методикалық нұсқау

1. Жылу энергетикасындағы металл ғылымының ерекшеліктері және оның міндеттері

Заманауи жылу энергетикасының негізі қуатты бу генераторларымен және турбиналармен жабдықталған жылу электр станциялары болып табылады. Жылу электр станцияларының негізгі құрылымдық материалдары жоғары өнімділік қасиеттеріне ие болаттар мен қорытпалар болып табылады. Бұл қасиеттерге металдың ұзақ уақыт бойы жоғары температураға, қысымға, коррозияға және эрозияға төтеп беру қабілеті жатады.

Электр станцияларының ондаған мың сағат бойы ұзақ жұмыс істеуі металдың құрылымының өзгеруіне, ондағы зақымданудың жиналуына және нәтижесінде оның негізгі қызмет көрсету қасиеттерінің нашарлауына және сенімділігінің төмендеуіне әкеледі. жабдықтар мен құбырлар.

Бұл жағымсыз процестерді бәсеңдету үшін металдың сапасына, оның құрылымдық-механикалық күйін тексеруге және қалдық ресурсты бағалаудың негіздемесіне қойылатын талаптар күшейтіледі. Сондықтан энергоблоктардың беріктігі, сенімділігі және тиімділігі металдың сапасымен, олардың құрылымымен және қызмет көрсету қасиеттерінің деңгейімен тығыз байланысты. Осыған байланысты жылу энергетикасын дамытудағы ілгерілеу энергетикалық кәсіпорындарды ыстыққа төзімді, ыстыққа төзімді және коррозияға төзімді болаттармен және жоғары және ерекше сападағы қорытпалармен қамтамасыз етуге байланысты.Металл ғылымының жылу энергетикасы үшін негізгі міндеттері - металдың құрылымы мен физикалық-механикалық қасиеттерінің кешенін,

жабдықтар мен құбырларды дайындау және пайдалану кезеңдерінде құрылымы мен қасиеттерінде болатын өзгерістер, энергетикалық блоктардың бөлшектері мен конструкцияларын жасау үшін металды және оны өңдеу технологияларын таңдауды негіздеу, жедел диагностиканың тиімді әдістерін қолдану металдың құрылымдық-механикалық күйін және оның қалдық мерзімін бағалаудың сенімді әдістерін әзірлеу.

1.1 Металдар

Электр энергетикасында қолданылатын негізгі материалдар металдар және олардың қорытпалары болып табылады және ұзақ уақыт сақталады. Сондықтан материалтану ғылымының негізгі бөлігі металлтану болып табылады.

Металл әлі күнге дейін әлемдік ғылыми-техникалық прогрестің негізі болып қала береді. Табиғатпен жасалған металдар және адам қолынан шыққан көптеген металл қорытпалары барлық салалар үшін негізгі құрылымдық материалдар болып табылады.

Металл ғылымының теориялық негіздері физика, химия, кристаллография, қатты дене физикасы, физикалық химия сияқты ғылымдар болып табылады.

Металл ғылымы – металдар мен олардың қорытпаларының құрылымы мен қасиеттерін зерттейтін, олардың құрамы, құрылымы мен қасиеттері арасындағы байланысты орнататын, қасиеттеріне әсер ету жолдарын әзірлейтін ғылым.

Бұл қасиеттер металдардың құрылыс ерекшеліктеріне байланысты. Металл күй теориясына сәйкес, металл – электрондар орбиталарда айналатын оң ядролардан тұратын зат. Соңғы деңгейде электрондар саны аз және олар ядромен әлсіз байланысқан.Бұл электрондар металдың бүкіл көлемі бойынша қозғалу мүмкіндігіне ие, яғни. атомдардың тұтас жиынтығына жатады.

1873-1876 жылдары Гиббс термодинамика заңдарына сүйене отырып, фазалық тепе-теңдіктің негізгі заңдарын және, атап айтқанда, фазалық ережені белгіледі. Практикалық есептерді шешу үшін белгілі бір жүйедегі фазалық тепе-теңдікті білу қажет, бірақ фазалардың құрамы мен салыстырмалы санын анықтау үшін жеткіліксіз. Қорытпалардың құрылымын, яғни қорытпаны құрайтын фазалардың атомдық құрылымын, сондай-ақ әрбір фазаның кристалдарының таралуын, өлшемін және пішінін білу өте қажет.

Фазалардың атомдық құрылымын анықтау кристалдағы атомдардың кеңістікті жүйелі түрде толтырып, кеңістіктік дифракциялық тор түзетінін және рентген сәулелерінің толқындық сипатта болатынын көрсеткен Лауэ ашқаннан кейін (1912) мүмкін болды. Мұндай тор арқылы рентгендік дифракция кристалдардың құрылымын зерттеуге мүмкіндік береді.

