3.2. Обгрунтувати вибів марки сплаву. Описати вплив легувальних елементів на властивості сплаву.

Технологічні процеси, здійснювані за допомогою трубопроводів, як правило, протікають при підвищеній температурі (100…300⁰С і вище) і при цьому тривалість температурного впливу на метал може досягати 100 000 годин і більше. У цих умовах така властивість, як працездатність матеріалів здобуває основне значення, оскільки за міцністними характеристиками сталей при робочих температурах розраховують граничні напруження і термін служби елементів конструкції.

Досвід вибору сталей для конструкцій трубопроводів показує, що оцінка працездатності при підвищеній температурі за міцністю та пластичністю, знайденим при випробуваннях металу на короткочасний розрив, допускається при температурі, ⁰С, не вищій за: для вуглецевої сталі 380; для низьколегованої сталі 420…450; для аустенітної сталі 525.

У цих умовах для оцінки працездатності стали використовують наступні характеристики:

- межа тривалої міцності - напруга, що викликає в умовах повзучості руйнування через заданий проміжок часу;

- межа повзучості - максимальна, довгостроково діюча напруга, при якій деформація досягає деякого припустимого значення.

Для надійної експлуатації трубопроводів важливе значення має здатність матеріалу тривалий час витримувати без руйнування дії напруг - тривала міцність.

Аналіз конструкцій і умов експлуатації трубопроводів показує, що при виборі конструкційних матеріалів для їхнього виготовлення необхідно враховувати наступні фактори:

- призначення та конструктивне виконання деталі або виробу;

- умови роботи (тиск, температура робочого середовища, ступінь його корозійної активності), характер прикладення навантаження (статичний, малоцикловий, циклічний);

- механічні характеристики матеріалу при заданих умовах експлуатації;

- вартість матеріалу (з урахуванням ощадливого використання дефіцитних легуючих елементів).

Виходячи з умов, у яких працює устаткування, до конструкційних матеріалів пред'являються наступні основні вимоги: висока механічна міцність, корозійна стійкість, стійкість до високих і низьких температур і ін.

Основним конструкційним матеріалом для виготовлення трубопроводів є сталі, що поставляють у вигляді листового та сортового прокату, труб, кувань або виливків.

При виборі конструкційних матеріалів для виготовлення трубопроводів часто визначальним фактором є агресивність середовища. Метал повинен бути корозійностійким у даному середовищі не тільки для того, щоб забезпечити довговічність апарата, але й щоб запобігти впливу металу й продуктів його корозії на технологічний процес.

Корозія - це руйнування металу, викликане хімічним або електрохімічним впливом зовнішнього середовища. У процесі роботи фланці піддаються фретинг-корозії. Фретинг-корозія - корозійно-механічне руйнування металевих конструкцій у місцях проковзування щільно пригнаних (притиснутих один до іншої) деталей при коливаннях з малою амплітудою, обертаннях, вібраціях. Сполучення корозії із фретингом - механічним зношуванням двох поверхонь, що мають малий відносний коливальний зсув, приводить до значного підвищення ступеня зношування поверхонь і небезпеки локальних руйнувань. Найнебезпечніший наслідок фретинг-корозії - розтріскування деталей через зниження корозійно-втомної міцності. Швидкість корозії металів залежить від різних внутрішніх і зовнішніх факторів. До внутрішніх факторів відносяться структурні особливості металів, механічні напруги, характер обробки і т.п.; до зовнішніх факторів - агресивні властивості середовища, температура й швидкість руху середовища, тиск й ін.

Працездатність сталей у конструкціях трубопроводів забезпечують легуванням сталей. Особливості легування сталей полягають у використанні структурного зміцнення двох видів: утворення твердого розчину впровадженням елементів, що підвищують температуру рекристалізації й знижують інтенсивність дифузійних процесів у славі; одержання високодисперсної суміші фаз загартуванням і відпуском сталі. Для структурного зміцнення першого виду звичайно використовують хром, молібден і вольфрам, другого виду - карбіди ванадію, ніобію та титану. Для тривалої служби, як правило, використають малозміцнені сталі, що мають у вихідному стані відносно низьку жароміцність, але більш стійку структуру.

