金屬熔體全部PPT課件

1、提出引入：提出引入：二元系中，僅考慮了組分和溶劑的相互作用，但當溶二元系中，僅考慮了組分和溶劑的相互作用，但當溶解元素多至一種以上時，不僅要考慮組分與溶劑的相互作解元素多至一種以上時，不僅要考慮組分與溶劑的相互作用，還要考慮各組分之間的相互作用，因此每個組分的活用，還要考慮各組分之間的相互作用，因此每個組分的活度系數(shù)會因度系數(shù)會因其他組分的存在而改變。如圖所示：在其他組分的存在而改變。如圖所示：在FeCFeC系內(nèi)，系內(nèi)，Si Si能提高能提高C C的活度，而的活度，而CrCr則降低則降低C C的活度。的活度。第1頁/共38頁對于多組分溶液內(nèi)組分的活度系數(shù)，瓦格納對于多組分溶液內(nèi)組分的活度系數(shù)，

2、瓦格納(Wagner(WagnerC)C)于于19521952年提出了年提出了1n1n B B函數(shù)按泰勒級數(shù)展開成組分濃度的多項式，代函數(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)，就可計算出多元系中組分的活度系入實驗測定的相互作用系數(shù)，就可計算出多元系中組分的活度系數(shù)。這個方法叫做瓦格納法。數(shù)。這個方法叫做瓦格納法。第2頁/共38頁相互作用系數(shù)的引入相互作用系數(shù)的引入設鐵液內(nèi)除所求活度系數(shù)的第設鐵液內(nèi)除所求活度系數(shù)的第2 2組分組分B B外，尚有其它組外，尚有其它組分分B B2 2，B B3 3，BBn n等存在時，它們的濃度分別用等存在時，它們的濃度分別用 表示，表示，組

3、分組分B B的活度系數(shù)在恒溫、恒壓下是其自身及其它組分濃的活度系數(shù)在恒溫、恒壓下是其自身及其它組分濃度的函數(shù)，用度的函數(shù)，用 表示。那么對于函數(shù)表示。那么對于函數(shù): : 的泰勒展開式為：的泰勒展開式為： nxxx,.,32),.,(32BBnxxxx.)lnln2ln(! 21)ln.lnlnln(ln),.,(ln23B22332B23222B222B3B32B2BBB0B32BBxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxnnn),.,(lnln32BBnxxxx第3頁/共38頁上式便是上式便是lnln B B 在鐵的稀溶液在鐵的稀溶液內(nèi)組分的增量為內(nèi)組分的增量為 的泰勒級數(shù)式。的泰勒級數(shù)式。

4、式中式中 是函數(shù)是函數(shù) 的初始值，即稀溶液內(nèi)活的初始值，即稀溶液內(nèi)活度系數(shù)度系數(shù) 的對數(shù)值。的對數(shù)值。) 1,.,0, 0, 0(A32Bxxxxnxxxx,.,32B0Bln0B),.,(ln32BBnxxxx.)lnln2ln(! 21)ln.lnlnln(ln),.,(ln23B22332B23222B222B3B32B2BBB0B32BBxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxnnn第4頁/共38頁對于函數(shù)對于函數(shù) 其泰勒展開式只保留二階導數(shù)項，并定其泰勒展開式只保留二階導數(shù)項，并定義：義： 一級相互作用系數(shù)為：一級相互作用系數(shù)為：二級作用系數(shù)為：二級作用系數(shù)為：二級交叉相互作用系數(shù)為

5、：二級交叉相互作用系數(shù)為：),.,(lnln32BBnxxxx1KBKBAlnxx12B2KBAKln21xx)KJ (1KJ2KJ,BAlnxBxx第5頁/共38頁根據(jù)上面定義，多元溶液中組分根據(jù)上面定義，多元溶液中組分B B的活度系數(shù)的活度系數(shù) B B的計算式的計算式可簡化為可簡化為，二階偏微商項可以略去，則上式變?yōu)?，二階偏微商項可以略去，則上式變?yōu)镵J3KJ,B1222KBK2KBBBB0BKlnlnxxxxxnKnJnKnKBK2KBBBB0BlnlnxxnKB第6頁/共38頁上式中上式中 為為Fe-B-KFe-B-K系內(nèi)，組分系內(nèi)，組分B B在溶劑中的在溶劑中的活度系數(shù)的對數(shù)值對組分

