材料成形基本原理课后习题答案

第一章习题

1 . 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 液具有流动性，不能承受切应力；远程无序，具有自由表体 近程有序 面；可压固缩性很低 不具有流动性，可承受切应力；远程有序 体 液完全占据容器远程无序，近程有序；有自由表面；可压体 空间并取缩性很低 得容器内腔形状；完全无序；无自由表面；具有很高的压缩气体 具有流动性 性

（2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说

明：

① 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。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，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。

② 金属熔化潜热?Hm约为气化潜热?Hb的1/15~1/30，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 . 如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N1 、平均原子间

距r1各表示什么？

答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几

率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。 N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。

r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示

某液体的平均原子间距。

3． 如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实

验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。

1

答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规

则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。

近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着

的局域有序的原子集团

（2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证 ① 偶分布函数的特征

对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函

数g(r)在任何位置均相等，呈一条直线g(r)=1。晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。 ② 从金属熔化过程看

物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。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，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。另一方面，金属熔化潜热?Hm约为气化潜热?Hb的1/15~1/30，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。可以说，在熔点（或液相线）附近，液态金属（或合金）的原子集团内短程结构类似于固体。

③ Richter等人利用X衍射、中子及电子衍射手段，对碱金属、Au、Ag、

Pb和Tl等熔体进行了十多年的系统研究，认为液体中存在着拓扑球状密排结构以及层状结构，它们的尺寸范围约为10-6-10-7cm。

④ Reichert观察到液态Pb局域结构的五重对称性及二十面体的存在，并推

测二十面体存在于所有的单组元简单液体。

⑤ 在Li-Pb、Cs-Au、Mg-Bi、Mg-Zn、Mg-Sn、Cu-Ti、Cu-Sn、 Al-Mg、

Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均被发现有化学短程序的存在。

4．如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？

答：理想纯金属是不存在的，即使非常纯的实际金属中总存在着大量杂质

原子。实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构相当复杂。 能量起伏是指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能

量也在随时间不停地变化，时高时低的现象。

结构起伏是指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断地分化组合，

由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，

2

同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。

浓度起伏是指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素之间的原子

间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象。

5. 根据图1-10及式（1-7）说明为动力学粘度η的物理意义，并讨论液体

粘度η（内摩擦阻力）与液体的原子间结合力之间的关系。 答：物理意义：作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速

度梯度dVX/dy的比例系数。

通常液体的粘度表达式为??Cexp(U/kBT)。这里kB为Bolzmann常数，U

为无外力作用时原子之间的结合能（或原子扩散势垒），C为常数，T为热力学温度。根据此式，液体的粘度η随结合能U按指数关系增加，这可以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高。

6． 总结温度、原子间距（或体积）、合金元素或微量元素对液体粘度η高

低的影响。 答：η与温度T的关系受两方面（正比的线性及负的指数关系）所共同制约，

但总的趋势随温度T而下降。

粘度随原子间距δ增大而降低，与?3成反比。

合金组元或微量元素对合金液粘度的影响比较复杂。许多研究者曾尝试描

述二元合金液的粘度规律，其中M-H（Moelwyn-Hughes）模型为：

（1-9）

式中η1、η2、X1、X2 分别为纯溶剂和溶质的粘度及各自在溶液中的mole

分数，R为气体常数，Hm 为两组元的混合热。按 M-H模型，如果混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升。根据热力学原理，Hm为负值表明异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高。M-H模型得到了一些实验结果的验证。

当溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，由于合金液中存在异类原子间较

强的化学结合键，合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度。 当合金液中存在表面及界面活性微量元素（如Al-Si合金变质元素Na）时，

由于冷却过程中微量元素抑制原子集团的聚集长大，将阻碍金属液粘度的上升。通常，表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质的

3

?Hm?????(X1?1?X2?2)?1?2RT???

