Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Исключение составляет реакция образования окиси углерола. 500 1000 1500 2000 2500 Т, К 0 -250 -500 о н -750 -1250 Рнс. 8.12. Ваияиие температуры на изменение энергии Гиббса ЬО, орнходяпзегосяна 1 моль Оз, лдя реакций днссоцнации и различных оксилоа: СпгО; 2 Ш,О; 3 Рпо, 4. СО; 3 — Сгзон б — Мпо, 2 — йоь З вЂ” Ч,ОИ 9-Ъоь 1О - А1зоп 11 — Мяо, 12- СпО 3. По убыванию химического сродства к кислороду при температуре 2500 К рассмотренные элементы можно расположить в такой рял: С, Т(, А1, Мп, 81, Ре, И(. Интерес представляет зависимость ог температуры химического сродства углерода к кислороду — при относительно низких температурах, близких к началу затвердевання стачей, углерод как раскислитель переходит с первого на пятое место в указанном рялу, уступая алюминию, титану, кремнию и марганцу в хнмнчсском сродстве к кислороду.
4. При высоких температурах кремний и марганец в ряду сродства к кислороду меняются местами. Однако изменение энергии Гиббса Лб рассчитывают на 0 1 моль вещества (или для химической реакции), что не позволяет применить его для расчетов окисления компонентов в расплаве, где их молярная концентрация всегда меньше единицы, Оценка химичесиоге сродства элементов к кмслороду по упругости диссоциацни оксидов.
Зтот метод оценки применяют для злемезпов в системах с участием газовой фазы. Реакции окисления металлов обратимы, и поэтому оксилы обладают способностью к лиссоцнацнн с выделением кислорода. Напишем в общем виде такую реакцию: 2МеОГМ 2Ме '- 02, (8.67а) 356 Если МеО и Ме — чистые конденсированные вещества, то единственным газообразным продуктом в реакции (8.67а) является юзслород. В таких гетерогенных системах константа равновесия определяется только парциальным давлением кислорода, т.
е. Кр = Рог' откудаследует 06„" (иро = — —. ду (8.68) Все реакции протекают в направлении достижения состояния Равновесия. Поэтому в зависимости от соотношевия между упругостью диссоциацин оксида ро и возникшим парцивльиым дав- пением кислорода в газовой фаю р' происхолнт диссоциация 2 оксида нли его образование. Возможны три варианта соотношения этих величин: 357 Величину ргэ — давление чистого кислорода, соответствуюз шее состоянию равновесия реакции, — называют упругостью диссовиачни данного оксида МеО. Иначе говоря, упругость диссоциации химического соединения есть концентрация единственного газообразного компонента в равновесной системе, выраженная в единицах давления (паскалях). Чем меньше значение упругости диссоциации при одних и тех же температуре и внешнем давлении, например оксида, тем прочнее этот оксил.
В самом деле, чем меньше при прочих равных условиях давление (или концентрация) чистого кислорода, соответствующее состоянию равновесия реакции, тем большее его количество сенино в оксиде и тем легче образуется последний. И наоборот, чем большее лавленис (или концентрация) чистого кислорода соответствует состоянию равиовесяя реакции, тем меньшее его количество связано в оксиле, т.
е. тем меньше химическое сродство элемента к кислороду. Так как упругость лиссоциацин совпадает согласно (8.676) с консзвнтой равновесия, то для определение упругости диссоциацни могут быть использованы термодинамические методы, применяемые лля вычисления константы равновесия. Используя формулу (8.42) и учитывая, что лля реакции (8.67а) Кр = ро ,получаем 2' ДОг =-йу(п ро, 0 1) 18ргз, = 18ро — реакция находится в состоянии равновесна; 2) !броз > 18р„— имеет место восстановление данного элемента из оксида, которое протекает тем энергичнее и полнее, чем больше разность 18РΠ— 18Р' о, 3)18РО < 18РΠ— наблюдается окисление элемента кислородом, протекающее теи энергичнее и полнее, чем больше разность ~йро !броз. Парциапьное давление кисяорода Рр в воздушной среде при 3 5 стандартных условиях равно 0,21.!0 Па.
Упругость диссоциации большинства оксидов, участвующих в сварочных процессах прн 1000 18(ю 2600 7 к различных Т приведена иа 0 .... ...... .. . Рис. 8.13. Ее значения очень -4 РеО малы — существенно меньше ЯОз )910 парциального давления кислорода воздуха (18ро — — -0,68). — 12 Поэтому естественное состои- -16 ние подавляющего большинсг- -20 ва металлов — окисленное.