6、活度系數(shù)的對數(shù)值對組分K K的濃度的偏導數(shù)，亦稱的濃度的偏導數(shù)，亦稱相互作用系數(shù)，在溫度一定的稀溶液內(nèi)，它們是常相互作用系數(shù)，在溫度一定的稀溶液內(nèi)，它們是常數(shù)。數(shù)。KB1KBKBA)/ln(xxK2KBBBB0BlnlnxxnKB第7頁/共38頁將上式展開可得出：將上式展開可得出：以上三式為溶液中組元采用摩爾百分比濃度及以純物質(zhì)以上三式為溶液中組元采用摩爾百分比濃度及以純物質(zhì)為標準態(tài)的活度系數(shù)計算公式。為標準態(tài)的活度系數(shù)計算公式。KKB33B22BBBB0B.lnlnxxxxBKB3B2BBB0BBln.lnlnlnlnlnKB3B2BBB0BB. K2KBBBB0BBlnlnxxnK第8頁/

7、共38頁同理，若采用質(zhì)量分數(shù)同理，若采用質(zhì)量分數(shù)1%1%溶液為標準態(tài)，可得到溶液為標準態(tài)，可得到上式中上式中 稱為組分稱為組分K K對對B B的相互作用系數(shù)：的相互作用系數(shù)：K.32BlgKB3B2BBBBeeeefKB3B2BBBBlg.lglglglgfffffKB3B2BBBB. . fffff KBe%100BKBAK/lgfe第9頁/共38頁029. 0,026. 0,11. 0,063. 0,028. 0PSMnSCSSiSSSeeeeePMnCSiSlgPSMnSCSSiSSSSeeeeef第10頁/共38頁相互作用系數(shù)如何確定？相互作用系數(shù)如何確定？附錄附錄7（P318）給出了

8、溶于鐵液中）給出了溶于鐵液中1600時各元時各元素的素的 。應用該表讀取相互作用系數(shù)時，應注意：應用該表讀取相互作用系數(shù)時，應注意：一、溶劑為鐵液；一、溶劑為鐵液；二、元素二、元素B和和K不要混淆；不要混淆；三、給出的是三、給出的是1873K時的值。時的值。KBe第11頁/共38頁相互作用系數(shù)的溫度關系式相互作用系數(shù)的溫度關系式一般文獻公布的一般文獻公布的 多是溫度多是溫度1873K1873K的值，如給定的值，如給定溫度與之相差較遠時，則應對文獻值進行修正。溫度與之相差較遠時，則應對文獻值進行修正。按正規(guī)溶液的熱力學可得到相互作用系數(shù)的溫度按正規(guī)溶液的熱力學可得到相互作用系數(shù)的溫度關系式為：關

9、系式為：KBeKB(1873K)KB(T)1873eTe第12頁/共38頁 按準正規(guī)溶液模型可推得：按準正規(guī)溶液模型可推得： 通用的關系式為：通用的關系式為： 。利用不同溫度測利用不同溫度測定的定的 作圖作圖，可得出，可得出A、B常數(shù)值。如表常數(shù)值。如表3-8。相互作用系數(shù)的溫度關系式（相互作用系數(shù)的溫度關系式（2）KB(1873K)KB(T)355. 02538(eTeBTAeKB(T)Te1KB(T)對第13頁/共38頁相互作用系數(shù)的測定方法相互作用系數(shù)的測定方法從從 的定義式的定義式 可以看可以看出出 是是Fe-B-K三元系內(nèi)的獨立值，在多元系中其它三元系內(nèi)的獨立值，在多元系中其它組分的

