3 金属熔体.ppt

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1、3.3.金金 属属 熔熔 体体 （1 1）研究金属熔体的意义）研究金属熔体的意义 金属熔体是冶金过程的最终产品，也是冶炼过程金属熔体是冶金过程的最终产品，也是冶炼过程中多相反应的直接参加者。中多相反应的直接参加者。铁水铁水 高炉产品，炼铁过程中常伴随着如下反应：高炉产品，炼铁过程中常伴随着如下反应：FeS+(CaOFeS+(CaO)=()=(CaS)+(FeOCaS)+(FeO)(FeO)+1/2Si=Fe+1/2(SiO(FeO)+1/2Si=Fe+1/2(SiO2 2)2 2CO=COCO=CO2 2+C+C 钢液钢液 炼钢产品，炼钢产品，炼钢过程中常伴随着如下反应：炼钢过程中常伴随着如下

2、反应：C+OC+O2 2=CO =CO Si+OSi+O2 2=(SiO=(SiO2 2)（2 2）本章主要研究内容）本章主要研究内容 金属熔体的结构、热力学性质及物理性质。金属熔体的结构、热力学性质及物理性质。金属熔体的结构、热力学性质及物理性质。金属熔体的结构、热力学性质及物理性质。3.1.1 3.1.1 金属晶体的结构金属晶体的结构 （1 1 1 1）什么是金属晶体？）什么是金属晶体？）什么是金属晶体？）什么是金属晶体？以金属键为结合力的晶体成为金属晶体。金属原子结合以金属键为结合力的晶体成为金属晶体。金属原子结合成晶体时，其外层的价电子为整个晶体所共有。成晶体时，其外层的价电子为整个晶

3、体所共有。（2 2 2 2）金属晶体的结构特点）金属晶体的结构特点）金属晶体的结构特点）金属晶体的结构特点 具有晶体结构的一般特征：原子排列的远程序特性、具具有晶体结构的一般特征：原子排列的远程序特性、具有一定的晶格结构、由单位晶胞构成、有一定的晶格结构、由单位晶胞构成、原子在晶格结点上并原子在晶格结点上并作微小振动等。作微小振动等。金属晶体没有方向性及饱和性。同时这些金属离子也不金属晶体没有方向性及饱和性。同时这些金属离子也不彼此排斥，形成单独的离子，一般可把金属晶体视为由中性彼此排斥，形成单独的离子，一般可把金属晶体视为由中性原子所构成。原子所构成。3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其

4、合金的结构 （3 3 3 3）什么是固溶体？）什么是固溶体？）什么是固溶体？）什么是固溶体？当有其他原子溶入某种固体时，称为固溶体。当有其他原子溶入某种固体时，称为固溶体。（4 4 4 4）固溶体的分类）固溶体的分类）固溶体的分类）固溶体的分类 置换型固溶体：置换型固溶体：置换型固溶体：置换型固溶体：各组分的原子在晶格结点位相互置换，各组分的原子在晶格结点位相互置换，但置换的异种原子的半径差别应不很大。但置换的异种原子的半径差别应不很大。间隙型固溶体：间隙型固溶体：间隙型固溶体：间隙型固溶体：组分的原子占据了本体晶格的空隙位，组分的原子占据了本体晶格的空隙位，两种原子的半径差别则很大。两种原子

5、的半径差别则很大。（5 5）金属间化合物）金属间化合物）金属间化合物）金属间化合物 两种或两种以上的金属元素以简单的比例形成有新性质两种或两种以上的金属元素以简单的比例形成有新性质的化合物，称为金属间化合物，其组成同组分原子在一般化的化合物，称为金属间化合物，其组成同组分原子在一般化合物中表示的原子价几乎无关，它们的原子价数之和对原子合物中表示的原子价几乎无关，它们的原子价数之和对原子数之比相同时晶型结构则相同。数之比相同时晶型结构则相同。3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构3.1.2 3.1.2 金属熔体的结构金属熔体的结构 液体的结构液体的结构液体的结构液体的结构 理想气体是

6、完全无序的结构，理想固体理想气体是完全无序的结构，理想固体(晶体晶体)是完全有是完全有序的结构，液体的结构是介于固体和气体之间的一种中间状序的结构，液体的结构是介于固体和气体之间的一种中间状态的结构。态的结构。影响液体结构的因素影响液体结构的因素影响液体结构的因素影响液体结构的因素 温度：温度：温度：温度：低温下，接近于固体的结构，而在接近临界点的低温下，接近于固体的结构，而在接近临界点的温度时，则接近于气体的结构。温度时，则接近于气体的结构。液体中原子群从一平衡位跃迁到另一平衡位的频率：液体中原子群从一平衡位跃迁到另一平衡位的频率：杂质元素：杂质元素：杂质元素：杂质元素：当异类原子间有较强的

