第九章液態(tài)金屬與氣相的相互作用單元復習題第一節(jié)氣體的來源與產(chǎn)生一、填空1.藥皮焊條電弧焊時，焊接區(qū)氣體主要來源于焊條藥皮中造氣劑的，其中酸性焊條的造氣劑主要是，堿性焊條的造氣劑主要是。2.H2O蒸氣在加熱后的分解產(chǎn)物為、和，在電弧高溫作用下還會分解出原子態(tài)的與，對焊接接頭質(zhì)量極為不利。3.鑄造時的氣體主要來源于過程、過程和。4.鑄型內(nèi)的氣相組成和含量是隨、和等因素的變化而變化。二、下面各題的選項中，哪一個是錯誤的：1.藥皮焊條電弧焊過程中，焊接區(qū)的氣體包括：（1）所采用的保護氣體；（2）電弧周圍的空氣介質(zhì)；（3）藥皮中的造氣劑；（4）焊件與焊材表面吸附的水分。2.焊接區(qū)內(nèi)的氣體在室溫下分解的難易程度由難至易的順序為：（1）惰性氣體、普通雙原子氣體；（2）H2O、CO2;（3）N2、H2、O2；（4）N2、H2、CO2。3.鑄件凝固過程中，與鑄件接觸的氣體主要來自于：（1）鑄型中的水分；（2）鑄型周圍的空氣介質(zhì)；（3）鑄型中的粘結(jié)劑；（4）型腔內(nèi)未能排出的氣體。4.鐵液在澆注與凝固過程中，與其接觸的氣相具有以下特點：（1）主要成分是H2O、H2、CO和CO2；（2）在澆注后氣相的氧化性逐漸降低；（3）有機物鑄型中氣體的氧化性較無機物鑄型更強；（4）氣相的氧化性隨澆注溫度的提高而降低。三、簡答1.焊接過程中為什么要對焊接區(qū)進行保護？常用的保護氣體有哪些？2.焊條使用前為什么要烘干？酸性焊條與堿性焊條的烘干溫度有什么不同？為什么？3.MnO2和Fe2O3均為高價氧化物，對高溫金屬具有較強的氧化性，為什么要把它們作為焊條藥皮的主要成分或作為一種添加劑呢？第二節(jié)氣體在金屬中的溶解一、填空1.在一定和條件下，氣體溶入金屬的濃度，稱為該條件下氣體的溶解度。2.平方根定律用于氣體的溶解度求解，其溶解度與氣體的平方根成正比，反應的平衡常數(shù)大小取決于和的種類。3.氣體在金屬中溶解時的熱效應決定了溶解度與溫度的關(guān)系，溶解過程為放熱反應時，溶解度隨溫度的降低而，為吸熱反應時，溶解度隨溫度的降低而。4.金屬的加熱過程中，在溫度以及時刻，氣體在其中的溶解度會有一個階躍性的變化。5.氧通常以和兩種形式溶入液態(tài)鐵中，氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度的升高而，室溫下的氧絕大部分以和的形式存在。二、判斷下述命題的真?zhèn)危?.高溫下的氣體通常以分子、原子或離子狀態(tài)直接溶入液態(tài)金屬。2.溶入到液態(tài)金屬中的氣體原子如不能迅速向金屬內(nèi)部擴散，將阻礙氣體的溶入速度。3.氮、氫氣體在金屬鐵中的溶解度均隨溫度的升高而連續(xù)性增大，溫度越高，溶入的氣體越多。4.氮和氫在面心立方晶格中的溶解度比在體心立方晶格中大且氮氣的溶解度始終高于氫氣。5.氮在鋁合金中的溶解度很低，因此在鋁合金精煉時可借助于氮氣去除金屬液中的有害氣體和雜質(zhì)，在鋁合金焊接時可以采用氮氣進行保護。6.與氫能形成穩(wěn)定氫化物的合金元素在室溫下可以吸收大量的氫，隨溫度的升高溶入的氫氣會逐漸析出。7.在二元鐵合金中加入能與氮、氫、氧等氣體元素形成穩(wěn)定化合物的合金元素時，會提高相應氣體的溶解度。8.熔化極電弧焊常采用直流反接法，此時電弧中已經(jīng)電離的H+、N+等陽離子易向作為陰極的熔池中運動，使氫和氮在焊縫金屬中的含量高于按平方根定律計算出來的溶解度。