冶金學第三章金屬熔體ppt課件

1、熔鐵及其合金的構造熔鐵及其合金的構造 鐵液中元素的溶解及存在的方式鐵液中元素的溶解及存在的方式 鐵液中組分活度的相互作用系數(shù)鐵液中組分活度的相互作用系數(shù) 熔鐵及其合金的物理性質熔鐵及其合金的物理性質 4123熔體構造熔體構造熔體性質熔體性質液體金屬的構造：液體金屬的構造：金屬中組成質點的陳列形狀和運動方式，取決于原子間交金屬中組成質點的陳列形狀和運動方式，取決于原子間交互作用能的特性及數(shù)值，直接影響物理化學性質?；プ饔媚艿奶匦约皵?shù)值，直接影響物理化學性質。金屬鍵：金屬離子和其間運動著的價電子的結合力，金屬鍵無方向性。金屬鍵：金屬離子和其間運動著的價電子的結合力，金屬鍵無方向性。晶格：晶體中原子

2、在空間的陳列。晶格：晶體中原子在空間的陳列。構造的遠程有序性：晶體是由占有晶體整個體積的、在三維方向上以一構造的遠程有序性：晶體是由占有晶體整個體積的、在三維方向上以一定間隔呈周期而反復的有序陳列的原子所構成。這種形狀稱為構造定間隔呈周期而反復的有序陳列的原子所構成。這種形狀稱為構造的遠程有序性。的遠程有序性。單位晶胞：以想象的直線銜接晶格中最臨近原子中心而構成的體積稱為單位晶胞：以想象的直線銜接晶格中最臨近原子中心而構成的體積稱為單位晶胞。單位晶胞。晶格常數(shù)晶格基矢：單位晶胞棱的長度稱為晶格常數(shù)。晶格常數(shù)晶格基矢：單位晶胞棱的長度稱為晶格常數(shù)。配位數(shù)：位于某原子周圍最臨近、等間隔的原子數(shù)稱為

3、配位數(shù)。配位數(shù)：位于某原子周圍最臨近、等間隔的原子數(shù)稱為配位數(shù)。晶格結點：晶格中的每個原子在一定位置上不斷地進展微小振動，每個晶格結點：晶格中的每個原子在一定位置上不斷地進展微小振動，每個原子的這種平衡位置稱為晶格的結點。原子的這種平衡位置稱為晶格的結點。 1自在體積模型自在體積模型金屬熔體是由每個原子占據一個大小一樣的自在體積所組成，總自在體積金屬熔體是由每個原子占據一個大小一樣的自在體積所組成，總自在體積等于金屬熔體在過熱溫度時的體積與熔點時固體金屬體積之差。等于金屬熔體在過熱溫度時的體積與熔點時固體金屬體積之差。 空位模型空位模型 群聚態(tài)模型群聚態(tài)模型( (流動集團模型流動集團模型 )

4、) 金屬熔體的原子在溫度升高時，可分開晶格的結點，構成空位，因此原子陳金屬熔體的原子在溫度升高時，可分開晶格的結點，構成空位，因此原子陳列的有序性就比晶體的小。這些空位在某些地方不斷出現(xiàn)，又在另一些地方列的有序性就比晶體的小。這些空位在某些地方不斷出現(xiàn)，又在另一些地方不斷消逝，而原子僅能在每個結點附近才成為有序的陳列，堅持了近程序。不斷消逝，而原子僅能在每個結點附近才成為有序的陳列，堅持了近程序。 金屬熔化時，原子間的鍵在一定程度上仍堅持著，但原子的有序分金屬熔化時，原子間的鍵在一定程度上仍堅持著，但原子的有序分布不僅局限于直接臨近于該原子的周圍而是擴展到較大體積的原子布不僅局限于直接臨近于該

5、原子的周圍而是擴展到較大體積的原子團內，即在這種原子團內堅持著接近于晶體中的構造，這稱為金屬團內，即在這種原子團內堅持著接近于晶體中的構造，這稱為金屬熔體的有序帶或群聚態(tài)。有序帶的周圍那么是原子混亂陳列的無序熔體的有序帶或群聚態(tài)。有序帶的周圍那么是原子混亂陳列的無序帶，但它們之間沒有明顯的分界面，所以不能視為兩個相。這種群帶，但它們之間沒有明顯的分界面，所以不能視為兩個相。這種群聚態(tài)不斷消逝，又不斷產生，而一個群聚態(tài)的原子可向新構成的群聚態(tài)不斷消逝，又不斷產生，而一個群聚態(tài)的原子可向新構成的群聚態(tài)內轉移。溶解于金屬液中的元素在此兩帶內有不同的溶解度，聚態(tài)內轉移。溶解于金屬液中的元素在此兩帶內有

