第8次课3.17合金中气体测量.ppt

1,第八章合金中气体含量的测定,2,合金中气体的不同研究领域,1合金中气体的物理和化学机理2合金中气体在凝固（铸造、焊接、锻压）工艺过程中的变化规律3合金中气体的控制（减少、增加）措施4合金中气体含量的测定,3,1合金中气体的物理和化学机理,合金中的气体是哪里来的？-熔炼过程吸收不同气体在合金中的溶解度是多少？气体在合金溶体中的存在形态？溶解度：在一定条件下，气体在合金中溶解达到平衡状态时，气体在合金中的浓度。单位：a）重量百分浓度%，PPM=10-6，b）1cm3/100克？（标准状况下的体积）,4,合金中几种主要气体,氢：在所有合金中都能够以原子状态直接溶解，氮：在铸铁或铸钢中，以原子态溶解，或氮化物形式溶解，在有色合金中几乎不溶解，氧：在各种铸造合金中，均以氧化物形态溶解，,5,水蒸气和二氧化碳：在各种合金中都不能直接溶解，它们是氧化性气体，与金属反应，产生氢气，增加金属的氢、氧含量。一氧化碳：几乎不溶于任何合金二氧化硫：在Fe-C合金中不溶解，在铜合金中微溶结论：溶解在铸造合金中的气体主要是氢氧氮三种。,6,氢脆-第一任所长李薰(1953-1982),物理冶金学家。湖南邵阳人。1936年毕业于湖南大学。1940年获英国雪菲尔德大学冶金学院哲学博士学位，1951年获冶金学科学博士学位。中国科学院副院长、研究员。1955年选聘为中国科学院院士,7,在研究飞机引擎主轴断裂的原因中，发现钢中氢脆的奥秘和规律，证明了钢的内部发裂是由于氢的存在引起的，并以扩散、溶解度和钢的结构等，阐明了不同温度下钢材尺寸大小、时间与钢中氢含量的关系，对世界各国钢铁技术一直有着非常重大的影响。领导中国科学院金属研究所开拓了铀冶金、铸造高温合金、难熔金属、高温物理性能测试、稀土在钢中应用等研究领域并取得许多重要成果，为中国第一颗原子弹、第一颗重返地面人造卫星、第一架超音速喷气飞机、第一艘核潜艇提供关键材料，作出了重要贡献。,8,基于上述工作，1951年在英国获得冶金学博士学位。雪菲尔德大学为了纪念他的成就，在他工作过的实验室里，悬挂他的像片，并陈列他亲手制造的一套定氢设备。,9,Sievert定律,10,A1可以取正值，也可以取负值，与熔解热有关，放热反应A1取负值，吸热反应则取正值。,11,溶解度与温度关系,12,溶解度与压力关系,13,实验室测定合金中气体含量方法,一、氢的测定真空法：真空提取法（熔点以下），真空熔融法（熔点之上）惰性气体法：惰性气体提取法（熔点以下），惰性气体熔融法（熔点之上）高温下，H的扩散速度很快，尽管高温下H在很多合金中的溶解度上升，但是，与合金平衡的氢气的分压很小，所以H快速从合金中扩散出来。再将逸出的H2定量分析。,14,定量测试手段,气相色谱法定容测压热传导,15,气相色谱法,被分析的混合气体，由载气自下而上移动。不同气体被色谱柱中的固相吸附程度不同，导致不同气体在移动过程中分开。不同气体在不同时间段内流出色谱柱，进入热导池，不同气体热导率不同，检测电阻上的输出电压就不同；浓度不同，电压也不同。信号以脉冲形式（峰）输出，,16,通过标定，峰出来的时间，对应某种物质通过计算峰的面积，计算浓度。载气一般用氩气。还有液相色谱色谱技术在化学物质定量分析中，有很广泛的应用。,17,气相色谱仪1,18,气相色谱仪2,19,气相色谱仪3,20,一、气相色谱流程,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,1.载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制;2.进样系统：进样器及气化室；3.色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱（内壁涂有固定液）；4.检测器：可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检测器最为常见；5.记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪；6.温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。,21,气固色谱固定相,分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。高分子多孔微球（GDX系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。,22,2热导检测器,（1）热导检测器的结构池体：一般用不锈钢制成。热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,23,（2）检测原理,平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：R参=R测;R1=R2则：R参R2=R测R1无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测则：R参R2R测R1这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,24,25,二、氧的测定通过检测CO的含量来检测氧含量。脉冲炉：2700C，金属反应后生成CO进入色谱仪比例算法：灵敏度,26,三、氮的测定可以利用气相色谱测定氮但是，最重要，比较准确的是蒸馏法。化学反应生成NH3，再用化学滴定法，测定氨的含量。重要的化学反应：p185,27,抽取之后试样保存问题。,28,现场测定金属中气体的方法,实验室方法，精确耗时，昂贵。现场要求简单，快速。一、减压法测定铜中的氢顺序凝固时，残留液体表面的压力，将决定金属试样表面的特征。大真空罐，小样品室,29,保证凝固顺序和量血压相似，掌握好建立负压时间（太早下面的不能出来），控制减压值,30,二、第一气泡法测定铝中的氢真空泵（也可以大真空罐），现场降压，观察第一个起泡，记录此时的温度与压力，利用西化特(sievert)定律，计算溶解度,31,山东大学的铝熔体测氢设备,32,33,34,HyscanII测氢仪是采用减压真空技术来测量铝合金熔体中的氢含量的，它是由英国轻金属铸工协会的BNF金属技术中心研制开发。这种技术在世界范围的铸造界中已经使用了至少15年了，而HyscanII型测氢仪是目前该类技术中最新的型式，并且结合自动控制技术，该测氢仪可以实现在线的铝合金熔体氢含量控制、诊断和测量等功能，从而提高成品的质量和可靠性。,35,系统包括真空泵、干燥室、阀门、样品池及真空计。实验过程如下：开机后抽真空2030,对仪器自动调零后空测一次,若仪器正常即可进行测试。测试时,用专用的钢勺取样100待测铝熔体,迅速倒入不锈钢样品室中,抽真空至100,以保证样品在固化的同时释放出所有的氢,样品式及相关的真空系统随即与泵脱离，试样开始凝固，随着熔体的冷却，氢被释放出来，并且其分压用标定过的真空计测量,经系统转化可计算出含氢量。并很快以数字的形式显示出来。,36,整个过程大约需要5,并由打印机输出所有数据,包括测试序号、测试日期、测试时间、氢含量等。具体性能指标如下：氢含量的单位为：ml/100g，测量范围为：0-1.99mlH2/100g，测量精度为：0.01ml/