基于非平衡熱力學的準穩(wěn)態(tài)焊接鋼-渣界面化學冶金行為.pdf

1、在焊接條件下發(fā)生的熔渣-液態(tài)金屬-氣相界面的化學冶金反應(yīng)在源頭上決定著焊縫金屬的眾多物理化學性能，其相關(guān)理論是焊接冶金研究中的重要內(nèi)容。但由于反應(yīng)體系的開放且遠離化學平衡特性，國內(nèi)外學者對這種特殊的冶金反應(yīng)尚未能有效地開展深層次研究。作為初次引入非平衡的耗散結(jié)構(gòu)理論思想來研究開放且遠離平衡的焊接化學冶金問題，本文選取了伴隨有強烈鋼-渣兩相交互作用特點的埋弧焊接方法。就MgO-CaO-SiO2和CaO-Al2O3-SiO2兩種鋼鐵冶金中典

2、型的渣系在準穩(wěn)態(tài)焊接過程中發(fā)生的鋼-渣界面化學冶金反應(yīng)，用非平衡熱力學的方法對其化學冶金行為作了定量化研究，以試圖探討準穩(wěn)態(tài)焊接過程鋼-渣界面固有的一些非平衡化學冶金作用規(guī)律。 研究工作就兩種典型渣系制成的燒結(jié)焊劑焊接，設(shè)計出用試驗的方法對準穩(wěn)態(tài)焊接時的熔滴反應(yīng)區(qū)及熔池反應(yīng)區(qū)液態(tài)金屬進行非氧化分區(qū)快速提取采樣，并通過對采樣金屬進行一系列物理化學測試及微觀分析，以獲取準穩(wěn)態(tài)焊接過程鋼.渣界面化學冶金反應(yīng)的若干信息。同時建立熔滴反應(yīng)

3、區(qū)、熔池反應(yīng)區(qū)的幾何模型，作為定量研究冶金反應(yīng)進行的方向及限度的試驗憑據(jù)。試驗表明，所設(shè)計的試驗研究方案具有可行性，達到了預期設(shè)計目的。 為解決準穩(wěn)態(tài)焊接過程期間液態(tài)熔渣內(nèi)部參與鋼-渣界面化學反應(yīng)物質(zhì)的有效作用濃度，本研究應(yīng)用冶金界近年來提出的兼顧熔渣離子理論和分子理論的共存理論?；诤唵坞x子與分子間作用的動態(tài)平衡關(guān)系，結(jié)合兩種三元渣系的高溫相圖，對液態(tài)熔渣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)單元濃度用數(shù)值模擬方法進行了非線性數(shù)值計算。計算結(jié)果表明，液態(tài)

4、熔渣中的自由離子、簡單分子化合物及復合化合物的濃度隨堿度的變化呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，其中自由氧離子的濃度隨堿度的增大而增大，應(yīng)用共存理論來解決熔渣結(jié)構(gòu)單元有效作用濃度在定量研究焊接冶金反應(yīng)熱動力學方面顯示出了良好的應(yīng)用前景。 根據(jù)準穩(wěn)態(tài)焊接期間鋼-渣界面反應(yīng)體系與外界環(huán)境間恒定的物質(zhì)及能量交換，本文提出了一種以非平衡定態(tài)的觀點來定量研究鋼-渣界面化學冶金行為的方法。從非平衡冶金反應(yīng)存在-非零而恒定的熱力學力從而導致熱力學流與反應(yīng)

5、物及生成物的擴散流間的動態(tài)平衡關(guān)系，結(jié)合對準穩(wěn)態(tài)焊接過程的取樣分析，可以進一步對其鋼-渣界面冶金反應(yīng)進行的方向及限度作定量化描述，從而可以克服傳統(tǒng)用熱力學平衡的方法來研究焊接冶金反應(yīng)存在與實際情況嚴重不吻合的缺陷。進一步用里亞普諾夫(Lyapounov)穩(wěn)定性理論進行研究表明，這種非平衡定態(tài)在一定的焊接工藝條件下對邊界條件的擾動具有穩(wěn)定性。對準穩(wěn)態(tài)焊接過程熔滴反應(yīng)區(qū)及熔池反應(yīng)區(qū)熔渣中SiO2與液態(tài)金屬Fe在鋼-渣界面用非平衡定態(tài)的方法進

6、行熱動力學定量計算結(jié)果表明，熔滴反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)方向為熔渣中SiO2引起液態(tài)金屬Fe氧化的方向，且反應(yīng)處于非平衡態(tài)的非線性區(qū)，反應(yīng)具有極大的驅(qū)動力；而熔池反應(yīng)區(qū)則為逆向脫氧反應(yīng)方向，也在非線性區(qū)偏離了平衡狀態(tài)，但偏離的距離及反應(yīng)的驅(qū)動力比熔滴反應(yīng)區(qū)小。 基于近年來國外學者提出的直流焊接條件下鋼-渣界面存在冶金電化學作用觀點，就兩種渣系熔滴反應(yīng)階段的冶金電化學致氧行為進行了試驗分析及動力學探討。研究表明，電化學作用在高堿度熔渣情況下對