6、不同的溶解度，能大量溶解于固體金屬中的元素在有序帶內的溶解度比較高，外表能大量溶解于固體金屬中的元素在有序帶內的溶解度比較高，外表活性元素多在此兩帶的界面上存在?；钚栽囟嘣诖藘蓭У慕缑嫔洗嬖?。 1FeC系內系內:Si提高提高C的活度的活度Cr降低降低C的活度。的活度。 C.Wagner法計算活度系數(shù)：把法計算活度系數(shù)：把lni函數(shù)按泰勒級數(shù)展函數(shù)按泰勒級數(shù)展開成組分濃度的多項式，代入實驗測定的相互作用系數(shù)，開成組分濃度的多項式，代入實驗測定的相互作用系數(shù)，即可計算出組分的活度系數(shù)。即可計算出組分的活度系數(shù)。2泰勒級數(shù)泰勒級數(shù) ：,2222222,00000000)2(! 21)(),(),(

7、yxyxyfkyxfhkxfhyfkxfhyxfkyhxf目的及條件：目的及條件：設鐵液組分設鐵液組分1 1內組分內組分2 2的活度系數(shù)的活度系數(shù)22為所求，除組分為所求，除組分2 2外，外，尚有組分尚有組分3 3，4 4，5 5，j j等存在，其濃度分別為等存在，其濃度分別為x2x2，x3x3，x4x4，x5x5，xjxj，那么，那么22在恒溫恒壓下是其本身濃度及其他組分濃在恒溫恒壓下是其本身濃度及其他組分濃度的函數(shù)，即：度的函數(shù)，即：2=(x22=(x2，x3x3，x4x4，x5x5，xj)xj)。 2展開式Bln)lnln2ln(! 21)lnln(lnln232233223222233

8、20 xxxxxxxxxxxxBBBBBBBBBB1lnAxKBKBx一級相互作用系數(shù)：一級相互作用系數(shù)：二級相互作用系數(shù)：二級相互作用系數(shù)：122ln21AxKBKBx二級交叉相互作用系數(shù)：二級交叉相互作用系數(shù)：122ln21AxKBKBxx2KBKBBBBxxxxxxlnlnlnlnln3322022lnBBx33lnBBxKBKBxln)()3()2(033220lnlnlnlnlnlnKBBBBKKBBBBBxxx)()3()2(0KBBBBB2KBBKBKBBxxfKwBw、代替、以lglg0KweBweffKBBBBB0Bw10Bf0lg02f)()3()(lglglglgKBBB

9、BBffff%100lgAwBKBKwfe活度的相互作用系數(shù)例題例題 2)()3()(KBBBBBffff同類相互作用系數(shù)之間的關系同類相互作用系數(shù)之間的關系 jiiijijijijjijijieMMMMMeMMe230異類相互作用系數(shù)之間的關系異類相互作用系數(shù)之間的關系 ijijiijjiMMMeMM 230 1) 1(2301jijijiMMeBTAji2【例題】【例題】 原理：原理： 對于對于Fe-B-K三元系，三元系，lgKweBwefKBBBBlgKfB作圖，由直線的斜率、截距得到作圖，由直線的斜率、截距得到 BBKBee 、在在1813K測定鐵液中碳的質量分數(shù)為測定鐵液中碳的質量分

10、數(shù)為1.5的條件下，參與不同的條件下，參與不同的硅量時，的硅量時，CO2-CO混合氣體與混合氣體與C反響的氣相平衡分壓比見下反響的氣相平衡分壓比見下表。計算表。計算 SiCCCee 、COCOC22122CwfppKCCOCO122CKwppfCOCOC21. 0082. 0CCSiCee，2【例題】【例題】 在1873K測得Fe-S系中與不同濃度的S平衡的氣相分壓比如下。 SSeSHSH22SSSHSHSfKfSwppK1122SSSKKf2028. 0lgSwfeSSSSKSw得到外推至0課外課外1 12原理：當元素在溶劑如鐵液中溶解有限，構成飽和溶液時，參原理：當元素在溶劑如鐵液中溶解有

