Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Процесс взаимодействия компонентов газовой фазы с элементами металлической фазы в гетерогенной системе состоит из нескольких 1 б + О О или (8.102) звеньев. Одним из них является диффузия активного компонента из объема газовой фазы к поверхности флюса, в результате которой у поверхности флюса в слое толщиной б поддерживается постоянная концентрация активного компонента. В отсутствие перемешивания диффузия в объеме газовой фазы протекает по закону Фика со скоростью аСО П=цр =Оп = йб 1+— О отэ — — 1)ЯЛС Я, С вЂ” С п|э =ОЯ б (8.100) к границе раздела флюс — металл и вступает в реакцию с элемен- тами металлического сплава со скоростью (8.! 01) где Й вЂ” коэффициент пропорциональности.
При постоянных СО и б концентрация С на границе раздела флюс — металл определяет как скорость диффузии (8.100), так и скорость химической реакции (8.101). В установившемся процессе концентрация С определяется из условия: р = пр, или Р С вЂ” С СО 1С=Р, откуда С= . В таком случае скорость проб 1+— Ы' 13 цесса выражается уравнением 384 2 где 13 — коэффициент диффузии, см /с; Я вЂ” площадь поперечного 2 сечения диффузионного потока, см; ЛС вЂ” разность концентраций на расстоянии б; б — толщина диффузионного слоя. В турбулентном потоке происходит интенсивное перемешивание газа и выравнивание его состава во всем объеме.
Только у поверхности раздела фаз остается слой толщиной б, не подверженный перемешиванию, через который диффузия протекает по закону Фика. Толщина этого слоя пропорциональна вязкости газа и обратно пропорциональна скорости его движения. Из внешней среды компонент газовой фазы диффундирует сквозь слой флюса толщиной б со скоростью — + Пр тах ~Р тах = яС вЂ” скорость химического взаимодействия при наи- ГДЕ Ортах О большей концентрации реагирующего вещества СО; =)3СО/б — скорость диффузии при наибольшем градиенте концентрации (СΠ— О)!б. Из уравнения (8.102) следует, что скорость гетерогенного процесса определяется совокупным влиянием скорости диффузии и скорости химического взаимодействия.
Во всех случаях наибольшее влияние на скорость процесса оказывает медленное звено. Когда ОЯ ~ й, величина б/(1)СО) — а 0 и скорость процесса лимитируется скоростью химического взаимодействия. При условии Й «О(б скорость процесса лимитируется диффузией. В последнем случае перемешивание уменьшает диффузионное сопротивление и ускоряет процесс. 8.13.7. Роль диффузионных процессов в гетерогенной системе Концентрация газа в объеме фазы всегда будет отличаться от концентрации в поверхностном слое, в котором совершается реакция.
При низких температурах в результате адсорбции в поверхностном слое концентрация молекул газа может быть значительно выше, чем в объемном слое, но при достаточно высоких темперагу ах вследствие вступления в реакцию концентрация газа в потур верхностном слое будет ниже, чем в объемном. Рассмотрим случай, когда концентрация С, например водорода, в приповерхностном слое шва будет меньше концентрации газа в объеме шва. Градиент концентраций определяет диффузионный поток, направленный к поверхности.
Количество газа, перенесенного в результате диффузии, можно найти Лла по первому из уравнений Фика (8.97). 385 Для установившегося режима диффузии, т. е. при наличии постоянного градиента концентраций и при постоянной температуре, решение первого уравнения (8.97) имеет вил С,-С бл? = 23 ойб (8.103) Ьх где (СΠ— С) — разность концентраций в объеме газа и на поверхности; Ьх — толщина приповерхностного слоя. Наряду с концентрационной (выравнивающей) диффузией в гетерогенной системе наблюдается и восходящая диффузия. В качестве примера рассмотрим процесс перераспределения углерода в сварном соединении низкоуглеродистой стали СтЗ и высоколегированной стали 08Х18Н11МЗ (рис. 8.19). При сварке в результате С, % (мас.) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 О,! О 0,5 1,0 1,5 2,0 ?, мм Рве.
