Курс «Основы выбора и применения материалов для трубопроводной арматуры»

Процесс изучения курса направлен на формирование профессиональных компетенций по направлениям "Трубопроводная арматура", "Материалы для трубопроводной арматуры", "Системный инжиниринг трубопроводной арматуры" и др.

В результате освоения модуля Вы узнаете основные положения теории хладноломкости литых сталей, подробнее узнаете о применяемых сталях и сплавах для криогенной арматуры и разберетесь в вопросах инжиниринга литых сталей криогенного назначения. Вы также лучше будете понимать особенности применяемых методов испытаний при криогенных температурах, особенности чтения фрактографии поверхности разрушения и других современных способов анализа изломов и прогнозирования ресурса и надежности литых сталей при криогенных температурах.

Вы будете уметь осуществлять выбор и понимать особенности применения литых сталей при криогенных температурах и будете способны самостоятельно провести выбор сталей для конкретных условий по расчетным диаграммам.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Общая трудоемкость курса составляет более 180–220 часов. Вам потребуется найти время до 10–15 часов в неделю, чтобы успеть справиться со всеми материалами курса и получить максимальную пользу при выполнении практических заданий, ориентированных на вашу профессиональную деятельность.

1.2. Модуль 2. Теоретические основы хладостойкости и легирования литейных сталей криогенного назначения

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ МОДУЛЯ

Обзор теорий. Применимость теоретических положений к решению задачи повышения хладостойкости криогенных сталей. Теория Б. Б. Гуляева. Основные положения. Хладостойкость элементов. Хладостойкость бинарных сплавов. Диаграммы состояния и их анализ. Системы Fe-Mn сплавов. Системы Fe-Ni сплавов. Хладостойкость трехкомпонентных и сложных сплавов. Выбор основных элементов для легирования. Методы анализа свойств сплавов. Регрессионный анализ и планирование эксперимента. Топологический анализ. Нейронные сети. Использование при анализе методов фрактографии, стереологии, распознавания образов, полиэдров Воронова, расчета ямочного излома и пр.

В модуле 2 мы подробно рассмотрим основные факторы, определяющие работоспособность литых сталей при криогенных температурах.

К ним относятся:

1. Внешние факторы

2. Внутренние факторы

3. Технологические факторы.

Из внешних факторов большое влияние на работу литых сталей при криогенных температурах оказывают:

– характер и скорость приложения нагрузки

– концентраторы напряжений

– масштабный фактор

– циклические нагрузки

– среда.

Их влияние и особенно сочетание их в различной степени могут предопределять хрупкое разрушение изделий, при этом особенности собственно литой структуры оказывают сильное влияние на разрушение литых конструкций.

Мы также подробно рассмотрим влияние внутренних факторов. К ним относятся:

– температурный порог хладноломкости, характерный для стали

– тип кристаллической решетки

– величина зерна и особенно литого зерна (дендрита).

Для литых сталей особенно выражено и влияние технологических факторов, способных уже на этапе изготовления отливки получить набор дефектов, которые в дальнейшем станут источниками хрупкого разрушения.

Чаще всего разрушение конструкций происходит под действием не одного, а многих факторов из вышеуказанных. Каждый из них способствует охрупчиванию материала. Чувствительность материала к одному из факторов не находится в однозначной связи с чувствительностью к другому фактору. Поэтому испытания материала желательно проводить в условиях, как можно более близким к реальным условиям работы этого материала. Для литых изделий особое внимание надо обращать на такие факторы, как понижение температуры, наличие надрезов и трещин, размеры образцов и конструкций, т. к. именно они являются основными.

Хладноломкость литых сталей в значительной степени отличается от механизмов формирования хладноломкости деформированных сталей. Деформирование во многом исправляет и облагораживает грубую литую структуру. Чтобы понять механизмы хладноломкости литой стали необходимо применять те теоретические положения, которые в наибольшей степени описывают изменение механических свойств литых сталей с температурой. Такой теорией является теория синтеза литых сталей на основе физико-химического анализа диаграмм состояния профессора Б. Б. Гуляева. В дальнейшем при описании изменения свойств литых сталей с температурой и нахождении оптимальных составов сталей мы будем пользоваться именно ею.

