Влияние фазовых превращений на прочность металлов.
В процессе нагрева системы 
достигаются температуры, при которых происходят аллотропические превращения твердых фаз (превращение решетки одного типа в другой), а при дальнейшем нагреве – агрегатные превращения (плавление, кипение, сублимация). Эти превращения сопровождаются дополнительными значениями 
, что влияет на общий ход изменения величины 
с температурой.
На диаграмме зависимости 
для реакции образования оксида в точке, отвечающей температуре плавления оксида в точке, отвечающей температуре плавления оксида или металла, изменяется наклон прямой, характеризующей изменение с температурой (см. рис.2).
Чем выше величина 
фазовых превращений, тем сильнее меняется наклон линий температурной зависимости для реакции образования оксида. Поскольку процесс испарения металла или оксида сопровождается гораздо большей величиной превращения, наиболее значительное изменение величин для реакций образования оксида вызывают главным образом переход металла или оксида в газообразное состояние, т.е. процессы испарения или сублимации.
В общем случае, если известно уравнение температурной зависимости для двух участков, расположенных по обе стороны от температуры фазового превращения 
, можно легко определить значение 
. Если превращение претерпевает оксид (рис. 5), то в точке фазового превращения (а) изменяется наклон прямой, характеризующей изменение с температурой.
|
|
|
Рисунок 5. Определение средних значений 
реакции образования оксида металла и теплоты фазового превращения с помощью диаграммы зависимости 
от температуры.
Продолжая эту прямую до пересечения с ординатой 
в точке 
, получаем новое среднее значение 
для реакции с участием 
в новом фазовом состоянии. Среднее значение 
для реакции образования до фазного превращения соответствует точке 
на ординате , которая отвечает пересечению линий для реакции до фазового превращения .
Разность между этими ординатами соответствует удвоенному значению молярной теплоты фазового превращения :
Если уравнения для температурной зависимости реакции образования оксида для двух участков, расположенных по обе стороны температуры фазового превращения, имеют вид:
.
то теплота фазового превращения оксида будет равна:
Изменение энтропии при фазовом превращении соответственно будет равно:
Если фазовое превращение претерпевает металл, то аналогичный расчет теплоты и изменения энтропии при фазовом превращении производят по формулам:
Однако для многих оксидов уравнения температурной зависимости реакций их образования даются только до температуры фазового превращения. В этом случае влияние фазового превращения на прочность оксида можно в первом приближении рассчитать, используя данные о величинах фазовых превращениях металлов и их оксидов, приведенные в Приложении 4.
|
|
|
Для этого в уравнение температурной зависимости для интервала температур до фазового превращения необходимо ввести поправки к коэффициентам 
общего уравнения 
, учитывающее значения 
.
Для жидких металлов, нагретых ниже температуры кипения, значения давлений насыщенных паров для интервала температур от 
обобщаются эмпирической формулой:
Значения коэффициентов 
в этой формуле приведены в Приложении 5.
Упрощенная формула для расчета давления насыщенных паров над жидкими металлами имеет вид 
Значения коэффициентов 
приведены в Приложении 6.
Пример 4.1. Температура плавления кальция равна 
, а температура кипения 
. Для интервала температур 
уравнение температурной зависимости для реакции образования 
из жидкого кальция имеет вид:
Определить вид температурной зависимости для реакции образования из газообразного кальция при общем давлении в системе 
.
Решение. Для нахождения термодинамических характеристик реакции образования с участием парообразного 
производим алгебраическое суммирование реакций
|
|
|
Изменение энергии Гиббса испарения связано с величиной 
соотношением:
Поскольку уравнение для образования из жидкого должно быть записано в расчете на один моль 
, т.е. для реакции 
приведенная в условии примера формула для должна быть умножена на два:
.
Согласно Приложению 5 
. Подставляя эти значения в уравнения
(∆ 
, получим уравнение для расчета значений образования для температур выше 1765 К:
.
Результаты расчета приведены на графике рис. 6
В точке отвечающей температуре кипения линия претерпевает резкий излом, и при более высокой температуре идет круче, чем при температурах ниже точки кипения.
Рисунок 6. Температурная зависимость для реакции образования 
с участием жидкого и парообразного кальция.
Пример 4.2. Температура плавления вюстита составляет 1650 К. Изменение энергии Гиббса для реакции окисления железа в случае образования твердого и жидкого вюстита определяется следующими уравнениями:
.
По приведенным данным рассчитать 
вюстита.
Решение. Поскольку уравнения для реакций образования твердого и жидкого вюстита даны в расчете на один моль 
, в уравнениях 
и 
разность коэффициентов не нужно делить на два. Значения 
находятся просто как разность соответствующих коэффициентов в приведенных формулах для зависимости от температуры:
|
|
|
;
.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 424; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!