材料加工和化学冶金

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1、材料加工过程中的化学冶金理论-焊接中的化学冶金理论摘要冶金这一概念源于人类从自然资源中提取有用金属和制造材料的生产过程，人类用火法冶金提炼金属已有数千年的历史，但冶金学科却是近百年来随钢铁工业的发展而形成的。继1888年俄国科学家斯拉维诺夫等发明采用电弧加热裸焊丝的方法可进行熔化焊接之后，为解决裸焊丝在电弧高温熔化状态下的严重烧损现象，瑞典人奥斯卡尔•克杰尔贝(OscarKjellberg)应用具有高温热稳定性的造渣、造气物质与熔融金属进行相互作用的冶金原理从而发明了药皮焊条产品，并在瑞典ESAB公司建立了世界上第一个电焊条厂。同时于1907年获得第一项焊

2、条药皮专利。之后，围绕提高焊接效率及降低焊接成本，焊接研究者又根据焊接熔渣、液态金属及电弧气氛间的冶金作用原理相继发明了自动埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊等多种焊接方法。已成为现代制造业中不可缺少的一种加工技术第一章焊接化学冶金反应与焊接质量控制1.1焊接化学冶金问题的提出及其研究方法作为支撑焊接加工技术的焊接冶金理论，其基本任务是从焊接物理冶金和化学冶金两个方面对形成焊接接头所经历的一系列物理、化学变化进行系统深入地研究，以探讨获得完整而又具有一定使用性能的焊接接头所需遵循的客观规律。其中化学冶金又是研究焊接过程由于化学反应及物质迁移导致成分变化

3、的一个分支领域，本质上属于一种高温化学过程。具体讲，熔焊焊接区域的熔渣、液态金属及电弧中气体（简称渣-金-气）三相之间存在着十分激烈、而又极为短暂的高温化学作用。熔池金属即是在这样一种状态下经冶炼净化，而后凝固形成焊缝金属一次组织。当然实际最终获得的焊缝金属大多还经历了随后冷却过程所发生的固态相变，即形成二次焊缝组织的过程。显然在这短暂高温过程中发生的化学冶金反应是决定焊缝金属最终组织及性能的一个先决条件。因而焊接化学冶金学一开始就引起了焊接工作者的高度重视。虽然钢铁冶炼中的钢-渣化学冶金规律与焊接化学冶金学有着相似之处，并且焊接化学冶金现象在很大程度上受

4、到钢铁冶金的启迪影响，但焊接化学冶金是一种极为特殊的冶金过程，两者之间又存在很大的差异，这种差异在热力学条件上将直接导致冶金反应方向及进行限度的极大区别（因此有人用“大冶金"与"小冶金"之称以示两者的区别X为从焊接过程所发生的化学冶金反应入手来深入研究形成优质焊接接头所需遵循的客观规律，焊接化学冶金学已作为一种特殊加工冶金理论而成为焊接学科研究中的一个基础性研究领域。焊接化学冶金研究领域中一个重要内容是要确定熔渣、液态金属及电弧气氛之间化学反应的方向及反应进行的限度。这是因为渣-金-气之间氧化还原的方向即决定了焊接过程金属被氧化或是脱氧等的方向性，而反应进

5、行的限度又直接决定了诸如合金元素向焊缝金属的过渡量、焊接过程的增氧量大小及通过去除硫、磷等杂质而使焊缝金属净化的程度，而这些方面又是影响焊缝金属成分、组织和性能的主要因素。由此不难看出，焊接化学冶金反应的结果即在源头上决定着焊缝金属的众多性能，因而在焊接质量各控制环节中占据有举足轻重的地位和作用。冶金过程本质上属高温化学工程，因而用热力学的方法来研究焊接化学冶金课题成为焊接冶金研究工作者的必然选择。将热力学原理应用于化学反应已经历了悠久的历史进程。传统上，化学反应的热力学主要讨论两个方面：一是研究化学反应处于确定条件下向何方自动进行；而另一个则是研究化学反

6、应达到极限（如平衡态）时的状态。前者一般可通过化学反应平衡常数来解决，同时应用化学反应恒温方程判断反应进行的方向时，也要应用化学反应平衡常数作为比较标准。因此若是用经典的热力学方法来研究化学冶金反应，其核心是解决平衡常数的计算。这方面，冶金学家已开展了大量的研究工作。然而，近几十年来，自然界远离平衡的宏观体系自发形成的若干有序现象，又促使热力学经历了一个活跃发展时期，其结果导致了一个新的研究领域一不可逆过程热力学的诞生。如果将研究体系由一个平衡态向另一个平衡态过渡的经典热力学看作是热力学发展的第一阶段，作为经典热力学向非平衡领域的延伸，研究体系在偏离平衡态

7、附近，即近平衡的非平衡态热力学则可看作是热力学发展的第二阶段。由于近平衡状态下体系的热力学量间的关系是线性的，因此也称作线性非平衡态热力学。而当体系在远离平衡的条件下，此时体系发生不可逆过程时的热力学量之间已不满足线性关系，而是一种非线性关系。研究远离平衡的非线性非平衡态热力学是热力学发展的第三阶段。二十世纪后半叶以来，物理化学家在非平衡非线性现象的研究领域取得了许多重大成果，最有代表性的有Prigogine的耗散结构理论、Haken的协同论、Thom的突变论等。其中Prigogine等人建立起的耗散结构理论，深化了对远离平衡体系的认识，目前已开始应用于冶

8、金研究领域。焊接过程中渣-金■气间的冶金化学反应是一种典型的具有开