Калин Методические рекомендации к выполнению курсового проекта по учебной дисциплине Физическое материаловедение 2009

2. Для уточнения механизма деформирования определить отношение заданного напряжения σрТр к модулю Юнга и по соответствующей деформационной карте (например, в книге Й. Чадека «Ползучесть металлических материалов», М.: Мир, 1987, с. 201−204) определить вид деформаций данного материала и наиболее вероятный механизм ползучести для соответствующего отно-

шения Тр/Тпл. Затем сравнить заданное напряжение σрТр с σT0,p2 ос-

новы и принять решение о необходимости упрочнения основы. Учесть запасы прочности и длительной прочности, приняв nв = 2,5; n0,2 = 1,5; nдл = 1,2 и nп = 2,0. Наметить (описать) основные пути упрочнения.

3.Рассчитать флюенс нейтронов, умножив флакс на время работы конструктивного элемента. Время работы согласовать с преподавателем. Учитывая флюенс и рабочую температуру, определить основные наиболее вероятные виды радиационного повреждения материала из всех возможных, т.е. радиационное упрочнение, радиационное охрупчивание, радиационная ползучесть, радиационное распухание, радиационный рост. В необходимых случаях оценить степень изменения изотопного состава и величину наведенной активности материала за время облучения сплава.

4.Провести анализ (в том числе и термодинамический) взаимодействия основы с заданной средой при рабочих температуре, напряжении и флюенсе. Выявить основные механизмы и виды коррозии, оценить степень возможного коррозионного повреждения основы сплава за время эксплуатации. В качестве «среды» рассмотреть: теплоноситель, ядерное топливо (при необходимости), продукты деления ядерного топлива (иод, цезий, теллур и др.), сопутствующие или остаточные газы (водород, азот, кислород), контактирующие материалы.

5.Дать характеристику требуемого материала с учетом проведенного анализа исходных данных. Для этого использовать нужные характеристики из нижеперечисленных:

•прочность или жаропрочность;

•жаростойкость или коррозионная стойкость в среде;

•радиационная стойкость (конкретного вида);

•технологичность (свариваемость, обработка давлением или резанием, литейные свойства и др.);

10

•стоимость материала;

•наличие той или иной физической особенности материала (сечение захвата нейтронов, эмиссия электронов, критическая температура, особые магнитные или электрические свойства).

Требования к свойствам разрабатываемого материала

Необходимо для каждой указанной выше характеристики материала выбрать совокупность физических, механических, физикохимических и технико-экономических свойств, предъявляемых к разрабатываемому сплаву. Конкретизировать величину свойства, имея в виду, что свойства сплава должны быть, как правило, не хуже свойств основы. Схема формулирования требований к свойствам представлена в табл. 1.

Следует иметь в виду, что механические свойства являются структурно-чувствительными и, следовательно, уровень механических свойств разрабатываемого сплава будет существенно зависеть от структуры (размера зерна, наличия частиц второй фазы, плотности дислокаций и других дефектов, морфологии фаз, т.е. формы, размера, характера распределения и объемной доли фаз).

Важно знать, что коррозионная стойкость сплавов определяется физико-химическими свойствами и структурно-фазовым состоянием разрабатываемого сплава, физико-химическим взаимодействием компонентов сплава и среды, напряженным состоянием. Большую роль играет химический состав, диффузионная подвижность элементов в сплаве. Радиационная стойкость материалов зависит от структуры и состава сплава, диффузионной подвижности атомов и дефектов, а в ряде случаев и от исходных свойств облучаемого сплава. Например, радиационное упрочнение определяется составом и структурой материала и, следовательно, уровнем механических свойств (например σ0,2 ). Радиационное охрупчивание (низко-

температурное и высокотемпературное) определяется элементным составом (наличием примесей), структурой, накоплением новых элементов за счет ядерных реакций, а также радиационноиндуцированными и радиационно-ускоренными процессами, приводящими к фазовым изменениям. В этом случае важное значение имеют исходная пластичность материала (относительное удлинение), диффузионная подвижность атомов. Радиационное распухание определяется типом кристаллической решетки материала, элементным и фазовым составом, напряженным состоянием, диффу-

13

зионной подвижностью дефектов. Радиационный рост зависит от кристаллической структуры, химического состава, наличия текстуры и анизотропии дефектов (дислокаций) кристаллической решетки. Радиационная ползучесть определяется структурно-фазовым состоянием и, следовательно, механическими свойствами материала в исходном состоянии (до облучения).

