Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 29
Текст из файла (страница 29)
9.25. Зависимость рабаты повышенным содержанием никеля излома наташа ппм от содер- образуются сульфиды никеля РВ8 жанна а нем окснаов! с еше более легкоплавкнмн эвгск! ° «знс»екиеиатеггазьюаэабогн тдкамн (7 — 9)7 К) »элена; 2 - нз«еае»иг рзбегн из- влпянпе серы могут чснлнвать г! сбаазкзх другие лепгрующие элементы, на- пример углерол. Присутствие а металле шва как серы, так н фосфора усиливает склоннасгь металла шаа к образоаанню горячих трещин вследствие резкого уаелнчснпя температурного ннтервача хрупкости швов в твердажндком состоянии, а также к охруцчцванню швов, т. е. соответственно к горячеломкастн п хладноламкасти.
Нижняя граннца температур. ного интервала хрупкости несколько ншке неравновесного салидуса, апрелелхемого температурой затверлевання лнкватоя, которые состоят нз звтектнк н оксндоа железа. Совместное влияние серы, фосфора н кнслорола оценнвакгг по эквиваленту вредных примесей (ВЛ), которые определяют по формуле жанна в нем эквивалента вредных примесей прн отсутствия горячих эшжротрешнн (!) н с горячими мнкротрешпнамн (2). Из рнс. 9.25 алелует, что главнейгпнй фактор рабопжпасобности сварных соеднненпй — отсутствие горячих трещин. Учнтьпих нензбежное воздействие фосфора и кислорода, можно сделать вывод, гго нанболес перспективными являются способы сварки с зффектнвной шщнтой, т.
е. сварка с газовой зашнтой и амешавной гаэашлаковой мшитой. 9.9. Рвскпсленне металла прп сварке При всех способах сварки аеаьма вероятньпа (в большей нли меньшей степени) является окисление основы илн составляющих сплава. Возможны следующие трн основные вида окнслення составляющих сплава шлаком: прямое окисление, окнсленне ннзшнх оксндов до высших, окисление на основе обменных реакций (9 46). Прямое окнсленне в общем виде может быть предстмшсна ре- акцией Ме+ -О! рэ МеО, ! 2 (9.5!) 437 в которой происхолпт непосредственное окисление элемента свободным кислоролом с образованием оксида. Такие процессы за редким нскаюченнем сопровожлаются выделением теплоты, т. е, онп являются экзотермнчнымн (табл. 9.!). Окисление низших оксидов до высших можно представить на следующем примере: РеО + 02 = РетО3. «Постаицпкамн» своболного кислорода в зону сварки помимо воздушной атмосферы могут быть двуокись углерода, пары воды, карбонаты и высшие оканлы, днссоцннрующне прп нагреве и выделяющие свободный кислород.
Однако следует помнить, что асе реакции, нлушне с вылелением тепла, в том числе и окнслнтельные, прн высоких температурах протекают медленно. На поверхностц же открытой сварочной ванны интенсивность прямых окнслнтельных реакций значительно выше вследствие дополннтечьного выделения теплоты при прямом контакте с кислородом.
Пример окисления на основе обменных реакций яредстааляется следующим уравнением: МпО е Ге сэ РеО -г- Мп. (9.52) Уаплиаа 9 !. Тепловой эффект реаквгй прямота окислении лли некоторых злемеитав 3 ! А! + -Ог ая— 4 2 ! Ре+ -О, ПЗ Рсо 2 ! ! — Ыг+ — Ог Гя !' На направление реакции (9.52) помимо внешних условий будут существенно влиять концентрации реагирующих веществ и сродство элементов к кнслоролу.
9.9.!. Внды раскислительных пренессев Из анализа обменных реакций типа (9.52) заключаем„что по отношению к металлу такие реакции могут иметь не только окислительный, но н восстановительный характер (если равновесие реакции сдвигается влево). Поэтому дяя обеспечения восстановительного характера обменных реакций нужна примсюпь элементы, которые обладают повышенпмм ародствам к киалороду и в определенных условиях сожа способны энергично связывать кислород, освобождая металл из оксида. На рнс. 9.2б прслставлена схема этого процесса.
В двух контейнерах находятся лаа различных оксида, при вх нагревании вмлеляется киачоаблж э абае~ рол. Если аоедииить конгсйне- лог Р лог < лог ры между собой, то кислород аг Раг будет псретшгать в левый сосуд йО,+ 4 — В+4Ог (с меньШим парциальным дав- Рис. 924. Схема мсгаллапчгмиче- ЛЕНИЕМ). В ЭТОМ СОСУДЕ НаХО- ского ижсгаиовлсиия оксидов мс- дитсв металл А, имеющий талаа при у= соеи большее химическое сродспю 4!В т[ГеО) г- л[Ра) пя [Ра„Ом1 е м[ре[ (9.53) где Ра — раскислитсль; ю, и — стехиомстрические коэффициенты. Рассчитаем константу равновесия реакции (9.53): «Ра„О 1[ус [РеО)"[Ра[" (9.54) Но в сталах [Ре) = !.