Соңғы кезде құрылымдық талдау үшін рентген сәулелерінен басқа электрондар мен нейтрондар қолданылады. Сәйкес зерттеу әдістері электронды дифракция және нейтрондық дифракция деп аталады. Электрондық оптика микроскопияны жақсартуға мүмкіндік берді. Қазіргі уақытта электронды микроскоптарда пайдалы максималды үлкейту 100 000 есеге дейін өсті.

50-ші жылдары металдық материалдардың қасиеттерінің табиғаты туралы зерттеулер басталған кезде, ең маңызды қасиеттердің көпшілігі, соның ішінде әртүрлі жүктеме жағдайында пластикалық деформацияға және сынуға төзімділік, жұқа кристалдық құрылымның ерекшеліктеріне байланысты екендігі көрсетілді.

Бұл тұжырым көптеген түсініксіз құбылыстарды түсіндіру және қажетті механикалық қасиеттері бар қорытпаларды жобалау үшін нақты металдардың құрылымы туралы физикалық теорияларды тартуға ықпал етті. Дислокация теориясының арқасында металдардың пластикалық деформациясы кезіндегі өзгерістері туралы сенімді ақпарат алуға мүмкіндік туды.

Соңғы онжылдықтарда металл ғылымы әсіресе қарқынды дамыды. Бұл ғарышты игеру, электроника мен атом энергетикасын дамыту үшін жаңа материалдардың қажеттілігімен түсіндіріледі. Қарқынды дамып келе жатқан нанотехнологияларды пайдалану энергияны үнемдейтін жаңа материалдардың пайда болуына ықпал етеді.

Материалтанудың негізгі міндеті берілген параметрлер мен жұмыс жағдайларына қатысты алдын ала есептелген қасиеттері бар материалдарды жасау болып табылады. Экстремалды жағдайларда (төмен және жоғары температуралар мен қысымдар) металдарды зерттеуге көп көңіл бөлінеді.

Адамға ежелден белгілі және оның өмірі мен шығармашылығында кеңінен қолданылған материалдардың үлкен ауқымында металдар әрқашан ерекше орын алады. Мұның себебі металдардың ерекше қасиеттерінде жатыр, олар оларды басқа материалдардан жақсы ажыратады және көп жағдайда оларды таптырмас етеді.

Металдар – белгілі бір қасиеттер жиынтығымен сипатталатын конструкциялық материалдар класының бірі. Металдардың негізгі қасиеттері:

- қатты күйдегі кристалдық тордың болуы;

- «металл жылтырлығы» (жоғары шағылысу);

- пластикалық;

- жоғары жылу өткізгіштік;

- жоғары электр өткізгіштігі;

- мықты.

Металдарды екі үлкен топқа бөлуге болады:

Қара және түсті.Қара металдардың түсі қою сұр, тығыздығы жоғары (сілтілі жерді қоспағанда), балқу температурасы жоғары, қаттылығы салыстырмалы түрде жоғары, көп жағдайда полиморфизм болады. Бұл топтың ең тән металы - темір.

Түсті металдардың жиі тән түсі бар: қызыл, сары, ақ. Олардың пластикасы жоғары, қаттылығы төмен, балқу температурасы салыстырмалы түрде төмен, олар полиморфизмнің болмауымен сипатталады. Бұл топтың ең тән металы - мыс.

Қара металдарды өз кезегінде келесідей бөлуге болады:

Темір металдар – темір, кобальт, никель (ферромагнетиктер деп аталатындар) және оларға қасиеттері жағынан жақын марганец. Кобальт, никель және марганец көбінесе темір қорытпаларына қоспалар ретінде, сондай-ақ қасиеттері бойынша жоғары легирленген болаттарға ұқсас сәйкес қорытпалар үшін негіз ретінде қолданылады.

Балқу температурасы темірден жоғары (яғни 1539°С жоғары) балқитын металдар. Ол легирленген болаттарға қоспа ретінде, сондай-ақ сәйкес қорытпалар үшін негіз ретінде қолданылады.

Уран металдары актинидтер болып табылады, олар негізінен ядролық энергия үшін қорытпаларда қолданылады.

Сирек жер металдары (R3M) – лантанидтер деген атпен біріккен лантан, церий, неодим, пр Бұл металдар өте жақын химиялық, бірақ әртүрлі физикалық қасиеттерге ие (балқу температурасы және т.б.). Олар басқа элементтердің қорытпаларына қоспалар ретінде қолданылады.

Еркін металдық күйдегі сілтілі жер металдары, мысалы, ядролық реакторларда салқындатқыш ретінде ерекше жағдайлардан басқа, пайдаланылмайды.

Түсті металдар келесіге бөлінеді:

Жеңіл металдар – бериллий, магний, алюминий, олардың тығыздығы төмен.