Исследование заданного механизма эволюции структурно-фазового состояния материала

Индивидуальные задания по этому разделу представлены в Приложении. Каждому студенту необходимо на примере основы сплава провести анализ возможных структурно-фазовых состояний (СФС), формируемых при легировании, и механизмов эволюции СФС, используя накопленные знания, рекомендованную литературу и последние публикации из научной периодики. Структура этого раздела может иметь следующую схему: изложить физическую суть явления с позиций физики твердого тела и материаловедения; описать особенности проявления «механизма эволюции» в заданной основе материала, отметить закономерности эволюции в заданных рабочих условиях, используя таблицы, графики или рисунки; показать зависимость «механизма эволюции» от внешних и внутренних факторов; наметить основные пути воздействия на «механизм эволюции» с целью улучшения свойств материала или управления этим воздействием. Этот анализ с учетом возможного легирования основы является первым шагом по выбору легирующих элементов.

Выбор легирующего комплекса (состава) для создания материала

Совокупность легирующих элементов, позволяющих улучшить основу сплава (материала) с точки зрения стабильности СФС в заданных условиях, представляет собой легирующий комплекс. Приступая к изложению этого раздела необходимо наметить основные цели легирования, т.е. определить круг задач, решаемых легированием. Например, для сплава, работающего при высоких температурах (Т > 0,3Тпл), важными являются повышение температуры рекристаллизации основы, увеличение предела длительной прочности

14

(предела ползучести), пределов прочности и текучести при сохранении пластичности на определенном уровне. Для сплава, работающего в реакторе на тепловых нейтронах, важно сохранить минимальное сечение захвата нейтронов, а в некоторых случаях свести к минимуму наведенную радиоактивность сплава.

Выбор легирующих элементов необходимо проводить с учетом ряда принципов:

•сплав (материал) должен удовлетворять требуемым свойствам, соответствовать указанной выше характеристике (см. раздел «Анализ исходных данных и характеристика требуемого материала», табл. 1);

•свойства материала (особенно механические) зависят от элементного и фазового составов и структуры;

•структура и фазовый состав формируются как в процессе получения материала, так и, что особенно важно, при последующей термомеханической обработке, и изменяются в процессе эксплуатации;

•необходимо учитывать достижения физики твердого тела и физико-химического анализа в разработке материалов.

Выбор легирующих элементов рекомендуется провести в следующей последовательности.

1. Изучить диаграммы состояния основы с другими химическими элементами периодической системы элементов Д.И. Менделеева, выделив реально доступные и недорогостоящие элементы. При этом обратить внимание на растворимость легирующих элементов

α и на коэффициент распределения легирующего элемента ω в основе, на наличие промежуточных фаз в диаграммах состояния, оценить возможность последующей термообработки сплава (материала). Провести классификацию элементов на основные и вспомогательные, определить вредные элементы для выбранной основы.

2.Изучить связь важнейших физических и, особенно, механических свойств с диаграммой состояния, т.е. с составом сплава, выбрать оптимальные количества легирующих элементов. На этом этапе можно обосновать количество той или иной легирующей добавки, при этом необходимо стремиться к снижению стоимости легирующего комплекса.

3.Провести анализ температурной зависимости важнейших физических и механических свойств будущего сплава, обратив вни-

15

мание на удовлетворение этих свойств требуемым в задании. Привести графики (рисунки) или таблицы зависимости свойств от температуры (вблизи рабочей температуры).

4.Оценить уровень изменения ядерно-физических свойств основы в результате легирования. Чрезмерное увеличение сечения поглощения нейтронов, уровня наведенной активности должно быть обсуждено и обосновано.

5.Провести анализ совместного влияния на свойства сплава всех легирующих элементов в комплексе, уточнить количество каждого элемента в сплаве. При этом обратить внимание на взаимную растворимость легирующих элементов.

6.Уточнить, в какой степени выбранный комплекс отвечает требованиям раздела «Содержание проекта» по воздействию на механизм эволюции СФС материала.

7.Сделать заключение о составе выбранного сплава (материа-

ла).

Обеспечение стабильности СФС в эксплуатационных условиях

В этом разделе основное внимание должно быть уделено термомеханической обработке сплава (материала) для формирования СФС, устойчивого в условиях облучения, воздействия агрессивной среды, механических нагрузок и температуры. Рекомендуется рассмотреть следующие вопросы.

1.Определить возможные виды термической и механической обработок и описать структуру и фазовый состав сплава (материала), формируемые при этих обработках.

