Металловедение стенки нефтяного аппарата

Зерна металла листа при высокой скорости охлаждения являются мелкими. Но, как написано выше, у поверхностей листа кристаллы имеют одинаковое направление, в результате чего снижаются пластические свойства листа. Неоднородность по химическому составу сечения листа вызывает различную твердость по зонам.

Для устранения этих эффектов используют термическую обработку листа. Листы выдерживают при температуре солидуса в течении длительного времени. Выдержку проводят в защитной атмосфере во избежание порчи поверхности окислением и другими процессами.

Монокристаллическая структура стали

Рассмотрим образование зародыша без дефектов. Форма растущего монокристалла (при совершенной кристаллической решетке) определяется из условия равновесия между кристаллом и расплавом [12,с.146]. По Гиббсу свободная энергия этого объема должна быть минимальной.

Уманский приводит рисунок зависимости формы кристалла от скоростей роста граней [12,с.147]:

Для объемно-центрированной решетки и гранецентрированной решетки расстояние между атомными плоскостями уменьшаются вдвое при определенных ориентациях плоскостей.

Уманский отмечает, что [12,с.148] на поверхности растущего кристалла можно представить надстроенный атомный слой, как показано на рисунке:

На надстроенную ступеньку атомы (в позициях 1-7 показаны на рисунке) могут присоединяться или покидать ее в различных местах. На ступеньке появляются изломы (5, 6) и атома 4, присоединенного к ступеньке. Атомы 1-3 являются адсорбированными на поверхность ступеньки. Вакансии обозначены позицией 7. Позиции 1-7 неравноценны энергетически. Выгодное присоединение атомов происходит в позициях, где образуются наиболее сильные связи.

Уманский приводит рисунок присоединения атома к плоскости [12,с.148]:

Ступенька расширяется до края кристалла и переходит в совершенную кристаллическую поверхность. Последующий рост кристалла осуществляется за счет расширения новых ступенек из двухмерных зародышей. Искажение формы монокристалла (приводящая к дендритной кристаллизации) происходит из-за искажения формы растущего кристалла под влиянием примесей, выделяющегося тепла, силы тяжести [12,с.150].

Приведем структуру монокристалла (по-видимому никелевого сплава) по данным

О.Г. Оспенниковой [13]:

Как видно из рисунков [13], монокристаллическая структура стали не имеет границ между зернами, которые снижают физические характеристики металла.

Монокристаллическую структуру, как отмечает Каменецкая [14,с.219], можно получить в большинстве случаев кристаллизацией из расплава или рекристаллизацией после критической пластической деформации. Для железа кристаллизация из расплава вследствие полиморфических превращений δ-γ- и γ-α- появляются центры кристаллизации, что приводит к измельчению α-фазы. Циклические нагревы и охлаждения с переходом температуры α-γ-равновесия предназначены для измельчения зёрен. Деформация и отжиг снимают стимул рекристаллизации. Вместе с тем, α-γ-превращение ограничивает температуру рекристаллизационного отжига и повышение этой температуры вызывает рост крупных кристаллов. Каменецкая отмечает, что в сплавах железа с кремнием (свыше 3,5%) кремний выклинивает область γ-фазы, в результате сплав может быть нагрет до более высоких температур и за счет этого легко формируются монокристаллы.

Также Каменецкая указывает [14,с.219], что монокристаллы можно получить при фазовых превращениях без критической деформации. Важным является создание высоких температурных градиентов. Каменецкая сообщает о формировании монокристалла при зонном плавлении в среде аргоно-водородной смеси. Необходимо соблюдение постоянства температурного режима, объема жидкости и скорости ее перемещения. Превращения δ-γ- и γ-α- не оказали деструкционного влияния на рост монокристаллической фазы.

Каменецкая указывает [14,с.221], что содержание углерода до 0,1% затрудняет получение монокристалла и необходим отжиг в водороде, снижающий содержание примесей. Но в железе высокой степени чистоты с содержанием углерода 0,001% формирование монокристалла связано с трудностями из-за перехода железа в стабильную полигональную структуру. Поэтому, резюмируя два обстоятельства, для получения монокристалла в железо следует ввести примеси углерода, азота, кислорода для препятствования процессу перехода железа в полигональную форму. Также необходим определенный размер исходного зерна и его однородность. По данным Каменецкой [14,с.222] размер зерна от 0,05 мм до 0,14 мм. И при соблюдении параметров технологического процесса (поддержание температуры, скорости перемещения через печь не выше 3-12 мм/ч – скорость роста зерна, малая скорость деформации, деформация до 3,5%) получаются монокристаллы размерами до 200 мм. При этом количество примесей было достаточным для рекристаллизации. Каменецкая приводит данные о получении монокристаллов длиной до 600 мм и диаметром 5 мм методом деформации и отжига. Существуют способы получения монокристаллов железа из газовой фазы разложением хлорида железа в атмосфере водорода.