№ 4 (2017)

Объект исследования: статья посвящена вопросу создания экологически безопасной, технологически эффективной и экономически выгодной высокопроизводительной комплексной схемы по переработке свинецсодержащих промпродуктов и отходов, в частности, силикатного шлака (CШ), образующегося при плавке медеэлектролитного шлама, с получением товарных моноэлементных продуктов. Для анализа поведения поликомпонентного сплава в процессе переработки, предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов при вакуумной перегонке используют фазовые диаграммы температура-состав « Т-х » и давление-состав « Р-х ». Цель работы: расчет равновесных состояний «газ-жидкость» VLE ( vapor liquid equilibrium ), в том числе зависимости состава фаз от температуры ( Т - х ) и давления ( Р - х ) для Sb-Ag сплава при вакуумной перегонке на основе модели MIVM ( мolecular interaction volume model ), а также определение термодинамических параметров процесса. Используемые методы и подходы: расчет коэффициентов активности компонентов Sb-Ag сплава выполнен с помощью объемной модели молекулярного взаимодействия мolecular interaction volume model ( MIVM ). Новизна: расчет диаграмм VLE с использованием модели MIVM . Основные результаты: в интервале температур 823…1073 К рассчитаны давления насыщенного пара (Па) для Ag (0,0053…50,544) × 10-6 и Sb (3,954…273,664). Высокие значения р *Sb/ р *Ag = (74,488…0,514) × 107 и коэффициента разделения logβSb = 5,842…12,253 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда сурьма обогащается в газовой фазе (βSb > 1), а серебро - в жидкой. Мольная доля cеребра в газовой фазе у Ag = (0,00001…1296,8) × 10-8 увеличивается с ростом температуры 823-1073 К и мольной доли металла в сплаве х Ag = 0,1…0,9. С использованием модели MIVM рассчитаны коэффициенты активности сурьмы QUOTE = 0,060…0,945 и серебра gAg = 0,000377…0,974 для Sb-Ag сплава различного состава в исследованном температурном диапазоне. Для фазовых диаграмм VLE может быть использовано правило рычага (правило отрезков) для прогнозирования количества вещества, остатков и возгонов при заданной температуре. Для границы раздела фаз «жидкость-газ» Sb-Ag сплава определены значения избыточных энергии Гиббса, энтальпии и энтропии: = 1,9…6,9 кДж/моль; - = 2,03…8,77 кДж/моль; = 0,13…2,55 Дж/моль × К. Практическая значимость: фазовые диаграммы VLE сплавов обеспечивают необходимой информацией для проектирования технологических параметров промышленного производства вакуумной металлургии, а также для прогнозирования температуры и давления процесса с целью получении Ag- и Sb-содержащих продуктов заданного состава.

Введение. Перспективная сталь 10Х3Г3МФС (С = 0,1; Mn = 2,51; Cr = 2,75; Mo = 0,40; V = 0,12; Si = 1,25), разработанная для нефтедобывающего машиностроения, обладает хорошей технологичностью и прочностными характеристиками, однако уровень ударной вязкости после традиционных режимов термической обработки находится на достаточно низком уровне. Статья посвящена исследованию возможностей формирования метастабильных структурных состояний при межкритической закалке стали 10Х3Г3МФС для повышения уровня ударной вязкости при сохранении прочностных характеристик. Предметом исследования являются процессы структурообразования в исследуемой стали при нагреве в межкритический интервал температур с последующей закалкой. Целью данной работы служит изучение возможностей управления структурой и свойствами стали 10Х3Г3МФС с использованием изотермической аустенитизации в МКИТ с получением дисперсной структуры. Методы. При исследованиях использовали дилатометрический анализ с применением закалочного дилатометра Linseis R.I.T.A. L78, металлографический анализ с использованием светового инвертированного микроскопа OLYMPUS GX 51 и электронно-микроскопический с применнеием просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai 20 G2 TWIN. Испытания на одноосное растяжение проводили с использованием универсальной гидравлической системы для статических испытаний INSTRON-SATEC 300 LX, ударную вязкость определяли на маятниковом копре КМ-30 с последующим фрактографическим анализом на световом микроскопе Olympus SZX-16 и растровом электронном микроскопе Hitachi S-3400N. Результаты и обсуждения. По результатам исследования процесса непрерывного нагрева исследуемой стали построена термокинетическая диаграмма образования аустенита с обозначением критических точек АС1 и АС3. Установлено, что с увеличением скорости нагрева происходит снижение критической температуры АС1 и повышение АС3. Исследование процесса изотермической аустенитизации показало, что при температуре 710 °С образуется 27 % γ-фазы, при 750 °С - 59 % γ-фазы, при 800 °С - 76 % γ-фазы, а в процессе выдержки при 860 °С происходит полная аустенитизация с получением 100 % γ-фазы. Обнаружено, что при увеличении температуры изотермической выдержки доля атермического аустенита возрастает, а изотермического - снижается. Построена изотермическая диаграмма образования аустенита исходно закаленной стали 10Х3Г3МФС. Изучение процесса структурообразования стали 10Х3Г3МФС выявило, что в процессе аустенитизации при 715 °С развивается первая стадия образования аустенита по границам бывших аустенитных зерен и мартенситных пакетов. Увеличение температуры аустенитизации до 750 °С приводит к развитию второй стадии аустенитизации по границам мартенситных реек. При температуре 800 °С вторая стадия получает дальнейшее развитие, что после закалки приводит к формированию мартенситного каркаса по межреечным границам исходной α-фазы. Данные прослойки исходной α-фазы фрагментированы дислокационными границами и упрочнены небольшим количеством карбидных частиц. В мартенситном каркасе присутствуют тонкие прослойки остаточного аустенита. Встречаются свежезакаленные области полиэдрической формы, которые сформировались на границах зерен исходного аустенита или границах исходных пакетов. Увеличение температуры нагрева до 860 °С вызывает завершение процесса a→γ-превращения в процессе выдержки, что при охлаждении в результате закалки приводит к получению структуры пакетного мартенсита, в котором встречаются двойники. По результатам испытания характеристик прочности и пластичности установлено, что закалка из МКИТ начиная с температуры 800 °С приводит к небольшому снижению временного сопротивления (на 8 %), однако предел текучести практически не уменьшается. Относительное удлинение остается на уровне исходно закаленной стали, а относительное сужение заметно увеличивается (с 54 до 60 %). Существенно, более чем на 70 %, возрастает уровень ударной вязкости КСТ исследуемой стали (до 0,76 МДж/м2). По данным микрофрактографического анализа образцы после динамических испытаний разрушаются по вязкому механизму. Полученный режим термической обработки позволяет повысить уровень ударной вязкости исследуемой стали без потери в прочности изделий любых габаритных размеров для нефтедобывающего машиностроения.