Хромомолібденові сталі найбільше часто застосовують у конструкціях трубопроводів, тому що вони мають структурну стабільність у процесі тривалої роботи. Тому основні легуючі елементи в цих сталях - хром і молібден. Легування сталей хромом (0,5 % і вище) запобігає графітизації сталі при підвищенні температури. Молібден і вольфрам підвищує температуру рекристалізації.

Для реалізації структурного зміцнення другого виду в сталь уводять карбідоутворюючі елементи - ванадій, ніобій і вуглець (у відповідній кількості).

Для деталей працюючих при температурі до 350⁰С марганець використовують як легуючий елемент. Зі збільшенням його вмісту в сталях покращуються їх міцностні властивості та знижується критична температура крихкості. Крім того, марганець використовують як елемент, що зменшує шкідливу дію сірки.

Виходячи з умов експлуатації та технічних вимог на готовий виріб, вибираємо, для виготовлення фланців наступну марку сталі: 38Х2МЮА. Її хімічний склад, температура критичних точок і механічні властивості наведені в таблицях 1-5.

Таблиця 1 - Хімічний склад сталі 38Х2МЮА

Марка сталі	С, %	Cr, %	Al, %	Mn, %	Si, %	Мо, %	Ni, %	P,%	Сu, %	S,%
							не більш за
38Х2МЮА	0,35-0,42	1,35-1,65	0,70-1,10	0,30-0,60	1,35-1,65	0,15-0,25	0,30	0,025	0,30	0,025

Таблиця 2 - Температури критичних точок для сталі 38Х2МЮА, °С

Марка стали	Ac1	Ac3(Acm)	Ar3(Arcm)	Ar1
38Х2МЮА	800	865	740	665

Таблиця 3 - Механічні властивості сталі 38Х2МЮА

Марка стали	0,2, МПа	в, МПа	, %	, %	KCU, Дж/см^2	HB (HV)
38Х2МЮА	835	980	14	50	88	Серцевини 269-300, поверхні (850-1050), після азотування

Таблиця 4 - Механічні властивості сталі 38Х2МЮА у залежності від температури відпуску (гартування 900⁰С, масло)

Температура відпуску, ^0С	0,2, МПа	в, МПа	, %	, %	KCU, Дж/см^2	HB
300	1660	1810	8	43	39	550
400	1520	1670	10	39	10	500
500	1270	1420	10	44	29	450
600	1080	1180	12	60	78	370

Таблиця 5 - Механічні властивості сталі 38Х2МЮА при підвищених температурах (гартування 930-940⁰С, масло; відпуск 660⁰С)

Температура випробуван-ня, ^0С	0,2, МПа	в, МПа	, %	, %	KCU, Дж/см^2
20	650	800	17	64	157
200	580	780	17	56	152
300	570	810	18	58	127
400	550	720	20	68	137

Сталь 38Х2МЮА - конструкційна низьколегована, високоякісна, азотована сталь, не схильна до відпускної крихкості, але флокеночутлива, оброблюваність різанням – у загартованому та відпущеному стані при НВ 241-270, _в=780 МПа. Температура кування, ⁰С: початку 1240, кінця 800.

Розглянемо вплив елементів, що входять до складу сталі 38Х2МЮА на її властивості.

Вуглець основний елемент, що обов'язково повинен бути присутнім у кожній сталі. У обраній марці стали 38Х2МЮА, вміст вуглецю С = 0,38 %. Структура сталі після повільного охолодження складається із двох фаз - фериту та цементиту. Тверді та крихкі частки цементиту підвищують опір руху дислокацій, тобто підвищують опір деформації, і, крім того, вони зменшують пластичність і в'язкість. Внаслідок цього зі збільшенням у сталі вуглецю зростають твердість, межі міцності та плинності і зменшуються відносне подовження, відносне звуження й ударну в'язкість. Вуглець підвищує поріг холодноламкості сталей і зменшує ударну в'язкість при температурах вище критичної температури (рис. 3, а). Зі збільшенням вмісту вуглецю в сталі збільшуються її твердість, міцність, зменшуються в'язкість і пластичність (рис. 3, б). Збільшення міцності відбувається лише доти, поки вміст вуглецю не досягне 0,8...1 %. Добре обробляються різанням середньовуглецеві сталі (вміст вуглецю 0,3...0,4 %).

