Якушин - лекции
Описание файла
Документ из архива "Якушин - лекции", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Якушин - лекции"
Текст из документа "Якушин - лекции"
Лекция № 1
7.02.05
Классификация сталей по уровню легирования :
1.Углеродистые (остальные элементы в них только как остаток от раскисления)
Ст3,Ст20
2.Низколегированные стали ∑легир. эл-тов < 5%
09Г2С, 20ХГС, 10ХГС
3.Легированные стали 5 < ∑легир. эл-тов < 10%
Х5М, 15ХНФБ
4.Высоколегированные стали ∑легир. эл-тов>10%
20Х13, 20Х17Н2, 0,8Х18Н10Т
5.Сплавы на основе никеля
ХН67МВТЮ
Характеристика металлургических процессов в зоне сваривания .
В зоне сваривания Мe нагревается до температуры 3000-3500 ˚С (стадия капли) и контактирует с компонентами атмосферы и защитных сред
О2=21% , N2=78% , H2 + CO2 + H2O пары = 1%
также нагретых до высокоактивного состояния, температура ванны 1900˚С.Это аномальное состояние для Ме , потому что при термообработке никогда температура Ме не превышает температуру гомогенизации.
Характеристика металлургических реакций в зоне сварки.
-
Окисление
[2Fe] + O2 = 2( FeO )
FeO - шлак
2. Наводораживание
3. Азотирование
Азот способен окисляться кислородом
4. ЗагрязнениеS и P
Как правило флюсы и защитные покровы электрода с повышенным содержанием S и Р
5. Загрязнение шлаками
Задача металлургической науки при сварке.
Изучить методы прогнозирования хода реакции и способы управления ими для обеспечения качества и надежности сварных соединений.
Прогнозирование хода металлургических реакций осуществляют термодинамическим методом. Термодинамика – наука о энергии и ее превращениях.
Погрешность в том, что термодинамика равновесных систем. В условиях сварки безусловно процессы не приходят в полное равновесие, но из-за высоких температур к нему близки, поэтому обусловлено применение термодинамики равновесных систем.
Термодинамическая система(ТДС) – совокупность тел, мысленно обособленных от окружающей среды. Любая химическая реакция является ТДС, если компоненты взяты в молярно стехиометрическом отношении.
ТДС бывают :
изолированные(обмен массой и обмен энергией отсутствует),
замкнутые(масса постоянна, обмен энергией возможен),
незамкнутые(масса непостоянна, энергия непостоянна).
Лекция №2
14.02.05
Основные параметры ТДС :
давление, объем, температура, энтропия, энтальпия, внутренняя энергия, концентрация, потенциал Гибса.
Эти параметры определяют состояние системы. Изменение хотя бы одного из параметров называют термодинамическим процессом. Возврат в начальную стадию называют циклом.
ТДС различают гомогенные и гетерогенные.
Гомогенные не имеют фазовых границ . Гетерогенные системы состоят из нескольких фаз, на границах которых происходит резкое изменение свойств. Системы могут быть однородные и неоднородные. Неоднородные системы, когда имеются градиенты концентрации внутри фаз.
Энергообмен ТДС со средой.
В не замкнутых ТДС возможен приход энергии извне со среды. Может быть два случая: в этой системе постоянный объем или давление.
ТДС с постоянным объемом – изохорические, с постоянным давлением – изобарические. Термообмен со средой рассматривают по первому закону термодинамики. Закон сохранения энергии: энергия не исчезает, а может переходить в другие виды энергии, во внутреннюю энергию, а частично в совершенную работу .
Q = ΔU + A
Q – переданная в систему энергия,
ΔU – приращение внутренней энергии,
A – совершенная работа.
Внутренняя энергия включает в себя энергию поступательного движения молекул, энергию колебательного и вращательного движения атомов, энергию, потраченную на возбуждение электронных оболочек атомов и ядерных структур.
А = рdV
дQ = dU + дА
Изохорический процесс V = const
(дQ/дT)V = (дU/дT)V=сV
CV-теплоемкость (количество теплоты, необходимое для нагрева вещества или системы на 1 градус.