Введение. Сварка оказывает большое влияние на работоспособность создаваемых конструкций, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур, вследствие снижения сопротивляемости зарождению и распространению трещин в зоне термического влияния и металла шва. Несмотря на существующее достаточно большое количество способов повышения надежности сварных соединений некоторые из них сейчас полностью исчерпали свои возможности, а другие не доведены до стадии широкого практического применения. Поэтому разработка необходимой специальной технологии сварки в условиях низких температур остается актуальной проблемой. Цель работы: изыскание путей повышения надежности сварных соединений металлоконструкций ответственного назначения при сварке в условиях низких температур. В работе исследованы сварные соединения стали 09Г2С, полученные сваркой на постоянном токе и в режиме импульсной низкочастотной модуляции тока в условиях положительных (+20 оС) и отрицательных (-45 оС) температур окружающего воздуха с применением трех новых марок сварочных электродов. Методами исследования являются механические испытания на статистическое растяжение и на ударный изгиб образцов сварных соединений, а также спектральный анализ химического состава и металлографические исследования металла шва. Результаты и обсуждение. Выявлено, что эксплуатационные показатели металлоконструкций зависят от выбора способа и температуры выполнения сварки, а также характеристик сварочного материала. Установлено, что для повышения значений ударной вязкости образцов, сваренных в условиях отрицательных температур методом адаптивной импульсно-дуговой сварки, требуется увеличение тепловложения, относительно погонной энергии, реализуемой в процессе сварки образцов при положительной температуре. Подтверждён эффект измельчения структуры металла шва при использовании адаптивной импульсно-дуговой сварки покрытыми электродами, в том числе и в условиях отрицательной температуры окружающего воздуха (вплоть до -45 °С). Представленные результаты подтверждают перспективность развиваемого подхода, направленного на получение новых классов материалов и изделий из них, предназначенных для работы в условиях Севера и Арктики.

Цель: изучение процессов формирования структуры в сваренных взрывом материалах с использованием подхода, основанного на совместном анализе результатов математического моделирования и структурных исследований. Методы: в качестве объекта исследований применялась низкоуглеродистая сталь 20, пластины которой соединялись взрывом. Полученный биметалл анализировался с методами оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Численное моделирование процесса высокоскоростного соударения стальных пластин проводилось в программном продукте Ansys Autodyn методом гидродинамики сглаженных частиц (Smooth Particle Hydrodynamics, SPH). Результаты и обсуждение. Свойства сваренных взрывом материалов в значительной мере определяются структурой тонких слоев, возникающих на межслойных границах при высокоскоростном соударении заготовок. В этих слоях материал претерпевает наиболее существенные структурные изменения. Основная часть свариваемых взрывом пластин деформируется незначительно и остается в слабонагретом состоянии. Высокие скорости деформационных процессов, развивающиеся на межслойных границах, приводят к существенной локализации и разогреву материала вблизи межслойной границы. Пластическая деформация при сварке взрывом происходят в условиях, близких к адиабатическим. Такие условия способствуют фазовым превращениям вблизи межслойной границы и даже локальному плавлению отдельных микрообъемов. В связи с высокой температуропроводностью металлов и значительным температурным градиентом дальнейший отвод тепла в слабодеформированные объемы пластин происходит с высокими скоростями (104…107 К/с). Это приводит к формированию вблизи межслойной границы метастабильных (в частности, мартенситных) структур. Структура материала, формирующаяся вблизи межслойных границ, является результатом конкуренции процессов деформационного упрочнения и термического разупрочнения свариваемых взрывом металлических заготовок. Показано, что метод гидродинамики сглаженных частиц адекватно воспроизводит явления волно- и струеобразования при сварке взрывом, а геометрические параметры волн, предсказываемых моделью, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Максимальные значения пластической деформации в узком слое вблизи межслойных границ могут превышать e = 6.