поэтому равновесная концентрация свободной закиси железа в металле равна [Р,О) -[Ра„О.[К, [Ра[я (9.55) глеК,' — измененное значение К„ с учетом [рс1а !. Слслоппсльпо, концентрация свободной закисн хгслеза уменьшается с повышением соле(охания раскнслителя и уменьшением концентрации окаидов ланного раскислигеля в металле. Если допустить, что раскислителями, как правило, служат элементы, образующие не рютворимые в металле оксцлы, казарме улаляются а виде шлака, то концентрацию [Ра„О„,) можно считать величиной постоянной. Тогда, исключая [РааОм) ш выражения (9.55), получаем: 439 к кнсларолу.
Такие элементы называются раскнслителямн, а сам процесс восстановления металла из оксида — раскнслеиисм. Помимо раскислсния действием элементов-раскислитслей существует диффузионное раскнслсние, при котором кислорол (в составе оксида основы сплава) зкстрагирустся из металла с помощью сварочного шпака специального состава. Как правило, при окислении сталей наиболсс вероятно окисление осковы, т. е, железа, и образование РсО, что доказано термодинамическим расчетом (см. пример Вгз). Рассмотрим процессы раскислсния палей, содержащих растворенный в них оксид РеО.
Раскисление стали с получением конденсированных продуктов реакции (осадочное раскнсление) сопровождается образованием конденсированных оксидов, не растворимых в мстюзлс. К раскислителям, образующим такие оксиды, относятся Тг, 5(, Мв, А! и др. В общем виде реакция раскисленил лали прелставляегся уравнением (2.3) !3(Т, — г =1,22п, те (2.4) Средняя тепловая скорость электронов Бит, о = — « = 1,! 3ойл кме Для средней квадратичной скорости получаем практически всегда спабоионизоаана, так как концентрация ней- !г ш -з тральных частип и„= 1О ...!О см .
В плазме сильнсточного 4 5 дугового разряда Т= 10 ...10 К, а концентрация заряженных час- ы го -3 тиц пс = и; = 1О ...10 см при практически полной ионнзации. 2.22. Квазннейтрвльноеть. Плазменная частота н дебаевскнй радиус зкраиироваиня. Коллективные свойства плазмы В случае максвелловской функции распределения (2.1) температура Т„ характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения электрона с: 3 ьтге, г с=-йТ = г ' 2 ' 2 (2.5) с 1,б02 10 Т=-7;в = — ' 1=11600К.
1,38 10 Отметим, что средняя кинетическая энергия частицы я равна 3 -Тэв, а не Т,в. Часто пользуются понятием температуры плазмы и в тех случаях, когда функция распределения частиц (сорта а) отличается от максвслловской, понимая под температурой То величину, определяемую соотношением (2.5), Плазму газового разряда часто называют ниэкотемпсратурной. 4 5 Ее температура обычно не превышает 1О ...10 К, а концентрация э заряженных частиц и, = и; = 1О ...!0 см, причем такая плазма 44 Поскольку температура и средняя кинетическая энергия тепло- ваго движения частиц столь тесно взаимосвязаны, в физике плазмы принято выражать температуру в единицах энергии, например в элеатронвольтах.
Температура Т,в, выраженная в элекгроивольтах, связана с соответствующей температурой Т, выраженной в )гТ кельвниах, соотношением Т,в = †. Рассчитаем, какая температура Т(в кельвинах) соответствует температуре Т,п — — 1 эВ: Данное выше определение плазмы является неточным. Дело в том, что не всякий ионизованиый газ представляет собой плазму. Удовлетворительным определением плазмы яюиется следующее: плазма — это квазннейтральный газ, состояший из заряженных и нейтральных частиц, который проявляет коллективные свойства.
Понятия «квазинейтральный» и «коллективные свойствав требуют разъяснения. Характерной особенностью плазмы является ее макроскопичсская нейтральность, поддерживаемая взаимной компенсацией объемных зарялов положительных ионов и электронов. Однако такая компенсация имеет место лишь в среднем — в достаточно больших объемах и за достаточно большие промежутки времени. Поэтому говорят, что плазма — квазинейтральная среда.
Размер области пространства и промежуток времени, в пределах которых может нарушаться компенсация объемного заряда, называют соответственно пространственным и временным масштабами разделения зарядов. Условие квазинсйтральнссти обусловливает связь между концентрациями электронов и ионов. В сяучае когда в плазме имеются однократно ионизоваиные ноны только одного сорта, это условие записывается в виде л = ло так как заряд электрона равен заряду положительного иона со знаком минус, т. е. е = -ес Оценим сначала из простых физических соображений еде«си«ой масиаилб разделения зирлдое.
Представим себе, что какой- либо электрон плазмы отклонился от своего первоначального положения равновесия. При этом возникает возврашаюшая сила, Равная средней кулоновской силе взаимодействия частиц, т. е. 1гэ Р = е Гг с, где гор = ~ — — среднее расстояние между частицами.
В результате электрон начнет колебаться около положения равновесия с частотой 45 (РО) г 6ро) (9.56) Следовательно, количество растворенного в металле оксида РВО обратно пропорционально концентрацин введенного в сталь рас. кислитсля (Раф Таким образом, для определенного интервала температур можно установить зависимосш между концентрацией раскислителя н концентрацией нахоляшейся с ним в равновесии свободной закиси железа. Тогда, залавая допустимое содержмше (ГВО), опрелеляют соответствуюшую ему концентрацию раскислителя в металле.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
