钢液凝固的基本理论

1、 金属的结晶热力学条件金属的结晶热力学条件一、结晶的基本概念一、结晶的基本概念（一）凝固与结晶：（一）凝固与结晶：凝固凝固 LS 的过程的过程 （由液态转变为固态的过程）（由液态转变为固态的过程）结晶结晶 LS晶晶的过程的过程 （由液态转变为固态的过程）（由液态转变为固态的过程）“一次结晶”、“二次结晶”晶体结晶结晶（二）（二）理论结晶温度理论结晶温度：凡是纯元素（金属凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度就称为度就称为理论结晶温度理论结晶温度 。T0符号符号 。理论上

2、，上述温度理论上，上述温度 就是液态和晶态的分界线：就是液态和晶态的分界线：当当TT0时时SL （由固态转变为液态）（由固态转变为液态）当当TT0时时LS （由液态转变为固态）（由液态转变为固态）当当TT0时时LS （液态、固态平衡共存）（液态、固态平衡共存）（三）自由能：（三）自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（对外作功的这部分能量（G）称为）称为自由能自由能。任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温

3、度的两物体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的过程，其驱动力，就是过程，其驱动力，就是 。“自由能差自由能差”（G）T0GSTTTnT0GLGGL GS温度温度T自自由由能能G如右图，液体、晶体的原如右图，液体、晶体的原子结构不同，所以，其自由能子结构不同，所以，其自由能G随温度随温度T的变化也不同。的变化也不同。T G；但但GLGS， 交点交点T0当当TnT0时时 G=GL-GS L S晶晶当当TnT0时时 G=GS-GL S晶晶L 当当TnT0时时 G=0 S晶晶L可见，可见，自由能差自由能差G是靠是靠T=T0Tn来获得的，来获得的，所以，

4、所以，T是结晶过程中的一个重要参数。是结晶过程中的一个重要参数。无驱动力，如平面上无驱动力，如平面上的球、等温的两物体的球、等温的两物体说明：说明：金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶总是要低于理论结晶温度温度T0。（四）过冷度：（四）过冷度：实际结晶温度（实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（）与平衡结晶温度（T0）之差：）之差： T=T0-Tn过冷度过冷度T越大则越大则G越大、则结晶驱动越大、则结晶驱动越大，结晶倾向也越大。越大，结晶倾向也越大。一般情况下，一般情况下，结晶潜热：结晶潜热：在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能

5、量将以热的形式向外界释放，生的剩余能量将以热的形式向外界释放，我们称之为我们称之为“结晶潜热结晶潜热”。过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度T保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。是不变的，结晶过程是在恒

6、温下进行的，直至结晶结束。利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度的测量，这种测量方法称为的测量，这种测量方法称为“ ”。此法是将。此法是将被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，冷速越慢，过冷度却，冷速越慢，过冷度T就越小，测得的实际结晶就越小，测得的实际结晶温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图所示的下图所示的“冷却曲线冷却曲线”。热分析法热分

7、析法TTT0 Tn纯金属结晶冷却曲线示意图纯金属结晶冷却曲线示意图（五）（五）冷却曲线冷却曲线：物体在液态冷却结晶过程中所物体在液态冷却结晶过程中所作出的作出的-T曲线。（如右图）曲线。（如右图）冷却曲线中出现的水平台阶的冷却曲线中出现的水平台阶的温度就是温度就是实际结晶温度实际结晶温度。 主要用于对材料进行高温热分析，包括相转变温度及转变焓、多晶形转变温度和转变焓、物质的比热、材料的玻璃化转变温度与比热变化程度、熔点与熔化焓、晶体的结晶温度与结晶热焓、结晶度、固化温度等。NETZSCH 404G3 高温差示扫描量热仪图图22是用热分析测定液态金属结晶时是用热分析测定液态金属结晶时3种冷却曲线

