冶金原理第三章

冶金原理第三章1第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五熔體結構熔體性質液體金屬的結構：金屬中組成質點的排列狀態(tài)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。2第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1.1金屬晶體的結構金屬鍵：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。熔鐵及其合金的結構1晶態(tài)金屬中的原子排列非晶態(tài)金屬中的原子排列[晶體]——內部質點在三維空間按一定的規(guī)律周期性地排列；[非晶體]——內部質點是散亂排列的。3第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1.1金屬晶體的結構晶格：晶體中原子在空間的排列。晶胞：晶格中能完全反映晶格特征的最小幾何單元稱晶胞。晶格常數(shù)（晶格基矢）：晶胞中各棱邊的長度a、b、c稱為晶格常數(shù)。配位數(shù)：位于某原子周圍最鄰近、等距離的原子數(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行微小振動，每個原子的這種平衡位置稱為晶格的結點。熔鐵及其合金的結構1晶體是由占有晶體整個體積的、在三維方向上以一定距離呈周期而重復的有序排列的原子所構成。這種狀態(tài)稱為結構的遠程有序性。4第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1.1金屬晶體的結構熔鐵及其合金的結構1純鐵的同素異構轉變5第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1.3金屬熔體的結構模型自由體積模型金屬熔體是由每個原子占據(jù)一個大小相同的自由體積所組成，總自由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?？瘴荒Ｐ腿壕蹜B(tài)模型(流動集團模型)金屬熔體的原子在溫度升高時，可離開晶格的結點，形成空位，因而原子排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失，而原子僅能在每個結點附近才成為有序的排列，保持了近程序。金屬熔化時，原子間的鍵在一定程度上仍保持著，但原子的有序分布不僅局限于直接鄰近于該原子的周圍而是擴展到較大體積的原子團內，即在這種原子團內保持著接近于晶體中的結構，這稱為金屬熔體的有序帶或群聚態(tài)。有序帶的周圍則是原子混亂排列的無序帶，但它們之間沒有明顯的分界面，所以不能視為兩個相。這種群聚態(tài)不斷消失，又不斷產(chǎn)生，而一個群聚態(tài)的原子可向新形成的群聚態(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，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，表面活性元素多在此兩帶的界面上存在。16第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五鐵液中組分活度的相互作用系數(shù)Fe—C系內:Si提高C的活度Cr降低C的活度。

C.Wagner法（計算活度系數(shù)）：把lnγi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)，即可計算出組分的活度系數(shù)?！?7第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1活度的相互作用系數(shù)2.1.1以純物質為標準態(tài)

泰勒級數(shù)：目標及條件：設鐵液（組分1）內組分2的活度系數(shù)γ2為所求，除組分2外，尚有組分3，4，5，…，j等存在，其濃度分別為x2，x3，x4，x5，…，xj，則γ2在恒溫恒壓下是其自身濃度及其他組分濃度的函數(shù)，即：γ2=γ(x2，x3，x4，x5，…，xj)。

28第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五一級相互作用系數(shù)：二級相互作用系數(shù)：二級交叉相互作用系數(shù)：29第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五210第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1.2以重量1%濃度溶液為標準態(tài)例題★

211第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1.3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

異類相互作用系數(shù)之間的關系2.1.4相互作用系數(shù)的溫度關系式12第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.2相互作用系數(shù)的測定方法2.2.1化學平衡法2【例題】原理：對于Fe-B-K三元系，作圖，由直線的斜率、截距得到在1813K測定鐵液中碳的質量分數(shù)為1.5％的條件下，加入不同的硅量時，CO2-CO混合氣體與[C]反應的氣相平衡分壓比見下表。計算13第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五214第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五【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。

215第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五課外1216第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.2.2溶解度法原理：當元素在溶劑如鐵液中溶解有限，形成飽和溶液時，加入第3組分，其溶解度改變，但其活度未變，因為第3組分引起活度系數(shù)發(fā)生了變化。217第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五【例題】在1873K，F(xiàn)e-C系內碳的溶解度為5.5％，加入Si后，其溶解度的變化如下表所示。218第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五課外2219第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五3.1Mn、Ni、Co、Cr、Mo鐵液中元素的溶解及存在的形式在鐵液內的溶解焓為0，可近似將其溶液視為理想溶液。在高溫的晶型與δFe大致相同，原子半徑與鐵原子相差很小，與鐵能無限互溶，形成置換式熔體。熔體的物性可由純金屬的物性加和求得。

