Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Характерное распределение осевой температуры плазмы по длине дуги ! — «атсааая ебзють; Ц вЂ” сюлб луга; Ш вЂ” внолиая сдэасгь. К вЂ” кагал; А— аваа Ряс. 2.2. Характерное распрелеление потенпнала по длине луги с положительным анодиым падением потенциала (кривая !) и с отри~!агавы<мы вводным падением потенциала(кривая 2) 1 — кагоааа» область; П - сома луги; д! - аволигя область, К вЂ” катод, А — акоп 39 10 а !0 !О 1О з 10 10 1 1О Рэ 1, А Рис.2.!. Сгатнческая аольт-ампсрная характеристика различных видов газового разряда слабононнзованную неравновесную плазму. Это так называемый положительный столб тлеющего разряда.
Температура атомов илн молекул газа а тлеющем разряде практически не повышается н равна 300...350 К. Затем через аномальный тяеющий разряд происходит переход к дуговому разряду (существующему, как правило, на токах более 1 А, низком общем напряженки — менее 100 В) с катодным падением потенциала Ук й 20 В н большой плотностью тока на катоде: 2 5 2 Ук = 10 ...10 Агом . Дуговой разряд, нлн дуга, характеризуется высокой температурой газа в проводящем плазменном канале(при атмосферном давлении Т = 5000...50000 К) и высокими кондснтрацнямн частиц в катодной области. 2.1 2. Воэбужденне дугн н се зоны Возбуждение дуги возможно в следующих случаях: 1) прн переходе нз устойчивого маломощного газового разряда в дуговой (см.
рис. 2.1); 2) в процессе созлания высокоионнзованного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство (в большнгктве случаев с помощью третьего электрола); 3) прн электрическом пробое газового или вакуумного промежутка между электродами, обеспечивающем переход из нсустой- чнвого искрового разряла в устойчивый разряд (осуществляется подачей импульса высокой частоты и высокого нанряжения]; 4) прн размыканни контактов или разрыве перемычки между электродами в цепи с током.
При сварке плавящимся электродом обычно используют лугу размыкания, а прн сварке неплавашнмся вольфрамовым электродом — высокочастотный вспомогательный разряд ст осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора. Прн сварке угольным (графнтовым) электродом дугу возбуждают, используя чаще всего третий электрод. В пповых промежутках (при атмосферном лавленнн) с резко неоднородным электрическим полем напряженна возбужденна самостоятельного дугового разряда не совладает с напряжением пробоя, которому соответствует перекрытие газового промежутка плазменным каналом с падающей вольт-амперной характеристикой.
В этих условиях сопротивление плазменного канала, перекрывающего межэлектродный промежуток разряда, становятся меньше, чем сопротивление внешней цепи, включая внугреннее сопротнвленне источника напряжения. Поэтому правильно считать, что нри достаточной мощности нсточнина напряжения искровой пробой завершается образованием плюменного канала дуги. В самостоятельном дуговом разряде начиная с токов выше нескольких ампер наблюдается неравномерное распределение потендиала и температуры между электролами (рнс. 2.2, 2.3). 1п 2 0,693 гс,з К, К, ' (8.93) АВ-+ А+В а х а!(а-х)=е '; х=а(1-с ' ).
(8.94) Ах о! = — =К! (а — х), Аг (890) А+В-+ АВ а а г — =К!АТ; -)п(а-х)=К!гьС г(г а-х (8.9!) — =Кз(а-х) . Ых 2 Й (8.95) йгл — = К,!. л-х (8.92) ЗВ! ЗВО Диффузия — необратимый процесс, связанный с большим уве. яичеиием энтропии, а ее возникновение и развитие в области высоких температур при сварке неизбежно. На практике ускоряют лиффузию, привопящую к повышению качества соелинений, и наоборот, замедляют лиффузию, которая может привести к снижению качества соединений, 8.13.4.
Скорость химических реакций различных порядков В зависимости от количества рсагирукпцих между собой ве. шесте, различают реакции первого и второго порялка. !. Для реакции первого порядка (мономолекулярной реакции) вида запишем кинетическое уравнение, выражающее зависимость скоро- сти химической реакции от концентрации реагентов и продуктов; тле К! — константа скорости мономолекулярной реакции, представляющая собой функцию температуры и свойств реагирующих ве!цеста; г — время; а — концентрация реагента (вещества АВ); х— концентрация продуктов реакции. Чтобы решить кинетическое уравнение (8.90) лля реакций первого порядка, разделяем переменные и интегрируем; Используя начальное условие: при г = 0 х = О, определяем постоянную интегрирования: С = -1па.
Подставляем ее в (8.9!) и получаем решение уравнения (8.90): Исследуем полученное выражение, При х-+и время г-ь ю, т. е. реакция заканчивается через бесконечно большое время, фактичесКи тогда, когда современными аналитическими методами уже нельзя уловить изменение в составе системы. При х = а)2 найдем ярема го!, необхолимое лля превращения пововины реагирующего вещества, называемое периодом полураспада, плн половинным вре- менем: Дла реакций первого порядка год зависит только от К! (т.с. от температуры и свойств реагирующих веществ). Уравнение (8.93) точно описывает ход радиоактивного распада. По уравнению (8.92) определим концентрацию х продуктов распада — веществ, получившихся при радиоактивном распале: Отсюла можно получить информацию о концентрации распадающегося вещества по времени: при !.= 0 концентрация продуктов х О, т.