7、键存在时，可能形成相当异类原子间有较强的键存在时，可能形成相当于某种化合物组成的原子（离子）群聚团。当于某种化合物组成的原子（离子）群聚团。3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构金属熔体的结构金属熔体的结构金属熔体的结构金属熔体的结构 一般过热度不高的金属熔体具有和的晶体相近的结构，即一般过热度不高的金属熔体具有和的晶体相近的结构，即金属熔体中仅每个被指定的原子附近的原子团是有序排列的，金属熔体中仅每个被指定的原子附近的原子团是有序排列的，和晶体中的相似，但晶体中存在的远程序则消失了。和晶体中的相似，但晶体中存在的远程序则消失了。依据：依据：依据：依据：a a a a 金属熔化后物

8、性改变不大：金属熔化后物性改变不大：金属熔化后物性改变不大：金属熔化后物性改变不大：铁熔化后，体积增加不超过铁熔化后，体积增加不超过4 4，熔化熵仅熔化熵仅8.28.2J.molJ.mol-1-1.K.K-1-1 b Xb Xb Xb X射线、电子或中子衍射图射线、电子或中子衍射图射线、电子或中子衍射图射线、电子或中子衍射图3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构液体金属中原子间的交互作用能：液体金属中原子间的交互作用能：液体金属中原子间的交互作用能：液体金属中原子间的交互作用能：3.1.4 3.1.4 液体金属结构敏感性质计算的方程

9、液体金属结构敏感性质计算的方程 金属液体的内能金属液体的内能金属液体的内能金属液体的内能斥力斥力引力引力3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构任意中心原子与任意中心原子与任意中心原子与任意中心原子与相距相距相距相距r r r r处厚度为处厚度为处厚度为处厚度为drdrdrdr的球壳内原子作用的势能：的球壳内原子作用的势能：的球壳内原子作用的势能：的球壳内原子作用的势能：3.1 3.1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构N N N NA A A A个原子的总动能：个原子的总动能：个原子的总动能：个原子的总动能：N N N NA A A A个中心原子与相距个中心原子与相距个中心原子与

10、相距个中心原子与相距r r r r处厚度为处厚度为处厚度为处厚度为drdrdrdr的球壳内原子作用的总势能：的球壳内原子作用的总势能：的球壳内原子作用的总势能：的球壳内原子作用的总势能：液体金属结构敏感性质的计算液体金属结构敏感性质的计算液体金属结构敏感性质的计算液体金属结构敏感性质的计算 金属液体的内能计算方程中包含金属液体的内能计算方程中包含g(r)g(r)，知道，知道g(r)g(r)随温度、随温度、密度、速度梯度、表面积变化的关系，就能相应的求出液体密度、速度梯度、表面积变化的关系，就能相应的求出液体金属的导热率、扩散系数、黏度、表面张力等金属的导热率、扩散系数、黏度、表面张力等液体金属

11、结构液体金属结构敏感性质敏感性质。动能动能势能势能 结构敏感性质：结构敏感性质：结构敏感性质：结构敏感性质：对物质结构改变敏感的某些物质性质，对物质结构改变敏感的某些物质性质，例如：物质的粘度，表面张力、密度、导电性等。例如：物质的粘度，表面张力、密度、导电性等。1 1 1 1molmolmolmol液体金属的内能：液体金属的内能：液体金属的内能：液体金属的内能：3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构 （1 1 1 1）自由体积模型自由体积模型自由体积模型自由体积模型 内容：内容：内容：内容：金属熔体是由每个原子占据一个大小相同的自由金属熔体是由每个原子占据一个大小相同的自由体积所

12、组成。它的总自由体积等于金属熔体在过热温度时的体体积所组成。它的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积与熔点时固体金属体积之差 应用：应用：应用：应用：温度升高，自由体积增加，液体的粘度减小温度升高，自由体积增加，液体的粘度减小3.1.3 3.1.3 金属熔体的结构模型金属熔体的结构模型 基于金属熔体原子的排列具有近程序特征，提出基于金属熔体原子的排列具有近程序特征，提出了描述金属熔体的结构和原子的运动特征的模型了描述金属熔体的结构和原子的运动特征的模型3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构（2 2 2 2）空位模型空位模型空位模型空位模型 内容：内容：

