物理冶金原理-扩散
物理冶金学(绪论,第一章)
二、新材料时代特征
不象以前的各个材料时代，它是一个由多种材料 决定社会和经济发展的时代；新材料以人造为特征； 新材料科学根据我们对材料的物理和化学性能的了解， 为了特定的需要设计和加工而成的。
三、材料的分类
按材料本身的性质分，主要有金属材料、陶瓷材料、 高分子材料、复合材料、液晶材料等。
按材料的作用分，有结构材料和功能材料。
第二节、典型金属的晶体结构n晶体结构
指晶体中质点（原子、分子等）排列的具体方式 , 属于同一种空间点阵的几种晶体结构形式。
☆金属的三种典型晶体结构 ☆晶体中原子的堆垛方式 ☆晶胞中的原子数 ☆点阵常数与原子半径R的关系 ☆晶带 ☆六方晶系的晶面指数与晶向
指数
☆晶面间距
一、金属的三种典型晶体结构
☆ ☆ ☆
面心立方 A1或fcc
体心立方 A2或bcc
密排六方 A3或hcp 属于简单六方点阵
图 1-11 面心立方晶胞 图 1-10 体心立方晶胞
二、晶体中原子的堆垛方式
☆ ☆ ☆
密排六方：密排面为（0001） ABABAB……
n面心立方：密排面为{111} ABCABCABC…… 体心六方：密排面为（100） ABABAB
☆晶胞参数：晶胞三条
棱边的边长a、b、c及晶 轴之间的夹角α、β、γ 称为晶胞参数。
☆基矢：a 、 b 、c
任一阵点的位臵： ruvw=Ua+Vb+Wc U、V、W：阵点坐标
四、七大晶系和十四种空间点阵
☆ 晶 系：根据晶胞的外形，即棱边长度之间的关系
和晶轴夹角的情况,将晶体分为七大晶系。
晶系、晶轴长度和夹角，例： 三斜 a≠b≠c α≠β≠γ≠90o K2CrO7 单斜 a≠b≠c α=γ=90o≠β β-S 正交 a≠b≠c α=β=γ=90o α-S 六方 a1=a2=a3≠c α=β=90o γ=120o Zn 菱方 a=b=c α=β=γ≠90o As， 四方 a=b≠c α=β=γ=90o β-Sn， 立方 a=b=c α=β=γ=90o Fe
冶金传输原理考研试题及答案
冶金传输原理考研试题及答案一、选择题（每题2分，共10分）1. 在冶金过程中，下列哪项不是影响金属传输速率的因素？A. 温度B. 压力C. 金属的化学性质D. 金属的物理状态答案：B2. 冶金传输原理中，扩散系数与温度的关系通常可以用以下哪个方程描述？A. D = D0 * exp(-Q/RT)B. D = D0 * exp(Q/RT)C. D = D0 / (1 + exp(Q/RT))D. D = D0 * (1 + exp(-Q/RT))答案：A3. 在冶金过程中，金属的传输主要通过哪种机制？A. 对流B. 扩散C. 过滤D. 电迁移答案：B4. 下列哪项不是影响金属溶解速率的因素？A. 金属的晶格结构B. 溶液的浓度C. 金属的表面粗糙度D. 溶液的pH值答案：C5. 在冶金传输原理中，哪种类型的边界条件通常用于描述固体表面的传输现象？A. 狄利克雷边界条件B. 诺伊曼边界条件C. 罗宾边界条件D. 周期性边界条件答案：C二、简答题（每题10分，共30分）1. 简述冶金过程中对流传输和扩散传输的区别。
答案：对流传输是指流体中的物质由于整体运动而发生的宏观传输，它与流体的流动速度直接相关，通常发生在流体中，传输速率较快。
扩散传输是指由于分子或原子的热运动导致的微观传输，它不需要整体运动，可以在静止的介质中发生，传输速率相对较慢。
2. 描述冶金传输原理中的菲克第一定律及其物理意义。
答案：菲克第一定律描述了稳态扩散过程中，单位时间内通过单位面积的扩散通量与浓度梯度成正比的关系，即J = -D * (dc/dx)，其中J是扩散通量，D是扩散系数，dc/dx是浓度梯度。
这一定律的物理意义在于，它表明了物质从高浓度区域向低浓度区域传输的速率与浓度梯度的大小成正比，且与介质的扩散性质有关。
3. 解释为什么在冶金过程中需要考虑金属的热力学性质和动力学性质。
答案：在冶金过程中，金属的热力学性质决定了反应的方向和平衡状态，而动力学性质则决定了反应的速率。
Nb在铸铁中的物理冶金学作用原理
即使在半全镇静钢中通常也大于 90%。
氮量[N]的变化情况，如图 3 所示。
铌铁的熔点在 1 580~1 630 ℃的范围，远高
由溶度积公式和理想化学配比式联立求解，
于铸铁，略高于铸钢。因此，铌铁在铁液中不可能 可得到确定温度下平衡溶解的 [Nb]、[C] 或[Nb]、
熔化，只能通过以界面扩散为基础的形式而被溶 [N]量：
铌
铸
铁
的
研
TAS＝
B A-lg（wNb·wX）
（5） 比于溶质含量而推导得到的，对 w（C）量较高的
究 和
铸铁，必须考虑 C 对 C 和 Nb 的活度的影响，而
应
当实际最低凝固温度高于 NbX 的全溶解温 对于合金元素含量较高的合金铸铁及合金铸钢，