2.Продемонстрировать эволюцию сформированной структуры в результате одновременного воздействия нейтронного потока и рабочей среды при рабочих температурах и нагрузках. Важно на этом этапе провести анализ возможных механизмов радиационного и коррозионного нарушения СФС и наметить меры по торможению действия этих механизмов.

3.Внести коррективы в выбранный легирующий комплекс, обосновав необходимые изменения ссылками на графики (рисунки)

итаблицы. В определенных случаях эффективным методом повышения коррозионной стойкости может оказаться использование

16

защитных покрытий, модифицирование поверхностного слоя, например, лазерным или ионным облучением.

Технология изготовления заданного конструктивного элемента

В этом разделе курсового проекта необходимо описать технологическую схему изготовления заданного конструктивного элемента. Необходимо рассмотреть следующее.

•Эскиз конструктивного элемента с указанием основных деталей, требующих отдельного технологического приема изготовления.

•Технологичность заготовок каждой из деталей конструктивного элемента с указанием метода или способа изготовления заготовок, включая соответствующие технологические операции: литье, горячее пластическое деформирование, объемную штамповку, холодную высадку, прессование и т.д. Рассмотреть доводку заготовок механической, электрофизической, электрохимической и другими видами обработок.

•Технологию сборки деталей в конструкцию, включая сварку, пайку, клепку и другие приемы.

•Окончательную термическую, физическую или физикохимическую обработки конструктивного элемента, включая заключительные операции: травление, полировку, анодирование и т.д.

•Контроль качества изготовления изделия на каждом этапе тем или иным способом неразрушающего контроля целостности, герметичности, заданного размера.

Выводы

Выводы по курсовому проекту должны быть достаточно краткими и конкретными по каждому разделу проекта. В них необходимо обобщить основные результаты по характеристике материала, указать точный состав выбранного сплава (материала), основные меры по управлению механизмом эволюции СФС, обеспечению стабильности СФС материала в эксплуатационных условиях, технологии изготовления конструктивного элемента.

17

При этом рекомендуется использовать принятые в таких случаях обороты:

на основе анализа ... показано, что ...; на основе изучения ... установлено, что … .

В качестве ключевых слов вывода можно использовать: «подтверждено», «обосновано», «доказано» и др.

Список использованных источников

В качестве литературных источников конкретных знаний могут быть использованы: монографии, учебники и учебные пособия, статьи, отчеты, опубликованные доклады. Нельзя использовать в качестве источников конспекты лекций, прослушанных студентами. Литературные источники должны быть перечислены в порядке упоминания их в тексте записки к курсовому проекту, причем каждая ссылка должна быть оформлена в соответствии с требованиями к публикациям.

ТИПОВОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ РАЗДЕЛОВ ЗАПИСКИ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

Аннотация. Содержание. Введение.

1.Исходные данные к проекту.

2.Анализ исходных данных. Характеристика требуемого материала.

3.Требования к свойствам разрабатываемого материала.

4.Исследование заданного механизма эволюции (указать конкретное индивидуальное задание) СФС.

5.Выбор легирующего комплекса.

6.Обеспечение стабильности СФС материала.

7.Технология изготовления заданного конструктивного элемен-

та.

Выводы.

Список использованных источников.

Приложения: расчеты, оценки, замечания по заданию.

18

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОСТРОЕНИЮ ДОКЛАДА ПЕРЕД КОМИССИЕЙ ПРИ ЗАЩИТЕ ПРОЕКТА

На доклад дается 10−12 мин, поэтому необходимо составить план доклада с тем, чтобы изложить основные результаты, не упуская главного. Желателен следующий план изложения доклада:

-название работы, ее актуальность и цель;

-результаты анализа исходных данных, характеристика материала;

-основные требования к свойствам разрабатываемого материа-

ла;

-достоинства и недостатки основы сплава;

-возможные структурно-фазовые изменения в сплаве в процессе эксплуатации;

-основные задачи легирования;

-обоснование выбора легирующих элементов и всего комплекса, состав рекомендуемого материала;

-меры и пути стабилизации СФС разработанного материала;

-основные этапы технологии изготовления заданного конструктивного элемента;

-выводы по работе, замечания по заданию.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗДАНИЯ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Каждый студент получает индивидуальное задание в виде одного из вариантов проекта, включающего исходные данные (см. Приложение) и целевое задание по теме «Исследование механизма эволюции структурно-фазового состояния материала».

При выполнении курсового проекта поощряются инициатива, творческий подход в нахождении нестандартных решений, выполнение дополнительных расчетов и оценок, наиболее полное обоснование рекомендаций и выводов. Осуждается переписывание текста из литературных источников, небрежное оформление записки к проекту и плакатов.

19