Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Рассмотрим случай, когда концентрация С, например водорода, в приповерхностном 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 Лла по первому из уравнений Фика (8.97). 385 Для установившегося режима диффузии, т. е. при наличии постоянного градиента концентраций и при постоянной температуре, решение первого уравнения (8.97) имеет вил С,-С бл? = 23 ойб (8.103) Ьх где (СΠ— С) — разность концентраций в объеме газа и на поверхности; Ьх — толщина приповерхностного слоя. Наряду с концентрационной (выравнивающей) диффузией в гетерогенной системе наблюдается и восходящая диффузия. В качестве примера рассмотрим процесс перераспределения углерода в сварном соединении низкоуглеродистой стали СтЗ и высоколегированной стали 08Х18Н11МЗ (рис.
8.19). При сварке в результате С, % (мас.) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 О,! О 0,5 1,0 1,5 2,0 ?, мм Рве. 8.19. Изменение концентрации углерода в зоне сплавлення СтЗ н ОЗХ18Н11МЗ после сварки (кривая !) и после нагрева до 873 К и выдержки в течение 300 часов (кривая П) перемешивания жидкого металла и диффузии происходит практически мгновенное выравнивание концентрации углерода, хрома и других элементов по сечению шва, а прн замелленном охлаждении и особенно при длительном послесварочном нагреве развивается восходящая (реактивная) диффузия углерода из СтЗ в зону, содержащую 18 % Сг. Движущей силой этой диффузии является высокое сродство углерода с хромом, что приводит к образованию карбидов Сг23С6, сопровождаемому снижением энергии Гиббса. В результате формируется склонность к межкристаллитной коррозии в стали с 18 % Сг и создается обезуглероженная зона малой прочности в СтЗ.
386 8.13.8. Кинетический и диффузионный режимы Если масса перенесенного диффузией компонента будет больше, чем может быть израсходовано в химической реакции, то общая скорость процесса будет определяться кинетикой, т. е. 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 Д обычно всегда ниже, чем энергия активации химической реакции А, и при высоких температурах наиболее вероятен диффузионный режим. В самом деле: 1>0' Кт =Кое ' 2)т =Оое -ыят, -доят, и'(1п Кт ) А г((1п 2)т ) 0 > Ат йт2 ?т йт2 Следовательно, константа скорости химической реакции растет с температурой быстрее, чем коэффициент диффузии, и начиная с некоторой температуры скорость диффузии будет лимитировать процесс окисления. При гетерогенной химической реакции продукты могут закрывать поверхность контакта некоторым непрерывным слоем, например твердого вещества, диффузионные процессы в котором развиваются медленно.
В этом случае процесс окисления металла будет протекать в диффузионном режиме. Контрольные вопросы !. В чем.состоит сущность законов термодинамики и как нх применяют при прогнозировании реакций? 2. Какие факторы приводят к изменению энтальпнн н энтропии в системе? 3. Как рассчитывают энергию Гиббса и условия равновесия химических реакций? 4.
В чем различие между парциальиым давлением н упругостью диссоциации кислорода? 5. Что такое энтропия растворения веществ н коэффициент нх активности? 6. Что представляет собой химический потенциал н когда его применяют при исследовании физико-химических процессов? 387 7. Как рассчитывают константы равновесия в гомогеиных и гетерогенных системах? 8. Квк зависят константы равновесия от температуры? 9. Что такое химическое сродство элементов к кислороду н когда оио используется? 1О.
Какие явления характерны лля межфазиых поверхностей в гетерогенных системах? 11. Какие факторы влияют на скорость химических реакций в гомо- генных и гетерогенных системах? !2. По какому закону распределяется вещество в гетерогенных системах? 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 для сварки плавлением характерны: 1) аномально высокая температура (Т > Т„ип) 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 для сохранения его качества; 4) одновременность процессов окисления, раскисления, легирования и рафинирования в сварочной ванне; 5) специфичность процессов направленной кристаллизации сварочной ванны, усиливающих ликвацию в металле шва и его структурную неоднородность.
В данной главе рассмотрим процессы взаимодействия металлов в зоне столба дуги с атмосферными газами и защитными средами, а также методы металлургического воздействия, которые позволяют сохранить исходные свойства различных металлов в сварном соединении. 9.1. Анализ состава газовой фазы в зоне столба дуги Температура газов и паров в столбе дуги достигает 6000 К, что чрезвычайно усиливает их химическую активность и интенсифицирует процессы взаимодействия с металлами и между собой отдельных компонентов газовой среды. Кроме того, активация взаимо- 388 Е,' Шов Основной металл г, мм -8 -16 -12 -8 -4 О 4 х, мм Рис. 9.2. Расчетное поле движения металла в продольном сечении сварочной ванны (х = О, з = Π— положение сварочного источника) Чрезвычайно важную роль играет и интенсивное перемешивание жидкого металла сварочной ванны (рис.
9.2), увеличивающее площадь соприкосновения газа с жидким металлом и его распределение по объему в зоне пониженных температур. Физико- химические процессы в металле, протекающие с участием газовой среды, оказывают большое влияние на качество сварных соединений. Важнейшими из этих процессов являются диссоциация и ионизация газов, растворение газов в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодействии с металлом. 389 действия газов с металлом обу- осв словлена высокой температурой металла в месте сварива- Д Г /, Шлак ния.
Принято различать две зоны (рис. 9.1): зона! высоких температур, достигающих температуры кипения, и зона 2 Сварочная пониженных температур, приб- '1 ванна лижающихся к температуре ли Рис, 9.1. Распределение температур '1зз? плавлениа. В высокотемпера- в зоне столба д ги турнуш зону входят капля на 7 — зона высоких температур (г< г„„„1; электроде, капля, проходящая 2 — зона низких температур (Т> т,р„„! столб дугового разряда, и активное пятно на передней стенке сварочной ванны. Кроме того, взаимодействие металла с газами в зоне дуги усиливается электрическим потенциалом между анодом и катодом и движением заряженных газовых частиц в электрическом поле дуги.
9.1.1. Степень диссоцнации атмосферных газов в дуге Высокая температура газов в зоне сварки создает условия для распада газовых молекул — диссоциации газов. Эти процессы сопровождаются поглощением теплоты Д диссоциации, т. е. являются эндотермическими, быстроразвивающимися при высоких температурах. Диссоциацию простых двухатомных газов — водорода, кислорода и азота — можно описать следующими уравнениями: Нг+ Й -+ 2Н(й =436 кДж/моль); Ог + 02 — + 20 Щ = 496 кДж/моль); )'»г + 03 -э 2»ч (03 = 715 кДж/моль). (9.1) (9.2) (9.3) К а= К +4р (9.6) ,6о !8К ЯТ где Л6 = »»О — ТЬБ — ЛС,МоТ (см. (8.14б)).
й где р — внешнее давление. Для определения зависимости Кр и а от температуры используют типовые реакции, номограммы н формулы диссоциации газов, приведенные в табл. 8.4, а значения Кл рассчитывают по формуле Вант-Гоффа (8.42): Отсюда следует, что поскольку энергия Дз, затрачиваемая на диссоциацию молекулы азота, имеет наибольшее значение, его молекула — самая прочная. Азот должен диссоциировать в меньп»ей степени, чем кислород и водород в тех же условиях. Вследствие более интенсивной диссоциации парциальные давления атомарных частиц 02 и Нг в смеси выше, чем парциальное давление Х . Степ н 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
