第 三章-金属熔体全部.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 金属熔体,Melting Metals,本章重点内容：组分活度的相互作用系数，多组元溶液活度计算；,本章了解内容：铁液中元素的溶解及存在形式；熔铁及合金的物理性质；,第一节 熔铁及其合金的结构,了解内容自学：,识记点：铁原子半径为,1.2810,-10,m,，在,912,出现,Fe,Fe,的晶型转变，,1394,出现,Fe,Fe,的晶型转变。,Fe,和,Fe,是体心立方晶格，配位数为,8,，,Fe,是面心立方晶格，配位数为,12,，,Fe,的密度比,Fe,的大。,第二节 铁液中组分活度的相互作用系数,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，因此每个组分的活度系数会因,其他组分的存在而改变。如图所示：在,Fe,C,系内，,Si,能提高,C,的活度，而,Cr,则降低,C,的活度。,处理方法,：,对于多组分溶液内组分的活度系数，瓦格纳,(Wagner,C),于,1952,年提出了,1n,B,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数。这个方法叫做瓦格纳法。,相互作用系数的引入,设铁液内除所求活度系数的第,2,组分,B,外，尚有其它组分,B,2,，,B,3,，,B,n,等存在时，它们的浓度分别用 表示，组分,B,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 表示。那么对于函数,:,的泰勒展开式为：,上式便是,ln,B,在铁的稀溶液,内组分的增量为 的泰勒级数式。,式中 是函数 的初始值，即稀溶液内活度系数 的对数值。,对于函数 其泰勒展开式,只保留二阶导数项，并定义：,一级相互作用系数为：,二级作用系数为：,二级交叉相互作用系数为：,活度系数计算的公式,根据上面定义，多元溶液中组分,B,的活度系数,B,的计算式可简化为,对稀溶液,，二阶偏微商项可以略去，则上式变为,上式中,为,Fe-B-K,系内，组分,B,在溶剂中的活度系数的对数值对组分,K,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，它们是常数。,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为标准态的活度系数计算公式。,同理，若采用质量分数,1%,溶液为标准态，可得到,上式中 称为组分,K,对,B,的相互作用系数：,例题：,计算成分为,C,=5.0%,、,Mn,=2.0%,、,Si,=1.0%,、,S,=0.05%,、,P,=0.06%,的铁水中硫的活度。已知：,解：,代入数据得到,lg,f,S,=0.561,查反对数表可得,f,S,。,相互作用系数如何确定？,附录,7,（,P,318,）给出了溶于铁液中,1600,时各元素的 。,应用该表读取相互作用系数时，应注意：,一、溶剂为铁液；,二、元素,B,和,K,不要混淆；,三、给出的是,1873K,时的值。,相互作用系数的温度关系式,一般文献公布的 多是温度,1873K,的值，如给定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关系式为：,按准正规溶液模型可推得：,通用的关系式为：。,利用不同温度测定的,作图,，可得出,A,、,B,常数值。如表,3-8,。,相互作用系数的温度关系式（,2,）,相互作用系数的测定方法,从 的定义式 可以看出 是,Fe-B-K,三元系内的独立值，在多元系中其它组分的浓度不影响,K,对,B,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。,测定方法有同一活度法,(,溶解度法,),和同一浓度法,(,化学平衡法,),。,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,3,组分，则其溶解度就要改变，但其活度不变，因为第,3,组分引起它的活度系数发生了变化。因此,B=B,饱,，而溶液达到平衡时，,K,=,a,B,。,在相同的温度及标准态下，两系的,K,相同，活度也相同，故,于是,注意：式中 分别为,Fe-B,系和,Fe-B-K,系内,B,的溶解度。由于此法是根据二元系及三元系中组分,B,的活度相同导出的，所以称为同一活度法。,同一浓度法（化学平衡法）,方法要点如下：,铁液内溶解了一定量的组分,B,的条件下，加入不同量的第三组分,K,时，由化学反应的平衡常数，求得组分,B,的活度系数,f,B,。对三元系,Fe-B-K,，,可得出 ，再以 作图，由直线的斜率和截距得出 和 。由于此法中的,B,组分浓度活度系数均是按,Fe-B,二元系中,B,的浓度计算的，所以称为同一浓度法。,相互作用系数的特性,相互作用系数 的特性决定于第三组分,K,在,Fe-B,系中,K,、,B,、,Fe,质点间作用力的特性。,与,Fe,B,间作用力相比，如果作用力,，则第三元素,K,能降低,B,组元活度系数，这时 。,例如，铁液中的,Mn,、,Cr,等元素会使,C,的活度系数降低，溶解度升高，因其 、均小于,0,；,反之，若作用力 ，则第三元素能提高,B,组元活度系数，并使其溶解度降低，这时,0,，例如，铁液中的,Si,、,P,等元素会使,C,的活度系数升高；,若作用力 ，则第三元素对,B,组元活度系数无影响，这时,=0,。,转换关系：；,第三节 铁液中元素的溶解及存在形式,铁液中元素种类较多，大致可分为：,1,）钢中的气体；,2,）钢中的杂质；,3,）钢中的合金元素与有益元素；,钢铁中的氢,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,。