ppvariant_stati - Удмуртский научный центр УрО РАН

УДК 621.81-621.774.5. 536.7
ФАЗОВЫЙ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПОВЕРХНОСТИ ТОЛСТОСТЕННЫХ
ТРУБ ПОСЛЕ ИМПУЛЬСНОГО НАГРУЖЕНИЯ
ДЕМЕНТЬЕВ В.Б., МАХНЕВА Т.М., *ВОРОБЬЕВ В.Л., СТЕРХОВ М.Ю.
Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34
*Физико-технический институт УрО РАН, г. Ижевск, ул. Кирова, 132
__________________________________________________________________
АННОТАЦИЯ. Изложены результаты влияния импульсного нагружения на фазовый и элементный состав
рабочей поверхности толстостенных труб. Выявлено изменение фазового состава рабочей поверхности труб
из среднелегированной стали 3Х3М3Ф. Максимальная деградация поверхности обусловлена
формированием в структуре остаточного аустенита.
_____________________________________________________________________________________________
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: среднелегированные стали и сплавы, импульсные нагрузки, поверхность, аустенит,
мартенсит, рентгенофазовый анализ, ожэ-электронная и фотоэлектронная спектроскопия.
ВВЕДЕНИЕ
К факторам, совокупное действие которых вызывает эрозионное разрушение
рабочей поверхности толстостенных труб, относят: термоудар, высокую температуру и
давление газа, поверхностную деформационную волну, химическое воздействие. Одним из
факторов, ограничивающих диапазон эксплуатационных нагрузок на ответственных
деталях машин, является термоэрозионный износ. Анализ работ [1, 2] показал, что
наибольшей износостойкостью при воздействии высоких температур и давления обладают
тугоплавкие материалы. Поэтому для повышения эксплуатационной стойкости следует
отдавать предпочтение тугоплавким материалам. К таким материалам относятся молибден
и его сплавы, имеющие высокую температуру плавления, некоторые инструментальные
жаропрочные стали и термоэрозионностойкие покрытия.
Целью настоящей работы являлось сравнительное исследование фазового и
элементного состава рабочей поверхности толстостенных труб из среднелегированных
сталей и молибденового сплава после импульсного нагружения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом для исследования служили образцы, вырезанные из труб трех видов:
монометаллической из стали 3Х3М3Ф, биметаллической из сталей 38ХН3МФА и
4Х5МФСА, соединенных путем пайки с кадмием, и из молибденового сплава марки
ЦМ2А.
Фазовый состав поверхности определяли качественно на рентгеновском
дифрактометре D2 PHASER с геометрией Брегга-Брентано и линейным счетчиком
LYNXEYE. Съёмку образца производили в медном Кизлучении, анализ дифрактограмм
- с помощью программного модуля “DIFFRAC.EVA”, идентификацию фаз – с
использованием базы данных PDF-2/Release 2010 RDB международного центра по
дифракционным данным ICDD (The International Centre for Diffraction Data).
Элементный анализ материала производили качественно и количественно методом
ожэ-электронной спектроскопии (ОЭС) с помощью микрозонда Jamp-10s. Очистку
поверхности производили перед съемкой до глубины порядка 20 нм пучком ионов аргона
с энергией 3 кэВ. Ошибка относительного содержания химических элементов составляла
±1 ат.%. Фрактографию поверхности поперечного сечения биметалличесого соединения
получали в режиме РЭМ также на микрозонде Jamp-10s.
Изменение элементного и фазового состава исследовали на различных
информативных участках поперечного сечения и на рабочей поверхности труб.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование методом ожэ-электронной спектроскопии рабочей поверхности
монометаллического трубы из стали 3Х3М3Ф, подвергнутой импульсному нагружению,
показало, что основная доля относительного содержания элементов на поверхности
канала приходится на углерод С – 65 ат.% (табл. 1). Железо Fe обнаружено в количестве
23 ат.%, кислород О – 9 ат.% и в количестве 1.5 ат.% и 1 ат.% азот N и молибден Mo
соответственно. Высокое содержание углерода в поверхностных слоях вероятно,
обусловлено адсорбированием углерода, поскольку рабочая поверхность трубы
характеризуется высоким уровнем «развитости» микрорельефа, что способствует
накапливанию углерода до столь высоких значений. По мере удаления от поверхности
содержание углерода существенно уменьшается. Так на глубине ~2 мм его содержание
уменьшилось более, чем в 3 раза, и составило ~14 ат.% в то время, как содержание железа
изменилось с точностью до наоборот – увеличилось 3 раза: до 68 ат.% по сравнению с
23 ат.% на поверхности. Содержание азота N в пределах ошибки эксперимента
сохранилось неизменным, а содержание молибдена Mo возросло до ~4 ат.%. Кроме того, с
глубины ~0,5 мм проявились такие легирующие элементы, как хром Cr, никель Ni и медь
Cu, изменяясь в пределах 1 – 3 ат.% (табл. 1).
