ТЕОРИЯ сварочных процессов

Термодинамика растворов

Растворами называются многокомпонентные смеси перемен­ного состава, в которых частицы веществ равномерно распределе­ны по объему и их концентрация может плавно изменяться в дос­таточно широких пределах. Этим растворы отличаются от химиче­ских соединений, в которых соотношение входящих в их состав атомов строго определено.

Различают газовые растворы, или смеси, и конденсированные растворы (твердые или жидкие). Вещество, концентрация которо­го в растворе составляет более 50 %, называют растворителем, а остальные вещества в растворе - растворенными. Считается, что вещество имеет ограниченную растворимость, если в термодина­мическом равновесии с раствором находится также и свободное растворяемое вещество. Его максимальная концентрация в раство­ре называется растворимостью. Такой раствор называется насы­щенным. Насыщение может наступать также при выпадении из раствора веществ или химических соединений, например при ох­лаждении. Растворимость зависит от температуры и давления, а также от состава раствора. Для конденсированных растворов дав­лением пренебрегают, если растворитель и растворимое - конден­сированные вещества.

Растворение представляет собой сложный физико-химический процесс, включающий в себя два явления: физическое - рассеива­ние частиц по объему растворителя; химическое - разрушение старых связей, возникновение новых связей между частицами раз­нородных веществ и появление нового однородного вещества с новыми свойствами.

Рассеивание атомов и молекул есть результат тенденции к воз­растанию энтропии, т. е. к установлению беспорядка. Если при рассеивании возникают новые типы связей между атомами, растворение имеет ограниченный характер и сопровождается теп­ловым эффектом, а также получением объема, не равного сумме объемов исходных веществ.

Идеальным называют раствор, в котором возникают те же свя­зи, что и в исходных веществах. Газовые смеси в условиях сварки являются практически идеальными растворами лишь при низких давлениях и температурах, далеких от критических. В других слу­чаях вводят поправки - коэффициент активности уг и летучесть fi компонента газовой смеси. Поправочный коэффициент актив­ности, учитывающий действие химического фактора при образо­вании газовой смеси, зависит как от активности компонента, так и от его молярной концентрации. Он связан с летучестью соотноше-

ниєм у і =—, где ft =——; pi - действительное давление газа;

Pi Рид

RT

Рт = давление идеального газа в тех же условиях. В иде­

альной газовой смеси у, = 1, a Pj - рт.

Металлические растворы в твердом состоянии - кристалличе­ские тела с ближним и дальним порядком, т. е. их кристаллическая решетка и ее параметры непрерывны в микро - и макрообъемах ме­талла. В узлах кристаллической решетки металлов находятся ио­ны; валентные электроны полностью или частично обобществлены и перемещены в междоузельное пространство. Твердые растворы обычно имеют решетку растворителя. Они образуются по типу внедрения (в железе - Н2, С, N2, Р, S, В) или замещения, если близки радиусы атомов, геометрия, параметры кристаллической решетки и химические свойства смешиваемых веществ. Все ме­таллы образуют твердые растворы замещения.

При расплавлении металлических растворов нарушается даль­ний порядок, но сохраняется ближний порядок, т. е. правильное расположение частиц в микрообъемах. Жидкие и твердые раство­ры сильно отличаются от идеальных растворов; с повышением температуры это отличие ослабевает.

Уравнение для реальных растворов приводят к форме уравне­ния для идеальных растворов также с помощью поправочного ко­эффициента активности у, = я,-/ , где N( - молярная концентра-

іїйя, я/ - активность компоненты, или активная концентрация (имеет такую же размерность, как и У,). В идеальном растворе у,=1, а

На рис. 8.4 в качестве примера приведены зависимости активно­сти а (для разных коэффициентов активности у) кремния и меди, растворенных в железе, от их концентрации, а также активность магния, растворенного в алюминии, в зависимости от температуры.

Из рис. 8.4 следует, что в интервале малой концентрации ак­тивность растворенных веществ равна их молярной концентрации. При существенном увеличении концентрации отклонения от иде­альности весьма существенны, например: для меди, растворенной в железе, коэффициент активности у возрастает до 7, а для крем­ния снижается до 0,1. Из рис. 8.4, б также следует, что активность веществ в растворе снижается по мере увеличения температуры.

Однако сварка возможна только до плотности мощности 3 4 2

10 ...10 Вт/мм, так как большие плотности мощности приводят к выплескам и интенсивному испарению материала, полезному лишь при резке и размерной обработке изделий. Плотность мощ­ности луча и энергетические коэффициенты наплавки, расплавле­ния и другие (см. гл. 3) пригодны для оценки только отдельных видов источников энергии или методов сварки. Для оценки эффек­тивности разных классов сварочных процессов и разных методов сварки и пайки целесообразно использовать удельные энергии єсв и єи, необходимые при сварке данного соединения.