СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1 Описание рассматриваемого материала 4
2 Возникновение и свойства рентгеновского излучения 6
2.1 Возникновение и свойства рентгеновского излучения 6
2.2 Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами 10
2.3 Модель Вульфа-Брэгга 11
2.4 Рентгеновские трубки 13
2.5 Выбор анода для исследования материала 14
2.6 Методы рентгеновской съёмки кристаллов 14
2.7 Подготовка образца для исследования на рентгеновском аппарате 19
2.8 Схема устройства типа ДРОН 20
2.9 Типы структур металлов 22
2.10 Фильтрование рентгеновских лучей 25
3 Рентгенофазовый анализ 27
Заключение 29
Список используемой литературы 30
ВВЕДЕНИЕ
Исследования структуры металлов и сплавов с помощью современных дифракционных методов позволяют выявить ресурсы улучшения механических и других эксплуатационных характеристик материала. Требования практики, с одной стороны, и развитие рентгеновских и электроннооптических методов, с другой, приводят к тому, что методы анализа структуры оказываются не только методами исследования, но и методами контроля качества металлических материалов, а также технологических процессов их получения и обработки.
В настоящее время на рынке металлопродукции сформировался большой спрос на буровые марки стали типа 14ХН3МА, это связано с бурным развитием металлоёмкой ресурсодобывающей промышленности. Буровые долота являются основным инструментом, с помощью которого ведется бурение скважин в нефтяной и газовой промышленности, на карьерах по добычи угля и руд черных и цветных металлов, а также в строительстве.
Буровые долота предназначены для разрушения горной породы и образования ствола скважин, и работают в крайне тяжелых условиях. От работоспособности долота зависят основные технико-экономические показатели проводки скважин. Из-за жёсткости условий эксплуатации изделий из буровых марок сталей к ним предъявляется ряд высоких требований по многим показателям качества, таким как: качество поверхности, макроструктура, неметаллические включения, комплекс механических свойств, прокаливаемость. Ужесточение требований к металлургическому качеству, точнее к контролю металлургических переделов, их технологических особенностей обусловлено тем, что была надежно установлена зависимость служебных свойств сталей от технологии и режимов плавки, раскисления, разливки, прокатки, термической обработки, изменяющих макро- и микроструктуру, количество и форму, и расположение неметаллических включений.
1 Описание рассматриваемого материала
Долотная сталь должна обеспечить твердую режущую кромку, оставаясь в остальной части долота достаточно вязкой, чтобы предотвратить возможность поломки долота в скважине.
Образцы металла готовят из долотных сталей или твердого сплава, т.е. из того материала, по отношению к которому определяют абразивность пород. При определении абразивности испытания проводят с промывкой водой.
При изыскании оптимального состава долотных сталей необходимо учитывать не только специфику изнашивания и его закономерности, но и условия работы буровых шарошечных долот и особенности их конструкции. Как уже отмечалось, клиновидные зубья фрезеруются на конусе шарошки и составляют одно целое с ее корпусом.
Таблица 1 Массовая доля элементов, % по ТУ 3-102-80
| содержание элементов, % | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Cu | S | P | |
| 0,14 | 0,33 | 0,54 | 1,3 | 3,23 | 0,11 | 0,17 | 0,006 | 0,013 | |
Режимы термической обработки образцов
1-я закалка 890±10оС в масло; 2-я закалка 810±10оС в масло. Отпуск 185±15оС с охлаждением на воздухе
Таблица 2 Механические свойства стали по ТУ 3-102-80
| σт, кгс/мм2 | σв, кгс/мм2 | δ, % | ψ, % | KCU, кгс·м/см2 |
| 125 | 132 | 12,5 | 59 | 11,6 |
На определенном этапе работы долота и при определенных режимах и условиях бурения абразивный износ может быть ведущим видом изнашивания опоры. В процессе бурения через зазоры в опоре непрерывно циркулирует промывочная жидкость, содержащая абразивные частицы. Абразивные частицы глинистого раствора и разбуриваемой породы, попадая с потоком жидкости на трущиеся поверхности опоры, вызывают абразивный износ путем микрорезания и микроцарапания и в результате прямого внедрения. Различные схемы взаимодействия абразивных частиц с поверхностями трения обуславливают различные, по существу, виды изнашивания. За время работы долота на забое твердость постепенно падает, а интенсивность износа в связи с этим повышается.
Усталостные разрушения элементов долота в реальных условиях бурения интенсифицируется под влиянием адсорбционного эффекта поверхностно – активных веществ и коррозионно–агрессивного влияния элементов, содержащихся в промывочных растворах.
