Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
231
39. Какова роль текстуры в обеспечении высокой коррозионной стой-
кости циркониевых сплавов? Каковы механизмы ее влияния на прочность
оксидной пленки?
40. Как влияет облучение на коррозионную стойкость циркониевых
сплавов, каковы предполагаемые механизмы такого влияния?
41. Что такое нодулярная коррозия? Каковы механизмы ее проявле-
ния?
42. Охарактеризуйте диаграмму состояния Zr−H. Какова роль гидри-
дов циркония в изменении механических свойств циркония?
43. Как влияет ориентация гидридов на охрупчивание изделий из цир-
кониевых сплавов? Что такое показатель ориентации гидридов?
44. Что такое «замедленное гидридное растрескивание», каковы при-
чины и последствия его проявления?
45. Каковы особенности взаимодействия Zr с топливом и осколками
деления? Какие продукты деления наиболее опасны с точки зрения
охрупчивания циркониевых оболочек твэлов и почему?
46. Чем вызвано коррозионное растрескивание под напряжением цир-
кониевых сплавов? Как влияет состав и состояние сплава на проявление
этого явления? Какие способы используют для борьбы против коррозион-
ного растрескивания циркониевых оболочек?
47. Как влияет облучение на механические свойства циркония? Что
такое радиационно-водородное охрупчивание?
48. Какие критерии сопротивления хрупкому разрушению использу-
ют? Дайте их характеристики.
49. Каковы механизмы радиационного формоизменения циркониевых
сплавов?
50. Перечислите механизмы радиационной ползучести циркония и
дайте их характеристику.
51. Как влияют легирование и деформация на радиационную ползу-
честь?
52. Что такое «радиационный рост» циркония? Каков его механизм?
Что характеризует индекс G
n
?
53. Как влияют предварительная пластическая деформация и флюенс
нейтронов на скорость радиационного роста? В чем суть такого влияния?
54. Как влияет текстура на радиационный рост?
55. Как зависит радиационный рост от химического состава цирконие-
вых сплавов?
232
ГЛАВА 25. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
25.1. Железо и его взаимодействие
с другими элементами
Сплавы на основе железа, именуемые сталями, играют огром-
ную роль в машиностроении, строительстве, металлургии и других
отраслях народного хозяйства. В ядерной энергетике широко при-
меняются различные низко-, средне- и высоколегированные стали.
Из них изготавливают оболочки твэлов, трубы первого и второго
контуров, пароперегреватели, теплообменники, корпуса и другие
детали ядерных реакторов. На сегодняшний день стали рассматри-
ваются в качестве основного конструкционного материала и для
термоядерных реакторов будущего. В отличие от обычной техники,
учитывая сложные условия работы различных деталей и узлов
ядерных и термоядерных реакторов, к конструкционным сталям и
сплавам для них предъявляют комплекс повышенных требований.
Добыча железа из руд началась более 4000 лет назад, а методы
массового производства стали были открыты в середине XIX века.
Железо − элемент VIII группы таблицы Д.И. Менделеева с
атомным номером 26 − относится к переходным металлам (см.
табл. 23.1). Электронная структура атома Fe имеет недостроенную
d-оболочку − 3p
6
3d
6
64s
2
. Природное железо состоит из изотопов
54
Fe − 5,84 %;
56
Fe − 91,68 %;
57
Fe − 2,17 % и
58
Fe − 0,31 %.
Железо существует в виде двух кристаллических модификаций:
α-Fe
910 °C
γ-Fe
1392 °C
δ-Fe
1539 ± 3 °С
жидкая фаза.
(ОЦК) (ГЦК) (ОЦК)
Такая особенность аллотропических превращений, когда при
низкой и высокой температуре устойчива ОЦК структура, а в ин-
тервале 910−1392 °С − ГЦК структура, свойственна только железу.
Часто это объясняется тем, что свободная энергия α-Fe меньше
свободной энергии γ-Fe при температурах ниже 910 °С и выше
1392 °С (рис. 25.1).
233
В интервале 910−1392 °С меньшей свободной энергией обладает
ГЦК упаковка атомов железа. Высокотемпературная модификация
ОЦК структуры (иногда называемая δ-Fe)
не представляет собой новой аллотропи-
ческой формы, т.е. она тоже α-Fe.
