Экспериментальное исследование сварочных процессов (стр. 3 из 5)
- легирование путем изменения состава электродных проволок, дающие самые стабильные результаты.
- легирование в результате расплавления основного металла, что имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.
2.3 Термодинамическое исследование одного из вероятных металлургических процессов
Исследуемая реакция:
Na+F=NaF
Вероятность протекания реакции при данной температуре определим по формуле:
ΔGтº = ΔHº298 - ΔSº298.T - ΔCºp298.f(T).T
где ΔGтº- свободная энергия Гибса, кДж/моль
ΔHº298 – энтальпия, кДж/моль
ΔSº298 – энтропия, ДЖ/моль.К
ΔCºp298 – теплоемкость, ДЖ/моль.К
F(T) – функция Улиха
Т – абсолютная температура, К
Формула для вычисления энтальпии:
ΔHº298 = ΣΔHºпр - ΣΔHºисх = ΔHºNaF – (ΔHºNa+ ΔHºF )
Формула для вычисления энтропии:
ΔSº298 = ΣΔSºпр + ΣΔSºисх = ΔSºNaF– (ΔSºNa+ ΔSºF)
Формула для вычисления теплоемкости:
ΔСрº298 = ΣΔСрºпр + ΣΔСрºисх = ΔСрºNaF– (ΔСрºNa+ ΔСрºF)
Исходные данные приведены в виде таблицы:
Таблица 2.3.1 – исходные данные:
| Вещество | ΔHº298,кДЖ/моль | ΔSº298,ДЖ/моль.К | ΔСрº298,ДЖ/моль.К |
| NaF | -573.6 | 51.3 | 46.82 |
| Na | 0 | 51.45 | 28.16 |
| F | 4.75 | 53.9432 | 7.8046 |
Функцию Улиха вычисляем по формуле:
F(T) = ln(T/298) + 298/T – 1
Найдем численные значения функции Улиха для определенных температур:
f(298) =0
f(1000) = 0.508662
f(2000) = 1.052809
f(3000) = 1.408607
f(4000) = 1.671456
f(6000) = 2.052088
Найдем численные значения ΔHº298 , ΔSº298, ΔСрº298, ΔGº298
ΔHº298 = (-573.6 - (0+ 4,75)) = -578,35 кДЖ/моль
ΔSº298 = (51,3-(51,45 + 53,9432 )) = -54,09 ДЖ/моль.К
ΔСрº298 = (46.82 –(7.8046 + 28,16)) = 10,86 ДЖ/моль.К
Расчитаем свободную энергию Гиббса ΔG°т и энтальпию ΔНт для температур 298 –6000 К.
ΔGтº = ΔHº298 - ΔSº298.T - ΔCºp298.f(T).T=-578350-(-54,09.1000)-10,86.0,508662.1000=-529,78 кДж/моль
ΔНт = ΔН298 - ΔСр298 (Т – 298), кДЖ/моль.
Результаты представим в таблице:
Таблица 2.3.2 – Результаты вычислений
| Т,К | 298 | 1000 | 2000 | 3000 | 4000 | 6000 |
| ΔG°т,кДж/моль | -578,35 | -529,78 | -493,04 | -461,972 | -434,598 | -387,524 |
| ΔНт, кДЖ/моль | -642,8 | -785 | -933 | -1078 | -1186 | -1411 |
Итак, исходя из расчета, получили, что величина ΔН отрицательна, следовательно, реакция идет с выделением теплоты. При стандартной температуре величина ΔG отрицательна, а значит, реакция идет в прямом направлении.
3. Расчёт тепловых процессов
3.1 Выбор расчётной схемы
Формы тел, нагреваемых при сварке, весьма разнообразны. Распространение тепловой энергии существенно зависит от формы и размеров шва. Однако точный учёт конфигурации тела может существенно усложнить расчёты. Поэтому целесообразно упрощать формы рассматриваемых тел, сводя их к простейшим.
В качестве расчётной схемы принимаем бесконечную пластину – тело, ограниченное двумя плоскостями: z=0 и z=δ. При использовании такой схемы предполагается, что температура по толщине листа распределена равномерно, а тепловая энергия может распространяться только в горизонтальной плоскости.