用
度 TAS 时，NbX 相将不会发生液析。
还必须考虑相关合金元素对 C 和 Nb 的活度的
解，其溶解速度见图 1[1]。扩散依赖于温度和时间
lg{[Nb]·[X]}=A-B/T
（3）
过程，温度越高，时间越长，扩散越充分；搅拌则 可促进扩散过程。所以，铁液中加入铌铁后需要 一定时间才可能完全扩散均匀化，铁液温度越 低，需要的时间越长。铌微合金钢容易发生连铸 边裂，这与 Nb 未完全均匀化，因而在轻压下时， 边部铌溶质富集微区发生含铌相的应变诱导析 出有关。而含铌铸铁由于铁液温度较低，更容易
此，在含铌铸铁生产中需要充分考虑这一问题，
采用粒度较小的铌铁、加入铌铁的时间提前、充
分搅拌使之发生动态溶解、缓慢凝固延长扩散时
间等工艺措施有助于减轻或消除相关危害作用。
1.2 Nb 在液态铁中的溶解与 NbC、NbN 的液
析
Nb 是强碳化物和氮化物形成元素，除溶解
物理冶金原理：5-扩散
Ln Do 斜率 k = Q/R 求出Q
Ln D
1/T
几种典型扩散现象
• 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： • 上坡扩散 Up-Hill Diffusion:
•Down-Hill Diffusion
DA, DB
Vacancy Mechanism:
Diffusion of Substitutional Solute Atoms
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
间隙机制：间隙溶质原子 Interstitial Mechanism:
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
晶 体 结 构 的 影 响
影响扩散的因素
• 晶体缺陷密度： 空位浓度: 过饱和空位（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料（表面纳米化－渗氮） 相界:
• 温度足够高：能量起伏、热激活 • 时间足够长：大量原子微观上无规
则跃迁、物质的定向传输 • 存在驱动力（浓度梯度、化学位梯
度、应变能梯度、表面能梯度）
扩散对材料科学与工程的意义
材料合成、制备、加工、使用过程都是控制 扩散的过程：
• 固态相变与热处理过程： • 凝固加工（铸造、焊接、…….) • 成形热加工（热锻、热轧、热挤压, ……) • 高温力学行为及氧化、腐蚀等性能： • 粉末冶金烧结： • 表面化学热处理与表面渗工艺， • 扩散连接, …….
安工大 冶金传输原理第十二章 传质
c A J1A - J 2 A .A.dx
- D AB
（23）
c A c A c A c A . A [-D AB (-D AB ).dx].A .A.dx x x x x
c A c A ( D AB ) x x
（24）
该式即为菲克第二定律，它描述了非稳态时，物质扩散传质的
浓度场，表示为：
Ci f（x，y，z，）
当组分i的浓度不是时间变化，而仅是空间的函数时，成为稳态 浓度场，即：
C i 0
Ci f（x，y，z）
④浓度梯度 表示为：
浓度梯度：在传质方向上某一组分浓度Ci随空间距离x的变化率，
C i grad C i x
（6）
⑤自扩散、互扩散、爬坡扩散
ii）多组分混合物的质量平均速度 u
u
u
i 1 n i
n
i
i
i 1
u
i 1 i
1
n
i
(m / s)
(7 )
ρi—i组分的质量浓度 ρ—混合物的质量浓度 iii）多组分混合物的mol平均速度
um
ui—i组分的绝对速度
c u
i 1 n i
n
i
c
i 1
两种成分不 同的固体
两种液体
两种气体
iii）爬坡扩散 上面说了，在浓度梯度的推动力下，物质由浓度高的区域向 低浓度区域扩散。这句话是不严谨的，因为有时会出现低浓度向 高浓度的扩散，这种扩散称为“爬坡”扩散。 例如：含Fe-Si（3.8%）-C（0.48%）和Fe-C（0.44%）两块合金 焊接在一起，如图：
1 n c i ui c i 1
粉末冶金重点整理
10. 制备超细合金加V、Cr为什么阻碍碳化物长大？？？ 原因：1、降低共晶温度 2、在ＷＣ和Ｃｒ界面析出阻碍长大（形核，长大） 具体：超细 WC&Co 合金晶粒长大的驱动力是来自于表面积的减少。它是由于具有较高 溶解度的细碳化物溶解于富钴相中而发生,继而再析出在较大碳化物上,从而引起 WC 晶粒 长大。在超细 WC&Co 合金中添加一定量的抑制剂就可以抑制这种 WC 晶粒的长大。 晶粒长大主要发生在 WC 的溶解沉淀过程中,WC 溶解在液相里并沉淀在较大的 WC 晶粒 上。WC 晶粒疯长现象也符合溶解沉淀机理。抑制剂改变了 WC&Co 的界面自由能,从而抑 制了溶解－沉淀过程，降低了溶解－沉淀速度。速度降低的原因是 WC&Co 不同界面间的 各向异性减少。抑制剂的渗透过程主要通过在粘结相里和在 WC&Co 界面上的扩散。有效