9.當電弧氣氛中存在少量氧時，可有效降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度，但同時有可能增加氮的溶入量。三、簡答：1.電弧焊過程中氫氣與氮氣在熔池中的溶解方式有什么不同？2.為什么低碳鋼鑄件或焊縫中有時會出現(xiàn)氫氣孔？如何減少這類缺陷？3.哪些因素影響氣體在金屬中的溶解度，其影響因素如何？4.為什么在銅合金的精煉中，可以通過吹入氮氣來去除金屬液中的有害氣體和雜質(zhì)。第三節(jié)氣體對金屬的氧化一、填空1.在焊接和熔煉過程中，使液態(tài)金屬發(fā)生氧化的氣體通常有、和等。2.一個由“金屬－氧－氧化物”組成的系統(tǒng)中，在一定溫度下反應達到平衡時稱為該金屬氧化物的分解壓。如果環(huán)境中實際氧的分壓分解壓則金屬被氧化，反之金屬被還原。3.不僅氧可以溶解在液態(tài)鐵中，F(xiàn)eO也可以溶解在液態(tài)鐵中，這樣就使得實際FeO的分解壓，致使Fe更容易被。自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T/℃lgpO2/×101.3kPaMoO1.只有在鐵液中的FeO達到飽和時，測定出的氣相中的氧分壓才能稱之為FeO的分解壓。2.由右圖可見，隨溫度的升高金屬氧化物的分解壓降低，因此高溫下的金屬更容易被氧化。3.由于FeO的分解壓較低，因此可以用Mn、Si等分解壓較高的元素作為Fe的脫氧元素。三、簡答1.多數(shù)金屬氧化物的分解壓均隨溫度升高而升高，但為何高溫下金屬構(gòu)件的氧化速率反而會加快？2.CO2焊用焊絲中Mn、Si等合金元素的含量通常高于母材，且焊接中采用熔滴短路過渡方式，說明其原因。3.CO2、H2O和空氣在高溫下對金屬的氧化性哪個大？第四節(jié)氣體的影響與控制一、填空1.室溫下氮、氫、氧在金屬中的固溶度都很，多數(shù)情況下它們以形式或形式滯留在金屬中，使金屬的力學性能。2.氮主要來源于，它一旦進入液態(tài)金屬去除就比較困難?？刂频拇胧┦?，防止與液態(tài)金屬接觸。3.氫主要來源于，材料內(nèi)的化合物和材料表面的也是氫的重要來源。熔煉前應對原材料進行、和處理，爐膛、出鋼槽、澆包等均應充分；低氫型焊條和焊劑在使用前應進行處理。4.控制焊接工藝參數(shù)可降低焊縫金屬中氣體元素含量，如：電弧電壓時，保護效果變差，焊縫中氣體元素含量增加。焊接電流時，氣體與熔滴作用時間，焊縫中氮、氧含量減少。5.金屬熔煉過程中，在液態(tài)金屬中加入、和等對氮有較大親和力的元素，可形成不溶于液態(tài)金屬的而進入，從而減少金屬的氮含量。6.在鋁合金冶煉過程中，常常向鋁液中通入，使之與鋁液中的氫生成氣體而逸出鋁液表面。二、多項選擇1.存在于鑄件中的氮造成金屬塑性、韌性降低的原因在于氮的存在形式為：（a）固溶體；（b）過飽和固溶體；（c）氮化物；（d）氮氣孔2.氫導致鋼材脆化的主要原因在于：（a）固溶的氫；（b）擴散氫；（c）氫化物；（d）氫氣孔3.氧在金屬中的存在形式主要為：（a）固溶；（b）自由氧；（c）氧化物；（d）氧氣孔4.存在于鑄件中的氧對鑄件的危害在于使金屬的：（a）塑性降低；（b）韌性下降；（c）強度升高；（d）強度降低5.氧對于焊接過程的危害在于可以在接頭中產(chǎn)生：（a）氣孔；（b）夾雜；（c）飛濺；（d）冷裂紋；（e）合金元素含量降低6.生產(chǎn)中可以通過如下辦法來限制焊接接頭中的氫含量：（a）采用低氫型焊材；（b）焊前將焊材烘干；（c）在藥皮或焊芯中加入微量稀土元素；（d）焊后脫氫處理三、簡答題1.