冶金物理化学[1]

冶金物理化学冶金物理化学是在探究金属物质的结构、性质和变化规律的科学。

它的研究对象包括金属的结晶、熔化、溶解、扩散等过程，以及金属的力学性能、热力学性能、电性能、磁性能和光学性能等方面。

冶金物理化学的研究对于提高金属制品的质量和性能，推进先进制备技术的发展，以及理解自然界中金属物质的本质具有重要意义。

冶金物理化学的发展过程冶金物理化学是一个较为新兴的科学分支，起源于20世纪初期。

在此之前，金属制品的制备主要是一项经验技术，对于金属结构及其特性缺乏深刻的认识。

随着现代物理和化学的兴起，科学家们开始注重对材料微观结构的研究和分析，冶金物理化学也由此开始。

20世纪初期，金属熔体结构的研究为冶金物理化学的发展提供了基础。

美国化学家蒂勒森（Tilsen）等人首先提出了“鼠径”模型，将金属中的原子看作小球，使它们可以以一定的方式组成。

随后，美国物理化学家沃伦（Warren）提出了金属熔体的电子气模型，解释了金属熔体的电导特性。

这些理论模型为冶金物理化学打下了基础。

在20世纪30年代和40年代，随着X射线衍射技术和电子显微镜技术的发展，科学家们开始更深入地探究金属内部结构和成分分布规律。

英国物理学家布拉格（Bragg）和他的儿子在20世纪初发明了X射线衍射技术，对金属晶格的结构进行了分析。

荷兰科学家费伊（Frens）和他的同事也发现了电子显微镜技术，可以对材料的微观结构进行更加深入的研究。

这些工具的运用使冶金物理化学的研究进一步深入发展。

20世纪50年代至70年代，计算机的出现为冶金物理化学的理论研究和材料模拟提供了重要的工具。

电脑模拟在材料化学过程中的应用，极大地拓展了冶金物理化学的研究领域，为更深入地理解金属材料的性质和变化规律打下了基础。

冶金物理化学的研究目标冶金物理化学的研究目标主要包括以下方面：1.金属熔体的结构和性质研究：金属在溶解和熔化过程中的原子排列规律、熔点、密度和表面张力等性质的探究。

2.金属材料的固态结构和性质研究：分析金属材料的晶体结构、缺陷结构及缺陷运动、相变、塑性变形规律和热力学性质等。

冶金物理化学教案中的物相分析与表征技术冶金物理化学是研究金属材料的基础性学科之一，主要涉及金属材料的结构、性能以及变化规律。

在冶金过程中，物相分析与表征技术是非常重要的一环，对于研究金属材料的微观结构和性能具有重要意义。

本文将介绍几种常用的物相分析与表征技术，以供冶金物理化学教案的编写参考。

一、X射线衍射分析（XRD）X射线衍射分析是一种常用的物相分析技术，主要用于研究材料的晶体结构和相对含量。

它通过测量材料中晶体的衍射图样，利用布拉格方程计算晶格参数和晶体结构等信息。

X射线衍射分析具有非破坏性、快速、准确等特点，被广泛应用于金属材料的相变研究、材料表征和质量控制等方面。

二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的表征技术，通过电子束与样品表面相互作用产生的信号来获取高分辨率的表面形貌和微观结构信息。

SEM 具有高分辨率、大深度焦、显微成像和元素分析等多种功能，可以对金属材料的晶界、孔隙、相分布和表面形貌等进行观察和分析，是研究金属材料物相变化的重要手段。

三、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种高分辨率的表征技术，通过经过薄样品的电子束与样品内部相互作用形成的透射电子图像获得材料的微观结构信息。

TEM具有高分辨率、高对比度和元素分析等多种功能，对于金属材料的晶体结构、晶界、位错、孔隙等进行观察和分析具有独特的优势。

四、热分析技术（TG-DTA）热分析技术是一种通过对材料在不同温度下物理和化学性质的变化进行分析和表征的方法。

其中，热重分析（TG）可以测量材料的质量随温度变化的曲线，差热分析（DTA）可以测量样品与参比物之间的温差。

通过TG-DTA等热分析技术，可以研究金属材料的相变、热稳定性和热解动力学等热力学性质，为冶金工艺优化提供依据。

五、扫描探针显微镜（SPM）扫描探针显微镜是一种基于物理探针与样品表面相互作用来获取材料表面形貌和物理性质的表征技术。

其中，原子力显微镜（AFM）和斯托姆图（STM）是常用的扫描探针显微镜，可以实现纳米尺度下对材料的观察和分析。

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，根据分布规律，钢液中的[O]扩散到渣中，与加入渣相的脱氧元素发生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：炉渣含有或溶解硫的容量，即CS？（%s）？（po2/ps2）1/24、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、简短回答问题（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的换算：ab[r]ab[h]?pb/pbpb/kh(x)*?kh(x)p*b?rb0故ab[r]?rbab[h]0（2）纯物质的标准态活度与1%质量溶液的标准态活度之间的换算：ab[r]ab[%]?pb/pbpb/kh(%)*?kh(%)pb*?mab100m?kh(x)pb*?mab100m?rb0（3）假设纯物质的标准态活度与1%质量溶液的标准态活度之间的换算：ab[h]ab[%]?pb/kh(x)pb/kh(%)?kh(%)kh(x)?mab100m2.简述了炉渣氧化脱磷的热力学条件。

