Образование фуллеренов в результате диффузионного насыщения сталей углеродом

• Автор: Ткаченко, Олеся Ивановна
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 131 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Диффузионные процессы в структуре металла
1.1 Теоретические основы процесса диффузии
1.2 Диффузия углерода в металл при эксплуатации углеводородного сырья
1.3 Фуллерены в углеродистых сплавах на основе железа
1.4 Химико-термическая обработка
1.5 Сварка
Глава 2. Материалы и методики исследования
2.1 Получение образцов в процессе цементации и сварки
2.2 Методики исследования;
Глава 3. Образование фуллеренов при цементации
Глава 4. Образование фуллеренов при сварке
Общие выводы
Список использованных источников
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах (процесс кристаллизации, фазовые и структурные превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности элементами других веществ), носят диффузионный характер. В результате диффузии в слоях металла образуется диффузионная зона, характеризующаяся неоднородностью структуры, физических, химических и механических свойств.
В процессах высокотемпературной переработки углеродсодержащего сырья элементы оборудования нефтепереработки и нефтехимии испытывают диффузию углерода в поверхностные слои металла. Это приводит к охрупчиванию, зарождению усталостных трещин и увеличению опасности возникновения катастрофических отказов.
Диффузия углерода в металл как один из видов химико-термической обработки широко применяется для повышения прочности, твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей. В процессе цементации в структуре происходит образование трех зон, отличающихся различным содержанием углерода: заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной.
Аналогичная неоднородность возникает в металле, подвергнутом сварке. Теплофизические и химико-металлургические воздействия на материал оборудования обусловливают диффузионное перераспределение диффузионно-подвижных элементов с образованием прослоек с различными электрохимическими и механическими характеристиками (пределом текучести и временным сопротивлением).
Предшествующими исследованиями было доказано наличие фулле-ренов Ceo в углеродистых сплавах на основе железа. Фуллерены представляют собой замкнутые сферические или сфероидальные молекулы углерода, обладающие в конденсированном состоянии высокой твердостью, близкой к твердости алмаза. Исходя из этого представляется необходимым

объяснение неоднородности структуры сварных соединений и науглеро-женного слоя, полученного при цементации с учетом образования фулле-ренов.
Целью работы является изучение распределения фуллеренов в неоднородной зоне железо-углеродистых сплавов, подвергшихся диффузионному насыщению углеродом при сварке и цементации.
В связи с этим решались следующие задачи:
1) теоретическое обоснование возможности образования фуллеренов при дополнительном введении углерода в структуру углеродистых сплавов на основе железа;
2) проведение ИК-спектрального анализа проб, полученных из сварных соединений и образцов после науглероживания для определения количества фуллеренов в различных диффузионных зонах;
3) анализ микротвердости по сечению сварных соединений и образцов после цементации;
4) описание механизма образования фуллеренов при диффузионном введении углерода в структуру металла.
Работа выполнена на комплексной кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета под руководством доктора технических наук профессора И.Р. Кузеева, которому автор выражает искреннюю благодарность.
Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук профессору B.C. Ивановой и кандидатам технических наук М.М. За-кирничной и М.А. Худякову за ценные консультации и критическое обсуждение результатов исследований. Автор также благодарен Д.А. Годов-скому, В.Г. Кавеблюму, В.Н. Домрачеву и С.В. Михайлову за помощь в проведении исследований.

[78].
При увеличении перегрева цельность металлической решетки должна нарушаться, на отдельных участках могут сохраняться группировки относительно закономерно построенных атомов. Такие группировки атомов имеют большое значение для процесса кристаллизации, поскольку при охлаждении они станут элементами для надстройки новых атомных слоев и образования кристаллов, т.е. естественными центрами самопроизвольной кристаллизации. Чем меньше этих центров, тем крупнее кристаллы при переходе из жидкого состояния в твердое [79].
В результате процесса кристаллизации происходит появление зародышей и начинается их рост - подстройка атомов с образованием соответствующей кристаллической решетки. Повышение скорости образования зародышей при переохлаждении идет быстрее, чем повышение скорости их роста. Чем больше их переохлаждение, тем больше разница скоростей этих процессов. Поэтому при малых степенях переохлаждения (малых скоростях охлаждения) закристаллизовавшийся металл оказывается более крупнозернистым, чем при больших степенях переохлаждения [78].
Помимо естественных очагов кристаллизации, какими становятся образовавшиеся из расплава зародыши, существуют и искусственные очаги - частицы включений, не растворившихся при плавлении или выделившихся из расплава при температуре выше температуры начала кристаллизации металла [80].
С учетом изложенных общих закономерностей кристаллизации можно рассмотреть металлургические особенности кристаллизации и кристаллического строения сварных швов, полученных методами дуговой сварки плавлением.
Кристаллизация сварочной ванны происходит гораздо сложнее в связи с многообразием условий ее образования и охлаждения. На рисунке 12 представлена схема мгновенного состояния сварочной ванны жидкого