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      行业新闻
      钢——结晶
      2018-03-16 08:54:04 来源: 作者: 【 】 浏览:543次 评论:0

      简介

      从钢液中产生晶体的过程,也称液态结晶或一次结晶。随着热量的导出,晶体从无到有(形核),由小变大(晶体长大),直至液体全部转为固体(晶体),完成结晶过程。钢液的结晶过程决定着钢锭或铸件的结晶组织及物理、化学不均匀性,从而影响到钢的机械、物理和化学性能。控制钢的结晶过程是提高钢的质量和性能的重要手段之一。

      温度范围

      钢液不是纯金属,而是以Fe为基的含有一定量C、Si、Mn及其他一些元素的多元合金。因此,它的结晶过程不是在某一固定的温度(熔点)进行,而是在一定的温度范围内完成的。在平衡结晶条件下,钢液温度降至其液相线温度(tL)时开始出现晶体,而达到固相线温度(ts)时结晶方告结束。此液相线和固相线间的温度区间,即tL-ts=Δtc。便称为该合金的结晶温度范围。某一钢种的结晶温度范围主要取决于所含元素的性质及其含量,并可由铁与相应元素的二元或三元相图来确定。各元素对结晶温度范围的影响可近似地看成可加和的。因此某一具体钢种的结晶温度范围。

      结晶两相区

      钢液凝固时,在靠近模壁的固相(凝固层)与内部液相之间存在着一个过渡区—两相区(图1),即在凝固着的钢锭内,存在三个区域:固相区、两相区、液相区。钢液的结晶即形核和晶核长大过程只在两相区进行。钢锭的凝固就是两相区由钢锭表面向锭心的推移过程:当液相等温线到达钢锭内某一部位时,结晶开始;而固相等温线达到某一部位时,该处结晶便告结束,全部转变为固体。液相等温线和固相等温线到达锭内某一指定点的时间间隔,即该点从液相线温度降至固相等温线所经历的时间,称作该点的本地凝固时间,常以q表示之。本地凝固时间与该处的平均冷却速度成反比。由于钢锭内不同部位的传热条件差异很大,因此不同部位的本地凝固时间会有很大的不同,从而引起结晶组织的不同。钢锭内液相等温线和固相等温线间的距离称作两相区宽度,以△x表示之。且有。两相区窄有利于柱状晶发展,而两相区宽有利于等轴晶发展。

      形成原因

      合金凝固时,由于溶质在固相中和在液相中的溶解度不同,而产生选分结晶(也称脱溶或液析)现象。即伴随结晶的进行,在凝固前沿不断有溶质析出(K<1时),使液相同溶质浓度逐渐增加。在平衡结晶时,溶质在固、液两相中的均匀扩散都得以充分进行,因而并不产生偏析。但在钢液的实际凝固过程中,溶质在两相,特别是在固相中的扩散不能充分进行。结果析出的溶质不断在凝固前沿的母液中富集,形成浓度很高的溶质偏析层,此偏析层内熔体的液相线温度相对于成分未变之母液的液相线温度有所降低,因而使凝固前沿处熔体的过冷减小。这一现象对凝固组织有很大的影响。极端情况下(固相不均化、液相不混合)凝固前沿出现溶质最大的富集情况。其溶质的分布可用下式来描述:,式中C L(x)为距凝固前沿x处液相中溶质浓度;C0为合金熔体中溶质的初始浓度;K为溶质的平衡分配系数,K=Cs/CL导;R为结晶速度;DL为溶质在液相中的扩散系数。设K为常数(液、固相线为直线),且液相线斜率为m,则与凝固前沿溶质浓度相对应的液相线温度分布可用t L(x) =t0-mC L(x) =t0-mC0(1+1-k/k e -R/DLx)来描述。C L(x)及t L(x)的变化如图2所示。可见C L(x)随距凝固前沿距离增加而减小,t L(x)随距凝固前沿距离的增加而增高。在凝固前沿(x=O)处。熔体液相线温度tL与熔体实际温度之差称过冷,即Δt =tL-te。当达到稳定态结晶时,凝固前沿处tL=te=ts此时,液相线温度分布曲线与实际温度分布曲线所围成的区域(图2阴影区)称组成过冷区。组成过冷的出现,必将终止原有凝固界面的继续推进,并且当其凝固前沿前方过冷较大处的过冷超过生核所需的过冷度Δt ﹡ 时,将在凝固界面前方形成新的晶核。这是钢锭结晶组织由柱状晶向等轴晶转变的一种有说服力的解释。

      树枝晶生长

      晶体生长方式,即凝固前沿推进的方式取决于凝固前沿组成过冷的大小。当组成过冷从无到有、由小变大时,凝固前沿将由平滑无组织状态演变为胞状直至树枝状、内生生长。对于钢锭的实际凝固条件下,在大部分凝固期间,凝固前沿是以树枝状或内生状态生长,最终得到树枝状晶的晶体结构。晶体总是以原子排列最紧密的面与液相接触,以使表面能最小。对面心立方晶格的γ一Fe来说,密排面为{111}面,所以开始析出的晶体呈八面体外形。随着结晶的进行,由于选分结晶在凝固前沿形成溶质富集层,这时晶体便从表面溶质浓度富集较少的部位—八面体的顶端沿[111]方向凸出生长,形成树枝晶的一次轴(主干)。接着,一次轴沿八面体的棱边——溶质浓度次低处优先长粗。当一次轴表面处组成过冷进一步增加时,又会在一次轴晶体缺陷处形成与一次轴相垂直的二次枝晶——二次轴。随后还可能形成三次枝晶、四次枝晶等,每个晶干不断长粗和长出更高次枝晶,直至彼此相遇。最后充满整个树枝晶各枝干间,形成一个晶粒。根据生长方式的不同,可得到3种不同形状的树枝晶:(1)柱状晶。只有一个方向上的一次轴得到突出发展的树枝状晶。该一次轴称为主轴。当组成过冷小时,枝晶状长大所得到的柱状晶,二次枝晶不发达,类似于棒状晶。随着组成过冷的增加,柱状晶的高次枝晶逐步得到发展。(2)等轴晶。备方向都得到较均匀发展的树枝状晶。只有内生生长时才形成等轴晶。(3)粒状晶。枝晶不发达的树枝状晶,也称球雏晶。只有在散热强度极小时,如钢锭和铸件的热中心处才可见到粒状品。


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