材料加工原理 (2)精选文档.ppt

材料加工原理本讲稿第一页，共六十一页本章主要内容概述杂质污染及其危害 保护措施冶金处理6.16.26.36.42本讲稿第二页，共六十一页概述6.11、材料加工过程特点2、温度和环境对加工质量的影响3、研究化学冶金的目的和任务3本讲稿第三页，共六十一页1、材料加工过程特点铸造焊接 锻压熔炼金属-浇注-冷却成型熔池中熔炼金属-凝固形成焊缝 加热到可塑性变形-压力促使变形 热处理 加热到相变温度以上-冷却相变表面改性 加热至熔化或相变点以上合金化、熔凝处理、相变硬化 材料热加工过程的共同特点-高温和环境4本讲稿第四页，共六十一页2、温度和环境对加工质量的影响实践表明：环境和温度影响材料的成分、组织及性能影响程度与材料和环境的特性密切相关 5本讲稿第五页，共六十一页举例1：光焊丝焊接时合金元素烧损气体含量增加氮含量增加27倍氧含量增加9倍冲击韧性和塑性降低6本讲稿第六页，共六十一页举例2：活性钛与气体的相互作用材料的活性：钛合金焊接时需要保护的范围比钢大加工温度：不同温度下钛合金对不同的环境介质表现出相异的活性7本讲稿第七页，共六十一页举例3：利用冶金反应可以提高材料的性能钛合金在氮气氛中激光表面熔化使硬度提高，耐磨性得到改善铝合金微弧氧化提高耐磨性 镁合金微弧氧化处理改善耐腐蚀性能 -化学冶金反应的结果大多是有害的，如合金元素烧损、杂质含量增加-化学冶金反应有时也可以有效利用，如表面改性、冶金反应提高材料性能10本讲稿第八页，共六十一页3、研究化学冶金的目的和任务温度、材料性质和环境特性对加工质量影响很大；冶金反应大多数是有害的，有时也是有益的；采取合理措施可以控制加工质量(带药皮的焊条)；研究化学冶金的目的和任务就是弄清楚化学冶金的 本质，为质量控制提高理论依据，避免有害反应的 发生、利用冶金反应改善加工质量。11本讲稿第九页，共六十一页杂质污染及其危害杂质种类及其危害 杂质来源 杂质与金属的相互作用6.26.2.16.2.26.2.312本讲稿第十页，共六十一页杂质的种类及其危害6.2.1H、O、N、S、P等“五害”不同的杂质、不同的材料、不同的加工过程，主要矛盾不同材料热加工过程中，存在许多共性问 题 13本讲稿第十一页，共六十一页1、氢对金属的危害在金属熔点温度，氢的溶解度有明显的突变，来不及析出而形成（1）气孔（2）金属脆化14 氢化物引起的金属脆化 过饱和的氢原子在金属慢速变形时的扩散聚集以及与位错的交 互作用引起的金属脆化本讲稿第十二页，共六十一页（1）氢气孔机理：在金属熔点温度，氢的溶解度有明显的突变。一旦合金表 面已凝固，在其内部析出的氢就不能逸出，从而在工件内部形成 气孔缺陷举例：溶于铝液内的氢虽然少于其它金属，但其在固态铝中的溶 解度非常小，液相和固相中的溶解度相差悬殊。这就是铝及其合 金铸造过程中容易出现氢气孔的主要原因。措施：为防止合金过多吸氢，加工时合金不宜过热及长期保温。15本讲稿第十三页，共六十一页（2）氢引起金属脆化a.氢化物引起的金属脆化b.过饱和的氢原子在金属慢速变形时的 扩散聚集以及与位错的交互作用引起 的金属脆化16本讲稿第十四页，共六十一页（2）氢引起金属脆化a.氢化物引起的脆化举例：在钛及其合金中，当含氢量超过了它的溶解度后，在冷却过程中会由于溶解度降低而在金属中析出脆性的片状氢化物TiH2，成为脆断时的裂源。特点：（1）脆化程度随加载变形速度加大而增大（2）温度越低脆化越严重17本讲稿第十五页，共六十一页（2）氢引起金属脆化b.