材料成型原理第六章答案

1、第六章1. 焊接和鑄造過程中的氣體來源于何處？它們是如何產(chǎn)生的？答：焊接區(qū)內(nèi)的氣體：焊條藥皮、焊劑、焊芯的造氣劑，高價(jià)氧化物及有機(jī)物的分解氣體 , 母 材坡口的油污、油漆、鐵銹、水分，空氣中的氣體、水分，保護(hù)氣體及其雜質(zhì)氣體鑄造過程中的氣體：熔煉過程，氣體主要來自各種爐料、爐氣、爐襯、工具、熔劑及周圍氣氛中的水分、氮、氧、氫、 CO2、co、 SO2 和有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锏?。來自鑄型中的氣體主要是型砂中的水分。澆注過程，澆包未烘干，鑄型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)排除等，都會(huì)使氣體進(jìn)入液態(tài)金 屬。2. 氣體是如何溶解到金屬中的？電弧焊條件下，氮

2、和氫的溶解過程一樣嗎？ 答：氣體溶解到金屬中分四個(gè)階段：（ 1） 氣體分子向金屬 - 氣體界面上運(yùn)動(dòng)； （ 2） 氣體 被金屬表面吸附；（ 3） 氣體分子在金屬表面上分解為原子；（ 4） 原子穿過金屬表面層向金 屬內(nèi)部擴(kuò)散。電弧焊條件下，氮和氫的溶解過程不一樣，氫在高溫時(shí)分解度較大，電弧溫度下可完 全 分解為原子氫，其溶解過程為分解 - 吸附 - 溶入 。在電弧氣氛中，氮以分子形式 存在，其溶解 過程為吸附 - 分解 - 溶入。3. 哪些因素影響氣體在金屬中的溶解度，其影響因素如何？答：氣體在金屬中的溶解度與壓力，溫度，合金成分等因素有關(guān)：（ 1） 當(dāng)溫度一定時(shí)，雙原子的溶解度與其分壓的平方根

3、成正比（ 2） 當(dāng)壓力一定時(shí)，溶解度與溫度的關(guān)系決定于溶解反應(yīng)類型，氣體溶解過程為吸熱反應(yīng)時(shí)， ! 為正值，溶解度隨溫度的升高而增加；金屬吸收氣體為放熱反應(yīng)時(shí)，AH 為負(fù)值 , 溶解度隨溫度的上升而降低。（ 3） 合金成分對(duì)溶解度的影響：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（即氮、氫、氧化合物），則可降低氣體的溶解度。此外，合金元素還能改變金屬表面膜的性質(zhì)及金屬蒸氣壓，從而影響氣體的溶解度。（ 4） 電流極性的影響：直流正接時(shí)，熔滴處于陰極，陽(yáng)離子將向熔滴表面運(yùn)動(dòng)，由于熔滴 溫度高，比表面積大，故熔滴中將溶解大量的氫或氮；直流反

4、接時(shí)，陽(yáng)離子仍向陰極運(yùn)動(dòng)， 但此時(shí)陰極已是溫度較低的溶池，故氫或氮的溶解量要少。（ 5） 焊接區(qū)氣氛性質(zhì)的影響：氣體分子或原子受激后溶解速度加快；電弧氣氛中的陽(yáng)離子N+或H+可直接在陰極溶解；在氧化性電弧氣氛中形成的NO,遇到溫度較低的液態(tài)金屬 時(shí)可分解為 N 和 0, 而 N 能迅速溶入金屬。4. 電弧焊時(shí)，氣體在金屬中的溶解度是否服從平方根定律？為什么？答：當(dāng)溫度一定時(shí)，雙原子氣體的溶解度與其分壓的平方根成正比，這一規(guī)律稱為平方根定律，但是電弧焊時(shí)，金屬液體的溫度是變化的，所以氣體在金屬中的溶解度不服從平方根定律。5. CO?、用0和空氣在高溫下對(duì)金屬的氧化性哪個(gè)大？答：在液態(tài)鐵存在的溫度

5、，空氣對(duì)金屬的氧化性是最大的，而田0 氣的氧化性比 COz 小6. 控制鑄件或焊縫氮含量的重要措施是什么？答：1. 限制氣體的來源氮主要來源于空氣，控制氮的首要措施是加強(qiáng)對(duì)金屬的保護(hù)，防止空氣與金屬接觸。2. 控制工藝參數(shù)金屬中氮的含量與工藝參數(shù)密切相關(guān)。應(yīng)盡量采用短弧焊。焊接電流增加時(shí),熔滴過渡頻率增加，氣體與熔滴作用時(shí)間縮短，焊縫中氮含量減少。此外，焊接方法、熔滴過渡特性、電流種類等也有一定的影響。3. 冶金處理采用冶金方法對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行脫氮除氣處理，是降低金屬中氣體含量的有效方法。液態(tài)金屬中加入 Ti、Al和稀土等對(duì)氮有較大親和力的元素，可形成不溶于液態(tài)金屬的穩(wěn)定氮化物而進(jìn)入溶渣，從而減

