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47 论述题论述题论述题论述题 第一章 液态金属及合金的结构和性质 1 1 1 1、液体与固体及气体比较各有哪些异同点液体与固体及气体比较各有哪些异同点液体与固体及气体比较各有哪些异同点液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏力的全部破坏力的全部破坏力的全部破坏？答：（1）液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明 相同点 不同点 液体 具有流动性，不能承受切应力；远程无序，近程有序 固体 具有自由表面；可压缩性很低 不具有流动性，可承受切应力；远程有序 液体 远程无序，近程有序；有自由表面；可压缩性很低 气体 完全占据容器空间并取得容器内腔形状；具有流动性 完全无序；无自由表面；具有很高的压缩性（2）金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：物质熔化时体积变化不大，金属熔化时典型的体积变化Vm/V 为3%5%左右，表明液体的原子间距接近于固体；但是，熵变较大，在熔点附近其系统紊乱度大于固体。金属熔化潜热 Q 熔约为汽化潜热 Q 汽的 5%（1/151/30）左右，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。2 2 2 2、液态金属的液态金属的液态金属的液态金属的表面张力有哪些影响因素表面张力有哪些影响因素表面张力有哪些影响因素表面张力有哪些影响因素？试总结试总结试总结试总结它们的规律它们的规律它们的规律它们的规律。答：液态金属的表面张力的影响因素有：（1）熔点 原子间结合力越大，其熔点越高，表面内能越大，表面张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力，研究发现有些熔点高的物质，其表面张力却比熔点低的物质低。此外，还发现金属的表面张力往往比非金属大几十倍，而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说，还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。48（2）温度)TTc(Vk32=液态金属表面张力通常随温度升高而下降，因为原子间距随温度升高而增大。（3）溶质元素 溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类 使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素表面活性元素表面活性元素表面活性元素，“活性”之义为表面浓度大于内部浓度，也称正吸附元素 提高表面张力的元素叫非表面活性元素非表面活性元素非表面活性元素非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。溶质元素对液态金属“表面活性”的影响程度，可用吉布斯（Gibbs）吸附方程式来表示：dCdRTC=合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响，主要取决于原子间结合力的改变。向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使表面张力减小，使表面内能降低，这样，将会使表面张力降低。合金元素对表面张力的影响还体现在溶质与溶剂原子体积之差。当溶质的原子体积大于溶剂原子体积，由于造成原子排布的畸变而使势能增加，所以倾向于被排挤到表面，以降低整个系统的能量。这些富集在表面层的元素，由于其本身的原子体积大，表面张力低，从而使整个系统的表面张力降低。原子体积很小的元素，如 O、S、N 等，在金属中容易进入到熔剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属表面，成为富集在表面的表面活性物质。由于这些元素的金属性很弱，自由电子很少，因此表面张力小，同样使金属的表面张力降低。大凡自由电子数目多的溶质元素，由于其表面双电层的电荷密度大，从而造成对金属表面压力大，而使整个系统的表面张力增加。