Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 48
Текст из файла (страница 48)
е. наиболее активными по отношению к фосфорном ангпд являются СаО М80 а, 80 и МпО. Запишем уравнеиця реакции связывания фосфорного ангидрида: — наиболее активный процесс 4СаО+ РЗО5 ~:я(СаО)4 РЗО5; — менее актлвный процесс 4МПО + Рзоз Р2 (Мпо)4 ' Р2О5- (9.90) Для процесса удаления фосфора нз сварочной ванны, объединив, например, уравнения (9.87 н 9.89), получим 458 2РеЗР+ 5РеО+ 4СаО~:З(СаО)4.
РЗО5+!1Ре, (9.91) Константа равновесия для этой реакции равна «Саярзо )(Ре) («резр)'(РеО)'(СаО)') откуда, полагая, что в стали «Ре) в 1, получаем Г ~ ..Р,О5) «Еезр)= — —. К,'.. )~ (РеО) (СаО) Из выражения (9.92) следует, что при данной концеитрацип фосфора в сварочной ванне полнота его удаления в шлак будет зависеть от содержания в шлаке следующих соединений: 1) свободных оксидов СаО и РеО, с увеличением содержания которых реакция (9.89) сдвигается вправо, т. е.
в направлении очищения металла от фосфора; 2) комплексного соединения, связывающего фосфор„например (СаО)4. Р„О5. Уменьшение содержания свободных оксидов и комплексных соединений в шлаке способствует очищению металла от фосфора. Этого достигают разбавлеинем шлаков соответствующими нейтральными добавками, например плавиковым шпатом, который одновременно разжижает шлак, а также повьппает его общую реакционную способность. Таким образом, основные шлаки могут обеспечить необходимое очищение металла шва от фосфора. Кислые шлаки значительно хуже удаляют фосфор из металла.
Имеющиеся в них основные оксиды СаО, МпО, РеО связаны в силнкаты, н развитие реакции (9.89) происходит влево. При этом увеличивается содержание фосфора в металле шва и тормозится его удаление в шлак. Константа равновесия реакции (9.89) с ростом температуры уменьшается, что свидетельствует об интенсификации реакции перехода фосфора из шлака в металл. Поэтому при пониженных температурах следует ожидать более активного перехода фосфора в шлак. В этом отношении «короткие» шлаки эффективнее «длинных». Прн сварке в среде защитных газов удаление фосфора из металла шва связано с ббльшимн трудностями. Главным фактором сохранения высоких значений механических свойств является предельное снижение фосфора в основном металле, а в шве — пре- (2.6) гр, = 69~/10~ /10~ = 6,9.10 м. т = 1!оэ2„ (2.7) М1э — — л — пг,> — — 1,38 10 )~ —. 3 6 е З е (2.10) !70йТ, 1Т, ~ь = — ' =69 е 2 ( (2.8) (2.1 1) ~~Ъе ~~1 Т' ~ Ъ« (2.9) 46 47 где величина оз1, называется ленгмюровской или плазменной час- тотои и является чрезвычайно важной характеристикой плазмы.
Естественно, можно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную плазменной частоте, т. е. поскольку за промежутки времени !» т частицы совершат много колебаний около положения равновесия и плазма в целом будет вести себя как квазинейтральная система. Рассмотрим теперь пространственный масштаб разделения зарядов. Из простых физических соображений ясно, что он должен быть равен расстоянию, на которое может сместиться возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Определенный таким образом пространственный масштаб разделения зарядов для плазмы носит название электронного дебаевского радиуса экракирования гг>, и играет в физике плазмы фундаментальную роль. Он выражается в метрах и вычисляется по формуле — !2 где ео = 8,85 10 Кл/(В м) — электрическая постоянная, Т, и и,— соответственно температура, К, и концентрация,м , электронов. Итак, для квазинейтральности плазмы необходимо, чтобы ее характерные размеры А значительно превосходили дебаевский радиус экранирования: Только при условии (2.9) систему заряженных частиц можно считагь плазмой, т.
е. материальной средой с новыми качественными свойсз вами, В противном случае получается простая сово- купность отдельных заряженных частиц, к исследованию которой применима электродинамика вакуума, Пример 2.1. Определить дебаевский радиус экраиировация для высоко- 5 иоиизоваиной плазмы сварочной дуги при условиях: р = !О Па, Т = и а =10 К,я,= !О м решение. Подставив числовые данные в формулу (2.8), получим Для данного случая только в кубике газа со стороной менее /2 6,9х х 10 и = 11 нм можно определить разность концентраций ионов и электронов.
Поэтому можно сделать вывод; в сварочной дуге при атмосферном давлении плазма квазивейтральна. Дебаевское экранирование является статистическим понятием и имеет место только в том случае, когда в заряженном облаке находится достаточно много частиц. Очевидно, что если облако состоит только из одной или двух заряженных частиц, то дебаевское экранирование не применимо. Используя выражение (2.8), можно вычислить число частиц ЛЪ, в «дебаевской сфере»: Чтобы плазма имела коллективные свойства, помимо неравенства (2.9) должно выполняться условие Специфические особенности плазмы могут проявляться только тогда, когда распределение заряженных частиц в ней становится неоднородным и возникают макроскопические электромагнитные поля. Электромагнитные поля в плазме могут создаваться и внешними источниками, однако существенно, что эти поля влияют на характер распределения и движение заряженных частиц в плазме, индуцируя в ней заряды и токи, которые, в свою очередь, сами создают электромагнитные поля, изменяя полное электромагнитное поле в системе.