过饱和的氢原子在慢速变形时扩散聚集，与位 错交互作用引起金属脆化条件（1）在一定的温度范围内（低碳钢和低合金钢室温）（2）小的变形速度原因（1）温度高氢可扩散外逸，温度低氢不易扩散聚集（2）变形速度大时，氢来不及扩散聚集后果：导致金属中出现白点和冷裂纹 18本讲稿第十六页，共六十一页2、氮对金属的危害（1）气孔液态金属在高温时可以溶解大量的氮，而在凝固时氮的溶解 度突然下降，来不及逸出（2）金属脆化a.b.氮化物脆化时效脆化19本讲稿第十七页，共六十一页（1）氮气孔氮是促使铸件或焊缝产生气孔的主要原因之一。机理：液态金属在高温时可以溶解大量的氮，而在凝固时氮的溶解度突然下降，这时，过饱和的氮以气泡的形式从液态金属中向外逸出。当液态金属的结晶速度大于气泡的逸出速度时，就会形成气孔（如铁液中含氮量超过0.01%时，易导致形成铸件中气孔缺陷）危害：导致铸件或焊缝承载能力的下降，甚至由于应力集中而成为断裂的裂纹源。20本讲稿第十八页，共六十一页（2）氮引起金属脆化a.氮化物引起的脆化机理：高温下溶入了大量的氮，在冷却过程中由金属内直接析出粗大的氮化物而引起的脆化举例:（1）含氮量高的钢冷到590以下时，过饱和的氮会以针状Fe4N析出，分布于晶界和晶内，尤其是对低温韧性的影响更为严重。（2）在炼钢时，若加入过多的铝，而生成大量的AlN，因其呈细微 的多角形颗粒状分布在晶界，也 能使材料脆化。21本讲稿第十九页，共六十一页（2）氮引起金属脆化b.时效脆化当氮以过饱和固溶体存在于钢中，随后加工过程中引起时效脆化。举例：将含有过饱和氮的钢材进 行冷冲、滚圆和弯边等工序后再进行焊接，在焊接热的作用下引起时效脆化。原因：冷作引起的塑性变形和焊 接引起的再次加热是促使氮的过饱和固溶体发生时效的外界条件。措施：加入Ti、Al、Zr等氮化物 形成元素，可抑制脆化倾向；铝镇定钢即采用这个原理。22本讲稿第二十页，共六十一页3、氧对金属的危害机械性能下降气孔 夹杂 裂纹红脆和时效 23本讲稿第二十一页，共六十一页（1）氧引起机械性能下降氧化物极容易呈薄膜状偏析于晶粒边界并最终以夹杂物形式存在于晶界。随着氧含量的增加，金 属的强度、塑性、韧性 都明显下降。特别是低 温冲击韧性急剧下降。对合金钢，尤其是对低 温用钢，影响更为显著。24本讲稿第二十二页，共六十一页（2）气孔氧引起反应性气孔机理溶解在液态金属中的氧还能与碳发生反 应，生成不溶于金属的CO气体。在液态 金属凝固时，若CO气体来不及逸出，就 会形成气孔。25本讲稿第二十三页，共六十一页（3）氧的有益作用 炼钢过程中利用氧化把多余的碳烧掉；焊接过程中，可利用氧进行除氢，减少焊缝中的氢含量；为改变焊接电弧特性和获得必要的熔渣物 理化学性能，有时在焊接材料中还需要加入少量的氧化剂。26本讲稿第二十四页，共六十一页4、硫对金属的危害（1）降低钢的塑性和韧性以及抗腐蚀性硫以FeS-Fe或FeS-FeO的共晶体形式存在片状或链状 位于钢的晶粒边界；（2）形成凝固裂纹硫共晶的熔点低FeS-Fe熔点为985；FeS-FeO熔点为940 高镍合金钢，硫的危害更为突出，因为镍与硫化镍会形成熔点更 低的共晶NiS-Ni（熔点为644），所以对凝固裂纹的影响更大；（3）引起红脆 FeS-Fe。27本讲稿第二十五页，共六十一页5、磷对金属的危害（1）磷的危害磷主要引起脆化，严重影响到金属的低温韧性引起裂纹 （2）机理铁液中磷主要以Fe2P、Fe3P的形式存在；Fe3P+Fe（1050）和Ni3P+Fe（880）属低熔点共晶；钢液凝固过程中，以块状或条状磷化物析出于晶界 处，减弱了晶粒之间的结合力，导致热裂纹；本身既硬又脆，增加冷脆性。