10、濃度不影響組分的濃度不影響K對對B的作用，因此多元系內(nèi)的一級相的作用，因此多元系內(nèi)的一級相互作用系數(shù)可由三元系的實驗方法測定?；プ饔孟禂?shù)可由三元系的實驗方法測定。測定方法有同一活度法測定方法有同一活度法(溶解度法溶解度法)和同一濃度法和同一濃度法(化化學平衡法學平衡法)。KBe%100BKBAK/lgfeKBe第14頁/共38頁同一活度法（溶解度法）同一活度法（溶解度法）當元素在溶劑如鐵液中溶解有限，形成飽和溶液時，加入第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，則組分，則其溶解度就要改變，但其活度不變，因為第其溶解度就要改變，但其活度不變，因為第3組分引起它的活度系數(shù)發(fā)生了

11、變組分引起它的活度系數(shù)發(fā)生了變化。因此化。因此B=B飽飽，而溶液達到平衡時，而溶液達到平衡時，K=aB。在相同的溫度及標準態(tài)下，。在相同的溫度及標準態(tài)下，兩系的兩系的K相同，活度也相同，故相同，活度也相同，故于是于是K-BFeKBBBBFeBBBBfffK-BFeBFeKBB/Bf第15頁/共38頁注意：式中注意：式中 分別為分別為Fe-Fe-B B系和系和Fe-B-KFe-B-K系內(nèi)系內(nèi)B B的溶解度。由于此法是根據(jù)二的溶解度。由于此法是根據(jù)二元系及三元系中組分元系及三元系中組分B B的活度相同導出的，所以的活度相同導出的，所以稱為同一活度法。稱為同一活度法。 K-BFeBFeBB和第16頁

12、/共38頁同一濃度法（化學平衡法）同一濃度法（化學平衡法）方法要點如下：方法要點如下：鐵液內(nèi)溶解了一定量的組分鐵液內(nèi)溶解了一定量的組分B B的條件下，加入不同量的第三組分的條件下，加入不同量的第三組分K K時，由化時，由化學反應的平衡常數(shù)，求得組分學反應的平衡常數(shù)，求得組分B B的活度系數(shù)的活度系數(shù) f fB B 。對三元系。對三元系Fe-B-KFe-B-K，可得，可得出出 ，再以，再以 作圖，由直線的斜率和截距得出作圖，由直線的斜率和截距得出 和和 。 由于此法由于此法中的中的B B組分濃度活度系數(shù)均是按組分濃度活度系數(shù)均是按Fe-BFe-B二元系中二元系中B B 的濃度計算的，所以稱為同一

13、濃度的濃度計算的，所以稱為同一濃度法。法。KBlgKBBBBeefKlgB對fKBeBBe第17頁/共38頁相互作用系數(shù)相互作用系數(shù) 的特性決定于第三組分的特性決定于第三組分K K在在Fe-BFe-B系中系中K K、B B、FeFe質(zhì)點間作用力的質(zhì)點間作用力的特性。特性。與與FeFeB B間作用力相比，如果作用力間作用力相比，如果作用力 ，則第三元素，則第三元素K K能降低能降低B B組元活度系數(shù)，組元活度系數(shù)，這時這時 。例如，鐵液中的例如，鐵液中的MnMn、CrCr等元素會使等元素會使C C的活度系數(shù)降低，溶解度升高，因其的活度系數(shù)降低，溶解度升高，因其 、 均小于均小于0 0；(K)Be

14、BFeBKFF0KBeMnCeCrCe第18頁/共38頁反之，若作用力反之，若作用力 ，則第三元素能提高，則第三元素能提高B組元活度系數(shù)，并使其溶組元活度系數(shù)，并使其溶解度降低，這時解度降低，這時 0，例如，鐵液中的，例如，鐵液中的Si、P等元素會使等元素會使C的活度系數(shù)升高；的活度系數(shù)升高；若作用力若作用力 ，則第三元素對，則第三元素對B組元活度系數(shù)無影響，這時組元活度系數(shù)無影響，這時 =0 。 轉(zhuǎn)換關系：轉(zhuǎn)換關系： ； BFeBK FFKBeBFeBK FF(K)BeBKKBBKKBKBeMMe第19頁/共38頁 鐵液中元素種類較多，大致可分為：鐵液中元素種類較多，大致可分為： 1 1）鋼

