第2章金属熔体-10级汇总
金属学与热处理第二章
根据构成能障的界面情况的不同，可能出现两种不同的形核
方式：
均匀形核
非均匀形核
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3.1 均匀形核
在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。均质生核在熔 体各处几率相同，晶核的全部固－液界面皆由生核过程提供。因 此，所需的驱动力也较大。理想液态金属的生核过程就是均匀形 核，又称均质形核或自发形核。
16
31
(2) 形核速率
' GA Gk GA Gk f ( ) N k1 exp[( )] k1 exp[( )] kBT kBT
根据上式可知，异质形核率与下列因素有关： (1) 过冷度(ΔT)：过冷度越大，形核率越高。
32
(2) 界面：界面由夹杂物的特性、形态和数量来决定。如夹 杂物基底与晶核润湿，则形核率大。 失配度
20
(3) 形核率 形核速率为单位时间、单位体积生成固相核心的数目。临界
尺寸r的晶核处于介稳定状态，既可溶解，也可长大。当r >rk时 才能成为稳定核心，即在rk的原子集团上附加一个或一个以上的 原子即成为稳定核心。其成核率 N 为：
N N1 N 2
Gk N1 N L exp( ) kBT
(1) 形核热力学
液相与固相体积自由能之差--相变的驱动力
由于出现了固/液界面而使系统增加了界面能--相 变的阻力
G G均 V GV 4 3 r GV 4 r 2 3
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临界形核半径
2 Tm 2 rk Gv H f T
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(2) 形核功
在实际金属中，由于金属原子的活动能力强，不易出现极大 点，即随着过冷度的增大，形核率急剧增加。 23
(4) 均匀生核理论的局限性 均匀形核的过冷度很大,约为0.2T m，如纯铝结晶时的过冷度
金属熔炼第二讲
H为夹渣上浮或下沉的深度。
浮选法
利用通入熔体的惰性气体或 加入的熔剂所产生的气泡， 在上浮过程与悬浮的夹杂相 遇时，夹渣被吸附在气泡表 面并带到熔体液面的溶剂中 去。 对于熔点较低的铝合金、镁 合金等较为有效。 气泡数目多,尺寸小,浮选效 果好。 气体一般为氮气、氩气，铝 合金常用氯盐为主的熔剂。
除渣精炼原理
比重差作用：当金属熔体在高温静置时，非 金属夹杂物与金属熔体比重不同因而产生上 浮或下沉。球形固体夹杂颗粒在液体中下沉 或上浮的速度服从Stokes定律。
除渣精炼原理
吸附作用：向金属熔体中导入情性气体或加入熔 剂产生的中性气体，在气泡上浮过程中，与悬浮 状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被吸附在气泡表 而而被带出熔体。
挥发损失除与合金本身蒸气压有关外,还与下列因素有关。 熔体温度：温度越高，其蒸气压越大，挥发速率越快， 挥发损失越大。 金属及合金元素：蒸气压大、蒸发热小、沸点低的金属 易挥发损失。如所有碱金属及ⅡB族金属锌、镉等易挥发； 而ⅣB族金属铬、钼、钨等挥发损失较小。 炉膛压力（影响很大）：压力越小，挥发损失越大。 其它因素：处于高温液态的时间，金属的比表面积，氧 化膜性质。金属处于高温液态的时间越长，比表面积越 大，搅拌及扒渣次数越多，挥发损失越大。熔体表面有 致密氧化膜或熔剂及炉渣覆盖时，可降低挥发损失。
除渣精炼原理
熔剂的吸附能力取决于化学组成。 对铝合金，在其他条件相同时，氯化物的 吸附能力比氟化物好； 碱金属氯化物比碱土金属好； 氯化钠和氯化钾的混合物比纯氯化物好； 在氯化钠和氯化钾的混合物中加入少量氟 化物如冰晶石，其吸附能力大为提高。
《金属学与热处理》第二课后习题答案
金属学与热处理第一章习题1.作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向3.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=b≠c，c=2/3a。
今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。