11、限，構成飽和溶液時，參與第與第3組分，其溶解度改動，但其活度未變，由于第組分，其溶解度改動，但其活度未變，由于第3組組分引起活度系數(shù)發(fā)生了變化。分引起活度系數(shù)發(fā)生了變化。飽和BB BaK KBFeKBBBBFeBBBwffBwfKBFeBFeKBBwBwf/2【例題】【例題】 在在1873K，F(xiàn)e-C系內碳的溶解度為系內碳的溶解度為5.5，參與，參與Si后，其溶解度的后，其溶解度的變化如下表所示。變化如下表所示。 SiCe 飽和石CC)(CaK SiCFeSiCCCCFeCCCwffCwfSiCFeCFeSiCCwCwf/203. 0lgSiwfeSiCSiC課外課外2 22在鐵液內的溶解焓為

12、在鐵液內的溶解焓為0 0，可近似將其溶液視為理想，可近似將其溶液視為理想 溶液。溶液。 在高溫的晶型與在高溫的晶型與FeFe大致一樣，原子半徑與鐵原子大致一樣，原子半徑與鐵原子 相差很小，與鐵能無限互溶，構成置換式熔體。相差很小，與鐵能無限互溶，構成置換式熔體。 熔體的物性可由純金屬的物性加和求得。熔體的物性可由純金屬的物性加和求得。 C原子半徑很小，構成間隙式熔體。原子半徑很小，構成間隙式熔體。 Si在鐵中的溶解焓很大，在鐵中的溶解焓很大，F(xiàn)eSi鍵很強。鍵很強。 molKJHSi/5 .7503氧在鐵液中的溶解度很小，屬于稀溶液類型。氧在鐵液中的溶解度很小，屬于稀溶液類型。fO=1 氣體氧

13、溶解于鐵液中是單原子狀。氣體氧溶解于鐵液中是單原子狀。1/2O2 = O2/12%OOPKO 鐵液中溶解氧與純氧化鐵渣間的反響鐵液中溶解氧與純氧化鐵渣間的反響 FeO (l) = O+Fe (l) TG35.521210090734. 26320lg%)(%lglg0TOFeOaOK飽S在鐵液內的存在方式及對鐵合金性能的影響和氧在鐵液內的存在方式及對鐵合金性能的影響和氧 有許多類似處。有許多類似處。 S在鐵中溶解成在鐵中溶解成S2-狀，在鐵液中可以無限互溶，狀，在鐵液中可以無限互溶， 而在固體鐵中的溶解度很小而在固體鐵中的溶解度很小.S S含量高時構成含量高時構成“熱脆景象。熱脆景象。 P P

14、在鐵液中溶解度很大，在固體鐵中的溶解度很小。在鐵液中溶解度很大，在固體鐵中的溶解度很小。 低溫時出現(xiàn)低溫時出現(xiàn)“冷脆。冷脆。 molkJHP/1440 H2、N2溶于鐵液中以單原子方式存在，溶解度 很小，構成稀溶液。 氫離子、氮離子溶于鐵液中構成間隙溶液。 分量百萬分數(shù)：ppm 1ppm =1/106=10-4 % ml / 100g 在規(guī)范形狀下1atm,273Kkgmm63333621025. 11028104 .2210N ml 1kgmm633336210089. 0102104 .2210H ml 1 ppm89. 0100/1010089. 0 /100gH ml 1362ppm5

15、 .12100/101025. 1 /100N ml 1362H2、N2在鐵液中的溶解服從平方根定律 溶解包括氣體分子的離解及離解后原子的溶解兩步。 例題例題鐵液中：鐵液中： 577. 11900lg%TH246. 11 .188lg%TN純鐵的熔點是15380C， 鋼液熔點定義為開場結晶的溫度。 計算公式 %1538iTtif金屬熔體的密度和原子量、 原子半徑及其配位數(shù)有關。 熔鐵在16000C的密度為69007000 kg/m3 4定義定義 相鄰液層以不同的速度相對運動，相鄰液層以不同的速度相對運動， 產生摩擦力產生摩擦力f ，阻止這種相對運動。，阻止這種相對運動。 dXdVAf粘度。數(shù)或