物理冶金原理：6-晶界与相界
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
对力学性能影响较大 但对电性能影响小
沉淀强化：位错切割共格粒子
Precipitation Strengthening: Particle-Cutting
• 强化效果取决于粒子的本性！
沉淀析出第二相粒子的强化效果及 强化机制与粒子尺寸的关系：
Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles
降低原子扩散速率 阻碍位错运动与交滑移 阻碍晶界滑移与迁移 阻碍晶粒长大
金属材料的高温蠕变
Service Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet Engine
Turbofan GP7000 for Airbus 380
Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
小角度晶界与亚晶
Small Angle Grain Boundaries and Subgrains
扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量
互相垂直的螺位错组成（螺位错网） Twist Small Angle Grain Boundaries
北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1)
B%
B
A
T, oC
Liquid: L
L + a
Solid: a
Co
CL
CS
Cs＝ k CL
Wa
WL
Co
CL
Ca
Ts
TL
二、单相合金的平衡凝固：Equilibrium Solidification 2. 两相平衡的基本规则：杠杆规则 Lever Rule 平衡相之成分点：连接线－tie-line or Conode 平衡相之相对重量百分数：杠杆定律Lever Rule
相平衡规律：相律
体系自由度 f＝n – p + 2 f＝n – p + 1（常压条件）
常见基本相图类型
1、匀晶相图（无限互溶单相固溶体）Isomorphous +L
L
a
(f=2-1+1=2)
(f=2-1+1=2)
(f=2-2+1=1)
2、共晶相图：Eutectic Phase Diagram LE (a+b) 三相平衡 f=2-3+1=0
单相二元合金的凝固 Solidification of Single-Phase Binary Alloys
一、相图分析： 液相线－Liquidus; 固相线－Solidus; 液相区; 固相区; 两相区. 自由度
DT
DGv
Tm
T
G
GL
Gs
Spontaneous Nucleation 自发形核（均匀形核）
Spontaneous Nucleation 自发形核（均匀形核）
Spontaneous Nucleation 自发形核（均匀形核）
r
临界形核功： Critical Energy of Nucleation
钢铁冶金原理知识点
钢铁冶金原理1.冶金热力学研究对象：反应能否进行，即反应的可行性和方向性、反应达到平衡态的条件及该条件下反应物能达到的最大产出率。
2.平衡常数的含义：可逆化学反应达到平衡时，每个产物浓度系数次幂的连乘积与每个反应物浓度系数次幂的连乘积之比，这个比值叫做平衡常数。
3.稀溶液：一定温度和压力下，溶剂遵守拉乌尔定律，溶质遵守亨利定律的溶液。
4.正规溶液：混合焓不为0，但混合熵等于理想溶液混合熵的溶液。
5.活度系数：是指活度与浓度的比例系数。
6.试比较CO和H2还原氧化铁的特点？解CO和H2是高炉内氧化铁的间接还原剂。
它们均能使Fe2O3还原到Fe。
但它们的还原能力在不同温度下却有所不同。
在810℃，两者的还原能力相同，而在810℃以下，CO的还原能力比H2的还原能力强，但在810℃以上，则相反，氢有较强的还原能力，这反映在还原剂的分压上，随温度的升高，还原FeO所要求的CO分压增高，还原FeO 需要的H2分压则减小。
高炉下部高温区H2强烈参与还原，而使C消耗于形成CO（C 的气化反应）的量有所减少。
另，在高温区内，它们形成的产物H2O（g）及CO2均能与焦炭反应，分别形成H2及CO。
增加间接还原剂的产量。
这也就推动了碳直接还原的进行。
在还原的动力学上，由于H2在FeO上的吸附能力及扩散系数均比CO的大，所以H2还原氧化铁的速率，即使在810℃以下，也比CO的高（约5倍）。
提高还原气体中H2的浓度有利于氧化铁还原速率的增加。
