第四章冶金熔体 上式就是元素i溶解于某溶剂生成1wt%的溶液时标准自由能变化ΔG的计算公式 如果元素i溶解于熔铁中,铁的原子量M=55.85,则式(4-25)成为: 0.5585 △G= RTIn y( (4-26) M 根据元素的性质、其与铁形成的溶液的性质和在熔铁中的溶解度,可以把它们分为下列五组: 1.与铁形成近似理想溶液的元素,它们是Mn、Co、Ni、Cr、Mo、№b和W等金属元素。其中 Mn、Co、Ni在1873K时能完全溶解,而Cr、Mo、Nb、W在该温度下只能部分溶解,因为它们的熔 点高于1873K,在更高的温度下能完全溶解。上述这些元素在周期表中的位置与铁较近,它们的性 质与铁原子相似,原子半径也与铁原子相近,晶格形式亦与铁的相似。所以,习惯上认为这些元素 与铁形成的溶液近似于理想溶液,可以应用理想溶液的定律。 例4--4计算在1873K时,液态纯Cr和固态纯Cr在熔铁中溶解1wt%时的标准自由能 的变化?纯Cr的熔化热为4600ca1.mol1 解因Fe-Cr熔体是近似的理想溶液,所以ΔH=0和yt=1,则式(4-26)成为 G=RTIn(0.5585/Mcr)=4.5751Tlg(0.5585/51.996)=9.01T 因αr的熔点为2133K,在1873K时是固体,Cr的熔化热已知为4600cal.mol,则熔化熵为: 4600/2133=2.16[ca1.mo1.K.。因此: Cr(s=Gr (1) A GF4600-2 16T 将上面两相加得到 △G2=4600-11.17T 2.与铁形成近似规则溶液的元素它们有Cu和A1等元素,在1873K时能完全溶解。Fe-Cu系 熔体对拉乌尔定律有较大的正偏离。Fe-A1系熔体却有较大的负偏离。它们在元素周期表中的位置 离Fe较远,其性质和原子半径也与铁原子有一定的差别,所以它们与熔铁形成的溶液不是理想溶液, 但近似于规则溶液,可以应用规则溶液的各项公式来计算它们形成溶液时的热力学函数的变化。 例4-5计算在1873K时,液态纯Cu溶解于熔铁中形成1wt%溶液时的标准自由能的 变化?在1873K时的xa=8.6 解Fe-Cu系熔体近似规则溶液,当形成lwt%的标准规则溶液时,根据式(4-26),则有 0.5585 0.5585 △G°= RTIn y°c+RTln )=4.575×18731g8.6+4.575Tlg( 63.5 =8000-9.8T 3.与铁形成稀溶液的元素如N和H等。它们在熔铁中的溶解度非常小,这样的溶液可以看成 为稀溶液。当然其他元素在熔铁中的浓度很小时都可以看成是稀溶液。N和H在元素周期表中的位 置离铁更远,它们是非金属元素,性质与铁原子相差很大,原子半径比铁的小得多,这就限制了它 们在熔铁中的溶解度。N和H溶解在熔铁中时的标准自由能变化,可以用平衡实验来得到 4.与铁形成实际溶液的元素它们是C、P、0和S等非金属元素及Si、Ti、V和Zr等金属元素 C和0等非金属元素,在熔铁中的溶解度有一定的限制。它们在元素周期表中的位置离铁较远,其 性质、原子半径都与铁原子有很大的差别。它们与铁形成实际溶液。Si、Ti、V和Zr等金属元素与 铁形成的溶液也是实际溶液。在1873K时Si能完全溶解于铁中,而V、Ii和Zr等因其熔点较高, 只能部分溶解,在更高的温度下能完全溶解。它们在元素周期表中的位置离Fe较远,其性质和原子 半径与铁原子有一定的差别,与铁形成实际溶液。上述这些元素溶解在熔铁中的标准自由能的变化 可以通过平衡实验等方法求得。 5.在熔铁中溶解度很小的元素它们有Pb、Ag、Ca和Mg等金属元素。其中Ca和Mg在炼钢温第四章 冶金熔体 68 上式就是元素i溶解于某溶剂生成 1wt%的溶液时标准自由能变化ΔG0 i的计算公式。 如果元素i溶解于熔铁中，铁的原子量MFe=55．