存在使粘度提高。

7．过共析钢液η=0.0049Pa﹒S，钢液的密度为7000kg/m3，表面张力为

1500mN/m，加铝脱氧，生成密度为5400 kg/m3的Al2O3 ，如能使Al2O3颗粒上浮到钢液表面就能获得质量较好的钢。假如脱氧产物在1524mm深处生成，试确定钢液脱氧后2min上浮到钢液表面的Al2O3最小颗粒的尺寸。

2g(?m??B)r2????答： 根据流体力学的斯托克斯公式：9，式中：?为夹杂物

和气泡的上浮速度，r为气泡或夹杂的半径，ρm为液体合金密度，ρB

为夹杂或气泡密度，g为重力加速度。

r?9????1.34?10?42g(?m??B)m

分析物质表面张力产生的原因以及与物质原子间结合力的关系。

答：表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固

体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。

原子间结合力越大，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，与上述论点相反的例子大量存在。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，如Mg与Zn同样都是二价金属，Mg的熔点为650℃，Zn的熔点为420℃，但Mg的表面张力为559mN/m；Zn的表面张力却为782mN/m。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。

9． 表面张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧（两相）质点

间结合力的大小有何关系？

答：界面张力与界面自由能的关系相当于表面张力与表面自由能的关系，

即界面张力与界面自由能的大小和单位也都相同。表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，而前者特指液体或固体与气体之间的交界面，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力为物体的表面能和表面张力。

当两个相共同组成一个界面时，其界面张力的大小与界面两侧（两相）质

4

点间结合力的大小成反比，两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力就小。

10．液态金属的表面张力有哪些影响因素？试总结它们的规律。 答：液态金属的表面张力的影响因素有： （1）原子间结合力

原子间结合力越大，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。 （2）温度

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）合金元素或微量杂质元素

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。 （4）溶质元素的自由电子数目

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。

11． 设凝固后期枝晶间液体相互隔绝，液膜两侧晶粒的拉应力为1.5×

103Mpa，液膜厚度为1.1×10-6mm，根据液膜理论计算产生热裂的液态金属临界表面张力。 答：?= f T/2=0.825N/m

5

而下降的斜率大于固相GS的斜率的理由。并结合图3-1及式（3-6）说明过冷度ΔT是影响凝固相变驱动力ΔG的决定因素。

答：(1)等压时物质自由能G随温度上升而下降的理由如下： 由麦克斯韦尔关系式： dG??SdT?VdP （1）

??F??F?dF(x,y)???dx????y?x?y??并根据数学上的全微分关系：

???dy?x

得： 比较（1）式和（2）式得：

??G???G?dG???dT???dP?T?P??P??T

??G????V?P??T（2）

??G?????S,?T??P

等压时dP =0 ，此时 （3）

由于熵恒为正值，故物质自由能G随温度上升而下降。

(2)液相自由能GL随温度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率的理由如下： 因为液态熵大于固态熵，即： SL ＞ SS 所以： ??G???G???? ? ? T ? P ＞ ??T??PSL

即液相自由能GL随温度上升而下降 的斜率大于固相 G S 的斜

率 。

(3)过冷度ΔT是影响凝固相变驱动 力ΔG

的决定因素的理由如下： 右图即为图3-1

其中：?GV表示液－固体积自由能之差 Tm 表示液-固平衡凝固点 从图中可以看出：

T > Tm 时，ΔG=Gs-GL﹥0，此时 固相→液相 T = Tm 时，ΔG=Gs-GL =0，此时 液固平衡 T < Tm 时，ΔG=Gs-GL＜0，此时 液相→固相 所以ΔG 即为相变驱动力。 再结合（3-6）式来看，

?GV???Hm??TTm??G?dG??SdT???dT??T?P

（其中：ΔHm —熔化潜热， ΔT (?Tm?T)—过冷度） 由于对某一特定金属或合金而言，Tm及ΔHm均为定值， 所以过冷度ΔT是影响凝固相变驱动力ΔG的决定因素 。

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怎样理解溶质平衡分配系数K0的物理意义及热力学意义？ 答：（1）K0的物理意义如下： 溶质平衡分配系数K0定义为：特定

温度T*下固相合金成分浓度TCS 与液相合金成分浓度CL 达到平衡时的比值：

?CS?CL??K0＜1T*C0K0C0/K0K0 = K0＜1时，固相线、液相线构成的张

角朝下，K0越小，固相线、液相线张开程度越大，开始结晶C，à 平衡分配系数K的物理意义 时与终了结晶时的固相成分差

别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。

K0＞1时，固相线、液相线构成的张角朝上，K0越大，固相线、液相线张

开程度越大，开始结晶时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。 （2）K0的热力学意义如下：

根据相平衡热力学条件，平衡时溶质在固相及液相中化学位相等

SOC*C*L?iL(T)??iS(T)

