Исследование следов взаимодействия стальных оболочек с алюминиевыми проводниками
Методика исследования взаимодействия стальных оболочек с алюминиевыми проводниками приведена в данном сборнике по материалам [48, 52]. Дополнительные сведения о получаемых микроструктурах можно получить из Атласа микроструктур [51].
Взаимодействие стали с алюминием
При исследовании стальных оболочек (труб и металлорукавов), а также листового профиля из малоуглеродистых сталей со следами прожогов, образование которых может быть связано с воздействием электрической дуги между ними и фазным проводом с алюминиевыми жилами, необходимо иметь в виду возможность принципиально иного механизма появления такого рода повреждений, а именно: растворения железа расплавленным алюминием. Поэтому главный вопрос, возникающий при исследовании сквозных повреждений стальных изделий, в данном случае заключается в диагностике механизма их образования: короткое замыкание или химическое взаимодействие.
Как свидетельствует экспертная практика, необходимость принятия во внимание возможности взаимодействия железа с алюминием может возникнуть при проведении экспертиз по делам о пожарах в следующих случаях:
- при исследовании стальных труб металлорукавов со сквозными повреждениями их стенок, если внутри находились провода с алюминиевыми жилами;
- при исследовании иных изделий из углеродистой стали (корпусов электрических щитков, листового профиля и др.), на поверхность которых мог попасть расплавленный алюминий.
|
|
|
Взаимодействие стали с алюминием при внешнем нагреве
Повреждение стенки стальной трубы (металлорукава) происходит под действием следующих факторов:
- нагрева, уменьшающего прочность стали и активизирующего происходящие реакции;
- окисления стенки с образованием различных оксидов железа (окалины);
- растворения железа в жидком алюминии;
- диффузии алюминия в стальную стенку трубы с образованием хрупкого и рыхлого слоя интерметаллидов.
На первом этапе, при нагреве до 660 – 700 °С, происходит окисление стали и образование окалины. Окисляется твердый, а затем и жидкий алюминий. При температуре 700 °С происходит разрушение окисной пленки на жидком алюминии. В этот момент может начаться реакция восстановления оксидов железа алюминием. Как известно, эта реакция происходит с выделением большого количества тепла:
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + 847,8 кДж.
На следующем этапе происходит растворение стали (железа) в расплаве. Можно предположить, что в местах интенсивного ржавления (скопления окалины) повреждение стенки происходит быстрее. Со временем концентрация железа в расплаве возрастает, достигая предела насыщения. Согласно диаграмме состояния, в алюминии при 800 °С растворяется лишь ~5% Fe, a при 900 °С ~10% Fe. Условиями интенсификации растворения являются повышение температуры и поступление свежих порций алюминиевого расплава. Растворение будет происходить быстрее в участках трубы с большей относительной массой расплава (массой, отнесенной к площади поверхности контакта расплава со стенкой трубы).
|
|
|
По достижении предельной концентрации железа в расплаве растворение прекращается. Происходит лишь диффузия алюминия в сталь, и продолжается окисление наружной поверхности стенки трубы. Диффузионное насыщение стали алюминием (процесс алитирования) протекает с образованием трех хрупких и твердых интерметаллидов FeAl3, Fe2Al5, FeAl, содержащих 60 – 32 % алюминия. Основным является слой алюминия FeAl3 (~60 % A1).
В интервале 700 – 900 °С интенсивно окисляется и алюминиевый расплав, так что при малой массе реакция взаимодействия может прекратиться из-за его полного превращения в оксид.
На последнем этапе описываемого процесса стенка трубы, утоненная из-за растворения и наружного окисления, разрыхленная благодаря диффузии алюминия, начинает пластически деформироваться (местное выпучивание) и затем разрушается. В образовавшееся отверстие вытекает расплав. При этом возможна реакция вытекающего расплава с окалиной на внешней поверхности трубы, что в свою очередь сопровождается следующими процессами: местным повышением температуры, увеличением растворимости железа в расплаве, попаданием образовавшихся оксидных частиц А12О3 в расплав, интенсивным окислением расплава из-за местного увеличения удельной поверхности. Вязкость расплава может уменьшаться.
|
|
|
При охлаждении расплав, насыщенный железом, кристаллизуется с образованием в основном двухфазного сплава, состоящего из алюминиевого твердого раствора и частиц FeAl3 разной величины и формы. Эти частицы зарождаются и растут как в объеме расплава, так и на стенке трубы. Порция расплава, затвердевшая в зоне отверстия, содержит пленки (оксидные частицы) А12О3.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 189; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!