化合物表面张力之所以较低，就是由于其自由电子较少的缘故。3 3 3 3、试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别，并分析充型能力与流动性的影响并分析充型能力与流动性的影响并分析充型能力与流动性的影响并分析充型能力与流动性的影响因素因素因素因素。答：(1)液态金属充型能力与流动性间的联系和区别 液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力，简称为液态金属充型能力。液态金属本身的流动能力称为“流动性是液态金属的工艺性能之一。液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。在工程应用及研究中，通常，在相同的条件下（如相同的铸型性质、浇注系统，以及浇注时控制合金液相同过热度，等等）浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金 49 的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此可以认为：合金的流动性是在确定条件下的充型能力。对于同一种合金，也可以用流动性试样研究各铸造工艺因素对其充型能力的影响。(2)充型能力与流动性的影响因素 合金的化学成分决定了结晶温度范围，与流动性之间存在一定的规律。一般而言，在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物之处流动性最好，流动性随着结晶温度范围的增大而下降，在结晶温度范围最大处流动性最差，也就是说充型能力随着结晶温度范围的增大而越来越差。因为对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好，充型能力强。而具有宽结晶温度范围的合金在型腔中流动时，断面上存在着发达的树枝晶与未凝固的液体相混杂的两相区，金属液流动性不好，充型能力差。结晶潜热。对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在一般的浇注条件下，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，充型能力越强；而对于宽结晶温度范围的合金，由于潜热放出 1520%以后，晶粒就连成网络而停止流动，潜热对充型能力影响不大。但也有例外的情况，由于 Si 晶体结晶潜热为-Al 的 4 倍以上，Al-Si 合金由于潜热的影响，最好流动性并不在共晶成分处。金属的比热密度和导热系数 比热和密度较大的合金，含的热量较多，保持液态的时间长，流动性好；导热系数小，热量散失慢，保持液态时间长，流动性好。液态金属的粘度 粘度对层流流动的流速影响较大，对紊流流动的流速影响不大。浇注系统或型腔中的流动，基木是紊流流动，粘度对流动性的影响不明显。浇注温度 液态金属温度越高其流动性越好，充型能力就越强 第二章 液态金属和合金的凝固 4 影响铸件温度场的因素有哪些影响铸件温度场的因素有哪些影响铸件温度场的因素有哪些影响铸件温度场的因素有哪些？论述其具体内容论述其具体内容论述其具体内容论述其具体内容。影响铸件温度场的因素有：金属或合金的性质、铸型的性质、浇注条件和铸件结构。（1）、金属或合金性质的影响 50 金属或合金的热扩散率 热扩散率大，铸件的温度均匀化能力强，温度梯度小。结晶潜热 金属或合金的结晶潜热大，向铸型传递的热量也大，铸型内表温度也高，铸件断面的温度梯度减小，铸件的温度分布曲线较平坦。金属或合余的凝固温度 金属或合金的凝固温度越高，界面温度越高，冷却速度越大，铸件断面的温度场有较大的温度梯度。（2）、铸型性质的影响 铸件的凝固速度是受铸型的吸热强度控制。铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数越大，铸件的冷却速度就越快，铸件中的温度梯度就越大。铸型的温度 铸型的温度越高、铸件的冷却速度越小，铸件断面的温度梯度也就越小。（3）、浇注条件的影响 金属过热的热量大约是凝固期间释放总热量的 5%6%。砂型铸造，提高浇注温度，使铸型温度提高，冷却能力变小，可使铸件断面的温度梯度减小。金属型铸造时，浇注温度的影响不明显。