Перспективные материалы и технологии для повышения долговечности оборудования и конструкций нефтегазовой отрасли

 
 
 
О. Ю. Елагина 
 
 
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ 
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ  
ОБОРУДОВАНИЯ И КОНСТРУКЦИЙ  
НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
 
1 
 

УДК 622.276:621.785.5 
ББК 39.77+34.3 
Е47 
 
Рецензенты: 
заведующий лабораторией надежности и долговечности 
при термомеханических циклических воздействиях 
ИМАШ РАН д. т. н., проф. Г. В. Москвитин; 
профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений  
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина д. т. н., проф. Л. А. Ефименко 
 
 
Елагина, О. Ю. 
Е47  
Перспективные материалы и технологии для повышения долго- 
вечности оборудования и конструкций нефтегазовой отрасли : учебное 
пособие / О. Ю. Елагина. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 
240 с. : ил., табл. 
 
  
ISBN 978-5-9729-1112-7 
 
Рассмотрены вопросы формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов за счет легирования, применения технологий аморфизации, термомеханической обработки, получения монокристаллов и композиционных материалов. Приведены практические работы, направленные на закрепление знаний по применению различных подходов к решению задачи достижения заданного комплекса свойств деталей машин и оборудования и элементов конструкций.  
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Машиностроение». Может быть полезно 
аспирантам и инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами 
изготовления и реновации машин и оборудования.  
 
УДК  622.276:621.785.5 
ББК   39.77+34.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1112-7 
” Елагина О. Ю., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................  5 
 
ГЛАВА 1. ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ 
...........................................................  6 
1.1. Твердые растворы замещения 
.........................................................................  7 
1.2. Твердые растворы внедрения и фазы внедрения 
........................................  18 
1.3. Стали и сплавы с упрочнением на основе твердых фаз  
и интерметаллидов ................................................................................................  34 
1.4. Упрочнение поверхностных слоев методами 
химико-термической обработки ..........................................................................  46 
Практическая работа № 1 .....................................................................................  51 
Контрольные вопросы по главе 1 ........................................................................  59 
 
ГЛАВА 2. УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ 
ОБРАБОТКЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО 
ОХЛАЖДЕНИЯ 
......................................................................................................  60 
2.1. Физические основы получения аморфных твердых тел и стекол 
.............  66 
2.2. Способность различных материалов к аморфизации 
.................................  72 
2.3. Технологические методы получения аморфных материалов 
....................  77 
2.3.1. Получение аморфных материалов из расплавов ..................................  79 
2.4. Получение аморфных пленок путем осаждения из газовой фазы ............  84 
2.4.1. Методы термического испарения в вакууме 
.........................................  84 
2.4.2. Получение аморфных слоев методом катодного распыления ............  92 
2.5. Свойства аморфных материалов 
...................................................................  99 
2.5.1. Механические свойства аморфных металлов .....................................  100 
2.5.2. Коррозионная стойкость аморфных материалов 
................................  102 
Практическая работа № 2.1 ................................................................................  104 
Практическая работа № 2.2 ................................................................................  106 
Лабораторная работа 
...........................................................................................  109 
Контрольные вопросы по главе 2 ......................................................................  112 
 
 
3 
 

ГЛАВА 3. УПРОЧНЕНИЕ ПРИ ПРИЛОЖЕНИИ 
ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ  ............................................................... 113 
3.1. Движение дислокаций .................................................................................  119 
3.2. Образование и размножение дислокаций 
..................................................  122 
3.3. Взаимодействие дислокаций между собой 
................................................  128 
3.4. Типы дислокационных субструктур ..........................................................  132 
3.5. Упрочнение при деформации. Поверхностное пластическое 
деформирование ..................................................................................................  134 
3.6. Упрочнение при термомеханической обработке ......................................  145 
Практическая работа № 3.1 ................................................................................  151 
Практическая работа № 3.2 ................................................................................  153 
Контрольные вопросы по главе 3 ......................................................................  155 
 
ГЛАВА 4. МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ  .......................... 156 
4.1. Методы получения монокристаллов ..........................................................  163 
Лабораторная работа 
...........................................................................................  192 
Контрольные вопросы по главе 4 ......................................................................  194 
 
ГЛАВА 5. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ 
ДЛЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ ......................................................................................  195 
5.1. Классификация композиционных материалов 
..........................................  195 
5.2. Технологии изготовления композиционных материалов ........................  198 
Практическая работа № 5.1 ................................................................................  225 
Контрольные вопросы по главе 5 ......................................................................  228 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................  229 
 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Развитие современной техники в последние десятилетия связано с повышением эксплуатационных воздействий и необходимостью формирования различных комплексов специальных свойств. В практику применения все больше 
входят сплавы на основе цветных металлов, высоколегированные малоуглеродистые стали, композиционные и метастабильные материалы. Это требует от 
специалистов, работающих в области изготовления, эксплуатации и ремонта 
оборудования и конструкций, как нефтегазового, так и общего машиностроительного профиля, системного понимания основных закономерностей формирования комплекса свойств при применении различных технологических и металловедческих подходов. Уровень подготовки бакалавра, закончившего обучение по направлениям «Технологические машины и оборудование» или «Машиностроение», как правило, включает изучение таких дисциплин как «Технология конструкционных материалов», «Материаловедение» и ряда курсов специальных технологических дисциплин. В результате формируется набор знаний 
по применению различных материалов и технологических методов, обеспечивающих эксплуатационные свойства элементов машин, оборудования и конструкций для различных условий эксплуатации. Целью данного учебного пособия является систематизации и обобщение всего спектра существующих технологий упрочнения и повышения эксплуатационной долговечности конструкционных материалов. В представленном издании рассмотрены существующие и 
перспективные группы материалов и технологических методов их получения и 
обработки. Они разбиты на пять групп в зависимости от физических процессов, 
формирующих в изделии или в его поверхностном слое заданный комплекс механических и специальных характеристик. 
Представленный в учебном пособии материал базируется на знаниях, полученных при обучении в бакалавриате и предназначен для углубленного изучения физических процессов, протекающих в металле детали при реализации 
различных технологий упрочнения. При необходимости данное учебное пособие должно быть дополнено сведениями из литературных источников, специализированных на конкретных технологических процессах. Для получения практических навыков при изучении курса предусмотрены практические работы, 
порядок выполнения которых представлен в конце каждого раздела. 
Пособие рассчитано на магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Машиностроение», а также на аспирантов, обучающихся по УПГ «Машиностроение». 
  
5 
 

ГЛАВА 1. 
______________________________________________ 
ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ 
 
Изменение свойств железа за счет его легирования другими элементами 
является наиболее древним методом повышения эксплуатационных свойств. 
Основным результатом легирования, позволяющим целенаправленно изменять 
свойства железа, является формирование в сплавах на его основе различных 
фаз, отличающихся типом кристаллической решетки и комплексом эксплуатационных свойств. Подробный анализ систем легирования сталей и сплавов широко представлен в учебной литературе [2, 3, 4, 5] и рассматривался в курсах 
материаловедения, изучаемых в бакалавриате. В данном разделе основное внимание будет уделено изучению роли атомов легирующих элементов, выступающих в виде точечных дефектов в кристаллической решетке базового металла 
и участвующих в процессе его упрочнения.  
Минимальное количество дефектов кристаллического строения, которое существует в отожженном нелегированном металле составляет примерно 106 шт/см2. 
В процессе легирования при растворении в кристаллической решетке металла 
атомов других элементов происходит увеличение количества точечных дефектов 
до величин порядка 108–109 шт/см2. Это способствует изменению прочностных 
свойств исходного металла. У металла, сохранившего исходный тип кристаллической решетки, благодаря повышению концентрации точечных дефектов кристаллического строения, в большей или меньшей степени растет прочность. Если 
легирование изменило исходный тип кристаллической решетки металла на новый, то происходит скачкообразное изменение свойств металла. Это изменение 
определяется строением вновь образованной кристаллической решетки и способностью в значительно большем количестве растворять атомы легирующего элемента.  
Точечные дефекты – это дефекты, размер которых во всех направлениях 
не превосходит параметра кристаллической решетки металла. К ним относятся 
вакансии, внедренные и замещенные атомы. Эффект от наличия единичных 
точечных дефектов в кристаллической решетке металла весьма ограничен. Их 
способность – изменять свойства металла, определяется теми искажениями решетки, которые они вызывают. Эти искажения от единичного дефекта, как правило, сосредоточены в пределах нескольких ячеек кристаллической структуры 
и различаются в зависимости от его типа (рисунок 1.1).  
6 
 

