材料加工基本原理第五版1至11章课后答案(16)

在熔池液相等温线上各点的 角是变化的，说明晶粒成长的方向和线速度都是变化的。在熔合区上晶粒开始

o

成长的瞬时, 90,cos 0，晶粒生长线速度为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊

o

缝中心， 0,cos 1，晶粒生长速度与焊接速度相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。 焊接速度影响焊接弯曲柱状晶形态。焊接速度大时，焊接熔池长度增加, 柱状晶便趋向垂直于焊缝中心线生长。焊接

速度慢时, 柱状晶越弯曲。垂直于焊缝中心线的柱状晶，最后结晶的低熔点夹杂物被推移到焊缝中心区域，易形成脆弱的结合面，导致纵向热裂纹的产生。热裂敏感性大的奥氏体钢和铝合金最易于产生焊接纵向裂纹。

1.焊接和铸造过程中的气体来源于何处？它们是如何产生的？

答： 焊接区内的气体：焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂，高价氧化物及有机物的分解气体，母材坡口的油污、油漆、

铁锈、水分，空气中的气体、水分，保护气体及其杂质气体

铸造过程中的气体：熔炼过程，气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、

氢、CO2、CO、SO2和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。浇注过程，浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。

2. 气体是如何溶解到金属中的？电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程一样吗？

答：气体溶解到金属中分四个阶段：（1）气体分子向金属-气体界面上运动；（2）气体被金属表面吸附；（3）气体分

子在金属表面上分解为原子；（4）原子穿过金属表面层向金属内部扩散。

电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程不一样，氢在高温时分解度较大，电弧温度下可完全分解为原子氢，其溶

解过程为分解 — 吸附 — 溶入 。在电弧气氛中，氮以分子形式存在，其溶解过程为吸附 — 分解 — 溶入 。

3.哪些因素影响气体在金属中的溶解度，其影响因素如何？

答：气体在金属中的溶解度与压力，温度，合金成分等因素有关： （1）当温度一定时，双原子的溶解度与其分压的平方根成正比

（2）当压力一定时，溶解度与温度的关系决定于溶解反应类型，气体溶解过程为吸热反应时，△H为正值，溶解度

随温度的升高而增加；金属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？