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1、第四章 材料成型过程化学冶金,概述 材料成型过程化学冶金过程：高温条件下，液态金属与各种物质之间的的相互作用过程,4.1、材料成型过程化学冶金特点,1：铸造化学冶金特点,、金属与铸型的热作用,型砂传热是一个不稳定的导热过程。如书上图4-14-3图?湿型水分分布图,、金属与铸型的机械作用?,、金属与铸型的物理化学作用?,4.1、材料成型过程化学冶金特点,2：焊接化学冶金特点,、焊接金属应在保护环境中进行 如图,、焊接金属应在保护环境分区域连续进行?,药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区；叙述熔滴过渡概念?如书上图4-44-5图,4.1、材料成型过程化学冶金特点,钢铁熔化温度?一般炼钢温度1600，
2、焊接温度达16002000，平均温度达。焊条熔滴?,、焊接化学冶金反应高温特征?,4.1、材料成型过程化学冶金特点,界面大，热不稳定，搅拌强烈（各种机械力、液态金属密度差、表面张力等作用下发生强烈搅拌）；时间短。如书上图4-7图与熔池图?,、焊接化学冶金反应完全有利与不利因素?,4.1、材料成型过程化学冶金特点,、焊接化学冶金反应填充金属与合金过渡?,Ap焊缝母材金属面积Ad焊缝填充金属面积溶合比（稀释率）,如表4-1,C0焊缝金属A元素含量Cw实际焊缝金属A元素含量Cb母材金属A元素含量Ce焊条金属A元素含量Cd熔敷金属A元素含量,4.1、材料成型过程化学冶金特点,m药单位长度药皮质量 m芯
3、单位长度焊芯质量,药皮重量系数Kb,焊条剖视图,渣熔率Kf：每熔化1g焊丝所熔化渣的数量，焊接参数对渣熔率的影响（如书上4-9图P157）。还原,I,Kf,U,Kf,反接焊渣熔率Kf 大于正接焊。,4.2、气体对金属的作用,1、焊接过程气体的来源,、气体的来源及存在形式,4.2、气体熔融金属的作用,2、铸造过程气体的来源,3、气体的成分与存在形式,4.2、气体熔融金属的作用,1、氮在金属中的溶解,、气体在液态金属中的溶解与对金属质量的影响,金属与氮作用分为两类：一类既不溶解氮又不与氮反应（Cu、Ni等）；另一类能溶解氮且与氮反应（Fe、Ti、Mn、Si、Cn等）。,氮在空气中存在形式看书上图4
4、-10，p159。,一、气体氮,4.2、气体熔融金属的作用,空气中存在N、O时，一定条件下发生如下反应：,液态金属的氮溶解度,KN2氮溶解平衡常数SN液态金属的氮溶解度pN2气相中分子氮分压,4.2、气体熔融金属的作用,在焊接条件下，当,如图,2、氮对焊接质量的影响,4.2、气体熔融金属的作用,1、氢在金属中的溶解,金属与氢作用分为两类：一类与氢反应形成稳定化合物（Ti、Zr、V、Ta、Nb等）温度升高溶解度下降，注意防止固态吸氢。另一类与氢不反应形成稳定化合物（Al、Fe、Ni、Ce、Cr、Mo 等），溶解是吸热反应，温度升高溶解度增大，注意防止高温熔氢。,二、气体氢,4.2、气体熔融金属的
5、作用,以第二类金属为例，溶解氢的影响因素。,、液态金属的氢溶解度,KH2氢溶解平衡常数 SH液态金属的氢溶解度,水蒸汽分解如书上图4-12？,4.2、气体熔融金属的作用,、纯铁氢溶解度随温度变化关系,、熔渣的作用,、焊接正反接的影响如图？,如图,、合金元素的影响,Ti、Zr、Nb使氢溶解度增高；Mn、Ni、Cr、Mo影响不大；C、Si、Al使氢溶解度下降。,4.2、气体熔融金属的作用,如图？,、焊接后存放时间的影响,扩散氢、氢原子（离子）直径小，能在金属晶格中自由扩散，此类氢称为扩散氢。剩余氢、分子氢直径大，不能自由扩散，称为剩余氢。,4.2、气体熔融金属的作用,2、氢对焊接质量的影响,4.2
