Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке

297 а В каких случаях при проведелии расчетов используют номограммы? Можно ли проводить расчеты без иих? 7. Какими параметрами характеризуется форма сечения сва но~о шва? р о~о л, как оценить тепловую эффективность процесса лроплавлениа' 9 этаки . Какими параметрами характеризуется производительность расплавления элекгролаэ 10. С . С чем связано изменение производительности расгшаалеиия электродной проволоки при увеличении ее вылета? 11. С .

С чем связано ограничение тока при сварке штучными электролами? 13. В . В каких случаях применяют миоюслойную сварку короткими участками? 13. 3. Какие расчетные схемы используют лля расчетов тепловых процессов при контактной стыковой сеарке7 14. К акис приемы используют при расчете температур для периода их выравнивания? Раздел Н1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ При всех способах сварки металл подвергаегся высокотемпературному нагреву (до температур, близких к температуре кипения). Это резко увеличивает его химическую активность при взаимодействии с окружающей средой. Мешлл окислеется, шюыщаегся азотом. водоролом, что приводит к ухудшению его механических свойств. Прочность сварных конструкций зависит от того, в какой мере сохранено высокое качество металла, достигнутое при плавке, прокатке, термообрабагке сталей и сплавов.

В современных сварочных процессах используют методы и средства, позволающие не только сохранить, но и повысить качество металла в зоне сварного соединения. В данном разделе рассмотрены методы прогнозированиа хода физико-химических реакций, описано их влияние на свойства металла и дано обоснование способов управления металлургическими процессами, способствующего их развитию в благоприятном направлении.

Глава 8. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Для прогнозирования хода фиЗико-химических реакций используют метод термодииамического анализа равновесных процессов, допуская прн этом, что несмотря на кратковременность процесса сварки высокие температуры нагрева мегшша и большая удельная поверхность его контакта со средой практически обеспечиваютпостижениетермодинамического равновесия. 8Л. Понятие о термодииамичесиой системе Физическая химия изучает химические процессы физическими методами.

Одним из ее разделов является химическая термодинамика, которая рассматривает законы развития химических и физи- 299 29Я ческих процессов с позиций термодинамики — общей науки об изменениях и переходах энергии. В ее основе лежат главнмм образом два закона, известнме из курса физики: первый закон термодинамики, представляющий собой закон сохранения материи н энергии, сформулированный М.В. Ломоносовым в !756 г., и второй закон термодинамики, позволяющий судить о возможности самопроизвольного развития процессов в данных физических условиях. Не ограничиваясь общими феноменологическими уравнениями термодинамики, химическая термодинамика дополняет их квантаво-механическим учением о строении вещества, привлекает статистический метод и этим значительно расширяет возможности исследования сложных материальных систем.

Объектом изучении в термодинамике является термодинамическая система, т. е. комплекс физических тел, находящихся во взаимодействии между собой и с окружающей средой, мысленно обособленный от окружающей среды. В частности химические реакции, представляющие собой превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу и строению, можно рассматривать как процессы, в которых участвуют исходные вещества и продукты реакций, составляющие термодинамическую систему. По характеру взаимодействия с окружающей средой, т.

е. обмена с ней массой и энергией, различают несколько видов термодинамических систем. Изолированной системой называется термодинамическая система, у которой запрещен обмен энергией и массой с окружающей средой: г Е=.сопзг; ~М=сопзг.у замкнутой системы разрешен обмен энергией с окружающей средой, но массообмен запрещен: ~Е и сонм; ~М = солж.

Незамкнутые системы обмениваются со средой энергией и массой: ~ Ен сопзц ~, М н сопзг. Их изучают в термодинамике неравновесных процессов. Зона сваривания является примером незамкнутой системы. По своему строению термодинамические системы могут быть гомогенными, если нет границ раздела между отдельными нх частямн (газовые смеси, растворы), или гетерогенными, если существуют границы раздела между отдельными частями системы (фазами), которые отличаются друг ат друга химическим составом или физическими свойспюми, обусловленными их строением (твердое тело, жидкость, пар).

