Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия (окончательное состояние). Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Однако истинное равновесие достигается редко, наиболее часто системы находятся в метастабильном состоянии (неустойчивом), и под воздействием внешних факторов могут переходить в другие более устойчивые состояния. Метастабильные состояния нередко сообщают сплавам высокие механические и другие свойства.
Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное состояние сплавов, то есть после того как все превращения в них произошли и полностью закончились. Это состояние зависит от внешних условий (Т0 С; Р, МПа) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением
С = К - Ф + 2,
где С - число степеней свободы системы (или вариантность);
К - число компонентов, образующих систему;
2 - число внешних факторов (Т и Р);
Ф - число фаз, находящихся в равновесии.
Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
При нормальных условиях изменяется только один фактор -Т0 С, Р =const, тогда:
С=К - Ф + 1.
Число степеней свободы не может быть меньше нуля, тогда К-Ф+1>0, а Ф<К+1, то есть число фаз в сплаве, не может быть больше чем число компонентов плюс единица. Таким образом, в двойной системе может быть не более трёх фаз.
При С = 0 - существует в равновесии сразу три фазы - имеется нонвариантное равновесие (безвариантное). При таком равновесии сплав может существовать только при условии - постоянная температура и определённый состав всех фаз, находящихся в равновесии. То есть кристаллизация (или превращение) начинается и заканчивается при постоянной температуре. Если С =1 или 2, то кристаллизация или превращение протекает с течением времени в интервале температур.
При прокладке трубопроводов на заболоченных или обводненных грунтах выполняется балластировка трубопроводов, т.е. закрепление их (трубопроводов) с помощью утяжеляющих грузов или бетонирования. Эта статья рассказывает о самом популярном методе балластировки - применении железобетонных утяжелителей (ЖБУ).
Виды железобетонных утяжелителей: П-образные, кольцевые , поясные, сборно-блочные и заливаемые твердеющие растворы, в том числе системы типа «труба в трубе» с межтрубным цементно-песчаным заполнителем.
Наиболее распространены утяжеляющие ж/б пригрузы типов УБО (охватывающий) и УБК-М (клиновидный). Эти грузы следует применять для балластировки трубопроводов на переходах через болота различных типов и малые водотоки, на выпуклых и вогнутых кривых и прямолинейных участках, прилегающих к ним, на углах поворота в горизонтальной плоскости, на участках выхода трубопровода на поверхность, имеющего положительную температуру. Сюда же относятся и пойменные участки трубопроводов, прилегающие к водным преградам и подверженные паводковым затоплениям. Таким образом, опасность всплытия трубопроводов достаточно реальна. Самый распространённый вид пригрузов – седловидные. Главным недостатком этого груза является то, что, центр тяжести конструкции расположен выше оси трубопровода, а это приводит к тому, что нередко положение равновесия нарушается и пригруз опрокидывается. Кроме того, возможна поломка пригруза в вершине седла, вследствие малого сопротивления бетона изгибу.
Указанные недостатки частично устранены в конструкциях шарнирного пригруза и пригруза типа СУГ, однако устойчивость их недостаточна. Привлекательна своей устойчивостью конструкция пригруза УБО, т. к. центр тяжести конструкции размещается ниже оси трубопровода.
Однако использование железобетонных пригрузов связано с большими капиталовложениями, т. к. расход железобетона очень велик.
В условиях обводнённой и заболоченной местности балластировка трубопро-водов осуществляется одиночными и групповыми железобетонными пригрузами. Опасность всплытия трубопроводов имеет место на обводняемых участках их трассы. К обводняемым относятся участки трассы трубопровода, на которых происходит постоянное или временное превышение уровня грунтовых вод над уровнем дна траншеи и связанное с этим воздействие на трубопровод выталкивающей силы во-ды. Обводнение участков в процессе строительства и эксплуатации может происходить за счёт притока талых и дождевых вод через боковые стенки и дно в открытую траншею или в грунт обратной засыпки, бокового притока поверхностных и грунтовых вод из-за перераспределения стоков, вызванных отрывкой траншеи, оттаивания грунта вокруг трубопровода при транспортировке.