解：设X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a，取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2,5,5故该晶面的晶面指数为（2 5 5）4.体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面解：（1 0 0）面间距为a/2，（1 1 0）面间距为√2a/2，（1 1 1）面间距为√3a/3三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0）7.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示则OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a因△ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE由于(BC)2=(CE)2+(BE)2则有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即因此c/a=√8/3=1.6338.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=0.146a面心立方原子半径R=√2a/4，则a=4R/√2，代入上式有R=0.146X4R/√2=0.414R9.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。
b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转化为α-Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。
第二节-铝冶金与熔炼
生产过程自动化；节省能量， 如，采用流态化焙烧；生产 砂状氧化铝，满足烟气干式 净化需要。
（二）碱石灰烧结法
对铝硅比<4的铝土矿，碱石灰烧结 法几乎是唯一得到实际应用的方法。 我国铝土矿大多铝硅比不高。 1．原理 （1）铝土矿、苏打(Na2CO3)、石灰混 合 （2）1200℃烧结：SiO2与CaO化合成 不 溶 于 水 的 原 硅 酸 钙 (2CaO·SiO2) ； Al2O3 与 Na2CO3 化 合 生 成 可 溶 于 水 的 NaAlO2(或Na2O·Al2O3)。 （3）稀碱溶液浸出：NaAlO2进入溶液 、与2CaO·SiO2分离。
③ 溶液温度
浓度、 k 一定时，T↓→稳定性↓
④ 结晶核心和搅拌作用
细小的Al(OH)3的加入和搅拌，加速 速铝酸钠溶液分解。 对于制备的铝酸钠溶液
当Al2O3～(145±5)g/L、 k 1.7、
T<100℃，溶液不稳定。越接近30℃、
过饱和程度越大。此时，加入Al(OH)3 晶种、并机械搅拌，过饱和铝酸钠溶
Al2O3·H2O500-550℃γ- Al2O3+ H2O (1.1.2.10)
γ- Al2O3 900℃开始α- Al2O3
(1.1.2.11)
反应(1.1.2.11)要在1200℃维持足够长时间,
才能获得适合电解要求的α- Al2O3 。 煅烧温度高、能耗大，一般采用带冷却机的
回转窑，以重油、煤气为燃料。最大的窑为
(1.1.2.26)
反应（1.1.2.25）将分解产生的NaOH中和，使反应持续进行。沉淀过滤、洗
涤送煅烧，母液蒸发后返回烧结配料。
四、金属铝的生产
冶金原理复习题(stu)
第一篇冶金熔体第一章冶金熔体概述1. 什么是冶金熔体？它分为几种类型？2. 何为熔渣？简述熔渣成分的主要来源及冶炼渣和精炼渣的主要作用。
3. 熔锍的主要成分是什么？第二章冶金熔体的相平衡图1. 在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律。
X ：A 10% ，B 70% ，C 20% ；Y ：A 10% ，B 20% ，C 70% ；Z ：A 70% ，B 20% ，C 10% ；若将3kg X 熔体与2kg Y 熔体和5kg Z 熔体混合，试求出混合后熔体的组成点。
2. 试分析下图中熔体1 、2 、3 、4 、5 、6 的冷却结晶路线。
第三章冶金熔体的结构1. 熔体远程结构无序的实质是什么？2. 试比较液态金属与固态金属以及液态金属与熔盐结构的异同点。
3. 简述熔渣结构的聚合物理论。
其核心内容是什么？第四章冶金熔体的物理性质1. 试用离子理论观点说明熔渣的温度及碱度对熔渣的粘度、表面张力、氧化能力及组元活度的影响。
2. 什么是熔化温度？什么是熔渣的熔化性温度？3. 实验发现，某炼铅厂的鼓风炉炉渣中存在大量细颗粒铅珠，造成铅的损失。
你认为这是什么原因引起的？应采取何种措施降低铅的损失？第五章冶金熔体的化学性质与热力学性质1. 某工厂炉渣的组成为：44.5% SiO 2 ，13.8%CaO ，36.8%FeO ，4.9%MgO 。
试计算该炉渣的碱度和酸度。
原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 652. 什么是熔渣的碱度和酸度？3. 熔渣的氧化性主要取决于渣中碱性氧化物的含量，这种说法对吗？为什么？4. 已知某炉渣的组成为（W B / % ）：CaO 20.78 、SiO2 20.50 、FeO 38.86 、Fe2O3 4.98 、MgO10.51 、MnO 2.51 、P2O5 1.67 ，试求该炉渣的碱度。
