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基于非平衡热力学的准稳态焊接钢—渣界面化学冶金行为

作　者: 李晓泉
导　师: 杜则裕
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 准稳态焊接非平衡热力学钢-渣冶金反应非平衡定态热力学力热力学流冶金电化学
分类号: TG401
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在焊接条件下发生的熔渣-液态金属-气相界面的化学冶金反应在源头上决定着焊缝金属的众多物理化学性能,其相关理论是焊接冶金研究中的重要内容。但由于反应体系的开放且远离化学平衡特性,国内外学者对这种特殊的冶金反应尚未能有效地开展深层次研究。作为初次引入非平衡的耗散结构理论思想来研究开放且远离平衡的焊接化学冶金问题,本文选取了伴随有强烈钢-渣两相交互作用特点的埋弧焊接方法。就MgO-CaO-SiO₂和CaO-Al₂O₃-SiO₂两种钢铁冶金中典型的渣系在准稳态焊接过程中发生的钢-渣界面化学冶金反应,用非平衡热力学的方法对其化学冶金行为作了定量化研究,以试图探讨准稳态焊接过程钢-渣界面固有的一些非平衡化学冶金作用规律。研究工作就两种典型渣系制成的烧结焊剂焊接,设计出用试验的方法对准稳态焊接时的熔滴反应区及熔池反应区液态金属进行非氧化分区快速提取采样,并通过对采样金属进行一系列物理化学测试及微观分析,以获取准稳态焊接过程钢-渣界面化学冶金反应的若干信息。同时建立熔滴反应区、熔池反应区的几何模型,作为定量研究冶金反应进行的方向及限度的试验凭据。试验表明,所设计的试验研究方案具有可行性,达到了预期设计目的。为解决准稳态焊接过程期间液态熔渣内部参与钢-渣界面化学反应物质的有效作用浓度,本研究应用冶金界近年来提出的兼顾熔渣离子理论和分子理论的共存理论。基于简单离子与分子间作用的动态平衡关系,结合两种三元渣系的高温相图,对液态熔渣内部的结构单元浓度用数值模拟方法进行了非线性数值计算。计算结果表明,液态熔渣中的自由离子、简单分子化合物及复合化合物的浓度随碱度的变化呈现出一定的变化规律,其中自由氧离子的浓度随碱度的增大而增大,应用共存理论来解决熔渣结构单元有效作用浓度在定量研究焊接冶金反应热动力学方面显示出了良好的应用前景。根据准稳态焊接期间钢-渣界面反应体系与外界环境间恒定的物质及能量交换,本文提出了一种以非平衡定态的观点来定量研究钢-渣界面化学冶金行为的方法。从非平衡冶金反应存在一非零而恒定的热力学力从而导致热力学流与反应物及生成物的扩散流间的动态平衡关系,结合对准稳态焊接过程的取样分析,可以进一步对其钢-渣界面冶金反应进行的方向及限度作定量化描述,从而可以克服传统用热力学平衡的方法来研究焊接冶金反应存在与实际情况严重不吻合的缺陷。进一步用里亚普诺夫（Lyapounov）稳定性理论进行研究表明,这种非平衡定态在一定的焊接工艺条件下对边界条件的扰动具有稳定性。对准稳态焊接过程熔滴反应区及熔池反应区熔渣中SiO₂与液态金属Fe在钢-渣界面用非平衡定态的方法进行热动力学定量计算结果表明,熔滴反应区的反应方向为熔渣中SiO₂引起液态金属Fe氧化的方向,且反应处于非平衡态的非线性区,反应具有极大的驱动力;而熔池反应区则为逆向脱氧反应方向,也在非线性区偏离了平衡状态,但偏离的距离及反应的驱动力比熔滴反应区小。基于近年来国外学者提出的直流焊接条件下钢-渣界面存在冶金电化学作用观点,就两种渣系熔滴反应阶段的冶金电化学致氧行为进行了试验分析及动力学探讨。研究表明,电化学作用在高碱度熔渣情况下对钢-渣界面冶金致氧存在明显的影响,就所研究渣系而言,其冶金电化学致氧程度几乎可以达到与冶金热化学作用相当的程度,因而在高碱度焊接材料研制及直流焊接工艺制订时需对此作充分地考虑。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-29
  1.1 焊接化学冶金反应与焊接质量控制  10-16
    1.1.1 焊接化学冶金问题的提出及其研究方法  10-12
    1.1.2 焊接化学冶金过程对焊接质量的影响  12-16
  1.2 国内外焊接化学冶金研究进展及存在的问题  16-22
  1.3 非平衡热力学在冶金领域的应用  22-26
  1.4 课题的来源及研究意义  26-27
  1.5 课题研究的主要内容  27-29
