金属熔体全部PPT课件

1、提出引入：提出引入：二元系中，仅考虑了组分和溶剂的相互作用，但当溶二元系中，仅考虑了组分和溶剂的相互作用，但当溶解元素多至一种以上时，不仅要考虑组分与溶剂的相互作解元素多至一种以上时，不仅要考虑组分与溶剂的相互作用，还要考虑各组分之间的相互作用，因此每个组分的活用，还要考虑各组分之间的相互作用，因此每个组分的活度系数会因度系数会因其他组分的存在而改变。如图所示：在其他组分的存在而改变。如图所示：在FeCFeC系内，系内，Si Si能提高能提高C C的活度，而的活度，而CrCr则降低则降低C C的活度。的活度。第1页/共38页对于多组分溶液内组分的活度系数，瓦格纳对于多组分溶液内组分的活度系数，

2、瓦格纳(Wagner(WagnerC)C)于于19521952年提出了年提出了1n1n B B函数按泰勒级数展开成组分浓度的多项式，代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，就可计算出多元系中组分的活度系入实验测定的相互作用系数，就可计算出多元系中组分的活度系数。这个方法叫做瓦格纳法。数。这个方法叫做瓦格纳法。第2页/共38页相互作用系数的引入相互作用系数的引入设铁液内除所求活度系数的第设铁液内除所求活度系数的第2 2组分组分B B外，尚有其它组外，尚有其它组分分B B2 2，B B3 3，BBn n等存在时，它们的浓度分别用等存在时，它们的浓度分别用 表示，表示，组

3、分组分B B的活度系数在恒温、恒压下是其自身及其它组分浓的活度系数在恒温、恒压下是其自身及其它组分浓度的函数，用度的函数，用 表示。那么对于函数表示。那么对于函数: : 的泰勒展开式为：的泰勒展开式为： nxxx,.,32),.,(32BBnxxxx.)lnln2ln(! 21)ln.lnlnln(ln),.,(ln23B22332B23222B222B3B32B2BBB0B32BBxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxnnn),.,(lnln32BBnxxxx第3页/共38页上式便是上式便是lnln B B 在铁的稀溶液在铁的稀溶液内组分的增量为内组分的增量为 的泰勒级数式。的泰勒级数式。

4、式中式中 是函数是函数 的初始值，即稀溶液内活的初始值，即稀溶液内活度系数度系数 的对数值。的对数值。) 1,.,0, 0, 0(A32Bxxxxnxxxx,.,32B0Bln0B),.,(ln32BBnxxxx.)lnln2ln(! 21)ln.lnlnln(ln),.,(ln23B22332B23222B222B3B32B2BBB0B32BBxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxnnn第4页/共38页对于函数对于函数 其泰勒展开式只保留二阶导数项，并定其泰勒展开式只保留二阶导数项，并定义：义： 一级相互作用系数为：一级相互作用系数为：二级作用系数为：二级作用系数为：二级交叉相互作用系数为

5、：二级交叉相互作用系数为：),.,(lnln32BBnxxxx1KBKBAlnxx12B2KBAKln21xx)KJ (1KJ2KJ,BAlnxBxx第5页/共38页根据上面定义，多元溶液中组分根据上面定义，多元溶液中组分B B的活度系数的活度系数 B B的计算式的计算式可简化为可简化为，二阶偏微商项可以略去，则上式变为，二阶偏微商项可以略去，则上式变为KJ3KJ,B1222KBK2KBBBB0BKlnlnxxxxxnKnJnKnKBK2KBBBB0BlnlnxxnKB第6页/共38页上式中上式中 为为Fe-B-KFe-B-K系内，组分系内，组分B B在溶剂中的在溶剂中的活度系数的对数值对组分