28本讲稿第二十六页，共六十一页小结29本讲稿第二十七页，共六十一页杂质来源6.2.2主要来源于水分和有机物的分解源于大气、氧化性气体、高价氧化物分解 主要来源于空气HON S、P来源于燃料（锻压）、药皮（焊接）和 熔渣（熔炼）30本讲稿第二十八页，共六十一页1、H之源-水分和有机物的分解（1）焊接过程焊接材料，如焊条药皮、焊剂及药芯焊丝中的水分；气体保护焊时保护气体中的杂质含水气；焊丝表面上的和母材坡口附近的吸附水；制造焊条时常用的淀粉、纤维素等有机物加热到200-250后，将发生复杂的分解和燃烧，生成的气态产物中也含有少量的H2、烃和水气。31本讲稿第二十九页，共六十一页（2）铸造过程熔炼过程铸型材料 浇注过程 浇干 构不气包且 设合体未结 计理不能外逸32本讲稿第三十页，共六十一页2、O之源-大气、氧化性气体、高价氧化物分解（1）焊接过程a.进入焊接区内的气体在电弧的高温（约6000）作用下发生分解H 2 O=2H+O1CO 2 =CO+O 2233本讲稿第三十一页，共六十一页（1）焊接过程b.有机物的分解和燃烧制造焊条时常用的淀粉、纤维素等（它主要是作为造气剂和涂料的增塑剂）；焊丝 和母材表面的油污、油漆等这些物质被加热到200250后，将发生 复杂的分解和燃烧，生成的气态产物主要 是CO2，还有少量的CO、烃和水气。34本讲稿第三十二页，共六十一页（1）焊接过程碳酸盐和高价氧化物的分解c.352Mn3O4=6MnO+O24MnO2 =2Mn2 O3 +O26Mn2O3=4Mn3O4+O22Fe3O4=6FeO+O26Fe2 O3 =4Fe3O 4+O2MgCO 3 =MgO+CO 2 CaCO 3 =CaO+CO 2 本讲稿第三十三页，共六十一页（2）铸造过程熔炼过程铸型材料 浇注过程 36本讲稿第三十四页，共六十一页3、N之源-空气、材料37本讲稿第三十五页，共六十一页4、S和P之源（1）锻压：燃料锻件加热的燃气和燃油中含硫 硫含量要控制在一定范围内，例如重 油的含硫量不得超过0.5%，否则在加热过程中会引起渗硫，严重时会引起金属红脆。38本讲稿第三十六页，共六十一页4、S和P之源（2）铸造：炉料冲天炉中的铁液会从焦炭中吸收硫；铁液中的增硫量随焦铁比的提高而增 多控制焦铁比 图6-29 冲天炉熔炼中硫的分配39本讲稿第三十七页，共六十一页4、S和P之源（3）焊接：药皮和焊剂硫主要来自锰矿、赤铁矿、钛铁矿和锰铁等磷主要来自锰矿和大理石 40本讲稿第三十八页，共六十一页小结41本讲稿第三十九页，共六十一页杂质与金属的相互作用6.2.31、H、O、N的溶入2、氧化反应3、渗S和渗P42本讲稿第四十页，共六十一页1、H、O、N的溶入N2、H2、O2和水蒸汽H2O，有时还有CO2等能引起金属中气体杂质（N、H、O）含量增加分子状态不溶入金属、高温分解为原子或离子状态 才能溶入双原子分子遵循平方根定律 G=KG 2PG 2式中：KG2气体在金属中溶解反应的平衡常数；PG2气相中气体分子的分压43本讲稿第四十一页，共六十一页气体溶解度的影响因素TG、PG2G金属相结构变化，溶解度变化较大（H在比中溶解度大18倍）气相中有原子态或离子态时，溶解度比分子态 时大得多 金属的种类（N在活性金属中溶解度更大）金属中有其他合金元素时，亦影响其溶解度 44本讲稿第四十二页，共六十一页（1）氮的溶解除少数金属如铜和镍等外，氮能以原子的形式溶于大多数的金属中。