8、的情况。曲线中各转点表种冷却曲线的情况。曲线中各转点表示结晶的开始或终结。其中：示结晶的开始或终结。其中：a表示接近平衡的冷却，结晶在一定的过冷度下表示接近平衡的冷却，结晶在一定的过冷度下开始、进行和终结，由于潜热的释放和逸散相等，所以结晶温度始终保持恒定，开始、进行和终结，由于潜热的释放和逸散相等，所以结晶温度始终保持恒定，一直到完全结晶后，温度才下降一直到完全结晶后，温度才下降3b表示金属液冷却速度较快表示金属液冷却速度较快(实际生产的通常实际生产的通常倩况倩况)的状态，结晶在较大的过冷度下开始，所以进行较快，而使潜热的释放的状态，结晶在较大的过冷度下开始，所以进行较快，而使潜热的释放大于

9、热的逸散，这样便使湿度逐渐回升，直至两者相等，而后结晶便在恒温下大于热的逸散，这样便使湿度逐渐回升，直至两者相等，而后结晶便在恒温下进行；直到结晶完成后，温度才会下降；进行；直到结晶完成后，温度才会下降；c表示冷却很快，结晶在更大的过冷表示冷却很快，结晶在更大的过冷度下开始，而且浴热的释放始终小于热的逸散，所以结晶一直在连续降温的过度下开始，而且浴热的释放始终小于热的逸散，所以结晶一直在连续降温的过程中进行，直到结晶终结后，温度便又更快地下降。这后一种情况只能在较小程中进行，直到结晶终结后，温度便又更快地下降。这后一种情况只能在较小体积的液体中，或在大体积液体的局部区域内进行体积的液体中，或在

10、大体积液体的局部区域内进行。冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。 过冷现象：过冷现象：过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。 过冷度过冷度 : T = T0 T1 结晶热力学条件：结晶热力学条件：必须具有一定的过冷度。必须具有一定的过冷度。结晶的动力学条件 液体的结晶必须有核心 液态金属中有许多与固态金属结构相似、体积很小的原子集团，在足够的过冷度条件下，这些原子集团变成规则排列，并稳定下来而成为晶核，这一过程即为均质形核； 而以金属液相中已存在的固相质点和表面不光滑的器壁作为形成核心的“依托”发展成为晶核的过程，称为非均质形核。由于钢液的内部含有熔点不同的杂质，因此

11、钢液的结晶主要为非均质形核。实践证明，均质形核需要很大的过冷度，而非均质形核需要的过冷度很小，只要过冷度达到20就能形成晶核。 结晶过程的一般规律结晶过程的一般规律 形核形核 长大长大形核、长大形核、长大液态金属液态金属形核形核长大长大完全结晶完全结晶形核形核和（和（晶核）晶核）长大长大的的过程动态演示过程动态演示： （结构条件：晶胚临界形核半径晶核 ） 稳定存在的晶核：自发形核、非自发形核晶核的形成晶核的形成 从液态金属中产生晶核一般有两种形式，一种是均质形核(自发形核)，另一种是异质形核非自发形核)。实际金属结晶时，大多数是以异质形核的方式进行的。 A 均质形核 均质形核是在液相中直接产生

12、晶核。即在一定的过冷度下，液态金属中一些体积很小的近程有序排列的“原子集团”转变成规则排列并稳定下来的胚胎晶核，这一过程称为均质形核。从热力学的观点出发，这一过程只有引起系统自由能的降低才能自发进行。形成新相晶核系统自由能的变化包括： (1)在液相中形成品核时引起体积自由能的降低； (2)形成晶核时产生固、液交界面导致表面自由能的增加。 在一定的过冷度下在一定的过冷度下, ,当当G G体体G G表表时时, ,晶晶核就形成。核就形成。 临界形核半径临界形核半径（假设球形）（假设球形）随过冷度随过冷度增大而减小。增大而减小。 当过冷液体中出现晶坯时，一方面当过冷液体中出现晶坯时，一方面由于原子由液

