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1、第四章材料成型第四章材料成型过程化学冶程化学冶金金第四章第四章 材料成型材料成型过程化学冶程化学冶金金概述概述 材料成型材料成型过程化学冶金程化学冶金过程：高温条件程：高温条件下，液下，液态金属与各种物金属与各种物质之之间的的相互作用的的相互作用过程程4.1、材料成型、材料成型过程化学冶金特点程化学冶金特点1：铸造化学冶金特点造化学冶金特点 、 金属与金属与铸型的型的热作用作用 型砂型砂传热是一个不是一个不稳定的定的导热过程。如程。如书上上图4-14-3图? ? 湿型水分分布湿型水分分布图 、 金属与金属与铸型的机械作用型的机械作用? ? 、 金属与金属与铸型的物理化学作用型的物理化学作用?
2、?4.1、材料成型、材料成型过程化学冶金特点程化学冶金特点2：焊接化学冶金特点接化学冶金特点 、 焊接金属接金属应在保在保护环境中境中进行行 如如图 、焊接金属接金属应在保在保护环境分区域境分区域连续进行行 ? ? 药皮反皮反应区、熔滴反区、熔滴反应区、熔池反区、熔池反应区；叙述区；叙述熔滴熔滴过渡概念渡概念? ? 如如书上上图4-44-5图4.1、材料成型、材料成型过程化学冶金特点程化学冶金特点 钢铁熔化温度熔化温度? ?一般一般炼钢温度温度1600，焊接温度接温度达达16002000，平均温度达，平均温度达 。焊条熔滴条熔滴? ? 、焊接化学冶金反接化学冶金反应高温特征高温特征? ?4.1
3、、材料成型、材料成型过程化学冶金特点程化学冶金特点 界面大，界面大，热不不稳定，定，搅拌拌强烈（各种机械力、液烈（各种机械力、液态金属密度差、表面金属密度差、表面张力等作用下力等作用下发生生强烈烈搅拌）；拌）；时间短短 。如。如书上上图4-7图与与熔池熔池图? ? 、焊接化学冶金反接化学冶金反应完全有利与不利因素完全有利与不利因素? ?4.1、材料成型、材料成型过程化学冶金特点程化学冶金特点 、焊接化学接化学冶金反冶金反应填充金属填充金属与合金与合金过渡渡? ? Ap焊缝母材金属面母材金属面积Ad焊缝填充金属面填充金属面积溶合比（稀溶合比（稀释率）率） 如如表表4-1C0焊缝金属金属A元素含量
4、元素含量Cw实际焊缝金属金属A元素含量元素含量Cb母材金属母材金属A元素含量元素含量Ce焊条金属条金属A元素含量元素含量Cd熔敷金属熔敷金属A元素含量元素含量4.1、材料成型、材料成型过程化学冶金特点程化学冶金特点 m药单位位长度度药皮皮质量量 m芯芯单位位长度度焊芯芯质量量 药皮重量系数皮重量系数Kb焊条剖条剖视图 渣熔率渣熔率Kf ：每熔化：每熔化1g焊丝所熔化渣的数量，所熔化渣的数量，焊接参数接参数对渣熔率的影响（渣熔率的影响（如如书上上4-9图P157）。还原原IKfUKf 反接反接焊渣熔率渣熔率Kf 大于正接大于正接焊。4.2、气体、气体对金属的作用金属的作用 1、焊接接过程气体的来
5、源程气体的来源、气体的来源及存在形式、气体的来源及存在形式气体气体的来源的来源焊接材料焊接材料 周围气体周围气体表面吸附表面吸附金属、金属、熔渣蒸发熔渣蒸发4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、铸造造过程气体的来源程气体的来源 3、气体的成分与存在形式气体的成分与存在形式气体气体的来源的来源炉料炉料炉气炉气炉衬炉衬氧化剂与氧化剂与还原剂等还原剂等4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 1、氮在金属中的溶解、氮在金属中的溶解、气体在液、气体在液态金属中的溶解与金属中的溶解与对金属金属质量的影响量的影响 金属与氮作用分金属与氮作用分为两两类：一：一类既不溶解氮又不既不溶解氮又
6、不与氮反与氮反应（Cu、Ni等）；另一等）；另一类能溶解氮且与氮反能溶解氮且与氮反应（Fe、Ti 、Mn 、 Si 、 Cn等）等） 。 氮在空气中存在形式看氮在空气中存在形式看书上上图4-10，p159。 一、气体氮一、气体氮4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 空气中存在空气中存在N、O时，一定条件下，一定条件下发生如下反生如下反应： 液液态金属的氮溶解度金属的氮溶解度KN2氮溶解平衡常数氮溶解平衡常数SN液液态金属的氮溶解度金属的氮溶解度pN2气相中分子气相中分子氮分氮分压4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 在在焊接条件下，当接条件下，当 如如图 2、氮氮对焊接接质
7、量的影响量的影响氮的氮的影响影响时效脆时效脆化化Fe4N气孔气孔合金化合金化4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 1、氢在金属中的溶解在金属中的溶解 金属与金属与氢作用分作用分为两两类：一：一类与与氢反反应形成形成稳定化合物（定化合物（Ti、Zr、V、Ta、Nb等）温度升高等）温度升高溶解溶解度下降，注意防止固度下降，注意防止固态吸吸氢。 另一另一类与与氢不反不反应形成形成稳定化合物（定化合物（Al 、Fe、Ni、Ce、Cr 、Mo 等），溶解是吸等），溶解是吸热反反应，温度升，温度升高溶解度增大，注意防止高温熔高溶解度增大，注意防止高温熔氢 。 二、气体二、气体氢4.2、气体熔融金
8、属的作用、气体熔融金属的作用 以第二以第二类金属金属为例，溶解例，溶解氢的影响因素。的影响因素。 、液、液态金属的金属的氢溶溶解度解度 KH2氢溶解平衡常数溶解平衡常数 SH液液态金属的金属的氢溶解度溶解度水蒸汽分解如水蒸汽分解如书上上图4-12？4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 、纯铁氢溶解度随温度溶解度随温度变化关系化关系 、熔渣的、熔渣的作用作用、焊接正反接的影响接正反接的影响如如图？ 如如图 、合金元素的影响、合金元素的影响 Ti、Zr、Nb使使氢溶解度增高；溶解度增高；Mn、Ni、Cr、Mo影响不大；影响不大；C、Si、Al使使氢溶解度下降。溶解度下降。4.2、气体熔融
9、金属的作用、气体熔融金属的作用 如如图？ 、焊接后存放接后存放时间的影响的影响 扩散散氢、氢原子（离子）直径小，能在金属晶原子（离子）直径小，能在金属晶格中自由格中自由扩散，此散，此类氢称称为扩散散氢。 剩余剩余氢、分子、分子氢直径大，不能自由直径大，不能自由扩散，称散，称为剩余剩余氢。4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、氢对焊接接质量的影响量的影响氢的氢的影响影响氢脆氢脆白点白点冷裂纹冷裂纹气孔气孔4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 1、氧在金属中的溶解、氧在金属中的溶解 金属与金属与氧氧作用分作用分为两两类：一：一类是固、液是固、液态不溶解不溶解氧氧，与与氧氧强
10、烈烈反反应形成高熔点化合物，形成高熔点化合物，如如（Mg 、 Al等），；另一等），；另一类是有限溶解氧，是有限溶解氧，与氧高温下反与氧高温下反应形成形成氧化物，如（氧化物，如（Fe、Ni、Ce、 Ti等）等）。 二、气体二、气体氧氧4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 、液、液态铁氧溶解度氧溶解度 Ko氢溶解平衡常数溶解平衡常数 So2液液态金属的金属的氢溶解度溶解度 、纯铁氧最大氧最大溶解度随温度溶解度随温度变化关系化关系4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 、金属是否氧化判断、金属是否氧化判断 系系统氧化物分（解）氧化物分（解）压 po2 金属氧化物分解金属氧化物分解
11、压 焊接工接工艺对焊缝氢、氮、氧含量的影响如、氮、氧含量的影响如书上表上表4-34.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、氧、氧对焊接接质量的影响量的影响氧的氧的影响影响性能性能下降下降物化性能物化性能变差变差工艺性工艺性变差变差合金合金烧损烧损4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 1、氮、氮的控制的控制、气体的控制、气体的控制 减少减少焊缝氮含量措施：氮含量措施： 用渣、气保用渣、气保护，隔离与空气接触；减少，隔离与空气接触；减少焊接接电压；增大；增大焊接接电流；采用直流反接；利用合流；采用直流反接；利用合金去氮；限制型砂氮含量。金去氮；限制型砂氮含量。4.2、气体熔融金
12、属的作用、气体熔融金属的作用 2、氢的控制的控制 减少减少焊缝氢含量措施：含量措施： 烘干烘干焊条，条，选用低用低氢碱性碱性焊条；清理条；清理焊丝；冶金冶金处理；理；增大增大焊接接电压；减少；减少焊接接电流；流；去去氢退火。退火。4.2、气体熔融金属的作用、气体熔融金属的作用 2、氧、氧的控制的控制 减少减少焊缝氧氧含量措施：含量措施： 纯洁焊材，隔离氧化性气体；材，隔离氧化性气体；严控控焊接工接工艺（如短弧（如短弧焊？）；脱氧。？）；脱氧。4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 一、一、熔渣作用及分熔渣作用及分类、焊接熔渣接熔渣 1、熔渣作用熔渣作用 2、熔渣分熔渣分类（免（免讲） 二、二
13、、熔渣的熔渣的结构理构理论（免（免讲）熔渣作用熔渣作用保护作用保护作用冶金作用冶金作用改善工艺改善工艺4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 三、三、熔渣的性熔渣的性质 酸性酸性熔渣熔渣： 碱性碱性熔渣熔渣： 两性两性熔渣熔渣： 简述其特点？述其特点？还原原4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 1、熔渣的碱度熔渣的碱度B1 R2O一价碱性氧化物一价碱性氧化物 RO二价碱性氧化物二价碱性氧化物 RO2酸性氧化物酸性氧化物 下式下式为改改进式（国式（国际焊接接协会（会（W）推荐使用）推荐使用）4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 2、熔渣的粘度熔渣的粘度 、熔渣成分的影响、熔渣成分的影响
14、促促进形成粗大阴离子形成粗大阴离子应力子的物力子的物质提高粘度；提高粘度；阻碍形成粗大阴离子物阻碍形成粗大阴离子物质降低粘度；降低粘度；酸性渣内添加碱性渣均使粘度下降。反之，提高粘酸性渣内添加碱性渣均使粘度下降。反之，提高粘度。度。4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 2、熔渣的粘度熔渣的粘度 、 温度的影响温度的影响 如如书上上图4-15 温度升高使粘度下降。反之，提高粘度。温度升高使粘度下降。反之，提高粘度。 长渣与短渣渣与短渣 4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 3、熔渣的表面熔渣的表面张力力 熔渣的表面熔渣的表面张力力对焊缝质量的影响？量的影响？ 熔渣具有金属熔渣具有金属键、
15、离子、离子键的表面的表面张力力较大；具有大；具有极性极性键的表面的表面张力力较 小。小。 添加酸性氧化物，使表面添加酸性氧化物，使表面张力减力减 小；添加碱性氧小；添加碱性氧化物，使表面化物，使表面张力增大。如力增大。如书上上图4-17 温度高，表面温度高，表面张力减力减 小；温度低，表面小；温度低，表面张力增大力增大4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 4、熔渣的熔点熔渣的熔点 熔渣的熔点熔渣的熔点对焊缝质量的影响？量的影响？ 熔渣的熔点影响因素？如熔渣的熔点影响因素？如书上上图4-18 ？ 三元相三元相图成分表示成分表示 5、熔渣的熔渣的导电性性 碱性氧化物、升温，增加熔渣碱性氧化物、
16、升温，增加熔渣导电率；酸性率；酸性氧化物、降温，降低氧化物、降温，降低导电率？率？4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 1、扩散氧化散氧化、活性熔渣、活性熔渣对金属的氧化金属的氧化 以自由氧化物形式存在的活性熔渣，以自由氧化物形式存在的活性熔渣，对液液态金属有金属有较强的氧化作用。的氧化作用。 在特定渣液中，在一定温度下，在特定渣液中，在一定温度下， FeO在渣、在渣、铁液中有特定的分配。液中有特定的分配。 (FeO)存在于渣液中存在于渣液中FeO存在于存在于铁液中液中 L分配系数分配系数4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 在在SiO2 （酸性）（酸性）饱和液中。和液中。 在在CaO
17、 （碱性）（碱性）饱和液中。和液中。 在酸、碱性渣中，在酸、碱性渣中， FeO在渣、在渣、铁液中如何分配？液中如何分配？4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 2、置置换氧化氧化 叙述渗硅、叙述渗硅、锰反反应？4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 同理有同理有 渗渗铝、钛反反应？4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应、焊缝金属脱氧金属脱氧Ni-Cu-W-Mo-Fe-Cr-Nb-Mn-V-Si-B-Ti-Mg-C-Al-Ce 脱氧脱氧剂应有有较强氧化性、不溶于液氧化性、不溶于液态金属、密度小金属、密度小与氧与氧亲和力和力强脱氧脱氧先期先期脱氧脱氧沉淀沉淀脱氧脱氧扩散扩散脱氧脱氧4.3、熔
18、渣与金属的反、熔渣与金属的反应 1、沉淀脱氧？沉淀脱氧？ 如如书上碳、上碳、锰、硅的脱氧。、硅的脱氧。 2、扩散脱氧散脱氧 从液从液态金属金属扩散到熔渣？散到熔渣？4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应、硫磷的控制、硫磷的控制 关于关于硫磷硫磷？ 1、原材料成分？原材料成分？ 2、冶金法脱硫磷？冶金法脱硫磷？4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 还原原、脱硫脱硫、脱磷脱磷4.3、熔渣与金属的反、熔渣与金属的反应 、熔渣碱度的影响熔渣碱度的影响 增加增加MnO、CaO、MgO、减少减少FeO，有利，有利于脱硫；增加于脱硫；增加CaO 、FeO，有利于脱磷。如，有利于脱磷。如熔渣熔渣碱度碱度
19、；脱硫磷化学式脱硫磷化学式 4. 4、液、液态金属与金属与铸型的界面反型的界面反应（免（免讲）4.5、合金、合金处理理 4. 5.1、合金、合金过渡系数渡系数 关于关于铸、焊的合金化的合金化？ 合金元素合金元素过渡系数渡系数Cd某元素在熔敷金属中含量某元素在熔敷金属中含量Ce某元素原始加入含量某元素原始加入含量4.5、合金、合金处理理 4. 5.2、影响、影响合金元素合金元素过渡系数渡系数的因素的因素 1、合金元素的物化性合金元素的物化性 2、合金元素的含量合金元素的含量 3、合金元素的粒度合金元素的粒度 4、药皮（皮（焊剂）成分）成分 5、熔渣碱度熔渣碱度 6、药皮（皮（焊剂）的相）的相对数
20、量与数量与焊接工接工艺 埋弧埋弧焊，正、反极性正、反极性焊，熔渣率熔渣率Kf。4.6、固、固态金属在加金属在加热过程中的物理化学程中的物理化学变化化一、氧化一、氧化 4. 6、固固态金属在加金属在加热过程中的物理化学程中的物理化学变化化Ni-Cu-W-Mo-Fe-Cr-Nb-Mn-V-Si-B-Ti-Mg-C-Al-Ce与氧与氧亲和力和力强4.6、固、固态金属在加金属在加热过程中的物理化学程中的物理化学变化化二、脱碳二、脱碳 4. 6、固固态金属在加金属在加热过程中的物理化学程中的物理化学变化化Ti、Zr、V、Ta、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe与碳与碳亲和力弱方向和力弱方向合金元素与碳的合
21、金元素与碳的亲和力排序：和力排序：4.6、固、固态金属在加金属在加热过程中的物理化学程中的物理化学变化化三、炉气性三、炉气性质 4. 6、固固态金属在加金属在加热过程中的物理化学程中的物理化学变化化温度、加温度、加热速度、气氛速度、气氛本章本章结束束请认真复真复习并做完作并做完作业p183：1、3、11湿型湿型浇铸后瞬后瞬间水分分布水分分布图 还原原氩弧弧焊示意示意图(不熔不熔电极极)电渣渣焊（丝极）示意极）示意图 埋弧埋弧焊示意示意图 还原原熔滴熔滴颗粒粒过渡渡熔滴短路与渣壁熔滴短路与渣壁过渡渡 还原原焊条熔滴条熔滴 还原原 击 焊件接直流件接直流电源正极，源正极，焊条接条接负极。极。正接正
22、接 焊件接直流件接直流电源源负极，极，焊条接正极。条接正极。反接反接熔池形状熔池形状 还原原焊缝示意示意图 还原原熔敷金属熔敷金属还原原 熔敷金属：真正熔敷金属：真正过渡到渡到焊缝中的填中的填充金属。充金属。焊条剖条剖视图 还原原气体分气体分压 还原原 气体分气体分压（英（英语：partial pressure）：指的）：指的是当气体混合物中的某一种是当气体混合物中的某一种组分在相同的温度下分在相同的温度下占据气体混合物相同的体占据气体混合物相同的体积时，该组分所形成的分所形成的压强。 氢与氮在液与氮在液态铁中的溶解度中的溶解度 还原原氢铁碳（碳（Fe-Fe3C）合金相）合金相图 还原原熔渣的
23、作用熔渣的作用 还原原 熔渣的作用：熔渣的作用： 电渣渣焊、氢通通过熔渣与液熔渣与液态金属界面金属界面进入入液液态金金属中。属中。 焊条条电弧弧焊、氢通通过气体、熔渣与液气体、熔渣与液态金属界面金属界面进入入液液态金属中。金属中。直流正反接熔直流正反接熔氢示意示意图 还原原焊缝含含氢量随量随时间变化关系化关系还原原长渣与短渣渣与短渣 还原原三元相三元相图成分表示成分表示 还原原 特征特征线三元相三元相图成分特征成分特征线还原原 特征特征线1 特征特征线2三元相三元相图成分特征成分特征线还原原三元相三元相图成分特征成分特征线还原原埋弧埋弧焊示意示意图 还原原直流正接与直流反接示意直流正接与直流反接示意图还原原
