Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы производства. Расчеты и контроль металлургических процессов. Практикум
.pdf
Присутствиеводородавстальныхизделияхиликонструкциях,находящихсявэксплуатациивовлажнойсреде,вчастности,вморской
воде, нередко вызывает водородное растрескивание металла, когда
вместеспродуктамикоррозииметаллаводородпроникаетквнутреннимповерхностямпоритрещин,чтоиприводиткпостепенномурастрескиваниюметалла.
Содержаниеводородав твердомметалле можно понизитьтермическойобработкой,ноэтотребуетдлительноговременииопределенныхзатрат.
Изменениерастворимостиводородавтвердомжелезесизменениемтемпературыпредставленонарис.4.1.
0,003
[H],%
0,002
δ-Fe
0,001
α-Fe
0
500 900 1300
Рис.4.1.Растворимостьводородавтвердомжелезе
γ-Fe
Fe
t,°С
(ж)
Удалениеводородаизжидкойсталивпроцессееевыплавкииобработкиявляетсяважнойзадачейметаллургов.
Контроль за шихтовыми материалами, интенсивное проведение
окислительного рафинирования, использование на плавке хорошо
просушенных и прокаленных шлакообразующих и ферросплавов,
умелое соблюдениешлаковогорежима, и наконец, вакуумная обработкажидкойсталипозволяютполучитьконечныйпродуктссодержаниемводороданеболее(1…2)·10–4%,или(1…2)ppmиисключить
дефекты,связанныесприсутствиемводородавстали.
Растворимость азота в железе существенно понижается при кристаллизациирасплаваипереходеFeγ→Feα(рис.4.2.),чтоявляетсяосновной причиной влияния азота на свойства стали. При отсутствии
31
в стали нитридообразующих элементов (Ti,Al,V,Zr) после образованияFeαначинаетсявыделение из растворанитридовжелеза(Fe2N,
Fe4N)ввидемелкодисперсныхчастиц.Образованиенитридовжелеза
происходит при низкой температуре длительное время. Результатом
этогопроцессаявляетсяпонижениепластическихсвойств(ψ,δ), падениеударнойвязкости(ак).Одновременновозрастаютпрочностные
свойстваитвердость металла.Данное явление называют старением
металла.Вводвстальэлементов,образующихнитридыпривысоких
температурах, устраняет склонность стали к старению. Спокойная
сталь,раскисленнаяалюминием,несклоннакстарению.
0,04
[N],%
0,02
α-Fe
0
600 1000 1400
Рис.4.2.Растворимостьазотавжелезе
γ-Fe
δ-Fe
Fe
(ж)
t,°С
Азоткаклегирующийэлементвсталяхнашелприменениедляповышенияпрочностных свойств,коррозионнойстойкости,изменения
магнитныхсвойств.Растворениюазотав жидкомметаллеизгазовой
фазыпредшествуетстадияатомизациимолекулазотаN2→2N,протеканиекоторойсущественнозависит от температуры.Сталь,выплавленнаявэлектродуговыхпечах,обычно содержитбольшеазота,чем
выплавленная в кислородном конвертереили мартене, что объясняется высокой температурой металла в зоне горения электрических
дуг(до3000°Сиболее),большимразвитиемреакцииатомизациии
созданиемблагоприятныхусловий для растворенияазотаизгазовой
фазы в жидком металле. Внепечное рафинирование жидкойстали с
использованием вакуума позволяет получать в готовом металле содержаниеазота0,005%массименее.
32
1
||
2
HH
22
|H|
H
|H|
1/2 1/2
HH
|H|
a
f
K
pp
×
==
2
H
p
2
H
|H|
|H| Kp=×
2
H
1p =
|H|
|H| K=
Fe
1900
lg | H | 1,
5
77
Т
=- -
Ni
924
lg | H | 1,
8
8
Т
=- -
Переход водорода из газовой фазы в жидкий металл описывает
уравнениереакции:
=
|H| – равновесное содержание водорода в расплаве (раствори-
где
2( )
г
мостьводорода),массоваядоля,%,масс.
КонстантаравновесияреакцииK
, (4.1)
равна:
Н
где
–парциальноедавлениеводородавгазовойфазе;
f
и a
|Н|
– соответственно коэффициентактивности и активность
|Н|
, (4.2)
водородаврасплаве.
Для идеального раствора водорода в жидком металле fН=1
иа
=|H|.Уравнение(4.2)запишетсяввиде
|H|
При
, растворимость водорода определяется константой
. (4.3)
равновесия,т.е.
.