6、活度系数的对数值对组分K K的浓度的偏导数，亦称的浓度的偏导数，亦称相互作用系数，在温度一定的稀溶液内，它们是常相互作用系数，在温度一定的稀溶液内，它们是常数。数。KB1KBKBA)/ln(xxK2KBBBB0BlnlnxxnKB第7页/共38页将上式展开可得出：将上式展开可得出：以上三式为溶液中组元采用摩尔百分比浓度及以纯物质以上三式为溶液中组元采用摩尔百分比浓度及以纯物质为标准态的活度系数计算公式。为标准态的活度系数计算公式。KKB33B22BBBB0B.lnlnxxxxBKB3B2BBB0BBln.lnlnlnlnlnKB3B2BBB0BB. K2KBBBB0BBlnlnxxnK第8页/

7、共38页同理，若采用质量分数同理，若采用质量分数1%1%溶液为标准态，可得到溶液为标准态，可得到上式中上式中 称为组分称为组分K K对对B B的相互作用系数：的相互作用系数：K.32BlgKB3B2BBBBeeeefKB3B2BBBBlg.lglglglgfffffKB3B2BBBB. . fffff KBe%100BKBAK/lgfe第9页/共38页029. 0,026. 0,11. 0,063. 0,028. 0PSMnSCSSiSSSeeeeePMnCSiSlgPSMnSCSSiSSSSeeeeef第10页/共38页相互作用系数如何确定？相互作用系数如何确定？附录附录7（P318）给出了

8、溶于铁液中）给出了溶于铁液中1600时各元时各元素的素的 。应用该表读取相互作用系数时，应注意：应用该表读取相互作用系数时，应注意：一、溶剂为铁液；一、溶剂为铁液；二、元素二、元素B和和K不要混淆；不要混淆；三、给出的是三、给出的是1873K时的值。时的值。KBe第11页/共38页相互作用系数的温度关系式相互作用系数的温度关系式一般文献公布的一般文献公布的 多是温度多是温度1873K1873K的值，如给定的值，如给定温度与之相差较远时，则应对文献值进行修正。温度与之相差较远时，则应对文献值进行修正。按正规溶液的热力学可得到相互作用系数的温度按正规溶液的热力学可得到相互作用系数的温度关系式为：关

9、系式为：KBeKB(1873K)KB(T)1873eTe第12页/共38页 按准正规溶液模型可推得：按准正规溶液模型可推得： 通用的关系式为：通用的关系式为： 。利用不同温度测利用不同温度测定的定的 作图作图，可得出，可得出A、B常数值。如表常数值。如表3-8。相互作用系数的温度关系式（相互作用系数的温度关系式（2）KB(1873K)KB(T)355. 02538(eTeBTAeKB(T)Te1KB(T)对第13页/共38页相互作用系数的测定方法相互作用系数的测定方法从从 的定义式的定义式 可以看可以看出出 是是Fe-B-K三元系内的独立值，在多元系中其它三元系内的独立值，在多元系中其它组分的

10、浓度不影响组分的浓度不影响K对对B的作用，因此多元系内的一级相的作用，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。互作用系数可由三元系的实验方法测定。测定方法有同一活度法测定方法有同一活度法(溶解度法溶解度法)和同一浓度法和同一浓度法(化化学平衡法学平衡法)。KBe%100BKBAK/lgfeKBe第14页/共38页同一活度法（溶解度法）同一活度法（溶解度法）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组分，则组分，则其溶解度就要改变，但其活度不变，因为第其溶解度就要改变，但其活度不变，因为第3组分引起它的活度系数发生了

11、变组分引起它的活度系数发生了变化。因此化。因此B=B饱饱，而溶液达到平衡时，而溶液达到平衡时，K=aB。在相同的温度及标准态下，。在相同的温度及标准态下，两系的两系的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页/共38页注意：式中注意：式中 分别为分别为Fe-Fe-B B系和系和Fe-B-KFe-B-K系内系内B B的溶解度。由于此法是根据二的溶解度。由于此法是根据二元系及三元系中组分元系及三元系中组分B B的活度相同导出的，所以的活度相同导出的，所以称为同一活度法。称为同一活度法。 K-BFeBFeBB和第16页

