冶金原理第三章

冶金原理第三章1第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二熔體結(jié)構(gòu)熔體性質(zhì)液體金屬的結(jié)構(gòu)：金屬中組成質(zhì)點(diǎn)的排列狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)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(xué)性質(zhì)。2第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.1金屬晶體的結(jié)構(gòu)金屬鍵：金屬離子和其間運(yùn)動(dòng)著的價(jià)電子的結(jié)合力，金屬鍵無(wú)方向性。熔鐵及其合金的結(jié)構(gòu)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(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間按一定的規(guī)律周期性地排列；[非晶體]——內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)是散亂排列的。3第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.1金屬晶體的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(jié)點(diǎn)：晶格中的每個(gè)原子在一定位置上不斷地進(jìn)行微小振動(dòng)，每個(gè)原子的這種平衡位置稱為晶格的結(jié)點(diǎn)。熔鐵及其合金的結(jié)構(gòu)1晶體是由占有晶體整個(gè)體積的、在三維方向上以一定距離呈周期而重復(fù)的有序排列的原子所構(gòu)成。這種狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程有序性。4第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.1金屬晶體的結(jié)構(gòu)熔鐵及其合金的結(jié)構(gòu)1純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變5第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.3金屬熔體的結(jié)構(gòu)模型自由體積模型金屬熔體是由每個(gè)原子占據(jù)一個(gè)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(guò)熱溫度時(shí)的體積與熔點(diǎn)時(shí)固體金屬體積之差?？瘴荒Ｐ腿壕蹜B(tài)模型(流動(dòng)集團(tuán)模型)金屬熔體的原子在溫度升高時(shí)，可離開晶格的結(jié)點(diǎn)，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(gè)結(jié)點(diǎn)附近才成為有序的排列，保持了近程序。金屬熔化時(shí)，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(kuò)展到較大體積的原子團(tuán)內(nèi)，即在這種原子團(tuán)內(nèi)保持著接近于晶體中的結(jié)構(gòu)，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(wú)序帶，但它們之間沒(méi)有明顯的分界面，所以不能視為兩個(gè)相。這種群聚態(tài)不斷消失，又不斷產(chǎn)生，而一個(gè)群聚態(tài)的原子可向新形成的群聚態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)移。溶解于金屬液中的元素在此兩帶內(nèi)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(nèi)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第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二鐵液中組分活度的相互作用系數(shù)Fe—C系內(nèi):Si提高C的活度Cr降低C的活度。

C.Wagner法（計(jì)算活度系數(shù)）：把lnγi函數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)展開成組分濃度的多項(xiàng)式，代入實(shí)驗(yàn)測(cè)定的相互作用系數(shù)，即可計(jì)算出組分的活度系數(shù)?！?7第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.1活度的相互作用系數(shù)2.1.1以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)

泰勒級(jí)數(shù)：目標(biāo)及條件：設(shè)鐵液（組分1）內(nèi)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第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二一級(jí)相互作用系數(shù)：二級(jí)相互作用系數(shù)：二級(jí)交叉相互作用系數(shù)：29第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二210第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.1.2以重量1%濃度溶液為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)例題★

211第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.1.3相互作用系數(shù)之間的關(guān)系同類相互作用系數(shù)之間的關(guān)系

異類相互作用系數(shù)之間的關(guān)系2.1.4相互作用系數(shù)的溫度關(guān)系式12第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.2相互作用系數(shù)的測(cè)定方法2.2.1化學(xué)平衡法2【例題】原理：對(duì)于Fe-B-K三元系，作圖，由直線的斜率、截距得到在1813K測(cè)定鐵液中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％的條件下，加入不同的硅量時(shí)，CO2-CO混合氣體與[C]反應(yīng)的氣相平衡分壓比見下表。計(jì)算13第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二214第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二【例題】在1873K測(cè)得Fe-S系中與不同濃度的[S]平衡的氣相分壓比如下。

215第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二課外1216第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.2.2溶解度法原理：當(dāng)元素在溶劑如鐵液中溶解有限，形成飽和溶液時(shí)，加入第3組分，其溶解度改變，但其活度未變，因?yàn)榈?組分引起活度系數(shù)發(fā)生了變化。217第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二【例題】在1873K，F(xiàn)e-C系內(nèi)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第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二課外2219第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.1Mn、Ni、Co、Cr、Mo鐵液中元素的溶解及存在的形式在鐵液內(nèi)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(wú)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(qiáng)。320第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.4O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(yīng)FeO(l)=[O]+Fe(l)

★21第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.5S、PS在鐵液內(nèi)的存在形式及對(duì)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(wú)限互溶，而在固體鐵中的溶解度很小.S含量高時(shí)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(shí)出現(xiàn)“冷脆”。

3.6其他元素：V、Ti、Ca、Mg22第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.7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(wàn)分?jǐn)?shù)：ppm1ppm=1/106=10-4%●ml/100g在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（1atm,273K）23第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二溶解特點(diǎn)●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第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二熔鐵及其合金的物理性質(zhì)4.1熔點(diǎn)●純鐵的熔點(diǎn)是15380C，鋼液熔點(diǎn)定義為開始結(jié)晶的溫度。

●計(jì)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(guān)。

●熔鐵在16000C的密度為6900—7000kg/m3

425第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.3黏度●定義

相鄰液層以不同的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦力f，阻止這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

●黏度與溫度的關(guān)系式

●熔鐵在16000C的黏度為：4.70×10-3—5.78×10-3Pa.s1Pa.s=10P●元素對(duì)熔鐵黏度的影響。26第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.4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(nèi)部的原子所吸引處于不對(duì)稱的力場(chǎng)內(nèi)，在恒溫、恒壓和組成一定時(shí)，表面層的原子比內(nèi)部原子具有較高的能量，即液體的表面能。表面吉布斯能：?jiǎn)挝幻娣e上的過(guò)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(cè)，沿液體的切面向著兩側(cè)的拉力，N/m27第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二●熔鐵在1550的表面張力為：1.850N/m表面張力與溫度的關(guān)系式為：σ=1.850-0.5×10-3(T-1823)N/m●主要元素對(duì)鐵液表面張力的影響。

負(fù)吸附：溶解組分質(zhì)點(diǎn)和溶劑質(zhì)點(diǎn)之間的作用力大于溶劑質(zhì)點(diǎn)之間的作用力。溶解組分在表面不出現(xiàn)過(guò)剩濃度，稱為負(fù)吸附。表面非活性物:形成負(fù)吸附的組分稱為表面非活性物.正吸附：溶劑質(zhì)點(diǎn)間的作用力大于溶劑和溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的作用力時(shí)，溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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(guò)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第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.5擴(kuò)散●擴(kuò)散類型

自擴(kuò)散（本征擴(kuò)散）：具有較高能量的原子從一個(gè)平衡位轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平衡位，稱為自擴(kuò)散?；U(kuò)散（雜質(zhì)擴(kuò)散，化學(xué)擴(kuò)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(dòng)，稱為互擴(kuò)散?！穹瓶硕蒁與溫度的關(guān)系式：

斯托克—愛因斯坦公式：

29第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二計(jì)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℃?！?0第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二1540℃，CO-CO2混合氣體與鋼液的平衡反應(yīng)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(duì)C的相互作用系數(shù)

[C]+CO2=2CO鋼中碳以1％溶液為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)

對(duì)于Fe-C二元系：對(duì)于Fe-C-Si三元系：—————————————————維持C含量不變，31第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二32第三十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二1540℃，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(duì)C的相互作用系數(shù)

已知[C]以1%濃度