K0?*CS*CL经推导

fiL?fiS?1,?fiLfiSexp[*CS*CLLS?oi(T)??oi(T)RT] （1）

]稀溶液时，于是有：

由（1）及（2）式可知溶质平衡分配系数主

要取决于溶质在液、固两相中的标准化学位，对于实际合金，还受溶质在液、固两相中的活度系数f影响。平衡时溶质在固相和液相中化学位相等，即

?iL(T)??iS(T) 。当平衡被打破时，?iL(T)??iS(T)。欲达到新平衡，只有通

K0??exp[LS?oi(T)??oi(T)RT （2）

过溶质扩散改变液固两相溶质组元活

度，从而建立新的平衡，使

?iL(T)??iS(T)。

3．结合图3-3及图3－4解释临界晶核半径

r*和形核功ΔG*的意义，以及为什么形核要有一定过冷度。 答：（1）临界晶核半径r*的意义如下：

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图3-3 液相中形成球形晶胚时自由能变化 r＜r*时，产生的晶核极不稳定，随即消散；

r =r*时，产生的晶核处于介稳状态，既可消散也可生长； r＞r*时，不稳定的晶胚转化为稳定晶核，开始大量形核。 故r*表示原先不稳定的晶胚转变为稳定晶核的临界尺寸。 临界形核功ΔG*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ΔG≥ΔG*时，

液相才开始形核。

rrormaxr*ΔT *T1ΔT1TNTmT

图3-4 液态金属r°、r*与T的关系及临界过冷度ΔT *

（2）形核必须要有一定过冷度的原因如下： 由形核功的公式：

?G?he

316??LS316?3?VSTm?G????SL???H?T3m?????2 （均质形核）

=

对某种晶体而?SL、?Hm、Tm言，VS、

均为定值，ΔG*∝ΔT－2，过冷度ΔT 越小，形核功ΔG*越大，ΔT→0时，

ΔG*→∞，这表明过冷度很小时难以形核，所以物质凝固形核必须要有一定过冷度。

4．比较式（3-14）与式（3-18）、式（3-15）与式（3-19），说明为什么异质

形核比均质形核容易，以及影响异质形核的基本因素和其它条件。

?Tm?VS???T??Hm??2?3cos??cos3???4? （非均质形核）

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答： rhe*=

?rho???2?SLVS2?SL?Vs?Tm??GV?Hm??T （3-14）

2?SLVS2?SLVSTm??GV?Hm?T? （3-18）

???? （3-15）

22?Gho16?3?VSTm???SL???H?T3m?

（1）异质形核比均质形核容易的原因如下： 首先，从（3-14）式和(3-18)式可以看出：

非均质形核时的球缺的临界曲率半径与均质形核时的相同，但新生固相的

球缺实际体积却比均质形核时的晶核体积小得多 ，所以，从本质上说，液体中晶胚附在适当的基底界面上形核，体积比均质临界晶核体积小得多时便可达到临界晶核半径 。 再从（3-15）式和(3-19)式可以看出： ΔG

?he?Ghe*?16??33LS?Tm?VS???T??Hm??2?3cos??cos3???4? (3-19)

?1?(2?3cos??cos3?)??Gho4

2?3cos??cos3?f????4?he??f(?)??Gho令 ，其数值在0~1之间变化

则 ΔG

显然接触角?大小(晶体与杂质基底相互润湿程度)影响非均质形核的难易程

度。 由于通常情况下，接触角?远小于180o，所以，非均质形核功ΔGhe远小于均质形核功ΔG ，非均质形核过冷度ΔT*比均质形核的要小得多。 综合上述几方面原因，所以异质形核比均质形核容易得多。 (2)影响异质形核的基本因素如下：

首先，非均质形核必须满足在液相中分布有一些杂质颗粒或铸型表面来提

?Ghe供形核基底。其次，接触角??180°， 因为当??180°时，=ΔGho*，

*??ho此时非均质形核不起作用。 影响异质形核的其它条件：

a.基底晶体与结晶相的晶格错配度的影响。

（aN —结晶相点阵间隔，aC —杂质点阵间隔）

错配度δ越小，共格情况越好，界面张力σSC越小，越容易进行非均质形核。 b.过冷度的影响。

过冷度越大，能促使非均匀形核的外来质点的种类和数量越多，非均匀

形核能力越强。

14

??ac?aN?100%aN

讨论两类固-液界面结构（粗糙面和光滑面）形成的本质及其判据。 答：（1）a.固-液界面结构主要取决于晶体生长时的热力学条件及晶面取向。 设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一晶面）的配位数为η，晶体表面

上有N个原子位置只有NA个固相原子（），则在熔点Tm时，单个原子由液相向固-液界面的固相上沉积的相对自由能变化为：

~?Hm?FS?NkTmkTm?????x(1?x)?xlnx?(1?x)ln(1?x)???