Это в сочетании с абразивным износом приводит к быстрому выходу из строя элементов долот.
Зубья шарошки находятся в сложном напряженном состоянии, сминаются или подвергаются хрупкому разрушению, т.е. разрушению путем отрыва без остаточных деформаций.
В результате ударного характера приложение силы в элементах долот развиваются кратковременные напряжения, максимальное действие которых проявляются в зубе шарошки у основания, на цапфах, на поверхности беговых дорожек и в местах концентрации напряжений.
Долговечность опоры долота зависит от интенсивности изнашивания и разрушения поверхностей цапфы, шарошки и тел качения. Характер изнашивания и разрушение элементов опоры долота различный, существенно меняющийся в зависимости от режима бурения и условий работы долота на забое. Это связано с неравномерным и сложным нагружением различных участков поверхностей опоры, с конструкцией, технологией изготовления и размерами долота.
2 Описание методики и результатов рентгеноструктурного анализа
2.1 Возникновение и свойства рентгеновского излучения
Рентгеновские Лучи – электромагнитное излучение с длинами волн 10–4 – 10 А (10–5 – 1 нм).
В 1895 немецкий физик Рентген, проводя опыты по прохождению тока между двумя электродами в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный номер (плотность) преграды, поэтому рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого тела, но задерживаются костями скелета. Были сконструированы источники мощных рентгеновских лучей, позволяющие просвечивать металлические детали и находить в них внутренние дефекты.
Немецкий физик Лауэ предположил, что рентгеновские лучи являются таким же электромагнитным излучением, как лучи видимого света, но с меньшей длиной волны и к ним применимы все законы оптики, в том числе возможна дифракция. В оптике видимого света дифракция на элементарном уровне может быть представлена как отражение света от системы штрихов – дифракционной решетки, происходящее только под определенными углами, при этом угол отражения лучей связан с углом падения, расстоянием между штрихами дифракционной решетки и длиной волны падающего излучения. Для дифракции нужно, чтобы расстояние между штрихами было примерно равно длине волны падающего света.
Лауэ предположил, что рентгеновские лучи имеют длину волны, близкую к расстоянию между отдельными атомами в кристаллах, т.е. атомы в кристалле создают дифракционную решетку для рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, направленные на поверхность кристалла, отразились на фотопластинку, как предсказывалось теорией.
Любые изменения в положении атомов влияют на дифракционную картину, и, изучая дифракцию рентгеновских лучей, можно узнать расположение атомов в кристалле и изменение этого расположения при любых физических, химических и механических воздействиях на кристалл.
Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ). Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. Совокупность лучей со всеми возможными длинами волн образует непрерывный спектр, и длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, в 1,5 раза превышает минимальную длину волны. При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.) Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. В отличие от рентгеновских лучей с непрерывным спектром, у этого излучения очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность (характеристическое излучением)
(рис. 1). Количество атомов, определяющих интенсивность характеристического излучения, очень велико, например, для рентгеновской трубки с медным анодом при напряжении 1 кВ токе 15 мА за 1 с характеристическое излучение дают 1014–1015 атомов. Эта величина вычисляется как отношение общей мощности рентгеновского излучения к энергии кванта рентгеновского излучения из К-оболочки (К-серия рентгеновского характеристического излучения). Общая мощность рентгеновского излучения при этом составляет всего 0,1% от потребляемой мощности, остальная часть теряется, в основном, за счет перехода в тепло. Вследствие высокой интенсивности и узкого интервала длин волн характеристическое рентгеновское излучение является основным типом излучения, используемым в научных исследованиях и при технологическом контроле. Одновременно с лучами К-серии генерируются лучи L и М-серий, имеющих значительно большие длины волн, но применение их ограничено. K-серия имеет две составляющие с близкими длинами волн a и b, при этом интенсивность b-составляющей в 5 раз меньше, чем a. В свою очередь a-составляющая характеризуется двумя очень близкими длинами волн, интенсивность одной из которых в 2 раза больше, чем другой. Чтобы получить излучение с одной длиной волны (монохроматическое излучение), разработаны специальные методы, использующие зависимость поглощения и дифракции рентгеновских лучей от длины волны. Увеличение атомного номера элемента связано с изменением характеристик электронных оболочек, при этом, чем больше атомный номер материала анода рентгеновской трубки, тем меньше длина волны К-серии. Наиболее широко применяются трубки с анодами из элементов с атомными номерами от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и длинами волн от 2,29 до 0,712 А (0,229 – 0,712 нм).