7.氢和氮气对钢会产生哪些危害？答：氢在固态钢中的溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢和CO、N2气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔，疏松，造成白点和发纹。
钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成裂纹，进而引起钢材的强度，塑性，冲击韧性的降低，发生氢脆现象。
氮含量高的钢材长时间放置，将会变脆。
原因是钢种氮化物析出速度很慢，逐渐改变钢的性能。
钢种含氮量高时，在250℃—450℃温度范围，表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为蓝脆。
冶金传输原理(三传)
一、动量传输层流：流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和掺混，这种流线呈平等状态的流动称为层流表面力：作用于流体微元界面（而非质点）上的力，该力与作用面的大小成比例流体的流动型态分为层流和紊流作用于流体上的力是表面力和质量力两种不同流体的分界面一定是等压面动量传输方式有物性动量传输和对流动量传输黏性系数：表征流体变形的能力，由牛顿粘性定律所定义的系数，速度梯度为1时，单位面积上摩擦力的大小不可压缩流体：流体密度不会随压强改变而改变或该变化可忽略的流体速度边界层：在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为0到0.99倍的地方成为速度边界层理想流体：不存在黏性力或者其作用可以忽略的流体牛顿流体：符合牛顿粘性定律，流体剪切应力与速度梯度的一次方成正比的流体动量通量：单位时间通过单位面积的动量变化N/m2等压面：1等压面就是等势面2作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的等压面3两种不同流体间的分界面一定是等压面流体流动的起因：自然流动、强制流动连续介质：将流体视为由连续不断的质点群构成;内部不存在间隙的介质流体微团（微元体法（精确解））：由质点组成的微小的流体单元控制体（控制体法（近似解））:流场中某一确定的空间区域，其周界称为控制面场：在空间中每点处都对应着某个物理量的精确值，在该空间存在该物理量的场附面层（边界层）：具有黏性的流体，流过固体表面时，由于流体的黏性作用在固体表面附近会形成具有速度梯度的一个薄层区域，此区域叫做附面层梯度：垂直于等值面，指向方向导数最大的方向流体动量传输的阻力损失：摩擦阻力和局部阻力流体流动的基本能量：动能、热能动量传输的实质：力和能量的传递相似理论：具有相同运动规律的同类物理现象作类似现象中，表征过程的同类各物理量之间彼此相似相似条件：1几何相似：两类现象各部分比例为常数2物理相似：物理过程相同，数学描述相同3初始条件和边界条件相似(包括几何和物理)相似的充要条件：相似常数存在，相似准数相等因次（量纲）：物理量单位的种类因此和谐原理：物理方程中各项的因此必须相等Π定理：Π=n-m n：物理量个数，m：基本因次个数Π：独立相似准数个数公式：二、热量传输薄材与厚材：不是指几何性质，而是物体内外温差较小或者趋近于0的是薄材，否则就是厚材热量传输的基本方式：导热、对流、辐射等温面：温度场中，同一瞬间相同温度各点构成的面傅克方程物理意义：包括导热和对流的一般性传热规律平壁和曲壁导热异同：平壁：单位面积热量不变。
冶金物理化学答案
一、解释下列概念（每题5分，共20分）1、扩散脱氧：在炼钢过程中，根据分配定律钢液中的[O]向熔渣中扩散，而与加入渣相中的脱氧元素进行的脱氧反应称为扩散脱氧。
2、炉渣：炉渣是火法冶金中以氧化物为主要成分形成的多组分熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体以外的另一产物。
3、硫容量：炉渣容纳或溶解硫的能力，即2/122)/()(%S O S P P S C ⨯=。
4、偏摩尔量：在恒温、恒压及其他组分的物质的量保持不变的条件下，溶液的广度性质X （X 代表U 、H 、V 、S 、G ）对其组分摩尔量的偏微商值。
二、简答题（共60分）1、简述热力学计算中活度标准态之间的转换关系。
