченным твердым раствором начинает формироваться новая о-фаза на базе упорядоченного твердого раствора замещения.
     Вольфрам, также как и Fe имеет ОЦК-решетку, но со значительно большим параметром решетки, равным 3,15 А из-за большого размера атома вольфрама (1,367 А). Значительная разница в размерах атомов Fe и W ограничивает возможность формирования неупорядоченных твердых растворов замещения в диапазоне температур существования a-Fe с максимальной концентрацией, не превышающей 8 %.

10

Содержание Cr, 7» а
Содер/шие 6мьфрамо.Ъ(ат.)

б
Рисунок 1.3. Диаграммы состояния: а - Fe-C; б - Fe-W [6, 7]

11

      Формирование твердых растворов замещения с неупорядоченной структурой, как правило, не очень существенно изменяет прочностные и эксплуатационные свойства металла растворителя, вследствие относительно небольшой концентрации атомов легирующего элемента. Значительно больший эффект достигается при формировании упорядоченных твердых растворов замещения или выделения интерметаллидных фаз. Появление интерметаллидных фаз на базе упорядоченных твердых растворов связано с исчерпанием возможностей исходной кристаллической решетки металла-растворителя по растворению легирующего элемента. Накопление деформаций в исходной кристаллической решетке от размещения атомов легирующих элементов приводит перестройке конфигурации решетки. В новом типе кристаллической решетки атомы, как металла-растворителя, так и растворяемого металла расположены в определенных узловых точках, что создает упорядоченность их размещения.
      В интерметаллических соединениях, а также в упорядочивающихся сплавах при температурах, меньше температуры упорядочения (Тс), выделяются две или более подрешеток с фиксированным размещением в их узлах атомов определенного элемента. В результате в кристалле появляется дальний порядок в чередовании атомов, повторяющийся во всем его объеме. На рисунке 1.4 показаны варианты полностью упорядоченного расположения атомов в бинарных сплавах А-В.


а                            б                             в

Рисунок 1.4. Расположение атомов в кристаллической решетке упорядоченных сплавов А-В: а - с ОЦК решеткой; б - с ГЦК решеткой; в - с гранецентрированной тетрагональной решеткой (о - атомы А,« - атомы В) [8]

     Некоторые сплавы одного и того же состава могут существовать как в виде упорядоченного твердого раствора (при более низких температурах), так и в виде неупорядоченных (при более высоких температурах) твердых растворов. Переход из упорядоченного состояния в неупорядоченное и обратно характеризуется температурой упорядочивания (Тс) и может быть фазовым переходом, как первого, так и второго рода.


12