冶金学第章　金属熔体.ppt

第三章　金属熔体第三章　金属熔体 熔铁及其合金的结构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熔铁及其合金的物理性质 41231熔体结构熔体结构熔体性质熔体性质液体金属的结构：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晶体的结构金属键：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：晶格：晶体中原子在空间的排列晶体中原子在空间的排列结构的远程有序性：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的远程有序性单位晶胞：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。

单位晶胞晶格常数（晶格基矢）：晶格常数（晶格基矢）：单位晶胞棱的长度称为晶格常数单位晶胞棱的长度称为晶格常数配位数：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原子的这种平衡位置称为晶格的结点为晶格的结点 1.2 熔体的结构熔体的结构 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构 131.3 金属熔体的结构模型金属熔体的结构模型 Ø自由体积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 Ø空位模型空位模型 Ø群聚态模型群聚态模型( (流动集团模型流动集团模型 ) ) 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则是原子混乱排列的无序带，熔体的有序带或群聚态有序带的周围则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，表面活性量溶解于固体金属中的元素在有序带内的溶解度比较高，表面活性元素多在此两带的界面上存在。

元素多在此两带的界面上存在 14铁液中组分活度的相互作用系数铁液中组分活度的相互作用系数 Fe——C系内系内: :Si提高提高C的活度的活度Cr降低降低C的活度 C.Wagner法（计算活度系数）：法（计算活度系数）：把把lnγγi函数按泰勒级数展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，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即可计算出组分的活度系数★★252.1 活度的相互作用系数活度的相互作用系数 2.1.1 2.1.1 以纯物质为标准态以纯物质为标准态以纯物质为标准态以纯物质为标准态 泰勒级数泰勒级数 ：：目标及条件：目标及条件：设铁液（组分设铁液（组分1）内组分）内组分2的活度系数的活度系数γγ2为所求，除组分为所求，除组分2外，外，尚有组分尚有组分3，，4，，5，，……，，j等存在，其浓度分别为等存在，其浓度分别为x2，，x3，，x4，，x5，，……，，xj，则，则γγ2在恒温恒压下是其自身浓度及其他组分浓度的在恒温恒压下是其自身浓度及其他组分浓度的函数，即：函数，即：　　　　　　γγ2=γγ(x2，，x3，，x4，，x5，，……，，xj)。

26一级相互作用系数：一级相互作用系数：二级相互作用系数：二级相互作用系数：二级交叉相互作用系数：二级交叉相互作用系数：27282.1.2 2.1.2 以重量以重量以重量以重量1%1%浓度溶液为标准态浓度溶液为标准态浓度溶液为标准态浓度溶液为标准态 例题例题★★ 292.1.3 2.1.3 相互作用系数之间的关系相互作用系数之间的关系相互作用系数之间的关系相互作用系数之间的关系 Ø同类相互作用系数之间的关系同类相互作用系数之间的关系 Ø异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 2.1.4 相互作用系数的温度关系式相互作用系数的温度关系式相互作用系数的温度关系式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相互作用系数的测定方法2.2.1 2.2.1 化学平衡法化学平衡法化学平衡法化学平衡法2【【例题例题】】 原理：原理： 对于对于Fe-B-K三元系，三元系，作图，由直线的斜率、截距得到作图，由直线的斜率、截距得到 在在1813K测定铁液中碳的质量分数为测定铁液中碳的质量分数为1.5％的条件下，加入不同％的条件下，加入不同的硅量时，的硅量时，CO2-CO混合气体与混合气体与[C]反应的气相平衡分压比见下反应的气相平衡分压比见下表。