Рисунок 3 - Вплив вмісту вуглецю, % (цифри на кривих) на холодноламкість сталі (а) і залежність механічних властивостей стали від вмісту вуглецю (б)

Легуючі елементи при введенні в сталь можуть утворювати із залізом тверді розчини; легований цементит або самостійні спеціальні карбіди; інтерметалеві сполуки.

Основними легуючими елементами в обраних марках сталей є хром, молібден, марганець, алюміній., які значно підвищують твердість поверхневого азотованого шару. Для досягнення високої прокалюваності сталь легують марганцем і хромом.

Хром – порівняно дешевий елемент і широко використовується для легування сталі. Він розчиняється у фериті та цементиті, впливає на механічні властивості. Хром підвищує прокалюваність, твердість, межу міцності, корозійну стійкість, жаростійкість; незначно зменшує характеристики пластичності сталі.

Кремній і марганець переходять у сталь у процесі її розкислення при виплавці. Вони розкислюють сталь, тобто, з'єднуючись із киснем закису заліза FeO, у вигляді оксидів переходять у шлаки. Ці процеси розкислення поліпшують властивості сталі. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність зливка. Вміст кремнію в сталі в якості домішки не перевищує 0,37%.

Марганець - дешевий елемент, застосовується як замінник у сталі нікелю. Як і хром, марганець розчиняється у фериті та цементиті. Підвищуючи стійкість аустеніту, марганець знижує критичну швидкість загартовування, впливає на схильність до внутрішнього окислювання. Марганець при вмісті його більше одного відсотка підвищує твердість, зносостійкість; підвищує стійкість проти ударних навантажень, але зменшує характеристики пластичності стали. Сприятливо впливає на зварюваність і ковкість сталі, зв'язує кисень і сірку. Марганець різко зменшує червоноламкість сталі, тобто крихкість при високих температурах, викликану впливом сірки.

Молібден – дорогий карбідоутворюючий елемент, що розчиняється в цементиті. Підвищує теплостійкість, знижує температури фазових перетворень; знижує температуру та зменшує інтервал кристалізації сталей. Молібден підвищує загартовуваність і зменшує прокалюваність; збільшує одночасно міцність і в'язкість, зміцнює ферит на 10-15 одиниць при відпалі та гартуванню.

Карбідоутворюючими елементами є: залізо, марганець, хром. Їхнє розташування за зростаючим ступенем спорідненості до вуглецю і стійкості карбідних фаз наступне: Fe - Mn - Cr - ... - Ti.

Розглянемо вплив легуючих елементів на поліморфні перетворення заліза. Всі елементи, за винятком вуглецю, азоту, водню, утворять із залізом тверді розчини заміщення. Вони розчиняються в залізі та впливають на положення точок А₃ (лінія GS діаграми стану залізо-легуючий елемент) і А₄ (лінія HJ), які визначають температурну область існування - і -областей заліза.

Наприклад, марганець і нікель знижують точку А₃ і підвищують точку А₄. У результаті цього на діаграмі стану залізо-легуючий елемент спостерігається розширення області -фази і звуження області існування -фази. Що ж стосується Cr, Тi і Si, те вони знижують точку А₄ і підвищують точку А₃. Це приводить до того, що спостерігається розширення області -фази і звуження області існування -фази.

Також легуючі елементи впливають на точку А₁, що відповідає температурі переходу перліту в аустеніт. Нікель і марганець знижують температуру А₁, а титан і кремній підвищують температуру А₁.

Тепер розглянемо вплив сірки й фосфору на властивості сталі.

Сірка є шкідливою домішкою в сталі. Із залізом вона утворює хімічну сполуку FeS, що практично нерозчинна в ньому у твердому стані, але розчинна в рідкому металі. Сполука FeS утворює із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988°С. Ця евтектика утворюється навіть при дуже малому вмісті сірки. Кристалізуючись із рідини по закінченні твердіння, евтектика переважно розташовується по межах зерна. При нагріванні сталі до температури прокатки або кування (1000-1200°С) евтектика розплавляється, порушується зв'язок між зернами металу, внаслідок чого при деформації сталі в місцях розташування евтектики виникають надриви і тріщини. Це явище зветься, червоноламкістю. Присутність у сталі марганцю, що володіє більшою спорідненістю до сірки, ніж залізо, і утворюючого із сіркою тугоплавку сполуку MnS, практично виключає явище червоноламкості. У затверділій сталі частки MnS розташовуються у вигляді окремих включень. У деформованій сталі ці включення деформуються та виявляються витягнутими в напрямку прокатки. Сірка погіршує зварюваність і корозійну стійкість. Вміст сірки в сталі строго обмежується; він не повинен перевищувати 0,035-0,06 %.