Недостатки применения ЖБУ состоят в их высокой стоимости и недостаточной надёжности для пучинистых грунтов вечной мерзлоты. В системе маги-стральных газопроводов на участке Ямбург – Ныда выявлены сотни всплывших участков газопроводов, забалластированных железобетонными утяжелителями типа УБК, УБО. Общее растепление вечной мерзлоты в первые годы работы га-зопровода привело к массовым всплытиям его участков. Жёсткие связи в системе «трубопровод – закрепляющая конструкция – грунтовое основание» в период пучения промерзающего грунта не выдерживают усилий, возникающих при подъёме трубопровода и разрываются в силу того , что не способны компенсировать вертикальные перемещения трубопровода и перераспределить их между отдельными закрепляющими устройствами. Кроме того, взаимодействие этих устройств с трубопроводом создаёт значительные локальные нагрузки, повреждающие изоляционное покрытие и вызывающие повышение напряжений изгиба в стенке труб.
Влияние углерода и примесей на свойства стале
Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.
Влияние углерода.
С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности , а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.
Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.
Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.
Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.
Влияние примесей.
В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.
Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.
Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.
Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке
Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.
Располагаясь вблизи зёрен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25ºС.
Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.
Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.
Сера уменьшает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.
Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988ºС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зёрнами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.
Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах
Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость аи пластичность (и ), а также предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.
истые металлы, содержащие 99,99…99,999 % основного металла, как правило, обладают низкой прочностью, и по этой причине их применение в качестве конструкционных материалов крайне ограничено. Гораздо чаще применяют сплавы металлов с металлами и неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы состоят из двух и более компонентов. Сплавы получают сплавлением жидких компонентов или диффузионным спеканием твердых порошков.
В металловедении широко используются понятия система, фаза и структура.
Система – это совокупность большого числа фаз, находящихся в равновесии.
Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отдельные от других составных частей системы поверхностями раздела.
Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения отдельных фаз в металлах и сплавах. Различают макроструктуру (т.е. строение металла и сплава, видимое невооруженным взглядом или при увеличении до 30…40 раз) и микроструктуру (наблюдаемую с помощью оптических и электронных микроскопов при большем увеличении).
В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов, в сплавах могут образовываться 3 вида фаз:
1) Жидкие растворы могут содержать одну или несколько фаз, если они не смешиваются (например: вода и масло, железо и свинец).
2) Твердые растворы – это фазы, в которых сохраняется кристаллическая решетка одного из компонентов, а атомы другого компонента располагаются внутри решетки, изменяя ее размеры. Различают твердые растворы замещения (рис. 23а) и твердые растворы внедрения (рис. 23б). Все металлы в той или иной степени растворяются друг в друге (например: в алюминии растворяется до 5 % меди; в меди может раствориться до 39 % цинка – однофазная латунь). Важнейшими для нас твердыми растворами внедрения являются: феррит[30] – твердый раствор углерода в α-Fe и аустенит[31]– твердый раствор углерода в γ-Fe.
3) Химические соединения, в отличие от твердых растворов, обычно образуются между компонентами, имеющих большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток; при этом кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток всех компонентов, а между компонентами соблюдается кратное соотношение AnBm, где n и m – простые целые числа. Важнейшим для нас химическим соединением является цементит – карбид железа Fe3C; он имеет алмазоподобную кристаллическую решетку и поэтому отличается очень высокой твердостью, прочностью и хрупкостью.
Твердые растворы и химические соединения представляют собой однофазные структуры; в отличие от них механические смесипредставляют собой двух и более фазные структуры, состоящие из перемежающихся мелких зерен различных фаз, между которыми имеются границы раздела. Важнейшими для нас механическими смесями являются:перлит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 0,81 % С и ледебурит– механическая смесьзерен феррита и цементита, содержащая в среднем 4,3 % С.
Футеровка труб производится с целью защиты их от коррозии, механических и атмосферных разрушительных факторов, а также воздействия агрессивных химических веществ. Сам процесс футеровки может происходить несколькими способами.
Футеровка труб производится с целью защиты их от коррозии, механических и атмосферных разрушительных факторов, а также воздействия агрессивных химических веществ. Сам процесс футеровки может происходить несколькими способами. Каждый из этих способ отличается рядом достоинствам и недостатков. Поэтому, выбирая подходящий, необходимо учитывать данную конкретную ситуацию и среду, с которой будет контактировать покрытие. Футеровка труб крайне необходима, даже когда речь идет об их дальнейшем взаимодействии с питьевой водой, обдающей депассивирующим действием, относительно поверхности металла.
