Пример готового ДЗ по теории сварочных процессов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. Э. БАУМАНА

ФАКУЛЬТЕТ МТ (Машиностроительные технологии)

КАФЕДРА МТ7 (Технологии и оборудование сварки и контроля качества сварных соединений)

Домашнее задание

по курсу

«Теория сварочных процессов»

Студент группы МТ 7-82: Карасев Н.А.

Москва,2014 г.

1. Подсчитайте энергию Гиббса (ΔG) для следующих реакций при сварочном нагреве в интервале 1000-5000 °С.

Дано:

_{Решение:}

Энергия Гиббса определяется по формуле (по методу Улиха):

где, - изменение энергии Гиббса химической реакции,

- изменение энтальпии образования,

- изменение энтропии химической реакции,

- изменение молярной теплоемкости химической реакции.

Энергия Гиббса при:

Вывод: Мы определяем энергию Гиббса, чтобы спрогнозировать химические реакции, таким образом, мы можем судить об окислительных и восстановительных свойств веществ и их взаимодействиях. При температуре 1000 К реакция идет в прямом направлении (так как ), а при температуре 5000 К данная реакция идет в обратном направлении.

2. Определите энтропию растворения в железе следующего элемента при 20°С и при 5000°С в концентрации 0,5%.

Дано:

Вещество – W.

Решение:

1. Стандартная энтропия 1 моль вольфрама:

Пересчитаем массовую концентрацию вольфрама в молярную по формуле:

, где - соответственно атомная масса и массовая концентрация i – го элемента;

К – число элементов в системе.

3. Определяем энтропию 1 моль вольфрама при температуре 5000 ⁰С по формуле:

- температура, при которой рассчитывается энтропия (задана по условию);

- стандартная температура.

– - теплоемкость вольфрама.

4. Определяем энтропию растворения вольфрама в железе при T=5298K:

5. Определяем энтропию растворения при 20 ⁰С:

Вывод: Энтропия системы тем выше, чем больше степень неупорядоченности (беспорядка) системы. Таким образом, если процесс идет в направлении увеличения неупорядоченности системы (а повседневный опыт показывает, что это наиболее вероятный процесс), ΔS — величина положительная. Для увеличения степени порядка в системе (ΔS > 0) необходимо затратить энергию. Оба этих положения вытекают из фундаментального закона природы — второго закона термодинамики.

Таким образом, энтропия возрастает, т.к. возрастает температура.

3. Подсчитайте парциальное давление рСО_2, выделяющегося при нагреве следующих веществ в составе электродного покрытия и сравните с СаСО₃.

Дано:

Вещество –

Решение:

При диссоциации имеет место следующая реакция:

В условия термодинамического равновесия константа этой реакции , так как остальные компоненты являются конденсированными (жидкими или твердыми) веществами и не участвуют в изменении давления газовой среды.

_{Рассчитаем константу равновесия для реакции с СaCO3:}

Сравнение давления pCO₂ при нагреве и CaCO₃

Вывод Вывод: не обеспечивает защиту дуги от внешней среды, т.к. парциальное давление pCO₂ ( )<< pO₂ парциального давления кислорода pO₂(среды)=0,21 атм, следовательно будет окисление металла шва.

4. Какие элементы при сварке в воздухе окисляются в первую очередь.

Дано:

10Х18Н9

Решение:

Состав стали:

_{C=0.1% - содержание углерода;}

_{Cr=18% - содержание хрома;}

_{Ni=9% - содержание никеля;}

_{Fe=72% - содержание железа;}

Реакции окисления элементов сплава:

Сродство к кислороду можно определить по энергии Гиббса реакции, для её определения необходимо подсчитать , , :

1)

;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль углерода:

2)

;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль никеля:

3)

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль хрома:

4)

;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль железа:

Рассчитаем мольные концентрации компонентов сплава:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

Энергия Гиббса компонентов с учетом мольной концентрации:

Вывод: в сплаве 10Х18Н9 первым окисляется Cr, затем C, Fe, Ni.

1. Ввод какого элемента позволяет полнее удалить серу (S) из ванны.

Дано:

Zr, Al

Решение:

В стали сера образует соединение FeS, следовательно реакция удаления серы выглядит следующим образом:

1. 2FeS + Zr = ZrS₂ + 2Fe;

2. 3FeS + 2Al = Al₂S₃ + 3Fe.

Рассчитаем энергию Гиббса данных реакций в состоянии ванны:

1. ;

;

Изменение энергии Гиббса реакции :

1. ;

Изменение энергии Гиббса реакции :

Вывод: Zr лучше позволяет выводить серу из стали (так как реакция идет в прямом направлении). Реакция с Al идет в обратном направлении ( S остается с железом). Сера является вредной примесью, так как в стали образует легкоплавкое соединение FeS, которое имеет температуру плавления на 300⁰С меньше чем сталь. Поэтому FeS при кристаллизации скапливается по границам зерен, тем самым понижает нижнюю границу ТИХ и увеличивает вероятность образования горячих трещин.

6. Выберите элемент, который при сварке при T = 1900 °C защитит углерод от выгорания в стали 45.

Дано:

Элемент – Ni.

Решение:

Определим энергию Гиббса данных реакций:

;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль железа:

2)

;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль никеля:

;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль углерода:

Вывод: Ni не защищает Fe и C от выгорания в стали 45.

7. Подсчитайте константу равновесия следующей реакции в стадии ванны (Т=1900⁰С) в интервале 1500-2500⁰С

Дано:

К+O₂

Решение:

_4K+O2=2K2O

Для вычисления константы равновесия воспользуемся формулой Вант – Гоффа:

;

;

;

Вывод: константа равновесия характеризует завершенность реакции, чем больше , тем больше степень завершенности реакции (концентрация продуктов реакции выше концентрации исходных веществ).

8. Рассчитать степень диссоциации в зоне дуги (Т=1000 – 3500 ⁰С) для следующих веществ.

Дано:

CaO, CO₂

Решение:

1. 2CaO=2Ca+O₂;

;

;

;

Изменение энергии Гиббса при Т=1000⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Изменение энергии Гиббса при Т=3500⁰С

- степень диссоциации.

1. ;

;

; ;

Изменение энергии Гиббса при Т=1000⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Изменение энергии Гиббса при Т=3500⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Вывод: при увеличении степени диссоциации появляются заряженные частицы (ионы, радикалы и т.д.) следовательно увеличивается проводимость дуги.