Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Адсорбция является первой стадией процесса растворения гаюв в металлах. Она служит причиной увлажнения пористых тел: электродных покрытий и керамических флюсов прн дяительиом кранении их в негерметичной таре. Ржавчина на поверхности металла и другие соединения усиливают адсорбцию„ которая увеличийает 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.
Длл изобарно-изотермического процесса в закрытой системе из фундаментального уравнения Гиббса (8.32) получается, что АО(ы) = оАы, т. е. Силиказоль примоилют лл» ооушоии» з аза а закрытии омкоотлк-экоикагарак Мм ллизального хранения мезаллографичаокик оараэлоа. (8.74) где сз — площадь поверхности межфазного слоя, Из выражения (8.74) следует, что при постоянных Т, р и н, межфазное натяжение и есть приращение энергии Гиббса 60 при образовании плошади поверхности 6 е межфазного слоя. В реальных условиях межфазный слой - открытая система, и дифференциальное уравнение энергии Гиббса следует записать так: с)С(ю, и;) =пдюь~р,г)иг (8.75) Приращение 1-го вещества сщ в межфазном слое Во определядл, ет адсорбцию — ' = Г этого вещества, Поэтому, разделив обе часНсз ти уравнения (8.75) на йо, после перестановки получим (6П) (8,76) Отсюда следует, что межфазное натяжение о зависит от адсорбции; положительная алсорбпня уменьшает его, а следовательно, и энергию Гиббса П системы.
Таким образом, в гетерогенной системе, солержащей 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. 8.1б — зависимость поверхностного натяжения Ес от концентрации кислорода), Межфазное натяжение очень чувствительно лаже к малым количествам поверхностно-активных веществ, Поэтому только для абсолютно чистого вещества (жидкого или твердого, находящегося в контакте с собственным паром) межфазное (поверхностное] натюкение является физическим свойством вещества: оно зависит только от температуры (плотности пара). Межфазное натяжение о зависит как от адсорбции, так н от температуры.
С ростом температуры значение и 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 натяжеяие о может возрастать, что обьвсняется уходом с поверяиости поверхностно-активных веществ. В условиях сварочного процесса межфазное натяжение регулируют для улучшения смачиваемосгн н растекания. 8.12.3. Смачиваемвсть твердого тела жидкостью Капля жидкости на подложке (горизонтальной поверхности твердого тела) приобретает формы, предстанленные на рис. 8.17. Угол О между векторами поверхностных натяжений 01з (на межфазной поверхности разделе жидкость — воздух) и ьз н(на межфазной поверхности раздела жидкость — твердое тело) назывыот Рнс.
8.17. Различные формы капли не смачнваюшей (а) н смачнваюшей (6) вшдкостн на подложке ец фог к ещщ ( ж ец а О ез', оз и; 6 а крревым углом. В условиях равновесия сил в екций сил на горизонтальную ось дает нуль, т. точке 0 сумма про- е. (8.77) п1зсоэйчоз ц — оз =-О, где п1 — поверхностное натяжение на межфазной поверхности воз- лух — твердое тело. Отсюда получаем уравнение Юнга П1 Г-Д он (8.78) Жидкость смачивает подложку, если О< 90' (щ > оз ц). При О = 0' (аз — оз ц = пк) смачиваиие абсошотное. При о~ < оз ц получим, что сох О < О, а О > 90', т. е. жидкость не смачивает подложку.
371 370 зз Для повышения смачиваемости следует уменьшать ац и уве. личивать разность пз — пз .ц. Этого достш акэт за счет уменьшения п1 ц 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 жилким флюсом обеспечивает плавные переходы шва к металлу. 8.! 2лй Растекание Способность жидкости распространяться по поверхности твердого тела с образованием в пределе мономолекулярного слоя называется растеканием. Это самопроизвольный процесс, приволящий к равновесию в системе.