计算表计算 11212【【例题例题】】 在1873K测得Fe-S系中与不同浓度的[S]平衡的气相分压比如下 213课外课外12142.2.2 2.2.2 溶解度法溶解度法溶解度法溶解度法原理：原理：当元素在溶剂如铁液中溶解有限，形成饱和溶液时，加当元素在溶剂如铁液中溶解有限，形成饱和溶液时，加入第入第3组分，其溶解度改变，但其活度未变，因为第组分，其溶解度改变，但其活度未变，因为第3组组分引起活度系数发生了变化分引起活度系数发生了变化215【【例题例题】】 在在1873K，，Fe-C系内碳的溶解度为系内碳的溶解度为5.5％，加入％，加入Si后，其溶解度的变后，其溶解度的变化如下表所示化如下表所示 216课外课外22173.1 Mn、、Ni、、Co、、Cr、、Mo 铁液中元素的溶解及存在的形式铁液中元素的溶解及存在的形式 Ø在铁液内的溶解焓为在铁液内的溶解焓为0 0，可近似将其溶液视为理想，可近似将其溶液视为理想 溶液 Ø在高温的晶型与在高温的晶型与δFeδFe大致相同，原子半径与铁原子大致相同，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。

相差很小，与铁能无限互溶，形成置换式熔体 Ø熔体的物性可由纯金属的物性加和求得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，在铁中的溶解焓很大，Fe—Fe—SiSi键很强 3183.4 O Ø氧在铁液中的溶解度很小，属于稀溶液类型氧在铁液中的溶解度很小，属于稀溶液类型fO=1 Ø气体氧溶解于铁液中是单原子状气体氧溶解于铁液中是单原子状1/2O2 = [O]Ø铁液中溶解氧与纯氧化铁渣间的反应铁液中溶解氧与纯氧化铁渣间的反应 FeO (l) = [O]+Fe (l) ★★193.5 S、、P ØS在铁液内的存在形式及对铁合金性能的影响和氧在铁液内的存在形式及对铁合金性能的影响和氧 有许多相似处有许多相似处 ØS在铁中溶解成在铁中溶解成S2-状，在铁液中可以无限互溶，状，在铁液中可以无限互溶， 而在固体铁中的溶解度很小而在固体铁中的溶解度很小. .ØS S含量高时形成含量高时形成““热脆现象热脆现象”” ØP P在铁液中溶解度很大，在固体铁中的溶解度很小在铁液中溶解度很大，在固体铁中的溶解度很小。

Ø低温时出现低温时出现““冷脆冷脆”” 3.6其他元素：其他元素：V、、Ti、、Ca、、Mg 203.7 铁液中的氢和氮铁液中的氢和氮溶解形式溶解形式● H2、、N2溶于铁液中以单原子形式存在，溶解度溶于铁液中以单原子形式存在，溶解度 很小，形成稀溶液很小，形成稀溶液● 氢离子、氮离子溶于铁液中形成间隙溶液氢离子、氮离子溶于铁液中形成间隙溶液 表示气体浓度的单位表示气体浓度的单位 ● 重量百万分数：重量百万分数：ppm 1ppm =1/106=10-4 %● ml / 100g 在标准状态下（在标准状态下（1atm,273K））21溶解特点溶解特点●H2、、N2在铁液中的溶解服从平方根定律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溶解包括气体分子的离解及离解后原子的溶解两步 例题例题铁液中：铁液中： 22熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质 4.1 熔点熔点 ●纯铁的熔点是纯铁的熔点是15380C，， 钢液熔点定义为开始结晶的温度钢液熔点定义为开始结晶的温度 ●计算公式计算公式 4.2 密度密度 ●金属熔体的密度和原子量、金属熔体的密度和原子量、 原子半径及其配位数有关。

