《材料成形基本原理》(第3版)氣孔與夾雜

氣孔是鑄件或焊件最常見(jiàn)的缺陷之一。氣孔的存

在不僅減小金屬的有效承載面積，而且使局部造成應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源。

一些形狀不規(guī)

則的氣孔，則會(huì)增加缺口的敏感性，使金屬的強(qiáng)度

下降和抗疲勞能力降低。一

、氣孔的分類(lèi)及形成機(jī)理二

、夾雜物的形成及防止措施《材料成形基本原理》(第3版)析出性氣孔侵入性氣孔反應(yīng)性氣孔一、氣孔的分類(lèi)及形成機(jī)理《材料成形基本原理》(第3版)1

、析出性氣孔液態(tài)金屬在冷卻凝固過(guò)程中，因氣體溶解度下降，

析出的氣體來(lái)不及逸出而產(chǎn)生的氣孔稱(chēng)為析出性氣孔

。這類(lèi)氣孔主要是氫氣孔和氮?dú)饪?。溶解在液態(tài)金屬中的氣體元素在凝固時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏析。一般最后凝固部位的枝晶間氣體濃度遠(yuǎn)高于平均濃度，且由于此時(shí)液態(tài)金屬中雜質(zhì)元素的濃度也很高，便為析出性氣體的形核創(chuàng)造了有利條件。《材料成形基本原理》(第3版)氣泡的半徑越小，或液態(tài)金屬的密度越小、粘度越大，氣泡上浮速度越小。若氣泡上浮速度小于結(jié)晶

速度，氣泡就會(huì)滯留在凝固金屬中形成氣孔。氣泡a)Pm、PB

分別為金屬與氣泡的密度；H為金屬粘度。溶

中氣體式

有

：《材料成形基本原理》(第3版)氣泡上浮速度的斯托

克斯公式：氣體的析出過(guò)程r

為氣泡半徑；

寸：氣泡析出性氣孔的特征析出性氣孔通常分布在鑄件的整個(gè)斷面或冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域。當(dāng)金屬含氣量較少時(shí)，呈裂紋多角形狀；縫表面上看呈喇叭口形，氣孔四周有光滑的內(nèi)壁。氮?dú)饪滓?/p>

般成堆出現(xiàn)，形似蜂窩?！龊缚p金屬產(chǎn)生的析出性氣孔多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面。氫氣孔

的斷面形狀如同螺釘狀，從焊而含氣量較多時(shí)，氣孔較大，呈團(tuán)球形。《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)2、侵入性氣孔將液態(tài)金屬澆入砂型時(shí)，砂型或砂芯在金屬液的高溫作用下會(huì)產(chǎn)生大量氣體，隨著溫度的升高和氣體量的增加，金屬-鑄型界面處氣體的壓力不斷增大。當(dāng)界面上局部氣體的壓力高于外界阻力時(shí)，氣體就會(huì)侵入液態(tài)金屬，在型壁上形成氣泡。氣泡形

成后將脫離型壁，浮入型腔液態(tài)金屬中。當(dāng)氣泡來(lái)

不及上浮逸出時(shí)

，就會(huì)在金屬中形成侵入性氣孔。侵入性氣孔的特征侵入性氣孔的特征是數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表

層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，

梨尖一般指向

氣體侵入的方向。侵入的氣體一般是水蒸氣、

一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳?xì)浠衔锏取！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)3、反應(yīng)性氣孔液態(tài)金屬內(nèi)部或與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的反應(yīng)性氣孔：金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔金屬與熔渣間的反應(yīng)性氣孔液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔金屬-鑄型間反應(yīng)性氣孔常分布在鑄件表面皮下1～3mm

處，通稱(chēng)為皮下氣孔，其形狀有球狀

和梨狀，孔徑約1～3mm

。有些皮下氣孔呈細(xì)長(zhǎng)狀，垂直于鑄件表面，深度可達(dá)10mm

左右?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)金屬與熔渣間的反應(yīng)性氣孔當(dāng)液態(tài)金屬中含有混入的熔渣

(

FeO)時(shí)，會(huì)和液態(tài)金屬(或鑄型)中的

C

反應(yīng)：CaO

與

FeO殘?jiān)杂址Q(chēng)為渣氣孔。CaCO?→CaO+CO?↑CO?+Fe→FeO+CO

↑熔渣作為氣孔形核的基底，最終形成的氣孔內(nèi)含有白色的(FeO)+[c]→Fe+CO

↑當(dāng)采用石灰石砂型時(shí)，若有砂粒進(jìn)入鋼液會(huì)發(fā)生：《材料成形基本原理》(第3版)液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔(1

)碳一氧反應(yīng)性氣孔(2)氫-氧反應(yīng)性氣孔(3)碳-氫反應(yīng)性氣孔鑄件最后凝固的液相中，含有較高濃度的

[H]和[C]

時(shí)，將生成甲烷

(CH?)

