金属合金熔炼的任务就是把配比的金属炉料投入炼炉中，经加热和融化得到熔体，再经一定的液体处理，得到合理要求质量的合金溶体。在这种金属热加工过程中，合金本身或与其环境之间将发生许多物理化学的变化和反应。所有这些，都会影响到熔体的质量，只要对一系列的变化和反应有比较清楚的认识，才能更好地分析和解决在熔炼过程中出现的某些疑难问题。 一、金属合金熔体
1、金属的加热和溶化
在室温条件下，金属大多呈固态，将之加热超过其熔点后则转变为液态，即金属熔体。固态金属是晶体，其中的原子呈有 规则的排布，而脱离原子的电子则弥散于
整个晶体之中，形成所谓“电子云”。失去
电子的原子带正电荷，即正离子，它与电
子云之间存在库仓引力；同时，正离子之
间和电子云之间还存在库仓斥力。两种作
用力达到平衡，使晶体点阵上粒子之间的
距离保持相对的稳定，此即金属键的特征。
当各原子(实为金属离子)之间的距离
增大时，吸引力大于排斥力；若原子之间
的距离缩小，则吸引力与排斥力均增大，
但排斥力增大得更快些，表现为排斥作用，
如图2－1所示即为原子间作用力及势能的
双原子模型。因此在一定温度下，原子之
间能保持一平衡离Ｒ
0，此时两力相等，势图2-1 双原子模型之作用关系
能Ｅ最低，金属呈稳定态。在平衡位置两边，势能升高，称为势垒，其最大值为Ｑ，势垒之间称为势阱。
金属晶体内原子的热运动，主要在原子在其平衡位置附近作微小振动，当振动支点中原子偏离平稳位置时，必将导改其势能的升高和动能的降低，而作用力则总是使原子返回原子平稳位置。
当温度升高时，原子的热振动加强，动能增加，振幅加大，原子之间的平稳距离也相应增大，此即金属发生热膨胀的微观机理，金属晶体中的原子之间均系三维联系，其热振动亦是三维的。金属之热传导则通过热振动将热量从高温区传递到低低温区，进一步，由于热振动之加剧及能量起伏作用使某些偶尔能获得较高动能之原子冲出势阱，跃过势垒，而在晶体内部运动。温度越高，则能跃过势垒的原子数目越多，这就是金属中发生扩散作用的基础。当实际的金属晶体内部存在“空位”及“位错”等缺陷时，更能加速扩散作用。
固态金属受热升温，则体积膨胀；在不断升温达到和超过金属熔点时，金属吸收熔化潜热，由固态熔化转变成液态。而从微观来看, 熔化就是金属原子的振幅急剧增大，大量原子跃过势垒，脱离邻近原子的束缚在晶粒内部跳跃转移到邻近晶粒上去，如此，晶粒即逐渐失去原先的形状和尺寸；继续发展下去，最终使金属的晶体状态发生完全破坏，并形成大量空穴。金属的熔化总是首先由原子排布紊乱、能量较高的晶粒边界开始的。其消耗的熔化潜热，就是给金属内足够的原子提供跃过势垒的能量，从而破坏了晶体状态。 固态金属的长温和热膨胀是量变过程，而其熔化成液态则是质变。熔化前生两种状态的金属具有明显不同的性质，自然，它们的结构也是不同的。
2、液体金属的结构
具有明显的流动性质使液态金属区别于固态，此亦可视为它的显著特点。但它与作为流体的气体大不相同。分析以下几点：
1)固体金属熔化成液体，大多数情况下体积增加３～６％即原子间的平均距离
仅增加１～２％；而若变成气体，则其体积将膨胀达几千倍。
2)金属的熔化潜热一般也只有蒸发潜热的３～７％。
3)金属熔化时的熵变值大约只有蒸发熵变的十分之一。 表2－１数据可参考
可以看出，金属熔化后在原子间距， 结合能及有序化程度上均接近于固体。通过对金属作Ｘ线衍射得出的结果相比较证实，接近熔点的液体亦有同种固体金属的结
晶特征，仅其原子间距较大和配位数较小而已。
在接近熔点时，液体金属的结构与固体相似，它的原子并不像固体金属中的原子排布得那么整齐有序构成晶体，而是以原子集团的形式存在。这种原子集团，只是在其核心部位很近的路程上还维持着类
似晶体的特点，而在离核心渐远时，原子的整齐有序排布的特点即即行消失。通常，晶体的形式称为“远程”有序结构，而原子集团的形式称“近程”有序结构。图2-2为这种二维结构的示意图。在液体金属中的晶粒边界，应指出，液体金属中原子集团的近程有序结构是指某一极短瞬间的状态。
第二次世界大战的起源
由于急剧的热运动和能量起伏强烈作用， 这种原子集团系处于游动和变换之中。与固体中的晶粒不同，液体中的每个原子集团的位置与大小都在不停地变动，这主要是因为原子集团中那些能量较大的原子。随时都能脱离原属集团，而跳跃加入到邻近的原子集团中去的缘故。在任一时刻，原子集团均俞秀松
马绿家是有大有小但其平均尺寸都是温度的函数，温度越高则原子集团的平均尺寸就越小，变动也越快。在金属凝固时，这些