8.19. Изменение концентрации углерода в зоне сплавлення СтЗ н ОЗХ18Н11МЗ после сварки (кривая !) и после нагрева до 873 К и выдержки в течение 300 часов (кривая П) перемешивания жидкого металла и диффузии происходит практически мгновенное выравнивание концентрации углерода, хрома и других элементов по сечению шва, а прн замелленном охлаждении и особенно при длительном послесварочном нагреве развивается восходящая (реактивная) диффузия углерода из СтЗ в зону, содержащую 18 % Сг. Движущей силой этой диффузии является высокое сродство углерода с хромом, что приводит к образованию карбидов Сг23С6, сопровождаемому снижением энергии Гиббса. В результате формируется склонность к межкристаллитной коррозии в стали с 18 % Сг и создается обезуглероженная зона малой прочности в СтЗ.
386 8.13.8. Кинетический и диффузионный режимы Если масса перенесенного диффузией компонента будет больше, чем может быть израсходовано в химической реакции, то общая скорость процесса будет определяться кинетикой, т. е. скоростью химической реакции (кинетический режим). Если в химической реакции за единицу времени может быть поглощено больше компонента, чем может его поступить путем диффузии, то общая скорость процесса будет определяться скоростью диффузии (диффузионный режим). Лимитирующим будет самое медленное звено. Режим одного и того же процесса гетерогенной реакции, например окисления металла кислородом, может меняться в зависимости от температуры. Энергия активации диффузии Д обычно всегда ниже, чем энергия активации химической реакции А, и при высоких температурах наиболее вероятен диффузионный режим.
В самом деле: 1>0' Кт =Кое ' 2)т =Оое -ыят, -доят, и'(1п Кт ) А Н(1п 2)т ) 0 > Ат йт2 ?т йт2 Следовательно, константа скорости химической реакции растет с температурой быстрее, чем коэффициент диффузии, и начиная с некоторой температуры скорость диффузии будет лимитировать процесс окисления. При гетерогенной химической реакции продукты могут закрывать поверхность контакта некоторым непрерывным слоем, например твердого вещества, диффузионные процессы в котором развиваются медленно. В этом случае процесс окисления металла будет протекать в диффузионном режиме. Контрольные вопросы !. В чем.состоит сущность законов термодинамики и как нх применяют при прогнозировании реакций? 2.
Какие факторы приводят к изменению энтальпнн н энтропии в системе? 3. Как рассчитывают энергию Гиббса и условия равновесия химических реакций? 4. В чем различие между парциальиым давлением н упругостью диссоциации кислорода? 5. Что такое энтропия растворения веществ н коэффициент нх активности? 6. Что представляет собой химический потенциал н когда его применяют при исследовании физико-химических процессов? 387 7.
Как рассчитывают константы равновесия в гомогеиных и гетерогенных системах? 8. Квк зависят константы равновесия от температуры? 9. Что такое химическое сродство элементов к кислороду н когда оио используется? 1О. Какие явления характерны лля межфазиых поверхностей в гетерогенных системах? 11. Какие факторы влияют на скорость химических реакций в гомо- генных и гетерогенных системах? !2.
По какому закону распределяется вещество в гетерогенных системах? Глава 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ Металлургические процессы при сварке плавлением протекают в более сложных условиях по сравнению с условиями выплавки сплавов, поскольку для сварки плавлением характерны: 1) аномально высокая температура (Т > Т„ип) перегрева металла; 2) взаимодействие с газовой средой и флюсами, обладающими высокой химической активностью в условиях дугового разряда; 3) кратковременность существования металла в жидком реакционноспособном состоянии, ограничивающая эффективность типовых металлургических методов обработки металла для сохранения его качества; 4) одновременность процессов окисления, раскисления, легирования и рафинирования в сварочной ванне; 5) специфичность процессов направленной кристаллизации сварочной ванны, усиливающих ликвацию в металле шва и его структурную неоднородность.
В данной главе рассмотрим процессы взаимодействия металлов в зоне столба дуги с атмосферными газами и защитными средами, а также методы металлургического воздействия, которые позволяют сохранить исходные свойства различных металлов в сварном соединении. 9.1. Анализ состава газовой фазы в зоне столба дуги Температура газов и паров в столбе дуги достигает 6000 К, что чрезвычайно усиливает их химическую активность и интенсифицирует процессы взаимодействия с металлами и между собой отдельных компонентов газовой среды. Кроме того, активация взаимо- 388 Е,' Шов Основной металл г, мм -8 -16 -12 -8 -4 О 4 х, мм Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