答：（1）纯物质标准态活度与假想纯物质标准态活度之间的转换：][0][0*)()(*][][//H B B R B BBx H x H B B B H B R B a r a r pK K p p p a a ====故（2）纯物质标准态活度与质量1%溶液标准态活度之间的转换：*)(*(%)(%)*[%]][100100//B BA Bx H BA BH H B B B B R B r MMp K MMp K K p p p a a ⨯=⨯===（3）假想纯物质标准态活度与质量1%溶液标准态活度之间的转换：BA x H H HB x H B B H B MMK K K p K p a a 100//)((%)(%))([%]][===2、简述炉渣氧化脱磷的热力学条件。
答：由炉渣脱磷反应可知：9245245252)(%)(%][%)(%O CaPCaOFeO PP P fCaO FeO K P O P L γγγ⋅==由上述公式可知，为使脱磷反应进行完全，必要的热力学条件是： （1） 较高的炉渣碱度； （2） 较高的氧化铁含量； （3） 较低的熔池温度；大渣量。
3、铁氧化物被CO 还原的顺序是什么？写出反应方程式（配平）。
答：氧化铁被CO 还原在570℃以上及其下有不同的转变顺序，因此氧化铁还原是逐级的，反应如下：25324332224324332)(43)(41)(2)(3570)()()(3)()(2)(3570COs Fe CO s O Fe CO s O Fe CO s O Fe Ct COs Fe CO s FeO CO s FeO CO s O Fe CO s O Fe CO s O Fe Ct oo+=++=+<+=++=++=+>4、正规溶液的定义及其热力学特征。
冶金传输原理(三传
一、动量传输层流：流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和掺混，这种流线呈平等状态的流动称为层流表面力：作用于流体微元界面（而非质点）上的力，该力与作用面的大小成比例流体的流动型态分为层流和紊流作用于流体上的力是表面力和质量力两种不同流体的分界面一定是等压面动量传输方式有物性动量传输和对流动量传输黏性系数：表征流体变形的能力，由牛顿粘性定律所定义的系数，速度梯度为1时，单位面积上摩擦力的大小不可压缩流体：流体密度不会随压强改变而改变或该变化可忽略的流体速度边界层：在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为0到0.99倍的地方成为速度边界层理想流体：不存在黏性力或者其作用可以忽略的流体牛顿流体：符合牛顿粘性定律，流体剪切应力与速度梯度的一次方成正比的流体动量通量：单位时间通过单位面积的动量变化N/m2等压面：1等压面就是等势面2作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的等压面3两种不同流体间的分界面一定是等压面流体流动的起因：自然流动、强制流动连续介质：将流体视为由连续不断的质点群构成;内部不存在间隙的介质流体微团（微元体法（精确解））：由质点组成的微小的流体单元控制体（控制体法（近似解））:流场中某一确定的空间区域，其周界称为控制面场：在空间中每点处都对应着某个物理量的精确值，在该空间存在该物理量的场附面层（边界层）：具有黏性的流体，流过固体表面时，由于流体的黏性作用在固体表面附近会形成具有速度梯度的一个薄层区域，此区域叫做附面层梯度：垂直于等值面，指向方向导数最大的方向流体动量传输的阻力损失：摩擦阻力和局部阻力流体流动的基本能量：动能、热能动量传输的实质：力和能量的传递相似理论：具有相同运动规律的同类物理现象作类似现象中，表征过程的同类各物理量之间彼此相似相似条件：1几何相似：两类现象各部分比例为常数2物理相似：物理过程相同，数学描述相同3初始条件和边界条件相似(包括几何和物理)相似的充要条件：相似常数存在，相似准数相等因次（量纲）：物理量单位的种类因此和谐原理：物理方程中各项的因此必须相等Π定理：Π=n-m n：物理量个数，m：基本因次个数Π：独立相似准数个数公式：二、热量传输薄材与厚材：不是指几何性质，而是物体内外温差较小或者趋近于0的是薄材，否则就是厚材热量传输的基本方式：导热、对流、辐射等温面：温度场中，同一瞬间相同温度各点构成的面傅克方程物理意义：包括导热和对流的一般性传热规律平壁和曲壁导热异同：平壁：单位面积热量不变。
物理冶金的基本原理
磨损与腐蚀
磨损
金属表面在摩擦过程中，因摩擦力作用而导致的材料损失现象。
腐蚀
金属与周围介质发生化学或电化学反应，导致金属表面损伤或破坏的现象。
03
金属的晶体结构与相变
晶体结构与性质
晶体结构分类
晶体结构可以根据原子排列方式的不同，分为金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等。不同晶体结构对金属的 性质产生显著影响。
物理冶金的基本原理
汇报人：可编辑 2024-01-05
contents
目录
• 物理冶金概述 • 金属的力学性能 • 金属的晶体结构与相变 • 金属的塑性变形与加工 • 金属的强化机制 • 金属的物理冶金实验方法
