КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА И ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ СТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ ОТЖИГЕ

Цель термической обработки металлоизделий (например, стальных труб) состоит в том, чтобы улучшить механические свойства сталей и структуру металла.

Большая часть научных исследований посвящена равновесным и неравновесным структурам, их свойствам и инструментам, которые имеются в нашем распоряжении для прогнозирования различных типов фазовых образований и их свойств.

Очень важно, чтобы специалисты по термической обработке имели четкое представление о конструкциях, которые могут быть изготовлены из стали при различных условиях обработки и которые они могут применять в своем оборудовании.

Железо в твердом состоянии известно в двух аллотропных состояниях. Аллотропия − это явление, при котором элемент имеет различную кристаллическую решетку в зависимости от конкретной температуры и давления.

Начиная с низких температур и вплоть до 910°C (1670 F) железо обладает объемно-центрированной кубической (оцк) решеткой и называется α-железом (α-Fe). При температуре 910°C кристаллы α-железа превращаются в кристаллы γ-железа, обладающие гранецентрированной кубической (гцк) решеткой. γ-кристаллы сохраняют стабильность до температуры 1400°C (2500 F). Выше этой температуры они снова приобретают оцк-решетку и обычно называются δ-кристаллами [1].

При низких температурах α-Fe проявляет ярко выраженный ферромагнитный характер. Когда он нагревается примерно до 770°C (1418 F), ферромагнетизм исчезает.

Согласно последним исследованиям, это связано с тем, что кристаллическая решетка теряет свою ферромагнитную спиновую упорядоченность. Состояние железа выше 770°C называется β-Fe. Решетка парамагнитных β-кристаллов идентична решетке α-кристаллов.

Точки, в которых одна аллотропная форма железа превращается в другую, условно обозначаются буквой А с нижними индексами, указывающими порядковый номер превращения. Нижние индексы 0 и 1 обозначают превращения, которые отсутствуют в чистом железе, но наблюдаются в углеродистых сплавах железа. Индекс 2 обозначает магнитное превращение α-фазы, в то время как индексы 3 и 4 означают превращение α в γ и γ в δ.

При переходе из одной формы в другую железо способно переохлаждаться. Это приводит к различию в расположении точек трансформации при нагреве и охлаждении. Разница зависит от скорости охлаждения (Рисунок 1) и называется гистерезисом.

Рисунок 1. Изменение кристаллической решетки стали от времени нагрева и температуры

При термообработке и отжиге стальных труб важное влияние на кристаллическую решетку и механические свойства стали имеет температурное поле внутри стенки толстостенной трубы.

Уравнение теплопроводности и граничные условия для стальной толстостенной трубы имеют вид

где T − температура; T_C1 и T_C2 − температура внешней и внутренней поверхностей трубы.

Тогда

где r₁ и r₂ − внешний и внутренний диаметр трубы.

Тогда линейная плотность теплового потока равна

Пусть

где λ − коэффициент теплопроводности стали.

Тогда

Откуда