Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
150.doc
Скачиваний:
10
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
1.04 Mб
Скачать

ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

В.Ф. Селиванов

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2013

УДК 621.791

Селиванов В.Ф. Окислительно-восстановительные процессы при сварке плавлением: учебное пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые, граф. данные (980 Кб) / В.Ф. Селиванов. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; MS Word 2007 или более поздняя версия; 1024x768; CD-ROM; мышь. – Загл. с экрана. – Диск и сопровод. материал помещены в контейнер 12x14 см.

В учебном пособии изложены базовые понятия и рассмотрены механизмы окислительно-восстановительных процессов при сварке плавлением. Представлены сведения о влиянии остаточного кислорода и оксидных включений на свойства металла шва. Изучение этих вопросов необходимо для освоения специальных дисциплин программы подготовки бакалавра и формирования профессиональных компетенций будущих специалистов сварочного производства.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта по направлению подготовки бакалавров 150700 «Машиностроение» по профилю «Оборудование и технология сварочного производства», дисциплине «Окислительно-восстановительные процессы при сварке».

Предназначено для студентов всех форм обучения.

Ил. 4. Библиогр.: 7 назв.

Рецензенты: ОАО «ВАСО» (гл. металлург д-р, техн. наук, проф. А.Б. Коломенский);

д-р техн. наук, проф. В.В. Пешков

© Селиванов В.Ф., 2013

© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013

Оглавление

В В Е Д Е Н И Е 5

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И БАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ 6

1.1. Химическое равновесие. 6

1.2. Окислительно-восстановительные реакции. 8

2. ПЛАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛА В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ 11

3. ФОРМЫ ПРИСУТСТВИЯ КИСЛОРОДА В МЕТАЛЛЕ СВАРНЫХ ШВОВ 16

4. ИСТОЧНИКИ КИСЛОРОДА В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ 19

4.1. Окисление свободным кислородом газовой фазы. 20

4.2. Окисление влагой сварочных материалов. 23

4.3. Окисление сварочной ванны шлаками, содержащими FeO. 24

4.4. Окисление сварочной ванны химически активными оксидами. 25

5.ОКИСЛЕНИЕ МЕТАЛЛА ЗАЩИТНЫМИ ГАЗАМИ 28

6. ОКИСЛЕНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ 33

6.1. Совместное протекание восстановительных реакций кремния и марганца. 34

6.2. Особенности окисления металла шва оксидами алюминия и титана. 36

6.3. Окисление металла диоксидом циркония. 38

7. ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ 39

7.1.Окисление металла газовой защитной средой. 40

8. СОСТАВ И ФОРМА ОКСИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СВАРНЫХ ШВАХ 49

8.1. Методы определения содержания кислорода в сварных швах 54

8.2. Свойства, состав и форма силикатных оксидных включений в сварных швах 59

8.3. Свойства, состав и форма алюмосиликатных и других оксидных включений в сварных швах 63

8.4. Оксисульфидные и оксифосфидные сложные включения в сварных швах 72

9. ВЛИЯНИЕ ОКСИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В МЕТАЛЛЕ ШВОВ НА ИХ СВОЙСТВА 78

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82

В В Е Д Е Н И Е

Для любого способа сварки и, особенно для сварки плавлением, важную роль играют процессы окисления и восстановления, протекающие в сварочной ванне при взаимодействии расплавленного металла с компонентами защитной среды. В результате этих процессов меняется исходная концентрация элементов и кислорода в составе шва, могут появляться оксидные включения, что, несомненно, влияет на конечные свойства сварного соединения. Поэтому изучение курса «Окислительно-восстановительные процессы при сварке» призвано сформировать теоретическую базу для дальнейшего изучения специальных дисциплин, подготовки будущих специалистов к принятию обоснованных решений по выбору способа сварки и сварочных материалов.

Данное пособие не претендует на охват всех вопросов, связанных с физико-химией процессов сварки, а рассматривает процессы, протекающие при наиболее распространенных на сегодня способах сварки, особенностях окислительно-восстановительных реакций в сварочной ванне в зависимости от характеристик используемых сварочных материалов, знакомит студентов с влиянием остаточного кислорода на свойства сварного соединения.

1. Основные понятия и базовые законы

1.1. Химическое равновесие.

Химическое равновесие имеет динамический характер. Скорость реакции в прямом направлении равна скорости реакции в обратном направлении. В условиях химического равновесия концентрации (или парциальные давления газов) исходных веществ и продуктов реакции не изменяются во времени и называются равновесными концентрациями (или парциальными давлениями) веществ. Равновесные концентрации обозначают символом вещества в квадратных скобках. Например [Н2] или [NH3]. Равновесное парциальное давление обозначают индексом P, например и .

Термодинамическим условием химического равновесия является G=0, т.е. равенство нулю энергии Гиббса химической реакции.

Константа химического равновесия.

При равновесии химической реакции вида

(1)

или

(2)

где и другие – равновесные относительные парциальные давления соответствующих веществ ( ), и - показатели степени, равные стехиометрическим коэффициентам.

Отношение ( ) или ( ) называют константами химического равновесия и соответственно.

Эти уравнения являются вариантами математического выражения закона действующих масс. Отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, при постоянной температуре, является величиной постоянной.

Например, для реакции синтеза аммиака , закон действующих масс имеет вид или .

Если все реагенты газообразны, то связь между и выражается уравнением:

, (3)

где - изменение числа молей газов в результате реакции . Для нашего примера , т.е. .

Для энергии Гиббса химической реакции ( ), учитывая (1) и используя константу равновесия, получаем:

, (4)

, (5)

При 298 К энергия Гиббса .

Уравнение (4) можно записать в виде

, (6)

Рассчитав величину химической реакции, можно определить константу химического равновесия.

Таким образом, К может быть рассчитана, если известно стандартное значение энергии Гиббса. Используя закон действующих масс, можно рассчитать равные концентрации или парциальные давления реагирующих веществ и наоборот по известным равновесным концентрациям реагирующих веществ можно определить К и соответственно .

Влияние температуры на .

Как видно из уравнения (6), константа равновесия зависит от температуры. С учетом того, что , можем записать

(7)

или (8)

Если принять и независимыми от температуры, то производная по температуре будет иметь вид

. (9)

Отсюда (по изобаре) следует, что константа равновесия экзотермической реакции уменьшается, а эндотермической возрастает с повышением температуры. С увеличением абсолютного значения энтальпии ( ) реакции и уменьшением температуры, чувствительность к изменению температуры повышается.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]