原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 65 5. 某铅鼓风炉熔炼的炉渣成分为（W B / % ）：CaO 10 、SiO2 36 、FeO 40 、ZnO 8 ，试求该炉渣的酸度。
冶金原理复习试题(分章)
第一章 热力学基础一、名词解释：（溶液的）活度，溶液的标准态，j i e （活度的相互作用系数），（元素的）标准溶解吉布斯自由能，理想溶液，化合物的标准摩尔生成吉布斯自由能。
二、其它1、在热力学计算中常涉及到实际溶液中某组分的蒸汽压问题。
当以纯物质为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；当以质量1%溶液为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；前两种标准态组分的活度之比为＿＿＿＿。
2、反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，G θ∆=268650-158.4T 1J mol -⋅，在标准状态下能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿K 。
该反应为（填“吸或放”）＿＿＿＿＿＿热反应。
当T=991K ，总压为101325Pa 时，该反应＿＿＿＿＿＿(填“能或否”)向正方向进行；在991K 时，若要该反应达到化学平衡的状态，其气相总压应为＿＿＿＿＿＿Pa ；若气相的CO 分压为Pa 5102⨯，则开始还原温度为＿＿＿＿＿＿。
反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，14.158268650-⋅-=∆mol TJ G θ,在标准状态下能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿。
3、理想溶液是具有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿性质的溶液；理想溶液形成时，体积变化为＿＿＿＿，焓变化为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
实际溶液与理想溶液的偏差可用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿参数来衡量。
4．判断冶金生产中的化学反应能否向预想的方向进行，在等温、等压下用＿＿＿＿热力学函数的变化值；若该反应在绝热过程中进行，则应该用＿＿＿＿函数的变化值来判断反应进行的方向。
5．冶金生产中计算合金熔体中杂质元素的活度常选的标准态是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
对高炉铁液中[C]，当选纯物质为标准态时，其活度为＿＿＿＿，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
6．物质溶解的标准吉布斯自由能是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；纯物质为标准态时，标准溶解吉布斯自由能为＿＿。
第2章 灰铸铁
第二章普通灰铸铁第一节铁－碳双重相图合金相图是分析合金金相组织的有用工具。
铸铁是以铁元素为基的含有碳、硅、锰、磷、硫等元素的多元铁合金，但其中对铸铁的金相组织起决定作用的主要是铁、碳和硅，所以，除根据铁－碳相图来分析铸铁的金相组织外，还必须研究铁－碳－硅三元合金的相图。
一、铁－碳相图的二重性从热力学的观点看，在一定的条件下，高温时的渗碳体能自动分解成为奥氏体和石墨，这表明渗碳体的自由能较高，亦即在这个条件下一定成分的铸铁以奥氏体和石墨的状态存在时具有较低的能量，是处于稳定平衡的状态，说明了奥氏体加渗碳体的组织，虽然亦是在某种条件下形成，在转变过程中也是平衡的，但不是最稳定的。
从结晶动力学（晶核的形成与长大过程）的观点来看，以含C 4.3% 的共晶成分液体在低于共晶温度的凝固为例：在液体中形成含C 6.67% 的渗碳体晶核要比形成含C 100% 的石墨核容易，而且渗碳体是间隙型的金属间化合物，并不要求铁原子从晶核中扩散出去。
因此，在某些条件下，奥氏体加石墨的共晶转变的进行还不如莱氏体共晶转变那样顺利。
至于共析转变，也可以从热力学、动力学两方面去分析而得到和上面相似的结论。
C相图只是介稳定的，Fe－C（石墨）由此可见，从热力学观点上看，Fe－Fe3C相图转变也是相图才是稳定的。
从动力学观点看，在一定条件下，按Fe－Fe3可能的，因此就出现了二重性。
二、铁－碳双重相图及其分析对铸铁合金长期使用与研究的结果，人们得到了如图2﹣1所示的铁碳合金C介稳定系相图与Fe－C（石墨）稳定系相图，分别以实双重相图，即Fe－Fe3线和虚线表示。
表2﹣1为图中各临界点的温度及含碳量。
