Помощь студентам в учебе
МИКРОСТРУКТУРА И МИКРОТВЕРДОСТЬ СПЛАВА V-Ta-Cr-Zr ПОСЛЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
|
РЕФЕРАТ 3
Введение 3
1 Химико-термическая обработка ванадиевых сплавов методом внутреннего
окисления 6
1.1 Особенности внешнего окисления ванадиевых сплавов 7
1.2 Особенности трансформации микроструктуры и изменения механических свойств ванадиевых сплавов при внутреннем окислении 14
2 Постановка задач. Материалы и методики исследования 22
2.1 Постановка задач 22
2.2 Материалы и методики исследования 23
3 Результаты 28
Заключение 39
Список использованной литературы 40
Введение 3
1 Химико-термическая обработка ванадиевых сплавов методом внутреннего
окисления 6
1.1 Особенности внешнего окисления ванадиевых сплавов 7
1.2 Особенности трансформации микроструктуры и изменения механических свойств ванадиевых сплавов при внутреннем окислении 14
2 Постановка задач. Материалы и методики исследования 22
2.1 Постановка задач 22
2.2 Материалы и методики исследования 23
3 Результаты 28
Заключение 39
Список использованной литературы 40
Сплавы на основе ванадия - это перспективные материалы для применения в сложных условиях, таких как агрессивные среды, высокие температуры и давления. Их привлекательность обусловлена уникальным сочетанием свойств: сравнительно небольшой плотности (6,1 г/см3), низкого сечения захвата тепловых нейтронов и высокой коррозионной стойкости [1, 2]. Однако, к таким материалам предъявляются особые требования. Они должны обеспечивать длительную высокотемпературную прочность, то есть жаропрочностью и обладать достаточной низкотемпературной пластичностью, чтобы сплавы легко поддавались обработке и изготовлению деталей.
Повышение механических свойств ванадиевых сплавов играет значительную роль в материаловедении, поскольку это позволяет соответствовать конкретным требованиям, предъявляемым к
конструкционным материалам. Существуют три основных механизма упрочнения металлов: деформационное, твердорастворное, и дисперсное [3]. Суть деформационного упрочнения является создание условий, при которых затрудняется перемещение дислокаций. Такое упрочнение применяется ограниченно из-за низкой термической стабильности микроструктуры, обусловленной процессами возврата и рекристаллизации при температурах свыше 0,5 Тпл [4]. Твердорастворное упрочнение основано на формировании твердого раствора путем внедрения или замещения атомов матрицы основного металла легирующими элементами. Легирование приводит к созданию искажений кристаллической решетки и появлению высоких локальных полей напряжений, благодаря чему понижается подвижность дефектов кристаллического строения и увеличиваются механические свойства материала. Данный тип упрочнения ограничен в эффективности до 0,45 - 0,65 Тпл [4]. Дисперсное упрочнение заключается введение частиц вторых фаз, благодаря которым будет реализовано ограничение движения кристаллических дефектов. Это позволяет существенно повысить термическую стабильность механических свойств (до 0,8 Тпл.). При этом 3
необходимо отметить, что большие эффекты повышения механических свойств можно достичь, когда реализуются сразу несколько типов упрочнения.
В настоящее время одним из основных способов повышения механических свойств ванадиевых сплавов является модификация гетерофазной структуры, при которых реализуется совместное действие деформационного и дисперсного упрочнения [5, 6]. Диспергирование
исходных грубодисперсных частиц вторых фаз с последующим формированием высокой плотности наноразмерных карбидов реализуется путем термомеханической обработки [4]. Недостатком является то, что ограниченное количество частиц вторых фаз определяется исходным составом слитка, что накладывает ограничение на дальнейшее повышение механических свойств. Частично преодолеть данное ограничение удается химико-термической обработкой методом внутреннего окисления, так как этот режим обработки является эффективным методом повышения концентрации кислорода в сплаве, при котором удается увеличить количество частиц вторых фаз за счет формирования оксидной фазы [7].
Необходимо отметить, что при рассмотренных режимах обработки формирующиеся частицы должны быть высокостабильными, чтобы они давали эффекты упрочнения при высоких температурах [2, 3]. Это возможно при формировании частиц вторых фаз на основе легирующих элементов - таких как Zr, Ti и так далее [2, 3]. Допустимая объемная доля таких фаз контролируется исходной концентрацией легирующего элемента. В результате дальнейшее повышение термической стабильности такой системы ванадиевых сплавов требует увеличение концентрации фазообразующего элемента Zr. Однако при этом повышение концентрации может привести не только к увеличению прочностных свойств, но и к охрупчиванию материала в результате большого количества грубых фаз, появление которых не удается полностью исключить при обработках.