（4）、铸件结构的影响 铸件的壁厚 薄壁件比厚壁件的温度梯度大。铸件的形状 铸件向外凸出的曲面冷却速度比平面大，铸件内（凹）侧表面比平面冷却速度小。5 影响焊接温度场的因素有哪些影响焊接温度场的因素有哪些影响焊接温度场的因素有哪些影响焊接温度场的因素有哪些？论述其具体内容论述其具体内容论述其具体内容论述其具体内容。（1）热源的性质。热源不同，焊接温度场的分布也不同。热源作用的面积越大，温度场越大。（2）焊接线能量。焊接线能量 E=热源功率 Q焊接速度。是单位长度上施加的能量。焊接线能量，温度场的分布范围。焊接速度一定时：Q，相同等温线椭圆所包围的面积显著增大；输入功率 Q 一定时：，相同温度等温线椭圆所包围的范围显著减小（长度，宽度 51）。（3）被焊金属的热物理性质 热导率（）纯铁、碳钢和低合金钢，温度，；高合金钢，温度，。在室温时各种钢的值相差很大当温度在 800 以上时，各种钢的值几乎趋于一致。比热容（c）1g 物质每升高 1所需的热称为热容。C，使温度扩散速度。容积比热容（C）。单位体积物质每升高 1所需要的热量称为容积比热容。C，使温度扩散速度。热扩散率(a)。a 值随温度而变化。热焓（H）。单位物质所具有的全部热能，它与温度有关。表面散热系数（）。综上所述：温度场的分布是材料各种热物理参数综合作用的结果，其中和 c 的影响较大。物理常数对温度场分布的影响总趋势：（在其他条件相同或相近时），相同等温线的范围；c，相同等温线的范围；a=/c，相同等温线的范围。(4）焊件的板厚及形状 焊件厚度：相同焊接规范下，随着板厚的减薄，焊件表面的高温区域增大。第三章 液态金属及合金的结晶 6 结合图结合图结合图结合图 3 3 3 3-3 3 3 3 及图及图及图及图 3 3 3 34 4 4 4 解释解释解释解释临界晶核半径临界晶核半径临界晶核半径临界晶核半径 rc和形核功和形核功和形核功和形核功G c的意义的意义的意义的意义，结合式结合式结合式结合式（3-17）、（）、（）、（）、（3-19）和和和和（3-20）说明说明说明说明为什么形核要有一定为什么形核要有一定为什么形核要有一定为什么形核要有一定过冷度过冷度过冷度过冷度。图 3-3 G 与 r 的关系曲线 图 3-4 临界晶核所需过冷度示意图 23)(316VcGG=（3-17）222)(16)(4GrAcc=（3-19）ccAG31=（3-20）答答答答：（1）临界晶核半径 r*的意义如下：由图 3-3 知 rrc时，产生的晶核极不稳定，随即消散；r=rc时，产生的晶核处于介稳状态，既可消散也可生长；rrc时，不稳定的原子集团转化为稳定晶核，开始大量形核。故 rc表示原先不稳定的原子集团转变为稳定晶核的临界尺寸。crcG 52 临界形核功 Gc的意义如下：表示形核过程系统需克服的能量障碍，即形核“能垒”。只有当G Gc时，液相才开始形核。（2）形核必须要有一定过冷度的原因如下：临界晶核的表面积为：222)(16)(4GrAcc=又 23)(316VcGG=ccAG31=可见，形成晶核的临界功Gc 的大小为临界晶核表面能的三分之一。形核功由熔体中的“能量起伏”提供。由图 3-4 可知，rc随过冷度增大而变小，而液体中平均晶核半径 r 随过冷度的增加而增大。T*是液体金属中出现均质形核所要求的最小过冷度（临界过冷度）。即，只有液态金属的过冷度TT*时，才有液体中原子集团的平均半径r临界半径 rc，才能形成晶核。7 试述金属试述金属试述金属试述金属-金属类共晶组织金属类共晶组织金属类共晶组织金属类共晶组织的生核机理及生长机理的生核机理及生长机理的生核机理及生长机理的生核机理及生长机理。要求作图要求作图要求作图要求作图。答：金属-金属类共晶组织的生核机理如下如下图（示意图可不画出）所示，共晶转变开始时，熔体首先析出富 A 组元的 固溶体小球。相的析出促使界面前沿 B 组元原子的不断富集，且为 相的析出提供了有效的衬底，从而导致 相固溶体在 相球面上的析出。在 相析出过程中，向前方的熔体中排出 A 组元原子，也向侧面方向排出 A 原子。由于两相性质相近，从而促使 相依附于 相的侧面长出分枝。相分枝生长又反过来促使 相沿着 相的分枝的侧面迅速铺展，并进一步导致 相产生更多的分枝。交替进行，形成了具有两相并排生长的共生界面。这就是共生共晶的生核过程。