- •Глава 1. Основы металловедения
- •Кристаллизация и структура металлов
- •Строение металла
- •1.1.2. Кристаллизация металла
- •1.1.3. Изменение структуры металла
- •1.1.4. Изучение структуры металла
- •1.2. Строение сплавов
- •1.2.1. Правило фаз
- •1.2.2. Сплав - механическая смесь
- •1.2.3. Сплав - твердый раствор
- •1.2.4. Сплав - химическое соединение
- •1.2.5. Тройные сплавы
- •1.2.6. Электролитические сплавы
- •1.3. Свойства сплавов
- •Глава 2. Коррозия металлов
- •2.1. Определение и методы исследования коррозии
- •2.1.1. Классификация коррозионных процессов
- •2.1.2. Методы оценки коррозии
- •2.1.3. Методы коррозионных исследований
- •2.2. Химическая коррозия
- •2.2.1. Внешние факторы газовой коррозии
- •2.2.2. Оксидные пленки
- •2.2.3. Методы защиты от газовой коррозии
- •2.2.4. Коррозия в неэлектролитах
- •2.3. Электрохимическая коррозия
- •2.3.1. Причины возникновения коррозии
- •2.3.2. Коррозионная диаграмма Эванса
- •2.3.3. Коррозия с водородной и кислородной деполяризацией
- •2.3.4. Влияние внешних факторов на скорость коррозии
- •2.3.5. Влияние внутренних факторов на скорость коррозии
- •2.3.6. Атмосферная коррозия
- •2.3.7. Морская коррозия
- •2.3.8. Подземная коррозия
- •2.3.9. Электрокоррозия
- •2.4. Методы защиты от электрохимической коррозии
- •2.4.1. Обработка коррозионной среды
- •2.4.2. Катодная защита
- •2.4.3. Протекторная защита
- •2.4.4. Анодная защита
- •Глава 3. Коррозионные процессы в нефтегазовом комплексе и методы предотвращения коррозии
- •3.1. Особенности эксплуатации металлов в процессе транспортировки и хранения нефти, нефтепродуктов и газа
- •3.2. Коррозия металлов при контактировании с нефтепродуктами
- •3.3. Рациональный выбор конструкционных материалов
- •3.4. Применение органических покрытий с целью предотвращения коррозии газонефтепроводов
- •3.5. Методы электрохимической защиты трубопроводов
- •3.6. Защита трубопроводов от блуждающих токов
- •3.7. Методы защиты трубопроводов от внутренней коррозии
- •Глава 1. Основы металловедения…………………….4
- •Глава 2.Коррозия металлов……………………………...41
- •Глава 3. Коррозионные процессы в нефтегазовом комплексе и методы предотвращения коррозии……………………………………………….……109
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1.2. Строение сплавов
Металлический сплав представляет собой сложный металл, состоящий из двух или более компонентов, среди которых по меньшей мере один является металлом. В зависимости от количества компонентов сплав называют двойным, тройным или сложным.
Сплавы получают, как показывает само название, сплавлением компонентов. Этот способ основной, но не единственный. Широкое распространение получил электрохимический метод получения сплавов, который заключается в катодном соосаждении компонентов сплава при электролизе солевой системы из водного раствора или расплава. Наконец, сплавы можно получать методами спекания или возгонки.
Сплавы классифицируют с точки зрения типа связи между компонентами на твердые растворы, химические соединения и сплавы - механические смеси.
1.2.1. Правило фаз
Состояние любого сплава при интересующих нас условиях определяется, как известно, диаграммами состояния, или диаграммами фазового равновесия. Диаграмма состояния строится чаще всего опытным путем по кривым охлаждения температура - время для сплава ряда концентраций, а также для чистых компонентов, образующих сплав. Важным условием построения диаграммы состояния является требование термодинамического равновесия системы, хотя применительно к реальным металлическим сплавам это условие далеко не всегда технически выполнимо.
Закономерности сосуществования фаз в состоянии равновесия выражаются правилом фаз Гиббса. Рассматривая правило фаз применительно к металлическим сплавам, уточним некоторые термины.
Фаза - однородная часть системы, отделенная от других фаз поверхностью раздела.
Компонент - вещество, образующее систему. В сплавах компонентами обычно являются элементы.
Число степеней свободы (вариантность) — число внутренних и внешних факторов (концентрация, температура, давление), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. Для сплавов переменными факторами являются только концентрация и температура, так как давление (атмосферное) при превращениях можно считать величиной постоянной.