Дляреакциирастворенияводородав жидкомжелезепримемсле-
дующуюзависимостьрастворимостиоттемпературы:
. (4.4)
Изданногоуравненияследует,чторастворимостьводородавжид-
комжелезеприТ=1873Кир=1составляет0,0026%.
Дляреакциирастворенияводородаврасплавеникеляаналогичная
зависимостьимеетвид
. (4.5)
33
Расчетная растворимость водородав жидком никеле при 1773 К
2
HH
|H|
1
lg | H | lg lg lg
2
K pf=+ -
2
H
1p =
2
HH
|H|
1
lg | H | lg lg lg
2
K pf=+ -
HH
2
lg | |
n
i
i
f ei
=
=×
å
H H H H H H HH
составляет0,0040%.
Уравнение(4.2)длярасчетарастворимостиводородавлегированныхрасплавахжелезапринимаетвид
. (4.6)
Второе и третье слагаемые правой части уравнения учитывают
парциальноедавлениеводороданадрасплавомисоставрасплава.
Задача
Рассчитатьрастворимостьводородав жидкойсталисостава:Fe–
основа; С = 1,0 %; Mn = 0,5 %; Si = 0,4 %; Cr =2,5 %; Ni = 2,0 %,
S=0,020%;
Оценить равновесную концентрацию водорода в расплаве после
егообработкиввакуумеприостаточномдавленииввакуумнойкаме-
=5ммрт.ст.(1ммрт.ст.=133Па),Т=1873К.
рер
ост
Решение
1. Рассчитаем растворимость водорода в расплавепо уравнению
(4.6):
Дляопределениякоэффициентаактивностиf
динамическиепараметрывзаимодействияпервогопорядка(прил.1):
,Т=1873К.
.
используемтермо-
H
Коэффициентактивностиводородадлярасплавазаданногосостава представляет произведение частных коэффициентов активности
водорода:
f f f f f f ff= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅.
C Mn Si Cr Ni S H
Врезультателогарифмированияэтоговыраженияполучаемуравнениедлярасчетаf
34
:
H
.
HH H H H H HH
lg lg lg lg lg lg lg lg= + + + + ++ =ff f f f f ff
1900
lg | H | 1,577 0,0603 2,652
T
=- - - =-
5
0,0066
760
мм рт.ст.
мм рт.ст.
=
1900 1
lg | H | 1,577 lg0,0066 0,0603 3,741
2T
=- - + - =-
| H | 0,00018 % (1,8 ppm)=
C Mn Si Cr Ni S H
C Mn Si Cr
|C| |Mn | |Si | |Cr|ee e e=× + × +× + × +
HH H H
Ni S H
| Ni | | S | | H |e ee+ × +× +× .
H HH
После подстановки вуравнение значений параметров взаимодей-
ствияиконцентрацийрастворенныхэлементовполучаем
lgf
=0,06⋅1–0,002⋅0,5+0,027⋅0,4–0,0024⋅2,5–
H
–0,0019⋅2,0+0,017⋅0,020=0,0603.
Отсюдаf
=1,15.
H
Используятемпературнуюзависимость Kp(4.4) и уравнение (4.6)
получаем
,
| H | 0,0022 % (22 ppm).=
2. Рассчитаем величину растворимости водорода в расплаве при
р
=5ммрт.ст.Величина давлениявбезразмернойформе составит
ост
0,0066(
).
Подставимполученноезначениедавленияврасчетноеуравнение:
,
.
Задача
Рассчитать температурную зависимость растворимости водорода
вмногокомпонентномрасплавенаосновежелеза.Температурныйинтервал1823…1973К.
Исходныеданныевариантовпредставленывтабл.4.1.
35
Таблица 4.1
2
H
p
2
H
p
2( )
1
.
2
г
NN=
22
|N|
N
|N|
1/2 1/2
NN
|N|
,
a
f
K
pp
×
==
2
N
p
2
1/2
N
|N|
N
|N|pKf=×
2
NN
|N|
1
lg | N | lg lg lg
2
K pf=+ -
Номер
варианта
10 1,00 0,50 0,30 5,0 15,0 3,0 0,10 1 20 0,01
Содержаниерастворенныхэлементов,%масс.