15、中的氣體；）鋼中的氣體； 2 2）鋼中的雜質(zhì)；）鋼中的雜質(zhì)； 3 3）鋼中的合金元素與有益元素；）鋼中的合金元素與有益元素；第20頁/共38頁氫是鋼鐵中的氣體之一，純有害元素。危害：氫在鋼中形成“白點”，引起“氫脆”和應力腐蝕。鋼液凝固時，發(fā)生偏析，來不及排出，形成“白點”，軋制后形成條狀的白亮帶，性能降低。真空處理的方法除去鋼中的氫非常有效；氫在鐵液中的溶解度很小，形成稀溶液，目前工程上普遍以ppm（10-6）作單位來衡量。它們在鋼中的溶解符合氣體溶解的西華特平方根定律。 第21頁/共38頁氮是鋼中的氣體之一；氮是鋼中的氣體之一；氮對部分鋼種，特別是耐磨性強的鋼是有益的元素，氮對部分鋼種，特

16、別是耐磨性強的鋼是有益的元素，但它能降低一般鋼種的塑性，提高鋼的脆性，也是鋼中但它能降低一般鋼種的塑性，提高鋼的脆性，也是鋼中的有害元素。的有害元素。鋼液凝固時，其溶解度強烈降低，溶解氣體的析出鋼液凝固時，其溶解度強烈降低，溶解氣體的析出引起元素的偏析（如氮化物夾雜）或使鋼鑄件產(chǎn)生氣孔，引起元素的偏析（如氮化物夾雜）或使鋼鑄件產(chǎn)生氣孔，均使鋼的性能降低。（電弧附近的高溫區(qū)，吸氮能力很均使鋼的性能降低。（電弧附近的高溫區(qū)，吸氮能力很強）強）來源：空氣；除去方法：吹氬，真空。來源：空氣；除去方法：吹氬，真空。第22頁/共38頁 氫和氮在鋼液或鐵液中的溶解服從符合氣體溶氫和氮在鋼液或鐵液中的溶解服從

17、符合氣體溶解的西華特平方根定律。解的西華特平方根定律。 因此氫和氮是鋼中的因此氫和氮是鋼中的氣體，鋼液脫氣就是指脫出氫和氮。氣體，鋼液脫氣就是指脫出氫和氮。 容易混淆的是鋼液中的氧，因其在鋼液中的溶容易混淆的是鋼液中的氧，因其在鋼液中的溶解不符合氣體溶解的西華特（解不符合氣體溶解的西華特（Sieverts）平方根）平方根定律。定律。第23頁/共38頁溫度：溫度升高，溶解度增大；溫度：溫度升高，溶解度增大；說明：氫和氮的溶解都是吸熱反應，溶解焓包括說明：氫和氮的溶解都是吸熱反應，溶解焓包括H22H的離解焓和的離解焓和H H的溶解焓。的溶解焓。工業(yè)現(xiàn)象（氫腐蝕、電弧爐鋼氣體含量高、精煉溫度高工業(yè)現(xiàn)

18、象（氫腐蝕、電弧爐鋼氣體含量高、精煉溫度高的危害等。）的危害等。）壓力：壓力升高，溶解度增大；壓力：壓力升高，溶解度增大；含氮（高氮）奧氏體鋼的生產(chǎn)（日本及我國）、真空中含氮（高氮）奧氏體鋼的生產(chǎn)（日本及我國）、真空中氣體氫和氮的去除。氣體氫和氮的去除。第24頁/共38頁其他元素影響分四類：其他元素影響分四類：1、與氫和氮能形成化合物的元素，如、與氫和氮能形成化合物的元素，如Ti、Nb、V等，能等，能降低氫和氮的活度系數(shù)，從而提高其溶解度；降低氫和氮的活度系數(shù)，從而提高其溶解度；2、比、比Fe對氣體元素有更大親和力的元素，如對氣體元素有更大親和力的元素，如Cr、Mn、Mo等，其含量在一般鋼種中