氮分子分解为原子时所 需的温度很高，因此即 使在电弧焊的高温下（50006000K），它的分解度也很小。一般加工条件下气相中 很少存在能直接溶于金 属的原子态氮。气体的分解度（100kPa）45本讲稿第四十三页，共六十一页（1）氮的溶解a.溶解机理纯化学溶解过程，符合化学平衡法则。溶解过程较为复杂，包 括四个阶段：氮的溶解过程 气相中的氮分子向金属表面移动 被金属表面吸附 被吸附的分子在金属表面分解为原子态的氮 原子穿过金属表面层向金属深处扩散46本讲稿第四十四页，共六十一页（1）氮的溶解b.平衡时的溶解度 N=KN 2PN 2其中：KN2氮溶解反应的平衡常数；PN2气相中分子氮的分压。47本讲稿第四十五页，共六十一页（1）氮的溶解c.平衡常数的影响因素温度金属的种类和成分 活性金属易溶解氮，合金元素 也有影响（见下页图）金属的状态及结构：液态比固态溶解更多，固态 相变引起溶解度变化 1050 1g K=0.815 N2T金属为铁时，温度对平衡常数的影响48本讲稿第四十六页，共六十一页（1）氮的溶解平衡常数的影响因素c.49本讲稿第四十七页，共六十一页（1）氮的溶解d.小结气体分压增加，溶解度提高温度提高，溶解度增加 活性金属易溶解氮 合金元素对氮溶解度有不同的影响 金属晶体结构不同，溶解度也不同气相中有原子或离子态的氮时，溶解度更大，不受平方根定律制约1050 0.815+1 1gP1gN=N 2T250本讲稿第四十八页，共六十一页（1）氮的溶解e.控制措施加强保护防止空气侵入是有效措施、脱氮很困难 熔炼：采用熔渣覆盖或在保护气氛下、真空中熔炼 焊接：气体保护、熔渣保护、气渣联合保护举例51本讲稿第四十九页，共六十一页（1）氮的溶解e.控制措施控制加工工艺适当加入氮化物形成元素 焊接时，电弧电压增加，焊缝含氮量增加；焊接电流增加，焊缝的氮含量减少。液态金属中加入Ti、Al、Zr等能形成稳定的氮化物的元素，显著降低 气孔倾向和时效脆化的倾向。铝镇静钢就采用这一办法，降低时效脆化 倾向。52本讲稿第五十页，共六十一页（2）氢与金属的相互作用氢分子在高温下比氮容易分解为原子态。焊接电弧中（50006000K），氢分子几乎全部分解为原子氢；普通的熔炼（约为16001700），大部分是分子状态。氢能溶于所有金属。53本讲稿第五十一页，共六十一页（2）氢与金属的相互作用根据与氢的相互作 与氢不能形成稳定化合物的第类金属，如 Fe、Ni、Cu、Cr、Mo、Al、Mg和Sn等 与氢能形成稳定化合物的 第类金属，如 Ti、Zr、V、Nb和稀土等 用和吸氢规律的不 同，金属可分为两 大类 氢溶解在液态金属中 氢既被固态吸收，也能 溶解于液态金属中作用机理不同 54本讲稿第五十二页，共六十一页（2）氢与金属的相互作用氢与第类金属的相互作用熔炼时，气相中的氢以分a.子状态存在，吸氢规律服从平方根定律电焊时，弧柱气氛中存在 大量的氢原子和离子，焊接熔池中液态金属的吸氢量 不 受 平 方 根定律的控 制，大大超过了一般熔炼时的吸氢量55本讲稿第五十三页，共六十一页（2）氢与金属的相互作用氢在第类金属中溶解的影响因素b.温度和分压提高溶解度增加相变时溶解度突变 合金元素的存在影响溶解度56本讲稿第五十四页，共六十一页（2）氢与金属的相互作用c.氢与第类金属的相互作用吸氢，首先与氢形成 固 溶 体，当吸氢量超过了它的固 溶度后就以氢化物析出。在温度不太高的固态下就能 所能吸收氢的量超过了它的溶解度(固溶和化合物形式存在)，比第一类金属的大得多当温度超过了氢化物稳定的 临界温度后，氢化物分解为 自由氢原子，并扩散外逸。