13、内容：内容：加热及熔化时，原子的热振动加强，供给的热量提加热及熔化时，原子的热振动加强，供给的热量提高了金属的内能和熵值，同时原子间距增大，密度减小。原子高了金属的内能和熵值，同时原子间距增大，密度减小。原子间距的增加使原子间的作用力减弱，于是原子或离子离开了结间距的增加使原子间的作用力减弱，于是原子或离子离开了结点，形成空位。原子向空位上跃迁，形成空位的流动点，形成空位。原子向空位上跃迁，形成空位的流动 应用：应用：应用：应用：金属熔体的黏度：温度升高，原子间距的增加使原子间的金属熔体的黏度：温度升高，原子间距的增加使原子间的作用力减弱，从而粘度降低。作用力减弱，从而粘度降低。扩散：物质的扩

14、散是通过原子或离子离开了结点，形成空扩散：物质的扩散是通过原子或离子离开了结点，形成空位，而附近原子又可向空位上跃迁，形成空位的流动来实现的。位，而附近原子又可向空位上跃迁，形成空位的流动来实现的。3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构 (3)(3)(3)(3)群聚团模型群聚团模型群聚团模型群聚团模型(流动集团模型流动集团模型流动集团模型流动集团模型)内容：内容：内容：内容：金属熔化及其过热度不高时，金属熔体内部原子在较金属熔化及其过热度不高时，金属熔体内部原子在较大体积的原子团内，保持着接近于晶体中的结构。这称为金属大体积的原子团内，保持着接近于晶体中的结构。这称为金属熔体的有序

15、带或群聚态。有序带周围为无序带，二者之间无明熔体的有序带或群聚态。有序带周围为无序带，二者之间无明显分界面，在金属熔体内部群聚态不断消失，不断产生，一个显分界面，在金属熔体内部群聚态不断消失，不断产生，一个群聚态的原子可向新形成的群聚态内转移。群聚态的原子可向新形成的群聚态内转移。群聚态特性：群聚态特性：群聚态特性：群聚态特性：溶解于金属液中的元素在有序带和无序带内有不同的溶解度。溶解于金属液中的元素在有序带和无序带内有不同的溶解度。群聚态的存在表明金属熔体处于微观不均匀的非平衡态。群聚态的存在表明金属熔体处于微观不均匀的非平衡态。当金属液中溶解有其他元素，且异类原子间有较强的键存在当金属液中

16、溶解有其他元素，且异类原子间有较强的键存在时，可能形成相当于某种化合物组成的原子（离子）群聚团。时，可能形成相当于某种化合物组成的原子（离子）群聚团。3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构 群聚态形成的判据：群聚态形成的判据：群聚态形成的判据：群聚态形成的判据：3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构X-射线衍射图的径向分配曲线的第一个峰是否分裂为双峰3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构物性物性-组成等温线上是否出现转折点组成等温线上是否出现转折点3 31 1 熔铁及其合金的结构熔铁及其合金的结构二元相图的化合物组成点处液相线上最高点的形状，出现尖二元相图的

17、化合物组成点处液相线上最高点的形状，出现尖锐、平滑的最高点，有群聚态出现的可能。锐、平滑的最高点，有群聚态出现的可能。同分熔化化合物：化合物或原子（离子）团在液相及固相中均存在。同分熔化化合物：化合物或原子（离子）团在液相及固相中均存在。异分熔化化合物：化合物或原子（离子）团在固相中存在，在液相中完异分熔化化合物：化合物或原子（离子）团在固相中存在，在液相中完全不存在。全不存在。3 32 2 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当溶解元素多至当溶解元素多至一种以上时，每一种以上时，每个组分的活度系个组分的活度系数会因其他组分数会因其他组分的存在而改变的存在而改变3.2.1

18、3.2.1 3.2.1 3.2.1 相互作用系数相互作用系数相互作用系数相互作用系数 以纯物质为标准态，设铁液内除所求活度系数的组分以纯物质为标准态，设铁液内除所求活度系数的组分B B(称为第称为第2 2组分组分)外，组分外，组分B B2 2，B B3 3，B Bn n等等(称为第称为第3 3组分组分)存在存在时，它们的浓度分别用时，它们的浓度分别用x x2 2，x x3 3，x xn n表示，有：表示，有：B B(x(x2 2,x,x3 3x xn n)T T，P P 将将B B的对数函数按泰勒级数展开，可得：的对数函数按泰勒级数展开，可得：3 32 2 铁液中组分活度的相互作用系数铁液中组

19、分活度的相互作用系数代入上式代入上式3 32 2 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定义：定义：定义：定义：当溶液中各组分的浓度较低时，即位于稀溶液内，二阶当溶液中各组分的浓度较低时，即位于稀溶液内，二阶偏微商项可以略去，则上式变为：偏微商项可以略去，则上式变为：3 32 2 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采用质量分数采用质量分数1 1溶液为标准态，则组分溶液为标准态，则组分B B活度系数计算公式为：活度系数计算公式为：3 32 2 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3.2 3.2 铁液中组分活度的相互作用系数铁液中组分活度

