Краткие сведения о спектральном анализе

Спектральный анализ является одним из методов определения химического состава веществ. В его основе лежит изучение линейчатого спектра излучения, испускаемого или поглощаемого веществом при высоких температурах, в котором присутствуют спектральные линии, характерные для атомов, имеющихся в пробе. Разложение света на спектр осуществляется с помощью спектральных аппаратов.

Для качественного анализа веществ используются стилоскопы, в которых в окуляр наблюдается присутствие в линейчатом спектре линий элементов, содержащихся в пробе. Отсутствие этих линий является признаком того, что искомого элемента в пробе в количествах, доступных для выявления с помощью стилоскопа, нет.

 

Оборудование и материалы

1. Стилоскоп СЛП-1.

2. Сварочный автомат ТС-35 с трансформатором ТДФ-1001.

3. Заготовки из армко-железа 5´ 30 ´ 80.

4. Проволока сварочная Св-08А Ø 2,0.

5. Флюсы Ан-348А и АН-26.

Методика проведения

1. Ознакомиться с устройством сварочного автомата ТС-35 и принципом его работы.

2. Провести наплавку валиков длиной 4–5 см на пластины из армко-железа под флюсами АН-348А и АН-26. Тщательно зачистить образцы от шлака. Зачистить шкуркой небольшой участок наплавленного металла.

3. Отрезать конец электродной проволоки с закристаллизовавшейся каплей металла на конце. Зачистить каплю шкуркой.

4. Ознакомиться с устройством и порядком работы на стилоскопе. Качественным спектральным анализом показать переход легирующих элементов в металл шва и каплю электродного металла.

 

Содержание отчета

1. Цель работы

2. Схемы легирования марганцем (1) и кремнием (3).

3. Порядок выполнения работы.

4. Выводы.

Контрольные вопросы

5.1. Какие компоненты вводятся во флюс для легирования наплавленного металла кремнием и марганцем?

Лабораторная работа № 10

Изучение процесса первичной

Кристаллизации сварного шва

Цель работы

Изучение процессов, протекающих при кристаллизации сварочной ванны методом моделирования.

 

Теоретическое введение

Под воздействием термического цикла сварки происходит процесс образования структуры металла, в котором выделяются две стадии:

— первичная кристаллизация при переходе металла из жидкого состояния в твердое;

— вторичная кристаллизация в результате превращений в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация является фазовым переходом материала из жидкого состояния в твердое. Термодинамически этот переход обусловлен повышением свободной энергии F материала с понижением температуры. При температуре ниже критической (Тпл) меньшей свободной энергией обладает вещество в твердом состоянии (рис.19).

 

 

 

Рис. 19. Зависимость свободной энергии F от температуры

 

При критической температуре плавления равновероятно как жидкое, так и твердое состояние. Однако для начала кристаллизации требуется некоторое переохлаждение ΔТ. При кристаллизации протекают одновременно два процесса:

― образование центров кристаллизации или зародышей;

― рост из них кристаллитов.

Образование зародыша возможно, если разность объемной свободной энергии Δf_V больше энергии для образования поверхности зародыша Е_σ. Избыток свободной энергии выделяется в виде скрытой теплоты кристаллизации.

В чистых металлах при идеализированной кристаллизации имеет место гомогенная кристаллизация, когда зародыши образуются из флуктуаций жидкой фазы. Для гомогенной кристаллизации требуется достаточно большое переохлаждение. В реальных условиях сварки преобладает гетерогенный тип кристаллизации при малых переохлаждениях, когда готовыми центрами кристаллизации служат оплавленные зерна основного металла, а также тугоплавкие частицы в расплаве.

Кристаллизация при сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом тепла в основной металл. В результате в сварном шве образуются кристаллиты, растущие от поверхности оплавленного основного металла к центру шва (рис.20).

 

 

Рис. 20. Схема роста кристаллитов в сварочной ванне

 

Кристаллизация при сварке имеет следующие особенности:

1. Наличие центров кристаллизации в виде зерен основного металла по границе сплавления.

2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты от источника, скорость движения которого определяет скорость фронта кристаллизации.

3. Малый объем и время существования ванны, большие скорости роста кристаллитов.

4. Значительный градиент температур в ванне, большой перегрев металла в центре шва.

5. Интенсивное перемешивание расплавленного металла.

6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

 

Под влиянием конкретных условий сварки в различных областях шва могут быть получены различные типы первичной структуры – столбчатая или дендритная, а также промежуточные варианты.

Наиболее важные параметры, влияющие на первичную структуру – скорость кристаллизации v_кр и градиент температуры gradT. Градиент температуры можно повысить, увеличив тепловую мощность или понизить за счет предварительного подогрева. Скорость кристаллизации пропорциональна скорости сварки.

Градиент температуры и скорость кристаллизации обобщаются критерием . Характер структуры зависит от критерия Ф и концентрации легирующего элемента (или примеси) С (рис.21). С увеличением скорости сварки и степени легирования возрастает вероятность образования дендритной структуры.

 

 

Рис. 21. Зависимость типа кристаллитов от Ф и С.

Структуры со столбчатыми кристаллитами вызывают анизотропию свойств и в некоторых направлениях возможно ослабление механических свойств. Более предпочтительна равновесная структура.

Подавление столбчатой структуры с целью получения равновесной осуществимо следующими способами:

1. Введение элементов модификаторов (титан, РЗМ) с целью создания в объеме сварочной ванны дополнительных центров кристаллизации.

2. Введение элементов, образующих избыточные фазы в твердом растворе (карбиды, α – фаза).

3. Воздействие на ванну ультразвуковых, механических, электромагнитных колебаний.

4. Термомеханическая обработка сварных швов.