Помощь студентам в учебе
Исследование влияния водорода и термического воздействия на структурно-фазовое состояние и механические свойства титанового сплава
|
Введение 11
Глава 1. Литературный обзор 13
1.1. Аддитивное производство. Метод электронно-лучевого сплавления (ЭЛС) 13
1.2. Перспективы получения и эксплуатация сплава Ti-6Al-4V, полученного
методами АТ 15
1.3. Влияние водородного воздействия на структуру и механические свойства
двухфазного Ti-6Al-4V 18
1.4. Модификация поверхности сплава Ti-6Al-4V с целью улучшения
устойчивости к водородному воздействию 24
1.5. Управление механизмами изменения микроструктуры сплава Ti-6Al-4V
путем термоводородной обработки 29
Вывод по главе 31
Глава 2. Материал и методы исследования 32
2.1. Исследуемый материал 32
2.2. Подготовка образцов: шлифование, электрохимическая полировка 32
2.4. Исследование структуры сплава Ti-6Al-4V методом рентгеновской
дифракции 33
2.5. Измерение микротвердости методом Виккерса 33
2.6. Испытания на одноосное растяжение 34
2.7. Насыщение водородом 35
2.8. Измерение концентрации водорода 36
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 51
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 52
4.2 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научного исследования с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 53
4.3 Планирование научно-технического исследования 58
4.4 Бюджет научного исследования 65
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 65
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 70
Выводы по главе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» 72
Глава 5. Социальная ответственность 76
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 76
5.2 Производственная безопасность 77
5.3 Экологическая безопасность 86
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 87
Выводы по главе «Социальная ответственность» 89
Заключение 90
Список литературы 93
Приложение А 99
1.1. Prospects for the production and operation of the Ti-6Al-4V alloy obtained by
AT methods 100
1.2. Influence of hydrogen action on the structure and mechanical properties of
two-phase Ti-6Al-4V 102
1.4. Controlling the Mechanisms of Changing the Microstructure of the Ti-6Al-4V
Alloy by Thermal Hydrogen Treatment 113
Conclusion of the chapter 114
Глава 1. Литературный обзор 13
1.1. Аддитивное производство. Метод электронно-лучевого сплавления (ЭЛС) 13
1.2. Перспективы получения и эксплуатация сплава Ti-6Al-4V, полученного
методами АТ 15
1.3. Влияние водородного воздействия на структуру и механические свойства
двухфазного Ti-6Al-4V 18
1.4. Модификация поверхности сплава Ti-6Al-4V с целью улучшения
устойчивости к водородному воздействию 24
1.5. Управление механизмами изменения микроструктуры сплава Ti-6Al-4V
путем термоводородной обработки 29
Вывод по главе 31
Глава 2. Материал и методы исследования 32
2.1. Исследуемый материал 32
2.2. Подготовка образцов: шлифование, электрохимическая полировка 32
2.4. Исследование структуры сплава Ti-6Al-4V методом рентгеновской
дифракции 33
2.5. Измерение микротвердости методом Виккерса 33
2.6. Испытания на одноосное растяжение 34
2.7. Насыщение водородом 35
2.8. Измерение концентрации водорода 36
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 51
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 52
4.2 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научного исследования с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 53
4.3 Планирование научно-технического исследования 58
4.4 Бюджет научного исследования 65
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 65
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 70
Выводы по главе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» 72
Глава 5. Социальная ответственность 76
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 76
5.2 Производственная безопасность 77
5.3 Экологическая безопасность 86
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 87
Выводы по главе «Социальная ответственность» 89
Заключение 90
Список литературы 93
Приложение А 99
1.1. Prospects for the production and operation of the Ti-6Al-4V alloy obtained by
AT methods 100
1.2. Influence of hydrogen action on the structure and mechanical properties of
two-phase Ti-6Al-4V 102
1.4. Controlling the Mechanisms of Changing the Microstructure of the Ti-6Al-4V
Alloy by Thermal Hydrogen Treatment 113
Conclusion of the chapter 114
Сплавы на основе титана являются распространенным и востребованным материалом во многих сферах науки и производства, в качестве основных областей применения принято выделять медицину, атомную энергетику, авиа- и машиностроение. Одним из самых распространенных в использовании представителей данного класса сплавов является двухфазный сплав Т1-6Л1-4У, получивший широкое применение за счет компромиссного сочетания прочностных и пластических характеристик, а также высокой коррозионной стойкости. Вместе с развитием технологий возникает и потребность получения и использования титановых сплавов для изготовления изделий более сложной формы, лучшими прочностными и пластическими характеристиками, а также в некоторых случаях, характеризующихся наличием градиентной структуры [1-3].