85，则式(4-25)成为： 0.5585 ΔG 0 i =RTlnγ0 (--------) (4-26) Mi 根据元素的性质、其与铁形成的溶液的性质和在熔铁中的溶解度，可以把它们分为下列五组： 1．与铁形成近似理想溶液的元素,它们是 Mn、Co、Ni、Cr、Mo、 Nb 和 W 等金属元素。其中 Mn、Co、Ni 在 1873K 时能完全溶解，而 Cr、Mo、 Nb、W 在该温度下只能部分溶解，因为它们的熔 点高于 1873K，在更高的温度下能完全溶解。上述这些元素在周期表中的位置与铁较近，它们的性 质与铁原子相似，原子半径也与铁原子相近，晶格形式亦与铁的相似。所以，习惯上认为这些元素 与铁形成的溶液近似于理想溶液，可以应用理想溶液的定律。 例 4—4 计算在 1873K 时，液态纯 Cr 和固态纯 Cr 在熔铁中溶解 1wt%时的标准自由能 的变化？纯Cr的熔化热为 4600cal．mol-1。 解 因Fe-Cr熔体是近似的理想溶液，所以ΔH=0 和γ0 Gr=1，则式(4—26)成为： Cr(l)=[Cr] Gf=RTIn(0.5585/Mcr)=4.575Tlg(0.5585/51.996)=-9.01T 因Cr的熔点为 2133K，在 1873K时是固体，Cr的熔化热已知为 4600cal.mol - ,则熔 化熵为： 4600/2133=2.16[cal.mol-1.K-1。因此： Cr(S)=Gr（l） ΔGf=4600-2.16T 将上面两相加得到： Cr(s)=[Cr] ΔG2 0 =4600-11.17T 2．与铁形成近似规则溶液的元素 它们有 Cu 和 A1 等元素，在 1873K 时能完全溶解。Fe-Cu 系 熔体对拉乌尔定律有较大的正偏离。Fe-A1 系熔体却有较大的负偏离。它们在元素周期表中的位置 离 Fe 较远，其性质和原子半径也与铁原子有一定的差别，所以它们与熔铁形成的溶液不是理想溶液， 但近似于规则溶液，可以应用规则溶液的各项公式来计算它们形成溶液时的热力学函数的变化。 例 4—5 计算在 1873K 时，液态纯 Cu 溶解于熔铁中形成 1wt％溶液时的标准自由能的 变化?在 1873K时的γ0 Cu=8.6。 解 Fe—Cu 系熔体近似规则溶液，当形成 1wt%的标准规则溶液时，根据式(4-26)，则有 0.5585 0.5585 ΔG 0 =RTlnγ0 Cu+RTln(----------)=4.575×1873lg8.6+4.575Tlg(---------) MCu 63.5 =8000-9.8T 3．与铁形成稀溶液的元素 如 N 和 H 等。它们在熔铁中的溶解度非常小，这样的溶液可以看成 为稀溶液。当然其他元素在熔铁中的浓度很小时都可以看成是稀溶液。N 和 H 在元素周期表中的位 置离铁更远，它们是非金属元素，性质与铁原子相差很大，原子半径比铁的小得多，这就限制了它 们在熔铁中的溶解度。N 和 H 溶解在熔铁中时的标准自由能变化，可以用平衡实验来得到。 4.与铁形成实际溶液的元素 它们是 C、P、O 和 S 等非金属元素及 Si、Ti、V 和 Zr 等金属元素。 C 和 O 等非金属元素，在熔铁中的溶解度有一定的限制。它们在元素周期表中的位置离铁较远，其 性质、原子半径都与铁原子有很大的差别。它们与铁形成实际溶液。Si、Ti、V 和 Zr 等金属元素与 铁形成的溶液也是实际溶液。在 1873K 时 Si 能完全溶解于铁中，而 V、Ti 和 Zr 等因其熔点较高， 只能部分溶解，在更高的温度下能完全溶解。它们在元素周期表中的位置离 Fe 较远，其性质和原子 半径与铁原子有一定的差别，与铁形成实际溶液。上述这些元素溶解在熔铁中的标准自由能的变化， 可以通过平衡实验等方法求得。 5.在熔铁中溶解度很小的元素 它们有 Pb、Ag、Ca 和 Mg 等金属元素。其中 Ca 和 Mg 在炼钢温 68