13、态的聚集状态转变为固由于原子由液态的聚集状态转变为固态的排列状态，使体系的自由能降态的排列状态，使体系的自由能降低）；另一方面，由于晶坯构成新的低）；另一方面，由于晶坯构成新的表面，又会引起表面自由能的增加。表面，又会引起表面自由能的增加。rrrrrr* *时，时，随晶胚长大，系统自由能降低，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进行。凝固过程自动进行。 晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自发形核（均质形核）自发形核（均质形核） T =200T =200 * *非自发形核（异质形核）非自发形核（异质形核）T =20T =20晶体的长大晶体的长大 不论是均匀形核还是非均匀形核，稳定的晶

14、核形成后都要继不论是均匀形核还是非均匀形核，稳定的晶核形成后都要继续长大。首先讨论纯金属晶体的长大，就是不考虑溶质成分对续长大。首先讨论纯金属晶体的长大，就是不考虑溶质成分对晶体长大的影响。晶体长大的影响。晶体长大同样需要一定的过冷度，以获得由晶体长大同样需要一定的过冷度，以获得由液态转变为固态的驱动力。液态转变为固态的驱动力。 纯金属晶体长大过程中，液纯金属晶体长大过程中，液-固界面的形态取决于界面前沿液固界面的形态取决于界面前沿液相中的温度分布（温度梯度）。相中的温度分布（温度梯度）。温度梯度：温度随距离的变化（温度梯度：温度随距离的变化（dT/dx）。）。1、正温度梯度、正温度梯度正温度

15、梯度示意图正温度梯度示意图 坐标原点取在液固界面处，指向坐标原点取在液固界面处，指向液相为正方向。液相为正方向。正温度梯度：正温度梯度：dT/dx0 液相转变为固相时要放出结晶潜液相转变为固相时要放出结晶潜热，界面处的结晶潜热只能通过固热，界面处的结晶潜热只能通过固相传导出去，所以界面的推进速度相传导出去，所以界面的推进速度受到固相传热速度的控制。受到固相传热速度的控制。 由于界面处液体的过冷度最大，当界面上偶尔发生晶体凸起，由于界面处液体的过冷度最大，当界面上偶尔发生晶体凸起，就会进入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止。就会进入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止。因此

16、，液因此，液-固界面保持为稳定的平面状，固界面保持为稳定的平面状，晶体长大以平面状态向晶体长大以平面状态向前推进前推进。长大方式：平面长大长大方式：平面长大2、负温度梯度、负温度梯度负温度梯度示意图负温度梯度示意图负温度梯度：负温度梯度：dT/dx-强度、硬度、塑性、韧性强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化固溶强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性晶粒度与细晶强化晶粒度与细晶强化纯铁晶粒度与力学性能的关系晶粒度(晶粒数/mm2)b (N/mm2)s (N/mm2)()6.32374635.3512747044.819429410847.5结晶过程中晶粒的大小及其影响因素结晶过程中晶粒的

17、大小及其影响因素在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个参数来控制的：参数来控制的：形核率形核率N 形核数形核数smm3生长率生长率G mm/s最后得到的晶粒大小，与最后得到的晶粒大小，与N、G有关有关在体积一定时在体积一定时N晶粒尺寸晶粒尺寸； G晶粒尺寸晶粒尺寸可见，可见，晶粒的大小取决于比值晶粒的大小取决于比值N/G，N/Gd晶晶（一）过冷度（一）过冷度T的影响的影响在结晶过程中在结晶过程中G、N与过冷度与过冷度T和自由能差和自由能差F有有关：关： T FG、N。 但是随过冷度（但是随过冷度（T）的增大的增大 G、N增大速度不同。增大速度不同。其结

18、果其结果 如左图所示如左图所示在 工 业 上 通 常 过 冷 度在 工 业 上 通 常 过 冷 度TTK所以，所以，提高冷却速度提高冷却速度，则，则N/Gd晶晶机械性能机械性能形核率形核率N和生长速度和生长速度G与与过冷度过冷度T的关系图的关系图 过冷度的影响过冷度的影响形核率：难熔杂质形核率：难熔杂质孕育处理孕育处理异质形核异质形核（二）未熔杂质的影响（二）未熔杂质的影响金属熔液中或多或少要存在着一些熔融状态或金属熔液中或多或少要存在着一些熔融状态或未融状态的杂质、当存在有在晶体结构上与金属相未融状态的杂质、当存在有在晶体结构上与金属相近的未熔杂质时，晶核可在其表面产生，而使形核近的未熔杂质

