Приращение изобарного потенциала вещества при растворении

Согласно уравнению Гиббса для 1 моля вещества при его растворении приращение изобарного потенциала выразится

ΔG_i = ΔH_i – TΔS_i

где ΔН_i = TΔS_i – соответственно энтальпия и энтропия растворения.

Для идеальных растворов ΔН = 0 и ΔS = – R ln N_i

Если ввести обозначения ΔН_i – TΔS = RTln γ_iN_i

то ΔG_i = RT ln a_i

В теории металлургических процессов значения ΔG₁⁰_% вычисляется в расчете на 1 моль растворяемого вещества в предположении, что с растворителем они образуют раствор с концентрацией 1% по массе ( гипотетический раствор ). Принимается, что вещество не меняет агрегатное состояние при переходе в раствор

ΔG₁⁰_% = RTln γ ξ

где ξ =

А_раст – атомный вес растворителя;

А – атомный вес растворяемого вещества.

Если растворяющее вещество твердое, а растворитель жидкий, то

ΔG₁⁰_% = ΔH_пл ( 1 – ) + RTln γξ

В литературе имеются сведения о ΔG₁⁰_% для случая растворения в железе

Элемент	γ при Т=1500 0С	ΔG10% Дж/моль
С Миж Si ж Ti тв Vтв Cr	– 1 0,0174 0,05 0,12 1	37200 – 50,6 Т 38,2 Т 122000 – 1,25 Т – 29300 – 46,0 Т – 15500 – 46,3 Т 20966 – 47,35 Т

Взаимодействие с водородом

Источники водорода – атмосферная влага, влага в покрытии электродов или флюсов, влага ржавчины на свариваемых кромках. Образующиеся водяные пары диссоциируют и повышают Н.

В зависимости от температуры водород может быть молекулярным, атомарным и ионизированным.

При высоких температурах идет диссоциация

Н₂ ↔ 2Н – 434,6 кДж/моль и далее ионизация

Н₂ ↔ Н + Н⁺ + – 1748 кДж/моль

х – степень диссоциации.

При температуре столба дуги водород практически полностью диссоциирован.

Практически полное разложение водяного пара с образованием свободного водорода или гидрооксида происходит при взаимодействии с железом и расплавленным шлаком.

Ме + Н₂О = МеО + Н₂

2FeO + H₂O = Fe₂O₃ + H₂

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂О

Если водород в атомарном состоянии, то концентрация в металле подчинена линейному закону Н = К_Рн где К – константа равновесия, зависит от температуры определяется по уравнению

Lg k = – 1745/T – 1,72

Для молекулярного водорода

[ H ] = K

Для смеси атомарного молекулярного водорода

[ H ] = K

где Рн₂н – общее парциальное давление Н₂ и Н;

х – степень диссоциации

Водород растворенный в металле, приводит к различным неблагоприятным воздействиям. Выделение избыточного водорода при кристаллизации вследствие резкого падения растворимости приводит к порообразованию. Наличие в ЗТВ или в наплавленном металле растворенного водорода ведет к хрупкости и замедленному разрушению. Он может диффундировать в ЗТВ вследствие малых размеров атомов Н.

Взаимодействие наплавленного металла с азотом

Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Растворимость атомарного азота при постоянной температуре определяется соотношением

[ %N ] = K_PN.

При наличии азота в газовой фазе в виде его растворимость определяется

[ %N ] = K .

Азот образует с железом химические соединения – нитриды

Fe₂N( 11 %N ) и Fe₄N( 5,9 %N) Возможно образование Fe₈N

Реакция образования нитридов идет с выделениям тепла

2Fe + 0,5N₂ = Fe₂N + 16,5 кДж/моль

4Fe + 0,5N₂ = Fe₄N + 18673,1 кДж/моль

Fe₂N начинает разлагаться в атмосфере чистого азота при температуре  550⁰С. Дальнейшее повышение температуры ведет к диссоциации Fe₄N. При малых концентрациях нитрид железа устойчив даже при высоких температурах.

Растворимость азота в зависимости от температуры приведена на графике:

α– Fe

γ– Fe

δ– Fe

[ H ]_Fe

T

T_пл

Однако если сравнить этот график с диаграммой состояния Fe – N, то на диаграмме концентрация азота гораздо выше. Это объясняется тем, что на диаграмме Fe – N учитывается присутствие нитридов железа. При кристаллизации растворимость азота резко падает и избыток азота выделяется в молекулярном виде, что приводит к интенсивному порообразованию при сварке. Поэтому одной из основных задач технологии сварки является защита сварочной ванны от атмосферного азота.

Концентрация азота значительно влияет на механические свойства

δ

0,1

0,2

[ N ], %

_b

_S

Увеличение количества Fe₂N увеличивает прочность и снижает пластические свойства. Введения сильных нитридов образующих элементов ( Ti, Al ) способствует связыванию азота и выпадению мелкодисперсных нитридов, что улучшает механические свойства.