冶金原理第三章幻灯片.ppt

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1、冶金原理第三章1第1页，共35页，编辑于2022年，星期五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，取决于原子间交互作用能的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。特性及数值，直接影响物理化学性质。2第2页，共35页，编辑于2022年，星期五1.1 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。熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构 1晶态金属中的原子排列晶态金属中的原子排列 非晶

2、态金属中的原子排列非晶态金属中的原子排列 晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；非晶体内部质点是散乱排列的。3第3页，共35页，编辑于2022年，星期五1.1 金属晶体的结构金属晶体的结构晶格：晶格：晶体中原子在空间的排列。晶体中原子在空间的排列。晶胞：晶胞：晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶格常数（晶格基矢）：晶格常数（晶格基矢）：晶胞中各棱边的长度晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数称为晶格常数。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：

3、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这种平衡位置称为晶格的结点。为晶格的结点。熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构 1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。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。4第4页，共35页，编辑于2022年，星期五1.1 金属晶体的结构金属晶体的结构熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构 1纯铁的同素异构转变纯铁的同

4、素异构转变5第5页，共35页，编辑于2022年，星期五1.3 金属熔体的结构模型金属熔体的结构模型 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，总自由体积等于金属熔体在过热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。温度时的体积与熔点时固体金属体积之差。空位模型空位模型 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，因而原子排列的有序性就比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。

5、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。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

6、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。这种群聚态不断消失，又不断产明显的分界面，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，表面活性元素多在此两带的界面上存在。有序带内的溶解度比较高，表面活性元素多在此两带

7、的界面上存在。16第6页，共35页，编辑于2022年，星期五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 FeC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。的活度。C.Wagner法（计算活度系数）：法（计算活度系数）：把把lni函数按泰勒级数展开成组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。的活度系数。27第7页，共35页，编辑于2022年，星期五2.1 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

8、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2为所求，除组分为所求，除组分2外，尚有组外，尚有组分分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2在恒温恒压下是其自身浓度及其他组分浓度的函数，即：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)。28第8页，共35页，编辑于2022年，星期五一级相互作用系数：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：29第9页，共35页，编

9、辑于2022年，星期五210第10页，共35页，编辑于2022年，星期五2.1.2 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 211第11页，共35页，编辑于2022年，星期五2.1.3 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 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 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 1

10、2第12页，共35页，编辑于2022年，星期五2.2 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，加入不同的硅量的条件下，加入不同的硅量时，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表。计算反应的气相平衡分压比见下表。计算 13第13页，共35页，编辑于2022年，星期五214第14页，共35页，编辑于2022年

11、，星期五【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。215第15页，共35页，编辑于2022年，星期五课外课外1216第16页，共35页，编辑于2022年，星期五2.2.2 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，加入第当元素在溶剂如铁液中溶解有限，形成饱和溶液时，加入第3组组分，其溶解度改变，但其活度未变，因为第分，其溶解度改变，但其活度未变，因为第3组分引起活度系组分引起活度系数发生了变化。数发生了变化。217第17页，共35页，编辑于2022年，星期五【例题】【例题】在在1873K，Fe-C

12、系内碳的溶解度为系内碳的溶解度为5.5，加入，加入Si后，其溶解度的变化如下表所后，其溶解度的变化如下表所示。示。218第18页，共35页，编辑于2022年，星期五课外课外2219第19页，共35页，编辑于2022年，星期五3.1 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 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。溶液。在高温的晶型与在高温的晶型与FeFe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。熔

13、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，FeFeSiSi键很强。键很强。320第20页，共35页，编辑于2022年，星期五3.4 O 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 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)21第21页，共35页，编辑于2022年，星期

14、五3.5 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。S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.S S含量高时形成含量高时形成“热脆现象热脆现象”。P 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。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 22第22页，共35页，编辑于2022年，星期五3.7 铁液中的氢和氮铁液中的氢和氮溶解形式溶解形式 H

15、2、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）23第23页，共35页，编辑于2022年，星期五溶解特点溶解特点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：

16、铁液中：24第24页，共35页，编辑于2022年，星期五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69007000 kg/m3 425第25页，共35页，编辑于2022年，星期五4.3 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。

17、，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：4.7010-35.7810-3 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。26第26页，共35页，编辑于2022年，星期五4.4 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子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、恒压和组成一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量，即定时，表面层的原子比内部原子具有较高的能量，即液体的表

18、面能。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切面面向着两侧的拉力，向着两侧的拉力，N/m 27第27页，共35页，编辑于2022年，星期五 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：=1.850-0.510-3(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

19、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

20、附的组分称称为表面活性物。为表面活性物。28第28页，共35页，编辑于2022年，星期五4.5 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：2

21、9第29页，共35页，编辑于2022年，星期五计算组成为计算组成为0.05%S、1%Si、5.0%C、2%Mn的生铁的生铁液中硫的活度系数。温度为液中硫的活度系数。温度为1600。30第30页，共35页，编辑于2022年，星期五1540，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平衡的混合气平衡的混合气体分压比为：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

22、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，31第31页，共35页，编辑于2022年，星期五32第32页，共35页，编辑于2022年，星期五1540，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：33第33页，共35页，编辑于2022年，星期五34第34页，共35页，编辑于2022年，星期五计算计算1600及及20265Pa的氮气下，成分为的氮气下，成分为18Cr、8%Ni、1%Mn、1%Si的钢液的含氮量。的钢液的含氮量。35第35页，共35页，编辑于2022年，星期五