Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Кристаллическое строение сталей и его роль в процессах коррозии

03.04.2019

Основным конструкционным материалом для изготовления оборудования нефте- и газоперерабатывающих предприятий является сталь. Она представляет собой сплав железа с углеродом, содержащий примеси, связанные со способом выплавки (марганец, кремний, сера, фосфор и др.), и специально вводимые примеси, так называемые легирующие элементы (хром, никель, молибден и др.), направленно влияющие на свойства стали. Сталь имеет кристаллическое строение: расстояние между соседними атомами (ионами) соизмеримо с их размером, а потенциальная энергия частиц существенно превосходит кинетическую. Главное же отличие кристаллических тел от всех других связано с регулярным расположением атомов, ионов или молекул в пространстве. В соответствии с этим строение любого кристалла можно представить как некоторую пространственную решетку, в узлах которой находятся атомы, ионы или молекулы вещества. В каждой решетке можно выделить элементарную кристаллическую ячейку — наименьший комплекс частиц, который при многократном повторении и пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку.

Дли металлов характерна атомная решетка: в узлах ее находится атомы, между которыми действует металлическая связь. Главной ее особенностью является то, что валентные электроны атомом обобществлены в пределах всего кристалла.

Для сплавов на основе железа наиболее характерны два типа ячеек: кубическая объемно-центрированная (атомы в вершинах куба и и его центре) и кубическая гранецентрированная (атомы в вершинах куба и в центрах граней) (рис. 5.1).
Кристаллическое строение сталей и его роль в процессах коррозии

Модификацию железа с кубической объемноцентрированной решеткой называют а-железам, а с кубической гранецентрированной — у-железом. Число атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии отданного атома, называется координационным числом. Координационное число кубической объемно-центрированной ячейки — 8, гранецентрированной — 12. Чем больше координационное число ячейки кристаллической решетки металла, тем в большей степени реализованы валентные возможности у входящих в нее атомов, и тем труднее атому покинуть кристалл. Поэтому в коррозионной среде металл с гранецентрированой решеткой (у-железо) при прочих равных условиях проявляет высокую коррозионную стойкость, чем металл с объемно-центрированной (а-железо).

Реальный металл имеет поликристаллическое строение он стоит из отдельных кристаллов неправильной формы (кристаллитов, или зерен), по-разному ориентированных в пространстве. Строение каждого отдельного кристаллита не является отдельным и характеризуется присутствием различных несовершенств или дефектов. Именно несовершенства кристаллического строения металла в значительной степени определяют его механические и коррозионные свойства.

Различают точечные и линейные дефекты кристаллического строения металла. К точечным дефектам относятся вакансии незанятые места в узлах кристаллической решетки (рис. 5.2, а). а также атомы примесей, которые могут занимать место в узле кристаллической решетки — атомы замещения (рис. 5.2, б), или находиться между узлами — атомы внедрения (рис. 5.2, в).

К линейным дефектам относятся дислокации. Если представить себе, что в кристаллической решетке появился лишний «кусок» плоскости, то край аб этого «куска» — это краевая, или линейная, дислокация, а сама лишняя полуплоскость называется экстраплоскостью (рис. 5.3). Дислокация может быть вытянута в линию, а может быть выгнута и даже закручена в спираль. Тогда ее называют винтовой.

Дефекты искажают кристаллическую решетку и делают ее менее равновесной. Поэтому чем больше дефектов в решетке металла, тем больше его свободная энергия, и тем легче при прочих равных условиях он растворяется в коррозионной среде.

Под влиянием внешних воздействий дефекты решетки могут перемещаться. Перемещение вакансий связано с перестройкой химических связей, при которой место вакансии занимает соседний атом, его место — сосед и так далее. Вакансии перемещаются легко. Даже повышение температуры приводит к их свободному перемещению. Движение дислокаций происходит аналогично, но требует большей энергии и может происходить только под действием внешнего усилия. Схематично перемещение дислокации представлено на рис. 5.4.

При приложении к материалу усилия металл деформируется. При низких нагрузках он испытывает упругую деформацию. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства металла полностью исчезает после прекращения действия внешних сил. Ее связывают с изменением межатомных расстояний в кристаллах под действием внешней нагрузки: при растягивающей нагрузке они увеличиваются, а при сжимающей уменьшаются. Атомы смещаются относительно равновесного положения. Когда действие внешних сил прекращается, атомы возвращаются на свои места и тело полностью восстанавливает свои свойства (рис. 5.5, б).

Пластическая деформация является необратимой. Она связана с перестройкой химических связей в кристалле, которая приводит к сдвигу отдельных плоскостей (рис. 5.5, в). Чем выше координационное число кристалла, тем он плотнее упакован, и тем ближе атомы располагаются друг к другу, тем меньше энергии требуется для перестройки химических связей. Поэтому решетка железа с координационным числом 12 более склонна к пластической деформации, чем решетка а-железа с координационным числом 8.

При наличии дислокаций в кристалле энергетически более выгодным при пластической деформации является перемещение дислокаций (см. рис. 5.4). Собственно оно и определяет возможности пластической деформации реального металла. Чем меньше в металле препятствий для движения дислокаций, тем в большей степени он способен к пластической деформации. Препятствием для движения дислокации может быть граница зерна, граница включения, другая дислокация и прочее. Для металла с низкой плотностью дислокаций, небольшой протяженностью границ зерен (мелким зерном) и низким содержанием примесей характерно такое, с существенной пластической деформацией разрушение. Коррозионная трещина, как и любая другая, продвигается в таком металле медленно: существенная часть энергии расходуется на работу пластической деформации. Если в стали количество препятствий для движения дислокаций велико, металл не может деформироваться пластически за счет перемещения дислокаций. Деформация возможна за счет смещения кристаллографических плоскостей. Для этого необходима энергия, соизмеримая с энергией разрыва химической связи в кристаллической решетке. Поэтому у такого металла, как правило, высокая прочность и повышенная склонность к хрупкому, без пластической деформации, разрушению. Коррозионные трещины развиваются быстро. Особенно подвержена такая сталь сероводородному коррозионному растрескиванию.

Роль подвижности дислокаций велика и в процессе зарождения коррозионного разрушения. В процессе деформации дислокации скапливаются у таких препятствий, как граница зерна, граница включения, другая дислокация. Локальный участок скопления дислокаций является областью повышенной термодинамической неустойчивости. Поэтому он растворяется легче, чем остальная часть зерна. В большинстве случаев коррозионное поражение поверхности начинается именно с таких участков.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: