Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке, страница 5

Зависимость пркра|цения энтропии Лда от температуры лля А! и Ге где С' — изобарная молярная теплоемкость вещества 1-й фазы; Р ЛН,',р — разности эитальпнй 1-ю фазового превращения. Приращение энтропии системы Лбх в результате химической о «р реакции подсчитывают так же, как и приращение энтачьпин системы (см. пример 8.!), т.

е. по разности стандартной энтропии продуктов реакции и исходных веществ: Энтропия веществ, находящихся в растворах, весьма существенно зависит от типа и концентрации раствора, а также от активности его компонентов. 3!8 8.6. Терыодинимнки растворов Растворами называются мпогокомпонентные смеси переменного состава, в которых частицы веществ равномерно распределены по объему и их концентрация может плавно изменяться в достаточно широких пределах. Этим растворы отличаются от химических соединений, в которых соотношение входяншх в их состав атомов строго опрелелеио. Различают газовые растворы, или смеси, и «анде!юнрованные растворы (твердые или жидкие).

Вещество, концентрации которого в растворе соатавляет более 50 лги называют растворителем, а остальные вещества в растворе — раствореннмми. Считается, что вещество имеет ограниченную растворимость, если в термодинамическом равновесии с раствором находится также и свободное растворяемое вещество. Его максимальная концентрация в распюре называется растворимостью. Такой раствор называетая насыщенным, Насыщение может наступать также прн выпадении из раствора веществ или химических соелинений, например при охлаждении. Растворимость зависит от температуры и давления, а также от состава раствора. Для конденсированных растворов давлением пренебрегают, если растворитель и растворимое — конленсированные вещества. Растворение представляет собой сложный физико-химический процесс, включающий в себя два явления: физическое — рассеивание частиц по объему растворителя; химическое — разрушение старых связей, возникновение новых связей между частицами разнородных веществ и появление нового однородного вещества с новыми свойствами.

Рассеивание атомов и молекул есть результат тенденции к возрастанию энтропии, т. е. к установлению беспорядка. Есяи прн рассеивании возникают новые типы связей между атомами. растворение имеет ограниченный характер и сопровождается тепловым эффектом, а также получением объема, не равного сумме абьемов исходных веществ. Идеальным называют раствор, в котором возникают те же связи, что и в исходных веществах.

Газовые смеси в условиях сварки являются практически идеальными растворами лишь при низких лавлениях и температурах, далеких от критических. В других случаях вводят поправки — коэффициент активности у, н летучесть Я компонента газовой смеси. Поправочный коэффициент активности, учитывающий действие химичеакого фактора цри образовании газовой смеси, зависит как от активности компонента, так и от его малярной концентрации.

Он связан с летучестью соотноше— де гг = р!; р. — действительное давление газа; уз Рю лу = — — давление идеального газа в тех же условиях. В идеальной газоаой смеси у; =1, а р, = рщ. Металлические растворы в твердом состоянии — кристалличе- ские тела с ближним и дальним цорялкам, т. е, их кристаллическая решетка н ее параметры непрерывны в микро- и макрообъемах ме- талла. В узлах кристаллической решетки металчов находятся ио- ны; валентные электроны палн<ютью илн частично обобществлены н перемещены в междоузельное пространство. Твердые раатворы обычно имеют решетку растворителя. Они образуются по типу ия (в железе — Нз, С, 141, Р, 8, В) или замещения. если внедрения (в железе — з, ической близки радиусы атомов, геометрия, параметры кристалли решетки и х имические свойства смешиваемых веществ.

Все ме- таллы образуют твердые растворы заме!ценна. При расплавлении металлических растворов нарушается лаль- ний порядок, но сохраняется ближний порядок, т. е. правильное асположение частиц в микрообьемах. Жидкие и твердые растао- Р ры сильно отяичаются от идеальных раствор ов, с повышением температуры это отличие ослабевает, У авнение лля реальных растворов приводят к форме уравне- Р ния для идеазьных растворов также с помощью поправочного ко- эффициента активности у, = а,! д!н где )у, — малярная концентра- Фв, а — актианость компоненты, илн активная концентрация Фв, а, — а (имеет такую же размерность, как и Ж!).

В идеальном растворе у,=!, а а,=!Уг На ис. 8.4 в качестве примера приведены зависимости активно- сти а (для разных коэффициентов акпшносзи у) кремния и мели, растворенных в железе, от их концентрации, а также активность магния, распюренного в алюминии, в зависимости от температуры. Из рис. 8.4 следует, что в интервале малой концентрации ак- тивность растворенных веществ равна их малярной конпентрации. П и существенном увеличении концентрации отклонения от иде- альности весьма сушеатвенны, например: для мели, ра р ри с ство синай в железе, коэффициент активности у возрастает до, а креоу,алла м- иня снижается до 0,1. Из рис. 8.4, б также следует, что активность веществ в растворе снижается по мере увеличения телзпературы. 3!9 Окончание щабл !.6 частность ащяести а ше, Втгммз 1 1О 1 10 1 10 1 1О 1 10 10 Примечание.