В связи с большой распространенно-
стью в практике сплавов железа его диа-
граммы состояний с другими элементами
Периодической системы Д.И. Менделеева
являются наиболее изученными. Анализ
большого количества известных двойных
диаграмм состояния сплавов Fe с другими
элементами показывает, что их можно
разделить на несколько классов, напри-
мер, по Б.Б. Гуляеву − на пять классов
(рис. 25.2).
Рис. 25.2. Классификация начальных участков диаграмм состояния двойных
систем сплавов железа (Б.Б. Гуляев)
Класс А. Сплавы Fe с элементами, расширяющими концентра-
ционную и температурную область существования α-Fe. Такие ле-
гирующие элементы называют ферритостабилизирующими (V, Cr,
Рис. 25.1. Изменение
свободных энергий Гибб-
са α- и γ-модификаций
железа при изменениях
температуры
234
Al, Si, Zn, Mo, W). Для сплавов этого класса характерно наличие
неограниченных (Сr, V) или ограниченных (Al, Si, Mo, W) твердых
растворов в железе. Ферритостабилизирующие элементы на диа-
грамме состояний существенно сокращают площадь существова-
ния области γ-твердых сплавов − выклинивают γ-область (см.
рис. 25.2). Сплавы класса А являются основой для создания корро-
зионно-стойких жаропрочных сталей ферритного класса.
Класс Б. Сплавы Fe с элементами, расширяющими концентра-
ционную и температурную области существования γ-Fe. Такие ле-
гирующие элементы называют аустенитостабилизирующими (Ni,
Mn, Co, Pt, Os, Ir, С, N). Для сплавов этого класса характерно нали-
чие широких областей существования аустенита, причем при коли-
честве легирующего элемента выше определенного аустенит суще-
ствует при комнатной температуре, а ниже этого количества − при-
сутствуют двухфазные (α+γ)- и однофазные α-сплавы. Сплавы это-
го класса служат основой для создания коррозионно-стойких жа-
ропрочных сталей аустенитного класса.
Класс В. Эвтектоидные сплавы Fe с ограниченной растворимо-
стью легирующих элементов в α- и γ-фазах (С, Ru, Rh, Pd, Сu, Аu).
Эвтектоидное превращение в системеFe−С используется для разра-
ботки широкого класса углеродистых сталей. Эвтектоид имеет раз-
личную структуру в зависимости от условий охлаждения. При ма-
лых скоростях (~
1 °С/мин) охлаждения образуется перлит, при
быстрых − мартенсит. Наличие перлитного превращения и склон-
ности сплавов к переохлаждению при закалке дают широкие воз-
можности для изменения структурно-фазового состояния сталей.
Класс Г. Эвтектоидные и перитектоидные сплавы Fe с элемен-
тами, образующими весьма ограниченные твердые растворы в δ-, γ-
и α-модификациях железа. Для этих систем характерно наличие
эвтектик (Bi, P, Ti, Y, Zr, Nb, Sn, Sb, Ge, As); эвтектик и перитекто-
идов (В, S, Se); эвтектик, перитектоидов и эвтектоидов (Н, N, Mg,
Са и др.); эвтектик и двух эвтектоидов (Li, К, Na, О, F, C1 и др.).
Из-за ограниченной растворимости элементов данного класса часть
из них используется в качестве модификаторов (В, Ti, Y, Zr, Nb, N),
а часть,no-существу, является вредной примесью (P, S, О, Н, Sn).
Класс Д. Перитектоидные сплавы с элементами, образующими
ограниченные твердые растворы в δ-, γ- и α-модификациях железа.
235
Для этих систем характерно наличие перитектик (La, Re, Те). Эти
легирующие элементы могут быть использованы модификаторами
железа.
С позиций создания прочных сталей основную массу легирую-
щих элементов по величине растворимости в железе α
(α-Fe)
и коэф-
фициенту распределения между фазами k
r(δ-Fe)
можно разделить на
основные и вспомогательные легирующие элементы, отметить
вредные примеси
1
.
Условиями выбора основных легирующих элементов являются:
α
(α−Fe)
> 1; k
r(δ−Fe)
> 0,5.
Этим условиям удовлетворяют 23 элемента (рис. 25.3), из них
можно исключить весьма дорогие 11 элементов и слишком легко-
плавкий Zn (Т
пл
= 419 °С). Хотя углерод имеет малую раствори-
мость в α-Fe и низкий коэффициент распределения в δ-Fe(α
(α−Fe)
=
= 0,1; k
r(δ−Fe)
= 0,2), он также входит в группу основных как легиру-
ющий элемент, воздействие которого на сталь основано на способ-
ствовании эффективной термообработки.
