重庆大学-冶金原理-第3章例析.ppt

第三章　金属熔体 熔铁及其合金的结构 铁液中元素的溶解及存在的形式 铁液中组分活度的相互作用系数 熔铁及其合金的物理性质 4 1 2 3 熔体结构 熔体性质 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特性及数值，直接影响物理化学性质。 1.1 金属晶体的结构 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。 熔铁及其合金的结构 1 晶态金属中的原子排列 非晶态金属中的原子排列 [非晶体]——内部质点是散乱排列的。 [晶体]——内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列； 1.1 金属晶体的结构 晶格：晶体中原子在空间的排列。 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）：晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数 。 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。 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，每个原子的这种平衡位置称为晶格的结点。 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 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。 1.1 金属晶体的结构 熔铁及其合金的结构 1 纯铁的同素异构转变 1.3 金属熔体的结构模型 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温度时的体积与熔点时固体金属体积之差。 空位模型 群聚态模型(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。 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。 1 铁液中组分活度的相互作用系数 Fe—C系内: Si提高C的活度 Cr降低C的活度。 C.Wagner法（计算活度系数）：把lnγi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，即可计算出组分的活度系数。 ★ 2 2.1 活度的相互作用系数 2.1.1 以纯物质为标准态 泰勒级数 ： 目标及条件： 设铁液（组分1）内组分2的活度系数γ2为所求，除组分2外，尚有组分3，4，5，…，j等存在，其浓度分别为x2，x3，x4，x5，…，xj，则γ2在恒温恒压下是其自身浓度及其他组分浓度的函数，即： 　　　γ2=γ(x2，x3，x4，x5，…，xj)。 2 一级相互作用系数： 二级相互作用系数： 二级交叉相互作用系数： 2 2 2.1.2 以重量1%浓度溶液为标准态 例题 ★ 2 2.1.3 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 2.1.4 相互作用系数的温度关系式 2.2 相互作用系数的测定方法 2.2.1 化学平衡法 2 【例题】 原理： 对于Fe-B-K三元系， 作图，由直线的斜率、截距得到 在1813K测定铁液中碳的质量分数为1.5％的条件下，加入不同的硅量时，CO2-CO混合气体与[C]反应的气相平衡分压比见下表。计算 2 【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。 2 课外1 2 2.2.2 溶解度法 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3组分，其溶解度改变，但其活度未变，因为第3组分引起活度系数发生了变化。 2 【例题】 在1873K，Fe-C系内碳的溶解度为5.5％，加入Si后，其溶解度的变化如下表所示。 2 课外2 2 3.1 Mn、Ni、Co、Cr、Mo 铁液中元素的溶解及存在的形式 在铁液内的溶解焓为0，可近似将其溶液视为理想 溶液。 在高温的晶型与δFe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。 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。 3.3 Si Si在铁中的溶解焓很大，Fe—Si键很强。 3 3.4 O 氧在铁液中的溶解度很小，属于稀溶液类型。 fO