材料成形原理[].PPTVIP

材料成形原理（焊接成形部分） 余圣甫 主讲 联系电话 教 材：材料成形原理 吴树森 柳玉起 主编 2010，10 第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 第一节 成形工艺中的冶金反应特点 化学冶金反应过程：材料成形过程中，液态金属与周围的物质，在高温下的相互作用，它影响材料成形的质量。 液态金属与气体，液态金属与熔渣的物理化学冶金反应。 一、液态成形的冶金反应特点 工艺过程包括：装料-熔化-氧化-还原-出钢 主要化学反应：氧化-脱硫-脱磷-脱氧-合金化 特点： 1、熔炼温度较低，1600℃ 2、温度变化范围小，100 ℃内 3、液态金属体积大 4、冶金反应充分 5、易保证钢的化学成分 二、连接成形的冶金反应特点 焊接冶金反应开始于 焊材的引弧熔化 形成熔滴-落入熔池 可分为三个冶金反应区 （1）药皮反应区 （2）熔滴反应区 （3）熔池反应区 （1）药皮反应区 a、温度低（1200℃），不超过药皮的熔化温度，又称造渣反应区 b、 反应发生在焊条套筒附近 c、水的蒸发，碳酸盐的分解 d、改变焊接区的气氛，铁合金的氧化 提供了焊接冶金反应需要的渣、气体 （2）熔滴反应区 a、温度高 （2200℃），可接近钢的沸点 b、比表面积大，焊接冶金反应最激烈，对焊缝金属的化学成分产生重大影响 主要反应： 气体的分解与溶解（H2，N2），金属的蒸发，氧化-脱硫-脱磷-脱氧-合金化 反应时间短，不能达到冶金平衡。 （3）熔池反应区 平均温度比熔滴低（1770℃），比表面积小。 熔池的温度分布不均匀，前部进行吸热反应 后部进行放热反应 熔池有强烈的对流与搅拌作用 主要反应： 气体的分解、溶解、逸出（H2，N2），金属的氧化-脱硫-脱磷-脱氧-合金化 熔池的冶金反应对焊缝金属的化学成分有决定性影响。 焊缝金属的最终化学成分由各阶段冶金反应综合决定。 第二节 液态金属与气体界面的反应 一、焊接区气体的来源 a、焊材本身（造气剂及高价氧化物、水）、锈及油污、空气侵入（约占3%） b、有机物分解: 纤维素约220~250℃开始分解，与水玻璃混合时，分解温度会更低。 反应产物主要是CO2，少量CO、H2、烃类及水气。 c、碳酸盐的分解 分解物 开始 剧烈 CaCO3 545 ℃ 910 ℃ MgCO3 325 ℃ 650 ℃ d、高价氧化物的分解 6Fe2O3 = 4Fe3O4+O2 2Fe3O4 = 6FeO+O2 4MnO2 = 2Mn2O3+O2 6Mn2O3 = 4Mn3O4+O2 2Mn3O4 = 6MnO+O2 e、材料的蒸发 沸点较低的Zn、Mn、Pb、Fe、F化物等 f、气体的分解 简单气体 反应方程式 ⊿H（kJ／mol） N2 = N+N -712.4 O2 = O+O -489.9 H2 = H+H -433.9 H2 = H+H++e （发生电离） -1745 单原子气体三种电离方式： 热电离、碰撞电离、光电离（依次要求的温度降低） 复杂气体的分解 反应方程式 ⊿H（kJ／mol） 分解温度CO2 = CO+O2 -282.8 4000K H2O = H2+O2 -483.2 ＜4500K H2O = OH+ H2 -532.0 ＞4500K H2O = H2+O -977.3 更高温度 H2O = 2H+O -1803.3 更高温度 焊接区内的主要气体与离子有： CO、H2、H2O、CO2、金属与熔渣的蒸汽，还有H、N、O的离子，原子 二、液态金属与气体界面的反应 （一）氮与金属的作用 与氮不发生作用（溶解、反应）Cu、Ni 与氮相互作用（溶解、反应形成新物质）Ti、V、Nb、Fe等 1、氮的溶解 N的来源周围空气污染 溶解：运动到气液界面 金属表面吸附-分解成原子 -穿过液体表面进行扩散 氮在液态金属中的溶解符合化学平衡法则： 溶解度的影响因素 a. 成分：铁中加C、Si、Ni，原子将占据间隙，溶解度下降；加入V、Nb、Cr、Ta，将形成氮化物沉淀，溶解度升高 b.电弧中N以原子形式存在，溶解速