金属金属金属金属-金属类共晶组织的生长机理如下金属类共晶组织的生长机理如下金属类共晶组织的生长机理如下金属类共晶组织的生长机理如下：53 在共生生长过程中，两相各自向其界面前沿排出另一组元的原子，如下图所示，若不考虑扩散，相前沿液相成分为LC高于EC，相前沿液相成分为LC低于EC。只有将这些原子及时扩散开，界面才能不断生长。扩散速度正比于溶质的浓度梯度，由于相前沿富B，而 相前沿富 A，因此，横向扩散速度要比纵向大的多，纵向扩散一般可忽略不计。于是，共晶两相通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元，彼此合作，并排地快速向前生长。8、固固固固-液界面结构对晶体长大机制的影响如何液界面结构对晶体长大机制的影响如何液界面结构对晶体长大机制的影响如何液界面结构对晶体长大机制的影响如何？同为光滑固同为光滑固同为光滑固同为光滑固-液界面液界面液界面液界面，螺旋位错生长机制螺旋位错生长机制螺旋位错生长机制螺旋位错生长机制与二维晶核生长机制的生长速度对动力学过冷度的关系有何不同与二维晶核生长机制的生长速度对动力学过冷度的关系有何不同与二维晶核生长机制的生长速度对动力学过冷度的关系有何不同与二维晶核生长机制的生长速度对动力学过冷度的关系有何不同？答答答答：（1）固-液界面结构通过以下机理影响晶体长大机制：粗糙面的界面结构,有许多位置可供原子着落，液相扩散来的原子很容易被接纳并与晶体连接起来。由热力学因素可知生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续生长”连续生长机制，其生长方向为界面的法线方向。对于光滑界面，由于光滑界面在原子尺度界面是光滑的，单个原子与晶面的结合较弱，容易跑走，因此，只有依靠在界面上出现台阶，然后从液相扩散来的原子沉积在台阶边缘，依靠台阶向侧面生长（“侧面生长”）依靠台阶生长的机制。台阶生长机制有：二维晶核生长机制和利用晶体缺陷生长的机制（螺旋位错机制，孪晶面机制等）。固-液界面结构通过以下机理来影响晶体的生长速度：对粗糙界面而言，其生长机制为连续生长，生长速度 R1与动力学过冷度Tk 成线性关系。kmkmTRTHDRT121=（D 为原子的扩散系数，R 为气体常数，1为常数）对光滑界面而言：二维晶核台阶长大的速度为 =kTbRexp22 （2、b 为常数）螺旋位错台阶长大速度为 233TR=（3为常数）(2)螺旋位错生长机制与二维晶核生长机制的生长速度对过冷度的关系不同点如下：54 对二维晶核生长机制而言，长大的速度 R2与动力学过冷度Tk 成指数关系。在 Tk 不大时,生长速度 R2几乎为零，当达到一定 Tk 时,R2突然增加很快，其生长曲线 RTk 与连续生长曲线相遇，继续增大 Tk，完全按连续方式进行。对螺旋位错生长机制而言，长大的速度 R3与动力学过冷度Tk 成抛物线关系。在过冷度不太大时，速度与 T 的平方成正比。在过冷度相当大时，其生长速度与连续生长方式相重合。由于其台阶在生长过程中不会消失，生长速度比二维台阶生长要快。此外，与二维晶核台阶生长相比较，二维晶核在 T 小时生长速度几乎为零，而螺旋位错生长方式在小 T 时却已具有一定的生长速度。第四章 金属结晶组织及其凝固控制 9 影响铸件宏观组织影响铸件宏观组织影响铸件宏观组织影响铸件宏观组织抑制柱状晶形成和长大抑制柱状晶形成和长大抑制柱状晶形成和长大抑制柱状晶形成和长大、促进等轴晶区发展促进等轴晶区发展促进等轴晶区发展促进等轴晶区发展、细化等轴晶的主细化等轴晶的主细化等轴晶的主细化等轴晶的主要因素有哪些要因素有哪些要因素有哪些要因素有哪些？（1）、金属性质 液态金属中含有强生核剂；宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度 GL。保证熔体有较宽的形核区域、促使较长的脆弱枝晶的形成；溶质含量较高，使树枝晶比较发达；结晶过程中存在长时间的对流，流动性好。（2）、浇注条件 浇注温度较低，液态金属过热度较小；能强化金属液流对型壁冲刷作用的浇注工艺。(3)、铸型性质和铸件结构 铸型蓄热系数越大，液体生核能力越强；金属型铸造比砂刑铸造易获得细等轴晶。薄壁铸件，激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷，容易获得细等轴晶。