為什么可以將普通CO2焊稱之為低氫型的焊接方法？2.堿性焊條又稱之為低氫型焊條，說明其電弧氣相成分中低氫的原因。第九章液態(tài)金屬與氣相的相互作用單元復習題參考答案第一節(jié)氣體的來源與產(chǎn)生一、填空1.藥皮焊條電弧焊時，焊接區(qū)氣體主要來源于焊條藥皮中造氣劑的分解，其中酸性焊條的造氣劑主要是有機物，堿性焊條的造氣劑主要是碳酸鹽。2.H2O蒸氣在加熱后的分解產(chǎn)物為CO、O2和OH，在電弧高溫作用下還會分解出原子態(tài)的O與H，對焊接接頭質(zhì)量極為不利。3.鑄造時的氣體主要來源于熔煉過程、澆注過程和鑄型。4.鑄型內(nèi)的氣相組成和含量是隨溫度、造型材料種類和澆注后停留時間等因素的變化而變化。二、下面各題的選項中，哪一個是錯誤的：1.藥皮焊條電弧焊過程中，焊接區(qū)的氣體包括：（1）（1）所采用的保護氣體；（2）電弧周圍的空氣介質(zhì)；（3）藥皮中的造氣劑；（4）焊件與焊材表面吸附的水分。2.焊接區(qū)內(nèi)的氣體在室溫下分解的難易程度由難至易的順序為：（3）（1）惰性氣體、普通雙原子氣體；（2）H2O、CO2;（3）N2、H2、O2；（4）N2、H2、CO2。3.鑄件凝固過程中，與鑄件接觸的氣體主要來自于：（2）（1）鑄型中的水分；（2）鑄型周圍的空氣介質(zhì)；（3）鑄型中的粘結(jié)劑；（4）型腔內(nèi)未能排出的氣體。4.鐵液在澆注與凝固過程中，與其接觸的氣相具有以下特點：（3）（1）主要成分是H2O、H2、CO和CO2；（2）在澆注后氣相的氧化性逐漸降低；（3）有機物鑄型中氣體的氧化性較無機物鑄型更強；（4）氣相的氧化性隨澆注溫度的提高而降低。三、簡答1.焊接過程中為什么要對焊接區(qū)進行保護？常用的保護氣體有哪些？答：（1）一般金屬的氧化速率隨溫度升高而加快，電弧焊過程中熔池與熔滴都有很高的過熱度，很容易被氧化而產(chǎn)生各種焊接缺陷，因此需要對焊接區(qū)進行保護。（2）常用的保護氣體為氬氣、氦氣等惰性氣體，保護效果較好，主要用于有色金屬、或者合金含量較高的材料焊接；低碳鋼及低合金高強鋼廣泛采用CO2氣體或惰性氣體與CO2的混合氣體保護焊。2.焊條使用前為什么要烘干？酸性焊條與堿性焊條的烘干溫度有什么不同？為什么？答：（1）焊條在室溫下存放期間藥皮會吸收空氣中的水分，直接用于焊接會使電弧氣氛中增氧和增氫；（2）酸性焊條的烘干溫度一般為150~200℃，堿性焊條的烘干溫度一般為350~400℃；（3）因為酸性焊條藥皮中含有大量有機物作為造氣劑，烘干溫度過高就會提前分解。堿性焊條采用碳酸鹽作為造氣劑，它們的分解溫度較高。3.MnO2和Fe2O3均為高價氧化物，對高溫金屬具有較強的氧化性，為什么要把它們作為焊條藥皮的主要成分或作為一種添加劑呢？答：MnO2和Fe2O3這些高價氧化物的作用是造渣，它們與其他金屬氧化物以一定比例所形成的復合渣可以獲得熔點、密度、粘度等性質(zhì)較為合適的熔渣，另外還具有一定的脫氫作用。但這些高價氧化物對高溫下的金屬的確具有較強的氧化性，一般僅用于制作酸性焊條，且藥皮中要加入相應的脫氧元素。第二節(jié)氣體在金屬中的溶解一、填空1.在一定溫度和壓力條件下，氣體溶入金屬的飽和濃度，稱為該條件下氣體的溶解度。2.平方根定律用于雙原子氣體的溶解度求解，其溶解度與氣體分壓的平方根成正比，反應的平衡常數(shù)大小取決于溫度和金屬的種類。3.氣體在金屬中溶解時的熱效應決定了溶解度與溫度的關(guān)系，溶解過程為放熱反應時，溶解度隨溫度的降低而增加，為吸熱反應時，溶解度隨溫度的降低而降低。