Фосфор є шкідливою домішкою, і вміст його, залежно від якості сталі, допускається не більший за 0,025-0,045%. Розчиняючись у фериті, фосфор сильно спотворює кристалічну гратку та збільшує межі міцності і плинності, але зменшує пластичність і в'язкість. Зниження в'язкості тим значніше, чим більше в сталі вуглецю. Фосфор підвищує поріг холодноламкості сталі та зменшує роботу розвитку тріщини. Здатність фосфору до сегрегації по межах зерен також сприяє окрихчуванню сталі.

3.3. Призначити й обгрунтувати режим попередньої та остаточної термічнолї обробки (при необхідності застосувати хіміко-термічну обробку). Побудувати графіки термічної обробки із зазначенням температури нагрівання, тривалості витримки при температурі нагрівання, середовища охолодження тощо, для кожної операції термічної обробки (і/або хіміко-термічної обробки (ХТО)). Представити мікроструктуру сплаву із зазначенням структурних складових. Проаналізувати зміну твердості при термічній обробці (і/або хіміко-термічній обробці).

Для того, щоб фланці мали високу твердість, зносостійкість, корозійну стійкість поверхневого шару, а також в'язку, м'яку серцевину, необхідно проводити для вибраної марки сталі наступну термічну обробку: ізотермічний відпал + гартування + високий відпуск + низький відпал +газове азотування. Графік режимів термічної обробки для сталі 38Х2МЮА наведено на рисунку 4.

Попередньою термічною обробкою буде ізотермічний відпал. Ціль ізотермічного відпалу – прискорення тривалості процесу, особливо для легованих сталей, зниження характеристик міцності після гарячої пластичної деформації (штампування), а також для підготовки структури до подальшої термічної обробки. Перевагою ізотермічного відпалу є одержання більш однорідної структури, тому що при ізотермічній витримці температура по перетину метала вирівнюється і перетворення проходить по всьому об'ємі сталі. Після відпалу укрупнюється зерно аустеніту, підвищується чистота поверхні. Структура після відпалу – сорбітовидний перліт і ферит.

Далі проводиться термополіпшення – це гартування з охолодженням у маслі (час витримки 0,5-1 година), і високий відпуск з охолодженням на повітрі (час витримки 1,5-2,0 години). Ціль термополіпшення – поліпшення оброблюваності різанням при механічній обробці, для підготовки структури до подальшої термічної обробки, а також для додання міцності виробу. Високий відпуск забезпечує одержання найбільш г в'язкої структури, що володіє достатньою твердістю, повністю знімає всі напруги в сталі. Структура після термополіпшення – сорбіт.

Після термополіпшення деталі піддаються низькому відпалу, ціль якого зняття внутрішніх напружень після механічної операції – шліфування торцьових поверхонь. Структура після низького відпалу - та ж - сорбіт.

Для обраної нами сталі 38Х2МЮА при виготовленні деталі - фланця та термічної обробки були отримані наступні структури (рис. 5).

Заключною операцією є ХТО – газове азотування при температурі 550-600^оС, час витримки (18-20 годин). Азотуванням називається процес насичення поверхні сталі азотом. Призначення азотування - одержати високу твердість і зносостійкість поверхні деталі, підвищити межу витривалості.

Діаграма стану залізо-азот наведена на рисунку 6. Відповідно до цієї діаграми в системі(Fe-N) утворяться наступні фази:

1. α-фаза – твердий розчин азоту в α–залізі (азотистий ферит), що містить до 0,1 % азоту при 590 ⁰С и 0,004 % - при температурі 20 ⁰С;

2. γ^/- фаза – твердий розчин на основі нітриду заліза Fe₄N при 590 ⁰С;

3. ε-фаза – твердий розчин на основі нітриду заліза Fe₂N (8,25 – 11 % N);

4. γ-фаза – твердий розчин азоту в γ-залізі (азотистий аустеніт), існує при температурі вищий за 590 ⁰С, максимальна розчинність азоту в γ-залізі – 2,8 % при 650⁰С. При 590 ⁰С γ-фаза при повільному охолодженні розпадається з утворенням евтектоїда (α+γ), що містить до 2,35 N.