Таблица 1
Изменение относительного содержания химических элементов в зависимости
от расстояния от рабочей поверхности трубы из стали 3Х3М3Ф
h, мм
0
0,5
2
Fe, ат.%
23
61
68
С, ат.%
65
22
14
O, ат.%
9
9
8
Cr, ат.%
0
1
2
N, ат.%
1,5
1,5
2,5
Ni, ат.%
0
1,5
1
Cu, ат.%
0
2,2
0
Mo, ат.%
1
1,8
4,6
С учетом результатов элементного анализа была проведена идентификация
имеющихся на поверхности фаз. Наиболее характерные дифрактограммы, снятые с
образцов монометаллической трубы из стали 3Х3М3Ф, приведены на рис.1, из которых
видно, что основной металл состоит только лишь из двух фаз: -феррита и цементита.
Феррит (-Fe), имеющий решетку ОЦК, представлен плоскостями [110], [200], [211],
[220], [310], цементит (Fe3С)–отражением от плоскости [200] (рис. 1, диф.1).
2
V2C
в
г
А
-Fe[211]
-Fe[220]
д
д
-Fe[311]
ж
з
-Fe[310]
-Fe[400]
-Fe[200]
Cr7C3
в
б
-Fe[220]
1
-Fe[200]
Fe3С[200]
а
б
-Fe[200]
-Fe[110]
-Fe[111]
-Fe[110]
и
2
к л
3
1 – дифрактограмма с основного металла; 2 и 3 –дифрактограммы с рабочей поверхности;
А-выноска углов 2 =(4052), а, в, д, з, л – аустенит; б, г, ж, и, к –феррит
Рис. 1. Изменение фазового состава поверхности монометаллической трубы из стали 3Х3М3Ф
после импульсного нагружения
В дифрактограммах, снятых с рабочей поверхности трубы, кроме феррита и
цементита наблюдаются отражения от плоскостей [111], [200], [220], [311], [400]
аустенита (-Fe с гранецентрированной кубической решеткой). Наличие этой фазы
указывает на возможность кратковременной аустенитизации металла поверхности трубы в
момент воздействия импульсной нагрузки и изменения её свойств (рис. 1, диф. 2 и 3, а
также смотри выноску А). При этом наблюдаются также одиночные линии карбида
хрома Cr7C3 и карбида ванадия V2C. Нитридов в структуре не обнаружено. Молибден,
вероятнее всего, находится в твердом растворе.
На фотографии поверхности образца биметаллической трубы из сталей
38ХН3МФА (основной металл)+4Х5МФСА (напаянный металл) стрелками показаны
участки, в которых проводился анализ элементного состава (рис. 2, 3 и 4). Четко виден
шов от пайки (ПШ), ширина которого находится в пределах (1020) мкм – см. рис. 4.
В результате исследования (табл. 2) выявлено значительное перераспределение
элементов в приповерхностном слое размером до 100 мкм. Непосредственно на рабочей
поверхности трубы (участок 1 на рисунках 2 и 3) состав материала представляет собой: Fe
– 20 ат.%, С – 70 ат.%, О – 7 ат.% и Сr – 3 ат.%. Основная доля состава относительного
содержания элементов приходится на углерод С. Второй анализируемый участок,
расположенный относительно рабочей поверхности на глубине порядка 40 мкм (участок 2
на рис. 2 и 3), отличается уменьшением содержания углерода до 30 ат.% и увеличением
содержания железа Fe до 59 ат.%. Вблизи шва (участок 3) содержание углерода
уменьшилось до 15 ат.%, а содержание железа увеличилось до 68 ат.%. В шве также
зарегистрировано присутствие азота N=  2 ат.% и никеля Ni = 7 ат.%. В участках 4, 5 и 6
(рис. 2) существенного отличия в элементном составе не выявлено (табл. 2).
