Металлургические процессы при сварке

Контрольные вопросы.

1. Схемы нагреваемых тел.

2. Основные теплофизические единицы.

3. Закон теплопроводности Фурье?

4. Основные источники теплоты?

5. Что такое поверхностная теплоотдача?

6. Конвективная теплоотдача?

7. Что такое лучистая теплоотдача? Закон Стефана-Больцмана?

8. Краевые условия. Что это такое?

9. Термические циклы при сварке. Их назначение?

10. Плавление основного металла.

11. плавление присадочного металла и электродов.

12 Понятие мгновенной скорости охлаждения.

Основы физической химии. Основные понятия и величины. Быстропротекающие процессы образования сварного шва, состоящие из расплавления кромок основного металла, присадочного металла и кристаллизации образовавшейся сварочной ванны, являются необратимыми процессами.

Они оставляют в системе неисчезающий результат – сварной шов, а в окружающей среде создаётся нагрев за счёт неизбежных потерь тепла источником энергии при сварке.

В системе, за которую можно условно принять зону сварки на изделии, могут возникать новые вещества – продукты химических реакций между металлом и средой, так как при своих достаточно высоких температурах плавления, промышленные металлы проявляют очень большую химическую активность.

В любом процессе сварки металлов плавлением, независимо от принятой технологии, происходит изменение свойств металла шва в результате своеобразного процесса кристаллизации на готовой стенке полурасплавленных зёрен основного металла и изменения химического состава металла шва. Химические реакции в зоне сварки, изменяющие состав металла шва, при электродуговой или газовой сварке, протекают в условиях высоких и быстроизменяющихся температур, а при сварке в вакууме в результате встречи с частицами, имеющими высокие уровни энергий.

Для получения заданного состава металла сварного шва в процессе сварки необходимо вести металлургическую обработку сварочной ванны, образующейся из расплавленного основного и присадочного или электродного металла и существующей в жидком состоянии очень непродолжительное время, или создавать её в атмосфере инертных газов (Аr, Hе), или в вакууме.

Изучение сложных металлургических процессов при сварке требует знаний из области физической химии, хотя бы в минимально необходимом объеме, для понимания существа процессов, происходящих в зоне сварки.

Физическая химия рассматривает процессы изменения состава и свойств материальных систем в зависимости от физических условий, при которых они совершаются.

Все изменения в материальных системах происходят за счёт взаимодействия между собой отдельных элементарных частиц, обладающих вполне конкретными массами, что приводит к определённым отношениям масс веществ, участвующих в том или ином химическом или физико-химическом процессе.

Единицей массы, принятой в физико-химических расчётах, является киломоль (кмоль) – число килограммов вещества, численно равное атомному или молекулярному весу вещества, выраженному в углеродных единицах.

Ввиду того, что киломоль представляет собой слишком большую величину массы, в физико-химических расчётах чаще всего фигурирует в тысячу раз меньшая величина грамм-моль (г-моль) или просто моль.

Моль вещества содержит число Авогадро отдельных элементарных частиц, которыми могут быть атомы, молекулы, ионы, и даже электроны, и таким образом масса моля будет в число Авогадро раз больше массы элементарной частицы.

Число Авогадро, впервые определённое Ж.Перреном в 1910 г. имеет наиболее вероятное значение:

N = 6,02·10²⁶ кмоль^-1,

или N = 6,02·10²³ моль^-1.

В газообразном состоянии при одинаковых температурах и давлениях моли любых веществ занимают одинаковые объёмы (следствие закона Авогадро). Так, при нормальных физических условиях (давление 1,013 · 10⁵ н/м² или 1 физическая атмосфера, равная давлению 760 мм РТ. Ст., и температура 273,16°С или 0°С), объёмы молей:

ʋ = 22,4 м³/кмоль, или ʋ = 22,4 dм³/моль.