20、的相互作用系数3.2.2 3.2.2 相互作用系数的特性及其转换关系相互作用系数的特性及其转换关系 相互作用系数的特性相互作用系数的特性相互作用系数的特性相互作用系数的特性 相互作用系数决定于第相互作用系数决定于第相互作用系数决定于第相互作用系数决定于第3 3 3 3组分在组分在组分在组分在Fe-BFe-BFe-BFe-B系中系中系中系中K K K K、B B B B、FeFeFeFe质点间质点间质点间质点间作用力的特性作用力的特性作用力的特性作用力的特性:当当当当f f f fK K K K.B B B Bf f f fFe.BFe.B，第第第第3 3 3 3元素能降低元素能降低元素能降低元

21、素能降低f f f fB B(Fe(Fe(Fe(Fe B B B B十十十十K KK KK KK K B B B B十十十十Fe)Fe)Fe)Fe)，并使组分并使组分并使组分并使组分B B B B的溶解度增加，这时的溶解度增加，这时的溶解度增加，这时的溶解度增加，这时e e e eB BK K K K0;0;0;0;当当当当f f f fK K K K.FeFeFeFef f f fFe.BFe.B,第第第第3 3 3 3元素能提高元素能提高元素能提高元素能提高f f f fB B(Fe(Fe(Fe(Fe B B B B十十十十K KK KK KK K Fe Fe Fe Fe十十十十B)B)B

22、)B)，并使组分并使组分并使组分并使组分B B B B的溶解度降低，这时的溶解度降低，这时的溶解度降低，这时的溶解度降低，这时e e e eB BK K K K 0.0.0.0.相互作用系数之间存在着下列转换关系式相互作用系数之间存在着下列转换关系式相互作用系数之间存在着下列转换关系式相互作用系数之间存在着下列转换关系式 1)1)同类相互作用系数之间的转换同类相互作用系数之间的转换：2)2)异类相互作用系数之间的转换异类相互作用系数之间的转换3 32 2 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 从从 可以看出可以看出 为常数，是为常数，是FeBKFeBK三元系内的独立值，三元

23、系内的独立值，因此多元系内的一级相互作用系数可由三元系的实因此多元系内的一级相互作用系数可由三元系的实验方法，测定活度系数验方法，测定活度系数f fB B的方法得出。的方法得出。（1 1）化学平衡法（同一浓度法）化学平衡法（同一浓度法）原理：原理：原理：原理：对于三元系对于三元系Fe-B-KFe-B-K 以以lgflgfB B对对KK作图，由直线的斜率和截距可求作图，由直线的斜率和截距可求出出 。f fB B根据化学反应的平衡常数求解。根据化学反应的平衡常数求解。3.2.3 3.2.3 相互作用系数的测定法相互作用系数的测定法3 32 2 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

24、数 （2 2）溶解度法（同一活度法）溶解度法（同一活度法）原理原理:B B组分形成饱和溶液后，加入第三组分，其组分形成饱和溶液后，加入第三组分，其溶解度改变，但活度不变。对于溶解度改变，但活度不变。对于B=BB=B饱饱，溶解平衡，溶解平衡时，时，K K0 0a aBB,在相同标态下，两系的在相同标态下，两系的K K0 0相同：相同：3 32 2 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 相互作用系数的温度关系相互作用系数的温度关系相互作用系数的温度关系相互作用系数的温度关系 根据正规溶液的热力学关系式：根据正规溶液的热力学关系式：3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4

25、相互作用系数的温度关系相互作用系数的温度关系相互作用系数的温度关系相互作用系数的温度关系 当已知当已知当已知当已知1873187318731873K K K K的的的的 ，则：，则：，则：，则：同理：同理：同理：同理：3 32 2 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相互作用系数的温度关系的实验式：相互作用系数的温度关系的实验式：相互作用系数的温度关系的实验式：相互作用系数的温度关系的实验式：3 32 2 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 (1)(1)(1)(1)过渡族元素过渡族元素过渡族元素过渡族元素(MnMnMnMn、NiNiNiNi、CoCoC