16、內摩擦系數(shù)，簡稱比例系數(shù)，稱為粘滯系黏度與溫度的關系式黏度與溫度的關系式 )/exp(0RTEB0lnlnBRTE0lg3 . 2lgBRTE 熔鐵在熔鐵在16000C的黏度為：的黏度為：4.7010-35.7810-3 Pa.s 1Pa.s=10P元素對熔鐵黏度的影響。元素對熔鐵黏度的影響。 根本概念根本概念 外表能：位于與氣相接觸的液體外表的原子為液體內部的原外表能：位于與氣相接觸的液體外表的原子為液體內部的原子所吸引處于不對稱的力場內，在恒溫、恒壓和子所吸引處于不對稱的力場內，在恒溫、恒壓和組成一定時，外表層的原子比內部原子具有較高組成一定時，外表層的原子比內部原子具有較高的能量，即液體

17、的外表能。的能量，即液體的外表能。外表吉布斯能：單位面積上的過剩外表能，外表吉布斯能：單位面積上的過剩外表能，J/mol J/mol 。外表張力：垂直作用在液面上任不斷線的兩側，沿液體的外表張力：垂直作用在液面上任不斷線的兩側，沿液體的切面向著兩側的拉力，切面向著兩側的拉力，N/m N/m 熔鐵在熔鐵在15501550的外表張力為：的外表張力為：1.850 N/m1.850 N/m 外表張力與溫度的關系式為：外表張力與溫度的關系式為：= 1.850-0.510-3(T-1823) N/m 主要元素對鐵液外表張力的影響。 負吸附：溶解組分質點和溶劑質點之間的作用力大于負吸附：溶解組分質點和溶劑質

18、點之間的作用力大于 溶劑質點之間的作用力。溶解組分在外表不溶劑質點之間的作用力。溶解組分在外表不 出現(xiàn)過剩濃度，稱為負吸附。出現(xiàn)過剩濃度，稱為負吸附。外表非活性物外表非活性物:構成負吸附的組分稱為外表非活性物構成負吸附的組分稱為外表非活性物.正吸附：溶劑質點間的作用力大于溶劑和溶質質點正吸附：溶劑質點間的作用力大于溶劑和溶質質點 間的作用力時，溶質質點被排斥到溶液表間的作用力時，溶質質點被排斥到溶液表 面上，溶液的外表張力降低。溶解組分在面上，溶液的外表張力降低。溶解組分在 外表上出現(xiàn)的這種過剩稱為正吸附。外表上出現(xiàn)的這種過剩稱為正吸附。外表活性物：構成正吸附的組分稱為外表活性物。外表活性物：

19、構成正吸附的組分稱為外表活性物。 分散類型分散類型 自分散本征分散：具有較高能量的原子從一個自分散本征分散：具有較高能量的原子從一個 平衡位轉移到另一個平衡位，稱為自分散。平衡位轉移到另一個平衡位，稱為自分散。互分散雜質分散，化學分散：溶液中組分的原互分散雜質分散，化學分散：溶液中組分的原 子在濃度梯度的作用下，向吉布斯能減小的方子在濃度梯度的作用下，向吉布斯能減小的方 向的挪動，稱為互分散。向的挪動，稱為互分散。 菲克定律菲克定律 xCDJD與溫度的關系式：與溫度的關系式： 斯托克斯托克愛因斯坦公式：愛因斯坦公式： )/exp(0RTEDDDrKTD6計算組成為計算組成為0.05%S、1%S

20、i、5.0%C、2%Mn的的生鐵液中硫的活度系數(shù)。溫度為生鐵液中硫的活度系數(shù)。溫度為1600。jefjSS%lgMneCeSieSeMnSCSSiSSS%57. 0lgSf71. 3Sf0.18605. 071. 3%SfaSS1540，CO-CO2混合氣體與鋼液的平衡反響為：混合氣體與鋼液的平衡反響為： C + CO2 = 2CO ，F(xiàn)e-C系中，與系中，與2.10% C平衡的混平衡的混合氣體分壓比為：合氣體分壓比為： 151022COCOPP260222COCOPP參與參與2% Si 2% Si ，與，與Fe-C-Si Fe-C-Si 三元系平衡的氣相分壓比三元系平衡的氣相分壓比為為: : 求求Si Si 對對C C的相互作用系數(shù)的相互作用系數(shù) SiCe C + CO2 = 2CO 212CCOCOaPPK鋼中碳以鋼中碳以1 1溶液為規(guī)范態(tài)溶液為規(guī)范態(tài) 對于對于Fe-C二元系：二元系：%1)(221 CfPPKCCOCO)(CCCff對于對于Fe-C-SiFe-C-Si三元系：三元系：%1222CfPPKCCOCOSiCCCCfff%CC%lg)lg(CeffCC