Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Поэтому на полированных поверхностях, на полированной электродной проволоке адсорбируется значительно меньше водорода, чем на шероховатой, образующейся в результате окисления после грубой механической абразивной обработки илн после химического травления для удаления оксидов.
Адсорбция является первой стадией процесса растворения газов в металлах. Она служит причиной увлажнения пористых тел: электродных покрытий и керамических флюсов при длительном хранении их в негерметичной таре. Ржавчина на поверхности металла и другие соединения усиливают адсорбцию, которая увеличивает занимаемую ими площадь на поверхности металла.
Образование межфазного слоя можно представить процессом, в котором вещества двух фаз, расположенных первоначально по обе стороны мысленно проведенной межфазной поверхности, переходят в состояние, в котором находится вещество реального межфазного слоя. Для изобарно-изотермического процесса в закрытой системе из фундаментального уравнения Гиббса (8.32) получается, что 06(оз) = сгс(га, т. е. Силикагель применяют лля осушения газа в закрытых емкостях-зксикаторах лля длительного хранения металлографических образцов. (8.
74) Ы6(со, п, ) = офпсо+ ~)!фп!. (8.75) Рис. 8.17. Различные формы капли не смачивающей (а) и смачивающей (б) жидкости на подложке — — ~р,Г,. ~=! (8.76) оп соя О+ о! и — и! = О, (8.77) соя О = о!! (8.78) 37! 370 !з* где оэ — площадь поверхности межфазного слоя. Из выражения (8.74) следует, что при постоянных Т, р и и, межфазное натяжение о есть приращение энергии Гиббса ЫО при образовании площади поверхности йо межфазного слоя. В реальных условиях межфазный слой — открытая система, и дифференциальное уравнение энергии Гиббса следует записать так: Приращение 1-го вещества !й; в межфазном слое сЫ определяЙп, ет адсорбцию — ' = Г; этого вещества. Поэтому, разделив обе часг(еэ ти уравнения (8.75) на поз, после перестановки получим Отсюда следует, что межфазное натяжение о зависит от адсорбции: положительная адсорбция уменьшает его, а следовательно, и энергию Гиббса С системы.
Таким образом, в гетерогенной системе, содержащей поверхностно-активные вещества, всегда имеется тенденция к самопроизвольному накоплению этих веществ в межфазных слоях и к снижению межфазного натяжения и энергии Гиббса. Поэтому поверхностно-активные вещества, например кислород, вводят в защитный газ или в сварочную проволоку для снижения поверхностного натяжения в каплях, переходящих с электрода в ванну, с целью их измельчения (см. рис. 8.16 — зависимость поверхностного натяжения Ре от концентрации кислорода). Межфазное натяжение очень чувствительно даже к малым количествам поверхностно-активных веществ. Поэтому только для абсолютно чистого вещества (жидкого или твердого, находящегося в контакте с собственным паром) межфазное (поверхностное) натяжение является физическим свойством вещества; оно зависит только от температуры (плотности пара).
Межфазное натяжение о зависит как от адсорбции, так и от температуры. С ростом температуры значение о у чистых металлов снижается и при температуре кипения равно нулю (пар и жидкость неразличимы). У сплавов, содержащих поверхностно-активные вещества, при существенном увеличении температуры межфазное натяжение о может возрастать, что объясняется уходом с поверхности поверхностно-активных веществ. В условиях сварочного процесса межфазное натяжение регулируют для улучшения смачиваемости и растекания.
8.12.3. Смачиваемость твердого тела жидкостью Капля жидкости на подложке (горизонтальной поверхности твердого тела) приобретает формы, представленные на рис. 8.17. Угол О между векторами поверхностных натяжений В!! (на межфазной поверхности раздела жидкость — воздух) и В! !! (на межфазной поверхности раздела жидкость — твердое тело) называют и б краевым углом. В условиях равновесия сил в точке О сумма проекций сил на горизонтальную ось дает нуль, т.
е. где и! — поверхностное натяжение на межфазной поверхности воз- дух — твердое тело. Отсюда получаем уравнение Юнга Жидкость смачивает подложку, если О< 90' (о! > о! и). При 0 = 0' (и! — и! и = ов) смачивание абсолютное. При и! <о! !! получим, что соя О < О, а О > 90', т. е. жидкость не смачивает подложку.
Для повышения смачиваемости следует уменьшать оц и увеличивать разность о1 — а1 и. Этого достигают за счет уменьшения о1 П с понижением поверхностного натяжения между жидкостью и газом, между жидкостью и поверхностью твердого тела путем применения специальных флюсов, очистки поверхности. Повышение температуры также приводит к снижению сил межфазного натяжения. При сварке смачиваемость металла жидким флюсом обеспечивает плавные переходы шва к металлу.