В связи с этим, объемная доля частиц вторых фаз при химико-термической обработке методом внутреннего окисления определяется концентрацией не только кислорода, но и активного фазообразующего элемента (Zr. Ti). Таким образом, одним из важных вопросов при повышении термической стабильности механических свойств при сохранении технологической пластичности является выявление оптимального количества концентрации циркония в сплаве. В работе [8] продемонстрированно повышение механических свойств сплава системы V-1,80Ta-6,99Cr-0,46Zr при термомеханических и химико-термических обработках. С целью повышения механических свойств данной системы ванадиевых сплавов путем увеличения эффектов дисперсного упрочнения был разработан сплав с более высоким содержанием циркония: V-1,85Ta-4,27Cr-0,83Zr (далее используется V-Ta-Cr-Zr). В связи с этим требуется адаптация разработанных режимов внутреннего окисления сплавов ванадия и их реализация на новом сплаве с целью контролируемого изменения концентрации кислорода и, соответственно, объёмной доли частиц вторых фаз, участвующих в дисперсном упрочении. Одной из необходимых задач при разработке таких методов химико-термической обработки является изучение и формирование фронта внутреннего окисления. Понимание специфики фронта окисления важно, так как позволит ввести параметризованное описание, позволяющее более точно определять как положение этого фронта, так и изменения структурно-фазового состояния в граничных областях образца.
Целью данной работы является исследование влияния достигаемых концентраций кислорода при химико-термической обработке методом внутреннего окисления на микроструктуру и микротвердость сплава V-Ta-Cr-Zr.
Повышение механических свойств ванадиевых сплавов играет значительную роль в материаловедении, поскольку это позволяет соответствовать конкретным требованиям, предъявляемым к
конструкционным материалам. Существуют три основных механизма упрочнения металлов: деформационное, твердорастворное, и дисперсное [3]. Суть деформационного упрочнения является создание условий, при которых затрудняется перемещение дислокаций. Такое упрочнение применяется ограниченно из-за низкой термической стабильности микроструктуры, обусловленной процессами возврата и рекристаллизации при температурах свыше 0,5 Тпл [4]. Твердорастворное упрочнение основано на формировании твердого раствора путем внедрения или замещения атомов матрицы основного металла легирующими элементами. Легирование приводит к созданию искажений кристаллической решетки и появлению высоких локальных полей напряжений, благодаря чему понижается подвижность дефектов кристаллического строения и увеличиваются механические свойства материала. Данный тип упрочнения ограничен в эффективности до 0,45 - 0,65 Тпл [4]. Дисперсное упрочнение заключается введение частиц вторых фаз, благодаря которым будет реализовано ограничение движения кристаллических дефектов. Это позволяет существенно повысить термическую стабильность механических свойств (до 0,8 Тпл.). При этом 3
необходимо отметить, что большие эффекты повышения механических свойств можно достичь, когда реализуются сразу несколько типов упрочнения.
В настоящее время одним из основных способов повышения механических свойств ванадиевых сплавов является модификация гетерофазной структуры, при которых реализуется совместное действие деформационного и дисперсного упрочнения [5, 6]. Диспергирование
исходных грубодисперсных частиц вторых фаз с последующим формированием высокой плотности наноразмерных карбидов реализуется путем термомеханической обработки [4]. Недостатком является то, что ограниченное количество частиц вторых фаз определяется исходным составом слитка, что накладывает ограничение на дальнейшее повышение механических свойств. Частично преодолеть данное ограничение удается химико-термической обработкой методом внутреннего окисления, так как этот режим обработки является эффективным методом повышения концентрации кислорода в сплаве, при котором удается увеличить количество частиц вторых фаз за счет формирования оксидной фазы [7].
Необходимо отметить, что при рассмотренных режимах обработки формирующиеся частицы должны быть высокостабильными, чтобы они давали эффекты упрочнения при высоких температурах [2, 3]. Это возможно при формировании частиц вторых фаз на основе легирующих элементов - таких как Zr, Ti и так далее [2, 3]. Допустимая объемная доля таких фаз контролируется исходной концентрацией легирующего элемента. В результате дальнейшее повышение термической стабильности такой системы ванадиевых сплавов требует увеличение концентрации фазообразующего элемента Zr. Однако при этом повышение концентрации может привести не только к увеличению прочностных свойств, но и к охрупчиванию материала в результате большого количества грубых фаз, появление которых не удается полностью исключить при обработках.
