Аустенитті - ферритті болаттар
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Металдардың газды жұту қасиеттері тақырыбы бойынша
мaмaндығы 5B071000 - Мaтериaлтaну және жaңa мaтериaлдaр технологиясы
ТҮЙІН СӨЗ
Диплoмдық жұмыc кiрicпeдeн, 3 бөлiмнeн, қoрытындыдaн жәнe 29 әдeбиeттeрдeн тұрaтын тiзiмнeн құрaлғaн. Жұмыc 51 бeт, 28 cурeт, 28 формуланы, 4 кecтeнi қaмтиды.
Кілтті сөздер: металдар, олардың қасиеттері, газдардың түрлері және металмен құрылымдық әсерлесу мүмкіндіктері.
Зерттеу объектісі: коррозияға төзімді аустенитті-ферритті болат (10Х18Н10Т).
Жұмыстың мақсаты: электрон - позитрондық аннигиляция (ЭПА) әдісі арқылы метал мен газдың өзара әсерлесуі нәтижесінде орын алатын физико-химиялық процесстерді бағалау және алынған нәтижелерді саралау.
Зерттеу тапсырмасы: коррозияға төзімді аустенитті-ферритті болаттың газбен әсерлесуін зерттеп, онда пайда болатын процесстерді талдау.
Зерттеу әдісі: коррозияға төзімді аустенитті-ферритті болаттың газбен әсерлесуі электрон - позитрондық аннигиляция (ЭПА) әдісі арқылы зерттелінді.
Негізгі алынған нәтижелер:
Газдар метал құрамында бос күйінде болуы мүмкін немесе қышқылдар, гидридтер, нитридтер қалыптастыруы мүмкін. Нәтижесінде, металдың қасиеттері (механикалық, технологиялық, т.б.) біршама төмендейді. Сутегі ауадан 14,5 есе жеңіл, нәтижесінде метал кристалдық торында еркін қозғалады және оңай әсерлеседі.
ПА әдісі арқылы алынған нәтижелер бойынша, позитронның орташа өмір сүру мерзімі (τорт) 6 сағат сутегімен қанықтыру кезінде небәрі 12 пс-қа (7%) артты. Яғни, пайда болған ірі ақаулар мөлшері ұсақ ақаулар мөлшерінен әлдеқайда аз. Сонымен қатар, 120 мин сутегімен қанықтырудан кейін 150 мкм-ге дейінгі тереңдікте ірі және ұсақ ақаулар қатынасы өзгермейтіні анықталды. Және осы тередікте сутегі мөлшері максимал деңгейіне жетті деуге негіз бар.
Сутектендіру нәтижесінде τорт шамасы артатындығына көз жеткіздік. Дегенмен, белгілі бір уақытта ол тұрақталуы мүмкін, бұл жағдай коррозияға төзімді болаттарда, никельде, мыста және алюминийде жиі байқалады.
РЕФЕРАТ
Диплoмнaя рaбoтa cocтoит из ввeдeния, 3 рaздeлoв, зaключeния и cпиcкa иcпoльзoвaнных иcтoчникoв из 29 нaимeнoвaний. Рaбoтa coдeржит 51 cтрaниц, 28 риcункoв, 28 формул и 4 тaблиц.
Ключевые слова: металлы и их свойства, виды газов и их влияние на металы и на их структуры.
Объект исследования: нержавеющая аустенитно-ферритная сталь (10Х18Н10Т).
Цель работы: с помощью метода электрон - позитронной аннигиляции (ЭПА) исследовать газы, находящиеся в структуре металлов, а также оценить физико - химические процессы, протекающие в нем и анализировать полученные результаты.
Задачи исследования: изучить влияния газа на структуру нержавеющей аустенитно-ферритной стали и анализировать процессы, протекающиеся в нем.
Метод исследования: влияние газа на структуру нержавеющей аустенитно-ферритной стали изучено методом электрон - позитронной аннигиляции (ЭПА).
Основные результаты: газы, находящиеся в металле, могут быть в свободном состояний либо могут образовать окислы, гидриды, нитриды и т.д. В результате этого металл теряет некоторые свои свойства (механические, технологические). Водород легче воздуха в 14,5 раз. При этом, водород легко может проникать в металл и двигаться свободно в кристаллической решетке.
Как показал результат метода ЭПА, при водороживании среднее время жизни позитрона (τср) в течение 6 часа увеличивалось всего лишь на 12 пс (7%). Это показывает, что количество крупных дефектов намного меньше, чем микро дефекты. Кроме этого было установлено, что при водороживании в течение 120 мин в глубине до 150 мкм отношение крупных и мелких дефектов есть величина постоянная. В этой глубине количество водорода было максимальным.
Мы убедились, что при водороживании среднее время жизни позитрона (τср) увеличивается. Но спустя некоторые время, параметр τср может иметь величину постоянную. Это свойственно к металлам, особенно нержавеющей стали, никели, меди и алюминия.
ABSTRACT
Thesis consists of an introduction, three chapters, conclusion and bibliographies of 29 items. The paper contains 51 pages, 28 figures, 28 formulas and 4 tables.
Keywords: metals and their properties, types of gases, influence to metal and their structure.
The object of the study: stainless austenitic and ferritic steel (10C18N10Т).
The purpose of the study: the researches of gas - absorbing properties of metals are received by method electron - positron annihilation (EPA). Using this method for estimation physical chemistry processes and analysis obtained results.
Research objective: researches for influence of gas to structure and properties of stainless austenitic and ferritic steel and analyse obtained results.
Method of research: the method electron - positron annihilation (EPA).
Main results: Gases located in the metal can be in free states or can form oxides, hydrides, nitrides, etc. As a result, the metal loses some of its properties as mechanical, technological, etc. Hydrogen is lighter than air by 14.5 times. In this case, hydrogen can easily penetrate into the metal and move freely in the crystal lattice.
As the result of the ESA method, in the case of algalization, the average positron lifetime (τav) increased by only 12 ps (7%) within 6 hours. This shows that the number of large defects is much less than micro defects. In addition, it was found that when algalization during for 120 minutes at a depth of up to 150 microns, the ratio of large and small defects is constant. In this depth, the amount of hydrogen was maximum.
We were convinced that the average lifetime of a positron (τav) increases with algalization. But after some time, the parameter τav can have a constant value. This is characteristic for metals, especially stainless steel, nickel, copper and aluminum.
МАЗМҰНЫ
Қысқapтулaр мен белгiлеулер 6
Кiрiспе 7
1 Металдар. анықтамасы және қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... 9
1.1 Темір және оның негізіндегі қорытпалар (болаттар) 9
1.2 Коррозияға төзімді болаттар және олардың қасиеттері 12
1.3 Металдың құрамындағы қатты ерітінділер және химиялық
байланыстар 16
1.4 Металдың газдармен (оттегі, сутегі және азот) әсерлесуі 18
1.5 Сутегі - отынның жаңа альтернативті түрі ретінде 24
2 ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ ЖӘНЕ ҚОНДЫРҒЫЛАРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 27
2.1 Металдың ақаулы құрылымын зерттеуде қолданылатын
әдістер 27
2.2 Позитрондық спектроскопия әдісі. Позитрондар көзі және оларды алудың негізгі әдістері 28
2.2.1 Позитрондар аннигиляциясының заңдылықтары 31
2.2.2 Аннигиляциялық фотондардың бұрыштық таралуын өлшеу 33
2.3 Электрон - позитрондық аннигиляция құбылысының металдар мен
қорытпалардың ақаулы құрылымын анықтауда қолданылуы 34
3 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ ЖӘНЕ ОНЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... . ... ... ... 38
3.1 Материал құрылымындағы ақауларды талдау әдісі
(позитронды аннигиляция) 38
3.2 Сутегімен қанықтыру процессінің ЭПА параметріне әсері 40
Қoрытынды 49
Пайдаланылған әдeбиeттep тiзiмi 50
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕУЛЕР
ЭПА - Электронды-позитронды аннигиляция
АФБТ - Аннигиляциялық фотондардың бұрыштық таралуын өлшеу
АСДК - Аннигиляциялық сызықтардың доплерлік кеңеюі
ПӨСМ - Позитрондардың өмір сүру мерзімін өлшеу
FWHM - Жарты амплитуда деңгейіндегі толық ені (Full width at half maximum)
P-Рs - Парапозитроний
O-Рs - Ортопозитроний
КІРІСПЕ
Қазіргі таңда техника, технология қарқынды түрде дамып келеді. Оған бірден бір себеп - коррозияға төзімді, әрі беріктігі жоғары болаттардың өндірілуі. Коррозия - барлық металдар үшін кері әсерін тигізіп, оның құрылымы мен қасиетін түпкілікті өзгертетін құбылыс. Ал коррозияға төзімді болаттардың шығуы осы мәселенің алдын алды. Дегенмен, металдар үшін тағы бір мәселе - оның газдармен әсерлесуі. Газ атомдары өлшемі жағынан кіші, сол себептен, газ атомдары металдың кристалдық торында еркін қозғалып, оның қасиеттерін өзгертуге икемді. Металды қыздыру кезінде температура жоғары болған сайын, оның газдармен әсерлесу белсенділігі де артады, нәтижесінде, метал морт сынғыш күйге ауысып, маңызды қасиеттерінен біршама айырылады.
Метал - сутегі мәселесі бұрыннан зерттеліп келеді және оны зерттеуге арналған әдістер жетерлік. Бұл жұмыста қолданылған әдіс - электронды - позитронды аннигиляция (ЭПА) әдісі. Аннигиляция - бөлшек пен антибөлшектің өзара жойылу процессі, дегенмен, бұл жерде материяның да, энергияның да жойылуы болмайды, тек олардың бір күйден екіншіге көшуі, бір пішіннен екінші пішінге ауысуы орын алады. Аннигиляция процессі бір, екі немесе үш γ-кванттардың шығуымен жүзеге асады.
Бұл жұмыста зерттеу материалы ретінде аустенитті - ферритті болат қолданылды, аустенитті - ферритті болаттар (дуплекс) негізгі екі фазадан - аустенит (50% ) және феррит (50% ) тұрады. Болатты құраушы жлементтерге темірден басқа 22-25% хром, 5-7% никель, 0,10-0,25% азот және 3-4% молибден кіреді.Металдарды газдардан қорғау үшін вакуумды әдістерді қолдану қажет, сонымен қатар, зерттеу кезінде шихтаның және вакуумның жоғарғы деңгейде таза болуы өте маңызды.
Құйылым арқылы дайындалған материалдар сапасы құйылымды қорытпалардың технологиялық дегейіне тікелей тәуелді. Қалыпты толтыру және кристалдану, салқындату процессі кезінде қорытпалар өзіндік құйылым қасиеттерімен сипатталады. Оның ішінде ең маңыздылары: сұйық аққыштық, отырғызу, ликвацияға және газдарды жұтуға бейімділік. Сұйық аққыштық - метал мен қорытпалардың балқыған күйде қалыпты толтыра алу қабілеті. Жоғарғы деңгейдегі сұйық аққыштық күрделі конфигурациялы материалдарды алуға және ондағы ақаулардың мөлшерін төмендетуге мүмкіндік береді. Сұйық аққыштық қорытпаның физикалық қасиетіне тікелей тәуелді: тұтқырлығына және беттік созылуына. Бұл параметрлер артқан сайын, сұйық аққыштық төмендейді. Температура төмендегенде қорытпаның тұтқырлығы артады (сұйық аққыштық төмендейді).
