Влияние низкотемпературного ионного азотирования на особенности деформации и
разрушения аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3, подвергнутой различным термомеханическим обработкам
Введение 10
1 Азотирование аустенитных нержавеющих сталей 12
1.1 Аустенитные нержавеющие стали 12
1.2 Азотирование сталей 13
1.3 Классификация процессов азотирования 17
1.4 Ионное азотирование в тлеющем разряде 18
1.5 Ионное азотирование с применением эффекта полого катода 20
1.6 Особенности структуры и свойств коррозионностойких сталей,
подвергнутых ионному азотированию 23
2 Постановка задач исследования и методика эксперимента 26
2.1 Постановка задач исследования 26
2.2 Материал и методы исследования 27
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 46
4.1 Технико-экономическое обоснование НИР 46
4.2 Потенциальные потребители результатов исследования 46
4.3 Планирование работ по НИР 46
4.4 Определение трудоемкости выполнения работ 47
4.5 Построение графика работ 50
4.6 SWOT-анализ исследования 51
4.7 Бюджет научно-технического исследования (НИР) 53
4.7.1 Расчет материальных затрат НИР 53
4.7.2 Основная заработная плата исполнителей НИР 55
4.7.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 57
4.7.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 57
4.7.5 Накладные расходы 58
4.7.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта . 58
4. Оценка научно-технического уровня НИР 59
Повысить коррозионную стойкость, микротвердость, износостойкость и усталостную прочность поверхностных слоев изделий из аустенитных нержавеющих сталей возможно комбинируя различные методы химикотермической обработки. Анализ современных литературных данных показал, что на сегодняшний день из всего многообразия методов поверхностного упрочнения азотирование является одним из наиболее распространенных способов структурно-фазового модифицирования металлов и сплавов. Азотирование является широко используемым промышленным методом создания композиционных материалов с поверхностно упрочненным слоем и вязкой матрицей, в которых повышенные прочностные и трибологические свойства сочетаются с высокой устойчивостью к коррозии [1,2]. Поверхностная твердость и глубина азотированного слоя определяются продолжительностью и температурой насыщения, составом насыщаемого (базового) материала и многими другими параметрами [1].
Ионное азотирование аустенитных нержавеющих сталей проводят с целью придания повышенной прочности поверхностному слою и для повышения устойчивости к коррозии. Одной из фундаментальных научных проблем в данной области является установление закономерностей диффузионных процессов и механизмов формирования сверхтвердых фаз при ионном азотировании аустенитных сталей и поиск путей улучшения характеристик модифицированных слоев при вариации параметров ионного азотирования. В этой связи изучение и разработка новых методов ионного азотирования и исследование механизмов формирования материалов с модифицированными слоями, которые будут обладать улучшенными свойствами, по сравнению с традиционными методами азотирования, является актуальной.
Традиционные методы насыщения сталей азотом требуют продолжительной выдержки материала при высоких температурах (более 500°С), поэтому для снижения энергоемкости процесса необходимо понижение температуры обработки. Для того чтобы не снижать эффективность упрочнения поверхности, базовый материал необходимо подвергнуть предварительной обработке, например, поверхностному наклепу [3]. Ионное азотирование позволяет снизить время обработки материала по сравнению с азотированием в газе [3,4], дает перспективу получения материалов с контролируемыми параметрами (например, толщиной) азотированного слоя при относительно низких температурах.
Цель работы - установить влияние исходной термомеханической обработки на структуру, механические, пластические свойства и механизм разрушения аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3 после различных режимов ионного азотирования.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы был проведен обзор литературы по тематике исследования и подготовлен литературный обзор, в котором были подробно рассмотрены методы насыщения азотом металлических материалов, способы ионного азотирования в тлеющем разряде и с эффектом полого катода, особенности азотирования аустенитных коррозионностойких сталей. В оригинальной части работы описаны основные закономерности влияния исходной термомеханической обработки аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3 и режима ионного азотирования (традиционного ионного азотирования и азотирования с эффектом полого катода) на ее механические, пластические свойства, закономерности деформации и разрушения.
На основе анализа данных по влиянию режимов исходной термомеханической обработки и последующего азотирования стабильной аустенитной стали 01Х17Н13М3 можно сделать следующие выводы:
— Ионное азотирование способствует изменению прочностных характеристик, снижает пластические свойства стали 01Х17Н13М3, что обусловлено образованием хрупкого поверхностного слоя на образцах. После азотирования образцы деформируются вязко (матрица), а поверхностный азотированный слой разрушается хрупко - сколом. Максимальное охрупчивание при азотировании (ТИА) происходит в образцах с наименьшим размером зерна (субзерна). Формирование зеренно-субзеренной структуры субмикронного масштаба не приводит к большему охрупчиванию по сравнению с мелкозернистыми образцами при ионном азотировании с ЭПК, но способствует формированию более толстого упрочненного поверхностного слоя;
— Независимо от размера зерна стали 01Х17Н13М3 и режима насыщения азотом, ионное азотирование слабо влияет на стадийность
— Формирование высокодефектной зеренно-субзеренной структуры с высокой плотностью дислокаций способствует увеличению предела текучести образцов стали при азотировании, в то время как в образцах с равновесной зеренной мелкокристаллической и крупнокристаллической структурой азотирование вызывает разупрочнение;
— Микротвердость азотированного слоя составляет 11-12 ГПа, микротвердость аустенитной матрицы 1.5-2.0 ГПа в зависимости от исходной обработки стали до азотирования. Формирование протяженной зоны внутреннего азотирования обеспечивает плавное изменение микротвердости от поверхности к центру образцов;
— После термомеханических обработок и ионного азотирования в структуре стали 01Х17Н13М3 основными фазами в поверхностных слоях являются аустенит, пересыщенный азотом аустенит, нитриды различного состава и а-железо.
— Выбор режима предварительной термомеханической обработки стали 01Х17Н13М3 перед процессом ионного азотирования дает возможность целенаправленно управлять параметрами упрочненного слоя в стали, например, толщиной слоя или шириной зоны внутреннего азотирования.
Благодарности
Авторы выражают благодарность к.т.н. К.Н. Рамазанову, к.ф.-м.н. Майер Г.Г. и аспиранту Е.В. Мельникову за оказание помощи в проведении исследования.
Работа выполнена с использованием оборудования Томского материаловедческого центра коллективного пользования «Нанотех».