19、时，晶核可在其表面产生，而使形核容易容易形核率形核率N ，使晶粒细化。，使晶粒细化。变质处理变质处理：人们为了得到优良性能的细晶粒时，通人们为了得到优良性能的细晶粒时，通常故意加入某些难溶杂质（称常故意加入某些难溶杂质（称“人工晶核人工晶核”）来增）来增加形核率，这种细化晶粒的方法，称加形核率，这种细化晶粒的方法，称“变质处理变质处理”。如：如：Al中加入中加入Ti Al-Si合金中加入合金中加入Na铸铁中加入硅钙等等，应用很广。铸铁中加入硅钙等等，应用很广。振动的作用振动的作用： 使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。（三）振动和搅拌（三）振动和搅拌等等如机

20、械振动或搅拌、电磁搅拌和超声波振动等方法。如机械振动或搅拌、电磁搅拌和超声波振动等方法。可可形核率形核率N ；细化晶粒。；细化晶粒。钢液的结晶 钢是以铁为基础的合金，含有多种合金元素。钢液的结晶除了符合前面讨论的结晶过程的一般规律外，还具有它自己的特点：其一是，结晶过程必须在一个温度范围内进行并完成；其二是，结晶过程为选分结晶，最初结晶出的晶体比较纯，溶质元素的含量较低，熔点较高，最后生成的晶体溶质元素的含量较多，熔点也较低，而且无论是晶体或液体的成分，都随着温度的下降而不断地变化着只有当结晶完毕后并且达到平衡时，晶体才有可能达到和原始合金一样的成分。钢液结晶过程中一系列的新问题，正是由这两个

21、特点引起的。 选分结晶也称异分凝固，其特点是结晶出的晶体和母液的化学成分不一样，即在结晶过程中，成分和结构同时都发生变化。绝大部分合金，特别是实际应用合金的结晶，都属于选分结晶。 两相区内邻近固相区的一端，晶体逐渐长两相区内邻近固相区的一端，晶体逐渐长大残存钢液很少，称固大残存钢液很少，称固液相区，它与固液相区，它与固相区的交易面称固相等温面相区的交易面称固相等温面(或称凝固前沿或称凝固前沿)；邻近液相区的一端，过冷钢液中存在着能邻近液相区的一端，过冷钢液中存在着能够自由流动的晶体，称液够自由流动的晶体，称液固相区，它与固相区，它与液相区的交界面称液相等温面液相区的交界面称液相等温面(或或称结

22、晶前沿称结晶前沿)。固。固液相区和掖液相区和掖固相区间固相区间的交界面为可流动面。在液的交界面为可流动面。在液固相区，晶固相区，晶体和钢液在重力作用下产生重力迁移体和钢液在重力作用下产生重力迁移?而在而在固固液相区，钢液只能在润湿力的作用下液相区，钢液只能在润湿力的作用下产生毛细迁移。两相区中形核地点、晶核产生毛细迁移。两相区中形核地点、晶核长大速度以及熔体运动特征的变化，使铸长大速度以及熔体运动特征的变化，使铸坯结构和性能发生很大变化。两相区窄有坯结构和性能发生很大变化。两相区窄有利于柱状晶发展，两相区宽易于形成等轴利于柱状晶发展，两相区宽易于形成等轴晶。两相区内的钢液巳呈半凝固状态，冷晶。