图2-1 铁－碳相图G－石墨Fe3C－渗碳体表2﹣1 铁碳相图各临界点的温度、成分从这里看出，在稳定平衡的Fe－C相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一些。
共晶温度高出6℃，共析温度高出9℃，这是容易理解的。
如图2﹣2的示意图所示，共晶成分的液体的自由能和共晶莱氏体(奥氏体加渗碳体)的自由能都是随着温度的上升而减低的，这二条曲线的交点就是共晶温度Tc。
《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。
材料加工基本原理第五版1至11章课后答案
第一章习题1 .液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏? 答：（1）液体与固体及气体比较的异（2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：①物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。
金属熔化时典型的体积变化V m/V为3%〜5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
②金属熔化潜热H m约为气化潜热H b的1/15〜1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
2 .如何理解偶分布函数g（r）的物理意义？液体的配位数N1、平均原子间距n各表示什么？答：分布函数g（r）的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原子r=0）距离为r的位置的数密度p r）对于平均数密度p （=N/V ）的相对偏差。
N1表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）原子数。
n表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。
3. 如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。
答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。
近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团（2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证①偶分布函数的特征对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g（r）在任何位置均相等，呈一条直线g（r）=1< 晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g（r）以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。
而液体的g（r）岀现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g（r）=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。
第二章 熔盐结构
2．熔融盐结构理论（1）熔盐的结构模型（2）冰晶石熔体结构（3）冰晶石-氧化铝熔体结构2. 熔盐的结构.研究熔盐结构是系统地、深入地理解熔盐物理化学性质，正确认识熔盐电极过程的基础。
只有研究熔盐的微观结构，才能理解熔盐的性质，并使熔盐中的电极过程有一个合理的解释。
熔盐结构的研究从法拉第（Faraday）开始。
他广泛研究了酸、碱和盐的电解和电极过程之后，提出了熔融盐溶液由阳离子和阴离子组成。
埃沙曼科（Herasymanko）首先提出了离子熔体可做统计处理。
切姆金把熔盐的理想混合物看作是两个独立的混合物：一个是阳离子混合物，一个是阴离子混合物。
阳离子和阴离子统计地在它们之间分布着。
阴阳离子之间可以互相交换位置。
熔盐结构的早期理论认为形成液体的离子在排列和取向上同气体一样没有规律性，这就是似气态理论。
但大量的实验对似气态理论提出了质疑。
例如熔盐的离子排列只有短程秩序。
①离子体熔化时体积平均增大约10%，相当于质点间的平均距离增加约3%，这一研究结果表明液体在接近熔点或结晶温度时，其质点间的排列应保持相应固态时的排列。
离子晶体熔化时，晶体所特有的各质点间排列的远程规律消失，而质点间相对排列的近程规律在一定程度上仍保留着。
②固态盐熔化之后配位数有所减少。
如碱金属卤化物配位数为6的固体盐，熔化之后则为4-5。
当固体熔盐熔解为液态时，阳离子与阴离子之间的距离不但没有增加，反而有所减少。
表2-1固体和熔盐碱金属卤化物中离子间的距离和其配位数现代熔盐理论认为，熔盐是离子体系。
在熔融盐的离子熔体中，库伦相互作用是决定溶液热力学和结构性质的支配因素。