Рис. 25.3. Выбор легирующих добавок и определение вредных примесей
для сплавов железа (Б.Б. Гуляев)
1
Физическое материаловедение. − Т. 5. П. 16.2.3.
236
Кроме того, в сталь всегда входят технологические добавки Si,
Мn и часто Аl, обеспечивающие ее раскисление. То есть, в отличие
от цветных сплавов, где исходным материалом для легирования
является чистый металл, в стали всегда имеется легирующий ис-
ходный комплекс (< 2 % С + 0,8 % Мn+ < 0,5 %Si).
Железо, содержащее такой комплекс, называется углеродистой
сталью и является основой для получения легированных сталей.
Таким образом, основными легирующими элементами в стали
являются 11 элементов: С, Мn, Si, Сr, Ni, Mo, W, V, Al, Co, Cu. Из
них относительно дешевые − С, Мn, Si, Cr, Al, Cu; дорогие −Ni, Mo,
W, V, Co. По разным причинам Al, Co и Сu малоприменимы:
Al − из-за склонности создавать плены; Со − дорог, легированные
им стали особых преимуществ не имеют; Сu− также не имеет осо-
бой специфичности, а в жаропрочных сталях часто нежелательна.
В коррозионно-стойких и жаропрочных сталях углерод нежела-
тельный элемент из-за склонности к дендритной ликвации и обра-
зования по границам зерен высокохромистых карбидов Сr
23
С
6
, что
вызывает межкристаллитную коррозию вследствие снижения
концентрации Сr в приграничных областях. Поэтому в таких сталях
содержание углерода сильно ограничивают, а для связывания его в
стабильные карбиды вводят Ti, V и Nb.
Вспомогательные легирующие элементы должны удовлетворять
условиям
α
(α−Fe)
< 1; k
r(δ−Fe)
> 0,5.
Таких элементов 13, из них не могут быть использованы доро-
гие Hf, Та, Ag и Аu (см. рис. 25.3). Остаются 9 элементов − В, N,
Са, Ti, Zr, Nb, Pb, Mg и La. Лантан и лантаноиды привлекательны
как модификаторы и пластификаторы, но дороги.
Имеющие низкие критерии распределения и небольшую раство-
римость В, Са и Mg образуют сегрегации по границам растущих
первичных кристаллов. Они могут быть использованы в качестве
модификаторов железа, причем наиболее эффективен бор. Кроме
того, бор существенно увеличивает прокаливаемость стали.
Азот значительно повышает прочность стали при термообра-
ботке не ухудшая вязкости разрушения и трещиностойкости
1
, по-
1
Физическое материаловедение. − Т. 5. П. 16.2.3.
237
этому его используют как упрочняющий элемент в тех видах ста-
лей, в которых углерод − нежелательная примесь.
Титан, цирконий и ниобий образуют с углеродом устойчивые
карбиды, например первичные TiC, NbC, Ti(C, N) и др., и являются
дополнительными упрочняющими элементами.
Свинец в конструкционных сталях обычно не рассматривают в
качестве легирующей добавки. Однако он привлекателен как эле-
мент, улучшающий антифрикционные свойства и обрабатывае-
мость сталей, так же как и S, P, Se, Те. Вместе с тем именно эти
элементы в обычных конструкционных сталях являются вредными
примесями.
Условиями, при которых элемент может быть причислен к вред-
ным, являются
α
(α−Fe)
< 0,01; k
r(δ−Fe)
< 0,25.
Этим условиям отвечают (см. рис. 25.2 и 25.3) S, Р, О, N, H, Se,
Те, Tl, Sc, Y, из них S и Р обязательно контролируются, а О и Н
контролируются неявно.
По влиянию легирующих добавок на технологические свойства
(жидкотекучесть, усадочную пористость, трещинообразование)
элементы можно разделить на несколько групп.
Жидкотекучесть повышают С, Si, Сu и особенно Р, которые
резко снижают ликвидус и не способствуют окислению; не влия-
ют − Mn, Ni, Со; снижают − Сr, V, Mo, W, Al, Ti, так как способ-
ствуют пленообразованию.