3.2 Расчёт скорости охлаждения
Мгновенная скорость охлаждения является первой производной температуры по времени:
Так как в большинстве случаев оказывается достаточным приближённое определение скорости охлаждения, то используют теорию мощных быстродвижущихся источников тепловой энергии без учёта теплоотдачи. Скорости охлаждения обычно определяют для оси шва ввиду незначительного её отличия от скорости охлаждения околошовной зоны. Скорость охлаждения рассчитываем по формуле:
.Полученное значение Δω входит в оптимальный диапазон скоростей охлаждения (0,1…10,0).
3.3 Расчёт распределения температур вдоль оси шва
Уравнение предельного состояния процесса распределения тепла для источника ПТИ имеет вид:
,где qU – погонная энергия, передаваемая источником телу. Определяется по формуле:
.Для расчёта распределения температур вдоль оси шва, рассчитываем Х в диапазоне от -20 см до 40 см. Распределение строим на оси шва (у=0), на расстоянии 1см от оси шва (у=1), 1,5см и 2см. График распределения представлен ниже.
3.4 Расчёт изотерм на поверхности свариваемого материала
Построение изотерм производим аналитическим методом. Для этого выведем уравнение изотермы, опираясь на уравнение предельного состояния процесса.
Пусть требуется построить изотерму для некоторой температуры Т. Подставив эту температуру в уравнение предельного состояния, получим:
Затем, учитывая
и произведя несложные преобразования, получим:  |
откуда вытекает
.Преобразуя относительно у, получим в итоге:
.Рассчитываем изотермы в пределах от х=-0,8 см до х=46,45 см. приведены Графики изотерм представлены ниже.
Данные изотермы построены для температур Тнир, ТАС1, ТАС3, ТМн (перечислены в порядке возрастания эксцентриситета вдоль оси ОХ).
3.5 Расчёт распределения температур в поперечном сечении шва
Проводим расчёт распределения температур в поперечном сечении шва, т. е. вдоль оси Y, на поверхности металла при х={1; 2; 3; 4} см. Расчёт ведем по формуле, выведенной в разделе 4.3. Графики представлены ниже.
Термический цикл точек сварного соединения.
Термический цикл строим для
. По формуле для ширины зоны с температурой выше заданной, 
см. Для построения графика используем формулу 
.График представлен ниже.
3.6 Определение протяжённости отдельных участков в ЗТВ
Величина ЗТВ зависит от способа сварки, её режима, химического состава свариваемого и присадочного металла, физических свойств свариваемых металлов, и т. д. Увеличение сварочного тока, снижение скорости сварки увеличивают ширину ЗТВ.
Протяжённость отдельных участков ЗТВ для стали 30ХМА определим из строения ЗТВ для данного сварного соединения. Температурные интервалы участков:
1. участок неполного расплавления:
,2. участок перегрева:
,3. участок нормализации:
,4. участок неполной перекристаллизации:
,5. участок рекристаллизации:
6. участок синеломкости:
.3.7 Распределение максимальных температур в поперечном сечении шва
Для определения протяжённости отдельных участков ЗТВ необходимо построить график распределения максимальных температур в поперечном сечении шва.
Для построения этого графика используем формулу
(7.12 [1]).График распределения максимальных температур в поперечном сечении шва показан ниже.
Ширины зон с температурами, превышающими характерные температуры, приведены ниже:
| ширина участка | |||
| Тпл | 1536 | 0,57 | см |
| Тпере | 1500 | 0,58 | см |
| Тпере2 | 1100 | 0,61 | см |
| Тнорм | 905 | 0,78 | см |
| Тнпкр | 727 | 0,80 | см |
| Трекр | 450 | 0,94 | см |
| Тсине | 200 | 0,96 | см |
Откуда можно видеть, что ширины соответствующих зон составляют:
| ширина зоны | в см |
| Неполного расплавления | 0,01 |
| Перегрева | 0,03 |
| Нормализации | 0,17 |
| Неполной перекристаллизации | 0,02 |
| Рекристаллизации | 0,14 |
| Синеломкости | 0,02 |
4. Анализ процесса формирования первичной структуры сварного соединения
Кристаллизация расплавленного металла состоит из двух элементарных параллельно протекающих процессов: зарождения зародышей, или центров кристаллизации, и роста этих центров кристаллизации.