Ис- А(зОз ключенне составляет лишь -24 группа благородных меиллоа -28 тзо 3 (золото, платина, серебро), ко- 32 МпО торые отличаются высокой уп- ругостью диссопиации оксидов. -36 Поэтому они трудно окисляюп 18яо, ся на воздухе. Рис, 8.13. Сравиеиие химич ск К)!нные зависимости лога- сродства элементов к «исяоролу ио Рифмов упругости диссоциаупрзтостн лиссоциапии вх оюклоа ции лля различных оксидов от при повышении температуры температуры (см. Рис. 8.13) и (пприяоаой линией покюано пар- штриховая прямая, соответстциальиое лааяеияе кислорода воздуха) вуюшая парциальному давлению кислорода воздуха, позволяют сопоставить химическое сродство рассматриваемых элементов к кислороду и сделать следующие основные выводы: 358 1. С увеличением температуры упругость диссоциапии для всех оксидов увеличивается, что говорит об уменьшении стойкости оксидов.
2. Все кривые упругости диссоциации оксидов лежат ниже прямой, показывающей парциальное давление кислорода воздуха. Вто означает, что в рассматриваемом интервале температур в контаате с воздухом будут существовать оксиды. Исключение составдяет закись никеля )4!О, у которой при температуре выше 2400 К упругость диссоциапии становится выше парциального лавлеиия кислорода воздуха. Таким образом, никель будет самопроизвольно восстанавливаться из оксида. 3. Чем ниже расположена соответствующая кривая упругости диссоциации оксила, тем он прочнее и тем более сильным раскислителем будет элемент, образовавший с кислоролом данный окснл. 4.
По убывающей степени химического сродства рассмотренных элементов к кислороду их можно расположить в следующих два ряда: при температуре 3000 К (стадия капли) — С, Т(, А1, Мп, 81, Ге, %; при температуре 1700 К (стадия кристалчизации сварочной ванны) — А1, Тй 81, С, Мп, Ре, )Ч!. Сравнение расположения одного и того же элемента в этих двух рядах показывает, что с понижением температуры раскисляющая способность углерода падает, а при температуре, отвечающей затвердеванию стали (Т = 1700 К) или близкой к ней, более энергичными раскислителями становятся алюминий, титан и цремний. Определение хммнческого сродства элементов к кислороду в составе сплавов.
Приведенные данные позволяют оценить химическое сродство к кислороду различных элементов в чистом виде и дать сравнение прочности их оксидов. В действительности на порядок и скорость окисления элементов или диссоциации их оксидов влияет не только температура, но и их концентрация в сплаве, причем если одновременно в растворе находятся нескольких элементов, то это лишает их возможности свободно и независимо друг от друга реагировать с кислородом.
При сварке необходимо создать условия для лиссоциации оксидов других элементов в сплаве, являющихся нсметаллическими включениями, либо условия для окисления вредных примесей (серы 8 и фосфора Р), обеспечивающие их удаление из сплавов е виде газовых продуктов реакпии окисления, 359 3. С . Сеиряи мреииеж, Ширина зоны нагрева от квнутреннегоэ источника энергии при сварке трением значительно ниже, чем при контактной сверке оплавлением.
Кроме тога, процесс формирования шве обычно протекает при темпсрвтурех, близких к температуре плавления слтявв. во не превмп~вющих ее, т. е. без затрат на скрытую теплоту плавления При об!лей ширине пластической зоны формирования сослииеяия около 5 мм иинимяльиая удельная энергия составит г, 2,7.660 0,5=891Дж'см = 9Дж?мм. доходное сварка. Имеем «внутренний» источник энергии.
Преобразование энергии сжатия детыей происхолит в некотором активном объеме с олииаковой глубиной по обеим сторонам от швв. Энергия, требуемая лля сверки, в данном случае также определяется как произведение срелисю геплосодержаиие при температуре стыка около 600 'В (лля алюминия) и глубины ективной зоньь ревной =' 1 мм; е„--2,7 600. 0,1 2 =.324 Дж?см = 3,24Дж?мм~. 5.
Геарка «зрмею~ Экспериментально установлено. что лля сварки елюмииисвых пластин товщииой ! мм требуется около 1 г взрывчатого веществе иа ! см площади соединяемых лщялей. Учитывая, что удельная энергия лля взрывчатого вещества составляет - 6000 Джгг, получаем ориентировочную оценку; е„= 1 . 6000 Дж?см' = 60 Дж?им . Сопоставление энергозатрат лри рассмотренных способах сверки покезыяаст, что способы сварки давлением менее знергаемки по сравнению со сверкой плавлением.
Немвлоюжно и то, что при сверке е твердой фете не требуется расходовать энергию на расплавление металле, что экономит около 15,,.30 % энергии. Контрольные вопросы 1. Какие существуют межатомнме связи, какова их природа? 2. К . Каковы особенности коваяентной, ионной,металлической и молекуяяриой связей? Квк эти особенности влияют на физические свойства «рнстелловз 3. Какова сущность стадийиости сверки? 4. В . В чем заключается основиос отличие сварки плавлением от сварки давлением? 5. В чеч состоит основное отличие сварки плавлением от пайки? 6 В чем заключается основное отличие пайки от склеивания? 7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
