Теория сварочных процессов моделирование физико-химических процессо

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.А. КРИВОНОСОВА

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СВАРНОМ ШВЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

УДК 621.791(031) К82

Рецензенты:

канд. воен. наук В.В. Дзябко (Пермский военный институт внутренних войск МВД России); д-р техн. наук, профессор Ю.Д. Щицын

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Кривоносова, Е.А.

К82 Теория сварочных процессов: моделирование физикохимических процессов в сварном шве : учеб. пособие / Е.А. Кривоносова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 93 с.

ISBN 978-5-398-01232-3

Систематизированы современные представления по металловедческим разделам теории сварочных процессов: физической химии, металлургии и металловедению сварки. Приведены примеры моделирования физико-химических процессов взаимодействия фаз при сварке, а также задания для самостоятельной работы и примеры выполнения этих заданий. Пособие содержит листинги решения прикладных задач фрактального анализа, термодинамики и кинетики процессов в программных пакетах Mathcad 2001 Professional, MATLAB 6.1.

Предназначено для магистров направления 150700.68 «Машиностроение» (магистерская программа «Лучевые технологиив сварке»).

УДК 621.791(031)

4

ВВЕДЕНИЕ

Сварка как процесс создания неразъемных соединений связана со взаимодействием компонентов в сварочной ванне, находящихся в одной фазе (расплавы) или в разных фазах (гетерогенные процессы). Для прогнозирования возможности и развития взаимодействия элементов необходимо знать основы химической термодинамики и кинетики и на этой базе уметь моделировать физико-химическиепроцессыпри взаимодействиифаз.

Математический аппарат химической термодинамики позволяет определить возможность, направление и предел развития рассматриваемой реакции в заданных условиях. Высокие температуры сварки плавлением обусловливают большую скорость реакций, особенно в жидких и газовых средах, что обеспечивает быстрое наступление состояния, очень близкого к равновесию. Поэтому термодинамические расчеты чрезвычайно важны для теории и практики сварки, в частности при разработке новых сварочных материалови совершенствовании технологий сварки.

Математический аппарат химической кинетики для моделирования многофакторных сварочных процессов позволяет уточнить результат процессов легирования, модифицирования и др. с учетом температурного цикла сварки.

Настоящее учебное пособие содержит примеры численного моделирования физико-химических процессов и методические рекомендации по анализу поведения неметаллических включений в жидкой сварочной ванне. Оно составлено на базе теории физической химии, общей теории металлургических процессов и теории сварочных процессов. Учебное пособие дополняет практическими расчетами теоретический курс физикохимическихосновметаллургических процессов при сварке.

Справочные данные приведены в приложении (табл. П.1–П.9).

5

1. ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ ПРИ СВАРКЕ

Решение любой термодинамической задачи начинается с записи рассматриваемой реакции (обязательно с соответствующими стехиометрическими коэффициентами). Запись определяет название направления реакции: прямое (слева направо) в сторону продуктов и обратное − в сторону исходных веществ. Далее, в соответствии с записью, дается выражение константы равновесия этой реакции (Kр): в числителе – активности продуктов, в знаменателе − исходных веществ, в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.

Пример:

Для изобарно-изотермического процесса (реакция рассматривается при постоянных Р и Т) термодинамическим потенциалом является энергия Гиббса (G). Изменение энергии Гиббса реакции в стандартных условиях (Р = 1 атм) связано с величиной константы равновесия при температуре Т:

где Т − температура, К; R − газовая постоянная.

Величина GT0 реакции может быть определена по методу Темки-

на–Шварцмана, как сумма составляющих реакций, приближенно по методу Улиха и другими способами. В настоящее время для большинства

инженерных расчетов величины GT0 образования химических соедине-

ний приведены в работах [4, 7, 13 и др.].

Заметим:

1.При использовании справочников обязательно следует записывать размерность величин и температурный интервал, для которого они определены. Результаты расчета вне этого интервала считаются приближенными и оценочными.

2.Справочные данные в различных источниках часто не совпадают, что объясняется трудностями опытов, на базе которых данные приво-

6

дятся. Поэтому необходимо указывать источник используемых в расчете величин.

В зависимости от выбранного состояния сравнения (стандартного состояния вещества) содержание вещества в растворе чаще выражают через мольную (атомную) долю Xi (стандартное состояние − чистое вещество, элемент) или через массовую долю − мас.% (стандартное состояние − гипотетический 1 % раствор вещества, принятый условно за

идеальный) − Ci.

В первом случае

Величины γi и fi не равны друг другу. Они определяются опытным путем или оцениваются с помощью различных теорий [2–4]. Для инженерных расчетов γi и fi часто относятся к справочным данным. Обычно fi называют коэффициентом активности по Генри. Определить опытным путем коэффициенты активности элементов во всех реальных многокомпонентных растворах практически невозможно.