在离子熔体中，每个阳离子的第一配位层内部都由阴离子所包围，同样，在阴离子的第一配位层内由阳离子包围。
阴、阳离子随机统计的分布在熔体中。
20世纪50年代，X射线结构研究提供了熔盐结构的发展；到了20世纪70年代，随着中子衍射和拉曼光谱的发展和应用，人们进一步了解了熔盐结构的概念；近年来，采用计算机模拟与实验相结合，使熔盐结构理论更趋于完善。
冶金原理复习
第一篇冶金熔体第一章冶金熔体概述1。
什么是冶金熔体？它分为几种类型？在火法冶金过程中处于熔融状态的反应介质和反应产物（或中间产品）称为冶金熔体.它分为:金属熔体、熔渣、熔盐、熔锍。
2.何为熔渣？简述冶炼渣和精炼渣的主要作用.熔渣是指主要由各种氧化物熔合而成的熔体。
冶炼渣主要作用在于汇集炉料中的全部脉石成分,灰分以及大部分杂质，从而使其与熔融的主要冶炼产物分离。
精炼渣主要作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化物,使之与主金属分离。
3.什么是富集渣？它与冶炼渣的根本区别在哪里？富集渣:使原料中的某些有用成分富集与炉渣中,以便在后续工序中将它们回收利用。
冶炼渣：汇集大部分杂质使其与熔融的主要冶炼产物分离。
4.试说明熔盐在冶金中的主要应用。
在冶金领域,熔盐主要用于金属及其合金的电解生产与精炼。
熔盐还在一些氧化物料的熔盐氯化工艺以及某些金属的熔剂精炼法提纯过程中广泛应用。
第二章冶金熔体的相平衡图1. 在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律.X ：A 10% ，B 70% ，C 20% ;Y ：A 10% ，B 20% , C 70％;Z ：A 70％，B 20% ，C 10％；若将3kg X 熔体与2kg Y 熔体和5kg Z 熔体混合，试求出混合后熔体的组成点。
2.下图是生成了一个二元不一致熔融化合物的三元系相图（1）写出各界限上的平衡反应（2）写出P、E两个无变点的平衡反应(3)分析下图中熔体1 、2 、3 、4 、5 、6 的冷却结晶路线.3.在进行三元系中某一熔体的冷却过程分析时，有哪些基本规律？答:1 背向规则 2杠杆规则 3直线规则 4连线规则5 三角形规则 6重心规则 7切线规则 8共轭规则等第三章冶金熔体的结构1。
熔体远距结构无序的实质是什么?2.试比较液态金属与固态金属以及液态金属与熔盐结构的异同点。
3.简述熔渣结构的聚合物理论。
其核心内容是什么?第四章冶金熔体的物理性质1。
2022凝固第二章
15
在一定温度下，也不象平衡状态那样是一个定值，而是 在一个范围内，其值大小取决于动力学条件。J.CBrice 从理论上导出界面前沿溶质分配系数K与晶体长大速度 间的关系。
设v为原子的扩散速度，α为溶质原子在S/L界面上 的粘着系数，β为已被吸附原子脱离系数，CS 、 CL分别
为S 、 L相的溶质浓度。在S/L界面上：溶质原子从S相
时,熔点升高200多度。
10
2、晶体表面曲率的影响
凝固时，晶体表面不平，或凸、或凹，曲率不同，晶体 受到附加压力，晶体体积增加时，要克服附加压力作功。当
任一曲面体积的增加△V ，面积增加△A ，附加压力 △P 与
界面张力σ 的关系为
△A·σ= △P·△V
p A
V
式中， △A/ △V即为三维空间任一曲面物体的曲率，可表
dTp / dP= (Vs-VL ) / (Ss-SL ) dTp－平衡熔点的改变
9
平衡时， △G= GL-GS =△H-TM△S=0 △S=△H/TM VL- Vs= △V； Ss-SL = △S
变换上式，得到:
dTp /dP= -（VL- Vs）/（ △H/TM ）= - (TM △V）/ △H
6
一、纯组元
对于纯金属，如图2－11所示。
当T=TM时，GL=GS，处于平衡转变温度，从液相中
生成固相的自由能变化为；（克分子自由能）
△G= △H＊-TM△S＊=0 △S＊=△H/TM △H＊—结晶潜热，也称为焓。 △S—熔融熵，原子运动的混乱程度。
＊--表示处于熔点平衡状态的自由能
7
若T≠TM：则：△G= △H-TM△S≠0
第2章金属熔体-10级
2019/2/16
31Leabharlann 2金属熔体的结构• 1.2.1 金属晶体的结构 • 1.2.2 金属熔体的结构
2019/2/16
4
1.2.1金属晶体的结构
• 晶体：由占有晶体整个体积的、在三维方向上以一定距离呈现周期 而重复的有序排列的原子或离子构成——物质结构的远程有序性。 基本概念：单位晶胞、晶格常数、配位数、晶格结点、金属键
结论II
金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结构—— 熔体中接近中心原子处原子基本上呈有序的分布，与晶 体中的相同(保持了近程序)； 在稍远处原子的分布几乎是无序的(远程序消失)。
2019/2/16 9
表 1 金属液态和固态的结构数据比较