26、oCo、CrCrCrCr、Mo)Mo)Mo)Mo)溶解特性：溶解特性：溶解特性：溶解特性：在铁液内可无限溶解，其溶解熔在铁液内可无限溶解，其溶解熔H(BH(B)0)0，近，近似于理想溶液。似于理想溶液。存在形式：存在形式：存在形式：存在形式：能与铁无限互溶，以阳离子的金属键结构，形能与铁无限互溶，以阳离子的金属键结构，形成置换式溶液。成置换式溶液。溶液物性：具有加和性。溶液物性：具有加和性。(2)(2)(2)(2)碳碳碳碳 溶解特性：溶解特性：溶解特性：溶解特性：形成饱和液，并吸收形成饱和液，并吸收2323kJ.molkJ.mol-1-1的热，的热，3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁

27、液中元素的溶解及存在形式3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式存在形式：存在形式：存在形式：存在形式：C C4+4+位于铁原子形成的八面体或四面体空隙内，形成间隙式位于铁原子形成的八面体或四面体空隙内，形成间隙式溶体。溶体。当当CC3.653.65时，铁液中可能形成时，铁液中可能形成FeFe3 3C C或或FeCFeC的群聚团，的群聚团，而在碳浓度很高时，可能形成而在碳浓度很高时，可能形成FeCFeC群聚团，其内还可能有微观群聚团，其内还可能有微观石墨析出。但石墨析出。但FeFex xC C群聚团内键未完全饱和，具有不稳定性，不群聚团内键未完全饱和，具有不稳定性，

28、不能以分子状态析出。能以分子状态析出。(3)(3)(3)(3)硅硅硅硅溶解特性：溶解特性：溶解特性：溶解特性：溶解焓很大溶解焓很大H(Si)H(Si)-84kJ-84kJmolmol-1-1，与理想溶液形成较大与理想溶液形成较大的负偏差：的负偏差：含硅量不高的铁溶液具有正规溶液的性质。含硅量不高的铁溶液具有正规溶液的性质。3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式存在形式：存在形式：存在形式：存在形式：硅在铁液中与铁原子形成共价键分数很高的硅在铁液中与铁原子形成共价键分数很高的FeSiFeSi群聚团群

29、聚团。硅还可能与铁液中溶解的其他过渡族元素硅还可能与铁液中溶解的其他过渡族元素(V V、CrCr、MnMn、NiNi)形形成类似的群聚团。成类似的群聚团。此外，硅能降低铁液中碳的溶解度，促进此外，硅能降低铁液中碳的溶解度，促进FeFex xC C群聚团的分解群聚团的分解.(4)(4)(4)(4)氢和氮氢和氮氢和氮氢和氮1 1 1 1）气体溶解的平方根定律）气体溶解的平方根定律）气体溶解的平方根定律）气体溶解的平方根定律(西华特西华特西华特西华特(SievertsSievertsSievertsSieverts)定律定律定律定律)在一定温度下，双原子气体在金属液中的溶解反应在一定温度下，双原子气

30、体在金属液中的溶解反应:3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式当形成稀溶液时，当形成稀溶液时，气体溶解的平方根定律气体溶解的平方根定律气体溶解的平方根定律气体溶解的平方根定律(西华特西华特西华特西华特(SievertsSievertsSievertsSieverts)定律定律定律定律)当当 时，时，存在形式：存在形式：存在形式：存在形式：气体在金属中是以单原子存在的。气体在金属中是以单原子存在的。气体溶解度的影响因素气体溶解度的影响因素气体溶解度的影响因素气体溶解度的影响因素 气体的溶解度与温度的

31、关系式气体的溶解度与温度的关系式,由等压方程，可得出由等压方程，可得出：所以所以 温度和压力增加，气体的溶解度增大，其他元素温度和压力增加，气体的溶解度增大，其他元素K K的影响的影响可一级近似地利用相互作用系数表示：可一级近似地利用相互作用系数表示：3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式气体的溶解度气体的溶解度2 2 2 2）氢及氮在铁液中的溶解特性）氢及氮在铁液中的溶解特性）氢及氮在铁液中的溶解特性）氢及氮在铁液中的溶解特性 氢溶于铁液中放出电子，形成金属键。氢离子（质子）半氢溶于铁液中放出电子，形成金属键。氢离子（质子）半径很小，径很小，r rH H+=0.