23、两相区内的钢液巳呈半凝固状态，冷凝收缩产生的孔隙不易得到高温钢液的填凝收缩产生的孔隙不易得到高温钢液的填补，析出的气体和夹杂物也难于补，析出的气体和夹杂物也难于上浮，上浮，故两故两相区宽度增加，铸坯中的疏松可能严相区宽度增加，铸坯中的疏松可能严重，气体和夹杂物含量可能增多，同时铸重，气体和夹杂物含量可能增多，同时铸坯中的化学不均匀性也将会受到影响坯中的化学不均匀性也将会受到影响(晶间晶间偏析可能发展，但区域偏析将有所缓和偏析可能发展，但区域偏析将有所缓和)。成 分 过 冷 合金元素在固、液相中的溶解度是有差异的，一般在固相中的溶解度小于在液相中的溶解度。因此合金元素在固相中分配的浓度要小，而在

24、液相（母液）中分配的浓度要大。所以在钢的结晶过程中，结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，导致固相中溶质浓度低于原始浓度，这种现象称为：选分结晶。 母液溶质的不断富集使浓度不断上升，随温度的不断下降，钢液最终全部凝固，最后凝固部分的溶质含量就会高于原始浓度。 温度过冷是钢液结晶的必要条件之一。由于选分结晶，钢液结晶还伴随成分的变化，这个变化反过来对过冷度也有影响。由于选分结晶和凝固过程不断进行的缘故，在液相中组分的浓度随着与相界面距离的增加逐渐下降，相应地引起平衡结晶温度的改变。离相界面近的液相中组分浓度高，这部分液相的结晶温度较低；反之，远离相界面液相结晶温度则较高。这种凝固前沿（固、液相界面）过

25、冷度减少的现象称为成分过冷。 在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷成为成分过冷。这种过冷完全是由于界面前沿液相中的成分差别所引起的。温度梯度增大，成分过冷减小。成分过冷必须具备两个条件：第一是固液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。 几种宏观生长方式 什么叫偏析？ 为什么会出现偏析？ 偏析的利弊？ 偏析的分类 合金合金在凝固过程中在凝固过程中发生的化学成分不均发生的化学成分不均匀现象称为偏析匀现象称为偏析 偏析主要是由于偏析

26、主要是由于合金合金在凝固过程中溶质再分在凝固过程中溶质再分配和扩散不充分引起的配和扩散不充分引起的. 偏析对合金的力学性能、偏析对合金的力学性能、抗裂性能及耐腐蚀性能等有抗裂性能及耐腐蚀性能等有程度不同的损害。偏析也有程度不同的损害。偏析也有有益的一面，如利用偏析现有益的一面，如利用偏析现象可以净化或提纯金属等。象可以净化或提纯金属等。化学成分不均匀现象化学成分不均匀现象 一、微观偏析 二、宏观偏析 一、微观偏析 微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为： 晶内偏析（枝晶偏析） 晶界偏析 微观偏析的影响因素与消除措施1、晶内偏析 晶内偏析是在一个晶粒内出现

27、的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。 固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异，又称为枝晶偏析。 2、晶界偏析 在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。 晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降低合金的塑性与高温性能，又增加热裂纹倾向。 晶粒并排生长，晶界平行于晶体生长方向，晶界与液相的接触处存在凹槽，溶质原子在此处富集，凝固后就形成了晶界偏析。 晶粒相对生长，在对合处彼此相遇。晶粒结晶时所排出的溶质（k01）和其他杂质元素在固-液界面前沿富积，在最后凝固的

28、晶界对合部位将含有较多的溶质和其他低熔点物质，造成晶界偏析。 偏析程度的影响因素合金液、固相线间隔合金液、固相线间隔偏析元素的扩散能力偏析元素的扩散能力冷却条件冷却条件（宽）（宽）（弱）（弱）（快）（快）微观偏析的影响因素与消除措施微观偏析的影响因素与消除措施元 素PSBCVTiMoMnNiSiCr元素质量分数/%0.010.030.01 0.040.0020.100.3 1.00.5 4.00.2 1.21.0 4.01.0 2.51.0 4.51.0 3.01.0 8.0偏析系数|1k0|0.94 0.90 0.87 0.74 0.62 0.53 0.51 0.86 0.65 0.35 0

29、.34 微观偏析程度一般用偏析系数|1k0|来衡量。|1k0|值越大，固相和液相的浓度差越大，晶内偏析越严重。表11-1 不同元素在铁中的偏析系数微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是不稳定微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是不稳定的。可通过扩散退火或均匀化退火来消除，即将合的。可通过扩散退火或均匀化退火来消除，即将合金加热到低于固相线金加热到低于固相线100200的温度，进行长时的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到均匀化。间保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到均匀化。二、宏观偏析 宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括： 正常偏析 逆偏析 V形偏析和逆V形偏析 带状偏析与层状

30、偏析 重力偏析图图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布单向凝固时铸棒内溶质的分布a平衡凝固平衡凝固 b液相只有扩散液相只有扩散 c液相完全混合液相完全混合 d液相部分混合液相部分混合 正常偏析随着溶质偏析系数正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析的增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固，系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固，偏析反而减轻。偏析反而减轻。 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。可以利用溶质的正常偏析现象对金属

31、进行提纯精炼。 焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固-液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，焊缝极易产生纵向裂纹。图图11-6 快速焊时焊缝的区域偏析快速焊时焊缝的区域偏析电弧位置电弧位置 逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析合金铸件的逆偏析图图11-5 铸锭产生铸锭产生V形和逆形和逆V形形 偏析部位示意图偏析部位示意图收缩孔收缩孔正偏析正偏析逆

32、逆V偏析偏析V偏析偏析负偏析负偏析由于密度的差异，先凝由于密度的差异，先凝固部分结晶沉淀，在铸固部分结晶沉淀，在铸锭的下半部形成低于平锭的下半部形成低于平均成分的负偏析区，上均成分的负偏析区，上部则形成高于平均成分部则形成高于平均成分的正偏析区。的正偏析区。 当当铸锭中央部分在铸锭中央部分在凝固下沉时，侧面凝固下沉时，侧面向斜下方产生拉应向斜下方产生拉应力，在其上部形成力，在其上部形成逆逆V形裂缝，并被富形裂缝，并被富含溶质的液相所填含溶质的液相所填充，最终形成逆充，最终形成逆V形形偏析带。偏析带。 带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平

33、行。 带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。 焊缝凝固中的层状偏析与带状偏析机理相同。 图图11-7 焊缝的层状偏析焊缝的层状偏析a) 焊条电弧焊焊条电弧焊 b) 电子束焊电子束焊层状偏析a）b）偏析产生的原因偏析的影响因素及控制措施气体的形成和排出气体的形成和排出 钢液在浇注过程中，由于气体在钢液中的溶解度随钢液温度的降低而下钢液在浇注过程中，由于气体在钢液中的溶解度随钢液温度的降低而下降，并臣在由液体凝固成固体时，溶解度会陡降，所以氢、氮、氧都会降，并臣在由液体凝固成固体时，溶解度会陡降，所以氢、氮、氧都会在这个过程中富集和析出。在这个过程中富

34、集和析出。 对于镇静钢来说，一方面由于强脱氧剂对碳氧反应的抑制作用；另一对于镇静钢来说，一方面由于强脱氧剂对碳氧反应的抑制作用；另一方面因为氮结合成了氮化物，在一船情况下，它的析出压力小于钢液的方面因为氮结合成了氮化物，在一船情况下，它的析出压力小于钢液的静压力，使之难于单独拆出。所以，凝固过程中析出的气体主要溶解于静压力，使之难于单独拆出。所以，凝固过程中析出的气体主要溶解于钢液的是氢。氢的含量钢液的是氢。氢的含量W(H)大于等于大于等于1，它的析出压力就能超过钢液，它的析出压力就能超过钢液静压力，而以气泡的形式析出。这时的氮可以进入氢的气泡一同排出。静压力，而以气泡的形式析出。这时的氮可以

35、进入氢的气泡一同排出。根据冶炼时脱氧程序的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半根据冶炼时脱氧程序的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。镇静钢。 镇静钢为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温镇静钢为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金钢一般都是镇静钢优质钢和合金钢一般都是镇静钢

