焊接的化学冶金学PPT课件

2）不形成稳定氢化物的金属 Fe、Ni、Cu、Cr、Al
服从亨利定律:
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H2 → 2H ↓ 2H
↓
2[H]
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(2)氢的扩散
扩散氢(diffusible hydrogen) 在室温下仍有较大的扩
散能力，如在20℃时，[H] 的扩散速度比[N]、[C]高 1012倍！
（化学过程） 3)氧化：Mn+CO2→MnO+CO
Si+2FeO→2Fe+SiO2
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*GTAW、GMAW 无此区域
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(2)熔滴反应区
*GTAW无此区域
特点：
1）温度高 1800-2400℃
2）比表面积大
极大的液态金属-气体/熔渣 相界面 大大加速了冶金反应
3）反应时间短(熔滴存在时间小于 1s）
4）熔滴金属与熔渣发生强烈的混 合：化学反应激烈、充分进行
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(3)熔池反应区
焊接化学冶金反应的最后阶段。 特点： 1）平均温度较低： 1600-1900℃ 前后部温差大，反应方向不同。 2）比表面积小，但存在（反应）时间较长。 3）熔池中金属、熔渣不断更新(renewing)。
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二、焊接过程的化学冶金特点
以典型的手工焊条焊接为例:
1.焊芯core wire 2. 药皮covering /coating 3. 熔滴droplet 4. 熔池molten pool /weld pool 5. 焊缝金属WM 7. 液态熔渣molten slag 8. 熔渣(已凝固)slag
↓
2[N]
N2离解度低 N2离解度高 （T<5000K） （T>5000K）
Sivert’s
Henry’s
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在气氛含氧时（在空气中），尽管PN2<1，但 是[N]却比纯N2中高得多，这可能是因为：
O2+N2 →2[NO] 另外，由于
N2 →2N++2e- (电离) 在电弧区电场作用下， N+向阴极运动，在阴极 上， N++e- →[N]
由于正极性（DCSP）时熔滴为阴极，而熔 滴比表面积大，温度高，有利于N的溶解，因此 [N]较DCRP高。
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交流（AC）时，由于电流
Байду номын сангаас
交变→温度交变→体积交
变→N2进入（相当于搅拌） -
→[N]最高
+
↑ N+
Direct Current Straight Polarity (DCSP)
3)加定氮合金元素(N- Stabilizing elements） 比Fe与N的亲和力（affinity）更强的元素
Fe Cr B V Ta Nb Al Ce Ti Zr
→stronger
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2、氢与金属的作用
（1）氢在金属中的溶解 分两大类： 1）形成稳定氢化物的金属 Ti、Zr、V、Nb
占氢总量的80%以上。
残余氢(residual H） 余下少量[H]残存于夹杂
物、微孔等微缺陷中， 2H →H2，不能再扩散。
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（3）氢的影响
1）氢脆(hydregen embrittlement) 锻件中出现的发裂（flake） 高强钢焊接工的冷裂纹，钢酸洗过程中的发裂(hair crack) 高温高压氢环境中的氢侵蚀（H attack） 某些应力腐蚀裂纹(SCC） 都是氢脆在不同条件下的表现形式。
1）有机物分解、燃烧 淀粉、纤维素、油污等 2）碳酸盐和高价氧化物的分解 CaCO3→CaO+CO2↑ Fe2O3→O2↑+Fe3O4→O2↑+FeO 3)材料中低佛点物质的蒸发 H2O、Zn、Mg、KF、NaF 4）化学反应 FeO→Fe+CO↑
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二、液态金属与气体的反应
N2、H2、O2是对金属作 用最大（有害）的三种 气体。
可能改变液态金属的化学成分。
影响固化后金属的物理化学性能。
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1.1 导论
一、液态成形的化学冶金特点
主要发生在熔炼过程，包括炼钢、炼铁
一般的化学反应：氧化、脱氧、脱硫、脱磷和合金 化等
温度较低(1600℃左右),液态金属体积较大,熔炼时间 较长,反应可以达到或接近平衡状态。
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材料成形过程中的化学 冶金及质量控制
The Chemical Metallurgy and Quality Control in Material Forming Processing
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第十一章 材料成形过程中的化学冶金学
The Chemical Metallurgy
材料成形(铸造、焊接时)的高温过程中，金属 液化。与其周围的接触物质（气体、熔渣、 形壁等）发生不同的物理化学反应—化学冶 金过程。
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药皮反应区 熔滴反应区 熔池反应区
（1）药皮反应区
造渣反应区。焊条端部加热到2001200℃（熔点）的区域。
主要发生水的蒸发、固态药皮成分 中的相互作用及分解反应：
1)分解：CaCO3→CaO+CO2↑ 有机物→H2+CO+H2O
2)除水：a.水分蒸发（物理过程）
b.结晶水，水化合物分解
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2.2 液态金属与气体界面的反应
一、气体来源
1、液态成形过程中气体来源 （1）熔炼：炉和环境气氛 H2O、N2、H2、 O2、CO2、CO （2）铸造：水气、有机物、空气、型砂、 粘结剂
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2、焊接成形过程中气体来源
（1）空气、保护气
（2）来自药皮成分的气体
直流正接
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（2）氮的影响
1)形成氮气孔(N porosity)
2)时效脆化（ageing embrittlement)
3)形成针状态参数Fe4N 有时也是一种合金元素。
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（3）氮的控制
1）加强保护
2）焊接工艺条件 a.电弧电压↓ , 电流↑ → N ↓ b.采用DCRP（Direct Current Reverse Polarity)
1、氮 Nitrogen (1)氮在金属中的溶解 N2↔2[N] 即: 1/2N2↔[N]
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平衡时深解度与氮溶 解反应平衡常数及气 相中分子氮的分压之 间的关系:
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平方根定律/西华特定律 Sivert’s law
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N2
↓ N2 →
2N ↓ 2[N]
N2 → 2N ↓ 2N