01
物理冶金概述
物理冶金概述
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02
金属的力学性能
弹性与塑性
弹性
金属在受到外力作用时，会发生 形变但能够恢复原状的性质。
金属的相变
01
相变温度
金属在不同温度下会发生相变，转变为其它的晶体结构或 物相。相变温度取决于金属的成分和外界条件。
02 03
相变过程
金属的相变过程可以分为一级相变和二级相变。一级相变 是指相变过程中自由度的变化，通常伴随着能量的显著变 化；二级相变则是指自旋或电荷等有序参数的重新排列， 不涉及自由度的变化。
3
拉拔和挤压过程中，金属的塑性变形和模具设计 对产品的尺寸精度和表面质量有重要影响。
金属的超塑性
超塑性是指金属在特定条件下表 现出极佳的塑性变形能力，通常 是在较高的温度和较小的应变速
率下。
超塑性的实现需要金属具有细小 的晶粒尺寸和良好的晶界状态，
同时应变速率要适当控制。
超塑性金属可以经过较大的塑性 变形而不发生断裂，并且具有优
冶金传输原理在冶金工程的应用
质量传输
物质在相界面或浓度梯度作用下发生迁移，改变浓度分布。
传输原理研究内容
1 2
传输现象的数学描述
建立描述动量、热量和质量传输的数学模型。
传输过程的机理研究
探讨各种传输现象的内在机制和影响因素。
3
传输过程的模拟与优化
利用计算机模拟技术，对传输过程进行模拟分析， 优化工艺参数。
冶金工程中传输原理重要性
01
02
03
提高冶金生产效率
通过优化传输过程，提高 冶金生产效率，降低能耗 和物耗。
改善冶金产品质量
控制传输过程中的各种因 素，提高冶金产品的成分 均匀性、组织结构和力学 性能。
推动冶金技术创新
深入研究传输原理，为冶 金新技术、新工艺的开发 提供理论支持。
02 冶金工程中主要传输现象
热量传
传导传热
在冶金工程中，热量通过物体内部的分子、原子或电子的热运动进行传递，称为传导传热。例如，在 金属熔炼过程中，热量通过炉壁传导至金属熔体，维持其熔融状态。
对流传热
热量通过流体的流动进行传递称为对流传热。在冶金工程中，金属熔体、熔渣和气体的流动都会伴随 对流传热。例如，在连铸过程中，冷却水通过流动将热量从铸坯中带走，实现铸坯的冷却和凝固。
动量传
流体流动
在冶金工程中，动量传输主要涉及流体（如金属熔体、熔渣 、气体等）的流动。流动现象受到流体的物理性质（如密度 、粘度）、流动状态（层流或湍流）以及边界条件（如管道 形状、壁面粗糙度）等因素的影响。
搅拌与混合
动量传输还涉及冶金过程中的搅拌与混合现象。通过搅拌器 或气体搅拌等方式，实现金属熔体、熔渣和添加剂的均匀混 合，以促进化学反应的进行和冶金过程的优化。
《冶金原理》课后习题及解答
第一章1 冶金原理研究的主要内容包括________、________和________。
冶金动力学、冶金热力学、冶金溶液。
2 金属熔体指________、________。
液态的金属、合金。
1、冶金原理是提取冶金的主要基础科学，它主要是应用_______的理论和方法研究提取冶金过程，为解决有关_____问题、开拓____的冶金工艺、推进冶金技术的发展指明方向。
物理化学、技术、新2、根据组成熔体的主要成分的不同，一般将冶金熔体分为________、______、_______、_______四种类型。
金属熔体、熔渣、熔盐、熔硫。
3、冶金原理按具体的冶金对象分为______冶金原理及_____冶金原理。
钢铁、有色金属。
4、根据熔渣在冶炼过程中的作用的不同，熔渣主要分为________、_______、________、__________四种。
在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择_____，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。
冶炼渣、精炼渣、富集渣、合成渣。
熔渣。
5、熔渣是_______和_______的重要产物之一。
金属提炼、精炼过程。
6、熔渣是指主要由各种______熔合而成的熔体。
氧化物。
7、________的作用在于使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。
富集渣、8、_______的作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。
精炼渣。
9、在造锍熔炼过程中，为了使锍的液滴在熔渣中更好的沉降、降低主金属在渣中的损失，要求熔渣具有较低的______、______和_______。
粘度、密度、渣-锍界面张力。