Рисунок 4 - Графік режимів термічної обробки для сталі 38Х2МЮА

а	б
в	г

Рисунок 5 – Структури сталі 38Х2МЮА після проведення термічної і хіміко-термічної обробки: а - після відпалу – сорбітовидний перліт и ферит (світлі поля - ферит, темні – перліт); б - після гартування – мартенсит гартування; в - після високого відпуску – сорбіт відпуску; г - після низького відпалу – сорбіт; х100

Рисунок 6 - Діаграма стану залізо-азот; заштриховані однофазні області

Як газ, який містить азот, при азотуванні застосовують аміак (NH₃), що продувають через нагріту піч над деталями. Розкладання аміаку відбувається за формулою:

NH₃→N+3H_.

Атомарний азот, що виділяється, поглинається поверхнею сталі й дифундує в решітку α – заліза, утворюючи азотистий ферит. Залежно від температури азотування виходить різна мікроструктура азотованого шару заліза. При температурі азотування вище за евтектоїдну, наприклад, при 600 ⁰С, утворяться послідовно від поверхні до серцевини фази ε→γ^/→γ →α.

У зв'язку з такими перетвореннями мікроструктура азотованого шару при кінцевій температурі буде складатися з наступних фаз (рис. 7)

ε+γ^/_{надлишк}→γ^/→(α+γ^/)- евтектоїд →α+γ_{надлишк}

Рисунок 7 - Азотований шар заліза; температура азотування 600 ⁰С (схема мікроструктури)

Перед азотуванням поверхня виробу повинна бути знежирена електрохімічним способом: проводять промиванням у бензині, гасі або в інших середовищах для видалення масла, емульсій й інших забруднень. Для зниження крихкості азотованого шару та економії аміаку рекомендується азотування в аміаку, розведеного азотом (азотним газом N₂ + 4% H₂) до 70-80% або дисоційованим аміаком (N₂ + H₂). При азотуванні в аміачній атмосфері ступінь дисоціації аміаку при температурі 500-560°С становить 20-40%, при 540-560°С – 40-60% і при 600-650°С – 50-70%.

У результаті такої хіміко-термічної обробки була отримана наступна структура (рис. 8, а).

а

б

Рисунок 8 – Мікроструктура сталі 38Х2МЮА після проведення азотування: а - мікоструктура азотованого шару, х100; б - серцевина сталі, х500

Шар отриманий після газового азотування, варто розглядати як шар легованої сталі, що має в основі серцевину зі звичайної сталі. (мал. 8, б).

Азотування підвищує стійкість проти корозії деталей з вуглецевої та малолегованої сталей. Деталі, які азотовані для підвищення поверхневої міцності й зносостійкості, одночасно здобувають властивості проти корозії в середовищі пари, у водопровідній воді, у розчинах лугів, у неочищеному маслі, бензині, забрудненій атмосфері. Поряд з цим у промисловості використовують спеціальне антикорозійне азотування деталей з вуглецевих сталей. Чим вище насичення поверхні азотом, тим вища стійкість проти корозії.

Більша твердість поверхневого шару сталі після насичення азотом обумовлена високодисперсними виділеннями нітридів (нітридним зміцненням), кількість і дисперсність яких впливає на твердість.

Нітридоутворюючі елементи (алюміній, хром, молібден і ін.) підвищують твердість азотованого шару. Чим вище ступінь дисперсності нітридів, що утворяться, тим більше ефект підвищення твердості. Нітриди алюмінію найбільш дрібнодисперсні, і тому цей елемент більше інших підвищує твердість. Нікель не утворює нітридів і тому майже не впливає на твердість.

Від режиму азотування - температури процесу, часу витримки і ступеня дисоціації аміаку - залежать властивості, структура та глибина азотованого шару. Твердість поверхневого шару 850-1050 HV, глибина азотованого шару допускається в межах 0,2-0,6 мм. Властивості серцевини виробу: при азотуванні можуть виникнути дефекти жолоблення, знижена твердість внаслідок вихідної грубозернистої структури, плямиста твердість внаслідок нерівномірного зерна сталі.

Після ХТО роблять контроль властивостей на зразках-свідках. Контроль: зовнішній огляд, перевірка розмірів виробу, вимір твердості на приладі Віккерса, визначення крихкості шару і його товщини за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3.