32、5=0.51010-15-15m m，形成间隙溶液。形成间隙溶液。氮溶于铁液中，亦参与金属键的形成，以氮溶于铁液中，亦参与金属键的形成，以N N3 3或或N N5 5离子形离子形式存在，式存在，r rN5+N5+=0.25=0.251010-10-10m m，形成间隙溶液。形成间隙溶液。铁液中氢及氮铁液中氢及氮溶解度的影响因素溶解度的影响因素溶解度的影响因素溶解度的影响因素 由于由于由于由于 钢铁冶金过程压力通常认为是恒定的，因此，钢铁冶金过程压力通常认为是恒定的，因此，温度及活度系温度及活度系温度及活度系温度及活度系数数数数是主要影响因素。是主要影响因素。3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存

33、在形式铁液中元素的溶解及存在形式2 2 2 2）铁的晶型：）铁的晶型：）铁的晶型：）铁的晶型：FeFe及及FeFe均为体心立方晶型，氢和氮的溶解度随温均为体心立方晶型，氢和氮的溶解度随温度的变化相同，度的变化相同，FeFe为面心立方晶型，氢和氮的溶解度较为面心立方晶型，氢和氮的溶解度较FeFe及及FeFe高。高。3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式1 1 1 1）温度：）温度：）温度：）温度：3 3 3 3）杂质元素：）杂质元素：）杂质元素：）杂质元素：与杂质元素和溶解气体之间的相互作用系数有关。与杂质元素和溶解气体之间的相互作用系数有关。第第3 3组元对气体溶

34、解度的影响可分为组元对气体溶解度的影响可分为4 4类：类：与氢及氮能形成化合物的元素，如与氢及氮能形成化合物的元素，如TiTi、NbNb、V V等，能提高溶解度及降低等，能提高溶解度及降低f fH H、f fN N；比比FeFe对气体元素有更大亲和力的元素，对气体元素有更大亲和力的元素，如如CrCr、MnMn、MoMo等，含量在一般钢种中不形等，含量在一般钢种中不形成氮化物时，能提高溶解度及降低成氮化物时，能提高溶解度及降低f fH H、f fN N;能降低溶解度的元素，如能降低溶解度的元素，如C C、P P、SiSi、S S、O O等非金属元素或准金属元素，但能提高等非金属元素或准金属元素，

35、但能提高f fH H、f fN N；。对溶解度实际无影响的元素，如对溶解度实际无影响的元素，如CoCo、NiNi、CuCu等，仅能较小地提高等，仅能较小地提高f fH H、f fN N。3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式(5)(5)(5)(5)氧氧氧氧溶解特性：溶解特性：溶解特性：溶解特性：氧溶于铁液的溶解焓很大，氧溶于铁液的溶解焓很大，氧溶于铁液的溶解焓很大，氧溶于铁液的溶解焓很大，HHHH0 0 0 0=-117.14kJ.mol=-117.14kJ.mol=-117.14kJ.mol=-117.14kJ.mol-1-1-1-1但它在铁液中的溶解度却很小，

36、属于稀溶液的类型。氧的质量但它在铁液中的溶解度却很小，属于稀溶液的类型。氧的质量但它在铁液中的溶解度却很小，属于稀溶液的类型。氧的质量但它在铁液中的溶解度却很小，属于稀溶液的类型。氧的质量分数从分数从分数从分数从0.0.0.0.01010101到到到到0.230.230.230.23范围内，范围内，范围内，范围内，f f f fO O O O0.998-0.8990.998-0.8990.998-0.8990.998-0.899，一般一般一般一般取取取取f f f fO O O O1111。当当当当p p p p O2O2O2O210101010-3-3-3-3PaPaPaPa时，氧在铁液中的

37、溶解服从平方根定律，即时，氧在铁液中的溶解服从平方根定律，即时，氧在铁液中的溶解服从平方根定律，即时，氧在铁液中的溶解服从平方根定律，即存在形式：存在形式：存在形式：存在形式：以单原子形式存在。具体行为表现为：以单原子形式存在。具体行为表现为：以单原子形式存在。具体行为表现为：以单原子形式存在。具体行为表现为：溶解的氧在铁液中吸收电子，形成溶解的氧在铁液中吸收电子，形成溶解的氧在铁液中吸收电子，形成溶解的氧在铁液中吸收电子，形成0 0 0 02 2 2 2，与，与，与，与FeFeFeFe2+2+2+2+形成形成形成形成FeFeFeFe2+2+2+2+0 0 0 02-2-2-2-或或或或FeO

38、FeOFeOFeO群聚团，当这些键完全饱和时，群聚团，当这些键完全饱和时，群聚团，当这些键完全饱和时，群聚团，当这些键完全饱和时，FeOFeOFeOFeO群聚团与周围的群聚团与周围的群聚团与周围的群聚团与周围的FeFeFeFe原子的键减弱，以原子的键减弱，以原子的键减弱，以原子的键减弱，以FeOFeOFeOFeO相自铁液中析出，在铁液面上形成氧化相自铁液中析出，在铁液面上形成氧化相自铁液中析出，在铁液面上形成氧化相自铁液中析出，在铁液面上形成氧化铁膜。铁膜。铁膜。铁膜。3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式铁液中的溶解氧的危害：氧的溶解度在凝固时急剧减小，造铁液中