10 论述细化晶粒的措施论述细化晶粒的措施论述细化晶粒的措施论述细化晶粒的措施。答：（1）、变质处理 55 变质处理：利用向溶液添加少量元素或其化合物的方式，以控制结晶过程而改变凝固组织，从而达到细化晶粒的方法。加入的物质称为变质剂。变质剂的种类：第一类，弥散状态的难熔物质（金属或化合物）；其作用是作为新相核心，增加晶核数目。第二类，表面活性物质，其作用是吸附于某一晶面上而阻碍或延缓晶面的生长，有利于新相成核，使枝晶产生更细的脖颈，有利于枝晶的破碎与游离。（2）、合理控制热学条件 浇注温度 合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。浇注方式 通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。合理控制冷却条件 对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。（3）、孕育处理 孕育处理：是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。合理选用孕育剂 按其作用不同孕育剂可分为两类；强化非均质生核的生核（孕育）剂和强成分过冷元素孕育剂。合理确定孕育工艺 几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。合理采用瞬时孕育方法(4)振荡结晶 机械振荡法 56 在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。超声振荡法 超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。电磁振荡法 利用强磁场使液态金属发生强烈搅拌，使固液相间产生大的“摩擦”，从而消除柱状晶方向性而细化晶粒。可显著提高韧性，同时还能稍许提高强度。11 焊接接头分为哪几个区焊接接头分为哪几个区焊接接头分为哪几个区焊接接头分为哪几个区？论述不易淬火钢焊接热影响区的组织和性能特论述不易淬火钢焊接热影响区的组织和性能特论述不易淬火钢焊接热影响区的组织和性能特论述不易淬火钢焊接热影响区的组织和性能特性。答：焊接接头分 3 个区：焊缝区（熔化区）、熔合区（半熔化区）和热影响区。焊接热影响区中又分为：过热区（粗晶区）；相变重结晶（正火或细晶）区；不完全重（部分）结晶区；回火（时效脆化）区；再结晶区（如果母材有加工硬化）。（1）、过热区（粗晶区）。温度在固相线至 1100之间，宽度约 13mm。焊接时，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降。（2）、相变重结晶区（正火区或细晶区）。温度在 1100Ac3 之间，宽度约 1.24.0mm。焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理，故其组织为均匀而细小的铁素体和珠光体，力学性能优于母材。（3）、不完全重结晶区（也称部分正火区）。加热温度在 Ac3Ac1 之间。焊接时，只有部分组织转变为奥氏体；冷却后获得细小的铁素体和珠光体，其余部分仍为原始组织，因此晶粒大小不均匀，力学性能也较差。（4）回火（时效脆化）区 对于有时效敏感性的钢种，加热温度在 Ac1300的范围内，会发生应变时效，引起该区的脆化，表现出较强的缺口敏感性，但在金相组织上并无明显变化。（5）再结晶区（如果母材有加工硬化）如果母材焊前经过冷加工变形，温度在 Ac1450之间，还有再结晶区。该区域金属的力学性能变化不大，只是塑性有所增加。第五章 液态金属和合金的化学冶金 12 影响合金元素氧化程度的主要因素有哪些影响合金元素氧化程度的主要因素有哪些影响合金元素氧化程度的主要因素有哪些影响合金元素氧化程度的主要因素有哪些？57 答答答答：由式由式由式由式（5-18）)()()(/%MOMFeOMMOMfaKMx=，M为分配系数。M越大，说明合金元素 M 被氧化的程度越大。分析如下：（1）与氧的亲合力。根据化学反应式的合理加合，标准自由能与平衡常数的关系以及分解压力的概念等，可得式（5-17）的平衡常数2/1)()()/(22MOOFeOOMPPK=对氧亲合力越大的合金元素，其氧化物的分解压力越小，K 值越大，M越大，所以氧化程度也越大。