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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(xué)不均勻性,從而影響到鋼的機(jī)械、物理和化學(xué)性能。控制鋼的結(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(jìn)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(dá)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(jìn)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(dāng)液相等溫線到達(dá)鋼錠內(nèi)某一部位時,結(jié)晶開始;而固相等溫線達(dá)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(dá)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。
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(jìn)行,在凝固前沿不斷有溶質(zhì)析出(K<1時),使液相同溶質(zhì)濃度逐漸增加。在平衡結(jié)晶時,溶質(zhì)在固、液兩相中的均勻擴(kuò)散都得以充分進(jìn)行,因而并不產(chǎn)生偏析。但在鋼液的實際凝固過程中,溶質(zhì)在兩相,特別是在固相中的擴(kuò)散不能充分進(jìn)行。結(jié)果析出的溶質(zhì)不斷在凝固前沿的母液中富集,形成濃度很高的溶質(zhì)偏析層,此偏析層內(nèi)熔體的液相線溫度相對于成分未變之母液的液相線溫度有所降低,因而使凝固前沿處熔體的過冷減小。這一現(xiàn)象對凝固組織有很大的影響。極端情況下(固相不均化、液相不混合)凝固前沿出現(xiàn)溶質(zhì)大的富集情況。其溶質(zhì)的分布可用下式來描述:式中C L(x)為距凝固前沿x處液相中溶質(zhì)濃度;C0為合金熔體中溶質(zhì)的初始濃度;K為溶質(zhì)的平衡分配系數(shù),K=C0/CL導(dǎo);R為結(jié)晶速度;DL為溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。設(shè)K為常數(shù)(液、固相線為直線),且液相線斜率為m,則與凝固前沿溶質(zhì)濃度相對應(yīng)的液相線溫度分布可用t L(x) =t0-mC L(x) =t0-mC0(1+1-k/k e -R/DLx)來描述。C L(x)及t L(x)的變化如圖2所示。可見C L(x)隨距凝固前沿距離增加而減小,t L(x)隨距凝固前沿距離的增加而增高。在凝固前沿(x=O)處。熔體液相線溫度tL與熔體實際溫度之差稱過冷,即Δt =tL-te。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶時,凝固前沿處tL=te=ts此時,液相線溫度分布曲線與實際溫度分布曲線所圍成的區(qū)域(圖2陰影區(qū))稱組成過冷區(qū)。組成過冷的出現(xiàn),必將終止原有凝固界面的繼續(xù)推進(jìn),并且當(dāng)其凝固前沿前方過冷較大處的過冷超過生核所需的過冷度Δt ﹡ 時,將在凝固界面前方形成新的晶核。這是鋼錠結(jié)晶組織由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的一種有說服力的解釋。
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