Понятие температуры лая луча нехарактерно, так 1 ; как в мом случае лвнженис частиц в основном направленное, а не хаотичное. Однако сварка яозможна только до плотности мощности 3 4 2 !0 ...10 Втгмм, гак как большие плотности мощности приводят к выплескам и интенсивному испарению материала, полезному лишь при резке и размерной обработке изделий. Плотность мощности луча и энергетические коэффициенты наплавки, расплавления и лругие (см. гл. 3) пригодны лля оценки только отдельных видов источников энергии или методов сварки. Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов и разных методов сварки н пайки целесообразно использовать удельные энергии г „ и е„, необходимые при сварке ланного соединения. 1.5.2. Расчет энергоемкости процессов сварки расчеты показали, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханнческие процессы требуют значительно меньше энергии, чем термические процессы при сварке пэаачснием.

Например, при сварке встык стальных стержней лиаметром 20 мм луговым ванным способом необходимая удельная 2 энергия е, = 1800 Дж'мм; при контактной атыковой сварке оплав- 32 шем е,в - -400 Дж,'мм; при сварке т1юнием есв — 130 Джгмм . 2 Двя аварки потык пластин из вяюминиевого сплава толщиной 5 мм требУнпск следУющие значениЯ Удельной знеРгии гс„: пРи аРгонодУ- пэвой сварке .-- 300 Дж' мм; при контакпюй сварке = 200 Дж!Мм; 2 2 прц холодной аварке = 30 Джгмм .

Расчет удельной энергии ес, для разных метадон аварки плавлением коррозионно.стойкой стали типа 18-10 (рис. 1.9) показал, что с увеличением толщины излелня улельная сварочная энергия резко растет при использовании многослой- г ой сжзрки Напрщчер аргонадугаяая шараа вольфрамовым (гьйВ) электро- 800 дом обеспечивает получение стыкового сварного соединения для листов толщи- / ДФ ной 15 мм при общих затратах энергии г ПД ...- ва все проходы до 1000 Дж!Мм . Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) благодаря 200 ЭЛС ювпкальному проплавлению за один проход позволяет соединить встык лис- 30 В,мм ты толщиной от 10 до 50 мм практически при одной и той же удельной энер- Рис. 1.9. Средине значения пш 30,.60 Дя!гмм .

Использование Улельнай энеРгии '., прн сварке аистов стали типа плазменной дуги (пд) и дугового рвзря 1В 1О толщиной ла 50 мм да в вакууме (ВД) прн узкой рюделке различныма способами позволяет потреблять при сварке мень- 2 ще удельной энергии (е„.= 150...300 Дж!Мм ), чем для дуги пол флюсом (ДФ), для которой в зависимости от разделки кромок требуется е„= 400...б00 Дж!Мм . 2 Сравнение значений к„ и с,ащ для однопроходной сварки стали показывает, что с„ с уменьшением интенсивности источника вот- 2 Растает примерно от 3...5 дж!Мм для лазерной сварки ло 200...400 Дж!Мм для газового пламени. В то же время общие за- г траты энеРгии г ащ, в котоРых УчитываютсЯ, напРимеР, энеРгозат(щты на вакуумирование для электронного луча (площадь сечения соединения = 500 мм ) и при КПД лазера (= 1...15 %), в десятки Раз выше для этих источников, чем для дуги в аргоие или лля газоаога пламени (рис.

1.10). 33 иан лс. (,О 0,8 0,6 0,4 0,2 яма 0,8 0,6 0,4 0,2 О 0,2 0,4 0,6 0,8 О 0,2 0,4 0,6 0,8 8(; Св, мае. доли Ма, мас. лали а б Рис. 8.4. Влияние содержания»В (кривая 2) и Сп (кривая 3) в Ее (а) и Ма а А! (6) на их активность в расплавах при рюличиых температурах (штриховыми линиями 1 локазанм зависимости активности от концентрации а идеальных растворах) При растворении вещества геракл индивидуальные термодинамические свойства по следующим причинам: при образовании раствора увеличивается степень беспорядка, т, е, растет энтропия; изменяется внутренняя энергия веществ в результате установления новых межчастичных связей. Поэтому значения термодинамических параметров веществ, находящихся в растворе, отличаются от значений тех же параметров исходных (чистых) веществ.

Кроме зависимости от температурм, давления и фазового состояния энтропия имеет очень сильную зависимость от концентрации вещества в данной системе — в растворе. Жилкие растворы делят на идеализированные (бесконечно разбавленные), совершенные и регулярные. В бесконечно разбоазениыг растворах мольная доля растворителя близка к единице. В них молекулы растворенного вещества не взаимодействуют между собой, так как отделены друг от друга молекулами растворитевя. В этом случае энтропия растворителя вычисляется по формуле бг = О = 5 + ЯТ 6»24, где Ф вЂ” мольная даля растворителя.

Совершенным раствором считается раствор, при образовании которого энтальпия растворения и изменение объема близки к нулю. К ним относятся в условиях сварки все газовые смеси и бинарные растворы металлов: Со, Сг,Мп,Мо, % в железе. В совершенных растворах все компоненты при любых концентрациях подчиняются закону Рауля, т.