钢的结晶与铸胚凝固结构.ppt

1、2020/7/10，1，钢的结晶和连铸胚胎的凝固结构，2020/7/10，2，内容概述，钢的结晶过程(p.3)结晶的热力学条件，结晶的动态条件钢结晶的特性(p.10)结晶温度范围，以及热力学条件的特定过冷度2。动力学条件的必需结晶核，2020/7/10，4，结晶的热力学条件，根据热力学，自由焓g定义为GHTS，h定义为焓，s定义为熵，t定义为绝对温度。如果这个系统在等温过程中反应，常识可以用GHTS代替。结晶核的形成根据热力学最小自由焓定理，系统的相变和能量转换自动向减少自由焓的方向移动，因此结晶的热力学条件是固相自由焓GS必须低于液体自由焓GL，即GSGLG0。在相变温度T0处，系统处于平衡

2、状态，即G0，即GHT0S0 (A)是当前系统温度T1中的不平衡状态，即G0，因此与GHT1S，A结合，s消除，可以清理：GH(T0T1)/T0。这种相变需要G0，即H(T0T1)/T00，来自发反应。2020/7/10，5，结晶的热力学条件，此系统自发反应需要G0，即H(T0T1)/T00。如果系统的自发反应是蒸发，熔化，则过程是热吸收反应，即在T0T1的情况下，即发生反应的温度T1大于相变温度T0。换句话说，反应条件要求过热。如果系统的自发反应是结晶，凝固，则过程是发热反应，即T0T1。也就是说，发生反应的温度T1小于相变温度T0。也就是说，在反应条件下需要过度冷却。过热或过度冷却是反应的

3、原动力。2020/7/10，6，结晶的动力学条件，过冷条件下结晶的进行分为形成稳定的结晶核的成核过程和结晶核长成结晶的结晶核生长过程。成核：液体的晶体需要生长的核心，但生长核可以分为同质和异质核。均质核：在充分的过冷条件下，结晶核直接从液相的原子团(晶体胚胎)形成。2020/7/10，7，结晶的动力学条件(均质型核)，当温度下降到液态温度以下时，原子为了形成晶体而逐渐有序排列。也就是说，在凝固过程中，原子从液体的聚集状态变为固相阵列，固体、液体两相自由能不同，因此从液体到固体的转换可以降低系统的体积自由，由于新界面的形成，系统的表面自由能也可以增加。因此，系统的总自由能变化g解释了g体积自由能

4、的变化表面形成的自由能VGVA符号：v是晶体胚胎的体积，a是晶体胚胎的表面积，GV是固体，液体两相单位体积自由能差，表面自由能。假设正形核的正倍形为球形，半径为r，常识清理如下：G(4r3/3)GV4r2 (B)，2020/7/10，8，结晶的动力学条件(均质核)现在假设GV和都是确定常数，(B型)是g和r的关系，g是r的变化曲线对r区分(b)，位置rk很有价值。0r(rGV2) rk-2/GV在rrk时，由于结晶核的形成，系统的自由能上升，如果结晶胚胎不能形成结晶核，则不稳定地消失。Rrk可以熔化或形成原子核，形成临界核需要一定的能量，rk又被(b型)取代，其大小约为被称为原子核作用的临界核

5、表面自由能的三分之一。Rrk时核增长可以降低系统自由能，自动凝固反应。，Gk，2020/7/10，9，结晶的动力学条件(均质核)，rk-2/GV=-2/H(T)/T-液体=(-2T液体)/也就是说，需要较少结晶核形成的微核力。2020/7/10，10，结晶的动力学条件(异种核)，异质核：液体中有高熔点的小固体夹杂物，或表面有不光滑的基壁，晶体胚胎可以附着在界面上形成晶体。异质核生成要求是比均质核生成要求低的过冷。纯金属的结晶只由含有不同熔点的夹杂物的均匀核构成，因此，钢的结晶更容易由不均匀的核构成。2020/7/10，11，原子核的生长过程，原子核的稳定性形成后迅速生长，由于传热方向的不稳定，

6、粒子以最快的传热方向生长，形成枝晶。右图显示了原子核的生长速度和过冷的关系。冷度增加，原子核的数量迅速形成。也就是说，原子核快速增长，但原子核的生长速度慢，因此，如果过冷度大，就能得到影响粒子生长的因素均匀的微粒晶体。添加异质核-核剂，也可以增加核的数量，得到微粒子组织。2020/7/10，12，钢水的结晶特性(结晶温度段)，结晶温度范围：钢水不是纯金属，包含多种合金元素(c、Si、Mn等)，因此钢水的结晶温度在一个温度范围内结晶，而不是在固定的温度点。当钢水温度下降到液态线温度t-液体时，结晶开始，温度继续下降到固态温度t-固体时，结晶完成。T-液体和t-固体温度差是结晶温度间隔。结晶温度范