Некоторым преимуществами отличается способ футеровки труб, где актуально использование вкладышей. Фторопласт наносится на поверхность трубы, посредствам напыления, либо ротационным формированием фторопластов. Кроме того, могут использоваться внутренние вкладыши, устанавливаемые свободно вовнутрь трубы, либо приклеиваемые к ее корпусу.
Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий: 1) распад цементита и растворение атомов углерода в аустените; 2) образование центров графитизации в аустените; 3) диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитизации; 4) рост выделений графита. На рис. 21 показана совмещенная диаграмма: сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма железо-цементит, штриховыми линиями - стабильная диаграмма железо-графит. По диаграмме железо-цементит в области чугунов получают белые чугуны, а по диаграмме железо-графит - серые чугуны. На диаграмме железо-графит горизонтальные линии E'C'F' и P'S'K' лежат несколько выше, а наклонные линии CD' и E'S' -. несколько левее соответствующих линий диаграммы железо-цементит.
На диаграмме железо-графит линия ACD' - линия ликвидуса. При охлаждении расплава по ветви АС выделяется аустенит, а по ветви CD' - графит (первичный). На линии солидуса E'C'F' при температуре 1153°С образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита. Ее называют графитной эвтектикой. Линия S'E' показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. При понижении температуры в системе железо-графит из аустенита будет выделяться графит, который называют вторичным. На линии P'S'K' при температуре 738°С аустенит, содержащий 0,7% С (точка S'), распадается, образуя эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным. После полного охлаждения структура состоит из феррита и графита (эвтектического, вторичного и эвтектоидного). Различить в микроструктуре графит различного происхождения в большинстве случаев невозможно, поскольку в процессе кристаллизации графит, получающийся при распаде аустенита, не образует самостоятельных выделений, а, наслаиваясь на имеющиеся графитные включения, увеличивает их размеры.
Теплоизоляционные материалы – это материалы, обладающие низкой теплопроводностью ( до 0,18 Вт/м С) и низкой средней плотностью ( до 600 кг/м³).
К этим материалам относят теплоизоляц мастики, засыпки, штучные теплоизол. материалы, рулонные, в виде плит ( минеральная вата).
Классификация:1. по области применения: - изоляционно – монтажные; изол. – строительные; изол. – отделочные.
2. по структуре- волокнистые- ячеистые- зернистые с открытой или закрытой пористостью.
3. по форме и внешнему виду- рыхлые и сыпучие-рулонные и шнуровые- штучные (сигменты, скорлупы, блоки).
4. по средней плотности (основная классификация) подразделяются на марки:- особо низкой плотности (до 75 кг/м³). - низкой плотности (до 175 кг/ м³) - средней плотности (до 350) - плотные (до 600 кг/ м³)
5. по виду исходного сырья- органические- неоганические-смешанные
6. по жёсткости- мягкие(М)- полужёсткие(ПЖ)- жесткие(Ж) -повышенной жесткости -твердые(Т)
7. по теплопроводности-
- группа А – НИЗКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ λ<0,06 Вт/м С
- группа Б– СРЕДНЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ λ<0,06 – 0,115 Вт/м С
- группа В– ПОВЫШЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ λ=0,115 – 0,118 Вт/м С
8. по возгораемости- незгораемые- трудносгораемые- сгораемые
Макроструктура металла (от макро... и лат. stuctura — строение), строение металла, видимое невооружённым глазом или с помощью лупы, то есть при увеличениях до 25 раз. М. изучают на плоских образцах — темплетах, вырезанных из изделия или заготовки, а также на изломах изделия. Для выявления М. поверхность темплета тщательно шлифуют, затем травят растворами кислот или щелочей. При исследовании М. можно обнаружить нарушения сплошности металла (раковины, рыхлость, газовые пузыри, расслоения, трещины и т. д.), выявить распределение примесей и неметаллических включений, форму и расположение кристаллитов (зёрен) в разных частях изделия, а иногда даже особенности строения отдельных зёрен металла (см. Металлография). Изучение М. позволяет сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье, обработке давлением или сварке изделия. В некоторых случаях качество металла характеризуется видом излома, позволяющим установить, как проходит поверхность разрушения (по телу или по границам зёрен), выяснить причины разрушения и т. д.