Изобарический процесс
дQ =dU + ΔA =dU + pдV
Q 1,2 = (U2 + pV2) – (U1 + pV1)
Энтальпия – это количество теплоты, которое необходимо передать системе, чтобы привести ее в данное состояние. Энтальпия при абсолютном нуле равна нулю. Отсчет идет от этого нуля. При этом нужно учитывать переход от одного состояния в другое
ΔН = ΔТ*СV
ΔНТ = ΔНО + ∫Срα dT + ΔHα→β + ∫Cpβ dT + ΔHпл + ∫ Срж dT + ΔHисп + ∫CpгdTC
Cвязь между изобарным и изохорным процессом(закон Гей-Люсака):
При Р=соnst, V/T – const;
при V=const, p/T – const.
Для упрощения расчетов энтальпию отсчитывают не от обычного нуля, а от стандартного состояния.
Стандартные состояния:
Р = 1атм
Т = 298 К(273+25˚С)
Энтальпия стандартного состояния ΔН˚
Энтальпия абсолютного нуля Δно
ΔНт = ΔНº + ΔСрМоТ
Энтальпия веществ стабильных при стандартных состояниях также принимается за ноль.
Правило подсчета энтальпий
2FeO + SiO2 = 2FeO + Si
Энтальпии продуктов берутся со знаком " + ", а исходных со знаком " - " :
ΔНр = ΔНº2FeO + ΔHºSi - ΔHº2Fe + ΔHºSiO2
Энтропия ТДС.
Обратимые реакции – это те реакции , которые не создают изменения в окружающей среде. Необратимые - создают изменения. Энтропия – количество энергии, идущее на увеличение беспорядка в системе.
Лекция №3
Прогнозирование химической реакции термодинамическими методами.
Расчет энтропии в ТДС.
Реакции различаются на обратимые и необратимые. Обратимая реакция не создает изменение в окружающей среде.
В случае, если при выделении энергии системы температура не снижается, то происходят внутренние процессы с выделением тепла, изменяющие степень беспорядка атомов в системе.
Следует различать приращение энтальпии при фазовых превращениях от приращения энтропии в том же превращении, (они различаются по кинетике).
Энтропия дает скачек в интервале температур, а энтальпия при постоянной температуре.
Энтропия увеличивается с повышением температуры, так как увеличивается беспорядок в расположении атомов кристаллической решетки. При образовании карбидов энтропия снижается, так как карбид это сгусток легированных элементов с определенной кристаллической решеткой, то есть с большим порядком расположения атомов.
=> реакция обратима, если не равно нулю à реакция не обратима.
Максимальная энтропия будет достигнута, когда все необратимые процессы будут
закончены.
Если
Энтропия- функция температуры, давления, объема, концентрации.
Для моля идеального газа:
Краевые условия: S=0 при Т=0 К.
Из этого уравнения следует, что энтропия при температуре пропорциональна темпе- ратуре ,объему или давлению ,а также зависит от теплоемкости ,которая определяет строение вещества.
Энтропия может возростать при нагревании в пределах первого агрегатного состояния
И изменяться в интервале фазовых и агрегатных превращений.
Прирост энтропии в условии превращении производится по формуле:
Энтропия при температуре Т:
Для энтропии также вводятся стандартные условия, теже что и для энтальпии 298К или
25 С и давление 1 атмосфера.
Сумма этих энергий объединена в термодинамический потенциал предложенный Гибсом.
DН должна учитывать нелинейность теплоемкости.
Коэффициент М0 в уравнение учитывает нелинейность теплоемкостей как составляющей энергии энтрапии и энтальпии.
реакция идет в прямом направлении.
реакция идет в обратном направлении.
реакция находится в состоянии ТД равновесия.
Термодинамическое равновесие- это состояние системы, когда небольшие отклонения от равновесия системы в одну сторону переходят в другую.
Пример:
При определении определяем для стандартных условий.
При анализе графика диаграмма делится на две части точкой Т1, где и . До температур Т1( ) реакция идет в обратном направлении или не идет.
Лекция №4
Структура методов прогнозирования химических реакций.
-Определим принципиальную возможность данной реакции.
-Температуру ее развития в желаемом направлении.
Интенсивность наростания продуктов реакции по температуре (скорость).
-Возможность протекания реакции между элементами, находящихся в расплаве другого элемента.
-Определение констант равновесия в гомогенных и гетерогенных системах.
Гомогенные системы считаются смеси газов и растворы (твердые, жидкие), а также расплавы.
Чтобы прогнозировать процессы мы должны иметь расчетные формулы термодинамического потенциала (состоящие из энтальпии, энтропии) и констант равновесия на основе этого потенциала.