原子半径及其配位数有关 ●熔铁在熔铁在16000C的密度为的密度为6900——7000 kg/m3 4234.3 黏度黏度 ●定义定义 相邻液层以不同的速度相对运动，相邻液层以不同的速度相对运动， 产生摩擦力产生摩擦力f ，，阻止这种相对运动阻止这种相对运动 ●黏度与温度的关系式黏度与温度的关系式 ● 熔铁在熔铁在16000C的黏度为：的黏度为：4.70×10-3—5.78×10-3 Pa.s 1Pa.s=10P●●元素对熔铁黏度的影响元素对熔铁黏度的影响 244.4 表面张力表面张力 ●基本概念基本概念 表面能：表面能：位于与气相接触的液体表面的原子为液体内部的原位于与气相接触的液体表面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、恒压和组子所吸引处于不对称的力场内，在恒温、恒压和组成一定时，表面层的原子比内部原子具有较高的能成一定时，表面层的原子比内部原子具有较高的能量，即液体的表面能量，即液体的表面能表面吉布斯能：表面吉布斯能：单位面积上的过剩表面能，单位面积上的过剩表面能，J/mol 表表面面张张力力：：垂垂直直作作用用在在液液面面上上任任一一直直线线的的两两侧侧，，沿沿液液体体的的切面向着两侧的拉力，切面向着两侧的拉力，N/m 25● ● 熔铁在熔铁在1550的表面张力为：的表面张力为：1.850 N/m 表面张力与温度的关系式为：表面张力与温度的关系式为：σ= 1.850-0.5×10-3(T-1823) N/m ● 主要元素对铁液表面张力的影响。

主要元素对铁液表面张力的影响 负吸附：负吸附：溶解组分质点和溶剂质点之间的作用力大于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表面不溶剂质点之间的作用力溶解组分在表面不 出出现过剩浓度，称为负吸附现过剩浓度，称为负吸附表面非活性物表面非活性物: :形成负吸附的组分称为表面非活性物形成负吸附的组分称为表面非活性物. .正吸附：正吸附：溶剂质点间的作用力大于溶剂和溶质质点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间的作用力时，溶质质点被排挤到溶液表 面上，溶液的表面张力降低溶解组分在面上，溶液的表面张力降低溶解组分在 表面上出现的这种过剩称为正吸附表面上出现的这种过剩称为正吸附表面活性物：表面活性物：形成正吸附的组分形成正吸附的组分称称为表面活性物为表面活性物 264.5 扩散扩散 ●扩散类型扩散类型 自扩散（本征扩散）：自扩散（本征扩散）：具有较高能量的原子从一个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。

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）：互扩散（杂质扩散，化学扩散）：溶液中组分的原溶液中组分的原 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，称为互扩散向的移动，称为互扩散 ●●菲克定律菲克定律 D与温度的关系式：与温度的关系式： 斯托克斯托克——爱因斯坦公式：爱因斯坦公式： 27计算组成为计算组成为0.05%S、、1%Si、、5.0%C、、2%Mn的的生铁液中硫的活度系数温度为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应为：混合气体与钢液的平衡反应为： [C] + CO2 = 2CO ，，Fe-C系中，与系中，与2.10% C平衡的混平衡的混合气体分压比为：合气体分压比为： 加入加入2% Si ，与，与Fe-C-Si 三元系平衡的气相分压比为三元系平衡的气相分压比为: : 求求Si 对对C的相互作用系数的相互作用系数 [C] + CO2 = 2CO 钢中碳以钢中碳以1 1％溶液为标准态％溶液为标准态 对于对于Fe-C二元系：二元系：对于对于Fe-C-Si三三元系：元系：—————————————————维持维持C含量不变，含量不变，29301540℃，，Fe-C二元系中，二元系中，C的饱和浓度为的饱和浓度为[%C]饱饱 = 5.2 ，加入，加入2% Si后，后，C的饱和浓度为的饱和浓度为[%C]饱饱 = 4.6 ，，求求Si对对C的相互作用系数的相互作用系数 已知已知[C]以以1%浓度溶液为标准态，浓度溶液为标准态，C石石以纯物质为标准态。

以纯物质为标准态 C石石=[C]饱饱 对于对于Fe-C二元系：二元系：对于对于Fe-C三三元系：元系：———————————————————3132计算计算1600℃℃及及20265Pa的氮气下，成分为的氮气下，成分为18％％Cr、、8%Ni、、1%Mn、、1%Si的钢液的含氮量的钢液的含氮量 ———————————————————33。