Теория сварочных процессов (стр. 3 )

При высокой температуре сварки происходит диссоциация многоатомных газов с поглощением тепла. Для 2-х атомных газов:

ккал/моль

ккал/моль

ккал/моль

Константа равновесия процесса диссоциации например, водорода, при постоянном давлении Кр=или из уравнения Нернста можно определить

Для 3-х атомных газов: ккал/моль

Насыщение расплавленного металла газами происходит как в каплях, так и в сварочной ванне. В ванне эти процессы протекают менее интенсивно, т. к. температура ванны ниже температуры капель и отношение поверхности реакции к объему для ванны значительно меньше, чем для капли.

Для большинства металлов количество растворяющегося газа зависит от температуры:

,

где и К – константы, Е – теплота растворения, Т – абсолютная температура.

Растворимость газа повышается с увеличением температуры, а при температуре кипения падает до нуля.

Кислород взаимодействует со многими металлами, а с железом образует 3 окисла FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Максимальная растворимость в железе определяется по уравнению Углерод и кремний снижают растворимость кислорода в железе, а также связывают его:

а также восстанавливают железо из окислов:

Кислород ухудшает все свойства стали, в том числе прочность и пластичность, стойкость против коррозии.

8.2 Рекомендуемая литература

1) [3] стр.227-230.

2) [3] стр.231-232.

3) [3] стр.232-234.

8.3 Контрольные задания для СРС (тема 8) [3]

1) Диссоциация газов.

2) Насыщение расплавленного металла газами.

3) Взаимодействие металла с кислородом.

9 Взаимодействие металлов с водородом и азотом при сварке плавлением. Пористость и причины ее образования

9.1 План лекции

1) Взаимодействие металла с азотом.

2) Взаимодействие металла с водородом.

3) Образование пористости в металле при сварке.

Атомарный азот растворяется в металлах с образованием химических соединений – нитридов например:

ккал/моль

ккал/моль

Эти нитриды образуются в области температур 700-5500С. При быстром охлаждении они могут оставаться в твердом растворе. При нагревании растворимость азота увеличивается скачкообразно. С увеличением содержания азота увеличиваются пределы прочности и текучести металла, но пластичность и ударная вязкость, увеличивается способность к закалке.

Водород может защищать металл от насыщения кислородами и азотом, от окисления и образования нитридов, но он растворяется в металле и может быть причиной пористости и трещин. Водород только растворяется в железе, никеле, алюминии, меди и т. п., а титаном, ванадием, цирконием образует гидриды. Максимальная растворимость водорода в железе при температуре 24000С в металле происходят реакции:

При взаимодействии углерода стали с оксидами образуется окись углерода и наблюдается «кипение» металла с выделением пузырей. Если в металле нет раскислителей (Si, Mn), то кипение может привести к образованию пор в шве и снижению содержания углерода газов не успевают выйти из сварочной ванны в момент ее кристаллизации и образуют пористость в шве.

9.2 Рекомендуемая литература

1) [3] стр.234- 236.

2) [3 стр.236-238.

3) [3] стр.238.

9.3 Контрольные задания для СРС (тема 9) [3]

1) Взаимодействие металла с азотам.

2) Взаимодействие металла с водородом.

3) Образование пористости при сварке.

10  Физико-химические процессы в системе «Металл-шлак». Сварочные шлаки, составы и свойства

10.1 План лекции

1) Раскисление металла при сварке.

2) Легирование металла.

3) Рафинирование металла.

4) Назначение и свойства шлаков при сварке.

Важной функцией сварочных флюсов или покрытий электродов – это металлургическая обработка металла шва: раскисление, легирование, рафинирование.

В общем виде раскисление железа:

где R - раскислитель.

Оксиды раскислителей (Ti, Si, Mn, Al) нерастворимы в металле и всплывают в шлак.

Раскисление углеродом происходит по схеме

Но раскисление углеродом приводит к снижению содержания его в стали.