氣孔?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)二

、夾雜物的形成及防止措施夾雜物的來(lái)源及分類(lèi)鑄件中的夾雜物焊縫中的夾雜物《材料成形基本原理》(第3版)爐料中的雜質(zhì)焊材、母材中的雜質(zhì)熔煉過(guò)程反應(yīng)產(chǎn)物與周?chē)橘|(zhì)(氣、固、液態(tài))間的反應(yīng)產(chǎn)物自身雜質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物1、夾雜物的來(lái)源及分類(lèi)《材料成形基本原理》(第3版)主要

來(lái)源按夾雜物化學(xué)成分按夾雜物形成時(shí)間按夾雜物形狀氧化物硫化物硅酸鹽初生夾雜物次生夾雜物二次氧化夾雜物球形多面體不規(guī)則多角形

條狀《材料成形基本原理》(第3版)夾雜物的分類(lèi)《材料成形基本原理》(第3版)夾雜物對(duì)金屬性能的影響夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，使強(qiáng)度和塑性下降；尖角形夾雜物易引起應(yīng)力集中，顯著降低沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度

；易熔夾雜物分布于晶界，不僅降低強(qiáng)度且能引起熱裂；促進(jìn)氣孔的形成，既能吸附氣體，又促使氣泡形核；在某些情況下，也可利用夾雜物改善金屬的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及細(xì)化金屬組織等。2、

鑄件中的夾雜物初生夾雜物二次氧化夾雜物次生夾雜物《材料成形基本原理》(第3版)初生夾雜物在金屬熔煉過(guò)程中及爐前處理時(shí)形成，經(jīng)歷偏晶析出和聚合長(zhǎng)大兩個(gè)階段。(2)夾雜物的聚合長(zhǎng)大夾雜物從液相中析出時(shí)尺寸很小(僅有幾個(gè)微米),數(shù)量卻很多(數(shù)量級(jí)可達(dá)108個(gè)/cm3)。

由于對(duì)流或密度差上浮或下沉，發(fā)生高頻率的碰撞和機(jī)械粘連。夾雜物粗化后運(yùn)動(dòng)速度加快，以更高的速度與其他夾雜物碰撞、聚合長(zhǎng)大。

熔點(diǎn)較低的夾雜物會(huì)重新熔化，尺寸大、密度小的夾雜物則會(huì)浮到液態(tài)金屬表面。

《材料成形基本原理》

(第3版)二次氧化夾雜物液態(tài)金屬與大氣或氧化性氣體接觸時(shí)，會(huì)很快氧化形成氧化薄膜。在澆注及充型過(guò)程中，表面氧化膜會(huì)被卷入液態(tài)金屬內(nèi)部，而此時(shí)液體的溫度

下降較快，卷入的氧化物在凝固前來(lái)不及上浮到表面，便在金屬中形成二次氧化夾雜物。這類(lèi)夾雜物常出現(xiàn)在鑄件上表面、型芯下表面或死角處?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)次生夾雜物次生夾雜物是指合

金

凝

固

過(guò)

程

中，由于偏析，

溶質(zhì)元素及雜質(zhì)元素將富集于枝晶間尚未凝固的液相內(nèi)，處于過(guò)飽和狀態(tài)而發(fā)生偏晶反應(yīng)：L?→β+L?,析出非金屬夾雜物β。由于夾雜物是從偏析液相中產(chǎn)生的，因此又稱(chēng)為偏析夾雜物?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)3、焊縫中的夾雜物焊縫中的氮化物夾雜多在焊接保護(hù)不良時(shí)出現(xiàn)，對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，主要的氮化物是Fe?N,在時(shí)效過(guò)程中過(guò)飽和析出，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界。焊縫中的硫化物夾雜主要有MnS

和FeS

兩種。

FeS

通常沿

晶界析出，并與Fe

或FeO

形成低熔點(diǎn)共晶。低碳鋼焊縫存在的氧化物夾雜主要是SiO

?

、MnO

、TiO?和Al?O

?等，一般以硅酸鹽的形式存在?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)防止焊縫產(chǎn)生夾雜物的措施正確地選擇原材料(包括母材和焊接材料),母材、

焊絲中的夾雜物應(yīng)盡量少，焊條、焊劑應(yīng)具有良好的脫氧、脫硫效果；注意工藝操作，如選擇合適的工藝參數(shù)；適當(dāng)擺動(dòng)焊條以便于熔渣浮出；加強(qiáng)熔池保護(hù)，防止空氣侵入；多層焊時(shí)清除前一道焊縫的熔渣等。600

10001400

180022002600T/℃氮、氫在鐵中的溶解度