В связи с необходимостью производства сплавов на основе титана, промышленность по изготовлению данных материалов начала стремительно набирать обороты, начали появляться новые методы производства сложных конструкционных материалов. Аддитивное производство (АП) - один из таких методов. Под АП принято понимать процесс изготовления деталей путем послойного соединения различных материалов без изменения его геометрии. Кроме того, АП предоставляет возможность изготовления деталей различного размера с высокой точностью, сложной внутренней структурой и сложной внешней формой [4].
Как и любые конструкционные материалы, титановые сплавы в процессе эксплуатации подвергается пагубному воздействию агрессивных сред. В данной работе будут рассмотрены особенности воздействия водорода на выше представленный класс сплавов. На свойства титановых сплавов существенное влияние оказывают процессы поглощения, накопления и распределения водорода, которые в свою очередь зависят от микроструктуры материала, наличия дефектов, элементного и фазового состава [5].
Внедрение в производство изделий из титана более сложной формы с новыми свойствами приводит к необходимости исследований процессов взаимодействия водорода со сплавами, изготовленными в том числе и с помощью аддитивных технологий. В частности, одним из таких перспективных направлений является испытание аддитивно изготовленных сплавов при повышенных температурах, которые уже подвергались или будут в дальнейшем подвержены водородному воздействию. Кроме того, актуальным направлением является исследование особенностей и выявление закономерностей влияния термоводородной обработки на структурно-фазовый состав и механические свойства титановых сплавов, полученных методами АП. В таком случае стоит отметить и высокую актуальность проведения выше представленных исследований одного из самых распространенных в использовании представителей класса титановых сплавов - двухфазного сплава Ti-6Al-4V.
Целью данной работы являлось изучение закономерностей влияния дополнительной термической и водородной обработки двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом электронно-лучевого сплавления (ЭЛС), на его структурно-фазовое состояние и механическое свойства. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Насыщение водородом образцов исследуемого материала до различных концентраций (0,1 и 0,2 масс. %);
2. Исследование структурно-фазового состояния методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа;
3. Измерение микротвердости образца из сплава Ti-6Al-4V методом Виккерса.
4. Исследование механических свойств образца из сплава Ti-6Al-4V методом одноосного растяжения.
В связи с необходимостью производства сплавов на основе титана, промышленность по изготовлению данных материалов начала стремительно набирать обороты, начали появляться новые методы производства сложных конструкционных материалов. Аддитивное производство (АП) - один из таких методов. Под АП принято понимать процесс изготовления деталей путем послойного соединения различных материалов без изменения его геометрии. Кроме того, АП предоставляет возможность изготовления деталей различного размера с высокой точностью, сложной внутренней структурой и сложной внешней формой [4].
Как и любые конструкционные материалы, титановые сплавы в процессе эксплуатации подвергается пагубному воздействию агрессивных сред. В данной работе будут рассмотрены особенности воздействия водорода на выше представленный класс сплавов. На свойства титановых сплавов существенное влияние оказывают процессы поглощения, накопления и распределения водорода, которые в свою очередь зависят от микроструктуры материала, наличия дефектов, элементного и фазового состава [5].
Внедрение в производство изделий из титана более сложной формы с новыми свойствами приводит к необходимости исследований процессов взаимодействия водорода со сплавами, изготовленными в том числе и с помощью аддитивных технологий. В частности, одним из таких перспективных направлений является испытание аддитивно изготовленных сплавов при повышенных температурах, которые уже подвергались или будут в дальнейшем подвержены водородному воздействию. Кроме того, актуальным направлением является исследование особенностей и выявление закономерностей влияния термоводородной обработки на структурно-фазовый состав и механические свойства титановых сплавов, полученных методами АП. В таком случае стоит отметить и высокую актуальность проведения выше представленных исследований одного из самых распространенных в использовании представителей класса титановых сплавов - двухфазного сплава Ti-6Al-4V.