7、围的重要性：t-液体是确定钢温度和铸造温度的标准。结晶温度范围的大小对结晶组织的形成有重要影响。2020/7/10，13，钢水的结晶特性(结晶温度段)对钢水的结晶温度范围有很大影响，如果钢水的碳成分含量最高，其他合金元素较少，则可以直接检查Fe-C平衡图的液相温度和固定线温度，了解结晶温度范围。钢水在凝固过程中，模具壁附近的固定相(小等轴晶界或冷却层)和铸件胚液芯之间有固液两相共存的过渡区。因此，铸件胚胎存储在固相区域、两相共存区域和液相区域中，如右图所示，x是两相区域的宽度。2020/7/10，14，两相区域宽度为结晶温度范围的大小，与温度下降梯度相关的钢水结晶特性(结晶温度范围)。冷却速度

8、慢或不冷的情况下，两相区域的宽度会更大，传热方向上柱状晶体的生长尤为发达，因此，适当的冷却方法可以抑制柱状晶体的生长，凝固条件有利于等轴晶体的形成，晶体组织更紧密。2020/7/10，15，钢水结晶特性(分离)，分离：在结晶过程中，以前凝固的合金浓度与最终凝固的合金浓度不同的情况下，这种合金浓度含量的差异是分离现象。合金一般比固相上液体的溶解度弱，因此在结晶过程中，结晶前部有溶质析出，析出的溶质积累，随着凝固的进行，两相区逐渐转移到铸造胚胎中心，形成了溶质元素在铸造胚胎中心富集的现象。2020/7/10，16，钢液的结晶特性(成分过冷)在固体和液体中合金元素的溶解度不同，因此钢液的凝固中可能发

9、生分离。也就是说，合金元素在凝固船队中析出，合金元素聚集在液体中，因为向固体的扩散速度慢。特别是在与高液的交叉界面上，合金浓度最高。成分过冷：分离层的液态温度可能低于圆钢的合金元素浓度高于圆钢的合金元素浓度，降低熔点，即液态温度的降低，从而低于圆钢的液态温度。，2020/7/10，17，钢水结晶特性(成分过冷)，钢水结晶时，溶质成分从凝固前边缘析出，钢水结晶除了受到强制冷却的温度和冷却的影响外，还受到溶质元素对成分过冷的影响。过冷度小的情况会影响粒子生长类型(粗糙)，粒子规律生长，等轴晶体增加，反之，过冷度大的情况会形成树脂。从结晶位置来看，2020/7/10，18，化学成分被分离，钢液中最先

10、凝固的部分，合金元素和其他溶质的含量低，溶质在液芯中富集，随着凝固过程的进行，溶液中溶质浓度逐渐升高，最终凝固的部分溶质浓度很高。如上所述，钢液在凝固过程中溶质浓度分布不均匀，这种不均匀的成分分布是分离现象。分离可以根据观察到的大小分为宏观铸造胚胎分离和微观微粒分离两种。2020/7/10，19，精细分离，钢水在快速冷却条件下确定。最先结晶的中心成分是最纯粹的，之后结晶的部分包含更多的其他合金元素，因此最终结晶的部分溶质浓度最高。也就是说，在晶体的周围或前缘。因此，柱状晶内部和粒子之间化学成分分布不均的现象是显微分离。2020/7/10，20，影响微分离的因素，冷却速度：提高冷却速度，缩短凝固

11、时间，溶质元素将无法析出足够的时间减少溶质元素的分离。溶质元素的分离倾向：如果液体中的元素浓度大于固体上的元素浓度，即该元素的分离倾向大，分离倾向甚至涉及第三元素(例如碳的存在)分离特定元素的情况。溶质元素在固体金属中的扩散速度：在不同温度下，溶质元素在固体合金中徐璐以不同速度扩散。例如，碳是强烈的分离元素(s，p也是具有强烈分离倾向的元素)，但在冷却过程中，碳在铁中的扩散速度比其他溶质元素快，因此碳在冷却过程中均匀分布，其他元素慢慢扩散，就会不均匀分布。2020/7/10，21，宏观分离，固化过程中，树脂上的溶质含有高浓度溶质元素，凝固时，钢水流动将溶质元素带到未凝固液芯，使连续铸造胚胎截面