19、不形成化合物時，也能等，其含量在一般鋼種中不形成化合物時，也能降低氫和氮的活度系數(shù)，從而提高其溶解度；降低氫和氮的活度系數(shù)，從而提高其溶解度；3、能降低溶解度的元素，如、能降低溶解度的元素，如C、O、S、P、Si等非金屬等非金屬元素或準金屬元素，但能提高氫和氮的活度系數(shù)；元素或準金屬元素，但能提高氫和氮的活度系數(shù)；4、對溶解度無實際影響的元素，如、對溶解度無實際影響的元素，如Co、Ni、Cu等。等。第25頁/共38頁氧也是鋼中的有害元素。氧也是鋼中的有害元素。隨溫度降低，溶解度減小很大，在鐵凝隨溫度降低，溶解度減小很大，在鐵凝固時，以固時，以FeO形式在鐵的晶界析出，破壞晶形式在鐵的晶界析出，

20、破壞晶粒間的結(jié)合，使鋼的機械性能降低，特別在粒間的結(jié)合，使鋼的機械性能降低，特別在熱加工時，形成了所謂熱加工時，形成了所謂“熱脆熱脆”現(xiàn)象，就是現(xiàn)象，就是由于低熔點的由于低熔點的FeO熔化所致。熔化所致?！盁岽酂岽唷睂е聼彳堉茣r發(fā)生軋斷現(xiàn)象。導致熱軋制時發(fā)生軋斷現(xiàn)象。第26頁/共38頁在旋轉(zhuǎn)坩堝內(nèi)進行的在旋轉(zhuǎn)坩堝內(nèi)進行的Fe-FeO平衡實驗，平衡反應為：平衡實驗，平衡反應為： FeO（l）=O+Fe 需要強調(diào)的是：需要強調(diào)的是：如（如（FeO）采用的純物質(zhì)為標準態(tài)，即）采用的純物質(zhì)為標準態(tài)，即 如（如（FeO）采用質(zhì)量）采用質(zhì)量1%溶液標準態(tài)，則溶液標準態(tài)，則 由此可計算得到由此可計算得到18

21、73K下氧在鐵液中的溶解度。下氧在鐵液中的溶解度。mol)(35.52121009mrJTG734. 2/6320lgO(R)TL734. 0/6320lgO(%)TL%23. 0OFeOO/ O)(aL注第27頁/共38頁 硫在鐵液中可以無限互溶，但在固體鐵中的溶解度卻很小，含硫較高的鋼硫在鐵液中可以無限互溶，但在固體鐵中的溶解度卻很小，含硫較高的鋼液凝固時，硫以液凝固時，硫以FeS形態(tài)富集在晶界上，形成低熔點（形態(tài)富集在晶界上，形成低熔點（988）的）的Fe-FeS共晶體，在后續(xù)的熱加工溫度下，該共晶體以液態(tài)出現(xiàn)于晶界面上，出現(xiàn)共晶體，在后續(xù)的熱加工溫度下，該共晶體以液態(tài)出現(xiàn)于晶界面上，出

22、現(xiàn)“熱脆熱脆”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 危害：脆性增加，機械性能下降，熱軋時出現(xiàn)軋斷現(xiàn)象，冷拔時，夾雜導危害：脆性增加，機械性能下降，熱軋時出現(xiàn)軋斷現(xiàn)象，冷拔時，夾雜導致應力集中，出現(xiàn)拔斷。致應力集中，出現(xiàn)拔斷。 磷在鐵液中的溶解度也很大，但在固體鐵中的溶解度卻很小，特別是溫度磷在鐵液中的溶解度也很大，但在固體鐵中的溶解度卻很小，特別是溫度很低時，易在晶界面上析出，出現(xiàn)很低時，易在晶界面上析出，出現(xiàn)“冷脆冷脆”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。第28頁/共38頁1、熔點、熔點化學純鐵的熔點為化學純鐵的熔點為1538 ，工業(yè)純鐵的熔點為，工業(yè)純鐵的熔點為1530 。當有其他元素溶解于其中時，其熔點就有所下降。當有其他元素溶解于其