Сонымен қатар, сұйық аққыштық металдың химиялық қасиетімен де тығыз байланысты, мысалы, шойын құрамында кремний (Si), фосфор (P) және көміртегінің (C) мөлшері артқанда, сұйық аққыштық қасиеті де артады. Өндіріс саласында, көбіне, құрамында фосфор (P) мөлшері көп (1,5 - 2,0%) шойындар қолданылады. Күкірт (S) және марганец (Mn) аққыштық қасиетке аз мөлшерде ғана әсер етеді. Бұл екі элементтің шойын құрамында қатар кездессе, марганец сульфиді (MnS) түзіледі, ол аққыштық қасиетін бірден төмендетеді. Шөгу - кристалдану және суыту процессі кезінде қалыпқа құйылған металдың сызықтық және көлемдік өлшемінің азаюы. Оның екі түрі бар: сызықтық және көлемдік. Сызықтық шөгу - қорытпа өлшемінің қатты күйде салыстырмалы өзгеруі. Көлемдік шөгу температураның төмендеуі кезінде және қорытпаның сұйық күйден қаттыға ауысуы кезінде пайда болады. Сызықтық және көлемдік шөгудің сандық мәндерін пайызбен (%) сипаттайды.
1 Металдар. анықтамасы және қасиеттері
1.1 Темір және оның негізіндегі қорытпалар (болаттар)
Металдар - электр- және жылуөткізгіштігі жоғары, сонымен қатар, пластикалық, қаттылық және беріктік қасиет көрсететін заттар. Металдың аталған қасиеттерге ие болуы құрамында бос электрондардың еркін қозғалысымен сипатталады. Д.И.Менделеев кестесіндегі 112 химиялық элементтің 83-і металдар. Олар мынадай қасиеттер көрсетеді:
- жоғары жылу- және электрөткізгіштік;
- электркедергілік коэффициенті оң;
- термоэлектронды эмиссия құбылысы (қыздыру кезінде электрондардың ұшып шығу құбылысы);
- шағылу қабілеті;
- пластикалық деформацияға қабілеттілік;
- полиморфизм.
Металлдық күй атомдар жиынтығы өзара жақындағанда сыртқы электрондар жеке атомдармен байланысын үзіп, ортақ электронға айналады да, еркін қозғалады. Қатты денелерде төрт байланыс түрін қарастырады: ван-дер-ваальстік, коваленттік, металдық және иондық [1].
Темір (Fe) - химиялық элементтер жүйесінің сегізінші топ элементі. Физикалық сипаттамасы бойынша, күміс-ақ түсті, химиялық реакцияға қабілетті метал, тығыздығы ρ=7,68 гсм3, атомдық нөмірі 26, атомдық массасы 58,85 көлем бірлікте, атомдық радиусы 0,127 нм. Жоғарғы температурада және ылғалды атмосферада коррозияға жылдам ұшырайды. Темір (Fe) табиғатта таза күйінде өте сирек кездеседі [2]. Бұл метал, көп жағдайда, темір-никельді (Fe-Ni) метеориттер құрамында кездеседі. Жер бетінде таралу мөлшері - 4,65%-ды құрайды (О, Si, Al-ден кейінгі 4-орында). Қалыпты жағдайда, ол пластикалық метал, легирлеу арқылы оның қаттылығын және морттық қасиетін арттыруға болады.
Сурет 1. Табиғатта кездесетін темір (Fe) [1]
Сурет 2. Темір - цементит (Fe-Fe3C) күй диаграммасы [2]
Бұл диаграммада темір-цементит жүйесінің құрылымы және фазалық құрамының көміртегі (С) мөлшеріне байланысты өзгерісі көрсетілген. А нүктесінің мәніне сәйкес келетін температура 15390С, яғни темірдің балқу температурасы. Диаграммадағы вертикаль FKL сызығы көміртегінің (С) еруінің шекті мәнін сипаттайды. Ендеше, диаграмма таза темірден (Fe) және құрамында 6,67% көміртегі (С) мөлшеріне ие цементитке дейінгі аралықты қамтиды. N нүктесі (13920С) және G нүктесі (9110С) α--γ және γ--α полиморфты түрлену температурасы болып табылады.
Диаграммадағы кристалдану процессін сипаттайтын сызықтарға тоқталып кетсек:
АВ қисығы - ликвидус сызығы (сұйық фазадан (L) ферриттік (Ф)
фазаға кристалдану процессін сипаттайды);
ВС қисығы - ликвидус сызығы (сұйық фазадан (L) аустениттік (А)
фазаға кристалдануын сипаттайды);
ВЕС кеңістігінде сұйық фаза (L) + аустенит (А) қалыптасады;
СD қисығы - ликвидус сызығы (бастапқы цементиттің (Ц) кристалдануын сипаттайды);
АН қисығы - ликвидус сызығы (толық кристалданған ферриттік (Ф)
фазаның сұйық фазадан (L) толық ажырауын сипаттайды), осы қисықтан төмен тек қатты фаза орын алады;
ЕСF қисығы - ледебурит (Л) құрылымының қалыптасу температу-
расын сипаттайды. Ледебурит (Л) тек эфтектикалық С нүктесіне сәйкес келеді.
Диаграммадағы С нүктесі қорытпаның сұйық күйден бірден қатты күйге ауысуын сипаттайды. Бұл нүктеде бір уақытта аралық сұйық және қатты фаза орын алмайды. Сондықтан, С нүктесін эвтектика деп атайды. Бұл еру қабілеті шектелу арқылы туындайтын барлық қорытпаларға тән құбылыс. Егер қорытпалар қатты ерітінді түрінде компоненттері бірі екіншісінің ішінде шексіз еритін болса, эвтектикалық құбылыс байқалмайды. Метал - көміртегі жүйесі үшін анықталған эвтектикалық нүкте ледебурит атауымен белгілі.
Сурет 3. Темір - графит күй диаграммасы [2]
Бұл жүйеде қисықтар, темір (Fe) - цементит (Fe3C) жүйесіндегі қисықтармен салыстырғанда, жоғарырақ орналасады және C, E, S нүктелері сол жаққа қарай жылжытылған. Эвтектикалық және эвтектоидтық айналым температуралары сәйкесінше 11530С және 7380С.
Темір - цементит күй диаграммасы - метатұрақты фаза, ал темір - графит күй диаграммасы - орнықты фаза болып табылады. Диаграммадағы фазаларға сипаттама берер болсақ [3]:
Феррит (Ф) - көміртегі (С) мен басқа қоспалардың Feα- ғы қатты ерітіндісі. Екі түрі бар: төмен және жоғары температуралық феррит. Төмен температуралық феррит құрамында көміртегі (С) мөлшері 0,02%-дан аспайды. Ал жоғары температуралық ферриттің құрамында оның мөлшері 0,1%-ды құрайды.
Сурет 4. 9500С кезіндегі феррит микроқұрылымы [3]
Аустенит (А) - көміртегі (С) мен басқа қоспалардың Feγ-ғы қатты ерітіндісі. Оның құрамында көміртегі (С) мөлшері 2,14%-дан аспайды.
Сурет 5. 9500С кезіндегі аустенит микроқұрылымы [3]
Цементит (Ц) - темір (Fe) мен көміртегінің (C) химиялық қосылысы. Формуласы Fe3C. Көміртегі үлесі 6,67%-ды құрайды. Атомдары тығыз орналасады. Балқу температурасын дәл анықтау мүмкін емес, себебі белгілі бір температурада цементит графит бөліп ыдырап кетеді. Оның балқу температурасын шамамен 12500С деп бағалайды. 2100С температураға дейін ферромагнитті. Цементиттің қаттылығы жоғары (НВ 800), пластикалық қасиеті жоқ құрылым, сонымен қатар, цементит - метатұрақты фаза болып табылады.
Ледебурит (Л) - морттық қасиетке ие құрылым. Ол аустенит (А) пен цементиттің (Ц) қосындысынан пайда болады, көміртегі мөлшері 4,3%-ды құрайды.
Перлит (П) - диаграммадағы аустениттің (А) ыдырау өнімі. Көміртегі мөлшері 0,81%-ды құрайды. Бұл құрылым феррит (Ф) пен цементиттің (Ц) қосындысынан пайда болады.
Графит (Г) - гексагоналды торлы, жұмсақ, беріктілігі және электр-өткізгіштігі төмен [3].
1.2 Коррозияға төзімді болаттар және олардың қасиеттері
Болаттар - машина бөлшектерін, ұшу аппараттарын, приборлар, сонымен қатар, құрылыс жабдықтарын және конструкцияларын дайындауда кең қолданылатын негізгі металдық материал. Оның физико-химиялық және технологиялық, механикалық қасиеттерінің жоғары болуы оның эксплуатация аумағын кеңейтуде. Болаттарды өндірудің негізгі әдістері ХІХ ғ. ортасында жүргізіле бастады [4].
Болаттар статикалық және циклдық беріктіліктің жеткілікті көрсеткішіне ие бола отырып, қаттылықтың да жоғарғы шамасын көрсетеді. Бұл айтылған параметрлерді көміртегі және легирлеуші элементтердің мөлшерін бақылау арқылы және түрлі термиялық өңдеу амалдарын жүргізу арқылы өзгертуге болады. Болаттар бірнеше топтарға жіктеледі:
Көміртекті болаттар
Легирленген болаттар;
Ерекше қасиеттерге ие болаттар;
Коррозияға төзімді болаттар.
Коррозияға төзімді болаттар - көптеген агрессивті орталарда (сулы атмосфера және ауа, қышқыл және тұз ерітінділері) жоғарғы коррозиялық тұрақтылық көрсетуге қабілетті болаттар топтамасы. Айта кетер жайт, бұл болаттар типін коррозияға мүлдем ұшырамайды деп айтуға негіз жоқ, дегенмен, болаттың басқа түрімен салыстырғанда, олар коррозияға төмен деңгейде ұшырайды [5].
Қарапайым болатты коррозияға төзімді болатқа айналдыруға қабілетті бірден бір элемент - хром (Cr). Бұл элемент металдың беттік қабатында қорғаныш үлдірін қалыптастыруға қабілетті. Болат құрамына ене отырып, хром темірмен қатты ерітінді қалыптастырады, нәтижесінде оның коррозиялық төзімділігі біршама көтеріледі. Бірақ, хром мөлшері 11,7%-дан кем болмауы шарт. Хроммен (Cr) қатар, никель (Ni) және молибден (Mo) элементтері коррозиялық төзімділікті арттыруда оң үлесін тигізеді.
Коррозияға төзімді болаттарды негізгі топтарға жіктейді: хромды, никельді, хромникельді, хромникельмолибденді болаттар және т.б.
Сурет 6. Тотықпайтын (коррозияға төзімді) болаттардың
жалпы кескіні [5]
Аустенитті - ферритті болаттар. Аустенитті - ферритті болат (дуплекс) екі негізгі фазалардан тұрады - аустениттен және ферриттен (50% аустенит және 50% феррит, сонымен қатар, 22-25% хром, 5-7% никель, 0,10-0,25% азот және 3-4% молибден). Аталған екі фаза құрамында хром мөлшері жоғары болғандықтан, олар коррозияға тұрақты келеді. Аустенитті - ферритті болаттар, бір фазалы аустенитті болаттардан жоғары ағу шегімен, дәнекерленушілігімен, никель мөлшерінің төмендігімен ерекшеленеді.
Аустенитті болаттар хлорлы ерітінділерге тұрақтылығы төмен. Болаттың дуплекстілігі жоғары беріктілік қасиет көрсетеді, сол үшін одан массасы аз бұйымдар дайындауға болады [6].
Сурет 7. Аустенитті - ферритті (дуплекс) болат құрылымы [6]
Аустенитті - ферритті болаттарды үш топқа жіктейді: бірінші топ - 0,12% C мөлшері бар және титанмен тұрақтандырылған болаттар, екінші топ - 0,03% С және құрамында тұрақтандырғыш элементтер жоқ, ал үшінші топқа - 0,03% С және тұрақтандырылмаған, дегенмен қосымша азотпен (0,35%-ға дейін) легирленген болаттар.
Аустенитті - ферритті болаттар аустенитті топтың хромникель-молибденді болаттардың орнын баса алады. Көптеген агрессивті орталарда коррозиялық тұрақтылығы хром мөлшерінің жоғары болуымен (20%) сипатталады. Феррит пен аустенит дәннің ұлғаюына және пластикалық деформацияға тосқауыл қояды, нәтижесінде дуплексті болат жоғарғы беріктілік шамасына ие болады. Ал құрамындағы хром, никель және молибден мөлшерінің көп болуы коррозиялық тұрақтылықты арттырады. Температураның артуымен дуплексті болаттың сұйық аққыштығы төмендейді. Аустенитті болатпен салыстырғанда, дуплексті болат коррозиялық сызаттарға сезімтал емес [7].