12、的中心成为高于其他部分的溶质元素，在整个铸造胚胎中，溶质分布不均的宏观分离，也称为低比例分离。2020/7/10，22，分离控制，分离可能对铸造胚胎的质量产生不利影响，在生产过程中，可以通过以下方法改善分离情况：提高钢水的冷凝速度，加快冷却速度，缩短结晶内溶质元素沉淀合适的铸造胚胎的小断面铸造胚胎所需的冷却时间，减少分离情况。使用EMS，使用适当的SEN等控制钢水流量，使钢水成分均匀。电磁搅拌使树脂断裂，晶粒细化，减少分离。工艺因素可以降低铸造温度或过热，减少分离情况。防止铸造胚鼓的凸变形，并减少富集溶质元素的钢水流动到中心间隙，减少中心分离的情况。降低钢水的s，p含量。s，p是钢中分离倾向最

13、大的元素，对钢的质量有最大的危险，因此在精炼过程中尽量减少钢中s，p的含量。2020/7/10，23，凝固夹杂，钢水的夹杂物中有很多来源，凝固过程中也会产生一些夹杂物，即凝固夹杂物。形成过程如下：1 .由于分离关系，溶质元素在凝固末端富集。浓缩溶质元素产生反应，形成化合物。生成的化合物聚集在一起形成夹杂物。4.夹杂物漂浮，部分夹杂物只要留在江液中，就形成凝固的夹杂物。夹杂物控制方法1。请尽可能多地浮上来。2.控制夹杂物的形态：夹杂物大小小、球形，均匀分布在铸胚中，对铸胚的质量危害较小。2020/7/10，24，控制夹杂物的形态，添加以下a. Ca或稀土元素，使夹杂物结构呈球形。B.改变夹杂物的

14、化学性质，减少对铸造胚胎的影响。加入Mn会产生MnS取代FeS，以减少热脆性。c .改善夹杂物的数量分布，在钢中加入适当的Al，使用Al2O3作为夹杂物的生长核，同时减少夹杂物的数量和粒度。d .加速凝固，减少凝固时间，减少分离作用时间。e .适当的钢水流动使夹杂物均匀分布，同时增加夹杂物致富的机会。2020/7/10，25，凝固气泡，主要由凝固形成的气体：CO，H2，N2。CO是由于钢水的脱氧不良引起的，当物质把湿气中含有的水分溶解在钢水中时，钢的氢和氧含量会增加。如果钢水中存在的气泡不浮，则留在河里形成内部凝固气泡。非常接近铸造胚胎表面的凝固气泡，即皮下气泡。“白点”是钢水完全凝固后氢气的

15、气泡析出。2020/7/10，26，白点，白点，不确定的酸浸试验，宏观断裂检验，金相观察等检验方法是必要的。酸浸后白点大部分在剖面中心开裂，呈径向同心圆或不规则形态。对断裂的裂纹进行了低比例检查，有圆形或椭圆形银白色斑点的是鸭嘴型，大小变化很大，分布在偏析区域内。形成原因：钢中氢含量过高是与内部应力共同作用而产生的。在刚从奥氏体面中心立方体转移的过程中，在体芯立方体中氢溶解得更少。(实验结果显示，从1650年到409年，钢中的氢减少到1/80，造成了很大的压力。)。分布区域：温度降低，氢在钢中的溶解度减少，迅速冷却，氢在柱状晶内扩散得太晚，在微小的气孔中结合形成分子状态，氢扩散变得更困难，在气

16、孔中形成巨大的局部压力，甚至超过钢的断裂强度。所以白点多分布在柱状晶区内。温度：白点的形成温度为250 100，氢是650 300之间最大的扩散系数，因此300以下的氢不能充分扩散。2020/7/10，27，白点，Cr钢，Cr-Mo钢，Mn钢，Mn-Mo钢，Cr-Mn钢，Cr-Mn-Mo钢，Cr-nn钢中的氢会降低机械性能，失去塑性，变得易碎，称为钢中的氢脆。预防白点：炉外精炼或真空处理应尽量脱氢。添加的材料必须保持干燥。热加工后钢慢慢冷却。2020/7/10，28，凝固收缩，凝固过程中钢水的凝固行为称为凝固收缩。通常，1t的中庸用常温固体钢冷却，体积收缩近12(0.145m30.128m3)

17、，收缩量取决于成分和温度下降的差异。钢水的冷却凝固收缩可以根据温度降低和相变分为三个阶段。1.液体收缩：钢液的温度从铸造温度下降到液体温度。也就是说，过热减少导致的体积收缩约为1。液体温度变化引起的体积收缩可以用连续浇注的钢液填充，对凝固铸造上的尺寸形态影响不大。2.凝固收缩：钢水结晶温度范围越大，因温度下降而产生的体积收缩越大，收缩量约为4。用不断涌出的钢铁液填充凝固的铸造胚胎的大小也受到了较小的影响。3.固体收缩：温度从固体线下降到室温，此过程为固体收缩，收缩量约为7。固体收缩最大，对铸造胚胎质量的影响也最大。2020/7/10，29，随着凝固收缩、碳含量的变化，碳钢的凝固收缩，碳含量增加0.5%，收缩