Асыл металдар – күміс, алтын, платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений. Оларға «жартылай асыл» мысты да жатқызуға болады. Олардың коррозияға төзімділігі жоғары.

Төмен балқитын металдар – мырыш, кадмий, сынап, қалайы, қорғасын, висмут, таллий, сурьма. Галий және германий (металлдық қасиеттері әлсіреген элементтер).азеодим және басқалар, ал иттрий мен скандий қасиеттері жағынан оларға ұқсас.

1.2 Металдардың құрылымын зерттеу әдістері

Металдар мен қорытпалардың құрылымын зерттеу макро- және микроанализ, рентгендік, сонымен қатар ақауларды анықтау (рентгендік, магниттік, ультрадыбыстық) әдістерімен жүзеге асырылады.

Макроталдау макроқұрылымды зерттейді, яғни. көзге немесе үлкейткіш әйнекпен көрінетін құрылым, бұл кезде үлкен ақаулар: жарықтар, шөгу қуыстары, газ көпіршіктері және т.б., сонымен қатар металдағы қоспалардың біркелкі таралуы. Макроқұрылым металл сынықтарымен, макросекциялармен анықталады. Макросекция – бір жағы ұнтақталған, мұқият майсыздандырылған, оюланған және лупамен зерттелген металдың немесе қорытпаның үлгісі.

Микроанализ металдың немесе қорытпаның құрылымын макроанализдегідей дайындалған, бірақ айнадай етіп қосымша жылтыратылған микросекциялар арқылы анықтайды. Жіңішке кесінділер оптикалық микроскоппен шағылысқан жарықта зерттеледі. Металл түйіршіктерінің бағыты әртүрлі болғандықтан, олар әртүрлі дәрежеде оюланған, микроскопта жарық та әр түрлі көрінеді. Қоспалардың әсерінен дәннің шекаралары негізгі металға қарағанда күштірек оюланған және айқынырақ көрінеді. Қорытпада құрылымдық компоненттер де әртүрлі оюланған. Электрондық микроскопта реплика қарастырылады - жоғары ұлғайту кезінде ерекше жұқа металл құрылымынан құйылған. Дәндердің мөлшері мен пішінін, құрылымдық құрамдас бөліктерді, металл емес қосындыларды және олардың табиғатын - жарықтар, кеуектілік және т.б., термиялық өңдеу сапасын анықтаңыз. Микроқұрылымды білу металдың қасиеттерінің өзгеру себептерін түсіндіруге мүмкіндік береді.

Рентгендік талдау металдардың атомдық құрылымын, кристалдық торлардың түрлері мен параметрлерін, сондай-ақ тереңде жатқан ақауларды зерттеуге мүмкіндік береді. Кристалл торының атомдарының қатарлары бойынша рентген сәулелерінің дифракциясына негізделген бұл талдау, металды бұзбай, ақауларды: кеуектілікті, жарықтарды, газ көпіршіктерін, шлак қосындыларын анықтауға мүмкіндік береді. Ақаулы жерлерде рентген сәулелері қатты металға қарағанда аз мөлшерде жұтылады, сондықтан мұндай сәулелер фотопленкада ақаудың пішініне сәйкес келетін қара дақтар түзеді. Рентген сәулелеріне қарағанда өнімге тереңдікке енетін гамма сәулелер металдың құрылымын және бұйым ақауларын зерттеу үшін қолданылады.

Магниттік әдіс магнитті металдардың (болат, никель және т.б.) 2 мм-ге дейінгі тереңдіктегі ақауларын (әртүрлі тектегі жарықтар, металл емес қосындылар және т.б.) зерттеу үшін қолданылады. Ол үшін сыналатын өнімді магниттейді, оның бетін темір ұнтағымен жабады; оның бетін тексеріп, өнімді магнитсіздендіру. Ақаудың айналасында біртекті емес өріс пайда болады, нәтижесінде магнитті ұнтақ ақаудың контурларын қайталайды. Магниттік индукция әдісі қорытпалардағы (өнімдердегі) оларды термиялық өңдеуден кейінгі құрылымдық өзгерістердің толықтығын бағалау үшін қолданылады.

Ультрадыбыстық әдіс металл бұйымдары мен кез келген өлшемдегі дайындамалардың сапасын тиімді бақылауға мүмкіндік береді. Импульсті ультрадыбыстық дефектоскоптарда эмиттер зондысынан шыққан ультрадыбыстық толқын сыналған өнімде таралады және ол ақауға тап болған кезде одан шағылысады.Шағылысқан толқындар қабылданады, күшейтіледі және дисплей индикаторына беріледі. Ультрадыбыстық роторлардың, рельстердің, соғылмалардың, прокаттардың және басқа да бұйымдардың сапасын бақылау үшін қолданылады, егер өнімдердің тұтастығын сақтау қажет болса.