C Mn Si Cr Ni V Al
1 0,05 0,30 0,50 18,0 10,0 – 0,20 1 11 0,01
2 0,10 0,30 0,50 15,0 10,0 – 0,20 1 12 0,10
3 0,15 0,30 0,50 15,0 10,0 – 0,25 1 13 0,001
4 0,30 0,30 0,40 15,0 10,0 2,0 0,25 1 14 0,01
5 0,30 0,40 0,40 12,0 0,5 1,0 0,05 1 15 0,10
6 0,40 0,40 0,40 12,0 0,4 3,0 0,10 1 16 0,001
7 0,40 0,40 0,30 12,0 0,3 0,5 0,05 1 17 0,01
8 0,50 0,50 0,30 5,0 5,0 1,0 0,10 1 18 0,10
9 0,50 0,50 0,30 5,0 10,0 2,0 0,05 1 19 0,001
Номер
варианта
Растворимостьазотавжидкомжелезе, какирастворимостьводо-
рода,подчиняетсязаконуквадратногокорня:
КонстантаравновесияK
где|N|–растворимостьазотавжидкомметалле(массоваядоля,%масс.);
–парциальноедавлениеазотавгазовойфазе;
a
и f
|N|
– соответственно активность и коэффициентактивности
|N|
азотавжидкомметалле.
Извыражения(4.8)имеем
апослелогарифмирования
36
реакции:
|N|
(4.7)
(4.8)
,
. (4.9)
Уравнениезависимости растворимостиазота в жидкомжелезе от
2
N
1p =
Fe
188
lg | N | 1,246
Т
=- -
Ni
3610
lg | N | 0,973
Т
=- -
2
N
1p =
2
NN N
N
2 2 22
lg || || ||| |,
n n nn
i i ij
i i ij
ij
f ei ri ri j
= = ==
£
= ×+ × + ××
å å åå
N
i
e
N
N
[1] 100 %
lg
||
i
f
e
i
®
¶
=
¶
N
i
r
температуры(
,fN=1)имеетвид
. (4.10)
При Т = 1873 К растворимость азота в жидкомжелезе, согласно
приведенномууравнению,составляет0,045%.
Температурнаязависимостьрастворимостиазотавжидкомникеле
описываетсяуравнением:
. (4.11)
Из уравнения следует, что растворимость азота в жидкомникеле
при
иТ=1873Ксоставляет0,0013%.
Реальныесталиисплавысодержаткомпоненты,которыеоказываютсущественноевлияниенарастворимостьазота.Заметноувеличиваетрастворимостьазотавжидкомрасплавеприсутствиехрома,марганца, молибдена, имеющих бóльшее сродство к азоту, чем железо.
Увеличение концентраций нитридообразующих элементов – титана,
циркония,ванадияидругихтакжеувеличиваетрастворимостьазота.
Влияниелегирующихипримесныхэлементоввсталяхисплавах
наповедениеазотав расплавах проявляется через значениекоэффициентаактивностиазотаfNврасплаве:
(4.12)
гдеn–общеечислорастворенныхвметаллекомпонентов;
|i|,|j|–концентрациикомпонентовiиjврасплаве;
– термодинамический параметр (массовый параметр) взаимо-
действияазотаскомпонентомiрасплавапервогопорядка:
– термодинамический параметр (массовый параметр) взаимо-
действияазотаскомпонентомiвторогопорядка:
;
37
2
N
N
2
[1] 100 %
lg
1
2
||
i
f
r
i
®
¶
=×
¶
N
ij
r
2
N
N
[1] 100 %
lg
|| | |
ij
f
r
ij
®
¶
=
¶ ׶
NN
2
lg | |
n
i
i
f ei
=
=×
å
Cr Ni Mn CrCr 2 NiNi 2
NN N N N N
lg |Cr | | Ni | | Mn | | Cr | | Ni |fe e e r r= × +× + × + × + × +
MnMn 2 CrNi CrMn NiMn
N
i
e
N
i
r
N
ij
r
Cr
N
148 / 0,033eT=- +
CrCr
N
1,68 / 0,0006rT=-
CrNi
N
1,6 / 0,0009rT=-
Ni
N
8,33 / 0,0019eT=+
NiNi
N
1,83 / 0,001rT=- +
CrMn
N
2,16 / 0,0005rT=+
Mn
N
134 / 0, 03eT=- +
MnMn
N
8,82 / 0,0056rT=-
NiMn
N
0,09 / 0,0007rT=+
N
N
0e =
; (4.13)
– термодинамический параметр (массовый параметр) взаимо-
действияазотаскомпонентамиiиjвторогопорядка:
. (4.14)
Принебольшихконцентрацияхкомпонентовметаллическогорас-
твора,расчетlgf
можновыполнятьсиспользованиемтолькопараме-
N
троввзаимодействияпервогопорядка:
. (4.15)
При больших концентрациях компонентов раствора определение
lgf
дляповышенияточностирасчетатребуетиспользованияпараме-
N
троввзаимодействиявторогопорядка.
