Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Толгнина этого слоя пропорциональна вязкосги ппа и обратно пропорциональна скорости его движения. Из внешней среды компонент газовой фазм диффундирует сквозь слой флюса толщиной 6 со скоростью " "Ранние Раздела флюс — металл и вступает в реакцию с элемен. тами металлического сплава со скоростью где Й вЂ” коэффициент пропорциональности. Прн постоянных Со и 6 концезпрация С на границе раздела флюс — металл опрелеляет как скорость диффузии (8.100), так и скорость химической реакции (8.101).
В установившемся процессе концентрация С определяется из условия. о = юп, нли в С -С Се йС = Р†, откуда С = — . В ~аком случае скорость про- 6 /гб ' /3 = йС вЂ” скорость химического взаимодействия при наигде ор = е— большей конпентрации реагирующего вещества Со; сузм =/)Се/6 — скорость диффузии при наибольшем градиенте концентрации (Со — О)/6. Из уравнения (8.102) следует, что скорость гетерогенного процесса определяется совокупным влиянием скорости диффузии и скорости химического взаимодействия. Во всех случаях наибольшее нлияние на скорость процесса оказывает медленное звено.
Когда П/6 ю й, величина 6/(/)Со) — з 0 и скорость процесса лнмнтируется скоростью химического взаимодействия. При условии /с ю///6 скорость процесса лимитируется диффузней. В последнем случае перемешивание уменьшает диффузионное Сопротивление и ускоряет процесс.
8ЛЗ.7. Роль днффузиомных процессов в гетерогенной системе Концентрация газа в объеме фазы всегда будет отличаться от концентрации в поверхностном слое, в котором совершается реакция. При низких температурах в результате адсорбции в поверхностном слое концентрация молекул газа может быть значительно выше, чем в объемном слое, но при достаточно высоких температуу ах вследствие вступления в реакцию концентрация газа в по- 'УР верхностном слое будет ниже, чем в объемном. Рассмотрим случай, когда концентрация С, например водорода, в приповерхностиом слое шва будет меньше концентрации газа в объеме шва. Градиент концентраций определяет диффузионный поток, направленный к поверхности. Количество газа, перенесенного в результате диффузии, можно найти Ьш по первому из уравнений Фика (8.97).
Для установившегося режима диффузии, т. е. при наличии по. стоянного градиента концентраций и при постоянной температуре, рещение первого уравнения (8.97) имеет вид С вЂ” С Ьгл = 23 — Ябг, дх где (Со — С) — разность концентраций в объеме газа и на поверхности; Ох — толщина приповерхностного слоя. Наряду с концентрационной (выравнивающей) диффузией в гетерогенной системе наблюдается и восхоляшая диффузия.
В качестве примера рассмотрим процесс перераспрелеления углерода в сварном соединении низкоуглсродистой стали СтЗ н высоколегированной стали 08Х18Н)1МЗ (рис. 8.19). При сварке в результа~е С, % (мас.) О,б 0,5 0,4 0,3 0,2 б,! 0 0,5 1,0 1,5 2,0 !, мм Рпс. 8.19. Изменение концентрации углерода в зоне оплавления Ст3 н 08Х(8Н1!МЗ после сварки (кривая !) и после нагрева до 873 К л выдержки в течение 300 часов (кривая И) перемешивания жидкого металла и лиффузии происходит практически мгновенное выравнивание концентрации углерода, хрома н других элементов по сечению шва, а прн замелленном охлаждении и особенно при длительном послесварочном нагреве развивается восходящая (реактивная) диффузия углерода нз СтЗ в зону, содержащую 18 % Сг.
Движущей силой этой лиффузии является высокое сродство углерола с хромом, что приводит к образованию карбилов СгээСа, сопровожлаемому снижением энергии Гиббса. В результате формируетсл склонность к межкрнсталлигной коррозии в стали с 18 % Сг и создастся обеэуглероженная зона малой прочности в СтЗ. 8.13.8. Кинетический н диффузионный режимы Если масса перенесенного диффузией компонента будет больше, чем может быть израсходовано в химической реакции, то общая скорость процесса будет определяться кинетнкой, т.
с. скоростью химической реакции (кинетический режим). Если в химической реакции за единицу времени может быть поглощено больше компонента, чем может его поступить путем диффузии, то общая скорость процесса будет определяться скоростью диффузии (диффузионный режим). Лимитирующим будет самое медленное звено. Режим одного и того же процесса гетерогенной реакции, например окисления металла кислородом, может меняться в зависимости от температуры. Энергия активации диффузии 5) обычно всегда ниже, чем энергия активации химической реакции А, и при высоких температурах наиболее вероятен диффузионный режим.