3.2CC原子半徑很小，形成間隙式熔體。3.3SiSi在鐵中的溶解焓很大，F(xiàn)e—Si鍵很強。320第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五3.4O氧在鐵液中的溶解度很小，屬于稀溶液類型。fO=1氣體氧溶解于鐵液中是單原子狀。1/2O2=[O]鐵液中溶解氧與純氧化鐵渣間的反應FeO(l)=[O]+Fe(l)

★21第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五3.5S、PS在鐵液內的存在形式及對鐵合金性能的影響和氧有許多相似處。S在鐵中溶解成S2-狀，在鐵液中可以無限互溶，而在固體鐵中的溶解度很小.S含量高時形成“熱脆現(xiàn)象”。P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)“冷脆”。

3.6其他元素：V、Ti、Ca、Mg22第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五3.7鐵液中的氫和氮溶解形式●

H2、N2溶于鐵液中以單原子形式存在，溶解度很小，形成稀溶液?！駳潆x子、氮離子溶于鐵液中形成間隙溶液。

表示氣體濃度的單位●重量百萬分數(shù)：ppm1ppm=1/106=10-4%●ml/100g在標準狀態(tài)下（1atm,273K）23第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五溶解特點●H2、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。

例題鐵液中：

24第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五熔鐵及其合金的物理性質4.1熔點●純鐵的熔點是15380C，鋼液熔點定義為開始結晶的溫度。

●計算公式

4.2密度●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6900—7000kg/m3

425第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五4.3黏度●定義

相鄰液層以不同的速度相對運動，產(chǎn)生摩擦力f，阻止這種相對運動。

●黏度與溫度的關系式

●熔鐵在16000C的黏度為：4.70×10-3—5.78×10-3Pa.s1Pa.s=10P●元素對熔鐵黏度的影響。26第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五4.4表面張力●基本概念

表面能：位于與氣相接觸的液體表面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、恒壓和組成一定時，表面層的原子比內部原子具有較高的能量，即液體的表面能。表面吉布斯能：單位面積上的過剩表面能，J/mol。表面張力：垂直作用在液面上任一直線的兩側，沿液體的切面向著兩側的拉力，N/m27第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五●熔鐵在1550的表面張力為：1.850N/m表面張力與溫度的關系式為：σ=1.850-0.5×10-3(T-1823)N/m●主要元素對鐵液表面張力的影響。

負吸附：溶解組分質點和溶劑質點之間的作用力大于溶劑質點之間的作用力。溶解組分在表面不出現(xiàn)過剩濃度，稱為負吸附。表面非活性物:形成負吸附的組分稱為表面非活性物.正吸附：溶劑質點間的作用力大于溶劑和溶質質點間的作用力時，溶質質點被排擠到溶液表面上，溶液的表面張力降低。溶解組分在表面上出現(xiàn)的這種過剩稱為正吸附。表面活性物：形成正吸附的組分稱為表面活性物。

28第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五4.5擴散●擴散類型

自擴散（本征擴散）：具有較高能量的原子從一個平衡位轉移到另一個平衡位，稱為自擴散。互擴散（雜質擴散，化學擴散）：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向的移動，稱為互擴散?！穹瓶硕蒁與溫度的關系式：

斯托克—愛因斯坦公式：

29第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五計算組成為0.05%S、1%Si、5.0%C、2%Mn的生鐵液中硫的活度系數(shù)。溫度為1600℃。—————————————————30第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1540℃，CO-CO2混合氣體與鋼液的平衡反應為：[C]+CO2=2CO，F(xiàn)e-C系中，與2.10%C平衡的混合氣體分壓比為：

加入2%Si，與Fe-C-Si三元系平衡的氣相分壓比為:

求Si對C的相互作用系數(shù)

[C]+CO2=2CO鋼中碳以1％溶液為標準態(tài)

對于Fe-C二元系：對于Fe-C-Si三元系：—————————————————維持C含量不變，31第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五32第32頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1540℃，F(xiàn)e-C二元系中，C的飽和濃度為[%C]飽

=5.2，加入2%Si后，C的飽和濃度為[%C]飽

=4.6，求Si對C的相互作用系數(shù)

已知[C]以1%濃度