Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Равновесие обратимых химических реакций, протекающих в гетерогенных системах, также рассчитывают, исходя из общего условия равновесия: при Т= сопи. р= сопя! имеет место: Лб О, бава. Однако для гетерогенных систем с участием газовой фазы константы равновесия обычно выражаются в парциальных давлениях газов (К,) и не содержат парпиальных давлений твердых илн жилких 337 336 и — гыв (конденсированных) фаз, если зги фазы представлюот собой чгктые вешеспю постоянного состава, не растворюощие газовую фазу. Пример 8.5. Известно, чю соли угольной кислоты (карбонаты) при повышении температуры диссапиируют с образованием СОз, который лолжен формировать ивовую защитную среду прц сварке электродами с покрытием.
Определить температуру начала реакции распааа СаСОз и парпиальнае давление СО, при различных темоературах в условюж равновесия. Рмиеиие. При диссоциацнн СаСОз имеет место следуюцгаа реакция: СаСОз ПЗ СаО ь СОз. В условиях термодинамического равновесия константа этой реакции К„= Рсот так как остальные компоненты ЯвлЯютсЯ конденсиРованиыми (твердыми, жидкими) веществами и не участвуют в изменении давления газовой среды. Для определения Кр и р „, применим уравнение (8.46).
Сначала иахалим ЬНе, ЬЗ~р, ЬСе„: е о е а ЬН. р = (ЬНг.о + ЬНсо, ) ЬНг со, = 177,39 Хйхдмалы ЬУ р (Ьус.о ' Ьусо, ) Ьус.со, 160,4 ДжГ(моль К); и о и е ЬС„„= (ЬСМею ь ЬС са, ) — ЬСМ»со, = — 1,92 ДЯЦ(моль К). Пыле подстановки числовых значений е выражение (8.46) получим уравнение для расчеса 18Кр при лиссоциации СаСОз. 18Кг=-9268(Т» 8,38-0,!Ме. Задавав Различные темпеРатУРы, вычислЯем зиачениа Кр и Розы Результаты расчета Кр и ров приаелеиы в табл. 8.3; температура начата распала СаСОз, а также расчетные данные лля других карбонатое приведены на рис. 8.7. рсо МПа 338 О,!0 0,08 0,06 0,04 0,02 0 350 450 550 650 750 850 Т, К Рис.
8.7. Влияние температуры на равновесное давление рга при диссоциации карбонатоа СаСОз, М8СОз, МпСОз Таблица Л.З. Зависимость)8 К и К Рса, от темпеРатУРы прн диесацнаиии СаСОз На основании проведенного расчета можно сделать следующие выводы: — соединение СаСО» (мел, мрамор) заметно лиссоциируег при нагревании выше 900 К, — при неизменном Лавлеиии повышение температуры приводит к увеличению степени выхода СОз.
Распределение компонента между жидкимн фвзамн. Концентрации одного и того же компонента в двух сосуществующих фазах различны, но функционально связаны между собой. Их соотношение определяется коэффициентом распределения (.„который для самого простого случая мажет быть записан так: Е = С1)С2 = сапы при Т= соим, (8,50) где С! н Сз- концентрации компонента в фазах 1 и 2. В металлургических процессах прн сварке нежелательные примеси (оксиды, сульфиды и фосфиды) извлекаются с помощью шлаковых фаз, в которых растворимость этих соединений горазда выше, чем в жидких металлах, На полноту извлечения сульфилов шлаком влияет относительный объем шлака и коэффициент распределения, зависящий от температуры.
Например, в сварочной ванне вредная примесь рсБ растворима как в жидком шлаке, так и в контактирующем со шлаком жидком металле. При этом ее растворимость в шлаке и металле зависит ат темпера»уры. Чем ниже температура, тем больше относительная растворимость Геб в шлаке и меньше — в металле. 339 )О4 103 10' РО и е к $ м 34 Рнс. 1.!О. Срелние значения удельных энергий с„и с,е, необходимых для однопроходной сварки стали различными методами Пример 1.1. Опрелелкгь удельную энергию г„для различных способов сваркл. Основные физнческие свойства иеталзов и сплавов привелены в звбл.
!.7. Региеини !. Сверка плавлением. Рассмотрим сварку пчавлением встык ванным способом двух алюминиевых стержней диаметром 20 чм. Согласно обобщенной схеме баланса энергии !см. Рнс. 1.6), существует внешний источник энергии, которая вносится в зону сварки с расплавлвемым электродным металлом. Удельное объемное теплосолержание расплавленного металла при температуре его плавления состиюяет ДН =- = р!с„„Т„„+ 1 „), ще р — плотность; с „- упельная теплсемкость; Т„лтемпература плавления, 'С; 0„„— скрытая теплом плавления металла. Мннимальшш улелыпм энергия, требуемая лля сырки щнным сшмобом, определяется как произведение дН и обьема зоны (сварочной ванны) распвавлеиного металла, деленное нв площвль сечения шва, т.
е, как ороизведение ДН и ширины В расплавленной зоны: г, =- ЬНВ. Принимая ширину такого шва равной диаметру прутка, получаем к,„2,7 (! 660 4- 390). 2 = 5670 Дж)см 56,7 Джгмм . 2, Кокмекмвая смыкоим сварка огыаелепиен. В ланном случае существует внутренний источник энеРгии — тепвовыдсление на контактном сопротивле4щи.