?ax(1?x)?xlnx?(1?x)ln(1?x)

x?NAN

~?Hm???????kTm??? （1）

（2）

~~?Hm/Tm??S?k为玻尔滋曼常数，f为单个原子的熔融熵，被称为Jackson因

子。

通过分析比较不同?值时相对自由能与界面原子占据率可以看出：

?≤2时，ΔFS在x=0.5（晶体表面有一半空缺位置）时有一个极小值，即

自由能最低；

2＜?＜5时，ΔFS在偏离x中心位置的两旁（但仍离x=0或x=1处有一定

距离）有两个极小值。此时，晶体表面尚有一小部分位置空缺或大部分位置空缺；

?＞5时，ΔFS在接近x=0或x=1处有两个极小值。此时，晶体表面位置几

乎全被占满或仅有极少数位置被占据。?非常大时，ΔFS的两个最小值出现在x→0，x→1的地方（晶体表面位置已被占满）。

?若将?=2，??2k?=0.5同时代入（2）式，单个原子的熔融熵为：

~?Sf=

~?Hm???k/Tmv

，对于一摩尔，熔融熵ΔSf =4kNA=4R（其中：NA为阿伏加

德罗常数，R为气体常数）。由（2）式可知，熔融熵ΔSf上升，则?增大，所以ΔSf≤4R时，界面以粗糙面为最稳定，此时晶体表面容易接纳液相中的原子而生长。熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。因此，液-固微观界面结构究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于物质的热力学性质。

另一方面，对于热力学性质一定的同种物质，η/ν值取决于界面是哪个晶面

族。对于密排晶面，η/ν值是高的，对于非密排晶面，η/ν值是低的，根据式（2），η/ν值越低，?值越小。这说明非密排晶面作为晶体表面（固-液界面）时，微观界面结构容易成为粗糙界面。 b.晶体生长界面结构还会受到动力学因素的影响，如凝固过冷度及结晶物质

在液体中的浓度等。过冷度大时，生长速度快，界面的原子层数较多，

15

1?4k0.5

吸收气体为放热反应时，△H为负值，溶解度随温度的上升而降低。 （3）合金成分对溶解度的影响：液态金属中加入能提高气体含量的合金元

素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则可降低气体的溶解度。此外，合金元素还能改变金属表面膜的性质及金属蒸气压，从而影响气体的溶解度。 （4）电流极性的影响：直流正接时，熔滴处于阴极，阳离子将向熔滴表面

运动，由于熔滴温度高，比表面积大，故熔滴中将溶解大量的氢或氮；直流反接时，阳离子仍向阴极运动，但此时阴极已是温度较低的溶池，故氢或氮的溶解量要少。

（5）焊接区气氛性质的影响：气体分子或原子受激后溶解速度加快；电弧

气氛中的阳离子N+或H+可直接在阴极溶解；在氧化性电弧气氛中形成的NO，遇到温度较低的液态金属时可分解为N和O，而N能迅速溶入金属。

4. 电弧焊时，气体在金属中的溶解度是否服从平方根定律？为什么？ 答：当温度一定时，双原子气体的溶解度与其分压的平方根成正比，这一

规律称为平方根定律，但是电弧焊时，金属液体的温度是变化的，所以气体在金属中的溶解度不服从平方根定律。

5. CO2、H2O和空气在高温下对金属的氧化性哪个大？

答：在液态铁存在的温度，空气对金属的氧化性是最大的，而H2O 气的氧

化性比 CO2小。

6. 控制铸件或焊缝氮含量的重要措施是什么？ 答：

1．限制气体的来源 氮主要来源于空气，控制氮的首要措施是加强对金属

的保护，防止空气与金属接触。

2．控制工艺参数 金属中氮的含量与工艺参数密切相关。应尽量采用短弧

焊。焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。

3．冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮除气处理，是降低金属中

气体含量的有效方法。液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入溶渣，从而减少金属的氮含量。

7. 氮、氢、氧对金属的质量有何影响？

答：1．使材料脆化 钢材中氮、氢或氧的含量增加时，其塑性和韧性都将

下降，尤其是低温韧性下降更为严重。

31

2．形成气孔 氮和氢均能使金属产生气孔。液态金属在高温时可以溶解大

量的氮或氢，而在凝固时氮或氢的溶解度突然下降，这时过饱和的氮或氢以气泡的形式从液态金属中向外逸出。当液态金属的凝固速度大于气泡的逸出速度时，就会形成气孔。

3．产生冷裂纹 冷裂纹是金属冷却到较低温度下产生的一种裂纹，其危害

性很大。氢是促使产生冷裂纹的主要因素之一。 4．引起氧化和飞溅 氧可使钢中有益的合金元素烧损，导致金属性能下降；

焊接时若溶滴中含有较多的氧和碳，则反应生成的CO气体因受热膨胀会使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性。此外应当指出，焊接材料具有氧化性并不都是有害的，有时故意在焊接材料中加入一定量的氧化剂，以减少焊缝的氢含量，改善电弧的特性，获得必要的熔渣物化性能。