е. реакция не начияакась; при г = сс концентрация продуктов х = а, т. е. реакция дошла ло конца; при год = 0,693!К! имеем х = 0,5а, т. е. реакция привела к полу- распаду. 2. Для реакций второго порядка кинетическое уравнение имеет вид Разделяя переменные в (8.95) и интегрируя, получаем решение уравнения (8.96) Кзг =— (8.96) а — х а Отсюда находим выражение для константы скорости 1 ! х К! =- — —, !па — х причем размерность константы скорости равна с '.
при х = 0,5а получим го 3 = Цкза), т. е, время полураспада зависит и от концентрации исходных веществ. Следует указать, что под влиянием катализаторов порядок реакции может измениться. Так„диссоциация аммиака идет в гаювой фазе по уравнению реакции второго порядка, а при каталнтическом действии твердого ванадия реакция идет по уравнению реакции первого порадка, т. е. без влияния концентрации реагента, которая остается как бы постоянной величиной. 8.13.5. Скорость концентрационной диффузии Процессы переноса вещества путем диффузии связаны с наличием градиента концентраций диффунднрующего вещества в среде, заполненной другим веществом.
Процессы диффузии описываются уравнениями, выражающими законы Фика: йп = -Р— Ядг! дС пт (8.97) дС дС вЂ” =Р—, дг где т — количество диффундирующего вещества; Я вЂ” площадь се- ЫС чения диффузионного потока; ! — время; — — грапиент концен- ~(т грации (имеет отрицательное значение потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей); Р— коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии. Коэффициенты диффузии в газообразных системах вычисляют на основании кинетической теории газов: Р=Ло!3, (8.98) где Л и и- соответственно длина свободного пробега и средняя скорость движении молекул газа.
Порядок величины Р для газов 2 прн стандартных условиях составляет!0 м !с. 382 Коэффициенты диффузии в жидкостях могут быть рассчитанм по уравнению Стокса: Р= —, 'я7 (8.99) бкцг где 2 — постоянная Больцмана! т! — коэффициент вязкости среды; г — радиус частицы. Порялок величины Р для жидкостей при станч 2 дартных условиях составляет 1О м (с. Для твердых кристаллических тел коэффициент диффузии имеет еще меньшие значения, например алюминий, диффунлируюший в твердую медь, при температуре 1123 К имеет коэффициент диффузии Р = 2,! 9.
1О м !с. -зз 2, Помимо иэотермической диффузии, описываемой законами Фика (см. (8.97)), перенос атомов может возникнуть пол действием разности температур и напряжений, т. е. в неоднородном температурном поле. Такая изотермическая диффузия, называемая термодиффузией, может вызвать перераспределение или сегрегацию компонентов сплава в температурном поле, созданном сварочным термическим циклом. Это будет особенно заметно дчя элементов, обладающих высокой подвижностью, например для водорода, который будет диффундировать иэ основного металла к осн шва, где выше температура и больше растворимость. 8.13.6. Скорость гетерогенных процессов В гетерогенных системах необходимо учитывать как процессы, протекающие в пределах каждой фазы, так и взаимодействие между фазами.
Система мажет состоять из нескольких фаз, различных по физическому состоянию и химическому составу. Превращения в системе могут быть очень сложными, но во всех случаях они подчиняются общему закону, согласно которому каждый компонент стремится распределиться в системе так, чтобы его химический потендиал в каждой фазе был одинаковым. Наиболыпую роль в этом отношении играют явления диффузии и химические взаимодействия.
В практике сварочного производства часто приходится иметь дело с системами, состоящими из четырех фаз, а именно газовой, слоя флюса, расплавленного металла шва н твердого металла. Процесс взаимодействия компонентов газовой фазы с элементами металлической фазы в гетерогенной системе состоит из нескольких 383 или (8.102) 1 1 ор = /)ЯЛС/6 о, од мы звеньев. Одним из них является диффузия активного компонента из объема газовой фазы к поверхности флюса, в результате кото. рой у поверхности флюса в слое толщиной 6 поддсрхснвается постоянная концентрация активного компонента. В отсутствие перемешивания диффузия в обьеме газоной фазы протекает по закону Фнка со скоростью йСо ! о=о =т/и = — =— в /сб 1 6 1ь-— /3 КСо /)Со С -С 6 (8.100) о =/гус.
(8.101) цесса выражается уравнением 385 384 где П вЂ” коэффициент диффузии, см /с; Я вЂ” площадь поперечного 2 3 сечения диффузионнщо потока, см; ЬС вЂ” разность концентраций на расстоянии 6; 6 — 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 6, ие подверженный перемешиванию, через который диффузия протекает по закону Фика.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
