Углерод является неметаллическим элементом. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.
При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.
Феррит — твердый раствор углерода и других примесей в α-железе. Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006...0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911 °С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав пластичнее.
Аустенит — твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе. Предельная растворимость углерода в у-железе — 2,14%. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727 °С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.
Цементит — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание углерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.
Перлит — механическая смесь феррита и цементиту, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эв-тектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но образовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.
Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Температура образования ледебурита 1147 °С. Он может существовать до температуры 727 °С, ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.
Основные положения
Железо — металл серебристобелого цвета. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, а технические сорта 99,8—99,9 % Fe.
Температура плавления железа 1539 °С.
Железо известно в двух полиморфных модификациях α и γ. α-железо существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 1). Для интервала температур 1392— 1539 °С α-железо нередко обозначают как δ-железо.
Кристаллическая решетка α-железа — объемноцентрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С α-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768 °С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А2.
Критическую точку α-γ превращення (рис. 1) при 910 °С обозначают соответственно Ас3 (при нагреве) и Аг3 (при охлаждении). Критическую точку α-γпревращення железа при 1392 °С обозначают Ас4 (при нагреве) и Аг4 (при охлаждении).
Кристаллическая решетка γ-железа - гранецентрированныи куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910 °С. Плотность железа выше, чем железа, и равна 8,0-8,1 г/см3. При превращении α-γ происходит сжатие. Объемный эффект сжатия составляет примерно 1%.
водных переходов кардинально отличаются от зарубежных. Кроме собственно
нанесения балластного слоя, они подразумевают при необходимости и тепло-
изоляцию трубопровода слоем пенополиуретана (ППУ), что позволяет исполь-
зовать такие трубы не только в обводнённых условиях, но и в
многолетнемерзлых грунтах, исключая их оттаивание.
Трубы для газопровода Ухта – Бованенково теплоизолируются компани-
ей «Современные трубопроводные системы».
Производственный цикл изготовления элементов трубопроводов в ППУ
изоляции включает в себя основные технологические этапы и операции:
– входной контроль поступающего сырья и материалов;
– предварительную обработку стальных труб и фасонных изделий;
– установку центраторов (центрирующих колец) из ПНД и медного про-
вода системы ОДК;
– протаскивание стальной трубы с центраторами в полиэтиленовую обо-
лочку или оцинкованную оболочку;
– установку заливочных заглушек на торцы получаемой конструкции
«труба в трубе» с созданием при этом герметичной полости межтрубного про-
странства для его заполнения пенополиуретаном;
– предварительную термостатическую обработку собранной трубной
конструкции с целью лучшей адгезии слоя изоляции ППУ к стальной трубе и
гидрозащитной полиэтиленовой оболочки или оцинкованной оболочки;
– впрыскивание расчётной дозы компонентов ППУ (полиол и полиизо-
ционат) на заливочной машине высокого давления через отверстие заглушки;
– контроль качества выпускаемой продукции на соответствие требова-
ниям нормативной документации и оформление «паспорта качества» с отраже-
нием замеряемых параметров.
Основные комплектующие для нанесения ППУ изоляции на трубы и фа-
сонные изделия:
– трубы с наружным диаметром от 57 мм до 1220 мм, длиной до 12 м,
соответствующие требованиям ГОСТ 550, ГОСТ 8731, ГОСТ 8733, ГОСТ
10705, ГОСТ 20295, СНиП 2.04.07 и ПБ 03-75, качество которых подтверждено
сертификатами заводов-изготовителей;
22
– стальные отводы, тройники, переходы и другие фасонные изделия
должны соответствовать требованиям ГОСТ 17375, ГОСТ 17376, ГОСТ 17378,
ГОСТ 17380;
– оболочки полиэтиленовые из полиэтилена низкого давления (ПНД)
высокой плотности чёрного цвета должны быть трубных марок не ниже ПЭ-80
по ГОСТ 18599 чёрного цвета (светостабилизированные 2-2,5% сажи).
Входной контроль качества используемого в процессе изготовления
предызолированных труб исходного материала включает приёмку следующих
видов продукции: стальная труба, пенополиуретан, оболочка полиэтиленовая,
оболочка оцинкованная, отводы стальные, переходы стальные, тройники сталь-
ные, термолента, муфта термоусадочная и другие материалы.
На данном этапе производства труб в ППУ изоляции осуществляется
очистка наружной поверхности стальной трубы до третьего класса очистки по-
верхности трубы, включает обезжиривание поверхности стальной трубы тер-
мическим воздействием (отжиг открытым пламенем) от органических
включений, масел и окислов. Механическая очистка стальной трубы от ржав-
чины и окалин делится на щёточную, дробеструйную, дробеметную либо хи-
мическую. Подготовительный этап завершается контролем качества очищенной
поверхности стальной трубы.