8.如何控制铸件或焊缝氢的含量？

答：控制铸件或焊缝氢的含量的措施有：

1．限制气体的来源：氢主要来源于水分，包括原材料本身含有的水分、材

料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。此外材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。因此原材料使用前均应进行烘干、去油、除锈等处理；炉膛、除钢槽、浇包等均应充分干燥。

2．控制工艺参数：应尽量采用短弧焊，控制液态金属的保温时间、浇注方

式、冷却速度，或调整焊接工艺参数，控制熔池存在时间和冷却速度等，可在一定程度上减少金属中氢的含量。3．冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。在金属冶炼过程中，常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢。

第八章 液态金属与熔渣的相互作用

1．比较熔焊与熔炼过程中熔渣作用的异同点。

熔渣对于焊接、合金熔炼的积极作用主要有机械保护作用，冶金处理作用

和改善成形工艺性能作用。

在焊接、合金熔炼过程中，熔渣对液态金属的机械保护方面的作用是相同

的，熔渣比重轻于液态金属高温下浮在液体表面，避免液态金属中合金元素氧化烧结，防止气相中氮氢氧硫溶入，减少液态金属散热损失。 而在熔焊过程中，熔池凝固后，熔渣凝固形成渣壳，覆盖在焊缝上，还可

继续保护处在高温下焊缝金属免疫空气的有害作用。

32

在熔渣的冶金处理作用方面，熔焊过程和合金熔炼过程中，均可利用熔渣

与液态金属之间发生物化发应，去除金属中有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷，去氢等，熔渣还可以起到吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物作用。而在熔焊过程，还可以通过熔渣向熔缝中过度合金。

在熔焊过程中，熔渣还有改善焊缝成形性的作用，适当熔渣对电弧引燃，

稳定燃烧，减少飞溅，改善脱渣性能及焊接外观成形等焊接工艺有利

2．由熔渣的离子理论可知，液态碱性中自由氧离子的浓度远高于酸性渣，

这是否意味着碱性渣的氧化性要比酸性渣更强？为什么？

答：不一定比酸性渣强。因为离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度定

义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度就越大，虽然液态碱性渣中自由氧离子的浓度远大于酸性渣，但是它不一定与熔渣中的某些物质反应，进而不能体现出其具有氧化性，而酸性渣则可以，熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不稳定的氧化物FeO 的高低及该氧化物在熔渣中的活度来衡量的。

3．本章介绍了熔渣的哪些物理性能？这些性能与熔渣的组成或碱度有什么

联系？

答：1）主要介绍了熔渣的凝固温度和密度，熔渣的粘度，熔渣的表面张力

及界面张力及性能。

熔渣的凝固温度和密度主要取决于熔渣的成分，以一定比例构成的复合渣

可使凝固温度大大降低，一般保持熔渣熔点低于金属熔点100~200摄氏度，熔渣的粘度与它的化学成分有关，含SiO2多的渣粘度大，含TiO2多的熔渣粘度小，熔渣表面张力主要取决与熔渣组元间化学键键能，酸性渣一般为共价键，表面张力小，碱性渣多为离子键，表面张力大，碱度大，表面张力大。

4．熔渣的物理性能对熔焊质量有什么影响？

答：1）熔渣的熔点过高，在金属熔炼和熔焊的过程中，将不能均匀覆盖在

液态金属表面，保护效果差，还会影响焊缝外观成型，产生气孔和夹杂，一般熔渣熔点低于焊件熔点100~200摄氏度。

2）熔渣密度影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对速度，要保证熔渣与

金属密度接近防止形成夹杂。

熔渣的粘度越小，流动性越好，扩散越容易对冶金反应进行有利，焊接工

艺要求出发，焊接熔渣粘度不能过小，否则容易流失，影响熔池在全位置焊时的成形和保护。

熔渣的表面张力与液态金属间界面张力对于冶金过程动力学及液态金属中

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熔渣等杂质相的排出有重要影响。它还影响到熔渣对液态金属的覆盖性能，并由此影响隔离保护效果及焊缝外观成型。

