冶金学第三章金属熔体

*,第三章金属熔体,熔铁及其合金的结构,铁液中元素的溶解及存在的形式,铁液中组分活度的相互作用系数,熔铁及其合金的物理性质,4,1,2,3,1,熔体结构,熔体性质,液体金属的结构：,金属中组成质点的排列状态和运动方式，取决于原子间交互作用能的特性及数值，直接影响物理化学性质。,2,1.1 金属晶体的结构,金属键：金属离子和其间运动着的价电子的结合力，金属键无方向性。,晶格：晶体中原子在空间的排列。,结构的远程有序性：晶体是由占有晶体整个体积的、在三维方向上以一定距离呈周期而重复的有序排列的原子所构成。这种状态称为结构的远程有序性。,单位晶胞：以设想的直线连接晶格中最邻近原子中心而构成的体积称为单位晶胞。,晶格常数晶格基矢：单位晶胞棱的长度称为晶格常数。,配位数：位于某原子周围最邻近、等距离的原子数称为配位数。,晶格结点：晶格中的每个原子在一定位置上不断地进行微小振动，每个原子的这种平衡位置称为晶格的结点。,1.2 熔体的结构,熔铁及其合金的结构,1,3,1.3 金属熔体的结构模型,自由体积模型,金属熔体是由每个原子占据一个大小相同的自由体积所组成，总自由体积等于金属熔体在过热温度时的体积与熔点时固体金属体积之差。,空位模型,群聚态模型,(,流动集团模型,),金属熔体的原子在温度升高时，可离开晶格的结点，形成空位，因而原子排列的有序性就比晶体的小。这些空位在某些地方不断出现，又在另一些地方不断消失，而原子仅能在每个结点附近才成为有序的排列，保持了近程序。,金属熔化时，原子间的键在一定程度上仍保持着，但原子的有序分布不仅局限于直接邻近于该原子的周围而是扩展到较大体积的原子团内，即在这种原子团内保持着接近于晶体中的结构，这称为金属熔体的有序带或群聚态。有序带的周围那么是原子混乱排列的无序带，但它们之间没有明显的分界面，所以不能视为两个相。这种群聚态不断消失，又不断产生，而一个群聚态的原子可向新形成的群聚态内转移。溶解于金属液中的元素在此两带内有不同的溶解度，能大量溶解于固体金属中的元素在有序带内的溶解度比较高，外表活性元素多在此两带的界面上存在。,1,4,铁液中组分活度的相互作用系数,Fe,C,系内:,Si,提高,C,的活度,Cr,降低,C,的活度。,C.Wagner法计算活度系数：把lni函数按泰勒级数展开成组分浓度的多项式，代入实验测定的相互作用系数，即可计算出组分的活度系数。,2,5,2.1 活度的相互作用系数,2.1.1 以纯物质为标准态,泰勒级数,：,目标及条件：,设铁液组分1内组分2的活度系数2为所求，除组分2外，尚有组分3，4，5，j等存在，其浓度分别为x2，x3，x4，x5，xj，那么2在恒温恒压下是其自身浓度及其他组分浓度的函数，即：,2=(x2，x3，x4，x5，xj)。,2,6,一级相互作用系数：,二级相互作用系数：,二级交叉相互作用系数：,2,7,2,8,2.1.2 以重量1%浓度溶液为标准态,例题,2,9,2.1.3 相互作用系数之间的关系,同类相互作用系数之间的关系,异类相互作用系数之间的关系,2.1.4 相互作用系数的温度关系式,10,2.2 相互作用系数的测定方法,2.2.1 化学平衡法,2,【例题】,原理：,对于Fe-B-K三元系，,作图，由直线的斜率、截距得到,在1813K测定铁液中碳的质量分数为1.5的条件下，参加不同的硅量时，CO2-CO混合气体与C反响的气相平衡分压比见下表。计算,11,2,12,【例题】,在1873K测得Fe-S系中与不同浓度的S平衡的气相分压比方下。,2,13,课外,1,2,14,2.2.2 溶解度法,原理：当元素在溶剂如铁液中溶解有限，形成饱和溶液时，参加第3组分，其溶解度改变，但其活度未变，因为第3组分引起活度系数发生了变化。,2,15,【例题】,在1873K，Fe-C系内碳的溶解度为5.5，参加Si后，其溶解度的变化如下表所示。,2,16,课外,2,2,17,3.1 Mn、Ni、Co、Cr、Mo,铁液中元素的溶解及存在的形式,在铁液内的溶解焓为,0,，可近似将其溶液视为理想,溶液。,在高温的晶型与,Fe,大致相同，原子半径与铁原子,相差很小，与铁能无限互溶，形成置换式熔体。,熔体的物性可由纯金属的物性加和求得。