（2）温度。根据范特荷夫等压方程 20/)/ln(RTHTK=若反应为吸热反应：H00，TKM，氧化程度。若反应为放热反应：H00，TKM，氧化程度。（3）熔渣碱度。如果 MO 为酸性氧化物：B（MO）M，氧化程度。如果 MO 为碱性氧化物：B（MO）M，氧化程度。（4）熔渣氧化能力。熔渣的氧化能力越强，即 a(FeO)越大，M，氧化程度。（5）合金成分。使元素 M 的活度系数 f M值增大的其他合金元素越多，M，元素 M 的氧化程度越大。13 试述熔渣脱硫的原理及影响因素试述熔渣脱硫的原理及影响因素试述熔渣脱硫的原理及影响因素试述熔渣脱硫的原理及影响因素。答：（1）熔渣脱硫的原理与扩散脱氧相似。根据它是利用 FeS 在熔渣中和金属液中的分配定律，通过在熔渣中脱 S，达到对金属的脱 S 作用。CaO、CaC2、MnO、MgO 与熔渣中的 FeS 反应而进行脱硫，当熔渣中的 FeS 含量减少时，钢液中的 FeS 就向熔渣中扩散，这样就间接达到了脱去钢液中 FeS 的目的。（2）影响因素 根据硫的分配系数：)()()(/FeOCaOFeSCaSSaKaaa=，有：温度温度温度温度。脱硫是强吸热反应，温度高，平衡常数 K 增大，S 增大。高温有利于脱硫。熔渣的碱度熔渣的碱度熔渣的碱度熔渣的碱度。碱度越高，a(CaO)越大，硫的分配系数，S 越大，脱硫越完全。熔渣的氧化能力熔渣的氧化能力熔渣的氧化能力熔渣的氧化能力。熔渣的氧化能力越弱，a(FeO)值越小，S 越大，脱硫效果越好。硫的分配系数与熔渣碱度和氧化能力的关系见图 5-14。粘度粘度粘度粘度。脱硫需要扩散，低粘度的熔渣有利于脱硫。58 动力学条件动力学条件动力学条件动力学条件。炉外脱硫、钢渣混出等工艺。最适宜脱硫的过程是高温下的碱性还原过程最适宜脱硫的过程是高温下的碱性还原过程最适宜脱硫的过程是高温下的碱性还原过程最适宜脱硫的过程是高温下的碱性还原过程。14 磷在钢中有何危害磷在钢中有何危害磷在钢中有何危害磷在钢中有何危害？试述影响脱磷的因素有哪些试述影响脱磷的因素有哪些试述影响脱磷的因素有哪些试述影响脱磷的因素有哪些。答：（1）当钢中含磷量过多时，将增加材料的冷脆性，即冲击韧性降低，脆性转变温度升高。在含碳量较高的低合金钢和奥氏体钢中，磷也会促使产生热裂纹。（2）影响脱磷的因素：根据磷的分配系数)(5522)(5252/%/OPOPOPPOfKfPx=，有：熔渣的碱度。碱度越高，)(52OP 越小，磷的分配系数P 越大，脱磷越完全。熔渣的氧化能力。a(FeO)，%O，P，脱磷越好。温度。脱磷是强放热反应，降低温度，平衡常数 K 增大，P。可见，低温有利于脱磷。渣量。渣量大有利于脱磷。但渣量也不能过多，因为造渣需要消耗大量的热，使耗电量增加，冶炼时间延长。一切碱性炉都具备脱磷条件。第六章 制品的应力、变形和裂纹 15 论述结晶裂纹的形成机理论述结晶裂纹的形成机理论述结晶裂纹的形成机理论述结晶裂纹的形成机理、产生的条件及其影响因素产生的条件及其影响因素产生的条件及其影响因素产生的条件及其影响因素。答：（1）结晶裂纹的形成机理 金属在凝固过程中要经历液-固状态和固-液状态两个阶段，在温度较高的液-固阶段，晶体数量较少，相邻晶体间不发生接触，液态金属可在晶体间自由流动，此时金属的变形主要由液体承担，已凝固的晶体只作少量的相互位移，其形状基本不变。随着温度的降低，晶体不断增多且不断长大。进入固-液阶段后，多数液态金属已凝固成晶体，此时塑性变形的基本特点是晶体间的相互移动，晶体本身也会发生一些变形。当晶体交替长合构成枝晶骨架时，残留的少量液体尤其是低熔共晶，便以薄膜形式存在于晶体之间，且难以自由流动。由于液态薄膜抗变形阻力小，形变将集中于液膜所在的晶间，使之成为薄弱环节。此时若存在足够大的拉伸应力，则在晶体发生塑性变形之前，液膜所在晶界就会优先开裂，最终形成凝固裂纹。（2）产生结晶裂纹的条件产生结晶裂纹的条件产生结晶裂纹的条件产生结晶裂纹的条件 由图 6-6 可知，焊接时产生结晶裂纹的条件为（应变 塑性）min 时，不产生热裂纹。59=min 时，处于临界状态。min 时，产生热裂纹。（3）焊缝是否产生结晶裂纹的影响因素焊缝是否产生结晶裂纹的影响因素焊缝是否产生结晶裂纹的影响因素焊缝是否产生结晶裂纹的影响因素：、脆性温度区 TB 越大，收缩应力的作用时间就越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大。