Дуплексті құрылымның қалыптасуы беріктілік қасиеттерін арттыра отырып, питтингтің түзілуіне шектеу қойып, коррозияға тұрақтылықтың жоғары болуын қамтамасыз етеді. Оның ең маңызды легирлеуші элементтері - хром, молибден, вольфрам және азот.
Қазіргі таңда барлық заманауи дуплексті болаттарды дайындау кезінде көміртегі мөлшерінің төмен болуын қадағалайды. Соның нәтижесінде, олардың кристалитаралық коррозияға тұрақтылығы артады. Дуплексті болаттар феррит пен аустениттің көптеген қасиеттерін біріктіреді. Бөлме температурасының өзінде, оның механикалық беріктілігі және тұтқырлығы жоғары. Дуплексті болаттар толығымен ферритті құрылыммен кристалданады. Суыту кезінде феррит ақырындап аустенитке айнала бастайды. Жоғары температураларда аустенитті тұрақтандыру үшін заманауи дуплексті болаттарды азотпен легирлейді.
Егер дәнекерлеу кезінде суыту жылдамдығы тым жоғары болса, онда феррит мөлшері дәнекерлеуден кейін жоғарғы шамада болуы мүмкін (шамамен 65%). Феррит деңгейінің жоғары болуы коррозияға тұрақтылық пен тұтқырлықты төмендетеді. Физикалық қасиеттері [8]:
Жылулық ұлғаю;
Жылуөткізгіштік;
Электрлік меншікті кедергі.
Аустенитті - ферритті болаттар 450-6500С температурада қыздыру кезінде өз тұтқырлығынан айырылады. Себебі, осы температурада карбидтердің бөлінуі күшейіп, морттық қасиет жоғарылайды. Дуплексті болаттар коррозиялық сызаттарға тұрақты келеді, сызаттар тек аустенит аймағында пайда болуы мүмкін, дегенмен ферритті аймақ оның дамуына тосқауыл қояды. Дуплексті болаттар -196 0С-ден 600 0С температура аралығында жұмыс істеуге қабілетті. Сонымен қатар, болаттың бұл типіне ыстық және суық деформация, кесу, дәнекерлеу амалдарын жүргізуге мүмкіндік бар. Құрамында никель мөлшері аз болғандықтан, бағасы қол жетімді болып табылады.
Дәнекерлеу кезінде аустенитті - ферритті болаттардың бір кемшілігі - күйіп кетуге және морттыққа бейімділігі.
Fe - Cr жүйесі. Болаттың коррозиялық тұрақтылығын арттыру үшін оны хроммен легирлейді. 12 ат.%-дан жоғары хром мөлшері кезінде атмосфералық және өндірістік орталар үшін коррозиялық тұрақтылық артады. Коррозияға тұрақтылық қасиетінің бірден жоғарылауы Fe - Cr жүйесінің 12...14 ат.% хром мөлшері кезінде электродты потенциалының жоғарылауына және металдың беттік қабатында қорғаныш үлдірін (пленка) қалыптастыра алу қабілетіне байланысты.
Хром КЦК-торлы темір модификацияларын тұрақтандырып, қатты ерітінділердің үздіксіз қатарын құрайды. 7,5 ат.% мөлшерінде хром α--γ полиморфты ауысым температурасын 9100С-ден 8300С-ге дейін төмендетеді. Хром мөлшері одан сайын артқанда, бұл температура бірден жоғарылайды.
Аустенитті - ферритті болаттардың негізгі кемшіліктері де жоқ емес: оның беріктігінің жоғары болуы - технологиялық өңдеу (қысым және кесумен өңдеу) амалын жүргізу кезінде оның белгілі бір деңгейде кемшілігі болып табылады. Сонымен қатар, дуплексті болаттарды жоғарғы пластикалық қасиетке ие бұйымдар дайындауда қолдану мүмкін емес. Сигма - фазаның (σ-фаза), нитрид пен карбидтің қалыптасуы (10000С-ден жоғары) дайындау немесе дәнекерлеу кезінде суыту жылдамдығының төмен болуынан байқалады. Болат құрамында легирленген элементтер мөлшері көп болған сайын, сигма-фазаның қалыптасу мүмкіндігі артады. Бұл құбылыс дуплексті болаттарда жиі байқалады. Сигма-фаза - интерметаллидті фаза болып табылады (600-950 0С температура аралығында пайда болуы мүмкін). Ферриттің ыдырауы 350-525 0С аралығында байқалады, 475 0С температурада ферриттің морттылығын байқауға болады [9-10].
1.3 Металдың құрамындағы қатты ерітінділер және химиялық байланыстар
Қатты ерітінділер - әр түрлі химиялық элемент атомдары ортақ кристалдық торда орналасқан ауыспалы құрамның фазалар жиынтығы, яғни, бір компонент атомы өз кристалдық торын сақтайды, ал басқа компонент атомдары сол торда орналасып, оның өлшемін және пішінін өзгертеді. Ол атомдар өзара бейберекет немесе белгілі бір реттілікпен орналасуы мүмкін. Олардың реттілігін рентген құрылымдық анализ әдісі арқылы анықтауға болады [11].
Қатты ерітіндіні құру барлық қатты денелерге тән қасиет. Қатты ерітіндінің негізгі екі түрі белгілі.
Сурет 8. Орын басу және кірме қатты ерітіндісі [11]
Юм-Розеридің жартылай эмпирикалық ережесіне сай, орын басу қатты ерітіндісінің үздіксіз қатарын қалыптастыратын элементтер мынадай шарттарға жауап беруі тиіс:
1.атомдық радиусы жақын болуы (8-13%-дан аспауы);
2.бір-бірімен жақын орналасуы;
3.элементтердің кристалдық торлары бірдей болуы.
Егер компонент атомдары өлшемі және электронды құрылымы жағынан
бір-біріне сәйкес келмесе, онда бір элемент атомы екінші бiр элементтің крис-
талдық торына енуі мүмкін. Бұл құбылыс, көбіне, бейметалдардың (B, H, O2, N2, C) металдарда еруі кезінде байқалады. Кристалдық тордағы бос түйіндер нәтижесінде пайда болатын алып тастау қатты ерітіндісі химиялық қосылыс кезінде компоненттердің бірі ерігенде түзіледі. Бұл ерітінді түрі бейстехиометриялық қосылыстарға тән. Легирленген жартылай өткізгіштер, сонымен қатар, көптеген сегнетоэлектриктер де қатты ерітінділер болып табылады.
Кірме қатты ерітіндісі еріген элемент атомының диаметрі кіші болғанда ғана пайда болуы мүмкін. Яғни, қатты ерітіндінің бұл түрі көміртегі, азот, сутегі, т.б. атомдық радиусы кіші элементтердің металда еруі кезінде байқалады. Қатты ерітінділерге металдық байланыс тән. Бейметалдар (сутегі (H2), азот (N2), көміртегі (C), бор (B)) атомдарының өлшемі кіші болып келеді. Дегенмен, бұлардың өлшемі кристалдық тордағы метал атомдарының арасындағы қуыс өлшемінен үлкен, сол себептен, кірме қатты ерітіндісі қалыптасқанда, кристалдық тор өзгеріске ұшырап, кернеулер пайда болады. Қатты ерітіндіні құраушылар ерітуші және еруші болып бөлінеді (8-сурет).
Еруші элемент атомдары ерітуші элементтің кристалдық торына бейімделу арқылы орналасады, яғни ерітуші элемент атомдарының түйінаралық кеңістігіне жайғасады. Дегенмен, кез келген жеріне емес, бос кеңістігі көп жерде орналасады. Егер негізгі металдың кристалдық торында дислокация сынды ақаулар бар болса, кірме атомдары сол ақаудың айналасына шоғырлана орналасады. Бұл атомдар Коттрелл атмосферасы деп аталады [12].
Егер компоненттер табиғаты жағынан жақын болса, олар үздіксіз қатты ерітінділер қатарын құрады.
Кристалдық торда химиялық байланыстардың пайда болуы. Қорытпалар түзілу барысында, оны құраушы компоненттер өзара химия-
лық байланысқа түсуі мүмкін. Бұл байланыс химиядағы бейорганикалық байланыстан өзгеше құрылым. Негізгі ерекшеліктерін атап өтер болсақ:
Бұл байланыста валенттік заңдар орындалмайды;
Жаңа байланыстың кристалдық торы компоненттердің кристалдық
торынан өзгеше болып қалыптасады. Химиялық байланыс қарапайым AnBm формуласымен өрнектеледі;
Сурет 9. Метал құрамындағы химиялық байланыс [13]
Жаңа байланыс қасиеті компонент қасиетінен өзгеше, бірақ балқу тем-
пературалары (Тб) өзара жақын;
Жаңа байланыстың түзілуі кезінде жылулық құбылыстар орын алады;
Дәстүрлі химиялық байланыспен салыстырсақ, бұл байланыс қасиет-
тері мүлдем өзгеше металдар арасында орын алады. Олардың кристалдық торында үлкен айырмашылық болады. Мысалы,
Mg2Sn, Mg2P
Сол себептен, оларды - интерметаллидтер деп атайды.
Егер метал бейметалмен химиялық байланыс түзетін болса, олардың арасында бәрібір металдық байланыс қалыптасады. Бірақ, олар интерметаллид бола алмайды. Сол үшін, оларды - металдық қасиеттегі құрамалар деп атайды.
Егер метал N, B, H2, C секілді бейметалдармен химиялық байланысқа түсетін болса, жаңадан қалыптасқан комплекс компоненттердің атомдық радиус өлшеміне тікелей тәуелді болады және соған сәйкес атауларға ие болады: егер метал көміртегімен (C) байланысатын болса - карбид, азотпен (N2) - нитрид, сутегімен (H2) - гидрид, бормен (B) - борид.
N2, B, H2, C секілді бейметалдар - ендіру фазалары болып табылады. Олар үшін келесідей формулаларды қолдануға болады [13]:
M4X (Fe4N, Mn4N)
M2X (W2C,Mo2C)
MX (WC,VC,TiC) мұндағы, М-метал, Х-элемент.
1.4 Металдың газдармен (оттегі, сутегі және азот) әсерлесуі
Газдарды жұтуға бейімділік - құйылым қорытпаларының сұйық күйінде H2, O2, N2 газдарын жұту қабілеті. Аталған газдар металға түрлі жолдармен енуі мүмкін: шихталық материалдардан, атмосферадан (ашық түрде балқытқан кезде), қорытпаның қалып материалымен әсерлесуі кезінде, т.б. Газдар метал құрамында бос күйінде болады немесе қышқылдар, гидридтер, нитридтер қалыптастыруы мүмкін. Нәтижесінде пайда болған газдық қуыстар мен раковиналар қорытпаның кейбір қасиеттерін төмендетеді. Газдық кеуектілік мөлшерін азайту үшін суыту жылдамдығын арттырып, қысымды көтеру керек. Газдың метал құрамында еруі газдың табиғатына, метал мен қорытпаның күйіне, температураға және газдың парциалдық қысымына тәуелді. Газдың еруі - эндотермиялық процесс. Температура жоғарылағанда энтальпия өзгерісіне байланысты газдың еруі жоғарылауы немесе төмендеуі мүмкін [14].
Сурет 10. Газбен қанықтыру кезіндегі металдың кристалдық торындағы газ атомы [14]
Металдың сутегімен (Н2) әсерлесуі. Сутегі (Н) - жеңіл, түссіз газ. Ауамен және оттегімен әсерлескенде жануға, жарылуға бейім. Улы емес. Этанолда (C2H2) және кейбір металдарда (темір (Fe), никель (Ni), палладии (Pd), титан (Ti), платина (Pt)) еруге қабілетті. Космостық температурада сутегі плазма түрінде, ал ол жердегі кеңістікте жеке молекула, атом және ион түрінде таралған.
