第八章 液態(tài)金屬及氣相的相互作用

1、第八章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用1楊曉莉楊曉莉材料工程學(xué)院材料工程學(xué)院第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用2第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用3第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用4第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用N2、H2、O2CO2 和和 H2O 焊條藥皮、焊劑、焊芯焊條藥皮、焊劑、焊芯的造氣劑的造氣劑高價氧化物及有機物的分解氣體高價氧化物及有機物的分解氣體母材坡口的油污、油漆、鐵銹、水分母材坡口的油污、油漆、鐵銹、水分空氣中的氣體、水分空氣中的氣體、水分保護氣體及其雜質(zhì)氣體保護氣

2、體及其雜質(zhì)氣體直接進入直接進入間接分解間接分解5第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用6第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用熱氧化分解反應(yīng)熱氧化分解反應(yīng) 220250以上發(fā)生，以上發(fā)生， 800左右完全分解左右完全分解 CO2、CO、H2、烴和水氣、烴和水氣 如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)：如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)：（C6H10O5）m7/2m O2（氣）（氣）6m CO2（氣）（氣）5m H2（氣）（氣）酸性焊條藥皮中有機物的含量較高。酸性焊條藥皮中有機物的含量較高。7第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用（545 910）

3、（325 650） 堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量較高。堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量較高。高價氧化物（高價氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的分解）的分解 （在某些酸性焊條藥皮中含量較高）（在某些酸性焊條藥皮中含量較高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O28第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用；9第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用極易蒸發(fā)極易蒸發(fā) 10第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的

4、相互作用298H298H11第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用分分解解度度溫度溫度 T / KCO2分解時氣相的平衡成分分解時氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系氣氣相相體體積積分分?jǐn)?shù)數(shù)/% 溫度溫度 T / K 雙原子氣體分解度雙原子氣體分解度與溫度與溫度的關(guān)系（的關(guān)系（P00.1MPa）12第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用圖圖7-3 H2O分解形成的氣相成分與溫度的關(guān)系（分解形成的氣相成分與溫度的關(guān)系（P00.1MPa）溫度溫度 T /103K氣氣相相體體積積分分?jǐn)?shù)數(shù)/%13第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相

5、互作用p澆注過程澆注過程 澆包未烘干，鑄型澆注系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，鑄型澆包未烘干，鑄型澆注系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，鑄型透氣性差，澆注速度控制不當(dāng)，型腔內(nèi)的氣體不能及時排除透氣性差，澆注速度控制不當(dāng)，型腔內(nèi)的氣體不能及時排除等，都會使氣體進入液態(tài)金屬。等，都會使氣體進入液態(tài)金屬。p鑄型鑄型 來自鑄型中的氣體主要是型砂中的水分。即使烘來自鑄型中的氣體主要是型砂中的水分。即使烘干的鑄型在澆注前也會吸收水分，并且粘土在液態(tài)金屬的熱干的鑄型在澆注前也會吸收水分，并且粘土在液態(tài)金屬的熱作用下其作用下其結(jié)晶水還會分解結(jié)晶水還會分解。此外，有機物（粘結(jié)劑等）的燃。此外，有機物（粘結(jié)劑等）的燃燒也會產(chǎn)生大量氣體。燒也會產(chǎn)生大量

6、氣體。 14第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用22HOMeOHMennmnm24H2CCH222H) 1(CHCnnnn22HOMeOHMennmnm22HOMeOHMennmnm2COOC2222COO21CO 23COCaOCaCO2233HN2NH15第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用OHCOHCO222 TfppppKHCOOHCO22216第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用17第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用18第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作

7、用19第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用溶解度溶解度S的的影響因素影響因素 氣體種類氣體種類合金成分合金成分溫度溫度與壓力與壓力20第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用xxPkS 21第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用氣體溶解度與熱效應(yīng)和溫度的關(guān)系氣體溶解度與熱效應(yīng)和溫度的關(guān)系1吸熱溶解吸熱溶解 2放熱溶解放熱溶解溶溶解解度度溫度溫度12 金屬發(fā)生相變時，金屬發(fā)生相變時，由于金屬組織結(jié)構(gòu)的由于金屬組織結(jié)構(gòu)的變化，氣體的溶解度變化，氣體的溶解度將發(fā)生突變。液相比將發(fā)生突變。液相比固相更有利于氣體的固相更有利于氣體的

8、溶解。溶解。 當(dāng)金屬由液相轉(zhuǎn)變當(dāng)金屬由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r，溶解度的為固相時，溶解度的突然下降將對鑄件和突然下降將對鑄件和焊件中氣孔的形成產(chǎn)焊件中氣孔的形成產(chǎn)生直接的影響。生直接的影響。22第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用23第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用（ PN2 PH2 = 0.1MPa ）氮、氫在金屬凝固氮、氫在金屬凝固時溶解度陡降。時溶解度陡降。氮、氫在奧氏體中的氮、氫在奧氏體中的溶解度大于鐵素體。溶解度大于鐵素體。氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度升高而增大。度隨溫度升高而增大。在鐵的氣化溫度附近，在鐵的氣化

9、溫度附近，氣體溶解度陡降。氣體溶解度陡降。24第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用SH/mL.(100g)-1T/圖圖7-9 氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（pH20.1MPa）a）I類金屬類金屬 b）II類金屬類金屬a）SH/mL.(100g)-1T/b）第第II類金屬吸氫過程是放熱反應(yīng)，因此隨類金屬吸氫過程是放熱反應(yīng)，因此隨著溫度的升高，氫的溶解度減小，著溫度的升高，氫的溶解度減小， 25第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用溫度溫度 T/溶解度溶解度SO/%與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系氧在液態(tài)鐵中的溶解