、TB 内金属的塑性min 越低，产生热裂纹的倾向越大。、TB 内的应变增长率/T 越大，越容易产生裂纹。线 2 所对应的/T 为临界应变增长率，用“CST”表示。CST 越大，材料对热裂纹敏感性越小。16 分析氢在形成冷裂纹中的作用分析氢在形成冷裂纹中的作用分析氢在形成冷裂纹中的作用分析氢在形成冷裂纹中的作用，简述氢致裂纹的特征和机理简述氢致裂纹的特征和机理简述氢致裂纹的特征和机理简述氢致裂纹的特征和机理。答：（1）氢的作用 焊缝凝固时，高温下溶入液态金属中的氢将来不及析出呈过饱和态残留在接头中。由于氢原子的体积小，因此可以在接头中自由扩散，称之为接头中的扩散氢。扩散氢易于在焊接热影响区、焊趾、焊根等部位偏聚，使金属脆化。尤其是当这些部位存在显微裂纹时，扩散氢易向裂纹尖端的三向拉伸应力区扩散、聚集，当接头中的扩散氢达到氢的临界含量时，将导致冷裂纹的出现。（2）氢致裂纹的形成机理及特征 形成机理：接头中的扩散氢不仅使金属脆化，当金属内部存在显微裂纹等缺陷时，在应力的作用下，裂纹前沿会形成应力集中的三向应力区，诱使接头中的扩散氢向高应力区扩散并聚集为分子态氢，体积膨胀使裂纹内压力增高，裂纹向前扩展，在裂纹尖端形成新的三向应力区，这一过程周而复始持续进行。当接头中的氢含量超过临界值时，显微裂纹将扩展成为宏观裂纹。特征：氢致裂纹从潜伏、萌生、扩展直至开裂具有延迟特征；存在氢致延迟裂纹的敏感温度区间（Ms 以下 200至室温范围）；常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。17 预防焊接热裂纹的控制措施有哪些预防焊接热裂纹的控制措施有哪些预防焊接热裂纹的控制措施有哪些预防焊接热裂纹的控制措施有哪些？答（1）、控制成分 合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响热裂纹产生的重要因素。硫和磷 是钢中最有害的杂质元素，在各种钢中都会增加热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间，与其他元素形成多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。C0.12，P0.030%，S0.030%。一些重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂。（2）、改善焊缝凝固结晶。60 晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹的倾向就越大。金属中加入某些合金元素（如 Ti、Mo、V、Nb 等）使晶粒细化，既可破坏液态薄膜的连续性，又可打乱枝晶的方向性，从而提高金属的抗裂性。不锈钢焊接时，为了提高抗裂性、抗腐蚀性，希望得到奥氏体+铁索体双相组织焊缝（铁素体相控制在 5 左右）。（3）、调整工艺 限制过热限制过热限制过热限制过热。降低线能量采用小的焊接电流和小的焊接速度。控制成型系数控制成型系数控制成型系数控制成型系数。焊接电流不同，对成型系数 F(H/B）的限制也有所不同。减小熔合比减小熔合比减小熔合比减小熔合比。减小熔合比即减小稀释率。同样也要求降低焊接电流。降低拘束度降低拘束度降低拘束度降低拘束度。注意焊接顺序。其他其他其他其他。如控制装配间隙如控制装配间隙如控制装配间隙如控制装配间隙、改进装改进装改进装改进装配质量配质量配质量配质量。防止液化裂纹的途径与结晶裂纹的防止途径基本是一致的，也是从冶金和工艺两方面入手。18 预防焊接冷裂纹的控制措施有哪些预防焊接冷裂纹的控制措施有哪些预防焊接冷裂纹的控制措施有哪些预防焊接冷裂纹的控制措施有哪些？答：防治冷裂纹的原则：控制冷裂纹的三大影响因素。降低扩散氢量、减少组织硬化程度、降低焊接应力。（1）、焊接材料的选用 选用优质的低氢焊接材料和低氢的焊接工艺 低氢材料（或 CO2 气体保护焊）可防止焊接冷裂纹。选用低强焊条 使焊缝强度低于母材强度。选用奥氏体焊条 奥氏体组织，延迟断裂时的临界应力很高，氢的溶解度高，塑性较好，焊缝冷却至 450 左右时，可产生较大的瞬时应力，有利马氏体转变等，都可降低产生冷裂纹倾向。