9-第九章固相反应讲解

预测铁素体含量和凝固模式的WRC-1992舍夫 勒图
对于1％、4%和10%Mn时形成马氏体边 界线的WRC-1992舍夫勒图
铁素体-奥氏体不锈钢成分相图，包括奥氏 体形成的边界线和等体积分数的铁素体边 界线
实验测量铁素体数（FN）与预测值 的对比（a）FNN-1999;(b)WRC1992
9.1.4冷却速度的影响
1.1基本的凝固模式
奥氏体不锈钢的焊缝通常以面心立方（fcc）结 构奥氏体为基体，其中分布着不同数量的体心立方
结构的-铁素体（bcc）。奥氏体不锈钢的焊缝有 适当数量的 -铁素体是必要的。但当 -铁素体的数
量过高时（≥10体积％），焊缝金属的延展性、韧
性、和抗腐蚀性均降低；同时当-铁素体含量过低
时（≤5体积％），可导致焊缝产生凝固裂纹。
为了使版条状铁素体继续生长，热流方向一定要与– 铁素体和奥氏体选优生长方向<100>一致。
9.1.3铁素体含量的预测
给定的合金的Cr当量是由 铁素体形成元素Cr、Mo、 Si和Cb的浓度决定的，Ni 当量是由奥氏体形成元素 Ni、C、Mn的浓度决定的。
舍夫勒首次提出关于成分与焊缝中铁素体含量的定量关系如图
Fe-Cr-Ni的伪-二元相图
（a）在55％（重量）的Fe; （b）在63％（重量）的Fe; （c） 在73％（重量）的Fe。
309不锈钢不填丝钨极气体保护焊采用液态锡 淬火后熔池附近凝固组织（放大倍数70）。 混合氯化物腐蚀剂。
9.1.2铁素体的形成机制
奥氏体首先在熔池的边界从未熔化母材的奥氏体晶粒开始外延生长。 稍后 -铁素体在凝固的前沿开始形核。在快速冷却之后， -铁素体与 奥氏体的位相关系决定了凝固后焊缝金属相变后的铁素体形态。有两 种情况：

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材料科学基础-----固相反应
2. 固-气反应
固相-气相反应的原始反应物要求至少有一种固相物质和 气相物质。按照气相物质在反应过程是否进行化学传输过 程，固-气反应可分为无化学传输的蒸发反应和涉及化学传 输过程的气相生长反应两大类。
（1）蒸发反应
蒸发反应的起因是固相物质的饱和蒸汽压，当饱和蒸汽 压大于固相表面处平衡蒸汽压时，固相物质就不断离开固 相表面。相反过程就是表面处的蒸汽原子落回到表面处， 产生凝聚过程。利用这种蒸发-凝聚过程，控制其热力学、 动力学条件，可制备出各种新型薄膜类材料。
（2）气相生长反应
气相生长反应可制备具有高纯、高分散性和高均匀性要 求的材料，如制备特种薄膜、单晶材料、高纯物质等
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3. 固-固反应
固相-固相反应只涉及两个或以上的固相物质之间的化 学反应以及物质的扩散等过程。按照反应进行的形式， 固相反应又包括相变反应、固溶反应、离溶反应、析晶 反应、化合与分解反应等。其中，相变反应是最基本的 反应类型
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第二章
固相反应
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固相反应：固体与固体反应生成固体产物的过程
也指固相与气相、固相与液相之间的反应
固相反应特点：先在界面上（固-固界面、固-液界 面、固-气界面等）进行化学反应，形成反应产物层， 然后反应物再通过产物层进行扩散迁移，使反应继续 进行
(1) 固态物质间反应直接进行，气相或液相没有或不起重要 作用；
(2) 固体反应开始温度比反应物的熔融温度或系统的低共熔 温度要低的多，通常与一种反应物开始呈现显著扩散作用的 温度相接近，且其与熔点Tm之间存在一定的关系，如硅酸盐 中约0.8～0.9Tm； (3) 反应物之一存在多晶转变时，多晶转变温度常是反应开 始变为显著的温度