57第II类金属中氢的溶解度的变化本讲稿第五十五页，共六十一页（2）氢与金属的相互作用d.氢的控制 熔炼时，必须确保炉料干净、少锈和无油，除锈、预热、去油处理等。焊接时，须限制焊接材料中的限制氢的来源冶金处理 控制工艺过程脱氢处理 水含量，如烘干焊条、去除油污和氧化物等。350+1小时扩散除氢熔炼时，加入固态或气态除气剂进行除气。焊接时，在焊条药皮和焊剂中加入氟化 铸造时，适当控制液态金属的保温时间、浇注方式、冷却速度；焊接时，调整焊接工物，使氢在高温下生成比较稳定的不溶于液态金属的氢化物（如HF、OH）降低焊 缝中的氢含量；适当增加熔池中的氧含量，或提高气相的氧化性，也可以减少熔池中氢的平衡浓度。艺参数，控制熔池存在时间和冷却速度等。58本讲稿第五十六页，共六十一页（3）氧的溶解a.氧在金属中的溶解 溶解 氧化反应氧与金属的相互作用氧在不同金属中的溶解能 力不同，据此可将金属分 为两类：第类是液态和固态都不溶解氧的金属：如Al、Mg等；它们氧化生成的氧化物 如Al2O3、MgO 以单独 的相成为氧化膜或氧化 物质点悬浮于液体金属 中。第类是能有限溶解氧的金属如Fe、Cu、Ni、Ti等；第 类金属生成的氧化物如 FeO、Cu O、NiO和TiO都能溶于 2相应的金属中，直到金属中的氧浓度达到饱和为止。59本讲稿第五十七页，共六十一页（3）氧的溶解氧在第II类金属中溶解方式（氧分压）b.直接溶入：当氧的分压低于该金属氧化物的分解压时，则氧化物不存在，此时全部以氧原子方式溶入（氧原子溶入）；与氧化物一起溶入：当氧分压超1600时氧化铁的分解压为0.8*10-3Pa过金属氧化物的分解压时，在氧原子溶入的同时还有生成的氧化物一 起溶入（氧原子+氧化物溶入）。60本讲稿第五十八页，共六十一页（3）氧的溶解氧在第II 类金属中溶解的影响因素液相中的溶解度高于 在固相中的溶解度。温度升高氧在液相中溶解度提高；合金元素均使氧在铁 液中的溶解度降低；在固相中的溶解度很小，且与晶体结构有关。c.61氧在液态铁中的溶解度-时溶解度由0.16%降到0.05%和 0.001%以下；室温钢中的氧几乎全部以FeO和 其它合金元素的氧化物以及硅酸 盐等夹杂物存在。本讲稿第五十九页，共六十一页（3）氧的溶解d.氧的控制炼钢时采取有效措施进行除气焊接时纯化焊接材料和控制焊接工艺 脱氧处理 焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，采用惰性气体保护焊，低氧化性或无氧化性焊接材料；焊接电弧电压增大时，空气与熔 滴接触的机会增多，会导致焊缝氧 含量的增加。焊接材料（焊条及焊剂）中加入脱氧剂，炼钢末期向钢液中加入脱氧 剂等进行脱氧处理。62本讲稿第六十页，共六十一页气体的溶入-小结气体以分子状态不能溶入到金属中，以原子、离子或氧化物形 式可溶入金属中。双原子分子气体的平衡溶解度遵循平方根定律，但气相中有离子和原子存在时溶解度不受平方根定律限制。溶解度与分压、温度、金属种类、晶体结构、合金元素有关。温度下降溶解度降低；氢能溶于所有金属中；少数金属（铜和镍）不溶氮且活性金属易溶解氮；少数金属（镁和铝等）不能溶氧，而能溶解氧的金属也能溶解自身的氧化 物。不同合金元素对氮、氢的溶解度的影响规律不同，但对氧的溶解度的影响 规律相似；晶体结构对不同气体的溶解度影响亦不同（-转变时，氮升高、氢和氧 都降低）。63本讲稿第六十一页，共六十一页