Различие в минимальной требуемой энергии опрелеляется (по сравнению со сваркой плавлением) лишь размерамн расплющвемай юны. Используя исходные ланные примера сварки плавлением, нахопим, что при глубине осадки по 5 мм ыиинмальная удельная энергтм составит; г„- 28,35 Дж)мм~. Д 1 й 2 о 9 $ -лгг гг дг1 г= ое' (8.53) (Г,] =4Р,. (8.54а) Ря, Е = —. КТА Отсюда Р'12 Азя .— —— ГРТ [Н]=КТ (КРРпз «гРи О,з (8.54б) илн Ага =КТРАг. (8.52б) 34! 340 Зависимость коэффипиента распределения от температуры в соответствии с (8.47б) запишем в таком же виде. как и зависимость константы равновесия от температуры: А(пЕ ЬН АТ )ГТз откуда после интегрировании получают уравнение экспоненты — (ое-лг "(л г) (8.51) Здесь Го — постоянная интегрирования; Ь(Т вЂ” разность энтальпнй растворения компонента в существующих фазах.
растворимость газов в жидкостях. В системе, представляющей собой раствор газа и газ, имеются две фазы и два компонента (газ и растворитель). По правилу фаз Гиббса Т= 2 "- 2 — 2 = 2, т. е. система имеет две термодинамические степени свободы и концентрация растворенного газа является функцией температуры и давления газа над жидкостью. Положим Т = совзг, тогда согласно (8.50) Г = А зг7Аза = сопз1, (8.52а) где Аз, — концентрация газа в газовой смеси; Ази — концентрация газа в жидкой фазе.
Концентрация газа в газовой смеси может быть представлена в соответствии с уравнением состояния газа в виле выражения Агг = г = —, которое подставляем в уравнение (8.52а) н получаем йТ Здесь Кг = ()КТ) — константа растворимости, зависягная от тем- -1 пературы Т, б и, слеловательно, от разности энтальпий ЛН газа в свободном состоянии и после растворения: Итак, концентрация газа в жидкости пропорциональна его парциальному лавлению и константе растворимости. Если с растворителем контактирует смесь газов, то каждый газ будет растворяться пропорционально своему парциьдьному давлению (закон Генри— Дальтона). растворимость газов в металлах. Жидкие и твердые металлы, а также системы, образованные посредством металлической межатомной связи, могут растворять газы только в атомарном состоянии, причем те, которые имеют в атомах нечетное число электронов (Н, Х), но не образуют ионные связи с металлами, как это характерно для активных окислителей (У„С1).
В малоактивных металлах (Ан, гзй) кислород может растворяться без образования оксидов. Инертные гюы, атомы которых имеют четное число электронов, в мегалдкх раствориться не могут. Кислород растворяется в металлах, образуя соелниениа, имеющие металлообразный характер (субоксиды д-металлов, низшие оксиды д-металлов, обладающие металлической проводимостью).
Растворимость и металлах одно- атомных газов увеличиваеюя прямо пропорционально их парцнельному давлению (закон Генри): распюренню водорода и азота в металлах предшествует дисСоциация молекул этих гаюв на атомы: Нз ~~ 2Н, Кг, 2 = Рн /Рн = Г(Т). Отсюда получаем выражение для парциазьного нг лавления атомарного волорода Рн =,)Кррнг, полставляя которое в уравнение (8.52б) находим концентрацию водорода в жилкам металле: Уравнение (8.54б] впервые было получено Сивертсом.
Зависи. мость растворимости водорода от температуры определяется знаком приращения ЛН энтальпии растворения (см.(8.53)). С увеличением температуры растворимость водорода в металлах, обра- зуюшпх с водородом гпдрнды, снижается (у Т! прн Т > 700 'С), а в других металлах (Ге, %, Со, Сп) — повышается. йдй Расчет термической диссоцнпцнн н ионнзвцнн газов в зоне дуги Термической днссоциацней называегси распад молекулы на несколько более простых частиц — молекул, радикалов, атомов, ионов, нмеюшнх меньшую молекулярную массу. Количественной характеристикой термической днссоцнацин служит степень диссоциация а, которая равна отношению числа распавшихся частиц к общему числу частиц: а = л/ло, (8.55) где л — число распавшихся частиц (при определенной температуре); ио — число молекул газа до диссоциации.
Теоретически степень лнссоцпацни изменяется в пределах от нуля до единицы. В зоне горения сварочной дуги находится газовая смесь нз одноатомных газов (Н, О, Р, Н, пары металлов), двухатомных (02, Из, Ез, Хз, СО, НР, ОН н др.) и трехатомных (СОв пары НзО) газов. Встречакися н более сложные газы, например плтнатомный! гю 8!Р4 8.9.1.
Расчет степенн днссоцнацнн Получим теоретическую зависимость степени лиссоцнацни от температуры„принимая следующие дону!пения: 1) термическая днссоцимпи описывается типовой химической реакцией Аз сз 2А; АВ гз А + В н т, дл 2) процесс термической диссоциации проходит термодинамически обратимо, н для расчетов могут быть использованы закономерносгн термодннампческого равновесна (константа равновесна); 3) в произвольный момент термической днссоцнацни (а е 0 и а е 1) суммарное давление смеси газов равно единице (1 атм нли 10 Па); 4) парцнальное давление любого ппа в смеси может быть рассчитано согласно закону Двльтона по отношению известного числа частиц калшого газа к суммарному нх числу в смеси. Расчет степени днссоцнацпн двухатомных газов прн температуре Т проведем лля реакции, идущей по тину: 342 (8.56а) (8.566) 2ане е (ле — аие) =не(1+а).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