答：根据炉渣的脱磷反应：lp?(%p2o5)[%p]2?kp(to)(êo)f542p?feo??cao?cap2o954根据上述公式，为了使脱磷反应完全，必要的热力学条件是：（1）炉渣碱度高；（2）氧化铁含量高；（3）较低的浴温；大渣量。

3.一氧化碳还原氧化铁的顺序是什么？写出反应方程式（天平）。

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：T570co3fe2o3（s）？有限公司？2fe3o4（s）？cofe3o4（s）？有限公司？3feo （s）？科菲欧（s）？有限公司？fe（s）？co2222t?570co3fe2o3(s)?co?2fe3o4(s)?co14fe3o5(s)?co?34fe(s)?co24.正常溶液的定义和热力学特征。

2010~2011学年第二学期期末考试《冶金物理化学1》试卷（A）计算中可能用到的数据：=0.140，=0.080，，= 0.051，= 0.13，=0.110，=0.120，原子量：Ca : 40，Si: 28，Fe:56，Mg: 24，V: 51，Mn:55，P: 31，Al: 27，S: 32，O: 16，Ni: 58.7，Cu: 63.54一、基本概念题(30分)1．682℃测得Cd-Sn合金：x Cd=0.0106(%Cd=1)、x Cd=1(%Cd=100) 和x Cd=0.6130(%Cd=60) 时Cd的蒸汽压分别为7.89×102 Pa、3.29×104 Pa和 3.03×104 Pa，则x Cd=0.6130(%Cd=60) 时a Cd(R)＝，a Cd(％)＝。

2．1600℃时液态铝在铁液中的＝0.029，则以液态纯铝作标准态时，铝在铁液中的＝；以质量浓度为1%的铝溶液作标准态时，铝在铁液中的＝。

3．1873K时Fe－Cu系内Cu的活度a Cu(R)＝0.730，＝8.6，则a Cu(％)＝。

4．在进行冶金中的相关反应计算时，对于金属熔体中的组元，其活度一般采用为标准态；对于熔渣中的组元，其活度一般采用为标准态。

5．由炼钢渣系1600℃等活度图上查得a FeO＝0.53，则此渣与含氧0.1％的钢液接触时，钢液中氧含量将。

6．渣中SiO2浓度低时，渣中Al2O3显性，当渣中Al2O3浓度增大时，渣中SiO2活度。

7．Al2O3在碱性渣中以离子形式存在；在酸性渣中以离子和离子形式存在。

8. 碱性渣中Al2O3浓度增大时，；酸性渣中Al2O3浓度增大时，。

9．脱S反应分子方程式为(CaO)＋[S]＝(CaS)＋[O]，则离子反应方程式为。

10．当Δ[O]＞0时，氧由向中传输；当Δ[O]＜0时，氧由向中传输。

二、热力学计算题(50分)1．(10分)1540℃时，与含有2.1％C的铁液平衡的气相中。

绪论冶金物理化学是全部冶金过程的理论基础，经历了一个多世纪的不断完善，至今已经发展成为一个相对成熟的学科，成为一个独立的分支学科。

冶金过程与冶金过程基础理论全部冶金过程可以用以下流程图表示冶金过程理论图1 冶金过程基本流程图冶金物理化学可以分为冶金热力学和冶金动力学，最近学科的发展，有人提出，将冶金电化学也划分到冶金物理化学的内容中。

冶金热力学∆）；确定利用化学热力学原理，研究冶金中反应的可能性（反应方向）（理论依据－G∆）；找出控制反应过程的基本参数冶金反应过程的最大产率（反应限度）（理论依据－G∅（T，P，C i）。

冶金热力学的局限性：所确定的冶金过程的条件是必要的，但不是充分的。

应用冶金热力学可以确定冶金体系状态变化前后焓、熵及吉布斯自由能等热力学参数的变化。

如由体系的焓变可以确知氧气转炉炼钢、铜转炉吹炼冰铜是自热过程，无需补充能量，而在铜闪速炉中进行的冰铜熔炼及在镍闪速炉中进行的铜冰镍熔炼是半自热过程。

冶金热力学还应用于确定冶金反应进行的条件和方向。

如冶金热力学表明，要在低于1700o C下吹炼超低碳不锈钢必须采用真空或氩氧混吹。

应用热力学可以确定冶金体系状态变化时，过程进行的限度及与其影响因素的关系。

应用标准平衡常数K 可以计算在一定的热力学条件下（如温度、压力恒定）反应能进行的限度和生成物的理论最高产量。

冶金反应一般都包括一系列基元反应。

通过添加催化剂，可以改变反应的机理，从而改变冶金反应的速率。

从机理和速率的角度来研究冶金反应的规律及其影响因素属于冶金动力学的研究范畴。

冶金动力学利用化学动力学与传输原理，研究冶金过程的机理；确定各基元过程及总过程的速率；找出反应过程的限制环节。

冶金动力学的作用：提供了冶金反应过程研究内容的完备性，提供了反应的充分性条件。

冶金热力学和冶金动力学两者研究内容不同，但它们相辅相成，互相补充。

掌握冶金热力学与动力学对于开发冶金新工艺、新技术及现行工艺过程的优化非常重要。