Тенденция к растеканию существует, если увеличение поверхности покрытия жидкостью подложки сопровождается уменьшением энергии Гиббса системы жилкость— почложка — среда, Для жидкости, лежащей плоским слоем, приращения ее межфазной поверхности Люц и обшей поверхности с подложкой Люз ц примерно одинаковы. Поэтому приращение энергии Гиббса принятой системы составит ьсй дкз(пп+п1 и -пз). (8.79) Выражая приращение энергии Гиббса на единицу поверхности, с учетом соотношения (8.78) можно записать: Ли=оп(! — соэО). (8.80) Иэ выражения (8.80) следует, что при значениях краевого угла, обеспечивыощих смачивание (соэй < 1, рис. 8.17, о), приращение поверхноспюго натяжения Ла и прирацеиие энергии Гиббса Л6 положительны.
Ситуация не изменится, если соэО= 1, т. е. даже при абсолютном смачнвании (сояО= 1)жидкость самопроизвольно растекаться не будет. Условие самопроизвольного растекания (Л6 < О) соответствует неравенству созй > 1, и тогда зависимость (8.78) и понятие смачиваемости теряют смысл. 372 Работа, совершаемая системой при растекании жидкости на единице поверхности, блцмлх =-Лб, называется коэффициентом растекания и обозначается Яю Коэффяцнент растекания выражаегск формулой (8.81) бя =Сзз-Он -аЗ Ц.
Чем больше значение Яю тем большую скорость растекания яшдкости по подложке следует ожидать. Растекаемость жидкостей играет важную роль в процессах пайки и сварки. Большая растекаемость припоев обеспечивает большую производительность дайки и высокое качество ивяных сослинений. Растскаемость шавка по поверхности жилкою металла увеличиааег радиус перехола от шва к зоне термического влияния и является необходимым условием лпя активной его обработки (лсгирование, рафинирование). Повышению растекаемости жидкого металла по поверхности твердого тела способствует рост температуры и снижение межфазного натяжения иа 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 (802) или жидкой (Н2$] средой, приводящее к уменыпению массы (толщины) металла, называют коррозией. Различают химическую и электрохимичсскую, равномерную и сосредоточенную коррозию. Химическая коррозия имеет место при контакте метала с горячими сухимн газами нли неэлектропроводными жидкостями.
Ее результатом является образование оксидной пленки, рост пленки по толщине, отслаивание и дальнейшее окисление. Пленки, образующие плотный сплошной слой, обладают защитными свойшвами. Окалиностойкие стали оэдержат 12 эж 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 беспорялок раствора.) Электролитами являются вода, содержащая воздух, раствор солей в воде, в том числе морская вода, различные кислоты и щелочи н 373 нх волные растворы. Схема электро- химической коррозии представлена на рис. 8.!8.
Она обьединяет два параллельных процесса — анодный, т.е. процесс перехода атомов металла в раствор в виде гидратнрованных но- Металл Электролит нов, обогащающих металл электронаРне. 8.18. Схема коррозлол- мн, н католный — процесс нейтралнзанаго взаимодействия злак- цнн этих электронов положнтельно тролита с поверхностью ме- заряженными частицами раствора галла: лереход ионов Ре а (водоролаи т. п.): злектрозит ла аноде А, со. единение ионов Н с Нз = 2Н е2е. электронами ла катоде К АО ЛН вЂ” Тбб лр лр' (832а) где л — валентность иона, перешедшего в раствор; Р- число Фарадея. Электродвнжушая сила определяет потенциал растворения данного металла в расплаве в сравнении с эталонным, т.
е. со стеклянно-натрневым электродом. Например, ЛЕ магния в расплаве хлорндов равна+0,66 В, а алюминия е1,36 В, т. е. в 2 раза выше. На потенциал растворения влияют температура и активная концентрация ионов в электролите. Кроме того, он зависит от уровня остаточных наи внешних упругих напряжений. Онн определяют энергию Геймгольца з)Р, аккумулированную металлом, которая снижает энергию Гиббса, что усиливает растворение: (8.826) АО=ЛО т ЬР, 374 Если два различных металла контактируют между собой и электролитом, то возникает гальванический элемент, приводящий к протеканию электрического тока в замкнутой цепи металл— электролит — металл 2 — металз !.
Разность потенциалов между металлами ! н 2 нзмеряют путем наложения внешнего потенциала, прн котором ток между металлами ! и 2 равен нулю. Эи измеренная разность потенциююа будет максимальной, т. е. электродвнжущей силой ЛЕ гальванического элемента.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
