Физико-химические и металлургические процессы при обработке материалов КПЭ”. Исходные данные для задания. Решение Сталь 20Х2Н4 Si 0,27 содержание кремния Mn 0,45 содержание марганца

Название	Решение Сталь 20Х2Н4 Si 0,27 содержание кремния Mn 0,45 содержание марганца
Анкор	Физико-химические и металлургические процессы при обработке материалов КПЭ
Дата	28.10.2021
Размер	35.72 Kb.
Формат файла
Имя файла	Исходные данные для задания.docx
Тип	Решение #258442

Исходные данные для задания:

№ п/п	Материалы	Длина пластин 2L, мм	Ширина пластин 2В, мм	Толщина пластин, мм	Тем-ра ЗТВ Т,	Режимы ЭЛС
		Длина пластин 2L, мм	Ширина пластин 2В, мм	Толщина пластин, мм	Тем-ра ЗТВ Т,		I, мА	U, кВ	V, м/ч
8	20Х2Н4	500	300	20	600	0,9	160	60	28

Решение:

Сталь 20Х2Н4

Si = 0,27 % - содержание кремния
Mn = 0,45 % - содержание марганца
Cr = 1,45 % - содержание хрома
Cu = 0,3% - содержание меди
Ni = 3,45 % - содержание никеля
Fe = 94 % - содержание железа

Расчет температуры кипения сплава T_кип при давлении среды P_с= 0,01 Па, P_с= 1 Па и P_с = 10⁵ Па;

Данную температуру можно получить из уравнения Клайперона – Клазиуса:

где

– упругость насыщенного пара, Па;

– энергия испарения, Дж/моль;

19,15T=2,3RT=2,3

8,31

T, Дж/моль

К; Д – коэффициент

Т – температура, К.
Для существования пузырька нужно, чтобы упругость насыщенного пара в нём была не менее суммы давлений:

где P_i^нас – упругость насыщенного пара;

– давление газа;

– давление шлака;

– металлостатическое давление;

– поверхностное натяжение;

– радиус поры.
Процесс кипения возможен, если выполняется данное неравенство. Давление насыщенного пара определяется температурой.

Ввиду того, что у нас электронно-лучевая сварка, то

;

=0 (сварка электронным лучом не требует наличия флюса или другого шлака в качестве защитной среды);

=0, так как наши свариваемые детали имеет толщину =2 мм; а

можно пренебречь из-за слишком маленьких размеров данных параметров.

Итого имеем

Расчет при P_с= 0,01 Па

Значит, можем рассчитать температуру кипения

, Д = 10,847 для Fe;

= 1431 K
T_кип = 1431 К
2) Расчет при P_с= 1 Па

= 1695 K
T_кип = 1695 К
3) Расчет при P_с= 10⁵ Па

= 3144 K
T_кип = 3144 К

Расчет энтальпии Н_i сплава во всем интервале температур существования сплава в жидком состоянии.

Расчет приведен для железа, хрома и никеля, поскольку остальные элементы практически не вносят вклад в теплоемкость ввиду их низкого содержания в сплаве.

f – индекс, указывающий на образование вещества.

Для чистых элементов при температуре 298 К

Теплоемкость при постоянном давлении обычно представляют в виде степенного ряда

Используем табличные данные для теплоемкости и приращения энтальпии при фазовых превращениях из справочников

Рассчитать при заданной температуре энтальпию образования 35ХГ2

Расчет состав сплава в мольных долях

Где, ni – количество моль данного компонента, Ai – атомный вес, где gi – массовая доля i-го компонента.
Распишем атомные весы и массовые доли для каждых составляющих элементов стали:

Si:

= 0.27, A=28.085;

Mn:

= 0.45, A= 54.938;

Cr:

= 1.45, A=51.996;

Cu:

= 0.3, A=63.546;

Ni:

= 3.45, A=58.693;

Fe:

= 94, A=55.845;

Значения атомных весов каждого из элементов взяты из таблицы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Проведём расчёт упругости насыщенного пара каждого компонента по уравнению Клайперона-Клазиуса при температуре плавления T_пл , 1.3 T_пл, T_кип
Оно применительно к равновесию системы «конденсат – пар» для области небольших давлений, далеких от критических. При некоторых допущениях и с учетом аппроксимации опытных данных получено уравнение для определения равновесного давления пара над чистым элементом при различной температуре.

Расчеты при T_пл

Si:

, Д = 12.681, Т=1811 К:

Mn:

, Д = 9.98, Т=1811 К

;

Cr:

, Д = 11.309, Т=1811 К:

Сu:

, Д = 10.587, Т=1811 К:

Ni:

, Д = 11.174, Т=1811 К:

Fe:

, Д = 10.847, Т=1811 К:

Расчеты при 1.3 T_пл

Si:

, Д = 12.681, Т=2354 К:

Mn:

, Д = 9.98, Т=2354 К:

;

Cr:

, Д = 11.309, Т=2354 К:

Сu:

, Д = 10.587, Т=2354 К:

Ni:

, Д = 11.174, Т=2354 К:

Fe:

, Д = 10.847, Т=2354 К:

Расчеты при Т_кип

Si:

, Д = 12.681, Т=3135 К:

Mn:

, Д = 9.98, Т=3135 К:

;

Cr:

, Д = 11.309, Т=3135К:

Сu:

, Д = 10.587, Т=3135 К:

Ni:

, Д = 11.174, Т=3135 К:

Fe:

, Д = 10.847, Т=3135 К:

Расчёт давления пара каждого компонента над раствором по уравнению Рауля:
Расчет давления паров над жидкостью можно произвести по закону Рауля: давление пара любого компонента идеального раствора (растворителя сильноразбавленного раствора) в условиях равновесия равно произведению давления насыщенного пара этого компонента на его мольную долю в концентрате:

где

– давление пара компонента i над раствором (парциальное давление);

– упругость насыщенного пара чистого компонента;

– мольная доля компонента i.

Давление, которое оказывает компонент газовой смеси, называется парциальным, P_i
Si:

= 0.0003 Па;

Mn:

0.0045 = 19.4625 Па;

Cr:

Cu:

Ni:

Fe:

Расчет мольной доли в паре каждого компонента

Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов:

– закон Дальтона

= 1.474*10^-5 ;

= 0.956;

= 0.023;

= 0.011

4.176*10^-3;

= 5.601*10^-3

Расчет летучести компонентов сплава f:

= 2.748*10^-3

= 209.19

= 1.438

= 4.176

= 0.127

= 5.965*10^-3

Расчет плотности энергии q₀:

,
где q₀ – плотность энергии, Дж/см²;

q – эффективная тепловая мощность, Вт;

υ – скорость сварки, см/с;

δ – толщина пластины, см;

I – ток сварки, А;

U – ускоряющее напряжение, В;

η – эффективный КПД при ЭЛС.
V = 36

= 0,778

;

= 5553

;

Расчет размеров зоны термического влияния b₁при заданных параметрах источника теплоты:

b₁ – часть ширины, зависящая от теплофизических свойств материала, плотности энергии источника теплоты, скорости источника теплоты, толщины пластины.