 
Рисунок 1.1. Виды точечных дефектов: 
Ů – атом замещения; ż – вакансия; Ɣ – атом внедрения 
 
Формирование точечных дефектов внедрения и замещения в металлах 
связано с легированием и образованием твердых растворов разного типа. В зависимости от расположения атомов растворенного вещества в кристаллической 
решетке растворителя различаются три типа растворов – замещения, внедрения, вычитания. При этом следует учитывать, что бинарный твердый раствор, 
представляющий собой смесь атомов двух компонентов, может формироваться: 
- неупорядоченно с вероятностным распределением атомов растворяемого вещества в кристаллической решетке растворителя; 
- упорядоченно с созданием двух встроенных друг в друга кристаллических подрешеток, состоящих из атомов разного типа. 
Неупорядоченные твердые растворы образуются в пределах растворимости исходной кристаллической решетки металла – растворителя. При этом полученный сплав представляет собой гомогенную фазу, а соотношение количества атомов А и В может меняться произвольным образом в фиксированном 
диапазоне. Изменение свойств металла в этом случае напрямую зависит от количества инородных атомов, растворенных в кристаллической решетке растворителя. При формировании упорядоченного твердого раствора кристаллическая 
решетка приобретает новое строение, что определяет скачкообразное изменение свойств металла и значительное увеличение количества растворенных атомов. Диапазон существования упорядоченных твердых растворов ограничен 
строго определенным интервалом концентраций. 
 
1.1. Твердые растворы замещения 
 
В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента занимают 
узлы кристаллической решетки металла растворителя. Растворение чужеродных атомов приводит, естественно, к изменению размеров единичной ячейки 
7 
 

кристаллической решетки. При этом в диапазоне малых концентраций для 
сильно разбавленных растворов геометрические параметры решетки меняются 
по линейному закону (закон Вегарда), а в концентрированных по более сложному. 
Максимальная концентрация легирующего элемента в решетке растворителя зависит, в первую очередь, от соотношения диаметров атомов легирующего металла и металла-основы. Чем больше это соотношение отличается от единицы, тем ниже максимальная концентрация легирующего металла, растворяющегося в исходной кристаллической решетке металла-растворителя. Помимо 
размерного фактора на растворимость металла влияет их сравнительное энергетическое состояние, близость типов и параметров элементарных ячеек кристаллических решеток и другие факторы.  
В неупорядоченных твердых замещения вероятность размещения атомов 
легирующего элемента одинакова для всех узлов кристаллической решетки. 
Атомы легирующего элемента располагаются в узлах кристаллической решет- 
ки беспорядочно, что приводит к нарушению периодичности ее строения и к 
геометрическим искажениям из-за разницы в атомных радиусах компонентов. 
Схема деформации кубической кристаллической решетки при легировании по 
принципу твердых растворов замещения из-за смещения атомов из положений 
равновесия представлена на рисунке 1.2. 
 
 
Рисунок 1.2. Схема деформация кристаллической кубической решетки 
при легировании по принципу замещения 
 
В таблице 1.1 представлены данные об атомных радиусах различных легирующих элементов и характеристиках их растворимости в кристаллической 
решетке железа. 
 