Так,длярасплаваFe(основа)–Cr–Ni–Mn–Nуравнение(4.12)будет
иметьвид
NN N N
|Mn| |Cr| |Ni| |Cr| |Mn| |Ni| |Mn|.rr r r+ × +×× + ×× + ××
Величиныпараметроввзаимодействияазотас компонентамирасплава железа можно вычислить, используяих температурныефункции,представленныевтабл.4.2.
Таблица 4.2
– –
38
2
N
1p =
2
NN
|N|
1
lg | N | lg lg lg
2
K pf=+ -
C Cr Ni Mn CrCr 2
NiNi 2 MnMn 2 CrNi CrMn
NiMn
N
|Ni| |Mn|r+ ××
2
N
p
188
lg | N | 1,246 0,4087 0,9376
Т
=- - + =-
Задача
Рассчитатьрастворимость азота в расплаве состава: Fe – основа;
С=0,3%;Cr=20,0%;Ni=15,0%;Mn=7,0%;
Решение
Длярасчетарастворимостиазотаиспользуемуравнение(4.9):
Для многих элементов, содержащихсяв реальных сталях, отсутствуютв справочнойлитературепараметры взаимодействия второго
порядка.Вэтомслучае следуетограничитьсяиспользованиемврасчетахпараметроввзаимодействияпервогопорядка.
Находимlgf
lg |C| |Cr | |Ni| |Mn| |Cr|fe e e e r=× +× +× + × + × +
NN N N N N
NN N N
:
N
|Ni| |Mn| |Cr| |Ni| |Cr| |Mn|rr r r+× + × + ××+ ×× +
,
=0,13⋅0,3–0,046⋅20+0,0063⋅15–0,011⋅7+
lgf
N
+0,00029⋅400+0,000023⋅225–0,00018⋅9–0,000045⋅20⋅15+
+0,00165⋅20⋅7+0,00075⋅15⋅7=–0,4087.
,Т=1873К.
.
Отсюдаf
=0,390.
N
Послеподстановкивуравнение(4.9)найденногозначенияlgf
получаем
и
Отсюда|N|=0,115%.
Задача
Рассчитатьипредставитьграфическитемпературнуюзависимость
растворимости азота в легированных расплавах железа в интервале
температурот1823до 1973К.Врасчетахиспользоватьмассовыепараметрывзаимодействияпервогоивторогопорядков.
,Kр
N
.
39
Вариантыисходныхданныхдлярасчетапредставленывтабл.4.3.
2
N
P
2
N
P
Таблица 4.3
Содержаниелегирующих
Номер
варианта
1 25,0 15,0 5,0 2,0 1,0 11 25,0 15,0 5,0 2,0 1,0
2 25,0 10,0 5,0 – 1,0 12 25,0 10,0 5,0 1,0 0,5
3 25,0 10,0 5,0 – 0,5 13 20,0 10,0 5,0 2,0 0,5
4 20,0 15,0 5,0 – 1,0 14 20,0 10,0 5,0 – 1,0
5 20,0 15,0 5,0 2,0 0,5 15 20,0 5,0 10,0 – 1,0
6 20,0 10,0 5,0 3,0 1,0 16 20,0 5,0 10,0 – 0,5
7 15,0 10,0 6,0 – 1,0 17 15,0 10,0 4,0 – 1,0
8 15,0 5,0 8,0 – 1,0 18 15,0 10,0 4,0 2,0 1,0
9 15,0 5,0 8,0 – 0,5 19 15,0 10,0 4,0 – 0,5
10 20,0 3,0 8,0 3,0 1,0 20 22,0 10,0 8,0 – 1,0
элементов,массовая
доля,%масс.
Сr Ni Mn V Сr Ni Mn Nb
Номер
варианта
Содержаниелегирующих
элементов,массовая
доля,%
1.Вкакомвиде находитсяводородвгазовойфазе и в металличе-
скомрастворе?
2. Каков характер изменения растворимости водорода при фазо-
выхпревращенияхжелеза?
3. Представления о флокенах, волосовинах, водородной хрупко-
сти,водородномрастрескивании.
4.Основныеспособыудаленияводородаизжидкойсталипривы-
плавкеиобработке.
5.Какпровестипересчетвеличиныпараметроввзаимодействияна
температуры,отличныеот1873К?
6.Какогопорядкапараметрывзаимодействияиспользуютсяврас-
четахрастворимостиводородавжелезеиегосплавах?
7.Какиетребованияпредъявляютсяксталямисплавампосодер-
жаниюводорода?
8.Каквлияюттемператураипарциальноедавлениеводородавга-
зовойфазенарастворимостьводородавжидкойстали?
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]