Алу жолы:
10000С температурада су буымен конверсиялау:
CH4 + H2O -- CO + 3H2 (1)
Тұздардың сулы ерітіндісінің электролизі:
2NaCl + 2H2O -- 2NaOH + Cl2↑ + H2↑ (2)
Оттегімен каталитикалық қышқылдату:
2CH4 + O2 -- 2CO + 4 (3)
Физикалық қасиеті: сутегі - ең жеңіл газ, ауадан 14,5 есе жеңіл. Соның нәтижесінде, сутегі молекулалары, басқа газдармен салыстырғанда, жылдам қозғалады және жылуды бір денеден екіншіге оңай тасымалдайды. Сутегінің жылуөткізгіштігі, ауамен салыстырғанда, шамамен 7 есе жоғары. Сутегі - металдағы еруші газдардың басты үлесін құрайды. Егер метал сумен әрекеттесетін болса:
Ме (метал) + H2O = МеО (тотық) + 2Н (сутегі) (4)
Mg-Fe арасындағы сутегінің еруі жылуды пайдалану арқылы өтеді. Ал титанда (Ti) еруі - экзотермиялық процесс. Сол үшін, сутегінің титанда еруі төменгі температурада басымырақ. Температура көтерілсе, титан құрамында гидридтер пайда болады. Егер бұл гидридтердің үлесі артатын болса, титан (Ti) бүтін металдан ұнтаққа айналады. Төмендегі 1- кестеге көз жүгіртсек, Sn-Al элементіне дейін металдар оттегіні (O2) ерітпейді. Себебі, бұл металдардың беттік қабатында үлдір (пленка) пайда болады.
Азоттың (N) Mn, Ni, Fe - де еруі - эндотермиялық процесс. Сондықтан, бұлар азотты сіңіру арқылы газ қуыстарын туғызуға бейім болып келеді. Егер Fe және Ni элементтеріне Al, Ti атомдарын қосып қорытпа дайындасақ, азот-тың еруі күрт төмендейді. Sn-Cu арасындағы металдар үшін азот (N) инертті газ рөлін атқарады [14-15].
Болат құрамына ене отырып, сутегі потенциалдық өріс әсерінен ионизацияланады, нәтижесінде протон немесе теріс зарядталған ион Н- пайда болады. Протон кристалдық торда әлсіз электр өрісі арқылы қозғалады, бірақ ешқандай өзгеріс тудырмайды. Ал Н- ионы иондық типті байланыспен химиялық бірігіп, белгілі бір байланыс түзеді. Ауыспалы металдарда ионизация толық жүрмейді, сол себептен сутегі атомы қозған немесе жартылай иондалған күйде болуы мүмкін. Бұл жағдайда сутегі атомының өлшемі протон өлшемінен үлкен және ол түйін арасына шоғырланып, кристалдық торды бұрмалайды.
Көп жағдайда, болат құрамындағы сутегі - зиян қоспа ретінде қарастырылады. Сутегінің аздаған мөлшерінің өзі болаттың құрамы мен құрылымын өзгеріске ұшыратып, сутектік морт сынғыштықтың пайда болуына себепкер болады. Сутегі атомдарының массасы және өлшемі кіші, соның нәтижесінде ол кейбір металдардың кристалдық торында жиналуға қабілетті [15].
Сутегінің металдағы күйі және оған ену процессі. Метал - сутегі жүйесін зерттеу сутегі атомдарының металдармен әрекеттесу сипатымен тығыз байланысты ерекшеліктер қатарын құрады. Бұл ерекшеліктер сутегінің металдағы жоғары жылжу және реакциялық қабілетімен байланысты және олар термиялық, радиациялық, механикалық немесе электромагнитті әсер ету кезінде сутегінің, қоспалы атомдардың және ақаулардың мөлшері өзгерген кезде байқалады.
Сутегі метал құрамында түрлі күйде болуы мүмкін: гидрид, еріген күйде, гидроқышқыл Ме(ОН)n түрінде, сонымен қатар адсорбцияланған судың құрамына кіруі мүмкін. Қалыпты жағдайда, металдар ауадан адсорбцияланған судың полимолекулалы қабатымен қапталған.
Ақпараттарға сәйкес, сутегі барлық металдарда, сонымен қатар, титан құрамында да ионизацияланады және протон түрінде диффузияланады. Әлсіз электр өрісі әсер еткеннің өзінде, сутегі атомдары балқыған метал құрамында катодқа қарай ығысады. Протон өлшемі атом өлшемінен жүз мың есе кіші екенін ескерсек, сутегі атомдарының диффузиясы жылдам өтеді деуге толық негіз бар [15-16].
Метал құрамына ене отырып, сутегі ақаулармен (вакансия, қоспалық атомдар, дислокация, меншікті түйінаралық атомдар, түйін шекаралары) белсенді түрде әрекеттесіп, күрделі кешендер (комплекс) түзеді. Сутегі атомдарының, қалыпты күйдегісімен салыстырғанда, потенциалдық энергиясы төмен болатын метал құрамындағы аймақтар тұзақ (ловушка) деп аталады. Зерттеу нәтижелері бойынша, ең аз энергияға ие кешен - сутегі-м.т.а. (меншікті түйінаралық атом) кешені, мысалы Pd, Cu және Ni үшін байланыс энергиясы 0,16, 0,21 және 0,24 эВ.
Вакансия типті ақаулар сутегі үшін эффективті тұзақ (ловушка) бола алады. Сутегі тек дайын ақаулармен ғана әрекеттесіп қоймай, көптеген жаңа ақаулардың пайда болуына себепкер болады.
Болаттар мен қорытпалар сұйық күйінде газдарды жұтуға және ерітуге қабілетті. Сұйық метал қатты қызған сайын, бұл қасиет жоғарылай береді. Ал салқындату және кристалдану кезінде газдардың еруі төмендейді.
Газдар болат құрамына ене отырып, оның қасиетін төмендетеді, сонымен қатар, газдық шұңқырлар мен басқа да ақаулардың пайда болуына себепкер болады. Нәтижесінде, құю кезінде сұйық болаттың беріктігі және тығыздығы төмендейді. Оттегі болат құрамында ери отырып, болатпен химиялық байланыс түзеді, бұл байланыс болат беріктігіне кері әсерін тигізеді [16].
Сұйық болат құрамындағы газдарды жою үшін, қасиеті жағынан оттегіге және азотқа ұқсас элемент (металдық Al (алюминий)) қолданылады. Ол оттегімен және азотпен байланысады, нәтижесінде пайда болған алюминий қышқылы және нитриді балқыған болаттың беттік қабатына көтеріліп, шлак түзеді.
Балқыған болатты құю арқылы алынған бұйымның сапасы оның газбен байланысу қабілетіне тікелей тәуелді. Болат балқыған күйде газбен белсенді түрде әрекеттеседі. Бұл процесс - күрделі физико-химиялық құбылыс болып табылады. Газдың болатқа жұтылу арқылы енуі - екі ортада тепе-теңдік орнағанша жүреді. Дегенмен, газ бен сұйықтың арасында тепе - теңдіктің орнауы сирек кездесетін жағдай. Сол үшін, газдың балқыған болатпен әсерлесуінің үш түрін атап көрсетуге болады:
Толық өзара ену: бұл процесс балқыған болаттың инертті ортада
әсерлесуімен сипатталады;
Газ атомдары балқыған болатқа мүлдем берілмейді, дегенмен, олар
химиялық байланысқа түсуі мүмкін. Пайда болған құрамалар балқыған болаттың ішкі көлеміне тарап, оны ластайды;
Газ бен балқыған болат арасында түрлі ерітінділер пайда болуы
мүмкін. Газдың болатта еруі орта қысымына және температурасына тікелей тәуелді [16].
Температураға байланысты бұл тәуелділікті экспонента (е) заңы арқылы сипаттауға болады:
[ Г ]Ме = exp (-∆QRT) (5)
∆Q - 1 моль газдың балқыған металда еруі үшін қажет жылу;
R - универсал газ тұрақтысы;
Т - температура.
∆Q мәні оң (+) немесе теріс (-) болуы мүмкін. Егер ∆Q0 болса, онда газдың балқыған металда еруі жылу энергиясын жұту арқылы өтеді. Мұны "эндотермиялық" деп атайды. Ал егер ∆Q0 болса, онда еру процессі сыртқы ортаға қосымша энергияны шығару арқылы өтеді. Бұл "экзотермиялық" деп аталады. Температураның өсуі газдың ерітіндідегі үлесінің төмендеуімен қатар жүреді. Эндотермиялық реакция кезінде балқыған метал температурасы төмендегенде, еру қабілеті де төмендейді. Нәтижесінде, кристалданған метал құрамында газды ойықтар пайда болады, олар оның беріктік қасиетін төмендетеді [17].
Газдар тек кірме ерітінділерін түзетіндіктен, олардың еруі атомдық радиус өлшеміне тікелей тәуелді. Газдардың еру жылдамдығы металдың және оның беттік қабатының агрегатты күйімен, кристалдық құрылымымен, газ қысымымен, еритін газ молекулаларының өлшемімен тығыз байланысты.
Балқыған қорытпаның құрамында газ концентрациясының жоғары болуы оның қаттылығының артуына және пластикалық қасиетінің төмендеуіне алып келеді. Болаттың құрамындағы көміртегі, марганец, кремний қоспалары газдың еру процессіне елеулі әсер етеді. Көміртегімен легирлеу - газдың еруін төмендетеді. Ал басқа легирленуші қоспалар: титан, ванадий, хром - газдың еруін арттырады, себебі бұл фазаның ҚЦК (ГЦК) торында газдың еру мүмкінді-гі артады. Азот металдың құрамында еруге қабілетті және ол оның құрамына молекулалық азоттың атмосферадан диссоциациясы нәтижесінде енеді. Азоттың Feα және Feδ - да еруі температура жоғарылағанда ғана артады, ал Feγ - да төмендейді. Азот металдың пластикалық қасиетін төмендете отырып, оның төмен температурадағы морттық қасиетін арттырады және болаттың ескіруге бейімділігінің артуына себеп болады. Метал құрамында белсенді түрде еритін газ - сутегі (Н2) болып табылады.
Кесте 1
Кейбір газдардың және көміртегінің метал құрамында еру мүмкіндігі ("+" символы - газдың сұйық металда жақсы еруі, "-" символы - керісінше)
Sn
Pb
Zn
Mg
Al
Cu
Mn
Ni
Fe
Ti
H2
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
O2
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
N2
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
C
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
Болат құрамындағы сутегінің үлесі. Кез келген агрегат атмосферасы- ның құрамында белгілі бір мөлшерде сутегі немесе Н2О буы болады. Сутегінің агрегат атмосферасынан металға енуі мына реакция бойынша:
H2газ -- 2[H] немесе Н2Огаз -- 2[H] + [O] H2газ (6)
[H] = K р , р - қысым (7)
Бұл теңдеу - квадратты түбір заңы деп аталады. Төмендегі диаграммадан (11-сурет) көрініп тұрғандай, металдың аллотропиялық өзгерісі кезіндегі сутегі еруінің секірмелі түрде өзгеруі құрамындағы сутегінің интенсивті бөлінуіне себепкер болады, металдың біртектілігі бұзылып, флокен (газдық көпіршіктің ерекше түрі) тәрізді ақаулар пайда болады. Қатты ерітінді құрамында қалып қойған сутегі кристалдық торды бұрмалайды (искажение), нәтижесінде оның морттық қасиеті артып, пластикалылығы төмендейді, метал сапасы нашарлайды. Сутегі мөлшерін төмендету үшін төмендегідей әдістерді пайдаланады:
1. Металды вакууммен өңдеу. Металды вакуумдық камераға енгізгенде, газдық фазадағы сутегінің қысымы төмендеп, ол метал құрамынан бөліне бастайды;
2. Инертті газдармен үрлеу. Металды инертті газдармен үрлеу кезінде (көп жағдайда бағасы төмен және қол жетімді аргон (Ar) инертті газы қолданылады) газдың ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Металдардың газды жұту қасиеттері тақырыбы бойынша
мaмaндығы 5B071000 - Мaтериaлтaну және жaңa мaтериaлдaр технологиясы
ТҮЙІН СӨЗ
Диплoмдық жұмыc кiрicпeдeн, 3 бөлiмнeн, қoрытындыдaн жәнe 29 әдeбиeттeрдeн тұрaтын тiзiмнeн құрaлғaн. Жұмыc 51 бeт, 28 cурeт, 28 формуланы, 4 кecтeнi қaмтиды.