39、的溶解氧的危害：氧的溶解度在凝固时急剧减小，造成成FeOFeO在铁的晶界成液相析出，破坏了晶粒间的结合，形成所在铁的晶界成液相析出，破坏了晶粒间的结合，形成所谓谓“热脆热脆”的危害。的危害。铁液中的溶解氧的表示与测定铁液中的溶解氧的表示与测定铁液中的溶解氧的表示与测定铁液中的溶解氧的表示与测定常用铁液中的溶解的氧原子常用铁液中的溶解的氧原子 OO表示铁液中的氧。表示铁液中的氧。铁液中的溶解氧的测定：铁液中的溶解氧的测定：a a化学平衡法：化学平衡法：H H2 2OOH H2 2O O COCOOOCOCO2 2 b b分配定律法：分配定律法：在坩埚内放置铁液与纯在坩埚内放置铁液与纯FeOFeO

40、渣平衡，则渣平衡，则 FeO(l)FeO(l)OOFeFe 实验测定得：实验测定得：3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式(6)(6)(6)(6)硫和磷硫和磷硫和磷硫和磷 硫硫硫硫 溶解特性：溶解特性：溶解特性：溶解特性：硫在铁液中的溶解焓为硫在铁液中的溶解焓为-135kJ-135kJmolmol-1-1，它在铁它在铁液中可以无限互溶，成液中可以无限互溶，成S S2-2-状，与状，与FeFe2+2+作用，形成相当于作用，形成相当于FeSFeS的的群聚团。群聚团。3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式 硫在铁液中的活度较小，对亨利定律形

41、成负偏差。硫在铁液中的活度较小，对亨利定律形成负偏差。铁液中溶解硫的测定：铁液中溶解硫的测定：利用H2-H2S混合气体与铁液平衡的试验，测定平衡时气相的PH2S/PH2来确定硫的含量3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式危害：危害：硫在固体铁中的溶解度很小，高硫钢热加工时，低固体铁中的溶解度很小，高硫钢热加工时，低熔点的熔点的Fe-Fe-FeSFeS共晶体在热加工温度下以液态出现于晶界面上，共晶体在热加工温度下以液态出现于晶界面上，使钢的热加工时产生使钢的热加工时产生“热脆热脆”现象现象H H2 2SSH H2 2S S3.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁

42、液中元素的溶解及存在形式 磷磷磷磷溶解焓为溶解焓为HH0 0(P)(P)-144kJ-144kJmolmol-1-1，形成相当于形成相当于FeFe2 2P P的群聚团。的群聚团。磷在铁液中的活度系数非常小，磷在铁液中的活度系数非常小，接近于接近于O.01O.01。溶解特性：溶解特性：溶解特性：溶解特性：危害：危害：危害：危害：磷在铁液中的溶解度磷在铁液中的溶解度也很大，但在固体铁中的溶解也很大，但在固体铁中的溶解度很小，特别是温度很低时，度很小，特别是温度很低时，易在晶易在晶界面上析出，出现界面上析出，出现“冷冷脆脆”现象。现象。(7)(7)(7)(7)碱土金属碱土金属碱土金属碱土金属 CaC

43、a、BaBa、MgMg、SrSr等在铁液中的溶解度很低等在铁液中的溶解度很低(BaBa0.0130.013、CaCa0.0320.032、MgMgO.056O.056i i SrSr0.0760.076)，对钢性能的影响较小。对钢性能的影响较小。(8)(8)(8)(8)有色金属有色金属有色金属有色金属(CuCuCuCu、SnSnSnSn、AsAsAsAs、SbSbSbSb)易溶于铁液，但挥发性较大，易溶于铁液，但挥发性较大，易溶于铁液，但挥发性较大，易溶于铁液，但挥发性较大，(9)(9)(9)(9)钛及钒钛及钒钛及钒钛及钒 溶解焓较大，对拉乌尔定律成负偏差。溶解焓较大，对拉乌尔定律成负偏差。3

44、.3 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式铁液中元素的溶解及存在形式3.4.1 3.4.1 3.4.1 3.4.1 熔点熔点熔点熔点 (1)(1)(1)(1)研究熔铁熔点的意义研究熔铁熔点的意义研究熔铁熔点的意义研究熔铁熔点的意义 熔点是选择冶炼和浇铸温度的重要依据熔点是选择冶炼和浇铸温度的重要依据(2)(2)(2)(2)杂质元素对铁熔点的影响杂质元素对铁熔点的影响杂质元素对铁熔点的影响杂质元素对铁熔点的影响 化学纯铁的熔点为化学纯铁的熔点为18111811K K，工业纯铁的熔点为工业纯铁的熔点为18031803K K。当有当有其他元素溶解于其中时，其熔点就有所下降。其他元素溶解于其中时，其熔点

