材料物理化学

1、洁净度对钢液形核影响的热力学研究热力学过冷度热力学驱动力形核功临界晶核半径 研究目的研究目的 探究钢液形核过程中洁净度与形核半径、形核功以及热力学驱动力的联系，为高洁净钢连铸细晶技术提供相关理论依据，结论结果与讨论实验理论分析 研究过程研究过程1 理论分析理论分析 对于钢铁材料，洁净度主要是指钢铁材料中杂质含量的多少。杂质含量越低, 钢铁材料的洁净度就越高。钢铁材料中的杂质主要包括氮、氢、氧、硫、磷、碳及其化合物和各种夹杂物等。实际生产过程中，钢液以非均质形核方式凝固，钢中的异质质点作为形核核心，其数量、性质等会对凝固过程的热力学参数如过冷度、形核率等产生影响。1.1形核半径与形核功球形晶核自

2、由能AVGGGGmsV系统总的自由能变化23434rrGGm（1）（2）临界晶核半径m*Gr2均质最大形核功23*316mGG（4）（3）非均质最大形核功 fGGm23*316其中 3coscos3241f（6）（5）1.2凝固热力学驱动力单位体积自由能计算公式（7）TTHGmmm（8），时，当0mmGTTmmmTHS得到mmmSTHG（9）金属Fe180915.28.40.254）（熔点KTm)/(11KmolJSm熔化熵)/(2mJ 固、液面张力表1 铁的各项物性参数)(1molkJHm凝固潜热2 实实 验验2.1高温熔化实验 使用电解纯铁作为实验原料，利用连续高温钼丝炉进行加热，将装有电

3、解纯铁的Al2O3坩埚放入钼丝炉内加热，通氩气保护。并通过Pt-PtRh10热电偶配合温度控制仪控制钼丝炉的温度，将铁料加热至1600熔化后，加脱氧剂铝，硅进行脱氧。保温10min，然后随炉冷却，熔炼后得到试样。经过加工清洗，最后利用红外吸收法分析氧含量。2.2差热分析 通过超高温DTA测定试验样品的熔化温度和凝固温度，测定条件为99.999%的氩气氛，升温速度2/min，降温速度20/min。采用测定的熔化终了的温度和凝固的开始温度之差作为试样的过冷度。差热分析仪的结构如上图所示。一般的差热分析装置由加热系统、温度控制系统、信号放大系统、差热系统和记录系统等组成。有些型号的产品也包括气氛控制

4、系统和压力控制系统。3 结果与讨论结果与讨论试样试样脱氧剂脱氧剂氧含量氧含量/%1#Al0.02046.12#0.02237.83#0.02919.74#0.02524.65#0.01544.56#0.01051.17#Si0.008157.88#0.01047.29#0.01346.110#0.01430.211#0.01249.1KT /表2 试样的氧含量与过冷度3.1钢液洁净度与过冷度的关系图1 氧含量与过冷度的关系 本实验所用原料为电解纯铁，除氧外其它元素均为恒量，脱氧后铁液中的杂质主要为氧化物夹杂。因此，氧含量可以代表其洁净度。可见：随氧含量的增加，铁液洁净度下降，过冷度亦下降。洁净

5、度越高，过冷度就越大。3.2钢液洁净度与形核驱动力的关系图2 氧含量与形核驱动力的关系 在本实验条件下，铁液中的夹杂物主要是铝、硅的脱氧产物氧化铝和氧化硅。从图2可以看出，随着洁净度的提高，铁液凝固形核的驱动力逐渐增加。这是因为洁净度的提高使得过冷度增大，从而使得形核驱动力增加。在相同的洁净度条件下，夹杂物类型不同时凝固所需的形核驱动力也不同。初生晶核与形核质点之间的润湿角越小，铁液越容易凝固，它所需要的形核驱动力也就越小。3.3钢液洁净度与形核功的关系图3 氧含量与形核功的关系 形核功是指形成一个晶核体系所需要克服的能量。形核功越小，凝固越容易。由图3可见，铁液凝固时洁净度越低，其形核功就越大。这是因为洁净度低时，过冷度小，所需要的形核功增大。反之，洁净度越高，形核功就越小，就越容易形成晶核。3.4钢液洁净度与临界晶核半径的关系图4 氧含量与临界晶核半径的关系 临界晶核半径是指在凝固过程中恰好能形成稳定晶核的晶核半径。结果根据图4可见：