В соответствии с теорией синтеза сплавов при разработке сталей и сплавов применительно к конкретной задаче необходимо:

выявить связь конкретного свойства с периодической системой Менделеева

рассмотреть связь свойств двухкомпонентных сплавов и далее многокомпонентных сплавов с рассматриваемым свойством

дать предварительные технико-экономические оценки на основе знания производственной и потребительской стоимости предполагаемых компонентов

построить математические модели сталей и сплавов на основе метода планирования эксперимента и провести оптимизацию.

Общая схема разработки литейных сталей показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема выбора состава литых сталей

Используя эту схему, мы попытаемся провести инжиниринг литой стали для криогенной арматуры. Для этого мы определим, является ли хладноломкость металлов коренным свойством металлов, и связана ли она с Периодической системой элементов Д. И. Менделеева. Далее это позволит нам определить возможности легирования элементов, составляющих основу сплавов с целью повышения хладостойкости и начать формировать комплексы легирующих элементов для управления свойствами сталей. Мы также рассмотрим возможные механизмы изменения свойств сталей под действием низких температур и попытаемся представить механизмы развития хладноломкости в связи с изменением электронного строения материалов. При этом мы сосредоточимся на металлах, которые чаще всего используются для легирования стали и сплавов на основе железа.

В нашем исследовании для дальнейшего инжиниринга литых криогенных сталей мы будем двигаться от макроуровней и до наиболее возможного при современном состоянии методов исследований микроуровня, продвигаясь все ниже и ниже по иерархии структур. В дальнейшем при инжиниринге сталей это поможет нам выявить ведущие уровни управления литой структурой для повышения сопротивления стали хрупкому разрушению при криогенных температурах.

1.3. Модуль 3. Практика исследования литейных сталей

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ МОДУЛЯ

Обзор решений по выбору литейных сталей для криогенных температур. Основные классы материалов. Их преимущества и недостатки.

Применяемые методы исследований.

Механические и технологические свойства литейных хромомарганцевых сталей.

Комплексное влияние легирующих элементов на механические и литейные свойства хромомарганцевых сталей при криогенных температурах.

Влияние литой структуры на свойства сталей при криогенных температурах. Фрактография разрушения литых сталей.

Оценка совокупного влияния структуры и легирующего комплекса на свойства литых хромомарганцевых сталей.

Модуль 3 является наиболее важным для практики исследования литых сталей на основе хромомарганцевого аустенита, как наиболее перспективной основы для литых сталей криогенного назначения. В модуле мы подробно рассмотрим особенности формирования свойств литых сталей и математические модели изменения свойств в зависимости от изменения характера легирования. Наше исследование мы сопроводим детальным исследованием особенностей литой структуры хромомарганцевых сталей с целью определения всех значимых элементов структуры сталей, способных оказывать серьезное влияние на хрупкость сталей при криогенных температурах.

ПРАКТИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ЛИТЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Сейчас мы в конспективной форме дадим основные положения работы, доказывающей перспективность хромомарганцевой системы легирования литых сталей для криогенных температур. Так, хромомарганцевая система легирования в литых сталях позволяет:

– обеспечить повышение хладостойкости за счет выбора рациональной системы легирования. В частности, для корпусов криогенной арматуры найдена оптимальная хромомарганцевая система легирования.

– предложить оптимальные решения для литейных хромомарганцевых сталей, сочетающих в себе высокую прочность при комнатной температуре и высокую вязкость при криогенной температурах.

– выявить свойства этих сталей, и найти области составов литого хромомарганцевого аустенита, имеющего повышенный комплекс механических и литейных свойств.