第三章金屬熔體全部第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)熔鐵及其合金的結(jié)構(gòu)了解內(nèi)容－自學(xué)：識記點(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的密度比δFe的大。第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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，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，因此每個組分的活度系數(shù)會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。第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月處理方法：對于多組分溶液內(nèi)組分的活度系數(shù)，瓦格納(Wagner．C)于1952年提出了1nγB函數(shù)按泰勒級數(shù)展開成組分濃度的多項式，代入實(shí)驗測定的相互作用系數(shù)，就可計算出多元系中組分的活度系數(shù)。這個方法叫做瓦格納法。第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月相互作用系數(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，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。那么對于函數(shù):的泰勒展開式為：

第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月上式便是lnγB在鐵的稀溶液內(nèi)組分的增量為的泰勒級數(shù)式。式中是函數(shù)的初始值，即稀溶液內(nèi)活度系數(shù)的對數(shù)值。第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月對于函數(shù)其泰勒展開式只保留二階導(dǎo)數(shù)項，并定義：一級相互作用系數(shù)為：二級作用系數(shù)為：二級交叉相互作用系數(shù)為：第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月活度系數(shù)計算的公式根據(jù)上面定義，多元溶液中組分B的活度系數(shù)γB的計算式可簡化為對稀溶液，二階偏微商項可以略去，則上式變?yōu)榈?頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月上式中為Fe-B-K系內(nèi)，組分B在溶劑中的活度系數(shù)的對數(shù)值對組分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)。第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月將上式展開可得出：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)計算公式。第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，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B的相互作用系數(shù)：第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月例題：計算成分為ω[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,查反對數(shù)表可得fS。第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月相互作用系數(shù)如何確定？附錄7（P318）給出了溶于鐵液中1600℃時各元素的。應(yīng)用該表讀取相互作用系數(shù)時，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時的值。第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月相互作用系數(shù)的溫度關(guān)系式一般文獻(xiàn)公布的多是溫度1873K的值，如給定溫度與之相差較遠(yuǎn)時，則應(yīng)對文獻(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：第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月按準(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）第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月相互作用系數(shù)的測定方法從的定義式可以看出是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B的作用，因此多元系內(nèi)的一級相互作用系數(shù)可由三元系的實(shí)驗方法測定。測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)。第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月同一活度法（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，加入第3組分，則其溶解度就要改變，但其活度不變，因為第3組分引起它的活度系數(shù)發(fā)生了變化。因此B=[B]飽，而溶液達(dá)到平衡時，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，故于是第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：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。第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月同一濃度法（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，由化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，求得組分B的活度系數(shù)fB。對三元系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的濃度計算的，所以稱為同一濃度法。第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月相互作用系數(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，則第三元素K能降低B組元活度系數(shù)，這時。例如，鐵液中的Mn、Cr等元素會使C的活度系數(shù)降低，溶解度升高，因其、均小于0；第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月反之，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>0，例如，鐵液中的Si、P等元素會使C的活度系數(shù)升高；若作用力，則第三元素對B組元活度系數(shù)無影響，這時=0。轉(zhuǎn)換關(guān)系：；

第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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；第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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，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。它們在鋼中的溶解符合氣體溶解的西華特平方根定律。

第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼鐵中的氮氮是鋼中的氣體之一；氮對部分鋼種，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，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：空氣；除去方法：吹氬，真空。第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月外界條件對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）、真空中氣體氫和氮的去除。第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬液中其他元素對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，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、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、對溶解度無實(shí)際影響的元素，如Co、Ni、Cu等。第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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，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，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)致熱軋制時發(fā)生軋斷現(xiàn)象。第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵液中氧含量的計算在旋轉(zhuǎn)坩堝內(nèi)進(jìn)行的Fe-FeO平衡實(shí)驗，平衡反應(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

由此可計算得到1873K下氧在鐵液中的溶解度。第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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，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，熱軋時出現(xiàn)軋斷現(xiàn)象，冷拔時，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，易在晶界面上析出，出現(xiàn)“冷脆”現(xiàn)象。第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(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，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)。第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼或鐵的熔點(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)值由下式近似計算：說明：鋼中氣體對熔點(diǎn)的影響，視其含量一般在7℃。

第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月結(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，測定結(jié)晶溫度，反算其碳含量。第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月密度純鐵液在1873K的密度為6900～7000kg·m-3。密度與溫度的關(guān)系式為：第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月粘度1、牛頓粘度定律在流動的液體中，各層的定向運(yùn)動速度并不相等，因而相鄰層間發(fā)生了相對運(yùn)動，兩層間產(chǎn)生一對大小相等、方向相反與作用面平行的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力F），以阻止這種相對運(yùn)動。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。第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月動力粘度和溫度的關(guān)系式中B0—常數(shù)，N·s·m-2；Eη

—粘流活化能，J·mol-1，它的物理意義是液體的粘滯流動單元在速度梯度作用下從一平衡位向另一平衡位移動時，用以克服運(yùn)動中能礙的能量，它和原子間作用力有關(guān)。如果粘滯流動單元的結(jié)構(gòu)不會改變，那么E