,3.2 C,C,原子半径很小，形成间隙式熔体。,3.3 Si,Si,在铁中的溶解焓很大，FeSi键很强。,3,18,3.4 O,氧在铁液中的溶解度很小，属于稀溶液类型。,f,O,=1,气体氧溶解于铁液中是单原子状。,1/2O,2,=O,铁液中溶解氧与纯氧化铁渣间的反响,FeO,(l),=O+Fe,(l),19,3.5 S、P,S,在铁液内的存在形式及对铁合金性能的影响和氧,有许多相似处。,S,在铁中溶解成,S,2-,状，在铁液中可以无限互溶，,而在固体铁中的溶解度很小,.,S含量高时形成“热脆现象。,P,在铁液中溶解度很大，在固体铁中的溶解度很小。,低温时出现“冷脆。,3.6其他元素：V、Ti、Ca、Mg,20,3.7 铁液中的氢和氮,溶解形式,H,2,、N,2,溶于铁液中以单原子形式存在，溶解度,很小，形成稀溶液。,氢离子、氮离子溶于铁液中形成间隙溶液。,表示气体浓度的单位,重量百万分数：ppm 1ppm=1/106=10-4%,ml/100g 在标准状态下1atm,273K,21,溶解特点,H,2,、,N,2,在铁液中的溶解服从平方根定律,溶解包括气体分子的离解及离解后原子的溶解两步。,例题,铁液中：,22,熔铁及其合金的物理性质,4.1 熔点,纯铁的熔点是,1538,0,C,，,钢液熔点定义为开始结晶的温度。,计算公式,4.2 密度,金属熔体的密度和原子量、,原子半径及其配位数有关。,熔铁在,1600,0,C,的密度为,6900,7000 kg/m,3,4,23,4.3 黏度,定义,相邻液层以不同的速度相对运动，,产生摩擦力,f,，阻止这种相对运动。,黏度与温度的关系式,熔铁在,1600,0,C,的黏度为：,4.7010,-3,5.7810,-3,Pa.s 1Pa.s=10P,元素对熔铁黏度的影响。,24,4.4 外表张力,根本概念,外表能：位于与气相接触的液体外表的原子为液体内部的原子所吸引处于不对称的力场内，在恒温、恒压和组成一定时，外表层的原子比内部原子具有较高的能量，即液体的外表能。,外表吉布斯能：单位面积上的过剩外表能，J/mol。,外表张力：垂直作用在液面上任一直线的两侧，沿液体的切面向着两侧的拉力，N/m,25,熔铁在1550的外表张力为：1.850 N/m,外表张力与温度的关系式为：,=1.850-0.510-3(T-1823)N/m,主要元素对铁液外表张力的影响。,负吸附：溶解组分质点和溶剂质点之间的作用力大于,溶剂质点之间的作用力。溶解组分在外表不,出现过剩浓度，称为负吸附。,外表非活性物:形成负吸附的组分称为外表非活性物.,正吸附：溶剂质点间的作用力大于溶剂和溶质质点,间的作用力时，溶质质点被排挤到溶液表,面上，溶液的外表张力降低。溶解组分在,外表上出现的这种过剩称为正吸附。,外表活性物：形成正吸附的组分称为外表活性物。,26,4.5 扩散,扩散类型,自扩散本征扩散：具有较高能量的原子从一个,平衡位转移到另一个平衡位，称为自扩散。,互扩散杂质扩散，化学扩散：溶液中组分的原,子在浓度梯度的作用下，向吉布斯能减小的方,向的移动，称为互扩散。,菲克定律,D,与温度的关系式：,斯托克爱因斯坦公式：,27,计算组成为0.05%S、1%Si、5.0%C、2%Mn的生铁液中硫的活度系数。温度为1600。,28,1540，CO-CO2混合气体与钢液的平衡反响为：,C+CO2=2CO，Fe-C系中，与2.10%C平衡的混合气体分压比为：,参加2%Si，与Fe-C-Si 三元系平衡的气相分压比为:,求,Si,对,C,的相互作用系数,C+CO,2,=2CO,钢中碳以1溶液为标准态,对于Fe-C二元系：,对于,Fe-C-Si三,元系：,维持,C,含量不变，,29,30,1540，Fe-C二元系中，C的饱和浓度为%C饱=5.2，参加2%Si后，C的饱和浓度为%C饱=4.6，求Si对C的相互作用系数,C,以,1%,浓度溶液为标准态，,C,石,以纯物质为标准态。,C,石,=C,饱,对于Fe-C二元系：,对于,Fe-C三,元系：,31,32,计算,1600,及,20265Pa,的氮气下，成分为,18,Cr,、,8%Ni,、,1%Mn,、,1%Si,的钢液的含氮量。,33,