В самом деле: ) Г яылг ! -!2 яг А(1пКт) А г((1п(ЗГ) а ,!у 2' Слеловательно, константа скорости химической реакции растет с температурой быстрее, чем коэффициент лиффузии, и начиная с некоторой температуры скорость диффузии будет лимитировать пронссс окисления, При гетерогенной химической реакции продукты могут закрывать поверхность контакта некоторым непрерывным слоем, например твердого вещества, лиффузионные процессы в котором развиваются медленно. В этом случае процесс окисления металла будет протекать в диффузионном режиме. Контрольные авпроеьг 1. В чем.состоит сущность законов термодинамики н как нх применяют прп прогнозировании реакций? 2. Какие факторы привалят к нзмспевню энтальпип и энтропии в системе? 3.
Как рассчлтывают энергию Гиббса и условия равновесия химических реакций? 4. В гем различие между ларцпальиым давлением л упругостью диссоциация кислорола? 5. Что таксе ппролля растворения веществ и коэффициент нх ахтлвнасти? 6 Что представляет собой химический потенциал и когда его применяют прл псслсдовалнн флзкко.химических процессов? 387 7.
Как рассчитывают константы равновесия в гамогеиных и гетеро. генных системах? 8 Как зависят константы равновесия от температуры? 9. Что такое химическое сродство элементов к кислороду и котла аио используется? !О. Какие явления характерны лл» межфюных поверхностей в гсгс. рогениых системах? П . Какие факторы влияют на скорость химических реакций в гомо. генных и гетерогенных системах? !2.
По какому закону распрелслястся вещество а пперогснных системам? Глава 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ Металлургические процессы при сварке плавлением протекают в более сложных условиях по сравнению с условиями выплавки сплавов, поскольку лля сварки плавлением характерны: 1) аномально высокая температура (Т > Т„„„) перегрева металла; 2) взаимодействие с газовой средой и флюсами, обладающими высокой химической активностью в условиях дугового разряда; 3) кратковременность существования металла в жидком реакционноспособном состоянии, ограничивающая эффективность типовых металлургических методов обработки металла лля сохранения его качества; 4) олновремснность процессов окисления, раскисления, дотирования и рафинирования в сварочной ванне; 5) специфичношь процессов направленной кристаллизации сварочной ванны, усиливающих ликввцию в металле шаа и его структурную неоднородность.
В данной главе рассмотрим процессы взаимодействия метылав в зоне столба дуги с атмосферными газами и защитными средами, а также методы металлургического возлействия, которые позволяют сохранить исходные свойства различных металлов в сварном соединении. 9.1.
Анализ состава газовой фазы в зоне столба дуги Температура гаюв и парон в столбе дуги достигает 6000 К, что чрезвычайно усилиаает их химическую активность и интенсифицирует процессы взаимодействия с мешллами н межлу собой отдельных компонентов газовой среды. Кроме того, активация взаимо- 388 действия газов с мешллом обу- гьа словлена высокой температурой металла в месте сварива- фт г (. Шлак ния. Принято различать две зоны (рис. 9.1]: зона ! высоких (9,' Шоа температур, достигающих температуры кивенил, и зона 2 Поповной свар,ша„ поиюкенных температур, приб- метам ванна лижаюшихся к температуре Рнс.
9.1. Распрслелснне температур и тУРНУЮ ЮНУ ВХОЛлт Каизж На ! . зона ансохих тсияератур (?'з г„„„)„ электроде, капля, проходящая 2 - зока вязких тенаератур (гв г,,! столб лугового разряла, н активное пятно на передней стенке сварочной ванны. Кроме того, взаимодействие металла с газами в зоне дуги усиливается элеьтриуа ческим потенциалом межлу анодом и катодом н движением заряженных газовых частиц в электрическом поле дуги.
г г, мм -8 -16 -!2 -8 -4 О 4 х, мм Рис. 9.2. Расчетное поле движения металла в продольном сечении сварочной ванны (х = О, г = 0 — положение сварочного источника) Чрезвычайно важную роль играет и интенсивное псремешивание жидкого металла сварочной ванны (рис. 9.2), увеличивающее площадь соприкосновения газа с жидким метазлом н его распределение по объему в юне пониженных температур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