a b 图2-２ a 远程有序，b 近程有序
表2-１
几
种金属的数
据
金属
晶
体结构
熔
点℃
熔化
后体
积增
加 ％
熔化
潜
热千
卡
/mol
沸点℃
汽化
潜热千
卡
/mol Ｌ
ｍ/Ｌ
b ％
镁 密
排大方
650
农夫山泉 京华时报4.1 2.08
1103
32.0
6.5
铝
mis系统面心
立方 660
6.0 2.5
2480 69.6
3.6 铜 〃〃 1083
4.15 3.11 2575 72.8 4.3 铁
安全检查表法立方
1537
3.0
3.63
3070 81.3
4.5
原子集团就是固态金属的结晶核心。图2－3表示原子集团数量与尺寸的关系。
一种实际的液体金属，如钢液或铝液， 其情况则比上面描述的要复杂得多。当然，如某种实际的钢液在熔化温度附近，总是远离其沸点的，所以它也是符合原子集团式的结构。但是，它熔解有多种合金元素，同时也包含许多杂质，这些元素和杂质的基体元素的铁之间有相互作用，故使钢液的结构复杂化。
如高温的钢液中深有碳、硅、锰、铬和镍等合金元素。 刚刚熔化的钢液还保留着固体钢的痕迹，即钢液中各原子集团的组成也不完全相同。恰似固体钢具有多相组织。液体金属中这种化学成分的不均匀，称为“浓度起伏”在升高温度时，才能使钢液逐渐均匀，但“浓度起伏”仍然是存在的。
钢液中还含有杂质元素磷和硫，也溶解一定量的气体（氢、氮和氧）， 并包含一些非金属夹杂物（如氧化物和硅酸盐等）。夹杂物多以小质点悬浮状态存在，个别的能够溶解于钢液中。一般，夹杂物对钢的性能是不利的，但有时某些夹杂物质点可使钢铸件获得细晶粒，改善性能。
金属合金液的结构取决于它的组成和熔炼温度， 它影响到熔炼和浇铸过程中金属深的性质和行为，以及最终铸件的组织和性能。因而我们要对熔炼中深金属的组成和温度加以控制。
3、 液体金属的熔合与扩散
熔炼首先要获得化学成分均匀的金属熔体。 每种金属合金都有其所需的固定化学成分。熔炼所用的原料多为各种固体金属料，把它们按适当比例加热熔化，经熔合和扩散，即能得到均匀的熔体。
1)液体与液体熔合 两种不同金属材料各自熔化成液体后， 经它们自身的交互流动，即能混合成为一种新的液体金属。当两种原始金属的熔点相近时，先熔化的金属还没有具备足够的流动性，第二种金属亦随之熔化成液体。由于继续
图2-3 原子集团数量与大小的关系
原子团数量
原子团尺寸
升温使金属流动性增加，则身份种流体极易支流熔合。有时，其中一种金属能形成强韧的氧化膜，虽然金属已经熔化成液体，但仍被包裹在氧化膜之中。由于升温或机械扰动使氧化膜破碎，则两种液体金属即刻熔合。亦有将熔化的液体金属注入另一液体中的熔合方法。这种液熔合过程进行较快，但只是达到化学成分宏观上的均匀。
2)固体与液体熔合在两种金属材料的熔点相差较大的情况下，当先熔化的液体金属流动性较好，它就能包覆着熔点较高的固体金属。此时，在液－固两相的接触表面上就可能发生溶解作用，即固体金属表面的原子溶解到液体金属中去，逐渐熔合。当用固体金属料块投入已经熔化的深金属中时，亦如此。这种熔合过程取决于两种金属的表面化学及相互溶解等性质，一般来说，进程缓慢；若两者熔点相差很大，则难以熔合。为了能使熔点差别很大的金属能较快熔合，往往采取将高熔点金属预先制成熔点低些的过渡合金（中间合金）再使用。 如向钢中添加钨（熔点3380℃）、钼（2625℃）或铌（2468℃）等高熔点元素时，应采用钨铁（≥50％Nb ）、钼铁（≥55％Mo ）或铌铁（≥50％Nb ）等熔点较低的铁合金。
液－液熔合只是达到宏观上化学成分的均匀。它在微观上远非均匀的熔体。 这种大区域化学成分的偏差，可通过熔体温度的升高和流动性的加强而逐渐缩小，也通过扩散过程使熔体成分趋向均匀化。在固－液熔合中也要借助扩散作用。在多成分的高温熔体中，某种成分在熔体中有局部浓度差别时，总是发生该成分由高浓度区向低浓度区迁移，以促使成分均匀的这种扩散现象。扩散是自发过程，其微观过程是液体金属中有大量空穴和扩散原子的热振动与跳转。物质内某化学成分的偏差，常以浓度梯度来计量。
在无对流的稳定熔液（或固体）中的扩散过程可用菲克扩散第一定律表述：一种物质扩散流过等截面的扩散与该截面处的浓度梯度成正比。
式中:
Ｊ—— 物质的扩散流量，mol/cm 2·s ； Ｃ —— 单位体积中物质量即浓度，mol/cm 3；
dx
dc
D
J −=
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