Поэтому для сплавов правило фаз имеет вид
С = К - Ф + 1.
Если система имеет две степени свободы, то она называется бивариантной, при одной степени свободы - моновариантной, при отсутствии степеней свободы - система нонвариантна. Так, чистый металл в расплавленном состоянии представляет моновариантную систему, а в процессе кристаллизации — нонвариантную.
1.2.2. Сплав - механическая смесь
Механические смеси в общем случае образуются тогда, когда решетки и свойства компонентов не настолько близки, чтобы образовать твердый раствор, но и не так далеки, чтобы дать химическое соединение.
Сплавы — смеси многофазные и могут состоять не только из чистых компонентов, но и из комбинаций чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений.
Общий вид диаграммы состояния сплава - смеси дан на рис. 11. Выше линии ликвидуса АСВ сплав находится в жидком состоянии, по линии ликвидуса начинается кристаллизация сплава, которая заканчивается по линии солидуса DЕ, ниже линии солидуса сплав твердый.
Рис. 11. Диаграмма состояния сплава - механической смеси и схема фазовых превращений в сплаве составов с1 и с3
При охлаждении жидкого сплава состава с1 кристаллизация, протекает в интервале температуры ta - tэ. В точке а начинает кристаллизоваться чистый компонент А. При достижении точки b происходит одновременная кристаллизация оставшихся в жидкой фазе компонентов А и В. Это фазовое превращение схематично показано на рис. 11, который иллюстрирует переход сплава из состояния, отвечающего фигуративной точке k, к состоянию в точке b.
При концентрации с2 весь жидкий металл кристаллизуется в точке C при температуре tэ. При этом образуется равномерная смесь кристаллов А и В, называемая эвтектикой. Сплавы, расположенные по составу левее концентрации с2, называются доэвтектическими и состоят из двух структурных составляющих - эвтектики и избыточной фазы А. Сплавы правее концентрации с2 — заэвтектические, в них избыточной фазой является компонент В. Так, структура сплава с3 выглядит похожей на структуру сплава c1 (см. схему фазовых превращений на рис. 11): на фоне пестрой эвтектической смеси А + В мы видим темную избыточную фазу — чистый компонент В. Следует подчеркнуть, что в любом из трех разобранных случаев в результате кристаллизации образуется двухфазная система - сумма компонентов А+В.
По правилу фаз бивариантной системой является жидкий металл Ж. В области АСD и СВЕ равновесие моновариантно, а произвольно меняться может только температура. На линии эвтектики система трехфазна (Ж+А + В), а равновесие, следовательно, нонвариантно. Ниже линии эвтектики система снова становится моновариантной.
В процессе кристаллизации сплава изменяется не только число фаз, но и их весовое количество, а также концентрация компонентов в фазах. То и другое в области двухфазной системы можно определить с помощью правила отрезков. Рассмотрим количественно состояние сплава исходного состава (рис. 12) в точке К. Для этого проведем горизонталь — ноду до пересечения с линиями превращения. Проекция точек пересечения на ось абсцисс даст концентрацию компонентов в каждой из фаз.
Рис. 12. Определение количественного соотношения фаз и состава фаз в сплаве с помощью правила отрезков
Так, из рисунка видно, что твердая фаза содержит 0% В - кристаллизуется чистый металл А. Состав жидкой фазы соответствует точке C.
Нетрудно видеть, что по мере охлаждения жидкая фаза обогащается компонентом В (C → C1), пока не достигнет в точке К2 предельной концентрации C2. Другими словами, состав жидкой фазы при кристаллизации меняется по точкам кривой bb2, спроектированным на ось концентрации.
Массовое количество каждой из фаз в точке К будет обратно пропорционально отрезкам ноды, обращенным к фазам. Если QA, Qж – массовые количества фаз и Q0 - общее количество сплава, то
, и .
Из рис. 12 видно, что предельно малое количество жидкой фазы в моновариантном сплаве ск равно
.
Именно это количество жидкого металла перейдет в эвтектику. Следовательно, с помощью правила отрезков, зная состав сплава, можно определить соотношение структурных составляющих (эвтектики и избыточной фазы).
Пользуясь несложным расчетом от обратного, можно решить и более важную задачу: по структуре сплава (зная соотношение эвтектики и избыточной фазы) определить его примерный состав.
Диаграмму рассмотренного типа имеют системы свинец - сурьма, олово – висмут, олово - свинец и другие.