Целью данной работы являлось изучение закономерностей влияния дополнительной термической и водородной обработки двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом электронно-лучевого сплавления (ЭЛС), на его структурно-фазовое состояние и механическое свойства. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Насыщение водородом образцов исследуемого материала до различных концентраций (0,1 и 0,2 масс. %);
2. Исследование структурно-фазового состояния методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа;
3. Измерение микротвердости образца из сплава Ti-6Al-4V методом Виккерса.
4. Исследование механических свойств образца из сплава Ti-6Al-4V методом одноосного растяжения.
В результате изучения закономерностей влияния дополнительной термической и водородной обработки двухфазного титаного сплава Ti-6Al- 4V, полученного методом электронно-лучевого сплавления (ЭЛС), на его структурно фазовое состояние и механическое свойства были сделаны следующие выводы:
Водород в сплаве с содержанием водорода 0,1 масс. % присутствует в твердом растворе в 0 фазе. Об этом свидетельствует сдвиг рефлексов 0 фазы в сторону меньших углов по сравнению с ненаводороженным сплавом. Сплав Ti-6Al-4V содержит некоторое количество гидридной фазы. При этом часть водорода находится в твердом растворе в фазе Ti-0, что подтверждается изменением параметров решетки.
Кроме того, с увеличением температуры от комнатной до 450°C при испытании на одноосное растяжение исходных образцов и образцов с 0,1 масс. % Н наблюдается сначала увеличение значения однородной деформации в 1,85 и 4,43 раза, соответственно с последующим падением в 1,3 раза для обоих показателей с повышением температуры до 600°C. Что касается значений удлинения до разрушения, то данные параметры увеличиваются при повышении температуры с комнатной до 600°C в 7,19 и 5,36 раз, соответственно.
Однако, для образцов с 0,2 масс. % Н наблюдается иная динамика изменения данных параметров по сравнению с выше представленными. Образцы с содержанием 0,2 масс. % Н обладают изначально более высокими показателями параметра однородной деформации по сравнению с исходным и образцом с 0,1 масс.% в 2,48 и 6,33 раза, соответственно. Кроме того, не наблюдается значительного роста удлинения до разрушения с ростом температуры от 450°C до 600°C по сравнению с исходными образцом и образцом с 0,1 масс. % Н: для них рост составил 1,6 и 1,92, соответственно. В то время как для образца с содержанием водорода 0,2 масс. % показатель удлинения до разрушения возрос лишь в 1,1 раз или всего на 10%.
Такие различия в закономерностях механических свойств для образца с содержанием 0,2 масс. % водорода связано с тем, что при температуре 600°C большая часть гидридов не успевает раствориться в твердом растворе, но уже выходит из материала, что в свою очередь пагубно влияет на пластические характеристики сплава. Исходя из анализа литературы было определено, что при температуре 450°C гидриды уже растворяются в твердом растворе сплава, что и приводит к пластификации материала при данной температуре без выхода водорода из объема материала.
В ходе выполнения раздела «Финансовый менеджмент» был проведен анализ конкурентоспособности изучения закономерностей влияния дополнительной термической и водородной обработки двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом электронно-лучевого сплавления (ЭЛС), на его структурно фазовое состояние и механическое свойства. Проведённый SWOT-анализ проекта, раскрыл сильные и слабые стороны, выявил риски, а также определил возможности для улучшения. Установлено, что в календарных днях длительность работ для научного руководителя составило 72.8 дней, для сотрудника-техника 10.8, а для инженера 33.2 дней. На основе временных показателей по каждой из произведенных работ был построен календарный план-график Ганта, по которому можно увидеть, что самая продолжительная по времени работа - подбор и изучение материалов. Бюджет затрат научно-технического исследования составил 186731 рубль. Наибольшая статья расходов приходится на Затраты по основной заработной плате исполнителей темы (56.14%). На втором месте затраты на Отчисления во внебюджетные фонды (19.03%). Определены показатели ресурсоэффективности, интегральный финансовый показатель, интегральный показатель эффективности и сравнительная эффективность вариантов исполнения, значения которых свидетельствуют о достаточно высокой эффективности реализации технического проекта.
