ТЕОРИЯ сварочных процессов

Скорость гетерогенных процессов

В гетерогенных системах необходимо учитывать как процессы, протекающие в пределах каждой фазы, так и взаимодействие меж­ду фазами. Система может состоять из нескольких фаз, различных по физическому состоянию и химическому составу. Превращения в системе могут быть очень сложными, но во всех случаях они подчиняются общему закону, согласно которому каждый компо­нент стремится распределиться в системе так, чтобы его химиче­ский потенциал в каждой фазе был одинаковым. Наибольшую роль в этом отношении играют явления диффузии и химические взаимодействия.

В практике сварочного производства часто приходится иметь дело с системами, состоящими из четырех фаз, а именно газовой, слоя флюса, расплавленного металла шва и твердого металла. Про­цесс взаимодействия компонентов газовой фазы с элементами ме­таллической фазы в гетерогенной системе состоит из нескольких звеньев. Одним из них является диффузия активного компонента из объема газовой фазы к поверхности флюса, в результате кото­рой у поверхности флюса в слое толщиной 5 поддерживается по­стоянная концентрация активного компонента. В отсутствие пере­мешивания диффузия в объеме газовой фазы протекает по закону Фика со скоростью

vd=DSAC/8,

2

где D - коэффициент диффузии, см /с; S - площадь поперечного

2

сечения диффузионного потока, см ; АС - разность концентраций на расстоянии 5; 8 - толщина диффузионного слоя.

В турбулентном потоке происходит интенсивное перемешива­ние газа и выравнивание его состава во всем объеме. Только у по­верхности раздела фаз остается слой толщиной 5, не подвержен­ный перемешиванию, через который диффузия протекает по зако­ну Фика. Толщина этого слоя пропорциональна вязкости газа и обратно пропорциональна скорости его движения.

Из внешней среды компонент газовой фазы диффундирует сквозь слой флюса толщиной 8 со скоростью

VD = DS —(8.100)

О

к границе раздела флюс - металл и вступает в реакцию с элемен­тами металлического сплава со скоростью

vp=kSC. (8.101)

где к - коэффициент пропорциональности.

При постоянных Со и 8 концентрация С на границе раздела флюс - металл определяет как скорость диффузии (8.100), так и скорость химической реакции (8.101). В установившемся процессе концентрация С определяется из условия: 1^=1^, или

С — С С

kC = D— , откуда С-—. В таком случае скорость про-

5 1 + *5

D

цесса выражается уравнением

или

v = —-------------- -——------------------------------- (8.102)

1--------------------

max max

где vpmax = kC0 - скорость химического взаимодействия при най-

большей концентрации реагирующего вещества Со; ^ошах = = DCq / 8 - скорость диффузии при наибольшем градиенте кон­центрации (Со - 0)/8.

Из уравнения (8.102) следует, что скорость гетерогенного про­цесса определяется совокупным влиянием скорости диффузии и скорости химического взаимодействия. Во всех случаях наиболь­шее влияние на скорость процесса оказывает медленное звено.

Когда D!6 » к, величина 8/(DCo) —> 0 и скорость процесса лими­тируется скоростью химического взаимодействия. При условии к »£>/8 скорость процесса лимитируется диффузией. В последнем случае перемешивание уменьшает диффузионное сопротивление и ускоряет процесс.