Общие сведения о термодинамических системах. Термодинамика представляет собой науку, изучающую переходы энергии из одной формы в другую, переходы энергии из одной системы в другую, энерговыделение при различных процессах, протекающих в системах, а также возможность самопроизвольного течения процессов в данных условиях.

Под термодинамической системой понимают комплекс физических тел, находящихся во взаимодействии между собой, мысленно обособленный от окружающей среды. Системы могут быть гомогенными и гетерогенными. Термодинамические системы могут быть или изолированными, т.е. не имеющими возможности обмениваться веществом и энергией с окружающей средой, или замкнутыми, т.е. такими системами, в которых возможен обмен энергией с окружающей средой, но не возможен обмен веществом.

Совокупность всех свойств термодинамической системы определяет её состояние.

Любая физическая величина, влияющая на состояние системы (объём, давление, температура, внутренняя энергия, энтальпия или энтропия), носит название термодинамического параметра состояния или просто параметра состояния. Изменение хотя бы только одного параметра состояния вызывает изменение всей системы, называемое термодинамическим процессом.

Последовательное изменение параметров состояния системы, в конечном итоге приводящее её вновь в исходное состояние, называется круговым процессом, или циклом.

Термодинамические процессы, в том числе и круговые, нужно разделять на обратимые и необратимые.

Обратимым процессом называется такой процесс, который будучи проведен в прямом и обратном направлении не оставляет никаких изменений в окружающей среде.

Первый закон термодинамики. Он выражает собой закон сохранения энергии для замкнутых или изолированных систем. В общем случае замкнутой системы обмен энергией с окружающей средой возможен и энергия, полученная системой Q, будет распределяться на увеличение запаса внутренней энергии ΔU (энергия состояния) и работу A, которую система может совершить:

Q = ΔU + A. 4.1.

Нельзя построить машину, производящую работу без поглощения энергии извне.

Изменения внутренней энергии системы, возникающие при изменении её состояния, могут быть точно измерены или определены термодинамическим расчётом. Работа А, а следовательно, и количество энергии Q полученное из окружающей среды, не являются однозначными функциями изменения состояния, так как зависят от порядка изменения параметров состояния или от характеристики процесса (изобарический, изотермический и т.д.).

В математическое выражение первого закона термодинамики для конечных изменений системы входят величины:

Q = ΔU + A,

Где Q – энергия, полученная из окружающей среды (+) или отданная системой в окружающую среду (-);

ΔU – приращение внутренней энергии (+) или её уменьшение (-);

А - внешняя работа, совершённая системой (+) или совершённая над системой (-).

Понятие термохимии и основы термодинамических расчётов. Термохимия представляет собой раздел химии или физической химии, изучающей выделение или поглощение энергии при химических реакциях. Имеет место основные законы термохимии. Так, к примеру, звучит первый закон термохимии – закон Лавуазье-Лапласса: тепловой эффект реакции разложения какого-либо вещества в точности равен, но обратен по знаку тепловому эффекту образования этого вещества.

Второй закон термохимии – закон Г.И. Гесса имеет следующую формулировку: тепловой эффект данной химической реакции не зависит от характера и последовательности отдельных её стадий, а зависит только от начальных и конечных веществ и их физического состояния. Эти два закона термохимии – являются частными случаями первого закона термодинамики, исключающими возможность построения вечного двигателя за счёт химических процессов.

Второй закон термодинамики. Переход тепловой энергии от одного тела к другому определяется наличием разности температур; самопроизвольный процесс перехода теплоты от источника с более высокой температурой к источнику с более низкой температурой можно использовать для получения работы.

Следовательно, процесс получения работы сопровождается переносом теплоты от более нагретого источника теплоты к менее нагретому. Полная формулировка второго закона термодинамики может быть предложена в следующем виде:

Нельзя построить периодически действующую машину, которая только производила бы работу и охлаждала резервуар теплоты; в работу можно превратить лишь часть теплоты, самопроизвольно переходящей от нагретого тела к холодному. Или:

теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к нагретому.