Кілтті сөздер: металдар, олардың қасиеттері, газдардың түрлері және металмен құрылымдық әсерлесу мүмкіндіктері.
Зерттеу объектісі: коррозияға төзімді аустенитті-ферритті болат (10Х18Н10Т).
Жұмыстың мақсаты: электрон - позитрондық аннигиляция (ЭПА) әдісі арқылы метал мен газдың өзара әсерлесуі нәтижесінде орын алатын физико-химиялық процесстерді бағалау және алынған нәтижелерді саралау.
Зерттеу тапсырмасы: коррозияға төзімді аустенитті-ферритті болаттың газбен әсерлесуін зерттеп, онда пайда болатын процесстерді талдау.
Зерттеу әдісі: коррозияға төзімді аустенитті-ферритті болаттың газбен әсерлесуі электрон - позитрондық аннигиляция (ЭПА) әдісі арқылы зерттелінді.
Негізгі алынған нәтижелер:
Газдар метал құрамында бос күйінде болуы мүмкін немесе қышқылдар, гидридтер, нитридтер қалыптастыруы мүмкін. Нәтижесінде, металдың қасиеттері (механикалық, технологиялық, т.б.) біршама төмендейді. Сутегі ауадан 14,5 есе жеңіл, нәтижесінде метал кристалдық торында еркін қозғалады және оңай әсерлеседі.
ПА әдісі арқылы алынған нәтижелер бойынша, позитронның орташа өмір сүру мерзімі (τорт) 6 сағат сутегімен қанықтыру кезінде небәрі 12 пс-қа (7%) артты. Яғни, пайда болған ірі ақаулар мөлшері ұсақ ақаулар мөлшерінен әлдеқайда аз. Сонымен қатар, 120 мин сутегімен қанықтырудан кейін 150 мкм-ге дейінгі тереңдікте ірі және ұсақ ақаулар қатынасы өзгермейтіні анықталды. Және осы тередікте сутегі мөлшері максимал деңгейіне жетті деуге негіз бар.
Сутектендіру нәтижесінде τорт шамасы артатындығына көз жеткіздік. Дегенмен, белгілі бір уақытта ол тұрақталуы мүмкін, бұл жағдай коррозияға төзімді болаттарда, никельде, мыста және алюминийде жиі байқалады.
РЕФЕРАТ
Диплoмнaя рaбoтa cocтoит из ввeдeния, 3 рaздeлoв, зaключeния и cпиcкa иcпoльзoвaнных иcтoчникoв из 29 нaимeнoвaний. Рaбoтa coдeржит 51 cтрaниц, 28 риcункoв, 28 формул и 4 тaблиц.
Ключевые слова: металлы и их свойства, виды газов и их влияние на металы и на их структуры.
Объект исследования: нержавеющая аустенитно-ферритная сталь (10Х18Н10Т).
Цель работы: с помощью метода электрон - позитронной аннигиляции (ЭПА) исследовать газы, находящиеся в структуре металлов, а также оценить физико - химические процессы, протекающие в нем и анализировать полученные результаты.
Задачи исследования: изучить влияния газа на структуру нержавеющей аустенитно-ферритной стали и анализировать процессы, протекающиеся в нем.
Метод исследования: влияние газа на структуру нержавеющей аустенитно-ферритной стали изучено методом электрон - позитронной аннигиляции (ЭПА).
Основные результаты: газы, находящиеся в металле, могут быть в свободном состояний либо могут образовать окислы, гидриды, нитриды и т.д. В результате этого металл теряет некоторые свои свойства (механические, технологические). Водород легче воздуха в 14,5 раз. При этом, водород легко может проникать в металл и двигаться свободно в кристаллической решетке.
Как показал результат метода ЭПА, при водороживании среднее время жизни позитрона (τср) в течение 6 часа увеличивалось всего лишь на 12 пс (7%). Это показывает, что количество крупных дефектов намного меньше, чем микро дефекты. Кроме этого было установлено, что при водороживании в течение 120 мин в глубине до 150 мкм отношение крупных и мелких дефектов есть величина постоянная. В этой глубине количество водорода было максимальным.
Мы убедились, что при водороживании среднее время жизни позитрона (τср) увеличивается. Но спустя некоторые время, параметр τср может иметь величину постоянную. Это свойственно к металлам, особенно нержавеющей стали, никели, меди и алюминия.
ABSTRACT
Thesis consists of an introduction, three chapters, conclusion and bibliographies of 29 items. The paper contains 51 pages, 28 figures, 28 formulas and 4 tables.
Keywords: metals and their properties, types of gases, influence to metal and their structure.
The object of the study: stainless austenitic and ferritic steel (10C18N10Т).
The purpose of the study: the researches of gas - absorbing properties of metals are received by method electron - positron annihilation (EPA). Using this method for estimation physical chemistry processes and analysis obtained results.
Research objective: researches for influence of gas to structure and properties of stainless austenitic and ferritic steel and analyse obtained results.
Method of research: the method electron - positron annihilation (EPA).
Main results: Gases located in the metal can be in free states or can form oxides, hydrides, nitrides, etc. As a result, the metal loses some of its properties as mechanical, technological, etc. Hydrogen is lighter than air by 14.5 times. In this case, hydrogen can easily penetrate into the metal and move freely in the crystal lattice.
As the result of the ESA method, in the case of algalization, the average positron lifetime (τav) increased by only 12 ps (7%) within 6 hours. This shows that the number of large defects is much less than micro defects. In addition, it was found that when algalization during for 120 minutes at a depth of up to 150 microns, the ratio of large and small defects is constant. In this depth, the amount of hydrogen was maximum.
We were convinced that the average lifetime of a positron (τav) increases with algalization. But after some time, the parameter τav can have a constant value. This is characteristic for metals, especially stainless steel, nickel, copper and aluminum.
МАЗМҰНЫ
Қысқapтулaр мен белгiлеулер 6
Кiрiспе 7
1 Металдар. анықтамасы және қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... 9
1.1 Темір және оның негізіндегі қорытпалар (болаттар) 9
1.2 Коррозияға төзімді болаттар және олардың қасиеттері 12
1.3 Металдың құрамындағы қатты ерітінділер және химиялық
байланыстар 16
1.4 Металдың газдармен (оттегі, сутегі және азот) әсерлесуі 18
1.5 Сутегі - отынның жаңа альтернативті түрі ретінде 24
2 ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ ЖӘНЕ ҚОНДЫРҒЫЛАРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 27
2.1 Металдың ақаулы құрылымын зерттеуде қолданылатын
әдістер 27
2.2 Позитрондық спектроскопия әдісі. Позитрондар көзі және оларды алудың негізгі әдістері 28
2.2.1 Позитрондар аннигиляциясының заңдылықтары 31
2.2.2 Аннигиляциялық фотондардың бұрыштық таралуын өлшеу 33
2.3 Электрон - позитрондық аннигиляция құбылысының металдар мен
қорытпалардың ақаулы құрылымын анықтауда қолданылуы 34
3 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ ЖӘНЕ ОНЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... . ... ... ... 38
3.1 Материал құрылымындағы ақауларды талдау әдісі
(позитронды аннигиляция) 38
3.2 Сутегімен қанықтыру процессінің ЭПА параметріне әсері 40
Қoрытынды 49
Пайдаланылған әдeбиeттep тiзiмi 50
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕУЛЕР
ЭПА - Электронды-позитронды аннигиляция
АФБТ - Аннигиляциялық фотондардың бұрыштық таралуын өлшеу
АСДК - Аннигиляциялық сызықтардың доплерлік кеңеюі
ПӨСМ - Позитрондардың өмір сүру мерзімін өлшеу
FWHM - Жарты амплитуда деңгейіндегі толық ені (Full width at half maximum)
P-Рs - Парапозитроний
O-Рs - Ортопозитроний
КІРІСПЕ
Қазіргі таңда техника, технология қарқынды түрде дамып келеді. Оған бірден бір себеп - коррозияға төзімді, әрі беріктігі жоғары болаттардың өндірілуі. Коррозия - барлық металдар үшін кері әсерін тигізіп, оның құрылымы мен қасиетін түпкілікті өзгертетін құбылыс. Ал коррозияға төзімді болаттардың шығуы осы мәселенің алдын алды. Дегенмен, металдар үшін тағы бір мәселе - оның газдармен әсерлесуі. Газ атомдары өлшемі жағынан кіші, сол себептен, газ атомдары металдың кристалдық торында еркін қозғалып, оның қасиеттерін өзгертуге икемді. Металды қыздыру кезінде температура жоғары болған сайын, оның газдармен әсерлесу белсенділігі де артады, нәтижесінде, метал морт сынғыш күйге ауысып, маңызды қасиеттерінен біршама айырылады.
Метал - сутегі мәселесі бұрыннан зерттеліп келеді және оны зерттеуге арналған әдістер жетерлік. Бұл жұмыста қолданылған әдіс - электронды - позитронды аннигиляция (ЭПА) әдісі. Аннигиляция - бөлшек пен антибөлшектің өзара жойылу процессі, дегенмен, бұл жерде материяның да, энергияның да жойылуы болмайды, тек олардың бір күйден екіншіге көшуі, бір пішіннен екінші пішінге ауысуы орын алады. Аннигиляция процессі бір, екі немесе үш γ-кванттардың шығуымен жүзеге асады.
Бұл жұмыста зерттеу материалы ретінде аустенитті - ферритті болат қолданылды, аустенитті - ферритті болаттар (дуплекс) негізгі екі фазадан - аустенит (50% ) және феррит (50% ) тұрады. Болатты құраушы жлементтерге темірден басқа 22-25% хром, 5-7% никель, 0,10-0,25% азот және 3-4% молибден кіреді.Металдарды газдардан қорғау үшін вакуумды әдістерді қолдану қажет, сонымен қатар, зерттеу кезінде шихтаның және вакуумның жоғарғы деңгейде таза болуы өте маңызды.
Құйылым арқылы дайындалған материалдар сапасы құйылымды қорытпалардың технологиялық дегейіне тікелей тәуелді. Қалыпты толтыру және кристалдану, салқындату процессі кезінде қорытпалар өзіндік құйылым қасиеттерімен сипатталады. Оның ішінде ең маңыздылары: сұйық аққыштық, отырғызу, ликвацияға және газдарды жұтуға бейімділік. Сұйық аққыштық - метал мен қорытпалардың балқыған күйде қалыпты толтыра алу қабілеті. Жоғарғы деңгейдегі сұйық аққыштық күрделі конфигурациялы материалдарды алуға және ондағы ақаулардың мөлшерін төмендетуге мүмкіндік береді. Сұйық аққыштық қорытпаның физикалық қасиетіне тікелей тәуелді: тұтқырлығына және беттік созылуына. Бұл параметрлер артқан сайын, сұйық аққыштық төмендейді. Температура төмендегенде қорытпаның тұтқырлығы артады (сұйық аққыштық төмендейді).