В связи с этим, объемная доля частиц вторых фаз при химико-термической обработке методом внутреннего окисления определяется концентрацией не только кислорода, но и активного фазообразующего элемента (Zr. Ti). Таким образом, одним из важных вопросов при повышении термической стабильности механических свойств при сохранении технологической пластичности является выявление оптимального количества концентрации циркония в сплаве. В работе [8] продемонстрированно повышение механических свойств сплава системы V-1,80Ta-6,99Cr-0,46Zr при термомеханических и химико-термических обработках. С целью повышения механических свойств данной системы ванадиевых сплавов путем увеличения эффектов дисперсного упрочнения был разработан сплав с более высоким содержанием циркония: V-1,85Ta-4,27Cr-0,83Zr (далее используется V-Ta-Cr-Zr). В связи с этим требуется адаптация разработанных режимов внутреннего окисления сплавов ванадия и их реализация на новом сплаве с целью контролируемого изменения концентрации кислорода и, соответственно, объёмной доли частиц вторых фаз, участвующих в дисперсном упрочении. Одной из необходимых задач при разработке таких методов химико-термической обработки является изучение и формирование фронта внутреннего окисления. Понимание специфики фронта окисления важно, так как позволит ввести параметризованное описание, позволяющее более точно определять как положение этого фронта, так и изменения структурно-фазового состояния в граничных областях образца.
Целью данной работы является исследование влияния достигаемых концентраций кислорода при химико-термической обработке методом внутреннего окисления на микроструктуру и микротвердость сплава V-Ta-Cr-Zr.
Изучена зеренная и гетерофазная структура V-Cr-Ta-Zr после химико-термической обработки методом внутреннего окисления в зависимости от достигаемой концентрации кислорода.
Определено, что в области фронта внутреннего окисления происходит формирование мелкодисперсных оксидов циркония (5 - 20 нм) из твёрдого раствора и окисление крупных частиц (0,1 - 0,5 мкм) в результате реакционной диффузии, при которой морфология и размеры крупных частиц не претерпевают изменений.
Установлено, что ширина границы фронта внутреннего окисления достигает несколько мкм и характеризуется плавным изменением элементного и фазового состава.
Реализация внутреннего окисления приводит к повышению термической стабильности зеренной структуры, что сопровождается повышением значений микротвердости (на 60 % - 118 %).
Глубина продвижения фронта внутреннего окисления увеличивается по мере повышения концентрации кислорода: при Со ~ 0,89 - 1,18 ат. % высокие эффекты дисперсного упрочнения оксидной фазой наблюдаются на расстояниях до 250 мкм от поверхности окисления; при Со ~ 1,69 ат. % - 250 мкм, при Со ~ 2,83 ат. % - реализуется сквозное внутреннее окисление (упрочнение во всем объеме материала).
Граница фронта внутреннего окисления характеризуется шириной в несколько микрометров и определяется зоной торможения процессов реакционной диффузии. Такая граница разделяет два разных структурно-фазовых состояния внутри и вне фронта внутреннего окисления.
Определено, что в области фронта внутреннего окисления происходит формирование мелкодисперсных оксидов циркония (5 - 20 нм) из твёрдого раствора и окисление крупных частиц (0,1 - 0,5 мкм) в результате реакционной диффузии, при которой морфология и размеры крупных частиц не претерпевают изменений.
Установлено, что ширина границы фронта внутреннего окисления достигает несколько мкм и характеризуется плавным изменением элементного и фазового состава.
Реализация внутреннего окисления приводит к повышению термической стабильности зеренной структуры, что сопровождается повышением значений микротвердости (на 60 % - 118 %).
Глубина продвижения фронта внутреннего окисления увеличивается по мере повышения концентрации кислорода: при Со ~ 0,89 - 1,18 ат. % высокие эффекты дисперсного упрочнения оксидной фазой наблюдаются на расстояниях до 250 мкм от поверхности окисления; при Со ~ 1,69 ат. % - 250 мкм, при Со ~ 2,83 ат. % - реализуется сквозное внутреннее окисление (упрочнение во всем объеме материала).
Граница фронта внутреннего окисления характеризуется шириной в несколько микрометров и определяется зоной торможения процессов реакционной диффузии. Такая граница разделяет два разных структурно-фазовых состояния внутри и вне фронта внутреннего окисления.