特殊微量元素的应用 Te、Se 及稀土元素。（2）、焊接工艺的作用 61 确定焊接工艺时要考虑的问题：防止奥氏体晶粒粗化，利于氢的逸出和组织的硬化。合理选择预热温度 合适的焊接线能量 采用多层焊工艺 总之，低合金高强钢焊接冷裂纹的防冶：预热+合适的焊接线能量+低氢焊材。第九章 气孔 19 什么是反应性气孔什么是反应性气孔什么是反应性气孔什么是反应性气孔？根据反应物的作用对象和反应场所不同根据反应物的作用对象和反应场所不同根据反应物的作用对象和反应场所不同根据反应物的作用对象和反应场所不同，论述液态成形中反应性论述液态成形中反应性论述液态成形中反应性论述液态成形中反应性气孔的具体类别气孔的具体类别气孔的具体类别气孔的具体类别。答：金属与铸型之间、金属与熔渣之间或金属液内部某些元素、化合物之间发生化学反应所产生的气孔，称为反应性气孔。根据反应物的作用对象和反应场所不同，反应性气孔可具体分为一下 4 类：（1）金属与铸型间的反应性气孔皮下气孔 由于液态金属与铸型间的化学冶金作用，而产生的气孔。Fe+H2OFeO+H2 Mg+H2OMgO+H2 22nHOMeOnHMemnm+=+金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下 13 mm 处，通称为皮下气孔皮下气孔皮下气孔皮下气孔，其形状有球状和梨状，孔径约 13 mm。有些皮下气孔呈细长状，垂直于铸件表面，深度可达 10 mm 左右。(2)在钢焊缝中引起的 CO 气孔 钢在焊接时，由于冶金反应而产生了大量的 CO，如：C +O =CO FeO +C=CO+Fe是造成 CO 气孔的主要原因。MnO+C=CO+Mn SiO2+2C=2CO+Si 由于 CO 不溶于金属，在较低温度下，可能形成气孔。（3）金属与熔渣间的反应性气孔渣气孔 当液态金属中含有混入的熔渣（FeO）时，会和液态金属（或铸型）中的 C 反应：()+COFeCFeO 62 当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液会发生：+23COCaOCaCO +COFeOFeCO2 熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有白色的 CaO 与 FeO 残渣所以又称为渣气孔。（4）液态金属内元素间的反应性气孔 碳-氧反应性气孔 溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成 CO 气泡，凝固时来不及浮出的气泡形成 CO 气孔。铸件中的 CO 气孔多呈蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的 CO 气孔为沿结晶方向的条虫状。氢-氧反应性气孔 溶解在液态金属中的O和H 反应生成 H2O 气泡，产生水气孔。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。碳-氢反应性气孔 铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的 H 和 C 时，将生成甲烷（CH4）气孔。第十章 非金属夹杂物 20 论述不同种类论述不同种类论述不同种类论述不同种类夹杂物的分布规律夹杂物的分布规律夹杂物的分布规律夹杂物的分布规律。（1）能作为金属的非自发结晶核心的非全属夹杂物的分布 若非金属夹杂物的晶体学取向与液态金属相同或相近，两者的界面能很小时，可作为金属的非自发结晶核心，则以非自发结晶核心的形式存在。一般情况下，分布相对均匀，此类夹杂物不对合金性能构成威胁。（2）微小的固体夹杂物的分布 不能成为非自发结晶核心的微小固体夹杂物，可分布在树枝状晶内或被晶体所排斥而分布在晶界。如果晶体生长速度超过了液流补充的速度，则夹杂物与凝固界面的距离将逐渐缩小以致相互接触。夹杂物分布在晶内。如果液流补充速度等于或超过了晶体生长速度，则夹杂物与凝固界面的距离将逐渐扩大或保持不变。夹杂物分布在晶界。（3）能上浮的液态和固态夹杂物 不溶解在金属液中的低熔点液态夹杂物及固态夹杂物，会在金属液中产生运动，相互碰 63 撞并聚集粗化。加速了其上浮速度，一般可去除。在铸件中，这些夹杂物可移至冒口而排除，或保留在铸件的上部及上表面层。