Таблица 2
Изменение относительного содержания химических элементов по глубине от рабочей поверхности
биметаллической трубы в атомных процентах (ат.%)
№ участка
Fe
С
О
N
Ni
Cr
1
20
70
7
0
0
3
2
59
30
9
0
0
2
3
68
15
8
2
7
0
4
74
11
10
2.5
2
0
5
71
13
11
2
3
0
6
70
14
10
1.8
4
0
1и2
3
4
5
6
Рис. 2. Поперечное сечение образца биметаллической трубы
1
2
3
Рис. 3. Поперечное сечение образца биметаллической трубы непосредственно вблизи
рабочей поверхности
3
Рис. 4. Место соединения сталей (ПШ) в образце из биметаллической трубы
Фазовый анализ образца биметаллического соединения представлен дифрактограммами сталей на рис. 5, на которых видно, что основная сталь 38ХН3МФА исследуемой
трубы состоит из отпущенного мартенсита С0,055Fe1,945, имеющего тетрагональную
решетку с параметрами а =285910-1нм и с=2,93710-1нм (рис. 5, диф. I, 2-6), карбидов
железа Fe3С – цементита (рис. 5, диф. I, 1). Дифрактограмма стали 4Х5МФСА, которая
служила рабочей поверхностью трубы, отличается от основного металла трубы
присутствием окислов хрома Cr5O12, Cr8O21 и кадмия СdO, представленных плоскостями
[210] и [301] на углах 2=82,15 и 98,45 соответственно, наличием слабых рефлексов от
нитрида ванадия VN и карбида молибдена Мо2С (на уровне шума). Кроме того, на малых
углах 2 = (1139) гр. (отражения от плоскостей [100], [200], [221]) идентифицируется
соединение, отвечающее формуле  Fe 0,946 Ni0,054 –unnamend mineral (рис. 1, диф. II,
выноска А и B). Безымянный минерал может быть оплавленным металлом,
переохлажденным до комнатных температур.
Исследование изменения состава рабочей поверхности и в непосредственной
близости (на глубине менее 5 мкм) к поверхности трубы из молибденового сплава ЦМ2А
выявило содержание железа до 34 и 52 ат.%, соответственно, а содержание молибдена на
этих участках составло ~8 и 12 ат.% (табл. 3). Однако на глубине ~1 мм от поверхности
наличие железа не обнаружено (табл. 3), а относительное содержание молибдена Mo
возрасло до 70.4 ат.%.
I – 38ХН3МФА, II – 4Х5МФСА;
2 - 6 –основные линии железа Fe (мартенсита); 1 и 1В – карбиды Fe4C, Fe7С3, Fe3C
Рис. 5. Фазовый состав образца биметаллической трубы
Достаточно много (до 39 ат.%) на рабочей поверхности выявлено содержание
углерода при этом, как видно на фрактографических снимках, поверхность имеет
развитый микрорельеф, наличие пор, микронеровностей, микротрещин (рис. 6 и 7), что
способствует адсорбированию и накапливанию углерода в исследуемых областях до столь
высоких значений (39, 20 и 18 ат.%) - табл. 3.
микропоры
Рис. 6. Фрактография рабочей поверхности трубы из сплава марки ЦМ2А
микропоры
микротрещины
а
б
Рис. 7. Фрактография поверхности скола образца из сплава ЦМ2А
со средней части трубы: а) скол вблизи рабочей поверхности, б) скол с середины образца
Фазовый состав рабочей поверхности трубы из молибденового сплава определяли в
средней и начальной части трубы на двух участках вдоль оси, а также в поперечном
сечении перпендикулярно оси. По результатам исследования в поперечном сечении
видно, что в дифрактограммах с образца из средней части наблюдаются основные линии
от -Мо (рис. 8, диф. II). Имеются окислы молибдена Mo9O26, Mo9O25, железа типа FeО
(Fe0,8,О) Fe3О4 (Fe3,71О4) на уровне шума, карбиды титана ТiC [111] и молибдена Mo2C
[030,120,112] (см. отражения на малых 2 диф. II, а,б,в,г и выноску А.).
