Готовое ДЗ вариант №6

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Кафедра «Технологии сварки и диагностики»

Домашнее задание по курсу:

«Физико-химические и металлургические

процессы в металлах при сварке» .

Вариант - 6

Выполнил: студент группы МТ7 – 82

Пономарев М.А.

Проверил: д.т.н. проф. Якушин Б.Ф.

Москва, 2013г

Задача№1. Подсчитать энергию Гиббса ( ) для следующих реакций при сварочном нагреве в интервале 1000 – 1500 .

Дано:

реакция:

Решение.

Энергия Гиббса определяется по формуле:

- уравнение Улиха;

где, - изменение энергии Гиббса химической реакции,

- изменение энтальпии образования, - изменение энтропии химической реакции, - изменение молярной теплоемкости химической реакции.

Энергия Гиббса при:

1. ;

1. ;

Соотношение приращения энергии Гиббса при различной температуре.

Вывод: задача необходима для выявления взаимодействия различных веществ и определение их окислительных и восстановительных свойств.

Задача№2. Определите энтропию растворения в железе следующих элементов при

20 ⁰С и при 1500 ⁰С в концентрации 0,5 %.

Дано:

Вещество – Mo;

Решение.

1) Стандартная энтропия 1 моль молибдена: .

2) Пересчитаем массовую концентрацию молибдена в молярную N_Mо по формуле:

, где - соответственно атомная масса и массовая концентрация i – го элемента; К – число элементов в системе.

, , ,

Подставим числовые значения и получим:

.

3) Определяем энтропию 1 моль молибдена при температуре 1500 ⁰С по формуле:

- температура, при которой рассчитывается энтропия (задана по условию), - стандартная температура. Получаем:

C_P – теплоемкость молибдена, .

4) Определяем энтропию растворения молибдена в железе при T=1773K:

5) Определяем энтропию растворения при 20 ⁰С:

Вывод: энтропия термодинамической системы является мерой необратимости процессов, т.е. мерой беспорядка системы, при увеличении беспорядка увеличивается энтропия. В данном случае диффузионное перераспределение молибдена в железе при повышении температуры является необратимым процессом, что ведет к повышению энтропии.

Задача№3. Подсчитайте парциальное давление рСО_2, выделяющегося при нагреве следующих веществ в составе электродного покрытия и сравните с СаСО₃.

Дано:

Вещество – Na₂CO₃

Решение.

При диссоциации NaCO₃ имеет место следующая реакция:

В условия термодинамического равновесия константа этой реакции , так как остальные компоненты являются конденсированными (жидкими или твердыми) веществами и не участвуют в изменении давления газовой среды.

Сравнение давления pCO₂ при нагреве Na₂CO₃ и CaCO₃

Вывод: Na₂CO₃ не обеспечивает защиту дуги от внешней среды, т.к. парциальное давление pCO₂(Na₂CO₃)<< pO₂ парциального давления кислорода pO₂(среды) = 0,21атм., следовательно будет окисление металла шва.

Задача№4. Какие элементы при сварке в воздухе окисляются в первую очередь.

Дано:

08Х25Н6.

Решение.

Состав стали:

- содержание углерода;

- содержание хрома;

- содержание углерода;

- содержание железа;

Реакции окисления элементов сплава:

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

Сродство к кислороду можно определить по энергии Гиббса реакции, для её определения необходимо подсчитать , , :

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль углерода:

1. ;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль хрома:

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль никеля:

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль железа:

Рассчитаем мольные концентрации компонентов сплава:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

Энергия Гиббса компонентов с учетом мольной концентрации:

Вывод: в сплаве 08Х25Н6 первым окисляется Cr, затем C, Fe, Ni.

Задача№5. Ввод какого элемента позволяет полнее удалить серу (S).

Дано:

Cu, Ni.

Решение.

В стали сера образует соединение FeS, следовательно реакция удаления серы выглядит следующим образом:

1. ;

2. .

Рассчитаем энергию Гиббса данных реакций в состоянии ванны:

1. ;

;

Изменение энергии Гиббса реакции:

;

1. ;

;

Изменение энергии Гиббса реакции:

;

Вывод: Ni и Cu не позволяют удалить из стали серу(S), сера удаляется марганцем Mn по реакции ( ), для этой реакции . Сера является вредной примесью, т.к. в стали образует легкоплавкое соединение FeS, которое имеет температуру плавления на 300⁰С меньше чем сталь. Поэтому FeS при кристаллизации скапливается по границам зерен, тем самым понижает нижнюю границу ТИХ и увеличивает вероятность образования горячих трещин. Марганец связывает серу в тугоплавкое соединение MnS, которое является центром кристаллизации и находится внутри зерна, поэтому не влияет на кристаллизационную хрупкость.

Задача№6. Выберите элемент, который при сварке (Т=1900⁰С) защитит углерод (С) от выгорания в стали 45, с какой целью защищают углерод от выгорания при сварке.

Дано:

Сталь 45;

Сu =1%.

Решение.

Состав стали 45:

С = 0,45%;

Fe = 98,55%.

1. ;

2. ;

3. .

Определим энергию Гиббса данных реакций:

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль меди:

1. Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль железа:

1. Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль углерода:

Найдем изменение энергии Гиббса компонентов с учетом мольных долей:

Вывод: медь (Cu) не способна защитить углерод от выгорания в стали 45.

Задача№7. Подсчитайте константу равновесия следующей реакции в стадии ванны (Т=1900⁰С). Что узнают о реакции по константе равновесия?

Дано:

Реакция: Na + O₂

Решение.

Для вычисления константы равновесия воспользуемся формулой Вант – Гоффа:

;

;

Вывод: константа равновесия характеризует завершенность реакции, чем больше , тем больше степень завершенности реакции (концентрация продуктов реакции выше концентрации исходных веществ). В данном случае при Т=1900⁰С натрий существует в виде оксида.

Задача№8. Рассчитать степень диссоциации в зоне дуги (Т=1000 – 1500 ⁰С) для следующих веществ.

Дано:

CaO, TiO₂.

Решение.

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса при Т=1000⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Изменение энергии Гиббса при Т=1500⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса при Т=1000⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Изменение энергии Гиббса при Т=1500⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Вывод: при увеличении степени диссоциации появляются заряженные частицы (ионы, радикалы и т.д.) следовательно увеличивается проводимость дуги.