第 三章-金屬熔體全部

1、第三章 金屬熔體Melting Metals,本章重點(diǎn)內(nèi)容：組分活度的相互作用系數(shù)，多組元溶液活度計(jì)算；本章了解內(nèi)容：鐵液中元素的溶解及存在形式；熔鐵及合金的物理性質(zhì)；,第一節(jié) 熔鐵及其合金的結(jié)構(gòu),了解內(nèi)容－自學(xué)：識(shí)記點(diǎn)：鐵原子半徑為1.28×10-10m，在912℃出現(xiàn)αFe→γFe的晶型轉(zhuǎn)變，1394 ℃出現(xiàn)γFe→δFe的晶型轉(zhuǎn)變。αFe和δFe是體心立方晶格，配位數(shù)為8，γFe是面心立方晶格，配位數(shù)為12，γFe

2、的密度比δFe的大。,第二節(jié) 鐵液中組分活度的相互作用系數(shù),提出引入：二元系中，僅考慮了組分和溶劑的相互作用，但當(dāng)溶解元素多至一種以上時(shí)，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(gè)組分的活度系數(shù)會(huì)因,其他組分的存在而改變。如圖所示：在Fe—C系內(nèi)，Si能提高C的活度，而Cr則降低C的活度。,處理方法：,對(duì)于多組分溶液內(nèi)組分的活度系數(shù)，瓦格納(Wagner．C)于1952年提出了1nγB函數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)展開成組

3、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)，就可計(jì)算出多元系中組分的活度系數(shù)。這個(gè)方法叫做瓦格納法。,相互作用系數(shù)的引入,設(shè)鐵液內(nèi)除所求活度系數(shù)的第2組分B外，尚有其它組分B2，B3，…Bn等存在時(shí)，它們的濃度分別用 表示，組分B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 表示。那么對(duì)于函數(shù): 的泰勒展開式為：,上式便是lnγ

4、B 在鐵的稀溶液內(nèi)組分的增量為 的泰勒級(jí)數(shù)式。式中 是函數(shù) 的初始值，即稀溶液內(nèi)活度系數(shù) 的對(duì)數(shù)值。,對(duì)于函數(shù) 其泰勒展開式只保留二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，并定義： 一級(jí)相互作用系數(shù)為：二級(jí)作用系數(shù)為：二級(jí)交叉相互作用系數(shù)為：,活度系數(shù)計(jì)算的公式,根據(jù)上面定義，多元溶液中組分B的活度系數(shù)γB

5、的計(jì)算式可簡(jiǎn)化為對(duì)稀溶液，二階偏微商項(xiàng)可以略去，則上式變?yōu)?上式中 為Fe-B-K系內(nèi)，組分B在溶劑中的活度系數(shù)的對(duì)數(shù)值對(duì)組分K的濃度的偏導(dǎo)數(shù)，亦稱相互作用系數(shù)，在溫度一定的稀溶液內(nèi)，它們是常數(shù)。,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)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度系數(shù)計(jì)算公式。,同理，若采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%溶液為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，可得到上式中 稱為組分K對(duì)B的相互作用系數(shù)：,例題：,計(jì)算成分為ω[

6、C]=5.0%、ω[Mn]=2.0%、 ω[Si]=1.0%、ω[S]=0.05%、ω[P]=0.06% 的鐵水中硫的活度。已知：,解：代入數(shù)據(jù)得到lgfS=0.561,查反對(duì)數(shù)表可得fS。,相互作用系數(shù)如何確定？,附錄7（P318）給出了溶于鐵液中1600℃時(shí)各元素的 。應(yīng)用該表讀取相互作用系數(shù)時(shí)，應(yīng)注意：一、溶劑為鐵液；二、元素B和K不要混淆；三、給出的是1873K時(shí)的值。,相互作用系數(shù)的溫度關(guān)系式,一般文獻(xiàn)

7、公布的 多是溫度1873K的值，如給定溫度與之相差較遠(yuǎn)時(shí)，則應(yīng)對(duì)文獻(xiàn)值進(jìn)行修正。按正規(guī)溶液的熱力學(xué)可得到相互作用系數(shù)的溫度關(guān)系式為：,按準(zhǔn)正規(guī)溶液模型可推得：通用的關(guān)系式為： 。利用不同溫度測(cè)定的 作圖，可得出A、B常數(shù)值。如表3-8。,相互作用系數(shù)的溫度關(guān)系式（2）,相互作用系數(shù)的測(cè)定方法,從 的定義式