фазой назьпюется часть гетерогенной системы, отделенная физической границей раздела, т. е. границей резкого нзыенення свойств. Так как всякая граница раздела обладает запасом свободной энергии, то в высоко дисперсных системах свойства поверх- настей раздела будут влиять на состояние системы и даже даминнровать над объемными свойствами. Так, при высокой степени дробления твердых или жидких фаз изменяются их температуры плавления, температуры кипения. Высокодисперсные системы могут создавать метастабнльные системы — коллоидные растворы и аэрозоли.

К таким системам общие термодинамические закономерности уже не применимы. Совокупность всех свойств термодинамической системм определя ет ее состояние. Термодинамические свойства системы описываются характеристическими функциями или их производными. К ним относятся внутренняя энергия, энтальпня, энтропия н термодинамические потенциалы. Любая физическая величина, влияющая на состояние системы — объем К лаваение р, температура Т, — носит название термодинамического параметра илн параметра с состояния. Для наиболее простой системы — идеального зТи газа — можно ограничиться двумя параметрамн состояния: и р, так как молярный объем г' определяется нз уравнения состояния газа, т.

е. зависит от 7 н р. Изменение хотя бы одного параметра состояния приводит к изменению всей системы, называемому термодинамическим процессом. Последовательное изменение состояния системы, приводящее ее вновь в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом. ,Термодинамические процессы следует разделять на обратимые и необратимые. Обратимым процессом называется такой процесс, который будучи проведенным под внешним воздействием в прямом и обратном направлениях, не оставляет никаких изменений в окр аюшей среде.

Обратимый процесс можно рассматривать как сумму бесконечно близких равновесий, когда бесконечно ма иэменение параметров (внешних условИЙ) может изменить направление процесса. Поэтому истинно обратимый процесс может совершаться только с бесконечно малой скоростью, с тем чтобы соблюдалось условие равнояесия или обратимости. Обратимый процесс можно отождествить с термодинамическим равновесием, т. е.

с таким состоянием системы, при котором взаимно компенсированные процессы не приволят к изменению состава и параметров системы. Однако практически все процессы (в разной степени) липзь приближенно можно считать обратимымн. Таелнцл 1.5 Харакгернстнкн эффектнвнестн некоторых способен сварка Для одного н того же источника энергии, например при контактной сварке, внутреннее сопротивление машины может различаться в 10 раз и соответственно этому изменяется КПД источника. 1.4.4.

Требованнн к нсточннкам энергии дда сваркн Классификация сварочных процессов показывает, что каждая нх группа может быть реализована с помощью определенного источника энергии. Для выполнения качественной сварки нсгочник энергии должен отвечать требованиям технологической н конструктивной целесообразности применения, экономичнастн преобразования энергии, ограничении вредных побочных эффектов при сварке н т. п. Источники энергии лля сварки плавлением (луч, дуга, пламя и др,) должны обеспечивать в зоне сварки (пятне нагрева заданных размеров) концентрацию тепловой энергии и температуру, достаточную для плавления материала и провара его на требуемую глубину, но без интенсивного испарения. Источники энергии для сварки давленнем (контактной, термопрессовой, холодной и звр.) должны обеспечивать концентрацию тепловой или механической энергии в зоне сварки, а также давление, достаточное для создания физического контакта, активации соединяемых поверхностей н химического взаимодействия атомов в зоне контакта.

Должны быть также обеспечены физическая нлн физико-химическая зашита зоны сварки от окружающего воздуха и другие технологические условия, специфические для каждого метода сварки. 1Я.5. Прессовв-мехвннческне процессы В основе всех пре«сово-механнческнх процессов лежит пластнческая деформация, создаваемая тем нли иным способом в зоне сварного соединения. Для пластичных материалов возможна леформацня в холодном состоанни (холоднея сварка). Прн увеличении сечений сварнвасмых деталей и повышении прочности сварнваемого материала (стали) двя уменылення усилий леформирования н повышения пластичцостн материала его прелеарнтельно подогревают (кузнечная, диффузионная сварка). В ряде случаев нагрев свариваемых изделий осуществляется в результате преобразования первичной механической энергии в тепловую (сварка трением, ультразвуковая сварка).