Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 11
Текст из файла (страница 11)
График зависимости степени термической ионизацив паров алюминия имеет 8-образный внд (рис. 8.9) и проходит в сравнительно лизкам температурном интервале: при Т = 10 000 К Х = 86 9%. Степень термической ионизацнн гелия существенно меньше, чем у аргонв. Позщму при сварке лля снижения потенциала ионизацки используют смеси инертных ~азов.
Пары металлов также участвукп в ионнзапян газов столба дуги. Для вычисления зффскгнвноге потенциала нонизацин смеси вргоиа, гелия и паров алюминия найдем потсипиаяы однократной ноиизацин кыкдого компонента па табл. 8.6. Они равны: дяя щлвя 24,58 эВ, аргана 15,76 зВ, алюминия 5,98 эВ. Подсчитаем эффективный потенциал ионнзации смеси аргона с гсянем, который соответствует условию вазбужаення дуги.
В соответствии с формулой (8.63) лвя начального состояния (50 % Не и 50% Аг) прн температуре 5800 К !г 0,75 Ро О,О 050 0,4 0,25 35! 350 0 4000 8000 12000 Т, К О 10000 Т, К а б Рнс. 8.9. Влияние температуры на степень днссоцнацнн (а) н термиче- ской ноннзацнн (6) различных газов н паров П ! -! 1в(0 5' т е т 'з ь О 5 се 1з' ) = 16 ! ! В. После зажигания дуги появлякися пары алюминия.
Учтем нх влияние. Прн массовых концентрациях: 49,5 % Не, 49,5 % Аг, 1 % А! эффективный потенциал ноннзацнн П =-! !п(0,495 с''+0,495 е ' - 0.0! е ' )--8,288. Аналогично рассчитаем эффективные потенциалы ионнзацнн для другим соотношений концентраций компонентов газовой смеси. Результаты рас- чета привалены в табл. 8. 7 и на рнс. 8.10 (сплошная крнвая), тяйтняа 8.7. значения аффективного потенциала поннзацнн смеси аргова-гелин н паров алюмвння прн разнвй концентрацнн компонентов На основании проведенного расчета можно сдевагь следующие выводы; 6 )оо 90 Оо уо бо 50 40 зо 20 и о АгьНе, % (мас.) 0 1О 20 30 40 50 60 70 80 90 100 А), % (мас.) Рнс. 8.10. Изменение эффективного потенциала ноннзапии ()Ю смеси (аргон, гелий, пары алюминия) в зависимости от концентраций компонентов 1) степень термической ноннзацнн паров ааюмнння, аргона н гелия, рассчитанная по формуле (8.62), имеет температурную зависимость 8-образного вила.
Степень термической ноннзацнн паров алюминия прн температурах 10000 К приближается к елнннце (см. Рис. 8.9). Аналогичный расчет для Не наказывает, что степень его термической ноннзацнн существенно меньше н диссоциация не завершается прн 30 000 К; 2) эффективный потенциал ионизапин 50 %-вой бинарной смесн газов с различными Пе значительно меньше среднего арифметического значения их потенциалов ноннзацнн (штриховая линия на рнс. 8.
Ю); 3) введение незначительного колнчества элемщпов с низким потенциалом ионнзацнн заметно снижает эффектнвный потенциал ноннзацни () смеси, првблнжая его к значению Це легко ионнзнруемого компопен- :Ф тв, нвпрцмер: после зщкнгьння дуги появляются пары алюминия н напряжение на дуге резко падает. В частности, введепне в дугу щелочноземельных ащментов также существенно повышвег устойчивость ее горецця. 8.10. рпсчет процессов пспаренпя металлов и сплавов прп свпрке Прн сварке испарение металлов н сплавов с поверхности электродного металла н сварочной ванны имеет большое значение.
Газовая фаза зоны сварки разбавлена парами металлов, поэтому уменьшается парцнальное давление таких газов, как Ов Нщ Нг, н снижается нх растворимость в жндкнх металлах. Создается само- защитная газовая атмосфера нз паров сввриваемого металла, Однако испарение приводит к потере отдельных компонентов свариваемого металла н сварочных материалов, а кипение жидкого ме- (8.62) рм = рм [Ме[, (8.66) (8.64) » 354000 115 18 Ре 19 14Т + 19 14' 210000 89 !Орм = 1914т'19,14' 769000 135 18Р ч — 194)Т 19 14' 353 352 таяла сварочной ванны вызывает образование цор в металле шва.
Испаряются даже неплавящиеся электроды. Применив условия термодинамического равновеаия, процесс испарения или сублимации можно представить как химическую реакцию перехода из жидкого или твердого состояния в газообразное; [Ме[ж К:Л Мее с константой равновесия этой реакции Кр "Рм »17[Ме)ж рме(»1«К, [Ме)ж. (8.63) где [Ме[ж — малярная концентрация металла в жидкой фазе (лля чистых металлов она равна единице, для сплавов — меньше еднни- цЫ)! РМ»01 — ПарцнаЛЬНОЕ даВЛЕННЕ ПарОВ КОМПОНЕита МЕ СПЛаВа а газовой фазе (для чистых металлов рм,). а Для чистых металлов имеет место равенство Кр = рзгш иапольо эуя которое, получаем из уравнения (8.46) следующую формулу для вычисления упругости паров чистого металла; а О О 05жв 18 Рме !9чйТ !9,)4Т 19,14 гдеЛС»ее»ч — приращение энергии Гиббса в процессе испарения, а численно равное работе испарения; ОН»»в — эитальпия испарения; О 05аш — энтропия испарения, характеризуюшая церехол от упоряо доченного расположения атомов к неупорядоченному в газообразном состоянии (представлена в таблицах как разница 5,»з — 5«).