,钢铁中的氮,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，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。,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，均使钢的性能降低。（电弧附近的高温区，吸氮能力很强）,来源：空气；除去方法：吹氩，真空。,氢和氮在钢液或铁液中的溶解服从,符合气体溶解的西华特平方根定律。因此氢和氮是钢中的气体，钢液脱气就是指脱出氢和氮。,容易混淆的是钢液中的氧，因其在钢液中的溶解不符合气体溶解的西华特（,S,ieverts,）平方根定律。,外界条件对氢和氮溶解度的影响,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,H,2,2H,的离解焓和,H H,的溶解焓。,工业现象（氢腐蚀、电弧炉钢气体含量高、精炼温度高的危害等。）,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）、真空中气体氢和氮的去除。,金属液中其他元素对氢和氮溶解度的影响,其他元素影响分四类：,1,、与氢和氮能形成化合物的元素，如,Ti,、,Nb,、,V,等，能降低氢和氮的活度系数，从而提高其溶解度；,2,、比,Fe,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；,3,、能降低溶解度的元素，如,C,、,O,、,S,、,P,、,Si,等非金属元素或准金属元素，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,Co,、,Ni,、,Cu,等。,铁液中的氧,氧也是钢中的有害元素。,随温度降低，溶解度减小很大，在铁凝固时，以,FeO,形式在铁的晶界析出，破坏晶粒间的结合，使钢的机械性能降低，特别在热加工时，形成了所谓“热脆”现象，就是由于低熔点的,FeO,熔化所致。,“,热脆,”,导致热轧制时发生轧断现象。,铁液中氧含量的计算,在旋转坩埚内进行的,Fe-,FeO,平衡实验，平衡反应为：,FeO,（,l,）,=,O+Fe,需要强调的是：,如（,FeO,）采用的纯物质为标准态，即,如（,FeO,）采用质量,1%,溶液标准态，则,由此可计算得到,1873K,下氧在铁液中的溶解度。,铁液中的硫和磷,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,FeS,形态富集在晶界上，形成低熔点（,988,）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“热脆”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，特别是温度很低时，易在晶界面上析出，出现“冷脆”现象。,第四节 熔铁及其合金的物理性质,1,、熔点,化学纯铁的熔点为,1538,，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。,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。钢的熔点是选择冶炼和浇铸温度的重要数据。,钢或铁的熔点确定,表,3-9,给出了铁液中元素降低纯铁凝固点的,T,，因此钢的熔点（凝固点）可利用表,3-9,中的,T,数值由下式近似计算：,说明：钢中气体对熔点的影响，视其含量一般在,7,。,结晶定碳仪,由表,3-9,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碳素钢的熔点：。,生产上的“结晶定碳仪”就是根据此原理，测定结晶温度，反算其碳含量。,密 度,纯铁液在,1873K,的密度为,6900,7000kgm,-3,。,密度与温度的关系式为：,粘 度,1,、牛顿粘度定律,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。这种力与各液层间的接触面积,(,A,),及速度梯度成正比：,比例系数，称动力粘度，单位为,Pas,。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。,动力粘度和温度的关系,式中,B,0,常数，,Nsm,-2,；,E,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结构不会改变，那么,E,是常数。粘滞流动单元的大小决定于质点间的作用力，而这种单元质点愈小，,E,及粘度就愈小。,E,的影响因素,金属液中异类原子群聚团的形成，能使熔体的粘度增大，如铁液中的,O,2-,、,S,2-,等离子；而温度提高，使原子热运动的能量增加，供给质点移动所需的活化能，使具有,E,的质点数增加，同时粘滞单元尺寸变小，从而熔体粘度降低。,需要指出：当熔体中出现第三相时，流体的粘度不在符合上式和牛顿粘度定律，因为固相颗粒的出现对粘度的影响远远大于粘流活化能的作用。,铁液中溶解元素对粘度的影响,由图可见，,N,、,O,、,S,提高铁液的粘度。,这种影响在元素浓度很低时更为明显。例如，,O,为,0.05%,，可使粘度提高,3050%,。,P,、,Mn,、,C,、,Si,、,Cr,等能降低粘度。,此外,Al,、,Si,、,Mn,、,Cr,等若与钢中的氧结合，生成的产物不能顺利排除，则能提高粘度。,理论联系实际,解释钢的粘度比铁液高的原因：,1,）钢中,C,、,Si,、,Mn,、,P,的浓度低于铁；,2,）钢中含有,O,，而铁液中,O,为零，这是最主要原因；,3,）铸铁中,Si,、,Mn,含量较高，也是增加了铁液的流动性。,This chapter is over!,