Сонымен қатар, сұйық аққыштық металдың химиялық қасиетімен де тығыз байланысты, мысалы, шойын құрамында кремний (Si), фосфор (P) және көміртегінің (C) мөлшері артқанда, сұйық аққыштық қасиеті де артады. Өндіріс саласында, көбіне, құрамында фосфор (P) мөлшері көп (1,5 - 2,0%) шойындар қолданылады. Күкірт (S) және марганец (Mn) аққыштық қасиетке аз мөлшерде ғана әсер етеді. Бұл екі элементтің шойын құрамында қатар кездессе, марганец сульфиді (MnS) түзіледі, ол аққыштық қасиетін бірден төмендетеді. Шөгу - кристалдану және суыту процессі кезінде қалыпқа құйылған металдың сызықтық және көлемдік өлшемінің азаюы. Оның екі түрі бар: сызықтық және көлемдік. Сызықтық шөгу - қорытпа өлшемінің қатты күйде салыстырмалы өзгеруі. Көлемдік шөгу температураның төмендеуі кезінде және қорытпаның сұйық күйден қаттыға ауысуы кезінде пайда болады. Сызықтық және көлемдік шөгудің сандық мәндерін пайызбен (%) сипаттайды.
1 Металдар. анықтамасы және қасиеттері
1.1 Темір және оның негізіндегі қорытпалар (болаттар)
Металдар - электр- және жылуөткізгіштігі жоғары, сонымен қатар, пластикалық, қаттылық және беріктік қасиет көрсететін заттар. Металдың аталған қасиеттерге ие болуы құрамында бос электрондардың еркін қозғалысымен сипатталады. Д.И.Менделеев кестесіндегі 112 химиялық элементтің 83-і металдар. Олар мынадай қасиеттер көрсетеді:
- жоғары жылу- және электрөткізгіштік;
- электркедергілік коэффициенті оң;
- термоэлектронды эмиссия құбылысы (қыздыру кезінде электрондардың ұшып шығу құбылысы);
- шағылу қабілеті;
- пластикалық деформацияға қабілеттілік;
- полиморфизм.
Металлдық күй атомдар жиынтығы өзара жақындағанда сыртқы электрондар жеке атомдармен байланысын үзіп, ортақ электронға айналады да, еркін қозғалады. Қатты денелерде төрт байланыс түрін қарастырады: ван-дер-ваальстік, коваленттік, металдық және иондық [1].
Темір (Fe) - химиялық элементтер жүйесінің сегізінші топ элементі. Физикалық сипаттамасы бойынша, күміс-ақ түсті, химиялық реакцияға қабілетті метал, тығыздығы ρ=7,68 гсм3, атомдық нөмірі 26, атомдық массасы 58,85 көлем бірлікте, атомдық радиусы 0,127 нм. Жоғарғы температурада және ылғалды атмосферада коррозияға жылдам ұшырайды. Темір (Fe) табиғатта таза күйінде өте сирек кездеседі [2]. Бұл метал, көп жағдайда, темір-никельді (Fe-Ni) метеориттер құрамында кездеседі. Жер бетінде таралу мөлшері - 4,65%-ды құрайды (О, Si, Al-ден кейінгі 4-орында). Қалыпты жағдайда, ол пластикалық метал, легирлеу арқылы оның қаттылығын және морттық қасиетін арттыруға болады.
Сурет 1. Табиғатта кездесетін темір (Fe) [1]
Сурет 2. Темір - цементит (Fe-Fe3C) күй диаграммасы [2]
Бұл диаграммада темір-цементит жүйесінің құрылымы және фазалық құрамының көміртегі (С) мөлшеріне байланысты өзгерісі көрсетілген. А нүктесінің мәніне сәйкес келетін температура 15390С, яғни темірдің балқу температурасы. Диаграммадағы вертикаль FKL сызығы көміртегінің (С) еруінің шекті мәнін сипаттайды. Ендеше, диаграмма таза темірден (Fe) және құрамында 6,67% көміртегі (С) мөлшеріне ие цементитке дейінгі аралықты қамтиды. N нүктесі (13920С) және G нүктесі (9110С) α--γ және γ--α полиморфты түрлену температурасы болып табылады.
Диаграммадағы кристалдану процессін сипаттайтын сызықтарға тоқталып кетсек:
АВ қисығы - ликвидус сызығы (сұйық фазадан (L) ферриттік (Ф)
фазаға кристалдану процессін сипаттайды);
ВС қисығы - ликвидус сызығы (сұйық фазадан (L) аустениттік (А)
фазаға кристалдануын сипаттайды);
ВЕС кеңістігінде сұйық фаза (L) + аустенит (А) қалыптасады;
СD қисығы - ликвидус сызығы (бастапқы цементиттің (Ц) кристалдануын сипаттайды);
АН қисығы - ликвидус сызығы (толық кристалданған ферриттік (Ф)
фазаның сұйық фазадан (L) толық ажырауын сипаттайды), осы қисықтан төмен тек қатты фаза орын алады;
ЕСF қисығы - ледебурит (Л) құрылымының қалыптасу температу-
расын сипаттайды. Ледебурит (Л) тек эфтектикалық С нүктесіне сәйкес келеді.
Диаграммадағы С нүктесі қорытпаның сұйық күйден бірден қатты күйге ауысуын сипаттайды. Бұл нүктеде бір уақытта аралық сұйық және қатты фаза орын алмайды. Сондықтан, С нүктесін эвтектика деп атайды. Бұл еру қабілеті шектелу арқылы туындайтын барлық қорытпаларға тән құбылыс. Егер қорытпалар қатты ерітінді түрінде компоненттері бірі екіншісінің ішінде шексіз еритін болса, эвтектикалық құбылыс байқалмайды. Метал - көміртегі жүйесі үшін анықталған эвтектикалық нүкте ледебурит атауымен белгілі.
Сурет 3. Темір - графит күй диаграммасы [2]
Бұл жүйеде қисықтар, темір (Fe) - цементит (Fe3C) жүйесіндегі қисықтармен салыстырғанда, жоғарырақ орналасады және C, E, S нүктелері сол жаққа қарай жылжытылған. Эвтектикалық және эвтектоидтық айналым температуралары сәйкесінше 11530С және 7380С.
Темір - цементит күй диаграммасы - метатұрақты фаза, ал темір - графит күй диаграммасы - орнықты фаза болып табылады. Диаграммадағы фазаларға сипаттама берер болсақ [3]:
Феррит (Ф) - көміртегі (С) мен басқа қоспалардың Feα- ғы қатты ерітіндісі. Екі түрі бар: төмен және жоғары температуралық феррит. Төмен температуралық феррит құрамында көміртегі (С) мөлшері 0,02%-дан аспайды. Ал жоғары температуралық ферриттің құрамында оның мөлшері 0,1%-ды құрайды.
Сурет 4. 9500С кезіндегі феррит микроқұрылымы [3]
Аустенит (А) - көміртегі (С) мен басқа қоспалардың Feγ-ғы қатты ерітіндісі. Оның құрамында көміртегі (С) мөлшері 2,14%-дан аспайды.
Сурет 5. 9500С кезіндегі аустенит микроқұрылымы [3]
Цементит (Ц) - темір (Fe) мен көміртегінің (C) химиялық қосылысы. Формуласы Fe3C. Көміртегі үлесі 6,67%-ды құрайды. Атомдары тығыз орналасады. Балқу температурасын дәл анықтау мүмкін емес, себебі белгілі бір температурада цементит графит бөліп ыдырап кетеді. Оның балқу температурасын шамамен 12500С деп бағалайды. 2100С температураға дейін ферромагнитті. Цементиттің қаттылығы жоғары (НВ 800), пластикалық қасиеті жоқ құрылым, сонымен қатар, цементит - метатұрақты фаза болып табылады.
Ледебурит (Л) - морттық қасиетке ие құрылым. Ол аустенит (А) пен цементиттің (Ц) қосындысынан пайда болады, көміртегі мөлшері 4,3%-ды құрайды.
Перлит (П) - диаграммадағы аустениттің (А) ыдырау өнімі. Көміртегі мөлшері 0,81%-ды құрайды. Бұл құрылым феррит (Ф) пен цементиттің (Ц) қосындысынан пайда болады.
Графит (Г) - гексагоналды торлы, жұмсақ, беріктілігі және электр-өткізгіштігі төмен [3].
1.2 Коррозияға төзімді болаттар және олардың қасиеттері
Болаттар - машина бөлшектерін, ұшу аппараттарын, приборлар, сонымен қатар, құрылыс жабдықтарын және конструкцияларын дайындауда кең қолданылатын негізгі металдық материал. Оның физико-химиялық және технологиялық, механикалық қасиеттерінің жоғары болуы оның эксплуатация аумағын кеңейтуде. Болаттарды өндірудің негізгі әдістері ХІХ ғ. ортасында жүргізіле бастады [4].
Болаттар статикалық және циклдық беріктіліктің жеткілікті көрсеткішіне ие бола отырып, қаттылықтың да жоғарғы шамасын көрсетеді. Бұл айтылған параметрлерді көміртегі және легирлеуші элементтердің мөлшерін бақылау арқылы және түрлі термиялық өңдеу амалдарын жүргізу арқылы өзгертуге болады. Болаттар бірнеше топтарға жіктеледі:
Көміртекті болаттар
Легирленген болаттар;
Ерекше қасиеттерге ие болаттар;
Коррозияға төзімді болаттар.
Коррозияға төзімді болаттар - көптеген агрессивті орталарда (сулы атмосфера және ауа, қышқыл және тұз ерітінділері) жоғарғы коррозиялық тұрақтылық көрсетуге қабілетті болаттар топтамасы. Айта кетер жайт, бұл болаттар типін коррозияға мүлдем ұшырамайды деп айтуға негіз жоқ, дегенмен, болаттың басқа түрімен салыстырғанда, олар коррозияға төмен деңгейде ұшырайды [5].
Қарапайым болатты коррозияға төзімді болатқа айналдыруға қабілетті бірден бір элемент - хром (Cr). Бұл элемент металдың беттік қабатында қорғаныш үлдірін қалыптастыруға қабілетті. Болат құрамына ене отырып, хром темірмен қатты ерітінді қалыптастырады, нәтижесінде оның коррозиялық төзімділігі біршама көтеріледі. Бірақ, хром мөлшері 11,7%-дан кем болмауы шарт. Хроммен (Cr) қатар, никель (Ni) және молибден (Mo) элементтері коррозиялық төзімділікті арттыруда оң үлесін тигізеді.
Коррозияға төзімді болаттарды негізгі топтарға жіктейді: хромды, никельді, хромникельді, хромникельмолибденді болаттар және т.б.
Сурет 6. Тотықпайтын (коррозияға төзімді) болаттардың
жалпы кескіні [5]
Аустенитті - ферритті болаттар. Аустенитті - ферритті болат (дуплекс) екі негізгі фазалардан тұрады - аустениттен және ферриттен (50% аустенит және 50% феррит, сонымен қатар, 22-25% хром, 5-7% никель, 0,10-0,25% азот және 3-4% молибден). Аталған екі фаза құрамында хром мөлшері жоғары болғандықтан, олар коррозияға тұрақты келеді. Аустенитті - ферритті болаттар, бір фазалы аустенитті болаттардан жоғары ағу шегімен, дәнекерленушілігімен, никель мөлшерінің төмендігімен ерекшеленеді.
Аустенитті болаттар хлорлы ерітінділерге тұрақтылығы төмен. Болаттың дуплекстілігі жоғары беріктілік қасиет көрсетеді, сол үшін одан массасы аз бұйымдар дайындауға болады [6].
Сурет 7. Аустенитті - ферритті (дуплекс) болат құрылымы [6]
Аустенитті - ферритті болаттарды үш топқа жіктейді: бірінші топ - 0,12% C мөлшері бар және титанмен тұрақтандырылған болаттар, екінші топ - 0,03% С және құрамында тұрақтандырғыш элементтер жоқ, ал үшінші топқа - 0,03% С және тұрақтандырылмаған, дегенмен қосымша азотпен (0,35%-ға дейін) легирленген болаттар.
Аустенитті - ферритті болаттар аустенитті топтың хромникель-молибденді болаттардың орнын баса алады. Көптеген агрессивті орталарда коррозиялық тұрақтылығы хром мөлшерінің жоғары болуымен (20%) сипатталады. Феррит пен аустенит дәннің ұлғаюына және пластикалық деформацияға тосқауыл қояды, нәтижесінде дуплексті болат жоғарғы беріктілік шамасына ие болады. Ал құрамындағы хром, никель және молибден мөлшерінің көп болуы коррозиялық тұрақтылықты арттырады. Температураның артуымен дуплексті болаттың сұйық аққыштығы төмендейді. Аустенитті болатпен салыстырғанда, дуплексті болат коррозиялық сызаттарға сезімтал емес [7].