Выходом из этой ситуации является, в частности, определение коэффициента активности элемента в многокомпонентном разбавленном растворе с помощью параметров взаимодействия Вагнера. С учетом только первого параметра взаимодействия (так как второй и третий редко бывают известны)

где γi − коэффициент активности элемента i в разбавленном растворе; εij − параметр взаимодействия, величина которого показывает степень влияния компонента j на γi; Хj − атомная доля компонента j.

где eij − коэффициент взаимодействия, определяющий степень влияния элемента j на fi; Сj − cодержание компонента j в растворе, мас. %.

Величины εij и eij определяются в опыте и приводятся в справоч-

никах [2–4].

7

где М1 − атомная масса основы сплава; Мj − атомная масса элемента j.

При небольших различиях Mi и Mj

eij = Mi eij .

M j

Температурная зависимость параметра и коэффициента взаимодействия определяются в опытах или по теории регулярных растворов:

и по теории квазирегулярных растворов для сплавов на основе Fe или Ni:

опытах и приведены в табл. П.5 приложения. Отсутствующие в таблице величины εii при температуре Т можно оценить на основе диаграммы состояния Ме−i и теории регулярных растворов:

где QMe−i − энергия смешения основы сплава (Ме) и компонента i; Тпл. Ме и Нпл. Ме − температура и теплота плавления основы сплава; ХМе и Хi − атомные доли Ме и i в сплаве, определяемые по точке ликвидус (Т) на диаграмме состояния системы Ме−i.

8

Таким образом, используя справочные данные ( GT0 , γi0 , εij , eij и

др.), с помощью приведенных уравнений можно рассчитать равновесные параметры реакции при различных условиях. Очевидно, расчет ка- кого-либо параметра возможен, если все остальные величины в уравнении известны. При двух неизвестных необходимы два уравнения с их участием, при трех − три уравнения и т.д.

Если GT < 0 , то реакция по записи возможна, при GT > 0 реак-

ция по записи невозможна, т.е. возможна обратная по записи реакция (справа налево).

При GT = 0 заданные условия равновесны.

Заметим: по знаку GT0 определяются возможность и направление

реакции только в случае, когда все участники реакции находятся в стандартном состоянии (обычно это чистые вещества без наличия какихлибо растворов и газообразные вещества).

Постоянные, необходимые для расчетов:

1. Газовая постоянная R = 8,31 Дж/моль К = 1,975 кал/моль

К= 82,057 см3/моль К.

2.1 кал = 4,184 Дж = 9,869 4,184 атм см3.

3.lnN = 2,3 lgN.

4.1 атм = 1,01 105 Па = 760 мм рт. ст.,

1мм рт. ст. = 1,31 10–3атм = 1,32 102 Па.

5.Основание натуральных логарифмов e = 2,718.

6.Число Авогадро, число частиц в 1 моль NА = 6,02 1023 моль–1.

7.Пересчет мас.% на Xi:

Xi = n %i .

1 Ai

7. Пересчет Xi на мас.%:

%i = 100 nXi Ai .

Xi Ai

1

9

2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

2.1. Общая характеристика физико-химических процессов при сварке

Применение при сварке мощных источников энергии, таких как электрическая дуга, плазма, электронных луч, приводит к тому, что в различных зонах сварного соединения протекают высокотемпературные химические процессы.

Наиболее общая классификация включает в себя следующие физи- ко-химические процессы при сварке:

•фазовые превращения (кристаллизация, плавление, полиморфные превращения);

•растворение и выделение веществ из раствора (растворение газов

врасплавленном металла сварочной ванны);

•диссоциация и образование химических соединений (диссоциация мрамора, образование оксидов);

•диффузия (газов, легирующих элементов);

•обменные реакции между металлом и шлаком (раскисление, рафинирование, легирование).

Особенность протекания физико-химических процессов при сварке определяется тремя факторами:

1.Непрерывное изменение температуры (наличие высоких градиентов температур).

2.Высокая скорость протекания процессов.

3.Непрерывное поступления новых порций непрореагировавших веществ в сварочную ванну при движении электрода по изделию.

Таким образом, в условиях сварки термодинамическое равновесие при протекании реакций достигается не всегда.

Из всего многообразия физико-химических аспектов взаимодействия веществ выберем те направления, которые в наибольшей степени интересуют сварщиков с позиций формирования качественного металла сварного шва. К ним относятся:

•прогнозирование физико-химических реакций при сварке;

•расчет массы продуктов реакции;

•расчет взаимодействия элементов всплавахи выборраскислителя;

•расчет необходимого количества раскислителя;

10