6、少金屬的氮含量。7. 氮、氫、氧對(duì)金屬的質(zhì)量有何影響？答：1.使材料脆化 鋼材中氮、氫或氧的含量增加時(shí)，其塑性和韌性都將下降，尤其是低溫韌性下降更為嚴(yán)重。2. 形成氣孔氮和氫均能使金屬產(chǎn)生氣孔。液態(tài)金屬在高溫時(shí)可以溶解大量的氮或氫，而在凝固時(shí)氮或氫的溶解度突然下降，這時(shí)過飽和的氮或氫以氣泡的形式從液態(tài)金屬中向外逸岀。當(dāng)液態(tài)金屬的凝固速度大于氣泡的逸出速度時(shí)，就會(huì)形成氣孔。3. 產(chǎn)生冷裂紋冷裂紋是金屬冷卻到較低溫度下產(chǎn)生的一種裂紋，其危害性很大。氫是促使產(chǎn)生冷裂紋的主要因素之一。4. 引起氧化和飛濺氧可使鋼中有益的合金元素?zé)龘p，導(dǎo)致金屬性能下降；焊接時(shí)若溶滴中含有較多的氧和碳，則反應(yīng)生成的 CO

7、氣體因受熱膨脹會(huì)使熔滴爆炸，造成飛濺，影響焊接過程的穩(wěn)定性。此外應(yīng)當(dāng)指岀，焊接材料具有氧化性并不都是有害的，有時(shí)故意在焊接材料中加入一定量的氧化劑，以減少焊縫的氫含量，改善電弧的特性，獲得必要的熔渣物化性能。8. 如何控制鑄件或焊縫氫的含量？答：控制鑄件或焊縫氫的含量的措施有：1. 限制氣體的來源：氫主要來源于水分，包括原材料本身含有的水分、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。此外材料內(nèi)的碳?xì)浠衔锖筒牧媳砻娴挠臀鄣纫彩菤涞闹匾獊碓?。因此原材料使用前均?yīng)進(jìn)行烘干、去油、除銹等處理；爐膛、除鋼槽、澆包等均應(yīng)充分干燥。2. 控制工藝參數(shù)：應(yīng)盡量采用短弧焊，控制液態(tài)金屬的保溫時(shí)間

8、、澆注方式、冷卻速度，或調(diào)整焊接工藝參數(shù)，控制熔池存在時(shí)間和冷卻速度等，可在一定程度上減少金屬中氫的含量。3. 冶金處理 采用冶金方法對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行脫氮、脫氧、脫氫等除氣處理，是降低金屬中氣體含量的有效方法。在金屬冶煉過程中，常常通過加入固態(tài)或氣態(tài)除氣劑進(jìn)行除氫。9. 比較熔焊與熔煉過程中熔渣作用的異同點(diǎn)。熔渣對(duì)于焊接、合金熔煉的積極作用主要有？機(jī)械保護(hù)作用，冶金處理作用和改善成形丁藝性能作用。在焊接、合金熔煉過程中，熔渣對(duì)液態(tài)金屬的機(jī)械保護(hù)方面的作用是相同的，熔渣比重輕于液態(tài)金屬，高溫下浮在液體表面，避免液態(tài)金屬中合金元素氧化燒結(jié)，防止氣相中氮?dú)溲趿蛉苋?，減少液態(tài)金屬散熱損失。而在熔焊過程中

9、，熔池凝固后，熔渣凝固形成渣殼，覆蓋在焊縫上，還可繼續(xù)保護(hù)處在高溫下焊縫金屬免疫空氣的有害作用。 在熔渣的冶金處理作用方面，熔焊過程和合金熔煉過程中，均可利用熔渣與液態(tài)金屬之間發(fā) 生 物化反應(yīng)，去除金屬中有害雜質(zhì)，如脫氧、脫硫、脫磷，去氫等，熔渣還可以起到吸附或溶解液態(tài)金屬中非金屬夾雜物作用。而在熔焊過程，還可以通過熔渣向熔縫中過度合金。在熔焊過程中，熔渣還有改善焊縫成形性的作用，適當(dāng)熔渣對(duì)電弧引燃，穩(wěn)定燃燒，減少飛 濺， 改善脫渣性能及焊接外觀成形等，對(duì)焊接工藝有利。10. 由熔渣的離子理論可知，液態(tài)堿性中自由氧離子的濃度遠(yuǎn)高于酸性渣，這是 否意味著堿性渣的氧化性要比酸性渣更強(qiáng)？為什么？答：