36、 。 脱氧不完全的碳素钢。一般用锰铁和少量铝脱氧后，钢水中脱氧不完全的碳素钢。一般用锰铁和少量铝脱氧后，钢水中还留有高于碳氧平衡的氧量，与碳反应放出一氧化碳气体。还留有高于碳氧平衡的氧量，与碳反应放出一氧化碳气体。因此，在浇注时钢水在钢锭模内呈沸腾现象，故称为沸腾钢。因此，在浇注时钢水在钢锭模内呈沸腾现象，故称为沸腾钢。 对于沸腾钢而言析出的气体主要是cI与o在凝固前沿进行富集并发生反应而产生的大量的co气泡，其次是氢和氮。 在结晶过程中，当气体的上升速度大于树枝品的生长速度时，气体能顺利排出；反之，气体则会留在树枝晶间形成气孔。因此，沸腾钢要控制气体的析出才能得到良好的钢锭结构，而镇静钢则要

37、杜绝结晶时气体的析出。 钢中的氮与氧一般生成化合物如Feo、AlN等，并多半析出在晶粒界面上，使钢的力学性能变坏，出现所谓的“老化”、“时效”现象。氢在固态钢中析出时会造成“白点”缺陷，对此可利用其原于半径小，扩散速度大的特点，通过缓冷或退火的方法来排除，以减轻由氢带来的危害。从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸会缩减的从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸会缩减的现象为收缩，收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩给铸造工艺带来许现象为收缩，收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原

38、因。多困难，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原因。 铸造合金从浇注到铸型开始到冷却至室温，经历了三个收缩阶段：铸造合金从浇注到铸型开始到冷却至室温，经历了三个收缩阶段：（1） 液态收缩液态收缩 液态合金从浇注温度冷却到液相线温度之间的收缩为液态收缩。其表现为液态合金从浇注温度冷却到液相线温度之间的收缩为液态收缩。其表现为铸型内液态合金的液面下降。铸型内液态合金的液面下降。 2）凝固收缩）凝固收缩 从液相线温度到固相线温度之间的收缩为凝固收缩。从液相线温度到固相线温度之间的收缩为凝固收缩。共晶成分的合金或纯金属，是在恒温下结晶，凝固收共晶成分的合金或纯金属，是在恒温下结晶，凝固收

39、缩较小。而有一定结晶温度范围的合金，随其结晶温缩较小。而有一定结晶温度范围的合金，随其结晶温度范围的增大，凝固收缩增大。度范围的增大，凝固收缩增大。 以上两个阶段的收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本以上两个阶段的收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。原因。 （3） 固态收缩固态收缩 自固相线温度至室温间的收缩为固态收缩。自固相线温度至室温间的收缩为固态收缩。 总之，以上三个阶段收缩之和为铸造合金总收缩。总之，以上三个阶段收缩之和为铸造合金总收缩。由于液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积的缩减，由于液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积的缩减，常用体收缩率，即单位体积的收缩量来表示。而合金常用体收缩率，

40、即单位体积的收缩量来表示。而合金的固态收缩主要表现铸件各方向上尺寸的缩小，常用的固态收缩主要表现铸件各方向上尺寸的缩小，常用线收缩率，即单位长度上的收缩量来表示。线收缩率，即单位长度上的收缩量来表示。铸坯铸坯(钢锭钢锭)凝固、冷却过程中应力凝固、冷却过程中应力 铸坯铸坯(钢锭钢锭)在凝固、冷却过程中；除了受钢液静压力的作用外，还在凝固、冷却过程中；除了受钢液静压力的作用外，还将受到收缩应力、组织应力和机械应力的作用，这些应力是引发铸坯将受到收缩应力、组织应力和机械应力的作用，这些应力是引发铸坯裂纹的根源。因此，了解铸坯冷却过程中的应力，寻求合理的冷却制裂纹的根源。因此，了解铸坯冷却过程中的应力