5．1600摄氏度时，炼钢熔池中熔渣的成分为：

氧化物 Cao Mgo Mno Feo Fe2O3 SiO2

P2O5

重量（%） 46.59 3.2 5.68 13.82 4.47 24

2.24

钢水含氧0.07%，问熔渣对钢水而言是氧化渣还是还原渣？ 解： W（SiO2+P2O5）=26.24% W(Cao+Mgo+Mno)=55.47% 查图8-4得：Feo的碱度系数为0.65 Lg[%O]max= -6320/T+2.734 当T=1600时，[%O] max =0.23 因为[%O]= [%O] max *0.65=0.23*0.65=0.15

在1600摄氏度时熔渣与液态金属构成的系统达到平衡时的液态金属中含氧

量为0.15%，而实际中钢水含氧0.07%〈0.15%，固熔渣对钢水而言是氧化渣。

6．为什么Feo在碱性渣中活度系数比在酸性渣中大？这是否说明碱性渣的

氧化性高于酸性渣？为什么？

答：1）渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，Feo大部分以自由态存在，即

F eo在渣中活度系数比在酸性渣中大。

2）但这并不能说明碱性渣 的氧化性大于酸性渣

3）虽然碱性渣中FeO的活度系数大，但碱性渣中FEO的含量并不高，因

此碱性渣对液态金属的氧话性比酸性渣小

7．冶炼与熔焊过程中熔渣的氧化性强会造成什么不良的后果？

答；熔渣氧化性强，渣中的FeO更易向金属中扩散，使液态金属中增氧，

熔炼液态金属增氧容易侵蚀炉衬，焊缝中增氧可能产生气孔等缺陷。

8．采用碱性焊条施焊时，为什么要求严格清理去焊件坡口表面的铁锈和氧

化皮，而用酸性焊条施焊或max CO2焊时对焊前清理的要求相对较低？

答：这种现象可以用熔渣的分子理论来解释。碱性渣中SiO2、TiO2等酸性

氧化物较少，FeO大部分以自由状态存在，即FeO在渣中的活度系数大，因而容易向金属中扩散，使液态金属中增氧。所以在碱性焊条药

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皮中一般不加入含FeO的物质，并要求焊接时严格清除在焊件表面上的氧化皮和铁锈，否则将使焊缝增氧并可能产生气孔等的缺陷。而在酸性渣中，SiO2、TiO2等的酸性氧化物较多，它们能与FeO形成复杂的化合物（如FeO、SiO2），使自由的FeO 减少，故在熔渣中FeO含量相同的情况下，扩散到金属中的氧较少，CO2焊采用Mn,Si沉淀脱氧，CO2焊脱氢能力强，所以用酸性焊条施焊或CO2焊时对焊前清理的要求相对较低。

9试比较表8-1中各种焊接熔渣的氧化性强弱。

表8-1 焊接熔渣的化学成分举例 焊熔渣化学成分（%） SiOTiAl2FeMnCaMgNaK2条

OOOO OO 2或 2

O23 焊

剂类型

钛23.3710.6.11.3.0.5 2.2 2.

.0 9 7 7 型 4

7

钛25.303.5 9.13.8.5.2 1.7 2.

.5 7 8 钙1

2 型

钛29.141.1 1526.8.1.3 1.4 1.

..5 7 铁2

0 6 矿

型

氧40.1.4.5 2219.1.4.6 1.8 1.

3 .3 3 化4

7 铁

型

纤34.175.5 1114.2.5.8 3.8 4.

..4 1 维7

5 9 素

型

低24.7.1.5 4.3.5 35—- 0.8 0.0 0 .氢1

8

35

熔渣碱度 CaＢ１ Ｂ２ OF

2

— 9 — 3 — 1

0.43 0.76

-2.0 -0.9

0.88 -0.1

— 5

0.60 -0.7

— 3

0.60 -1.3

20.1.86 8 3

0.9

型

HJ440~— ≤4

341 4

≤134~≤6 5~8 —- —3~7 0.43~-3.0~0.2

.3- 01 8 8 .

81

HJ218~—18~≤15~8 4~12~—- —23~0.87~-0.044~

52- 2.8 1- 310.90 2 3 5 6 0 .84

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由比较可知。酸性焊条中SiO2、TiO2含量较多，FeO，MnO等强氧化物含

量较多，低氢型焊条又称碱性焊条中，CaF2含量较多.