45、就有所下降。计算公式为：计算公式为：3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质?3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质 合金元素的偏析合金元素的偏析合金元素的偏析合金元素的偏析 合金溶液合金溶液在在在在不同温度不同温度凝固的固相成分不一致的凝固的固相成分不一致的现象，以偏析系数表示：现象，以偏析系数表示：3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质铁液中元素降低纯铁凝固点的铁液中元素降低纯铁凝固点的TT 钢液凝固点的近似计算公式：钢液凝固点的近似计算公式：在生产上作大略估计时在生产上作大略估计时结晶定碳仪结晶定碳仪3.4.2 3.4.2

46、密度密度 影响熔铁密度的因素影响熔铁密度的因素影响熔铁密度的因素影响熔铁密度的因素温度：温度：溶解元素的种类及浓度：溶解元素的种类及浓度：W W、MoMo能提高铁液的密度，能提高铁液的密度，A1 A1、S1S1、MnMn、P P、S S能降低铁液的密度，能降低铁液的密度，Ni Ni、CoCo、CrCr过渡金属的作用则很小。过渡金属的作用则很小。C C对铁液密度的影响有较复杂的变化。对铁液密度的影响有较复杂的变化。3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质 3.4.3 3.4.3 粘度粘度 3.4.3.1 3.4.3.1 3.4.3.1 3.4.3.1 牛顿粘滞液体流动牛顿粘滞

47、液体流动牛顿粘滞液体流动牛顿粘滞液体流动 粘滞现象：粘滞现象：粘滞现象：粘滞现象：在流动的液体中，各层的定向运动速度并不相等，在流动的液体中，各层的定向运动速度并不相等，相邻层间发生了相对质量的运动，各层间产生了摩擦力，力图相邻层间发生了相对质量的运动，各层间产生了摩擦力，力图阻止这种运动的延续，液体的流速因而减慢，这就是黏滞现象。阻止这种运动的延续，液体的流速因而减慢，这就是黏滞现象。粘度：粘度：粘度：粘度：动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度 3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度速速度度梯梯度度动动量量梯梯度度3.4.3.2 3.4.3.

48、2 动力黏度和温度的关系式动力黏度和温度的关系式取对数取对数在温度变动不大的范围内，在温度变动不大的范围内，是直线关系，由此可求是直线关系，由此可求 3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质v 熔铁在熔铁在18731873K K的黏度为的黏度为1.701.7010-310-35.785.7810-310-3PaPas s。从熔从熔点到点到19231923K K，黏度的温度关系式为：黏度的温度关系式为：v 物理意义：是形成质点移动的空位和质点通过空位移动所物理意义：是形成质点移动的空位和质点通过空位移动所需能量的总和。其值取决于黏滞流单元的结构及大小。需能量的总和。其值取决于

49、黏滞流单元的结构及大小。a a黏滞流单元的结构不改变时，黏滞流单元的结构不改变时，为常数；为常数；b b黏滞流单元越小，黏滞流单元越小，越小；越小；c c金属液中异类原子群聚团的形成，增大了黏滞流单元的金属液中异类原子群聚团的形成，增大了黏滞流单元的平均尺寸，平均尺寸，增大；增大；e e温度提高，黏滞流单元的平均尺寸减小，温度提高，黏滞流单元的平均尺寸减小，降低。降低。3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质3.4.3.3 3.4.3.3 溶解元素对铁液黏度的影响溶解元素对铁液黏度的影响N N、O O、S S提高铁液的黏度。提高铁液的黏度。NiNi、CrCr、SiSi 、M

50、nMn、P P、C C等等能降低黏度能降低黏度 3.4 3.4 熔铁及其合金的物理性质熔铁及其合金的物理性质3.4.4 3.4.4 表面张力表面张力3.4.4.1 3.4.4.1 液体的表面吉布斯自由能及表面张力液体的表面吉布斯自由能及表面张力表面吉布斯自由能表面吉布斯自由能表面吉布斯自由能表面吉布斯自由能 在恒温、恒压下在恒温、恒压下在恒温、恒压下在恒温、恒压下,液体表面分子液体表面分子液体表面分子液体表面分子力场的不对称性，使得液体表面力场的不对称性，使得液体表面力场的不对称性，使得液体表面力场的不对称性，使得液体表面具有的势能。具有的势能。具有的势能。具有的势能。宏观力宏观力宏观力宏观力