10、度隨氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度升高而增大溫度升高而增大26第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用 氫在二元系鐵合金中的溶解度（1600）氫溶解度SH/ml.(100g)-1合金元素含量wMe /% 氮在二元系鐵合金中的溶解度（1600）合金元素含量wMe /%氮溶解度SN/液態(tài)金屬中加入能提高氣體含量的合金元素，可提高氣體的液態(tài)金屬中加入能提高氣體含量的合金元素，可提高氣體的溶解度；若加入的合金元素能與氣體形成穩(wěn)定的化合物（即溶解度；若加入的合金元素能與氣體形成穩(wěn)定的化合物（即氮、氫、氧化合物），則降低氣體的溶解度。氮、氫、氧化合物），則降低氣體的溶解度。 27第七章第

11、七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用28第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用29第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用43.626730lg2OTp圖圖7-14 自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T/Lg pO2/101.3kPaMoO30第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用p 計算得知，在高于鐵熔點的溫度下計算得知，在高于鐵熔點的溫度下 Po2 很小，例很小，例如溫度為如溫度為1800，液態(tài)鐵中，液態(tài)鐵中 FeO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1時，時， Po2 =1.510-8 M

12、Pa，說明氣相中只要存在微，說明氣相中只要存在微量的氧，即可使鐵氧化。量的氧，即可使鐵氧化。p 通常情況下通常情況下FeO溶于液態(tài)溶于液態(tài) 鐵中，這時其分解壓為：鐵中，這時其分解壓為： 2max2OOFeOFeO22pp31第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用32第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用33第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用高溫下高溫下CO2對液態(tài)鐵和其他許多金屬來說均為活潑的氧化劑。對液態(tài)鐵和其他許多金屬來說均為活潑的氧化劑。34第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用855.6

13、11576lgTK35第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用5.510200lgTK36第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用O/g.(100g)-1，wO/%ArCO2CO2，O2/%O2/%不同氣體保護焊對于熔敷金屬中含氧量的影響見下圖。不同氣體保護焊對于熔敷金屬中含氧量的影響見下圖。 熔敷金屬中熔敷金屬中O與保護氣體成分的關(guān)系與保護氣體成分的關(guān)系 實線實線O 虛線虛線wO(焊絲焊絲H08Mn2Si 1.6mm 母材低碳鋼母材低碳鋼)37第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用酸性焊條電弧焊電弧空間的氧化性遠大于堿性。酸

14、性焊條電弧焊電弧空間的氧化性遠大于堿性。38第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用39第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用室溫下室溫下 N、H、O 在金屬中的溶解度極低，在金屬中的溶解度極低， 殘留在接頭中的殘留在接頭中的 HR易導(dǎo)致延遲裂紋和氫脆。易導(dǎo)致延遲裂紋和氫脆。固溶態(tài)固溶態(tài)化合物化合物獨立氣相獨立氣相彌散狀（氮化物）彌散狀（氮化物）塊狀（氧化物、氮化物）塊狀（氧化物、氮化物）強化、脆化強化、脆化 夾雜夾雜氣孔（氫氣孔，氮氣孔，氣孔（氫氣孔，氮氣孔，CO氣孔）氣孔）40第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用41第

15、七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用熔煉時造渣覆蓋（真空、惰性氣體）保護；熔煉時造渣覆蓋（真空、惰性氣體）保護；焊接時，惰性氣體或氣渣聯(lián)合保護。焊接時，惰性氣體或氣渣聯(lián)合保護。p 氫主要來源于水分氫主要來源于水分，包括原材料（爐料、造渣材料、母材、，包括原材料（爐料、造渣材料、母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及鐵銹焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及鐵銹或氧化膜中的結(jié)晶水、化合水等。材料內(nèi)的或氧化膜中的結(jié)晶水、化合水等。材料內(nèi)的碳氫化合物碳氫化合物和材料和材料表面的表面的油污油污等也是氫的重要來源。等也是氫的重要來源。 p 氧主要來源

16、于焊材或礦石，氧主要來源于焊材或礦石，在焊接要求比較高的合金鋼和在焊接要求比較高的合金鋼和活潑金屬時，應(yīng)活潑金屬時，應(yīng)盡量選用不含氧或氧含量少的焊接材料盡量選用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采，如采用高純度的惰性保護氣體，采用低氧或無氧的焊條、焊劑等。用高純度的惰性保護氣體，采用低氧或無氧的焊條、焊劑等。 限制措施為焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。限制措施為焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去油污。42第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用p 焊接電流增加時，焊接電流增加時，熔滴過渡頻率增加熔滴過渡頻率增加，氣體與熔滴作用時間，氣體與熔滴作用時間縮短，焊縫中氮、氧含量減少。此外，焊接方法、熔滴過渡特縮短，焊縫中氮、氧含量減少。此外，焊接方法、熔滴過渡特性、電流種類等也有一定的影響。性、電流種類等也有一定的影響。p 鑄造過程中控制液態(tài)金屬的鑄造過程中控制液態(tài)金屬的保溫時間保溫時間、澆注方式澆注方式和冷卻速度和冷卻速度，可在一定程度上減少金屬中氮、氫、氧，可在一定程度上減少金屬中氮、氫、氧的含量。的含量。43第七章第七章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用液態(tài)金屬與氣相的相互作用44第