В ходе выполнения раздела проведен расчет системы общего равномерного искусственного освещения для лаборатории. Рассмотрены чрезвычайные ситуации, и меры ликвидации их последствий. Мероприятия по предупреждению негативного воздействия вредных и опасных факторов на сотрудников, их соответствие нормативным требованиям описаны в соответствующих разделах главы. Научная лаборатория на кафедре ОЭФ отнесена к классу В по пожароопасности и к 1 категории по электробезопасности.
Водород в сплаве с содержанием водорода 0,1 масс. % присутствует в твердом растворе в 0 фазе. Об этом свидетельствует сдвиг рефлексов 0 фазы в сторону меньших углов по сравнению с ненаводороженным сплавом. Сплав Ti-6Al-4V содержит некоторое количество гидридной фазы. При этом часть водорода находится в твердом растворе в фазе Ti-0, что подтверждается изменением параметров решетки.
Кроме того, с увеличением температуры от комнатной до 450°C при испытании на одноосное растяжение исходных образцов и образцов с 0,1 масс. % Н наблюдается сначала увеличение значения однородной деформации в 1,85 и 4,43 раза, соответственно с последующим падением в 1,3 раза для обоих показателей с повышением температуры до 600°C. Что касается значений удлинения до разрушения, то данные параметры увеличиваются при повышении температуры с комнатной до 600°C в 7,19 и 5,36 раз, соответственно.
Однако, для образцов с 0,2 масс. % Н наблюдается иная динамика изменения данных параметров по сравнению с выше представленными. Образцы с содержанием 0,2 масс. % Н обладают изначально более высокими показателями параметра однородной деформации по сравнению с исходным и образцом с 0,1 масс.% в 2,48 и 6,33 раза, соответственно. Кроме того, не наблюдается значительного роста удлинения до разрушения с ростом температуры от 450°C до 600°C по сравнению с исходными образцом и образцом с 0,1 масс. % Н: для них рост составил 1,6 и 1,92, соответственно. В то время как для образца с содержанием водорода 0,2 масс. % показатель удлинения до разрушения возрос лишь в 1,1 раз или всего на 10%.
Такие различия в закономерностях механических свойств для образца с содержанием 0,2 масс. % водорода связано с тем, что при температуре 600°C большая часть гидридов не успевает раствориться в твердом растворе, но уже выходит из материала, что в свою очередь пагубно влияет на пластические характеристики сплава. Исходя из анализа литературы было определено, что при температуре 450°C гидриды уже растворяются в твердом растворе сплава, что и приводит к пластификации материала при данной температуре без выхода водорода из объема материала.
В ходе выполнения раздела «Финансовый менеджмент» был проведен анализ конкурентоспособности изучения закономерностей влияния дополнительной термической и водородной обработки двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом электронно-лучевого сплавления (ЭЛС), на его структурно фазовое состояние и механическое свойства. Проведённый SWOT-анализ проекта, раскрыл сильные и слабые стороны, выявил риски, а также определил возможности для улучшения. Установлено, что в календарных днях длительность работ для научного руководителя составило 72.8 дней, для сотрудника-техника 10.8, а для инженера 33.2 дней. На основе временных показателей по каждой из произведенных работ был построен календарный план-график Ганта, по которому можно увидеть, что самая продолжительная по времени работа - подбор и изучение материалов. Бюджет затрат научно-технического исследования составил 186731 рубль. Наибольшая статья расходов приходится на Затраты по основной заработной плате исполнителей темы (56.14%). На втором месте затраты на Отчисления во внебюджетные фонды (19.03%). Определены показатели ресурсоэффективности, интегральный финансовый показатель, интегральный показатель эффективности и сравнительная эффективность вариантов исполнения, значения которых свидетельствуют о достаточно высокой эффективности реализации технического проекта.
В ходе выполнения раздела проведен расчет системы общего равномерного искусственного освещения для лаборатории. Рассмотрены чрезвычайные ситуации, и меры ликвидации их последствий. Мероприятия по предупреждению негативного воздействия вредных и опасных факторов на сотрудников, их соответствие нормативным требованиям описаны в соответствующих разделах главы. Научная лаборатория на кафедре ОЭФ отнесена к классу В по пожароопасности и к 1 категории по электробезопасности.