10、不一定比酸性渣強(qiáng)。因?yàn)殡x子理論把液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度定義為堿度。渣中自由氧離子的濃度越大，其堿度就越大，雖然液態(tài)堿性渣中自由氧離子的濃度遠(yuǎn)大于酸性渣，但是它不一定與熔渣中的某些物質(zhì)反應(yīng)，進(jìn)而不能體現(xiàn)出其具有氧化性，而酸性渣則可以，熔渣的氧化性通常是用渣中含有 最不穩(wěn)定的氧化物 FeO 的高低及該氧化物在熔渣中的活度來衡量的。11. 本章介紹了熔渣的哪些物理性能？這些性能與熔渣的組成或堿度有什么聯(lián) 系？答： 1)主要介紹了熔渣的凝固溫度和密度，熔渣的粘度，熔渣的表面張力及界面張力及性能。2) 熔渣的凝固溫度和密度主要取決于熔渣的成分，以一定比例構(gòu)成的復(fù)合渣可使凝固溫度大大降低，一般保持熔渣

11、熔點(diǎn)低于金屬熔點(diǎn) 100200 攝氏度，熔渣的粘度與它的化學(xué)成分有關(guān)，含 SiC?2 多的渣粘度大，含 TiO2 多的熔渣粘度小，熔渣表面張力主要取決與熔渣組元間化學(xué)鍵鍵能，酸性渣一般為共價(jià)鍵，表面張力小，堿性渣多為離子鍵，表面張力大，堿度大，表面張力大。12. 熔渣的物理性能對(duì)熔焊質(zhì)量有什么影響？答：1) 熔渣的熔點(diǎn)過高，在金屬熔煉和熔焊的過程中，將不能均勻覆蓋在液態(tài)金屬表面，保 護(hù) 效果差，還會(huì)影響焊縫外觀成型，產(chǎn)生氣孔和夾雜，一般熔渣熔點(diǎn)低于焊件熔點(diǎn) 100-200 攝氏度。2) 熔渣密度影響熔渣與液態(tài)金屬間的相對(duì)位置與相對(duì)速度，要保證熔渣與金屬密度接近 防 止形成夾雜。3) 熔渣的粘度

12、越小，流動(dòng)性越好，擴(kuò)散越容易對(duì)冶金反應(yīng)進(jìn)行有利，從焊接工藝要求出 發(fā)， 焊接熔渣粘度不能過小，否則容易流失，影響熔池在全位置焊時(shí)的成形和保護(hù)。4) 熔渣的表面張力與液態(tài)金屬間界面張力對(duì)于冶金過程動(dòng)力學(xué)及液態(tài)金屬中熔渣等雜質(zhì) 相的排出有 重要影響。它還影響到熔渣對(duì)液態(tài)金屬的覆蓋性能，并由此影響隔離保護(hù) 效果及焊縫外觀成型。13. 為什么 FeO 在堿性渣中活度系數(shù)比在酸性渣中大？這是否說明堿性渣的氧 化性高于酸性渣？為什么？數(shù)比在酸性渣中大。2 ) 但這并不能說明堿性渣的氧化性大于酸性渣3 ) 雖然堿性渣中 FeO 的活度系數(shù)大，但堿性渣中 FeO 的含量并不高，因此堿性渣對(duì) 液 態(tài)金屬的氧話性

13、比酸性渣小14. 冶煉與熔焊過程中熔渣的氧化性強(qiáng)會(huì)造成什么不良的后果？答；熔渣氧化性強(qiáng)，渣中的 FeO 更易向金屬中擴(kuò)散，使液態(tài)金屬中增氧，熔煉液態(tài)金屬增 氧容 易侵蝕爐襯，焊縫中增氧可能產(chǎn)生氣孔等缺陷。15. 采用堿性焊條施焊時(shí)，為什么要求嚴(yán)格清理去焊件坡口表面的鐵銹和氧化 皮，而用酸性焊條施焊或 max CO2 焊時(shí)對(duì)焊前清理的要求相對(duì)較低？答：這種現(xiàn)象可以用熔渣的分子理論來解釋。堿性渣中SiO2> TiO 2等酸性氧化物較少， FeO 大部分以自由狀態(tài)存在，即 FeO 在渣中的活度系數(shù)大，因而容易向金屬中擴(kuò)散，使液態(tài)金 屬中增 氧。所以在堿性焊條藥皮中一般不加入含 FeO 的物質(zhì)，并要求焊接時(shí)嚴(yán)格清除在焊 件表面上的 氧化皮和鐵銹，否則將使焊縫增氧并可能產(chǎn)生氣孔等的缺陷。而在酸性渣中，SiO 2> TiC>2 等的酸性氧化物較多，它們能與 FeO形成復(fù)雜的化合物(如 FeO、Si02)，使自 由的FeO減少， 故在熔渣中FeO含量相同的情況下，