Дуплексті құрылымның қалыптасуы беріктілік қасиеттерін арттыра отырып, питтингтің түзілуіне шектеу қойып, коррозияға тұрақтылықтың жоғары болуын қамтамасыз етеді. Оның ең маңызды легирлеуші элементтері - хром, молибден, вольфрам және азот.
Қазіргі таңда барлық заманауи дуплексті болаттарды дайындау кезінде көміртегі мөлшерінің төмен болуын қадағалайды. Соның нәтижесінде, олардың кристалитаралық коррозияға тұрақтылығы артады. Дуплексті болаттар феррит пен аустениттің көптеген қасиеттерін біріктіреді. Бөлме температурасының өзінде, оның механикалық беріктілігі және тұтқырлығы жоғары. Дуплексті болаттар толығымен ферритті құрылыммен кристалданады. Суыту кезінде феррит ақырындап аустенитке айнала бастайды. Жоғары температураларда аустенитті тұрақтандыру үшін заманауи дуплексті болаттарды азотпен легирлейді.
Егер дәнекерлеу кезінде суыту жылдамдығы тым жоғары болса, онда феррит мөлшері дәнекерлеуден кейін жоғарғы шамада болуы мүмкін (шамамен 65%). Феррит деңгейінің жоғары болуы коррозияға тұрақтылық пен тұтқырлықты төмендетеді. Физикалық қасиеттері [8]:
Жылулық ұлғаю;
Жылуөткізгіштік;
Электрлік меншікті кедергі.
Аустенитті - ферритті болаттар 450-6500С температурада қыздыру кезінде өз тұтқырлығынан айырылады. Себебі, осы температурада карбидтердің бөлінуі күшейіп, морттық қасиет жоғарылайды. Дуплексті болаттар коррозиялық сызаттарға тұрақты келеді, сызаттар тек аустенит аймағында пайда болуы мүмкін, дегенмен ферритті аймақ оның дамуына тосқауыл қояды. Дуплексті болаттар -196 0С-ден 600 0С температура аралығында жұмыс істеуге қабілетті. Сонымен қатар, болаттың бұл типіне ыстық және суық деформация, кесу, дәнекерлеу амалдарын жүргізуге мүмкіндік бар. Құрамында никель мөлшері аз болғандықтан, бағасы қол жетімді болып табылады.
Дәнекерлеу кезінде аустенитті - ферритті болаттардың бір кемшілігі - күйіп кетуге және морттыққа бейімділігі.
Fe - Cr жүйесі. Болаттың коррозиялық тұрақтылығын арттыру үшін оны хроммен легирлейді. 12 ат.%-дан жоғары хром мөлшері кезінде атмосфералық және өндірістік орталар үшін коррозиялық тұрақтылық артады. Коррозияға тұрақтылық қасиетінің бірден жоғарылауы Fe - Cr жүйесінің 12...14 ат.% хром мөлшері кезінде электродты потенциалының жоғарылауына және металдың беттік қабатында қорғаныш үлдірін (пленка) қалыптастыра алу қабілетіне байланысты.
Хром КЦК-торлы темір модификацияларын тұрақтандырып, қатты ерітінділердің үздіксіз қатарын құрайды. 7,5 ат.% мөлшерінде хром α--γ полиморфты ауысым температурасын 9100С-ден 8300С-ге дейін төмендетеді. Хром мөлшері одан сайын артқанда, бұл температура бірден жоғарылайды.
Аустенитті - ферритті болаттардың негізгі кемшіліктері де жоқ емес: оның беріктігінің жоғары болуы - технологиялық өңдеу (қысым және кесумен өңдеу) амалын жүргізу кезінде оның белгілі бір деңгейде кемшілігі болып табылады. Сонымен қатар, дуплексті болаттарды жоғарғы пластикалық қасиетке ие бұйымдар дайындауда қолдану мүмкін емес. Сигма - фазаның (σ-фаза), нитрид пен карбидтің қалыптасуы (10000С-ден жоғары) дайындау немесе дәнекерлеу кезінде суыту жылдамдығының төмен болуынан байқалады. Болат құрамында легирленген элементтер мөлшері көп болған сайын, сигма-фазаның қалыптасу мүмкіндігі артады. Бұл құбылыс дуплексті болаттарда жиі байқалады. Сигма-фаза - интерметаллидті фаза болып табылады (600-950 0С температура аралығында пайда болуы мүмкін). Ферриттің ыдырауы 350-525 0С аралығында байқалады, 475 0С температурада ферриттің морттылығын байқауға болады [9-10].
1.3 Металдың құрамындағы қатты ерітінділер және химиялық байланыстар
Қатты ерітінділер - әр түрлі химиялық элемент атомдары ортақ кристалдық торда орналасқан ауыспалы құрамның фазалар жиынтығы, яғни, бір компонент атомы өз кристалдық торын сақтайды, ал басқа компонент атомдары сол торда орналасып, оның өлшемін және пішінін өзгертеді. Ол атомдар өзара бейберекет немесе белгілі бір реттілікпен орналасуы мүмкін. Олардың реттілігін рентген құрылымдық анализ әдісі арқылы анықтауға болады [11].
Қатты ерітіндіні құру барлық қатты денелерге тән қасиет. Қатты ерітіндінің негізгі екі түрі белгілі.
Сурет 8. Орын басу және кірме қатты ерітіндісі [11]
Юм-Розеридің жартылай эмпирикалық ережесіне сай, орын басу қатты ерітіндісінің үздіксіз қатарын қалыптастыратын элементтер мынадай шарттарға жауап беруі тиіс:
1.атомдық радиусы жақын болуы (8-13%-дан аспауы);
2.бір-бірімен жақын орналасуы;
3.элементтердің кристалдық торлары бірдей болуы.
Егер компонент атомдары өлшемі және электронды құрылымы жағынан
бір-біріне сәйкес келмесе, онда бір элемент атомы екінші бiр элементтің крис-
талдық торына енуі мүмкін. Бұл құбылыс, көбіне, бейметалдардың (B, H, O2, N2, C) металдарда еруі кезінде байқалады. Кристалдық тордағы бос түйіндер нәтижесінде пайда болатын алып тастау қатты ерітіндісі химиялық қосылыс кезінде компоненттердің бірі ерігенде түзіледі. Бұл ерітінді түрі бейстехиометриялық қосылыстарға тән. Легирленген жартылай өткізгіштер, сонымен қатар, көптеген сегнетоэлектриктер де қатты ерітінділер болып табылады.
Кірме қатты ерітіндісі еріген элемент атомының диаметрі кіші болғанда ғана пайда болуы мүмкін. Яғни, қатты ерітіндінің бұл түрі көміртегі, азот, сутегі, т.б. атомдық радиусы кіші элементтердің металда еруі кезінде байқалады. Қатты ерітінділерге металдық байланыс тән. Бейметалдар (сутегі (H2), азот (N2), көміртегі (C), бор (B)) атомдарының өлшемі кіші болып келеді. Дегенмен, бұлардың өлшемі кристалдық тордағы метал атомдарының арасындағы қуыс өлшемінен үлкен, сол себептен, кірме қатты ерітіндісі қалыптасқанда, кристалдық тор өзгеріске ұшырап, кернеулер пайда болады. Қатты ерітіндіні құраушылар ерітуші және еруші болып бөлінеді (8-сурет).
Еруші элемент атомдары ерітуші элементтің кристалдық торына бейімделу арқылы орналасады, яғни ерітуші элемент атомдарының түйінаралық кеңістігіне жайғасады. Дегенмен, кез келген жеріне емес, бос кеңістігі көп жерде орналасады. Егер негізгі металдың кристалдық торында дислокация сынды ақаулар бар болса, кірме атомдары сол ақаудың айналасына шоғырлана орналасады. Бұл атомдар Коттрелл атмосферасы деп аталады [12].
Егер компоненттер табиғаты жағынан жақын болса, олар үздіксіз қатты ерітінділер қатарын құрады.
Кристалдық торда химиялық байланыстардың пайда болуы. Қорытпалар түзілу барысында, оны құраушы компоненттер өзара химия-
лық байланысқа түсуі мүмкін. Бұл байланыс химиядағы бейорганикалық байланыстан өзгеше құрылым. Негізгі ерекшеліктерін атап өтер болсақ:
Бұл байланыста валенттік заңдар орындалмайды;
Жаңа байланыстың кристалдық торы компоненттердің кристалдық
торынан өзгеше болып қалыптасады. Химиялық байланыс қарапайым AnBm формуласымен өрнектеледі;
Сурет 9. Метал құрамындағы химиялық байланыс [13]
Жаңа байланыс қасиеті компонент қасиетінен өзгеше, бірақ балқу тем-
пературалары (Тб) өзара жақын;
Жаңа байланыстың түзілуі кезінде жылулық құбылыстар орын алады;
Дәстүрлі химиялық байланыспен салыстырсақ, бұл байланыс қасиет-
тері мүлдем өзгеше металдар арасында орын алады. Олардың кристалдық торында үлкен айырмашылық болады. Мысалы,
Mg2Sn, Mg2P
Сол себептен, оларды - интерметаллидтер деп атайды.
Егер метал бейметалмен химиялық байланыс түзетін болса, олардың арасында бәрібір металдық байланыс қалыптасады. Бірақ, олар интерметаллид бола алмайды. Сол үшін, оларды - металдық қасиеттегі құрамалар деп атайды.
Егер метал N, B, H2, C секілді бейметалдармен химиялық байланысқа түсетін болса, жаңадан қалыптасқан комплекс компоненттердің атомдық радиус өлшеміне тікелей тәуелді болады және соған сәйкес атауларға ие болады: егер метал көміртегімен (C) байланысатын болса - карбид, азотпен (N2) - нитрид, сутегімен (H2) - гидрид, бормен (B) - борид.
N2, B, H2, C секілді бейметалдар - ендіру фазалары болып табылады. Олар үшін келесідей формулаларды қолдануға болады [13]:
M4X (Fe4N, Mn4N)
M2X (W2C,Mo2C)
MX (WC,VC,TiC) мұндағы, М-метал, Х-элемент.
1.4 Металдың газдармен (оттегі, сутегі және азот) әсерлесуі
Газдарды жұтуға бейімділік - құйылым қорытпаларының сұйық күйінде H2, O2, N2 газдарын жұту қабілеті. Аталған газдар металға түрлі жолдармен енуі мүмкін: шихталық материалдардан, атмосферадан (ашық түрде балқытқан кезде), қорытпаның қалып материалымен әсерлесуі кезінде, т.б. Газдар метал құрамында бос күйінде болады немесе қышқылдар, гидридтер, нитридтер қалыптастыруы мүмкін. Нәтижесінде пайда болған газдық қуыстар мен раковиналар қорытпаның кейбір қасиеттерін төмендетеді. Газдық кеуектілік мөлшерін азайту үшін суыту жылдамдығын арттырып, қысымды көтеру керек. Газдың метал құрамында еруі газдың табиғатына, метал мен қорытпаның күйіне, температураға және газдың парциалдық қысымына тәуелді. Газдың еруі - эндотермиялық процесс. Температура жоғарылағанда энтальпия өзгерісіне байланысты газдың еруі жоғарылауы немесе төмендеуі мүмкін [14].
Сурет 10. Газбен қанықтыру кезіндегі металдың кристалдық торындағы газ атомы [14]
Металдың сутегімен (Н2) әсерлесуі. Сутегі (Н) - жеңіл, түссіз газ. Ауамен және оттегімен әсерлескенде жануға, жарылуға бейім. Улы емес. Этанолда (C2H2) және кейбір металдарда (темір (Fe), никель (Ni), палладии (Pd), титан (Ti), платина (Pt)) еруге қабілетті. Космостық температурада сутегі плазма түрінде, ал ол жердегі кеңістікте жеке молекула, атом және ион түрінде таралған.