第二章焊接钢－渣冶金化学反应试验研究方法  29-42
  2.1 试验用焊接材料的制备  29-31
  2.2 熔滴反应区试验研究方法  31-34
  2.3 熔池反应区试验研究方法  34-36
  2.4 熔渣/液态金属界面冶金电化学研究方法  36-37
  2.5 微观分析方法及试验设备  37-38
  2.6 分析检测方法及设备  38-40
    2.6.1 金属氧氮含量的分析  38-39
    2.6.2 焊剂/熔渣/金属成分的分析  39
    2.6.3 焊剂/熔渣的物相结构分析  39-40
  2.7 本章小结  40-42
第三章焊接熔渣结构单元的热力学分析  42-69
  3.1 焊接熔渣的结构理论  42-46
    3.1.1 关于熔渣的共存理论  42-43
    3.1.2 MgO-CaO-SiO_2及CaO-Al_2O_3-SiO_2熔体的结构单元  43-46
  3.2 熔渣结构单元的热力学计算模型  46-61
    3.2.1 计算模型  46-54
    3.2.2 数值模拟计算  54-61
  3.3 计算结果及分析讨论  61-68
  3.4 本章小结  68-69
第四章准稳态焊接钢－渣界面的非平衡定态及其稳定性研究  69-101
  4.1 焊接钢－渣冶金熔体的交互作用模式  69-70
  4.2 焊接钢－渣界面化学冶金反应的热力学力与流  70-72
  4.3 焊接冶金反应热力学力与流的线性与非线性关系  72-74
  4.4 准稳态焊接钢－渣界面冶金反应非平衡定态的基本思想  74-76
  4.5 焊接钢－渣界面冶金反应在非平衡定态的稳定性  76-80
    4.5.1 界面(SiO)_i浓度偏离非平衡定态扰动的情形  78
    4.5.2 界面(FeO)_i浓度偏离非平衡定态扰动的情形  78-79
    4.5.3 界面[FeO]_i浓度偏离非平衡定态扰动的情形  79
    4.5.4 界面[Si]i浓度偏离非平衡定态扰动的情形  79-80
  4.6 非平衡定态液态金属氧含量与热力学力的线性及非线性分析  80-83
  4.7 准稳态焊接钢-渣冶金熔体的X 射线荧光光谱分析（XRF）  83-95
    4.7.1 熔渣内部重金属元素的变化特征  84-89
    4.7.2 熔渣内部轻元素的变化特征  89-92
    4.7.3 准稳态焊接钢-渣冶金熔体的化学组成  92-95
  4.8 准稳态焊接过程钢-渣熔体的 X 射线衍射分析(XRD)  95-100
  4.9 本章小结  100-101
第五章焊接分区SiO_2/Fe 冶金反应的热动力学耦合分析  101-125
  5.1 焊接反应区的几何模型  101-108
    5.1.1 熔滴反应区的几何模型  101-103
    5.1.2 熔池反应区的几何模型  103
    5.1.3 焊接反应区几何参量的试验测定与计算  103-108
  5.2 熔滴金属及熔池金属氧含量的试验测定  108-111
    5.2.1 取样金属释氧过程的动特性试验  109-111
    5.2.2 测试结果  111
  5.3 熔滴金属及熔池金属化学成分的试验测定  111-112
  5.4 焊接反应区SiO_2/Fe 反应方向及限度  112-116
    5.4.1 界面SiO_2/Fe 反应的热动力学平衡方程  112
    5.4.2 熔滴反应区计算结果及分析  112-114
    5.4.3 熔池反应区计算结果及分析  114-116
  5.5 熔滴金属内部夹杂物的形貌及成分特征  116-122
  5.6 熔池金属内部夹杂物的形貌及成分特征  122-123
  5.7 本章小结  123-125
第六章直流焊接电化学反应对界面化学冶金行为的影响研究  125-141
  6.1 直流埋弧焊接冶金电化学作用机理  125-127
  6.2 直流埋弧焊冶金电化学致氧的试验研究  127-134
  6.3 冶金电化学致氧反应动力学讨论  134-140
  6.4 本章小结  140-141
第七章结论  141-143
参考文献  143-150
发表论文和科研情况说明  150-151
致谢  151

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