Изменения теплоемкости в процессе испарения не происходит (ЛСР „,„= О), так как испарение — изотермическнй процесс. О Как следует из формулы (8.64), с ростом температуры упругость паров повышается. Температура Т„, при которой унругасть паров металла рмэ станет равной атмосферному давлению р»„, О называется температурой кипения. Если упругость паров металла сравнима с полным атмосферным давлением (рьм «рве — 1).
то =000 705», а если оиа соатавлЯет Мю часть Р»к (к = 0 ! и»а ' «»е 0,01 н т. д.), то О т =- (8.65) Л5д~» 19 14181' Упругость пара рм, е-го компонента сплава, соответствуюшего совершенному раствору, как и упругость растворителя в бесконечно разбавленном растворе, рассчитывают в соответствии с законом Рауля по формуле где рм» а — п рциальное давление пара металла при его малярной концентрации, равной 1; [Ме) < 1 — малярная концентрация ланного металла в сплаве. Согласно закону Рауля упругость пара е-го металла при о к Т = аопм Уменыиаетса пРи пеРеходе в сплав (Рэга < Рзг„так как [Ме[ с 1). При кипении сплава сумма упругостей паров компонентов спяава не ниже атмосферного давления раш Пример 8.8. Сравнить уврупкти паров чистых вольфрама, железа н марганца, а также парциааьные давления их паров лла Лаух спчааов железа: с 2 »Д вольфрама и 5 ЗЬ марганца при температурах 1000...5000 К.
Решеки». Для решения применяем уравнение (8,46]. Силва состоит нз 5»4 Мп и 95 % Ре. Процесс испарения представим как химическую реакцию перехала из жидкого состояния а газообразное. Подставив в уравнение (8.64) значения Д(! „, 05а „из табл.
8.8, получим: р, МПа Рнс. 8.11. Соотношение упруго атей паров чистых металлов Мп (кривая 1), Ее(крнвая 2), Цг (кривая 4) и упругости паров Ее (5) и Мп (3) в сплаве Ее — 5 % Мл при высоких температурах 0,03 0,02 0,01 2100 2300 2500 2700 2900 Т, К 355 354 Тедляяа 8.8 Энтальнпя и эитронпп испарение пекогорьш элементов Табляяа 8.9. Упругестя нарва чистых металлов рге„ре„, ре, и парцнальиме давления паров рг„рп, рм„в составе сплавов Ее — 2 % тц н Ее — 5 % Мв Для расчета парциальиых давлений Ма, )У и Ее в составе сплава (обозначенных с индексом О найдем молярпые концентрации компонентов сплава по формуле (8.27).
Они равны: (59] = 0,0062, [Ее] = 0,9938, (Мп] = 0,048. По формуле (8.66) получим парциаяьные давления рг„рыы р,'„. Результаты расчета приведены в табл. 8.9. На рис. 8.!1 привелеиы резуяьтаты расчетов лля сплава хгелеза с 5 % Мп. Итак, парциальнее давление паров металлов а составе салам ыеньше, чем упругость паров чистых метачлав. Упругость паров вольф!нма во много раз меньше, чем варов железа. Поэтому оя примеияеюя е каче ство практически нерасхолуемого элекгрода Упругость варов мар- - 5 % Ма ганца я парциальное давление паров марганца в сплаве Ее - а больше, чем железа хотя его содержание е стали в !9 раз меньше. Это приво иводит к изменению содержааи* Ма в металле шва н ухудшению экологии при сварке. 8.1!. Рпечет химического сродства элементов к кислороду Реакции восстановления и окисления металлов являются составной частью металлургических процессов.
Поэтому дэя их изучения нужно знать характеристики, опенивающие химическое сродство — прочность связи металла с кислородом. Применяют два метода оценки химического сродспш элементов к кнслоролу. Оценка химического сродства к кислороду элементов по изменению энергии Гиббса ири образовании оксидов.
При наличии в системе газовой фазы — кислорода — направление протекания процессов определяется изменением энергии Гиббса Ьб. Если для данной реакции ЛС с О, процесс самопроизвольно развивается в направлении окисления; если Ь6 > О, самопроизвольное окисление невозможно и происходит диссоциация оксида; если ЬС .= О, то имеетместо равновесное состояние реакции.
Чем больше убыль энергии Гиббса ЬО при образовании данного оксида, тем выше химическое сролство элемента к кислороду в этом оксиде. Изменение энергии Гиббса в процессе образования различных оксилов рассчитывают по константе равновесия реакции, испояь- О зуя уравнение (8.42). На рис.
8.12 приведены графики ЛО (Х), построенные по результатам определения изменения энергии Гиббса прн образовании некоторых оксидов для разных температур. В результате анализа кривых можно сделать следующие выводы. 1. При нормальной температуре длл всех элементов, представленных на рис. 8.12, изменение энергии Гиббса меньше нуля — это означает, что они должны находиться в ниле оксилов. 2. В интервале температур 1000...2500 К изменение энергии Гиббса прн образоваииц оксидов с повышением температуры увеличивается. что свидетельствуег об уменьшении химического сродства элементов к кислороду.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