МИКРОСТРУКТУРА - строение веществ и материалов, видимое в микроскоп при достижимых с его помощью увеличениях. Чаще всего это название относят к строению кристаллич. веществ и, в частности, металлов и металлич. сплавов, в которых строение подчиняется определенным и простым законам (см. Сплавы). Микроструктура металлов и сплавов обнаруягивается при рассмотрении с помощью микроскопа полированной поверхности их в отраженном свете. До травления полированной поверхности металла можно наблюдать лишь встречающиеся в металле неметаллические включения, т. к. все они, не принимая полировки, кажутся в отраженном свете более темными, чем окружающий их металл.
Стеклоэмаль - это полученная плавлением стекловидно застывшая неорганическая масса, состоящая преимущественно из окислов и нанесенная на металл в один или несколько слоев
Введение в состав эмали различных окислов позволяет изменять свойства эмалевых покрытий в широком диапазоне в соответствии с условиями применения. В основном используются легкоплавкие грунтовочные и покровные эмали для индукционного эмалирования труб, что позволяет снизить расход электроэнергии на индукционное оплавление покрытия (снижение температуры оплавления на 100°С уменьшает расход электроэнергии в среднем на 20-25 %). Достаточно широко применяются покрытия из эмали этиноль. Основой этой эмали служит лак этиноль - готовый к употреблению продукт, имеющий следующую характеристику: содержание сухого вещества (лаковой основы) - 43 %; вязкость по вискозиметру ВЗ-4 - не менее 13 с; массовая доля стабилизатора - 1,5- 2,5 %; продолжительность высыхания пленки лака при 20°С - не более 12 ч. В качестве наполнителя применяют асбест хризотиловый 7-го сорта, содержание свободной влаги в котором не должно превышать 3 %. Если влажность асбеста больше 3 %, то его сушат (при температуре не выше 110°С). Эмаль этиноль (64 % - лак этиноль и 36 % - асбест) готовят перемешиванием компонентов в диспергаторе при температуре не выше 40С.[32]
Процесс разрушения материала сосредоточен в малой окрестности вершины трещины, где весьма высока концентрация напряжений, обусловленная малым радиусом закругления. Напряженное состояние в этой области при различных схемах нагружения на основе методов теории упругости формулы (2.10) можно в общем виде представить следующим образом:
Величина К зависящая от вида нагружения, величины нагрузки и формы трещины, называется коэффициентом интенсивности напряжений(размерность К – сила/длина3/2). В зависимости от вида нагрузки (см. схемы рис. 2.2) коэффициенты интенсивности напряжений отмечают соответственно индексами I, II или III, т. е. КI, KII, KIII, r и θ — полярные координаты с полюсом в вершине трещины; fij — некоторая функция угла θ.
Именно это обстоятельство и позволило принять величину КI за критерий, определяющий начало роста трещины. По Д. Ирвину в линейной механике разрушения: трещина будет распространяться тогда, когда величина коэффициента интенсивности напряжений достигнет критического значения, характерного для данного материала.
Этот подход, получивший название силового, связан с представлениями о том, что разрушение обусловлено превышением напряжениями некоторого предельного значения. Принятие величины КI за параметр, контролирующий рост трещины предполагает существование его предельного значения КIС, соответствующего началу неконтролируемого роста трещины которое принимается за одну из характеристик материала.
Критерий развития трещин нормального отрыва имеет вид
КI=KIс.(2.17)
Аналогично записывают два других критерия KIIс и KIIIс для трещин поперечного и продольного сдвига: КII=KIIс, КIII=KIIIс
КIС есть мера трещиностойкости материала. Поэтому КIС называют «вязкостью разрушения при плоском деформированном состоянии». Для материалов с малой вязкостью разрушения допускаются только маленькие трещинки.
Критические значения коэффициентов интенсивности напряжений определяют экспериментально. Методика их определения регламентируется соответствующими стандартами.