10、为了提高有价金属的回收率、降低冶炼过程的能耗，必须使锍具有合适的______.物理化学性质。
11、在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择________，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。
熔渣成分12、冶金过程热力学可以解决的问题有：1）计算给定条件下的；根据的正负判断该条件下反应能否自发地向________进行：2）计算给定条件下的平衡常数，确定反应进行的______；3）分析影响反应的和平衡常数，为进一步提高________指明努力方向。
冶金传输原理知识点
1．流体的概念:物质不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限地变形，这种变形称为流动，这类物质称为流体，其变形的速度即流动速度与切向力的大小有关，气体和液体都属于流体。
2.什么是连续介质，在流体力学中为什么要建立连续介质这一理论模型？答：（1）连续介质是指质点毫无空隙的聚集在一起，完全充满所占空间的介质。
（2）引入连续介质模型的必要性：把流体视为连续介质后，流体运动中的物理量均可以看为空间和时间的连续函数，就可以利用数学中的连续函数分析方法来研究流体运动，实践表明采用流体的连续介质模型，解决一般工程中的流体力学问题是可以满足要求的。
3流体的主要物理性质密度；比容（比体积）；相对密度；重度（会换算）4.流体的粘性在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流体的粘性，由粘性产生的作用力叫做粘性力或内摩擦力。
1) 由于分子作不规则运动时，各流体层之间互有分子迁移掺混，快层分子进入慢层时给慢层以向前的碰撞，交换能量，使慢层加速，慢层分子迁移到快层时，给快层以向后碰撞，形成阻力而使快层减速。
这就是分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力。
2) 当相邻流体层有相对运动时，快层分子的引力拖动慢层，而慢层分子的引力阻滞快层，这就是两层流体之间吸引力所形成的阻力。
5.牛顿粘性定律在稳定状态下，单位面积上的粘性力（粘性切应力、内摩擦应力）为τyx说明动量传输的方向（y 向）和所讨论的速度分量（x向）。
符号表示动量是从流体的高速流层传向低速流层。
动力粘度μ，单位Pa·s运动粘度η，单位m2/s6.牛顿流体和非牛顿流体凡是切应力与速度梯度的关系服从牛顿粘性定律的流体，均称为牛顿流体。
常见的牛顿流体有水、空气等，非牛顿流体有泥浆、纸浆、油漆、沥青等。
对于不符合牛顿粘性定律的流体，称之为非牛顿流体。
1.研究流体运动的方法拉格朗日(Lagrange)法及欧拉法。
物理冶金原理课件阶段复习与习题参考答案
熔点越高扩散激活能越大扩格奇变越小扩散系数越小
化学亲和力越高（原子间结合力越强）扩散激活能越大扩散系数越小
• 溶剂金属性质：晶体结构、熔点、结合能
晶体结构致密度越高（BCC与 FCC相差1500倍) 原子扩散激活能越高、扩散系数越小
• 当溶质原子足够小，可以填充溶剂结构的间隙 时可以形成间隙固溶体。由于金属大多是密堆 积结构，间隙的尺寸与金属原子直径相比是很 小的，故只有氢、硼、碳、氮等非金属元素的 原子才能形成间隙固溶体。间隙原子使晶格严 重变形，能够极大地提够材料的强度。
1-6、何谓固溶强化？试分析影响金属固溶强化效果的因 素
➢ 晶体学基础
➢ 金属的晶体结构 ➢ 合金的相结构 ➢ 晶体缺陷（位错、界面） ➢ 固体中原子的扩散
晶体学基础
➢ 空间点阵、晶胞及点阵常数 ➢晶面指数及晶向指数的求法 ➢晶面族及晶向族 ➢晶带、晶带轴及晶带定理
晶带轴[u v w]，晶带的晶面(h k l) hu+kv+lw=0
1-2、在面心立方晶胞中，ABCD四点构成一个正四面体，四点的坐标分别为A (0, 1/2, 1/2), B (1/2, 1, 1/2), C (1/2, 1/2, 0), D (0, 1, 0)， 写出该四面体中四个面的晶面指数及 六条边的晶向指数。
向，即位错运动导致晶体滑移的方向，模表示 畸变程度，即位错强度。 • 柏氏矢量的守恒性决定了一根位错线具有唯一 的柏氏矢量，柏氏矢量不仅决定位错的组态及 运动方向，对位错的一系列属性，如位错的应 力场、应变能、位错的受力状态、位错的增殖 与交互作用，位错的反应(几何、能量条件)等 都有影响。
3-1 位错的定义及基本性质
滑移 攀移 • 形状： 直线、平面曲线 平面折线、环状
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低碳钢的渗碳处理
C%
金属材料渗铝、渗硅、渗铬….. 半导体的掺杂，………………..