金 Al Mg Zn Cd Cu Au 属 液 原子间距／nm 0.296 0.335 0.294 0.306 0.257 0.286 态 配位数 10.6 10 11 8 11.5 8.5 固 原子间距／nm 0.286 0.320 0.265, 0.294 0.297, 0.330 0.256 0.288 态 配位数 12 12 6+6 6+6 12 12
典型的晶体结构：面心立方、体心立方和密堆六方
铁的结构：原子半径：1.2810l0 m， 三种晶型： Fe → Fe (1185 K)
Fe → Fe (1667 K)
Fe，Fe：体心立方晶格，配位数为8 Fe：面心立方晶格，配位数为12
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固溶体：当有其它固体原子溶入某种固体
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液态金属结构模型
模型 I
接近熔点时，液态金属中部分原子的排列方式与固态金属 相似，它们构成了许多晶态小集团。
铜冶金学第2章
分离开的根本原因是它们本身的结构不同。结构又 是由成份决定的。组成不同的氧化物和硫化物，相 互的溶解能力是不同的。
不含SiO2的FeO－FeS体系在液态下是完全互溶 地，呈均匀的单相，不会分层。当加入SiO2后，形 成FeO－FeS－SiO2体系，单一的情形就会改变。 从图2.1看出当SiO2>1％时，就会出现分层（ABC曲 线）。
经过氧化反应，炉料中铁的一部分形成 Fe3O4，Fe3O4的熔点高（1597℃）在渣中以 Fe－O复杂离子状态存在。当其量较多时， 会使炉渣熔点升高，比重增大，恶化了渣与 锍的沉清分离。当熔体温度下降时，Fe3O4会 析出沉于炉底及某些部位形成炉结，还会在 冰铜于炉渣界面上形成一层粘渣隔膜层，危 害正常操作。
1200
91.09
5.9×10-4
-27.31
9.12
1300
45.59
3.07×10-3
-71.04
2.24×102
1400
-0.05
9.9×10-1
-115.30
4.08×102
1500
-37.05
1.23×10
-159.57
50.2×104
反应要在1400℃以上才能向右进行，而且Kp值很小。 加入SiO2后，体系变成Fe3O4－FeS－SiO2系，反应 为：
在还原熔炼中，Fe3O4是靠还原气氛(Pco2/Pco之 比)来使之还原造渣的。而在氧化气氛的造锍熔炼
中，只能依靠与FeS的作用来还原，即
3Fe3O4(s)+[FeS] = 10(FeO)+SO2(g)
ΔGo=761329－455T焦 式中（ ）为渣相，[ ]为冰铜相。
第二章纯金属的结晶ppt课件
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
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2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
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2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
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2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
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2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
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模型Ⅱ
• 液态金属中的原子相当于紊乱的密集球堆，这里既没有晶 态区，也没有能容纳其他原子的空洞。
• 在紊乱密集的球堆中，有着被称为“伪晶核”的高致密区。 • 模型II突出了液态金属原子的随机密堆性。
液态金属的结构起伏
液态金属中的“晶态小集团”或 “伪晶核”都在不停地变 化，它们的大小不等，时而产生又时而消失，此起彼伏。 结构起伏的尺寸大小与温度有关。温度愈低，结构起伏的 尺寸愈大。液态金属的结构起伏
构的认识还很不够。 • 在接近临界温度时，液态与气态较接近。 • 在通常情况下，冶金熔体的结构和性质更接近于其固态。 • 不同的冶金熔体具有明显不同的结构和性质。
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1.2 金属熔体的结构
• 1.2.1 金属晶体的结构 • 1.2.2 金属熔体的结构
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金属