Происходит так называемое самосогласованное воздействие заряженных частиц и электромагнитного поля друг на друга. Собственно, в этом и проявляются коллективные свойства плазмы. дотвращение образования ликватов линейной формы путем управления схемой кристаллизации. В легированных и высоколегированных сталях содержание фосфора снижается до 0,002...0,003 %. 9Л0.4. Модифицирование металла шва Модифпцнроваиие мегалла шва направлено на измельченне кристаллитов шва. Оно осуществляется введением в жидкий металл зародышей, т. е. твердых частиц, на гранях которых могут оседать атомы металла.
Чем больше таких активных частиц, тем больше число зарождающихся кристаллитов и тем меньше их размеры. В качестве зародышей служат атомы тугоплавких металлов или их соединения, обл~д~ющие изомо(зфностью, .г. е, таким же, как у металла шва„типом кристаллической решетки и близкими размерами. При выборе элементов-модификаторов необходимо предотвратить возможность их окисления, образования карбидов или интерметаллидов с другими компонентами сплава. Это достигается использованием весьма малых долей элементов-модификаторов (в малых долях их химическая жтивиость снижается).
Наиболее часто модифицируют сталь титаном и цнркоиием. В алюминиевых сплавах наилучшим модификатором является скаидий Бс. При вводе скандия в жидкий алюминий образуется соединение А(фс (Тнн = 1593 К) с ОЦК-решеткой, параметр которой равен 0,4105 — т. е. такой же, как и у алюминия. Другие модификаторы (Т1, Ух) менее эффективны, так как образуют иеизоморфные соединения А1зТ! и А(зУг с тетрагональной решеткой (а = 0,40, с = 1,7315). 9.11. Дефекты металлургического цреисхпигдеиии в сварных швах 9Л1Л. Поры в металле шиа Расплавленный металл капель и сварочной ванны может сильно насыщаться газами в результате химических реакций, протекающих между металлом, газовой и шлаковой фазами.
Распюримость водорода, азота и кислорода в нагретом до высоких температур жидком металле значительно выше, чем в твердом металле при температуре его кристаллизации. Поэтому в период кристаллизации металла сварочной ванны в затвердевающей части может начаться интенсивное газовыделение, обусловленное значительным снижением растворимости газов. Особенно резко снижается растворимость водорода в кристаллизующихся алюминии и 460 его сплавах, а после их затвердения растворимость в них водорода е жнт меньше Поскольку крнсталлизующаяся твердая фаза содер газов, чем оставшийся жидкий металл (маточный распюр), в междендритных п~ж —.„ —.„аиствах возможно образование молекул гаюв прн протекании реакций: (с1+ (о) = со; 2(Н) = Нз,' (9.93) 2(Н1+ (О) = НзО; (н)+ (о) =-он Продукты реакций (9.93) в металле ие растворимы. Они выделякпся из сварочной ванны либо образуют поры, Для зарождения и развития газового пузырька нужно, чтобы давление газа Р,®, внУтРи него было не ниже внешнего давлеииЯ Ранов т.
е. Ргаз и Ран,л. Внешнее давление слагается нз ряда составляющих: и Ран.л = Ратм + л! Р! + лзрз + 2 Здесь Р„„- атмосфер ферное давление л! — высота слоя металла над пузырьком: р! — плотность — ость металла; йз — высота слоя шлака над пузырьком; рз — л — п отность шлака; о. — поверхностное напгжение на границе раздела газ — металл; г- радиус газового пузырька. ветственно л!р! и Ьзрз) вследствие их малости (м100 Па) можно пренебречь. Тогда уравнение (9.94а) примет вид и Ргю~Ржм+ 2 В п аной части уравнения (9.95) главное значение имеет втоправои час я с том поверхностного рое слагаемое, которое увеличивается с рос натяжения и и уменыпением размера пуз р р ы ька. Если принягь, что в начальной стадии образования пузыр ька его ралиус г и !0 см 1 -7 ( 0 и), а поверхноспюе натяжение на границе газ — металл составляет о =- ! Н/и, то лля существования такого пузырька и его дальнейшего 1юста ну~но, чтобы дшьченне внутри него р, с1,01 10 +2 — =201!О Па з (9 9б) 1О-' И так, возникновение и развитие газового пузырька с таким давлением возможно„по-видимому, только на стенках твердой фазы (например, на гранях растущего кристалла), находящейся в контакте с жидким металлом.
Это подтверждается также следующими соображениями: 1 ) кислород, водород и углерод являются поверхностно-активными элементами, которые легко адсорбнруются на поверхностл раздела фаз и скапливаются там в значительных колнчеспшх; 2) ) адсорбция уменыпает работу, затрачиваемую на образомние газового пузырыш. На рис, 9,34 показано, что форма газового пузырька, выделяющегося в жидкость 2 на ее границе с твердой поверхностью ), 1ф смачивает'гверлую фазу ! (Рис, 9.31,0), газовый пУ™РСК Р 1 й тает овальную форму, не успевает вырасти, отрывжтся и всплывает на поверхность ванны не образуя поры, В сварочной ванне поверхность растущих крнсталлитов, как правило, хорошо смачивается жидким металлом и первичные газовые пузырьки приобретают преимущественно овальную форму. При малой скорости кристаллизации (рис. 935, а) пузырек успевает оторваться и всплыть. Однако при неполном отрыве пузырьков от твердой фазы на ее поверхности остаются готовые зародыши.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