10.有人说：“焊接过程中熔渣对液态金属的氧化反应比熔炼过程剧烈，但反

应程度不如熔炼时彻底。”你认为这句话对吗？请说明原因。

答：这句话是对的。因为熔焊时由于熔渣在高温状态下的存在时间短暂，

因此扩散氧化程度一般远不能达到平衡状态，而熔炼过程中的扩散氧化进行的较充分。

第九章 液态金属的净化与精炼

1、何谓沉淀脱氧？试述生产中常用的几种沉淀脱氧反应。 答：（1）沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的[FeO]起

作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并析出转入熔渣的一种脱氧方式。

（2）生产中几种常用的沉淀脱氧反应：

a 锰的脱氧反应，[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO) b 硅的脱氧反应，[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2) c 硅锰联合脱氧反应。

2、试述铸造与焊接冶金工艺中常用的脱氧方式及特点。 答：（1）先期脱氧

熔焊过程中先期脱氧的特点是脱氧过程和脱氧产物与高温的液态金属

不发生直接关系，脱氧产物直接参与造渣。而在一般的熔炼钢铁炉中，也存在硅和锰等元素与炉气中的氧化性气体发生反应，生成的氧化物进入熔渣，但此时并不是有目的地为了脱氧。 （2）沉淀脱氧

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这种方法的优点是脱氧速度快，脱氧彻底。但脱氧产物不能清除时将

增加金属液中杂质的含量。 （3） 扩散脱氧

这种方法的优点是脱氧产物留在熔渣中，液态金属不会因脱氧而造成

夹杂。缺点是扩散过程进行的缓慢，脱氧时间长。 （4）真空脱氧

在一般真空处理条件下，碳只能起到部分脱氧的作用，尽管如此，

用碳脱氧，脱氧产物不留在钢液中，所以对提高钢液质量有明显的效用。

3、从冶金反应动力学角度分析熔渣粘度过大或过小所带来的问题。 答：（1）扩散脱氧是在熔渣中加入脱氧剂，使脱氧元素与熔渣中的氧化亚

铁起作用而达到间接脱去钢液中氧化亚铁的目的。如果熔渣粘度过大，不利于钢液中氧化亚铁向熔渣中扩散，从而影响脱氧效果。

（2）熔渣脱硫的原理与扩散脱氧相似，其反应也包括有扩散过程。如

果熔渣粘度过大，不容易传输，不利于脱硫反应进行。

（3）脱磷反应是在熔渣与钢液界面上进行的。随着反应的进行，界面

处的CaO和FeO因反应而消耗，浓度减低，必然会引起渣层上方的CaO和FeO向界面传输。与此同时，反应生成的磷酸钙在界面处浓度增高，必然会向渣层上方传输。熔渣粘度过大，不利于这些传输过程的进行，因而脱磷效果降低。

综合分析熔渣的碱度对脱氧、脱磷、脱硫的影响。

脱氧 在熔渣脱氧时，碱度高不利于脱氧，但在用硅沉淀脱氧时，碱

度高可以提高硅的脱氧效果。

脱硫： 熔渣的还原性和碱度 渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的浓度低

都有利于反应的行因此，在还原期中脱硫是有利的。熔渣碱度高也有利于脱硫。

脱磷 脱磷的有利条件是高碱度和强氧化性的、粘度小的熔渣，较大的渣

量和较低的温度。

5、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。

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（2）影响因素

a、熔渣的还原性和碱度。在熔渣还原期中和熔渣的碱度高时都有利于

脱硫。

b、粘度。粘度小有利于脱硫。

c、温度。脱硫反应是吸热反应，因此温度高有利于脱硫。

d、硫的活度。硫的活度大，容易从金属液中析出，有利于脱硫。

6、熔炼超低碳合金钢时应采取怎样的工艺措施？

答：熔炼超低碳合金钢时比较有效的方法是在真空下进行脱碳。生产中采

用真空氩氧脱碳精炼（VOD）法以及真空氩氧脱碳转炉（VODC）法。

7、磷在钢中有何危害？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：

a、熔渣的碱度和氧化性。高碱度和强氧化性的熔渣有利于脱磷反应

进行。但当碱度超过3.0以上时，进一步提高碱度并不能将磷的分配比提得更高。实际上，熔渣碱度太高时，使得熔渣的粘度增大，反而使脱磷效果降低。

b、熔渣的粘度。粘度小有利于脱磷。

C、温度。脱磷反应是强放热反应，降低温度有利于反应的进行。但是，

只有在高温下才能获得流动性良好的高碱度熔渣，所以温度必须适当，才能有效地脱磷。

d、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。

第十章 焊接热影响区的组织与性能

1、何谓焊接热循环？焊接热循环的主要特征参数有那些？

答：焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化

过程，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。 决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：