Al Mg Zn Cd Cu Au
表 1 金属液态和固态的结构数据比较
液态
固原子间距／nm配数原子间距／nm0.296
10.6
0.286
0.335
10
0.320
0.294
11
0.265, 0.294
0.306
8
0.297, 0.330
0.257
11.5
0.256
0.286
8.5
0.288
态 配位数 12 12 6+6 6+6 12 12
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固溶体：当有其它固体原子溶入某种固体 置换型固溶体 —— 各组分的原子在晶格结点位相互置换，
置换的异种原子的半径差别不大； 间隙型固溶体 —— 组分的原子占据了本体晶格的空隙位，
两种原子的半径差别很大。 如：碳原子占据在铁晶体结点间的空隙位。
结论I 在熔点附近液态金属和固态金属具有相同的结合键和近似的原子
间结合力； 原子的热运动特性大致相同，原子在大部分时间仍是在其平衡位
(结点)附近振动，只有少数原子从一平衡位向另一平衡位以跳跃 方式移动。
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第二章 金属熔体
• 1. 熔融金属及其合金的结构 • 2. 金属熔体及其合金的物理性质 • 3. 元素在金属熔体中的溶解和相互作用
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1. 熔融金属及其合金的结构
• 1.1 概述 • 1.2 金属熔体的结构
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基本事实I (续) 金属液、固态的比热容差别一般在10%以下，而液、气态比热容 相差为20%~50%。 金属液、固态中的原子运动状态相近。 大多数金属熔化后电阻增加，且具有正电阻温度系数。 液态金属仍具有金属键结合
液态金属结构模型
模型 I
接近熔点时，液态金属中部分原子的排列方式与固态金属 相似，它们构成了许多晶态小集团。 这些小集团并不稳定，随着时间延续，不断分裂消失，又 不断在新的位置形成。 这些小集团之间存在着广泛的原子紊乱排列区。 模型I突出了液态金属原子存在局部排列的规则性。
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基本事实II
液态金属中原子之间的平均间距比固态中原子间距略大， 而配位数略小，通常在 8~l0 范围内 熔化时形成空隙使自由体积略有增加，固体中的远距有 序排列在熔融状态下会消失而成为近距有序排列。
结论II
金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结构—— ✓ 熔体中接近中心原子处原子基本上呈有序的分布，与晶 体中的相同(保持了近程序)； ✓ 在稍远处原子的分布几乎是无序的(远程序消失)。
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1.2.2 金属熔体的结构
基本事实I
金属的熔化潜热仅为汽化潜热的 3%~8% 对于纯铁，熔化潜热为15.2 kJ·mol1，汽化潜热是 340.2 kJ·mol1 液态金属与固态金属的原子间结合力差别很小。 金属熔化时，熵值的变化也不大，约为5~10 J·mol1·K1 熔化时金属中原子分布的无序度改变很小。 熔化时大多数金属的体积仅增加 2.5%~5%，相当于原子间 距增加 0.8%~1.6% 在液态和固态下原子分布大体相同，原子间结合力相近。
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2.金属熔体及其合金的物理性质
2.1 熔化温度 2.2 密度 2.3 粘度 2.4 导电性 2.5 熔体组分的扩散系数 2.6 表面性质与界面性质
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1.1 概 述
• 冶金熔体的结构：指冶金熔体中各种质点(分子、原子或离 子)的排列状态。
• 熔体结构主要取决于质点间的交互作用能。 • 冶金熔体的物理化学性质与其结构密切相关。 • 相对于固态和气态，人们对液态结构，尤其是冶金熔体结
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1.2.1金属晶体的结构
• 晶体：由占有晶体整个体积的、在三维方向上以一定距离呈现周期 而重复的有序排列的原子或离子构成——物质结构的远程有序性。 基本概念：单位晶胞、晶格常数、配位数、晶格结点、金属键 典型的晶体结构：面心立方、体心立方和密堆六方 铁的结构：原子半径：1.2810l0 m， 三种晶型： Fe → Fe (1185 K) Fe → Fe (1667 K) Fe，Fe：体心立方晶格，配位数为8 Fe：面心立方晶格，配位数为12