12、/共38页同一浓度法（化学平衡法）同一浓度法（化学平衡法）方法要点如下：方法要点如下：铁液内溶解了一定量的组分铁液内溶解了一定量的组分B B的条件下，加入不同量的第三组分的条件下，加入不同量的第三组分K K时，由化时，由化学反应的平衡常数，求得组分学反应的平衡常数，求得组分B B的活度系数的活度系数 f fB B 。对三元系。对三元系Fe-B-KFe-B-K，可得，可得出出 ，再以，再以 作图，由直线的斜率和截距得出作图，由直线的斜率和截距得出 和和 。 由于此法由于此法中的中的B B组分浓度活度系数均是按组分浓度活度系数均是按Fe-BFe-B二元系中二元系中B B 的浓度计算的，所以称为同一

13、浓度的浓度计算的，所以称为同一浓度法。法。KBlgKBBBBeefKlgB对fKBeBBe第17页/共38页相互作用系数相互作用系数 的特性决定于第三组分的特性决定于第三组分K K在在Fe-BFe-B系中系中K K、B B、FeFe质点间作用力的质点间作用力的特性。特性。与与FeFeB B间作用力相比，如果作用力间作用力相比，如果作用力 ，则第三元素，则第三元素K K能降低能降低B B组元活度系数，组元活度系数，这时这时 。例如，铁液中的例如，铁液中的MnMn、CrCr等元素会使等元素会使C C的活度系数降低，溶解度升高，因其的活度系数降低，溶解度升高，因其 、 均小于均小于0 0；(K)Be

14、BFeBKFF0KBeMnCeCrCe第18页/共38页反之，若作用力反之，若作用力 ，则第三元素能提高，则第三元素能提高B组元活度系数，并使其溶组元活度系数，并使其溶解度降低，这时解度降低，这时 0，例如，铁液中的，例如，铁液中的Si、P等元素会使等元素会使C的活度系数升高；的活度系数升高；若作用力若作用力 ，则第三元素对，则第三元素对B组元活度系数无影响，这时组元活度系数无影响，这时 =0 。 转换关系：转换关系： ； BFeBK FFKBeBFeBK FF(K)BeBKKBBKKBKBeMMe第19页/共38页 铁液中元素种类较多，大致可分为：铁液中元素种类较多，大致可分为： 1 1）钢

15、中的气体；）钢中的气体； 2 2）钢中的杂质；）钢中的杂质； 3 3）钢中的合金元素与有益元素；）钢中的合金元素与有益元素；第20页/共38页氢是钢铁中的气体之一，纯有害元素。危害：氢在钢中形成“白点”，引起“氢脆”和应力腐蚀。钢液凝固时，发生偏析，来不及排出，形成“白点”，轧制后形成条状的白亮带，性能降低。真空处理的方法除去钢中的氢非常有效；氢在铁液中的溶解度很小，形成稀溶液，目前工程上普遍以ppm（10-6）作单位来衡量。它们在钢中的溶解符合气体溶解的西华特平方根定律。 第21页/共38页氮是钢中的气体之一；氮是钢中的气体之一；氮对部分钢种，特别是耐磨性强的钢是有益的元素，氮对部分钢种，特

16、别是耐磨性强的钢是有益的元素，但它能降低一般钢种的塑性，提高钢的脆性，也是钢中但它能降低一般钢种的塑性，提高钢的脆性，也是钢中的有害元素。的有害元素。钢液凝固时，其溶解度强烈降低，溶解气体的析出钢液凝固时，其溶解度强烈降低，溶解气体的析出引起元素的偏析（如氮化物夹杂）或使钢铸件产生气孔，引起元素的偏析（如氮化物夹杂）或使钢铸件产生气孔，均使钢的性能降低。（电弧附近的高温区，吸氮能力很均使钢的性能降低。（电弧附近的高温区，吸氮能力很强）强）来源：空气；除去方法：吹氩，真空。来源：空气；除去方法：吹氩，真空。第22页/共38页 氢和氮在钢液或铁液中的溶解服从符合气体溶氢和氮在钢液或铁液中的溶解服从

