結(jié)晶（鋼液）概述

    結(jié)晶（鋼液）

    簡介

    從鋼液中產(chǎn)生晶體的過程，也稱液態(tài)結(jié)晶或一次結(jié)晶。隨著熱量的導(dǎo)出，晶體從無到有(形核)，由小變大(晶體長大)，直至液體全部轉(zhuǎn)為固體(晶體)，完成結(jié)晶過程。鋼液的結(jié)晶過程決定著鋼錠或鑄件的結(jié)晶組織及物理、化學不均勻性，從而影響到鋼的機械、物理和化學性能?？刂其摰慕Y(jié)晶過程是提高鋼的質(zhì)量和性能的重要手段之一。

    溫度范圍

    鋼液不是純金屬，而是以Fe為基的含有一定量C、Si、Mn及其他一些元素的多元合金。因此，它的結(jié)晶過程不是在某一固定的溫度(熔點)進行，而是在一定的溫度范圍內(nèi)完成的。在平衡結(jié)晶條件下，鋼液溫度降至其液相線溫度(tL)時開始出現(xiàn)晶體，而達到固相線溫度(ts)時結(jié)晶方告結(jié)束。此液相線和固相線間的溫度區(qū)間，即tL-ts=Δtc。便稱為該合金的結(jié)晶溫度范圍。某一鋼種的結(jié)晶溫度范圍主要取決于所含元素的性質(zhì)及其含量，并可由鐵與相應(yīng)元素的二元或三元相圖來確定。各元素對結(jié)晶溫度范圍的影響可近似地看成可加和的。即某一具體鋼種的結(jié)晶溫度范圍。

    結(jié)晶兩相區(qū)

    鋼液凝固時，在靠近模壁的固相(凝固層)與內(nèi)部液相之間存在著一個過渡區(qū)—兩相區(qū)(圖1)，即在凝固著的鋼錠內(nèi)，存在三個區(qū)域：固相區(qū)、兩相區(qū)、液相區(qū)。鋼液的結(jié)晶即形核和晶核長大過程只在兩相區(qū)進行。鋼錠的凝固就是兩相區(qū)由鋼錠表面向錠心的推移過程：當液相等溫線到達鋼錠內(nèi)某一部位時，結(jié)晶開始；而固相等溫線達到某一部位時，該處結(jié)晶便告結(jié)束，全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。液相等溫線和固相等溫線到達錠內(nèi)某一指定點的時間間隔，即該點從液相線溫度降至固相等溫線所經(jīng)歷的時間，稱作該點的本地凝固時間，常以q表示之。本地凝固時間與該處的平均冷卻速度成反比。由于鋼錠內(nèi)不同部位的傳熱條件差異很大，因此不同部位的本地凝固時間會有很大的不同，從而引起結(jié)晶組織的不同。鋼錠內(nèi)液相等溫線和固相等溫線間的距離稱作兩相區(qū)寬度，以△x表示之。且有。兩相區(qū)窄有利于柱狀晶發(fā)展，而兩相區(qū)寬有利于等軸晶發(fā)展。

    形成原因

    合金凝固時，由于溶質(zhì)在固相中和在液相中的溶解度不同，而產(chǎn)生選分結(jié)晶(也稱脫溶或液析)現(xiàn)象。即伴隨結(jié)晶的進行，在凝固前沿不斷有溶質(zhì)析出(K

    樹枝晶生長

    晶體生長方式，即凝固前沿推進的方式取決于凝固前沿組成過冷的大小。當組成過冷從無到有、由小變大時，凝固前沿將由平滑無組織狀態(tài)演變?yōu)榘麪钪敝翗渲睢?nèi)生生長。對于鋼錠的實際凝固條件下，在大部分凝固期間，凝固前沿是以樹枝狀或內(nèi)生狀態(tài)生長，最終得到樹枝狀晶的晶體結(jié)構(gòu)。晶體總是以原子排列最緊密的面與液相接觸，以使表面能最小。對面心立方晶格的γ一Fe來說，密排面為{111}面，所以開始析出的晶體呈八面體外形。隨著結(jié)晶的進行，由于選分結(jié)晶在凝固前沿形成溶質(zhì)富集層，這時晶體便從表面溶質(zhì)濃度富集較少的部位—八面體的頂端沿[111]方向凸出生長，形成樹枝晶的一次軸(主干)。接著，一次軸沿八面體的棱邊——溶質(zhì)濃度次低處優(yōu)先長粗。當一次軸表面處組成過冷進一步增加時，又會在一次軸晶體缺陷處形成與一次軸相垂直的二次枝晶——二次軸。隨后還可能形成三次枝晶、四次枝晶等，每個晶干不斷長粗和長出更高次枝晶，直至彼此相遇。最后充滿整個樹枝晶各枝干間，形成一個晶粒。

    根據(jù)生長方式的不同，可得到3種不同形狀的樹枝晶：

    (1)柱狀晶。只有一個方向上的一次軸得到突出發(fā)展的樹枝狀晶。該一次軸稱為主軸。當組成過冷小時，枝晶狀長大所得到的柱狀晶，二次枝晶不發(fā)達，類似于棒狀晶。隨著組成過冷的增加，柱狀晶的高次枝晶逐步得到發(fā)展。

    (2)等軸晶。各方向都得到較均勻發(fā)展的樹枝狀晶。只有內(nèi)生生長時才形成等軸晶。

    (3)粒狀晶。枝晶不發(fā)達的樹枝狀晶，也稱球雛晶。只有在散熱強度極小時，如鋼錠和鑄件的熱中心處才可見到粒狀品。