Таблица 3
Результаты элементного состава толстостенной трубы из молибденового сплава ЦМ2А
Анализируемые участки
рабочая поверхность
на глубине менее 5 мкм от поверхности
на глубине ~1 мм от поверхности
Fe, ат.%
С, ат.%
О, ат.%
Мо, ат.%
N, ат.%
34
52
0
39
20
18
15
14
12
8
12
70.4
3
2
0
После импульсного нагружения на рабочей поверхности средней части трубы
окислов молибдена и железа не наблюдается, имеются линии средней интенсивности от
окислов титана, которые идентифицируются как Ti4O7, TiO, Ti3O5, TiO2 (рис. 8 диф. I,
выноски А и В). При сравнении дифрактограмм I и II следует, что поскольку
интенсивность основных линии от Мо снизилась почти на половину, следовательно,
количество Мо в поверхностном слое средней части трубы значительно меньше, а
анализируемая рабочая поверхность средней части состоит из ~50% Мо, а остальное окислы Ti.
В начальной части трубы картина формирования поверхности несколько другая
(рис. 9, диф. III). Толщина окисленного слоя выражена сильнее по сравнению со средней
частью, соотношение Мо и окислов (35/65) % изменилось в сторону увеличения
количества окислов. Соединение TiO превалирует над количеством других окислов
титана, окислов молибдена практически нет. Следует заметить, что частичная очистка
поверхности от окислов восстанавливает дифрактограмму исходного молибдена, но не
полностью (рис. 9, диф.VI).
Рис.8. Дифрактограммы: I –с поперечного сечения трубы, II – с рабочей поверхности средней
части трубы. A и B – выноски углов 2; (а )и (б) - Мо9O26 ; (в) – Мо2С; (г) - Fe3О4
И н т е н с и в н о с т ь, имп./сек
2
3
4
1
5
6
7
IV
2
3
4
VI
2
III
3
5
4
6
7
6
7
2Theta WL=1,54060
Рис.9. Дифрактограммы начальной части трубы из сплава ЦМ2А:
IV –с поперечного сечения, III – с рабочей поверхности; VI - с рабочей поверхности после
частичной очистки; 2 - 7 - Мо ;
– окислы титана
Таким образом, при импульсном нагружении самая сильная деградация рабочей
поверхности толстостенных труб происходит в монометаллической трубе из стали
3Х3М3Ф и сопровождается значительными изменениями в фазовом составе стали. По
мере удаления от поверхности соотношение феррита и аустенита изменяется в сторону
увеличения количества остаточного аустенита до величин (5060) %.
Работа выполнена при финансовой
фундаментальных исследований №12-M-12-2027.
поддержке
междисциплинарного
проекта
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виноградов В.С. Технологическая подготовка производства сварных конструкций в машиностроении.
М. : Машиностроение, 1981. 237 с.
2. Балдаев Л.Х. Реновация и упрочнение деталей машин методами газотермического напыления. М. : Издво КХТ, 2004. 159 с.
_____________________________________________________________________________________________
PHASE AND ELEMENTAL COMPOSITION OF THE SURFACE CHANNEL THICK-WALLED PIPES
AFTER IMPACT LOADING
Dementyev V.B., Makhneva T.M., Vorobyev B.L., Sterkhov M.Y
Institute of Mechanics, Ural Branch of RAS, Izhevsk, Russian
Physical-Technical Institute, Ural Branch of RAS, Izhevsk Russian
SUMMARY. The results of the effect of pulse loading on the phase and elemental composition of the surface of the
thick-walled pipes. The change of the phase composition of the working surface of the steel pipe srednelegirovannye
3H3M3F. Maximum degradation of the surface due to the formation in the structure of the residual austenite
KEYWORDS: srednelegirovannye steel and alloys, pulsed load surface, austenite, martensite, X-ray diffraction,
Auger-electron and photoelectron spectroscopy.
_____________________________________________________________________________________________
Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, заместитель директора по науке ИМ УрО РАН,
тел. (3412)20-29-25, e-mail: demen@udman.ru
Махнева Татьяна Михайловна, кандидат технических наук, ведущий научн. сотрудник ИМ УрО РАН,
тел. (3412)20-34-66, e-mail: mah@udman.ru
Воробьёв Василий Леонидович, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории электронной
структуры поверхности ФТИ УрО РАН, тел. (3412)43-06-75, e-mail: Vasily_L.84@mail.ru
Стерхов Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
e-mail: mister@udman.ru