Раскисление водородом:

Наибольшей раскисляющей способностью обладает Al, затем Ti, Si, C, Mn и Cr. Диффузионное раскисление основано на частичном переходе закиси железа из жидкого металла в шлак.

Раскисление металла кислыми шлаками

Легирование наплавленного металла ведется как через металлическую, так и через шлаковую фазу. Первый путь осуществляется через электродную проволоку и через легированный основной металл, а второй путь – через электродное покрытие и флюс. Для оценки степени перехода элемента в металл шва служит коэффициент перехода или усвоения элемента, т. е. отношение прироста данного элемента в металле шва к количеству этого элемента, введенного в зону сварки.

Рафинирование, т. е. очищение от вредных примесей (сера, фосфор) жидкого металла более благоприятно происходит при электродуговой и электрошлаковой сварке, чем в сталеплавильном производстве. Связывание серы и выведение в шлак происходит по реакциям:

Фосфор удаляется в шлак по реакциям:

или

Шлаки представляют собой сплав различных окислов и солей, который имеет меньший по сравнению с жидким металлом удельный вес. Существуют молекулярная и ионная теории строения жидких шлаков. Сварочные шлаки:

- защищают металл от газов воздуха;

- раскисляют, легируют, рафинируют;

- снижают скорость охлаждения металла;

- формируют металл шва.

Химические свойства шлаков характеризуются кислотностью или основностью. Физические свойства оценивают:

- тепловыми константами;

- вязкостью в жидком состоянии;

- газопроницаемостью;

- плотностью;

- отделяемостью шлака в твердом состоянии.

В зависимости от состава шлаки делят на 3 группы:

- шлаки оксидного типа (оксиды металлов);

- шлаки солевого типа (фтористые и хлористые соли щелочных металлов);

- шлаки оксидно-солевого типа.

10.2 Рекомендуемая литература

1) [3] стр.250-258.

2) [3] стр.259-261.

3) [3] стр.261-266.

4) [3] стр.238-244.

10. 3 Контрольные задания для СРС (тема 10) [3]

1) Раскисление металла при сварке.

2) Легирование металла.

3) Рафинирование металла.

4) Назначение и свойства металла при сварке.

11 Термодеформационные процессы при сварке. Сварочные напряжения и деформации

11.1 План лекций

1) Температурные деформации при сварке.

2) Деформационная способность металла при подсолидусных температурах.

В интервале температур Тл – Тс металл сварочной ванны кристаллизуется и его объем уменьшается скачкообразно. При охлаждении в твердом состоянии переход γ-Fe в α-Fe сопровождается заметным увеличением объема. Возникающие растягивающие напряжения могут стать причиной трещин. Величина деформации прямо пропорциональна температуре

На графике относительные деформации при нагреве и охлаждении отображаются дилатометрическими кривыми.

Деформация металла при нагреве протекает 2-мя путями:

- кристаллы деформируются в результате перемещения атомных блоков или групп;

- перемещение атомных диффузионным путем.

Разрешение металла под действием деформаций происходит по зернам (пластическая деформация) или по границам зерен (хрупкое разрушение). Для каждого металла достигается такая критическая температура при которой вязкое разрушение уступает место хрупкому, и прочность металла резко падает. Каждый металл имеет интервал температур, в котором его прочность и пластичность очень малы, это так называемый температурный интервал хрупкости. Он занимает нижнюю часть интервала Тл – Тс или чуть ниже Тс. Деформационную способность определяют следующие факторы:

- состояние объемов твердой и жидкой фаз;

- размерами и формой кристаллитов;

- скоростью деформации.

С увеличением Т и Х растет склонность к горячим трещинам. Наибольшее влияние на увеличение оказывают легко плавные эвтектики по границам зерен.

11.2 Рекомендуемая литература

1) [3] стр.297-304.

2) [3] стр.304-306.

11.3 Контрольные задания для СРС (тема 11) [4]

1) Температурные деформации при сварке.

2) Деформационная способность металла при подсолидусных температурах.