17、符合气体溶解的西华特平方根定律。解的西华特平方根定律。 因此氢和氮是钢中的因此氢和氮是钢中的气体，钢液脱气就是指脱出氢和氮。气体，钢液脱气就是指脱出氢和氮。 容易混淆的是钢液中的氧，因其在钢液中的溶容易混淆的是钢液中的氧，因其在钢液中的溶解不符合气体溶解的西华特（解不符合气体溶解的西华特（Sieverts）平方根）平方根定律。定律。第23页/共38页温度：温度升高，溶解度增大；温度：温度升高，溶解度增大；说明：氢和氮的溶解都是吸热反应，溶解焓包括说明：氢和氮的溶解都是吸热反应，溶解焓包括H22H的离解焓和的离解焓和H H的溶解焓。的溶解焓。工业现象（氢腐蚀、电弧炉钢气体含量高、精炼温度高工业现

18、象（氢腐蚀、电弧炉钢气体含量高、精炼温度高的危害等。）的危害等。）压力：压力升高，溶解度增大；压力：压力升高，溶解度增大；含氮（高氮）奥氏体钢的生产（日本及我国）、真空中含氮（高氮）奥氏体钢的生产（日本及我国）、真空中气体氢和氮的去除。气体氢和氮的去除。第24页/共38页其他元素影响分四类：其他元素影响分四类：1、与氢和氮能形成化合物的元素，如、与氢和氮能形成化合物的元素，如Ti、Nb、V等，能等，能降低氢和氮的活度系数，从而提高其溶解度；降低氢和氮的活度系数，从而提高其溶解度；2、比、比Fe对气体元素有更大亲和力的元素，如对气体元素有更大亲和力的元素，如Cr、Mn、Mo等，其含量在一般钢种中

19、不形成化合物时，也能等，其含量在一般钢种中不形成化合物时，也能降低氢和氮的活度系数，从而提高其溶解度；降低氢和氮的活度系数，从而提高其溶解度；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等非金属等非金属元素或准金属元素，但能提高氢和氮的活度系数；元素或准金属元素，但能提高氢和氮的活度系数；4、对溶解度无实际影响的元素，如、对溶解度无实际影响的元素，如Co、Ni、Cu等。等。第25页/共38页氧也是钢中的有害元素。氧也是钢中的有害元素。随温度降低，溶解度减小很大，在铁凝随温度降低，溶解度减小很大，在铁凝固时，以固时，以FeO形式在铁的晶界析出，破坏晶形式在铁的晶界析出，

20、破坏晶粒间的结合，使钢的机械性能降低，特别在粒间的结合，使钢的机械性能降低，特别在热加工时，形成了所谓热加工时，形成了所谓“热脆热脆”现象，就是现象，就是由于低熔点的由于低熔点的FeO熔化所致。熔化所致。“热脆热脆”导致热轧制时发生轧断现象。导致热轧制时发生轧断现象。第26页/共38页在旋转坩埚内进行的在旋转坩埚内进行的Fe-FeO平衡实验，平衡反应为：平衡实验，平衡反应为： FeO（l）=O+Fe 需要强调的是：需要强调的是：如（如（FeO）采用的纯物质为标准态，即）采用的纯物质为标准态，即 如（如（FeO）采用质量）采用质量1%溶液标准态，则溶液标准态，则 由此可计算得到由此可计算得到18

21、73K下氧在铁液中的溶解度。下氧在铁液中的溶解度。mol)(35.52121009mrJTG734. 2/6320lgO(R)TL734. 0/6320lgO(%)TL%23. 0OFeOO/ O)(aL注第27页/共38页 硫在铁液中可以无限互溶，但在固体铁中的溶解度却很小，含硫较高的钢硫在铁液中可以无限互溶，但在固体铁中的溶解度却很小，含硫较高的钢液凝固时，硫以液凝固时，硫以FeS形态富集在晶界上，形成低熔点（形态富集在晶界上，形成低熔点（988）的）的Fe-FeS共晶体，在后续的热加工温度下，该共晶体以液态出现于晶界面上，出现共晶体，在后续的热加工温度下，该共晶体以液态出现于晶界面上，出