8 
 

Таблица 1.1 
Характеристики твердых растворов замещения, 
формирующихся при легировании железа 
Параметр 
решетки, А 
Характер 
взаимодействия 
Легирующий 
элемент 
Тип 
кристаллической 
решетки 
Атомный 
радиус, нм 
(10-12 м) 
Fe 
ГЦК; 
ОЦК 
1,26 
Į – 2,866; 
Ȗ – 3,650 
- 
Со 
Į – гексагональная; 
ȕ – ГЦК 
1,2148 
Į – (2,501, 
4,066); 
ȕ – 3,548 
Неограниченные твердые растворы с Ȗ-Fe; 
ограниченные с Į-Fe 
Ni 
ГЦК 
1,245 
3,517 
Неограниченные твердые растворы с Ȗ-Fe; 
ограниченные с Į-Fe 
Al 
ГЦК 
1,431 
4,04014 
Ограниченные 
твердые растворы, 
интерметаллиды 
Cu 
ГЦК 
1,278 
3,6077 
Ограниченные 
твердые растворы 
Cr 
КР 
1,249 
2,885 
Ограниченные твер- 
дые растворы с Ȗ-Fe; 
неограниченные с Į-Fe, 
интерметаллиды 
Мо 
ОЦК 
1,360 
3,1466 
Ограниченные 
твердые растворы, 
интерметаллиды 
W 
ОЦК 
1,367 
3,1568 
Ограниченные 
твердые растворы, 
интерметаллиды 
Si 
алмаза 
1,175 
5,4198 
Ограниченные 
твердые растворы 
Mn 
Į, ȕ – кубическая; 
Ȗ – ГЦК; 
į – ОЦК 
1,120 
3,774; 
3,533; 
3,720 
Неограниченные твердые растворы с Ȗ-Fe; 
ограниченные с Į-Fe, 
интерметаллиды 
V 
ОЦК 
1,316 
3,0338 
Неограниченные твердые растворы с Ȗ-Fe; 
ограниченные с Į-Fe, 
интерметаллиды 
Ti 
Į – гексагональная; 
ȕ – ОЦК 
1,444 
Į – (2,9446, 
4,6694); 
ȕ – 3,3132 
Ограниченные 
твердые растворы, 
интерметаллиды 
9 
 

Окончание таблицы 1.1 
Параметр 
решетки, А 
Характер 
взаимодействия 
Легирующий 
элемент 
Тип 
кристаллической 
решетки 
Атомный 
радиус, нм 
(10-12 м) 
Nb 
ОЦК 
1,426 
3,2959 
Ограниченные 
твердые растворы, 
интерметаллиды 
Та 
ОЦК 
1,430 
3,2959 
Ограниченные 
твердые растворы, 
интерметаллиды 
Zr 
Į – гексагональная; 
ȕ – ОЦК 
1,585 
Į – (3,223, 
5,123); 
ȕ – 3,610 
Ограниченные 
твердые растворы, 
интерметаллиды 
 
Как видно из представленных данных, наиболее близкими к железу значениями размеров атома, параметрами и типом кристаллической решетки в 
диапазоне нормальных температур обладает Cr. Он формирует с железом твердые растворы замещения на базе ОЦК-решетки в широком диапазоне концентраций. Чем больше разница в размерах и кристаллическом строении между 
железом и легирующим элементом, тем меньше будет диапазон концентраций, 
определяющий существование неупорядоченного твердого раствора замещения 
с сохранением исходного типа кристаллической решетки железа. На рисунке 
1.3 представлены для сопоставления диаграммы состояния Fe-Cr и Fe-W, иллюстрирующие влияние этих факторов.  
Как видно на диаграмме Fe-Cr при температуре ниже 800 ƒС область 
неупорядоченных твердых растворов замещения на основе Į-Fe расположена на 
диапазоне концентраций 0–30 % Cr. Близость размеров атомов хрома и железа 
позволяет получать на всем указанном диапазоне концентраций неупорядоченный твердый раствор на основе ОЦК-решетки Į-Fe несмотря на то, что хром в 
отличие от железа имеет кубическую кристаллическую решетку. При превышении этой концентрации тип кристаллической решетки железа изменяется и 
наряду с неупорядоченным твердым раствором начинает формироваться новая 
ı-фаза на базе упорядоченного твердого раствора замещения.   
Вольфрам, также как и Fe имеет ОЦК-решетку, но со значительно большим параметром решетки, равным 3,15 А из-за большого размера атома вольфрама (1,367 А). Значительная разница в размерах атомов Fe и W ограничивает 
возможность формирования неупорядоченных твердых растворов замещения в 
диапазоне температур существования Į-Fe с максимальной концентрацией, не 
превышающей 8 . 
 
10