Усадочную пористость сильно повышают S и Р, но содержание
в сталях этих элементов строго лимитируется. Существенно повы-
шает усадочную пористость С, однако изыскивают способы
нейтрализации этого действия. Незначительно повышают усадоч-
ную пористость Ti и Мn и не влияют − Сu, Si, Ni, Al, Mo, Co, Cr, W.
Склонность к трещинам повышают S, P, О, С. Не влияют или
влияют незначительно другие элементы.
При выборе легирующих комплексов кроме назначения стали и
условий ее эксплуатации (температура, агрессивные среды, облу-
чение и т.д.) следует учитывать и взаимную растворимость основ-
ных легирующих элементов. Из рассмотренных выше элементов
большинство основных легирующих добавок в стали обладают хо-
рошей взаимной растворимостью. Наилучшими из них являются
238
Cr, Ni, Mo, W и V; менее эффективны как составляющие легирую-
щих комплексов Si, Mn и Сu. На практике широко применяют вы-
сокоэффективные легирующие комплексы: Cr + Ni + Mo; Cr + Si +
+ Mn; Cr + Ni + Mn.
Кроме того, весьма эффективны, но дороги как комплексные ле-
гирующие добавки V и W. Поэтому при разработке конструкцион-
ных материалов их используют для создания высокопрочных и жа-
ропрочных сталей для деталей и ответственных узлов современных
машин и механизмов.
Таким образом, подводя итог рассмотрению основных подходов
к выбору легирующих элементов и комплексов для создания ста-
лей, следует отметить, что в зависимости от конкретных условий
эксплуатации и требований к материалам состав сталей может быть
самым разнообразным и соответственно иметь самые различные
структурно-фазовые состояния.
При выборе сталей конструкционного применения основным
критерием в большинстве случаев являются их механические свой-
ства и коррозионная стойкость. К реакторным сталям предъявля-
ются более высокие требования, вызванные спецификой условий
их работы под облучением. В соответствии с этим выбор основы и
легирующих добавок реакторных сталей диктуется обеспечением в
первую очередь физических и механических свойств, коррозион-
ной и радиационной стойкости на достаточном уровне в течение
всего запланированного периода их эксплуатации.
25.2. Классификация и маркировка сталей
В технике используются самые разнообразные материалы: теп-
лоустойчивые, жаропрочные и жаростойкие, коррозионно-стойкие
(нержавеющие), радиационно-стойкие и т.д. Среди них по объему
использования на первом месте находятся конструкционные стали
различных классов (рис. 25.4). Выбор стали для конкретного узла
сооружения или механизма определяется условиями работы и тре-
бованиями, предъявляемыми к свойствам материала конструкции.
Целесообразно применять наиболее дешевые и технологичные ма-
териалы, обеспечивающие гарантированную конструктивную
прочность данного узла или детали.
239
Рис. 25.4. Схема классификации сталей для атомной техники
Существуют разные способы классификации конструкционных
сталей.
1. По равновесной структуре: доэвтектоидные (в структуре из-
быточный феррит), эвтектоидные (в структуре перлит), за-
эвтектоидные (в структуре − избыточные вторичные карбиды), ле-
дебуритные (в структуре − первичные карбиды).
2. По структуре, получаемой при охлаждении на воздухе: пер-
литные (малое содержание легирующих элементов), мартенситные
(значительное количество легирующих элементов), аустенитные
(высокое содержание легирующих элементов). Получение трех
классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержа-
ния легирующих элементов температурная область мартенситного
превращения понижается (рис. 25.5), устойчивость аустенита в
перлитной области возрастает (С-образная кривая распада аустени-
та смещается вправо по шкале времени) (рис. 25.6). В результате
при одинаковой скорости охлаждения получаем три класса сталей.
240
Рис. 25.5. Зависимость мартенситных точек М
н
и М
к
от содержания
легирующих элементов: С (а) и Сr, Ni, Mn, Mo, W (б)
Рис. 25.6. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей
перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов
При большой концентрации ферритостабилизирующих элемен-
тов превращение γ
α отсутствует, и получаются ферритные стали.
Могут быть и смешанные по структуре классы (иногда называемые
полуферритными): ферритно-перлитный, ферритно-мартенситный,
аустенитно-ферритный, аустенитно-мартенситный.
3. По составу основы: хромистые, хромоникелевые, хромони-
кельмолибденовые, марганцовистые, хромоникельмарганцовис-
тые, никелевые и т.п.
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)