相关的文献：
所著“气-液-固流态化工程”第四章对淤浆鼓泡反应器的
有关问题作了深入的讨论。当固体为细颗粒，淤浆的性 能可作为拟均相（即拟液体）处理时，可采用气-液鼓泡 反应器的有关理论；
等对气-液-固三相反应器的有关研究工作作了综述； 及的专著对鼓泡淤浆床反应器的流体力学、传热、传质
及工业应用作了详细的综述及讨论；
接
液化，石油馏分加氢脱硫，煤制合成气催化
合
成燃料油的费-托()合成过程
液相为惰性相的气-液-固催化反应，液相作为热
载体，例如，一氧化碳催化加氢生成烃类、醇类、 醛类、酮类和酸类的混合物。
工业上采用的气-液-固反应器按床层的性
质主要分成两种类型，即固体处于固定床和悬浮
床。
（一）固定床气-液-固三相反应器 滴流床或称涓流床反应器是固定床三相反应
利用机械搅拌的方法使催化剂或固体颗粒保 持悬浮状态，它有较高的传质和传热系数，对于 三相催化反应和含高粘度的非牛顿型流体的反应 系统尤为合适。
通过剧烈搅拌，催化剂悬浮在液相中，气体 和颗粒催化剂充分接触，并使用细颗粒催化剂， 可提高总体速率。
该类反应器操作方便且运转费用低，工业上 常用于油脂加氢、有机物的氧化等过程，采用半 间歇操作方式，气相连续通入反应器，被加工的 液相达到一定的转化率后，停止反应并卸料。
对于机械搅拌悬浮反应器，要注意： 颗粒悬浮的临界转速； 允许的极限气速。
2. 鼓泡淤浆床三相反应器的特征
鼓泡淤浆床反应器（ ,简称）的基础是气液鼓泡反应器，即在其中加入固体，往往文献中 将鼓泡淤浆床反应器与气-液鼓泡反应器同时进行 综述。
作为催化反应器时， 鼓泡淤浆床反应器有下列优点：
使用细颗粒催化剂，充分消除了大颗粒催化剂粒内传质

烧结反应，等等）； —— 中距离输运反应（固相聚合，等等）。
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3. 根据参与反应的物质形态分类： —— 单一固相反应（固体物质的热解，聚合，等等）； —— 固－固反应； —— 固－气反应； —— 固－液反应； —— 粉末、烧结反应，等等。
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研究固相反应的目的和意义
研究固相反应的目的：认识固相反应的机理，了解影响反应速度的因 素，控制固相反应的方向和进行程度。
—— 固相反应的驱动力会表现为原子或离子的化学势的 局部变化。
扩散速率以扩散系数为比例常数，正比于驱动力。
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固相反应的驱动力： 1. 化学势或电化学势梯度； 2. 温度梯度； 3. 外电场； 4. 表面张力，等等。
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注：在固相反应中，反应物浓度的影响可以忽略不计。 —— 由于参与反应的原子或离子不是自由运动，而是受
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反应过程： 第一阶段，在晶粒界面或界面
临近的反应物晶格中形成尖晶 石晶核：界面结构重排，离子 键断裂、重组，Mg2+、Al3+的 脱出、扩散和填位； 第二阶段，尖晶石晶核在高温 下长大：Mg2+、Al3+跨越两个 界面到达尖晶石晶核表面发生 晶体生长反应； 第三阶段，产物层加厚，反应 速率随之降低，直至反应终止。
2. 产物层生成后，反应要进行必须 有 A 通过产物层扩散到 B-AB 的 界面，且到达界面后立即生成 AB； 即界面上 A 的浓度为 0，而在 AB 产物层的外表面上 A 的浓度不变；
假设半径为 r 的球形反应物颗粒 A，分散于连续的反应物 B 的介质中，A 的表面生成厚度为 x 的产物层，反应进程 受扩散控制，反应产物增厚的速率与厚度成反比：
dx k dt x
积分得，
x2 2kt