（1）加热速度ωH 焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增

加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。

（2）最高加热温度Ｔmax 也称为峰值温度。距焊缝远近不同的点，加热的

最高温度不同。焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和

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重结晶，从而改变母材的组织与性能。

（3）相变温度以上的停留时间tH 在相变温度TH以上停留时间越长，越

有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。 （4）冷却速度ωC(或冷却时间t8 / 5) 冷却速度是决定焊接热影响区组织和

性能的重要参数之一。对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间t8 / 5，800～300℃的冷却时间t8/3，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t100。

总之，焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度

以上停留时间不易控制的特点

2、焊接热循环对母材金属近缝区的组织、性能有何影响？怎样利用热循环

和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？ 答：（1）对组织的影响：

A 不易淬火钢的热影响区组织：

在一般的熔焊条件下，不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温

度及组织特征，可分为以下四个区

1) 熔合区: 焊缝与母材之间的过渡区域。范围很窄，常常只有几个晶粒,具

有明显的化学成分不均匀性。

2) 过热区(粗晶区): 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度(约为

1100℃左右)范围内的区域叫过热区。由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却后得到粗大的组织，并极易出现脆性的魏氏组织。

3) 相变重结晶区(正火区或细晶区): 该区的母材金属被加热到AC3至

1100℃左右温度范围，其中铁素体和珠光体将发生重结晶，全部转变为奥氏体。形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光体，然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。

4) 不完全重结晶区: 焊接时处于AC1～AC3之间范围内的热影响区属于不完

全重结晶区。因为处于AC1～AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体，由于未经重结晶仍保留粗大晶粒。 B 易淬火钢的热影响区组织:

母材焊前是正火状态或退火状态，则焊后热影响区可分为：

1) 完全淬火区：焊接时热影响区处于AC3以上的区域。在紧靠焊缝相当于

低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，得到粗大的马氏体；相当于正火区的部位得到细小的马氏体。

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2) 不完全淬火区：母材被加热到AC1～AC3温度之间的热影响区。快速加热

和冷却过程得到马氏体和铁素体的混合组织；含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，其组织可能为索氏体或珠光体。

母材焊前是调质状态，则焊接热影响区的组织分布除上述两个外，还有一

个回火软化区。在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度：若焊前调质时回火温度为Tt，低于此温度的部位，组织性能不发生变化，高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化。若焊前为淬火态，紧靠Ac1的部位得到回火索氏体，离焊缝较远的区域得到回火马氏体。 (2) 对性能的影响

使HAZ发生硬化、脆化(粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时

效脆化、氢脆以及石墨脆化等)、韧化、软化等。 （3）改善HAZ组织性能的措施

1）母材焊后选择合理的热处理方法（调质、淬火等）。 2）选择合适的板厚、接头形式及焊接方法等。 3）控制焊接线能量、冷却速度和加热速度。

3．简要说明易淬火钢和不易淬火钢HAZ粗晶区的组织特点和对性能的影

响？ 答：（1）易淬火钢HAZ粗晶区：

在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，故得到粗大

的马氏体，强度硬度很高，塑性韧性较低；正火区得到细小的马氏体，强度硬度较高，但是比粗大马氏体要低，塑性韧性比粗大马氏体好。 （2）不易淬火钢HAZ粗晶区：

由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却之后便得到

粗大的组织。并极易出现脆性的魏氏组织。故该区的塑性、韧性较差。焊接刚度较大的结构时，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。

4．焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？

答： 焊接条件下热影响区的组织转变与热处理条件下的组织转变相比，其

基本原理是相同的。但由于焊接过程的特殊性，使焊接条件下的组织转变又具有与热处理不同的特点。 焊接热过程概括起来有以下六个特点：

（1）一般热处理时加热温度最高在AC3以上l00～200℃，而焊接时加热温

度远超过AC3，在熔合线附近可达l350～l400℃。

（2）焊接时由于采用的热源强烈集中，故加热速度比热处理时要快得多，

往往超过几十倍甚至几百倍。

（3）焊接时由于热循环的特点，在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧

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