22、现“热脆热脆”现象。现象。 危害：脆性增加，机械性能下降，热轧时出现轧断现象，冷拔时，夹杂导危害：脆性增加，机械性能下降，热轧时出现轧断现象，冷拔时，夹杂导致应力集中，出现拔断。致应力集中，出现拔断。 磷在铁液中的溶解度也很大，但在固体铁中的溶解度却很小，特别是温度磷在铁液中的溶解度也很大，但在固体铁中的溶解度却很小，特别是温度很低时，易在晶界面上析出，出现很低时，易在晶界面上析出，出现“冷脆冷脆”现象。现象。第28页/共38页1、熔点、熔点化学纯铁的熔点为化学纯铁的熔点为1538 ，工业纯铁的熔点为，工业纯铁的熔点为1530 。当有其他元素溶解于其中时，其熔点就有所下降。当有其他元素溶解于其

23、中时，其熔点就有所下降。由于钢及生铁的熔化或凝固是在一个温度段内进行，由于钢及生铁的熔化或凝固是在一个温度段内进行，所以一般定义钢的熔点是其开始结晶的温度。钢的熔点所以一般定义钢的熔点是其开始结晶的温度。钢的熔点是选择冶炼和浇铸温度的重要数据。是选择冶炼和浇铸温度的重要数据。第29页/共38页表表3-9给出了铁液中元素降低纯铁凝固点的给出了铁液中元素降低纯铁凝固点的T，因此，因此钢的熔点（凝固点）可利用表钢的熔点（凝固点）可利用表3-9中的中的T数值由下式近似数值由下式近似计算：计算：说明：钢中气体对熔点的影响，视其含量一般在说明：钢中气体对熔点的影响，视其含量一般在7。 BB1538Tt第3

24、0页/共38页 由表由表3-9可知，普通钢中最多的杂质元素碳降低铁熔点可知，普通钢中最多的杂质元素碳降低铁熔点的作用最显著，因此，在生产上也有采用下式近似计算的作用最显著，因此，在生产上也有采用下式近似计算碳素钢的熔点：碳素钢的熔点： 。 生产上的生产上的“结晶定碳仪结晶定碳仪”就是根据此原理，测定结晶温就是根据此原理，测定结晶温度，反算其碳含量。度，反算其碳含量。C901530t第31页/共38页纯铁液在1873K的密度为69007000kgm-3。密度与温度的关系式为：3mkg853. 08580)(TT第32页/共38页粘粘 度度1、牛顿粘度定律、牛顿粘度定律 在流动的液体中，各层的定向

25、运动速度并不相等，因而相邻层间发在流动的液体中，各层的定向运动速度并不相等，因而相邻层间发生了相对运动，两层间产生一对大小相等、方向相反与作用面平行生了相对运动，两层间产生一对大小相等、方向相反与作用面平行的内摩擦力（切应力的内摩擦力（切应力F ），以阻止这种相对运动。这种力与各液层），以阻止这种相对运动。这种力与各液层间的接触面积间的接触面积(A)及速度梯度成正比：及速度梯度成正比： 比例系数，称动力粘度，单位为比例系数，称动力粘度，单位为Pas。物理意义是单位速度梯。物理意义是单位速度梯度下，作用于平行的液层间单位面积的摩擦力。度下，作用于平行的液层间单位面积的摩擦力。dxduAF第33页/共38页式中式中 B0常数，常数，Nsm-2；E 粘流活化能，粘流活化能，Jmol-1，它的物理意义是液体的粘滞流动单元在速度梯度作用下它的物理意义是液体的粘滞流动单元在速度梯度作用下从一平衡位向另一平衡位移动时，用以克服运动中能碍从一平衡位向另一平衡位移动时，用以克服运动中能碍的能量，它和原子间作用力有关。如果粘滞流动单元的的能量，它和原子间作用力有关。如果粘滞流动单元的结构不会改变，那么结构不会改变，那么E是常