На втором этапе стальная труба подаётся на стол напаковки трубных
сборок линии изоляции труб. На стальную трубу надеваются полиэтиленовые
центраторы и медный сигнальный провод для системы ОДК контроля протечек
теплоизоляции на трубопроводе ППУ. Стальная труба с центраторами и прово-
дами продевается в оболочку полиэтиленовую или оболочку оцинкованную
сборной конструкции труба в трубе. Центраторы обеспечивают соосность
стальной трубы и оболочки для равномерного распределения теплоизоляцион-
ного материала пенополиуретана в предызолированной трубе.
Заключительный этап – контроль качества тепловой изоляции стальных
труб ППУ: cнятие фланцев, термостатирование пенополиуретана, проверка
плотности тепловой изоляции и работы системы ОДК (медных проводов), мар-
кировка труб ППУ. Теплоизоляция каждой третьей трубы ППУ подвергается
технологическому вскрытию для проведения лабораторных испытаний тепло-
вой изоляции (пенополиуретана) на основные контролируемые показатели ка-
чества труб в ППУ изоляции – термической стойкости, плотности,
водопоглащению и адгезии (сцепления) с оболочкой полиэтиленовой. Послед-
ний этап после проверки качества труб ППУ – передача готовой теплоизолиро-
ванной трубы на склад.
Характеристики тепловой изоляции трубы ППУ и фасонных изделий:
плотность пенополиуретана не менее 60 кг/м3, прочность при сжатии при 10%-ой
деформации в радиальном направлении не менее 0,3 МПа, водопоглощение при
кипячении в течение 90 минут не более 10% по объёму.
Торцы тепловой изоляции труб и фасонных изделий могут иметь гидро-
изоляционное покрытие. Пенополиуретан в разрезе должен иметь однородную
мелкоячеистую структуру. Пустоты (каверны) размером более 1/3 толщины те-
плоизоляционного слоя не допускаются.
Наиболее подходящими для изготовления протекторов материалами являются магний, алюминий, цинк и их сплавы.
Наклеп, возврат и рекристаллизация.
Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.
Большая часть работы, затрачиваемая на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная часть энергии активируется в металле в виде повышенной потенциальной энергии атомов, смещенных из положения равновесия. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво. При нагреве в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации, обуславливающие возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.
Возврат.
Это повышение структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов старения.
В процессе возврата различают 2 стадии:
1) Отдых. Когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций. Избыточные вакансии и междуузельные атомы поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве. При встрече вакансии и межузельного атома они взаимно поглощаются. В процессе отдыха частично устраняются и дислокации.
2) Полигонизация – дробление кристаллов на субзерна. Для объяснения процесса предложен следующий механизм. При деформации кристалла (например изгиб) возникают дислокации, распределенные беспорядочно.
При нагреве допускающем самодиффузию, избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стенки, что приводит к образованию в монокристалле – субзерен.
Рекристаллизация.
1) Первичная рекристаллизация.
До tПР сохраняется деформированное зерно (1). При tПР в деформированном металле образуются и растут зародыши (2) новых зерен с неискаженной решеткой.
При нагреве металла не восстанавливается старое зерно, а появляется новое. Образование новых зерен (3) вместо ориентированной волокнистой структуры (1) называется рекристаллизацией обработки или первичной рекристаллизацией.
Предел прочности, а особенно предел текучести, резко снижается, а пластичность (б) возрастает.
tПР – температурный порог рекристаллизации.
Для чистых металлов tПР = 0,4 tПЛ.
2) Собирательная рекристаллизация.
После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен, за счет других (4). Процесс роста новых зерен называют собирательной рекристаллизацией. При этом предел текучести может уменьшаться. При высокой температуре (выше t’) пластичность может уменьшаться, что сопровождается сильным ростом зерна.
3) Вторичная рекристаллизация.
Зерна растущие с большой скоростью, можно рассматривать как зародышевые центры, поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен.
Размер рекристализованного зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы имеющие мелкое зерно обладают повышенной прочностью и пластичностью. В некоторых случаях требуется более крупное зерно. Величина зерна зависит от температуры рекристаллизации отжига, его продолжительности, степени предварительной деформации, химического состава сплава, размера исходного зерна.
С повышением температуры и продолжительности отжига размер зерна увеличивается.
При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15% деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер исходного зерна.