Алу жолы:
10000С температурада су буымен конверсиялау:
CH4 + H2O -- CO + 3H2 (1)
Тұздардың сулы ерітіндісінің электролизі:
2NaCl + 2H2O -- 2NaOH + Cl2↑ + H2↑ (2)
Оттегімен каталитикалық қышқылдату:
2CH4 + O2 -- 2CO + 4 (3)
Физикалық қасиеті: сутегі - ең жеңіл газ, ауадан 14,5 есе жеңіл. Соның нәтижесінде, сутегі молекулалары, басқа газдармен салыстырғанда, жылдам қозғалады және жылуды бір денеден екіншіге оңай тасымалдайды. Сутегінің жылуөткізгіштігі, ауамен салыстырғанда, шамамен 7 есе жоғары. Сутегі - металдағы еруші газдардың басты үлесін құрайды. Егер метал сумен әрекеттесетін болса:
Ме (метал) + H2O = МеО (тотық) + 2Н (сутегі) (4)
Mg-Fe арасындағы сутегінің еруі жылуды пайдалану арқылы өтеді. Ал титанда (Ti) еруі - экзотермиялық процесс. Сол үшін, сутегінің титанда еруі төменгі температурада басымырақ. Температура көтерілсе, титан құрамында гидридтер пайда болады. Егер бұл гидридтердің үлесі артатын болса, титан (Ti) бүтін металдан ұнтаққа айналады. Төмендегі 1- кестеге көз жүгіртсек, Sn-Al элементіне дейін металдар оттегіні (O2) ерітпейді. Себебі, бұл металдардың беттік қабатында үлдір (пленка) пайда болады.
Азоттың (N) Mn, Ni, Fe - де еруі - эндотермиялық процесс. Сондықтан, бұлар азотты сіңіру арқылы газ қуыстарын туғызуға бейім болып келеді. Егер Fe және Ni элементтеріне Al, Ti атомдарын қосып қорытпа дайындасақ, азот-тың еруі күрт төмендейді. Sn-Cu арасындағы металдар үшін азот (N) инертті газ рөлін атқарады [14-15].
Болат құрамына ене отырып, сутегі потенциалдық өріс әсерінен ионизацияланады, нәтижесінде протон немесе теріс зарядталған ион Н- пайда болады. Протон кристалдық торда әлсіз электр өрісі арқылы қозғалады, бірақ ешқандай өзгеріс тудырмайды. Ал Н- ионы иондық типті байланыспен химиялық бірігіп, белгілі бір байланыс түзеді. Ауыспалы металдарда ионизация толық жүрмейді, сол себептен сутегі атомы қозған немесе жартылай иондалған күйде болуы мүмкін. Бұл жағдайда сутегі атомының өлшемі протон өлшемінен үлкен және ол түйін арасына шоғырланып, кристалдық торды бұрмалайды.
Көп жағдайда, болат құрамындағы сутегі - зиян қоспа ретінде қарастырылады. Сутегінің аздаған мөлшерінің өзі болаттың құрамы мен құрылымын өзгеріске ұшыратып, сутектік морт сынғыштықтың пайда болуына себепкер болады. Сутегі атомдарының массасы және өлшемі кіші, соның нәтижесінде ол кейбір металдардың кристалдық торында жиналуға қабілетті [15].
Сутегінің металдағы күйі және оған ену процессі. Метал - сутегі жүйесін зерттеу сутегі атомдарының металдармен әрекеттесу сипатымен тығыз байланысты ерекшеліктер қатарын құрады. Бұл ерекшеліктер сутегінің металдағы жоғары жылжу және реакциялық қабілетімен байланысты және олар термиялық, радиациялық, механикалық немесе электромагнитті әсер ету кезінде сутегінің, қоспалы атомдардың және ақаулардың мөлшері өзгерген кезде байқалады.
Сутегі метал құрамында түрлі күйде болуы мүмкін: гидрид, еріген күйде, гидроқышқыл Ме(ОН)n түрінде, сонымен қатар адсорбцияланған судың құрамына кіруі мүмкін. Қалыпты жағдайда, металдар ауадан адсорбцияланған судың полимолекулалы қабатымен қапталған.
Ақпараттарға сәйкес, сутегі барлық металдарда, сонымен қатар, титан құрамында да ионизацияланады және протон түрінде диффузияланады. Әлсіз электр өрісі әсер еткеннің өзінде, сутегі атомдары балқыған метал құрамында катодқа қарай ығысады. Протон өлшемі атом өлшемінен жүз мың есе кіші екенін ескерсек, сутегі атомдарының диффузиясы жылдам өтеді деуге толық негіз бар [15-16].
Метал құрамына ене отырып, сутегі ақаулармен (вакансия, қоспалық атомдар, дислокация, меншікті түйінаралық атомдар, түйін шекаралары) белсенді түрде әрекеттесіп, күрделі кешендер (комплекс) түзеді. Сутегі атомдарының, қалыпты күйдегісімен салыстырғанда, потенциалдық энергиясы төмен болатын метал құрамындағы аймақтар тұзақ (ловушка) деп аталады. Зерттеу нәтижелері бойынша, ең аз энергияға ие кешен - сутегі-м.т.а. (меншікті түйінаралық атом) кешені, мысалы Pd, Cu және Ni үшін байланыс энергиясы 0,16, 0,21 және 0,24 эВ.
Вакансия типті ақаулар сутегі үшін эффективті тұзақ (ловушка) бола алады. Сутегі тек дайын ақаулармен ғана әрекеттесіп қоймай, көптеген жаңа ақаулардың пайда болуына себепкер болады.
Болаттар мен қорытпалар сұйық күйінде газдарды жұтуға және ерітуге қабілетті. Сұйық метал қатты қызған сайын, бұл қасиет жоғарылай береді. Ал салқындату және кристалдану кезінде газдардың еруі төмендейді.
Газдар болат құрамына ене отырып, оның қасиетін төмендетеді, сонымен қатар, газдық шұңқырлар мен басқа да ақаулардың пайда болуына себепкер болады. Нәтижесінде, құю кезінде сұйық болаттың беріктігі және тығыздығы төмендейді. Оттегі болат құрамында ери отырып, болатпен химиялық байланыс түзеді, бұл байланыс болат беріктігіне кері әсерін тигізеді [16].
Сұйық болат құрамындағы газдарды жою үшін, қасиеті жағынан оттегіге және азотқа ұқсас элемент (металдық Al (алюминий)) қолданылады. Ол оттегімен және азотпен байланысады, нәтижесінде пайда болған алюминий қышқылы және нитриді балқыған болаттың беттік қабатына көтеріліп, шлак түзеді.
Балқыған болатты құю арқылы алынған бұйымның сапасы оның газбен байланысу қабілетіне тікелей тәуелді. Болат балқыған күйде газбен белсенді түрде әрекеттеседі. Бұл процесс - күрделі физико-химиялық құбылыс болып табылады. Газдың болатқа жұтылу арқылы енуі - екі ортада тепе-теңдік орнағанша жүреді. Дегенмен, газ бен сұйықтың арасында тепе - теңдіктің орнауы сирек кездесетін жағдай. Сол үшін, газдың балқыған болатпен әсерлесуінің үш түрін атап көрсетуге болады:
Толық өзара ену: бұл процесс балқыған болаттың инертті ортада
әсерлесуімен сипатталады;
Газ атомдары балқыған болатқа мүлдем берілмейді, дегенмен, олар
химиялық байланысқа түсуі мүмкін. Пайда болған құрамалар балқыған болаттың ішкі көлеміне тарап, оны ластайды;
Газ бен балқыған болат арасында түрлі ерітінділер пайда болуы
мүмкін. Газдың болатта еруі орта қысымына және температурасына тікелей тәуелді [16].
Температураға байланысты бұл тәуелділікті экспонента (е) заңы арқылы сипаттауға болады:
[ Г ]Ме = exp (-∆QRT) (5)
∆Q - 1 моль газдың балқыған металда еруі үшін қажет жылу;
R - универсал газ тұрақтысы;
Т - температура.
∆Q мәні оң (+) немесе теріс (-) болуы мүмкін. Егер ∆Q0 болса, онда газдың балқыған металда еруі жылу энергиясын жұту арқылы өтеді. Мұны "эндотермиялық" деп атайды. Ал егер ∆Q0 болса, онда еру процессі сыртқы ортаға қосымша энергияны шығару арқылы өтеді. Бұл "экзотермиялық" деп аталады. Температураның өсуі газдың ерітіндідегі үлесінің төмендеуімен қатар жүреді. Эндотермиялық реакция кезінде балқыған метал температурасы төмендегенде, еру қабілеті де төмендейді. Нәтижесінде, кристалданған метал құрамында газды ойықтар пайда болады, олар оның беріктік қасиетін төмендетеді [17].
Газдар тек кірме ерітінділерін түзетіндіктен, олардың еруі атомдық радиус өлшеміне тікелей тәуелді. Газдардың еру жылдамдығы металдың және оның беттік қабатының агрегатты күйімен, кристалдық құрылымымен, газ қысымымен, еритін газ молекулаларының өлшемімен тығыз байланысты.
Балқыған қорытпаның құрамында газ концентрациясының жоғары болуы оның қаттылығының артуына және пластикалық қасиетінің төмендеуіне алып келеді. Болаттың құрамындағы көміртегі, марганец, кремний қоспалары газдың еру процессіне елеулі әсер етеді. Көміртегімен легирлеу - газдың еруін төмендетеді. Ал басқа легирленуші қоспалар: титан, ванадий, хром - газдың еруін арттырады, себебі бұл фазаның ҚЦК (ГЦК) торында газдың еру мүмкінді-гі артады. Азот металдың құрамында еруге қабілетті және ол оның құрамына молекулалық азоттың атмосферадан диссоциациясы нәтижесінде енеді. Азоттың Feα және Feδ - да еруі температура жоғарылағанда ғана артады, ал Feγ - да төмендейді. Азот металдың пластикалық қасиетін төмендете отырып, оның төмен температурадағы морттық қасиетін арттырады және болаттың ескіруге бейімділігінің артуына себеп болады. Метал құрамында белсенді түрде еритін газ - сутегі (Н2) болып табылады.
Кесте 1
Кейбір газдардың және көміртегінің метал құрамында еру мүмкіндігі ("+" символы - газдың сұйық металда жақсы еруі, "-" символы - керісінше)
Sn
Pb
Zn
Mg
Al
Cu
Mn
Ni
Fe
Ti
H2
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
O2
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
N2
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
C
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
Болат құрамындағы сутегінің үлесі. Кез келген агрегат атмосферасы- ның құрамында белгілі бір мөлшерде сутегі немесе Н2О буы болады. Сутегінің агрегат атмосферасынан металға енуі мына реакция бойынша:
H2газ -- 2[H] немесе Н2Огаз -- 2[H] + [O] H2газ (6)
[H] = K р , р - қысым (7)
Бұл теңдеу - квадратты түбір заңы деп аталады. Төмендегі диаграммадан (11-сурет) көрініп тұрғандай, металдың аллотропиялық өзгерісі кезіндегі сутегі еруінің секірмелі түрде өзгеруі құрамындағы сутегінің интенсивті бөлінуіне себепкер болады, металдың біртектілігі бұзылып, флокен (газдық көпіршіктің ерекше түрі) тәрізді ақаулар пайда болады. Қатты ерітінді құрамында қалып қойған сутегі кристалдық торды бұрмалайды (искажение), нәтижесінде оның морттық қасиеті артып, пластикалылығы төмендейді, метал сапасы нашарлайды. Сутегі мөлшерін төмендету үшін төмендегідей әдістерді пайдаланады:
1. Металды вакууммен өңдеу. Металды вакуумдық камераға енгізгенде, газдық фазадағы сутегінің қысымы төмендеп, ол метал құрамынан бөліне бастайды;
2. Инертті газдармен үрлеу. Металды инертті газдармен үрлеу кезінде (көп жағдайда бағасы төмен және қол жетімді аргон (Ar) инертті газы қолданылады) газдың ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz