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1、青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 气体在金属中的含量气体在金属中的含量超过其溶解度超过其溶解度，或侵入的气，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡气泡存在于液存在于液态金属中。若凝固前气泡态金属中。若凝固前气泡来不及排除来不及排除，就会在金属，就会在金属内内形成孔洞形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。为气孔。 气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔的存气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使局部造成在不仅减小金
2、属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。下降和抗疲劳能力降低。第二节第二节第二节第二节 气孔与夹杂气孔与夹杂气孔与夹杂气孔与夹杂青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、气孔的分类及形成机理一、气孔的分类及形成机理二、夹杂物的形成及防止措施二、夹杂物的形成及防止措施青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原
3、理一、气孔的分类及形成机理一、气孔的分类及形成机理一、气孔的分类及形成机理一、气孔的分类及形成机理 析出性气孔析出性气孔 侵入性气孔侵入性气孔 反应性气孔反应性气孔 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1 1、析出性气孔、析出性气孔、析出性气孔、析出性气孔 液态金属在冷却凝固过程中，因液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔孔。这类气孔主要是。这类气孔主要是氢气孔氢气孔和和氮气孔氮气孔。 溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现
4、溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现偏析。一般偏析。一般最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于平均浓度平均浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理高温下溶解在液态金属中高温下溶解在液态金属中气体元素的析出方式有：气体元素的析出方式有：扩散析出；扩散析出；形成化合物析出；形成化合物析出；聚集成气泡析出。聚集成气泡析出。 后者析出过程为：后者析出过
5、程为： 形形 核核 长长 大大 上上 浮浮图图11-11 气泡脱离现成表面示意图气泡脱离现成表面示意图a）90 b）90b)气泡气泡气泡气泡a)气泡依附于现成表面生核可以降低形核功，气泡依附于现成表面生核可以降低形核功，相邻枝晶间的凹陷部位最容易形核。相邻枝晶间的凹陷部位最容易形核。气泡内各气体分压的总和大于气泡所受的外气泡内各气体分压的总和大于气泡所受的外部压力总和时气泡才能长大。气泡尺寸越小，部压力总和时气泡才能长大。气泡尺寸越小，由表面张力所产生的附加压力越大。由表面张力所产生的附加压力越大。气泡的半径越小，或液态金属的密度越小、粘度越气泡的半径越小，或液态金属的密度越小、粘度越大，气泡
6、上浮速度越小。若气泡上浮速度小于结晶大，气泡上浮速度越小。若气泡上浮速度小于结晶速度，气泡就会滞留在凝固金属中形成气孔。速度，气泡就会滞留在凝固金属中形成气孔。气体的析出过程气体的析出过程气体的析出过程气体的析出过程青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理析出性气孔的特征析出性气孔的特征析出性气孔的特征析出性气孔的特征 析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等温度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状；温度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状；而含气量较多时，气孔较大，
7、呈团球形。而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。焊缝金属产生的析出性气孔焊缝金属产生的析出性气孔多数出现在焊缝表面。氢气孔多数出现在焊缝表面。氢气孔的断面形状如同螺钉状，从焊的断面形状如同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔一四周有光滑的内壁。氮气孔一般成堆出现，形似蜂窝。般成堆出现，形似蜂窝。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2 2、侵入性气孔、侵入性气孔、侵入性气孔、侵入性气孔 将将液液态态金金属属浇浇入入砂砂型型时时，砂砂型型或或砂砂芯芯在在金金属属液液的的高高温温作作用用下下会会
8、产产生生大大量量气气体体，随随着着温温度度的的升升高高和和气气体体量量的的增增加加，金金属属-铸铸型型界界面面处处气气体体的的压压力力不不断断增增大大。当当界界面面上上局局部部气气体体的的压压力力高高于于外外界界阻阻力力时时，气气体体就就会会侵侵入入液液态态金金属属，在在型型壁壁上上形形成成气气泡泡。气气泡泡形形成成后后将将脱脱离离型型壁壁，浮浮入入型型腔腔液液态态金金属属中中。当当气气泡泡来来不及上浮逸出不及上浮逸出时，就会在金属中形成侵入性气孔。时，就会在金属中形成侵入性气孔。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理侵入性气孔的特征侵入性
9、气孔的特征侵入性气孔的特征侵入性气孔的特征 侵入性气孔的特征是侵入性气孔的特征是数量较少数量较少、体积较大体积较大、孔、孔壁光滑、表面有氧化色，常出现在壁光滑、表面有氧化色，常出现在铸件表层或近表铸件表层或近表层层。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，梨尖一般指向。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，梨尖一般指向气体侵入的方向。侵入的气体一般是水蒸气、一氧气体侵入的方向。侵入的气体一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢、氮和碳氢化合物等。化碳、二氧化碳、氢、氮和碳氢化合物等。 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 焊缝金属中存在的反应性气孔通常是焊缝金属中
10、存在的反应性气孔通常是 CO气孔，气孔，是由液态金属中的是由液态金属中的 O 与与 C 直接反应生成。直接反应生成。3 3、反应性气孔、反应性气孔、反应性气孔、反应性气孔 液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的反应性气孔：的反应性气孔： 金属与铸型间的反应性气孔金属与铸型间的反应性气孔 金属与熔渣间的反应性气孔金属与熔渣间的反应性气孔 液态金属内元素间的反应性气孔液态金属内元素间的反应性气孔青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理金属与铸型间的反应性气孔金属与铸型间的反应性气孔金属与铸型间的反应
11、性气孔金属与铸型间的反应性气孔 与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于液态金与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于液态金属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型气孔主要是高温属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。液态金属对铸型的物理作用。 Fe + H2O FeO + H2 含氮树脂砂分解含氮树脂砂分解 N2 金属金属(或或铸型型)中的中的 C 氧化氧化 CO 金属金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下下 13 mm 处，通称为皮下气孔，其形状有球状处，通称为皮下气孔，其形状有球状和梨状，孔径约和梨状，孔径约 13 mm 。有
12、些皮下气孔呈细长。有些皮下气孔呈细长状，垂直于铸件表面，深度可达状，垂直于铸件表面，深度可达 10 mm 左右。左右。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理金属与熔渣间的反应性气孔金属与熔渣间的反应性气孔金属与熔渣间的反应性气孔金属与熔渣间的反应性气孔当液态金属中含有混入的熔渣（当液态金属中含有混入的熔渣（ FeO）时，会和液态金属）时，会和液态金属（或铸型）中的（或铸型）中的 C 反应：反应：当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液 会发生：会发生：熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有白色的熔渣作为
13、气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有白色的 CaO 与与 FeO 残渣所以又称为渣气孔。残渣所以又称为渣气孔。 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理液态金属内元素间的反应性气孔液态金属内元素间的反应性气孔液态金属内元素间的反应性气孔液态金属内元素间的反应性气孔 （1 1）碳）碳- -氧反应性气孔氧反应性气孔 溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成CO气泡，气泡，凝固时来不及浮出的气泡形成凝固时来不及浮出的气泡形成 CO 气孔气孔。铸件中的。铸件中的 CO 气孔多呈蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的气孔多呈
14、蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的 CO 气孔为沿结晶方向的条虫状。气孔为沿结晶方向的条虫状。（2 2）氢）氢- -氧反应性气孔氧反应性气孔 溶解在液态金属中的溶解在液态金属中的O和和H 反应生成反应生成 H2O 气泡，气泡，产生产生水气孔水气孔。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。（3 3）碳）碳- -氢反应性气孔氢反应性气孔 铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的 H 和和 C 时，将生成时，将生成甲烷（甲烷（CH4）气孔）气孔。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、
15、夹杂物的形成及防止措施二、夹杂物的形成及防止措施二、夹杂物的形成及防止措施二、夹杂物的形成及防止措施 夹杂物的来源及分类夹杂物的来源及分类 铸件中的夹杂物铸件中的夹杂物 焊缝中的夹杂物焊缝中的夹杂物 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1 1 1 1、夹杂物的来源及分类、夹杂物的来源及分类、夹杂物的来源及分类、夹杂物的来源及分类自身杂质自身杂质反应产物反应产物主要来源炉料中的杂质炉料中的杂质焊材、母材中的杂质焊材、母材中的杂质熔炼过程反应产物熔炼过程反应产物与周围介质与周围介质（气、固、液态）（气、固、液态）间的反应产物间的反应产物青岛科
16、技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物的的的的分分分分类类类类 按夹杂物化学成分按夹杂物化学成分 按夹杂物形成时间按夹杂物形成时间 按夹杂物形状按夹杂物形状 氧化物氧化物硫化物硫化物硅酸盐硅酸盐 初生夹杂物初生夹杂物次生夹杂物次生夹杂物二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物 球形球形多面体多面体不规则多角形不规则多角形条状条状 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理夹杂物对金属性能的影响夹杂物对金属性能的影响夹杂物对金属性能的影响夹杂物对金属性能的影响 夹杂物破坏了金属的连续性，
17、使强度和塑性下降；夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降； 尖尖角角形形夹夹杂杂物物易易引引起起应应力力集集中中，显显著著降降低低冲冲击击韧韧性性和和疲疲劳强度；劳强度； 易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂；易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂； 促进气孔的形成促进气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核；，既能吸附气体，又促使气泡形核； 在在某某些些情情况况下下，也也可可利利用用夹夹杂杂物物改改善善金金属属的的某某些些性性能能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五
18、”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2 2、铸件中的夹杂物、铸件中的夹杂物、铸件中的夹杂物、铸件中的夹杂物u 初生夹杂物初生夹杂物u 二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物 u 次生夹杂物次生夹杂物 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理初生夹杂物初生夹杂物初生夹杂物初生夹杂物 在在金属熔炼过程中金属熔炼过程中及炉前处理时形成，经历及炉前处理时形成，经历偏晶析出和聚合长大两个阶段。偏晶析出和聚合长大两个阶段。（1 1）夹杂物的偏晶析出）夹杂物的偏晶析出 在在对对金金属属进进行行脱脱氧氧、脱脱硫硫和和孕孕育育处处理理时时，从从液液态态金属中
19、偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低：金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低：（2 2）夹杂物的聚合长大）夹杂物的聚合长大 夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微米），数量夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微米），数量却很多（数量级可达却很多（数量级可达108个个/cm3）。由于对流或密度差上浮）。由于对流或密度差上浮或下沉，发生高频率的碰撞和机械粘连。夹杂物粗化后运或下沉，发生高频率的碰撞和机械粘连。夹杂物粗化后运动速度加快，以更高的速度与其他夹杂物碰撞、聚合长大。动速度加快，以更高的速度与其他夹杂物碰撞、聚合长大。熔点较低的夹杂物会重新熔化，尺寸大、密度小的夹杂物熔点较低的夹杂物会重
20、新熔化，尺寸大、密度小的夹杂物则会浮到液态金属表面。则会浮到液态金属表面。 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物 液液态态金金属属与与大大气气或或氧氧化化性性气气体体接接触触时时，会会很很快快氧氧化化形形成成氧氧化化薄薄膜膜。在在浇浇注注及及充充型型过过程程中中，表表面面氧氧化化膜膜会会被被卷卷入入液液态态金金属属内内部部，而而此此时时液液体体的的温温度度下下降降较较快快，卷卷入入的的氧氧化化物物在在凝凝固固前前来来不不及及上上浮浮到到表表面面，便便在在金金属属中中形形成成二二次次氧
21、氧化化夹夹杂杂物物。这这类类夹夹杂杂物物常出现在常出现在铸件上表面铸件上表面、型芯下表面或死角处型芯下表面或死角处。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理次生夹杂物次生夹杂物 次次生生夹夹杂杂物物是是指指合合金金凝凝固固过过程程中中，由由于于偏偏析析，溶溶质质元元素素及及杂杂质质元元素素将将富富集集于于枝枝晶晶间间尚尚未未凝凝固固的的液液相相内内，处处于于过过饱饱和和状状态态而而发发生生偏偏晶晶反反应应：L1L2 ，析析出出非非金金属属夹夹杂杂物物。由由于于夹夹杂杂物物是是从从偏偏析液相中产生的，因此又称为偏析夹杂物。析液相中产生的，因此又
22、称为偏析夹杂物。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3 3 3 3、焊缝中的夹杂物、焊缝中的夹杂物、焊缝中的夹杂物、焊缝中的夹杂物 焊焊缝缝中中的的氮氮化化物物夹夹杂杂多多在在焊焊接接保保护护不不良良时时出出现现，对对于于低低碳碳钢钢和和低低合合金金钢钢，主主要要的的氮氮化化物物是是Fe4N，在在时时效效过过程程中中过过饱饱和和析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。焊焊缝缝中中的的硫硫化化物物夹夹杂杂主主要要有有MnS和和FeS两两种种。FeS通通常常沿沿晶界析出，并与晶界析出，并与Fe或或FeO形成
23、低熔点共晶。形成低熔点共晶。低低碳碳钢钢焊焊缝缝存存在在的的氧氧化化物物夹夹杂杂主主要要是是SiO2、MnO、TiO2和和Al2O3等，一般以硅酸盐的形式存在。等，一般以硅酸盐的形式存在。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理防止焊缝产生夹杂物的措施防止焊缝产生夹杂物的措施防止焊缝产生夹杂物的措施防止焊缝产生夹杂物的措施 正正确确地地选选择择原原材材料料（包包括括母母材材和和焊焊接接材材料料），母母材材、焊焊丝丝中中的的夹夹杂杂物物应应尽尽量量少少，焊焊条条、焊焊剂剂应应具具有有良良好好的的脱脱氧氧、脱硫效果；脱硫效果； 注注意意工工艺艺操操作作，如如选选择择合合适适的的工工艺艺参参数数；适适当当摆摆动动焊焊条条以以便便于于熔熔渣渣浮浮出出；加加强强熔熔池池保保护护，防防止止空空气气侵侵入入；多多层层焊时清除前一道焊缝的熔渣等。焊时清除前一道焊缝的熔渣等。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理SH/mL.(100g)-1T/氢在不同金属中的溶解度氢在不同金属中的溶解度青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理