23、中時，其熔點就有所下降。由于鋼及生鐵的熔化或凝固是在一個溫度段內(nèi)進行，由于鋼及生鐵的熔化或凝固是在一個溫度段內(nèi)進行，所以一般定義鋼的熔點是其開始結(jié)晶的溫度。鋼的熔點所以一般定義鋼的熔點是其開始結(jié)晶的溫度。鋼的熔點是選擇冶煉和澆鑄溫度的重要數(shù)據(jù)。是選擇冶煉和澆鑄溫度的重要數(shù)據(jù)。第29頁/共38頁表表3-9給出了鐵液中元素降低純鐵凝固點的給出了鐵液中元素降低純鐵凝固點的T，因此，因此鋼的熔點（凝固點）可利用表鋼的熔點（凝固點）可利用表3-9中的中的T數(shù)值由下式近似數(shù)值由下式近似計算：計算：說明：鋼中氣體對熔點的影響，視其含量一般在說明：鋼中氣體對熔點的影響，視其含量一般在7。 BB1538Tt第3

24、0頁/共38頁 由表由表3-9可知，普通鋼中最多的雜質(zhì)元素碳降低鐵熔點可知，普通鋼中最多的雜質(zhì)元素碳降低鐵熔點的作用最顯著，因此，在生產(chǎn)上也有采用下式近似計算的作用最顯著，因此，在生產(chǎn)上也有采用下式近似計算碳素鋼的熔點：碳素鋼的熔點： 。 生產(chǎn)上的生產(chǎn)上的“結(jié)晶定碳儀結(jié)晶定碳儀”就是根據(jù)此原理，測定結(jié)晶溫就是根據(jù)此原理，測定結(jié)晶溫度，反算其碳含量。度，反算其碳含量。C901530t第31頁/共38頁純鐵液在1873K的密度為69007000kgm-3。密度與溫度的關系式為：3mkg853. 08580)(TT第32頁/共38頁粘粘 度度1、牛頓粘度定律、牛頓粘度定律 在流動的液體中，各層的定向

25、運動速度并不相等，因而相鄰層間發(fā)在流動的液體中，各層的定向運動速度并不相等，因而相鄰層間發(fā)生了相對運動，兩層間產(chǎn)生一對大小相等、方向相反與作用面平行生了相對運動，兩層間產(chǎn)生一對大小相等、方向相反與作用面平行的內(nèi)摩擦力（切應力的內(nèi)摩擦力（切應力F ），以阻止這種相對運動。這種力與各液層），以阻止這種相對運動。這種力與各液層間的接觸面積間的接觸面積(A)及速度梯度成正比：及速度梯度成正比： 比例系數(shù)，稱動力粘度，單位為比例系數(shù)，稱動力粘度，單位為Pas。物理意義是單位速度梯。物理意義是單位速度梯度下，作用于平行的液層間單位面積的摩擦力。度下，作用于平行的液層間單位面積的摩擦力。dxduAF第33頁/共38頁式中式中 B0常數(shù)，常數(shù)，Nsm-2；E 粘流活化能，粘流活化能，Jmol-1，它的物理意義是液體的粘滯流動單元在速度梯度作用下它的物理意義是液體的粘滯流動單元在速度梯度作用下從一平衡位向另一平衡位移動時，用以克服運動中能礙從一平衡位向另一平衡位移動時，用以克服運動中能礙的能量，它和原子間作用力有關。如果粘滯流動單元的的能量，它和原子間作用力有關。如果粘滯流動單元的結(jié)構(gòu)不會改變，那么結(jié)構(gòu)不會改變，那么E是常