6、、气体熔融金属的作用,1、氧在金属中的溶解,金属与氧作用分为两类：一类是固、液态不溶解氧，与氧强烈反应形成高熔点化合物，如（Mg、Al等），；另一类是有限溶解氧，与氧高温下反应形成氧化物，如（Fe、Ni、Ce、Ti等）。,二、气体氧,4.2、气体熔融金属的作用,、液态铁氧溶解度,Ko氢溶解平衡常数 So2液态金属的氢溶解度,、纯铁氧最大溶解度随温度变化关系,4.2、气体熔融金属的作用,、金属是否氧化判断,系统氧化物分（解）压 po2 金属氧化物分解压,焊接工艺对焊缝氢、氮、氧含量的影响如书上表4-3,4.2、气体熔融金属的作用,2、氧对焊接质量的影响,4.2、气体熔融金属的作用,1、氮的控制,
7、、气体的控制,减少焊缝氮含量措施：,用渣、气保护，隔离与空气接触；减少焊接电压；增大焊接电流；采用直流反接；利用合金去氮；限制型砂氮含量。,4.2、气体熔融金属的作用,2、氢的控制,减少焊缝氢含量措施：,烘干焊条，选用低氢碱性焊条；清理焊丝；冶金处理；增大焊接电压；减少焊接电流；去氢退火。,4.2、气体熔融金属的作用,2、氧的控制,减少焊缝氧含量措施：,纯洁焊材，隔离氧化性气体；严控焊接工艺（如短弧焊？）；脱氧。,4.3、熔渣与金属的反应,一、熔渣作用及分类,、焊接熔渣,1、熔渣作用,2、熔渣分类（免讲）,二、熔渣的结构理论（免讲）,4.3、熔渣与金属的反应,三、熔渣的性质,酸性熔渣：,碱性熔
8、渣：,两性熔渣：,简述其特点？还原,4.3、熔渣与金属的反应,1、熔渣的碱度B1,R2O一价碱性氧化物 RO二价碱性氧化物 RO2酸性氧化物,下式为改进式（国际焊接协会（W）推荐使用）,4.3、熔渣与金属的反应,2、熔渣的粘度,、熔渣成分的影响,促进形成粗大阴离子应力子的物质提高粘度；阻碍形成粗大阴离子物质降低粘度；酸性渣内添加碱性渣均使粘度下降。反之，提高粘度。,4.3、熔渣与金属的反应,2、熔渣的粘度,、温度的影响 如书上图4-15,温度升高使粘度下降。反之，提高粘度。长渣与短渣,4.3、熔渣与金属的反应,3、熔渣的表面张力,熔渣的表面张力对焊缝质量的影响？,熔渣具有金属键、离子键的表面张
9、力较大；具有极性键的表面张力较 小。添加酸性氧化物，使表面张力减 小；添加碱性氧化物，使表面张力增大。如书上图4-17 温度高，表面张力减 小；温度低，表面张力增大,4.3、熔渣与金属的反应,4、熔渣的熔点,熔渣的熔点对焊缝质量的影响？,熔渣的熔点影响因素？如书上图4-18？三元相图成分表示,5、熔渣的导电性,碱性氧化物、升温，增加熔渣导电率；酸性氧化物、降温，降低导电率？,4.3、熔渣与金属的反应,1、扩散氧化,、活性熔渣对金属的氧化,以自由氧化物形式存在的活性熔渣，对液态金属有较强的氧化作用。,在特定渣液中，在一定温度下，FeO在渣、铁液中有特定的分配。,(FeO)存在于渣液中FeO存在于
10、铁液中 L分配系数,4.3、熔渣与金属的反应,在SiO2（酸性）饱和液中。,在CaO（碱性）饱和液中。,在酸、碱性渣中，FeO在渣、铁液中如何分配？,4.3、熔渣与金属的反应,2、置换氧化,叙述渗硅、锰反应？,4.3、熔渣与金属的反应,同理有 渗铝、钛反应？,4.3、熔渣与金属的反应,、焊缝金属脱氧,Ni-Cu-W-Mo-Fe-Cr-Nb-Mn-V-Si-B-Ti-Mg-C-Al-Ce,脱氧剂应有较强氧化性、不溶于液态金属、密度小,与氧亲和力强,4.3、熔渣与金属的反应,1、沉淀脱氧？,如书上碳、锰、硅的脱氧。,2、扩散脱氧,从液态金属扩散到熔渣？,4.3、熔渣与金属的反应,、硫磷的控制,关于
11、硫磷？,1、原材料成分？,2、冶金法脱硫磷？,4.3、熔渣与金属的反应 还原,、脱硫,、脱磷,4.3、熔渣与金属的反应,、熔渣碱度的影响,增加MnO、CaO、MgO、减少FeO，有利于脱硫；增加CaO、FeO，有利于脱磷。如熔渣碱度；脱硫磷化学式,4.4、液态金属与铸型的界面反应（免讲）,4.5、合金处理,4.5.1、合金过渡系数,关于铸、焊的合金化？,合金元素过渡系数Cd某元素在熔敷金属中含量Ce某元素原始加入含量,4.5、合金处理,4.5.2、影响合金元素过渡系数的因素,1、合金元素的物化性,2、合金元素的含量,3、合金元素的粒度,4、药皮（焊剂）成分,5、熔渣碱度,6、药皮（焊剂）的相对
12、数量与焊接工艺,埋弧焊，正、反极性焊，熔渣率Kf。,4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化,一、氧化,4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化,Ni-Cu-W-Mo-Fe-Cr-Nb-Mn-V-Si-B-Ti-Mg-C-Al-Ce,与氧亲和力强,4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化,二、脱碳,4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化,Ti、Zr、V、Ta、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe,与碳亲和力弱方向,合金元素与碳的亲和力排序：,4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化,三、炉气性质,4.6、固态金属在加热过程中的物理化学变化,温度、加热速度、气氛,本章结束请认真复习并做完
13、作业p183：1、3、11,湿型浇铸后瞬间水分分布图 还原,氩弧焊示意图(不熔电极),电渣焊（丝极）示意图,埋弧焊示意图 还原,熔滴颗粒过渡,熔滴短路与渣壁过渡 还原,焊条熔滴 还原 击,焊件接直流电源正极，焊条接负极。正接 焊件接直流电源负极，焊条接正极。反接,熔池形状 还原,焊缝示意图 还原,熔敷金属还原,熔敷金属：真正过渡到焊缝中的填充金属。,焊条剖视图 还原,气体分压 还原,气体分压（英语：partial pressure）：指的是当气体混合物中的某一种组分在相同的温度下占据气体混合物相同的体积时，该组分所形成的压强。,氢与氮在液态铁中的溶解度 还原,氢,铁碳（Fe-Fe3C）合金相图 还原,熔渣的作用 还原,熔渣的作用：电渣焊、氢通过熔渣与液态金属界面进入液态金属中。焊条电弧焊、氢通过气体、熔渣与液态金属界面进入液态金属中。,直流正反接熔氢示意图 还原,焊缝含氢量随时间变化关系还原,长渣与短渣 还原,三元相图成分表示 还原,特征线,三元相图成分特征线还原,特征线1,特征线2,三元相图成分特征线还原,三元相图成分特征线还原,埋弧焊示意图 还原,直流正接与直流反接示意图还原,