8、 可以看出 是Fe-B-K三元系內(nèi)的獨(dú)立值，在多元系中其它組分的濃度不影響K對(duì)B的作用，因此多元系內(nèi)的一級(jí)相互作用系數(shù)可由三元系的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。測(cè)定方法有同一活度法(溶解度法)和同一濃度法(化學(xué)平衡法)。,同一活度法（溶解度法）,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，則其溶解度就要改變，但其活度不變，因?yàn)榈?組分引起它的活度系數(shù)發(fā)生了變化。因此B=

9、[B]飽，而溶液達(dá)到平衡時(shí)，KΘ=a[B]。在相同的溫度及標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，兩系的KΘ相同，活度也相同，故于是,注意：式中 分別為Fe-B系和Fe-B-K系內(nèi)B的溶解度。由于此法是根據(jù)二元系及三元系中組分B的活度相同導(dǎo)出的，所以稱為同一活度法。,同一濃度法（化學(xué)平衡法）,方法要點(diǎn)如下：鐵液內(nèi)溶解了一定量的組分B的條件下，加入不同量的第三組分K時(shí)，由化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，求得組

10、分B的活度系數(shù) fB 。對(duì)三元系Fe-B-K，可得出 ，再以 作圖，由直線的斜率和截距得出 和 。 由于此法中的B組分濃度活度系數(shù)均是按Fe-B二元系中B 的濃度計(jì)算的，所以稱為同一濃度法。,相互作用系數(shù)的特性,相互作用系數(shù) 的特性決定于第三組分K在Fe-B系中K、B、Fe質(zhì)點(diǎn)間作用力的特性。與Fe－B間作用力相比，如果作用力 ，則第三元

11、素K能降低B組元活度系數(shù)，這時(shí) 。例如，鐵液中的Mn、Cr等元素會(huì)使C的活度系數(shù)降低，溶解度升高，因其 、 均小于0；,,反之，若作用力 ，則第三元素能提高B組元活度系數(shù)，并使其溶解度降低，這時(shí) > 0，例如，鐵液中的Si、P等元素會(huì)使C的活度系數(shù)升高；若作用力 ，則第三元素對(duì)B組元活度系數(shù)無影響，這時(shí)

12、 =0 。 轉(zhuǎn)換關(guān)系： ；,第三節(jié) 鐵液中元素的溶解及存在形式,鐵液中元素種類較多，大致可分為：1）鋼中的氣體；2）鋼中的雜質(zhì)；3）鋼中的合金元素與有益元素；,鋼鐵中的氫,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(diǎn)”，引起“氫脆”和應(yīng)力腐蝕。鋼液凝固時(shí)，發(fā)生偏析，來不及排出，形成“白點(diǎn)”，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

13、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?cè)阡撝械娜芙夥蠚怏w溶解的西華特平方根定律。,鋼鐵中的氮,氮是鋼中的氣體之一；氮對(duì)部分鋼種，特別是耐磨性強(qiáng)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，也是鋼中的有害元素。鋼液凝固時(shí)，其溶解度強(qiáng)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，均使鋼的性能降低。（電弧附近的高溫區(qū)，吸氮能力很強(qiáng)）來源

14、：空氣；除去方法：吹氬，真空。,氫和氮在鋼液或鐵液中的溶解服從符合氣體溶解的西華特平方根定律。 因此氫和氮是鋼中的氣體，鋼液脫氣就是指脫出氫和氮。容易混淆的是鋼液中的氧，因其在鋼液中的溶解不符合氣體溶解的西華特（Sieverts）平方根定律。,外界條件對(duì)氫和氮溶解度的影響,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(yīng)，溶解焓包括H2→2H的離解焓和H →[H]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

15、的危害等。）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(guó)）、真空中氣體氫和氮的去除。,金屬液中其他元素對(duì)氫和氮溶解度的影響,其他元素影響分四類：1、與氫和氮能形成化合物的元素，如Ti、Nb、V等，能降低氫和氮的活度系數(shù)，從而提高其溶解度；2、比Fe對(duì)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不形成化合物時(shí)，也能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C、

16、O、S、P、Si等非金屬元素或準(zhǔn)金屬元素，但能提高氫和氮的活度系數(shù)；4、對(duì)溶解度無實(shí)際影響的元素，如Co、Ni、Cu等。,鐵液中的氧,氧也是鋼中的有害元素。隨溫度降低，溶解度減小很大，在鐵凝固時(shí)，以FeO形式在鐵的晶界析出，破壞晶粒間的結(jié)合，使鋼的機(jī)械性能降低，特別在熱加工時(shí)，形成了所謂“熱脆”現(xiàn)象，就是由于低熔點(diǎn)的FeO熔化所致?！盁岽唷睂?dǎo)致熱軋制時(shí)發(fā)生軋斷現(xiàn)象。,鐵液中氧含量的計(jì)算,在旋轉(zhuǎn)坩堝內(nèi)進(jìn)行的Fe-FeO平衡實(shí)驗(yàn)，平衡