8.12.4. Растекание Л6 = Лсо(оп + о~ и — о~ ). (8.79) Выражая приращение энергии Гиббса на единицу поверхности, с учетом соотношения (8,78) можно записать; Ьо = оп (1 — соз О) . (8.80) Из выражения (8.80) следует, что при значениях краевого угла, обеспечивающих смачивание (созО < 1, рис. 8.17, б), приращение поверхностного натяжения Ло и приращение энергии Гиббса Л6 положительны. Ситуация не изменится, если созО= 1, т.
е. даже при абсолютном смачивании (созО = 1) жидкость самопроизвольно растекаться не будет. Условие самопроизвольного растекания (Лб < О) соответствует неравенству соя О > 1, и тогда зависимость (8.78) и понятие смачиваемости теряют смысл. 372 Способность жидкости распространяться по поверхности твердого тела с образованием в пределе мономолекулярного слоя называется растеканием. Это самопроизвольный процесс, приводящий к равновесию в системе.
Тенденция к растеканию существует, если увеличение поверхности покрытия жидкостью подложки сопровождается уменьшением энергии Гиббса системы жидкость— подложка — среда. Для жидкости, лежашей плоским слоем, приращения ее межфазной поверхности Лсоц и общей поверхности с подложкой Лсо1 0 примерно одинаковы. Поэтому приращение энергии Гиббса принятой системы составит Работа, совершаемая системой при растекании жидкости на единице поверхности, ЬАпмАх — — — ЛО, называется коэффициентом растекания и обозначается 5,.
Коэффициент растекания выражается формулой (8.81) Я = о~ — оц — о1 П. Чем больше значение 5„тем большую скорость растекания жидкости по подложке следует ожидать. Растекаемость жидкостей играет важную роль в процессах пайки и сварки. Большая растекаемость припоев обеспечивает большую производительность пайки и высокое качество ивяных соединений. Растекаемость шлака по поверхности жидкого металла увеличивает радиус перехода от шва к зоне термического влияния и является необходимым условием для активной его обработки (легирование, рафинирование).
Повышению растекаемости жидкого металла по поверхности твердого тела способствует рост температуры и снижение межфазного натяжения на их поверхности, Высокие смачиваемость и растекаемость керосина используются при контроле оплошности сварных соединений. 8.12.5. Растворение металлов в электролитах Самопроизвольное растворение поверхности металла в результате взаимодействия с газовой (803) или жидкой (Н38) средой, приводящее к уменьшению массы (толщины) металла, называют коррозией. Различают химическую и электрохимическую, равномерную и сосредоточенную коррозию. Химическая коррозия имеет место при контакте метала с горячими сухими газами или неэлектропроводными жидкостями.
Ее результатом является образование оксидной пленки, рост пленки по толщине, отслаивание и дальнейшее окисление. Пленки, образующие плотный сплошной слой, обладают защитными свойствами. Окалиностойкие стали содержат 12 'Ъ хрома, а также кремний, алюминий. Электрохимическая коррозия — это растворение металла в электропроводных средах — электролитах вследствие самопроизвольного перехода системы в состояние с большей энтропией. (Кристаллический порядок переходит в беспорядок раствора.) Электролитами являются вода, содержащая воздух, раствор солей в воде, в том числе морская вода, различные кислоты и шелочи и 373 Металл Электролит 2Н +2е=Нз.
Нг=2Н +2е. Рис. 8.18. Схема коррозионного взаимодействия электролита с поверхностью металла; переход ионов Ре в электролит на аноде А, соединение ионов Н с электронами на катоде К их водные растворы. Схема электро- химической коррозии представлена на рис. 8.!8. Она объединяет два параллельных процесса — анодный, т.
е, процесс перехода атомов металла в раствор в виде гидратированных ионов, обогащающих металл электронами, и катодный — процесс нейтрализации этих электронов положительно заряженными частицами раствора (водорода и т. п.): где Ьб — значение энергии Гиббса для напряженного металла; Ьбв — стандартное значение энергии Гиббса. Если в металле возникли участки с различным уровнем напряжений, то они могут при контакте с электролитом создать замкнутую электрическую цепь, т.е. гальванический элемент, вызывающий в одном участке растворение металла (переход положительных ионов металла в электролите, поляризацию системы), а в других участках — переход положительных ионов из электролита на поверхность металла, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