4.金屬的加熱過程中，在晶型轉(zhuǎn)變溫度以及熔化時刻，氣體在其中的溶解度會有一個階躍性的變化。5.氧通常以原子氧和FeO兩種形式溶入液態(tài)鐵中，氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度的升高而增大，室溫下的氧絕大部分以氧化物和硅酸鹽夾雜物的形式存在。二、判斷下述命題的真?zhèn)危?.高溫下的氣體通常以分子、原子或離子狀態(tài)直接溶入液態(tài)金屬。（F）2.溶入到液態(tài)金屬中的氣體原子如不能迅速向金屬內(nèi)部擴散，將阻礙氣體的溶入速度。（T）3.氮、氫氣體在金屬鐵中的溶解度均隨溫度的升高而連續(xù)性增大，溫度越高，溶入的氣體越多。（F）4.氮和氫在面心立方晶格中的溶解度比在體心立方晶格中大且氮氣的溶解度始終高于氫氣。（T）5.氮在鋁合金中的溶解度很低，因此在鋁合金精煉時可借助于氮氣去除金屬液中的有害氣體和雜質(zhì)，在鋁合金焊接時可以采用氮氣進行保護。（F）6.與氫能形成穩(wěn)定氫化物的合金元素在室溫下可以吸收大量的氫，隨溫度的升高溶入的氫氣會逐漸析出。（T）7.在二元鐵合金中加入能與氮、氫、氧等氣體元素形成穩(wěn)定化合物的合金元素時，會提高相應氣體的溶解度。（F）8.熔化極電弧焊常采用直流反接法，此時電弧中已經(jīng)電離的H+、N+等陽離子易向作為陰極的熔池中運動，使氫和氮在焊縫金屬中的含量高于按平方根定律計算出來的溶解度。（T）9.當電弧氣氛中存在少量氧時，可有效降低氫在液態(tài)鐵中的溶解度，但同時有可能增加氮的溶入量。（T）三、簡答：1.電弧焊過程中氫氣與氮氣在熔池中的溶解方式有什么不同？答：氮在高溫下多呈分子狀態(tài)，其向熔池中的溶解過程以“吸附-分解-溶入”的方式為主。氫在電弧溫度下可完全分解為原子氫，故其溶解過程以“分解-吸附-溶入”的方式為主。2.為什么低碳鋼鑄件或焊縫中有時會出現(xiàn)氫氣孔？如何減少這類缺陷？答：（1）高溫下在液態(tài)金屬中溶解的氫原子在鑄件（或熔池）的降溫過程中會過飽和析出，聚集成氫氣泡上浮，當鑄件（或熔池）的凝固較快使氣泡來不及浮出到金屬表面時就滯留在凝固金屬內(nèi)部成為氫氣孔。（2）金屬熔煉時，控制熔煉溫度或采用真空熔煉，可降低液態(tài)金屬的含氣量，還可以對液態(tài)金屬進行除氣處理；減少焊縫中氫氣孔的方法主要是限制氫氣的來源，還可以適當提高電弧氣氛中的氧含量以降低電弧中的氫分壓。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）當溫度一定時，雙原子的溶解度與其分壓的平方根成正比（2）當壓力一定時，溶解度與溫度的關(guān)系決定于溶解反應類型，氣體溶解過程為吸熱反應時，△H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時，△H為負值，溶解度隨溫度的上升而降低。（3）合金成分對溶解度的影響：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，熔滴處于陰極，陽離子將向熔滴表面運動，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；直流反接時，陽離子仍向陰極運動，但此時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)金屬時可分解為N和O，而N能迅速溶入金屬。