17、反應(yīng)為： FeO（l）=[O]+[Fe] 需要強(qiáng)調(diào)的是：如（FeO）采用的純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，即 如（FeO）采用質(zhì)量1%溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，則 由此可計(jì)算得到1873

18、K下氧在鐵液中的溶解度。,鐵液中的硫和磷,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(shí)，硫以FeS形態(tài)富集在晶界上，形成低熔點(diǎn)（988℃）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)“熱脆”現(xiàn)象。危害：脆性增加，機(jī)械性能下降，熱軋時(shí)出現(xiàn)軋斷現(xiàn)象，冷拔時(shí)，夾雜導(dǎo)致應(yīng)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，特別是溫度很低時(shí)，易在晶界面上析出，

19、出現(xiàn)“冷脆”現(xiàn)象。,第四節(jié) 熔鐵及其合金的物理性質(zhì),1、熔點(diǎn)化學(xué)純鐵的熔點(diǎn)為1538℃ ，工業(yè)純鐵的熔點(diǎn)為1530℃ 。當(dāng)有其他元素溶解于其中時(shí)，其熔點(diǎn)就有所下降。由于鋼及生鐵的熔化或凝固是在一個(gè)溫度段內(nèi)進(jìn)行，所以一般定義鋼的熔點(diǎn)是其開始結(jié)晶的溫度。鋼的熔點(diǎn)是選擇冶煉和澆鑄溫度的重要數(shù)據(jù)。,鋼或鐵的熔點(diǎn)確定,表3-9給出了鐵液中元素降低純鐵凝固點(diǎn)的△T，因此鋼的熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）可利用表3-9中的△T數(shù)值由下式近似計(jì)算：

20、說明：鋼中氣體對(duì)熔點(diǎn)的影響，視其含量一般在7℃。,結(jié)晶定碳儀,由表3-9可知，普通鋼中最多的雜質(zhì)元素碳降低鐵熔點(diǎn)的作用最顯著，因此，在生產(chǎn)上也有采用下式近似計(jì)算碳素鋼的熔點(diǎn)： ℃。生產(chǎn)上的“結(jié)晶定碳儀”就是根據(jù)此原理，測(cè)定結(jié)晶溫度，反算其碳含量。,密 度,純鐵液在1873K的密度為6900～7000kg·m-3。密度與溫度的關(guān)系式為：,粘 度,1、牛頓

21、粘度定律 在流動(dòng)的液體中，各層的定向運(yùn)動(dòng)速度并不相等，因而相鄰層間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩層間產(chǎn)生一對(duì)大小相等、方向相反與作用面平行的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力F ），以阻止這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種力與各液層間的接觸面積(A)及速度梯度成正比： η—比例系數(shù)，稱動(dòng)力粘度，單位為Pa·s。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。,動(dòng)力粘度和溫度的關(guān)系,式中 B0—常數(shù)，N·s·m-2；Eη —粘流活化

22、能，J·mol-1，它的物理意義是液體的粘滯流動(dòng)單元在速度梯度作用下從一平衡位向另一平衡位移動(dòng)時(shí)，用以克服運(yùn)動(dòng)中能礙的能量，它和原子間作用力有關(guān)。如果粘滯流動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，那么Eη是常數(shù)。粘滯流動(dòng)單元的大小決定于質(zhì)點(diǎn)間的作用力，而這種單元質(zhì)點(diǎn)愈小， Eη及粘度就愈小。,Eη的影響因素,金屬液中異類原子群聚團(tuán)的形成，能使熔體的粘度增大，如鐵液中的O2-、S2-等離子；而溫度提高，使原子熱運(yùn)動(dòng)的能量增加，供給質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)所需的活

23、化能，使具有Eη的質(zhì)點(diǎn)數(shù)增加，同時(shí)粘滯單元尺寸變小，從而熔體粘度降低。需要指出：當(dāng)熔體中出現(xiàn)第三相時(shí)，流體的粘度不在符合上式和牛頓粘度定律，因?yàn)楣滔囝w粒的出現(xiàn)對(duì)粘度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘流活化能的作用。,鐵液中溶解元素對(duì)粘度的影響由圖可見，N、O、S提高鐵液的粘度。這種影響在元素濃度很低時(shí)更為明顯。例如，ω[O]為0.05%，可使粘度提高30~50%。P、Mn、C、Si、Cr等能降低粘度。此外Al、Si、Mn、Cr等若與鋼中的氧結(jié)合