M%
Sintering and Densification of Powders
粉末的烧结与致密化
扩散连接-Diffusion Bonding
扩散的宏观规律
菲克第一定律 Fick’s First Law
当浓度梯度为常数时（dc/dx = const.）
• 其他合金元素的影响：或增加或减小或无影响 • 溶质浓度：
• 钢中：Si、Co等非碳化物形成元素显著提高碳 的活度提高碳的扩散系数
• 钢中：Ti、Mo、Cr、V、W等强碳化物形成元 素显著降低碳的活度显著降低碳的扩散系数
扩散在材料制备加工及使 用过程中的作用及重要性
控制扩散过程即控制材料 的动力学过程，是控制材 料组织、提高材料性能与 制备新材料的基础！
固体金属中的扩散
Diffusion in Metallic Solids
•热力学 Thermodynamics
•动力学 Kinetics
质量传输
Mass Transfer
•Diffusion 扩散 •Convection 对流
固体金属中扩散现象
扩散的基本概念
• 固体金属中原子的扩散：在浓度 梯度（化学位梯度）驱动下、通 过原子的热激活作用（系统能量 起伏、大量原子的无规则跃迁）、 发生的宏观物质定向传输现象
• Up-Hill Diffusion 上坡扩散 • 过炮和固溶体的调幅分解
Kirkendall效应 （ Kirkendall Effect）
Molybdenum Wire Copper Brass （Cu-Zn Alloy）
DZn > Dcu
扩Байду номын сангаас的微观机制
（Mechanisms of Diffusion）
熔点越高扩散激活能越大扩散系数越小
原子间结合力越强扩散激活能越大扩散系 数越小
原子尺寸差越小晶格奇变越小扩散系数越 小
化学亲和力越高（原子间结合力越强）扩散 激活能越大扩散系数越小
影响扩散的因素
• 溶剂金属性质：晶体结构、熔点、结合能
晶体结构致密度越高（BCC与 FCC相差1500 倍) 原子扩散激活能越高、扩散系数越小
Vacancy Mechanism:
Diffusion of Substitutional Solute Atoms
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
间隙机制：间隙溶质原子 Interstitial Mechanism: Diffusion of Interstitial Atoms
• 材料制备、加工与成形过程（合金 冶炼、熔炼合金化、铸造、焊接、 热处理、热机械处理、锻造、轧制、 超塑成形、均匀化退火或扩散退火、 扩散连接、粉末冶金烧结、金属的 塑性变形、机械合金化……）
• 表面化学热处理（渗碳、渗氮、渗 金属等）及表面掺杂等
• 材料的摩擦磨损过程
• 材料的高温力学性能………..
D = Do × e-Q/RT Ln D = ln Do－Q/RT
Ln Do 斜率 k = Q/R 求出Q
Ln D
1/T
几种典型扩散现象
• 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： • 上坡扩散 Up-Hill Diffusion:
•Down-Hill Diffusion
DA, DB
晶 体 结 构 的 影 响
影响扩散的因素
• 晶体缺陷密度： 空位浓度: 过饱和空位（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料（表面纳米化－渗氮） 相界:
• 表面曲率：曲率半径越小、表面自由能越高、扩散 驱动力越大（粉末冶金烧结、小晶粒缩小大晶粒长大）
学位梯度、应变能梯度、表面能梯 度）
扩散对材料科学与工程的意义
材料合成、加工制备、使用过程就是控制扩散 的过程：
• 固态相变与热处理过程：完全依靠原子扩散 • 凝固加工（铸造、焊接、…….) • 材料热加工（热锻、热轧、热挤压, ……) • 材料的高温力学性能与氧化、腐蚀性能： • 粉末冶金烧结： • 表面化学热处理与表面渗工艺， • 扩散连接, …….
J = －D (dc/dx)
扩散通量J：g/cm2.s 扩散系数 D: cm2/s
D ＝ Do exp (-Q/RT)
菲克第二定律 Fick’s Second Law
菲克第二定律 Fick’s Second Law
扩散系数
D = Do e-Q/kT
Ln D = ln Do－Q/kT
扩散激活能及其实验求法
间隙机制：间隙溶质原子
• 扩散激活能Q：较置换式原子小得多
位错、层错、晶界、相界、表面
面缺陷(晶界、相界、表面): 溶质原子扩散的快速通道
晶内、晶界及表面扩散系数
晶内、晶界及表面扩散系数
影响扩散的因素：D = Do×exp(-Q/RT)
• 温度： D = Do×exp(-Q/RT)
• 扩散元素性质：熔点、原子间结合力，同溶剂原 子间的原子尺寸差、化学亲和力等
熔点越高（原子间结合力越强）扩散 激活能越大扩散系数越小
与溶质原子化学亲和力越高（原子间结 合力越强）扩散激活能越大扩散系数 越小
同溶质原子的尺寸差越小晶格奇变越小 扩散系数越小
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
驱动力：化学位梯度（浓度梯度）
扩散机制：原子的热激活（Thermal
Activation）
热激活过程
Thermal Activation Process
扩散激活能
固体中原子扩散的条件
• 温度必须足够高：能量起伏、热激 活过程
• 时间足够长：大量原子微观上无规 则跃迁、物质的定向传输
• 扩散原子在溶质中须固溶 • 扩散必须有驱动力（浓度梯度、化