4.為什么在銅合金的精煉中，可以通過吹入氮氣來去除金屬液中的有害氣體和雜質(zhì)。答：因為氮在銅液中的溶解度很低且基本上不與Cu發(fā)生化學反應，因此銅合金的精煉中可以通過吹入氮氣代替吹入惰性氣體。在銅液中的氮氣泡上浮過程中，周圍溶解的氣體及已形成的夾雜物顆粒易進入氣泡而得到排除。第三節(jié)氣體對金屬的氧化一、填空1.在焊接和熔煉過程中，使液態(tài)金屬發(fā)生氧化的氣體通常有O2、CO2和H2O等。2.一個由“金屬－氧－氧化物”組成的系統(tǒng)中，在一定溫度下反應達到平衡時氧氣的分壓稱為該金屬氧化物的分解壓。如果環(huán)境中實際氧的分壓大于分解壓則金屬被氧化，反之金屬被還原。3.不僅氧可以溶解在液態(tài)鐵中，F(xiàn)eO也可以溶解在液態(tài)鐵中，這樣就使得實際FeO的分解壓降低，致使Fe更容易被氧化。自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T/℃lgpO2/×101.3kPaMoO1.只有在鐵液中的FeO達到飽和時，測定出的氣相中的氧分壓才能稱之為FeO的分解壓。（T）2.由右圖可見，隨溫度的升高金屬氧化物的分解壓降低，因此高溫下的金屬更容易被氧化。（F）3.由于FeO的分解壓較低，因此可以用Mn、Si等分解壓較高的元素作為Fe的脫氧元素。（F）三、簡答1.多數(shù)金屬氧化物的分解壓均隨溫度升高而升高，但為何高溫下金屬構(gòu)件的氧化速率反而會加快？答：室溫下金屬構(gòu)件的表面往往都有一層較為致密的氧化膜以保護內(nèi)部的金屬元素不被氧化，高溫下氧原子向金屬內(nèi)部的擴散速率加快，且加熱過程易破壞氧化膜的完整性與致密性，因而促使氧化向構(gòu)件內(nèi)部深入。另一方面，如果是在熱加工的溫度下，往往會使環(huán)境中的含氧復雜氣體（如H2O、CO2等）分解，使實際氧分壓提高，也會加快氧化速度。2.CO2焊用焊絲中Mn、Si等合金元素的含量通常高于母材，且焊接中采用熔滴短路過渡方式，說明其原因。答：CO2焊是采用CO2氣體作為保護氣體，但由于電弧高溫下CO2易發(fā)生分解，電弧氣氛的氧化性較強，因此CO2焊一般只能用于合金元素含量不高的材質(zhì)的焊接。焊絲中的Mn、Si元素一般是作為脫氧元素添加的，考慮到脫氧反應的損耗所以其在焊絲中的含量需高于母材。采用熔滴短路過渡方式是為了減少熔滴金屬向熔池過渡過程中的氧化反應。3.CO2、H2O和空氣在高溫下對金屬的氧化性哪個大？答：在液態(tài)鐵存在的溫度，空氣對金屬的氧化性是最大的，其次為CO2，而H2O氣的氧化性雖然相對較弱，但在電弧高溫下分解時會同時提高氣相中H2的分壓，導致金屬增氫。第四節(jié)氣體的影響與控制一、填空1.室溫下氮、氫、氧在金屬中的固溶度都很低，多數(shù)情況下它們以化合物形式或氣孔形式滯留在金屬中，使金屬的力學性能降低。2.氮主要來源于空氣，它一旦進入液態(tài)金屬去除就比較困難?？刂频拇胧┦羌訌妼饘俚谋Ｗo，防止空氣與液態(tài)金屬接觸。3.氫主要來源于水分，材料內(nèi)的碳氫化合物和材料表面的油污也是氫的重要來源。熔煉前應對原材料進行烘干、去油和除銹處理，爐膛、出鋼槽、澆包等均應充分干燥；低氫型焊條和焊劑在使用前應進行烘干處理。4.控制焊接工藝參數(shù)可降低焊縫金屬中氣體元素含量，如：增大電弧電壓時，保護效果變差，焊縫中氣體元素含量增加。焊接電流增加時，氣體與熔滴作用時間縮短，焊縫中氮、氧含量減少。5.金屬熔煉過程中，在液態(tài)金屬中加