41、，寻求合理的冷却制度，减小冷却应力，对减少钢中裂纹、提高铸坯质量具有十分重要的度，减小冷却应力，对减少钢中裂纹、提高铸坯质量具有十分重要的意义。意义。 1收缩应力收缩应力(热应力热应力) 铸坯铸坯(钢锭钢锭)在凝固和冷却过程中发生的凝固收缩和固态收缩受到阻碍时在凝固和冷却过程中发生的凝固收缩和固态收缩受到阻碍时(通常表现为线收缩受阻时通常表现为线收缩受阻时)，将产生收缩应力。由于线收缩量主要与，将产生收缩应力。由于线收缩量主要与温度有关，故这种应力又称为热应力。温度有关，故这种应力又称为热应力。 热应力的产生是铸坯表面与内部的温度差使线收缩量不等，产生相互的牵制而造成的。铸坯冷凝初期，表面温度

42、远低于中心温度，造成表面比中心收缩大，因此表面承受拉应力，中心承受压应力。 随着冷却的继续进行，中心部分温度的降低，使中心收缩比表面大，因此表面由承受拉应力转为承受压应力，而中心部分则由开始的承受压应力转为承受拉应力。热力的分布见图216。 热应力的主要影响因素：热应力的主要影响因素： (1)铸坯表面与内部的温度差。温度差越大，线收缩量的差别愈大，铸坯表面与内部的温度差。温度差越大，线收缩量的差别愈大，铸坯截面上各层间收缩的相互阻碍也愈严重，产生的热应力也就愈铸坯截面上各层间收缩的相互阻碍也愈严重，产生的热应力也就愈大大o (2)钢中含碳量。高碳钢的固、液两相区宽，体积收缩量大，线收缩钢中含碳

43、量。高碳钢的固、液两相区宽，体积收缩量大，线收缩量小，故热应力相对较小；低碳钢的两相区窄，体积收缩量小而量小，故热应力相对较小；低碳钢的两相区窄，体积收缩量小而线收缩量大故热应力相对较大。线收缩量大故热应力相对较大。 (3)钢中合金元素的含量。总的倾向是，凡使钢液凝固区间钢中合金元素的含量。总的倾向是，凡使钢液凝固区间(固、液固、液两相区两相区)增大的合金元素增大的合金元素(如镍、硅、磷如镍、硅、磷)的含量增加，则体积收缩增的含量增加，则体积收缩增加，线收缩减少，从而使热应力减小；而使钢液凝固区间缩小的合加，线收缩减少，从而使热应力减小；而使钢液凝固区间缩小的合金元柬含量增加时，则线收缩增加，

44、热应力也增加。金元柬含量增加时，则线收缩增加，热应力也增加。2 组织应力 铸坯(钢铁)在凝固后的降温过程中，内部将发生因相转变。相变的类型与钢的成分和冷却条件有关。对于不同含碳量的钢，冷却时发生的闭相转变主要是奥氏体分解。随着冷却方式的不同，奥氏体可以转变为珠光体、贝氏体、马氏体。由于它们的密度不同相变的同时发生了体积的变化，但此时铸坯的外形尺寸已经确定，体积的变化将导致应力的产生。人们把固态钢在冷却过程中，因发生相变而引起的体积膨胀受阻时所产生的应力叫组织应力。 组织应力的产生是因为铸坯冷却时的散热由内向外进行的表面温度低而中心温度高，因而 铸坏表面与内部组织转变的时间不同，发生体积膨胀的时

45、间也不同，这样就使铸坯截面上各层间 的体积膨胀受到了相互的制约，从而产生了组织应力。 组织应力的分布为：当铸坯先凝固的表面发生奥氏体向珠光体(或马氏体)转变时，引起表 面层体积增加，而心部的奥氏体未变，将阻碍表面体积的增大，使表面产生压应力，心部产生拉应力。 铸坯继续冷却，当心部奥氏体向珠光体(或马氏体)转变时，表面层已经完成了转变，内部体积的增大使表面受拉应力，而心部受压应力。铸坯表面相变完成后继续冷却时组织应力的分布见图217。 影响组织应力的因素首先是冷却速度。在发生组织转变的温度范围内，冷却速度越快，铸坯内外温差越大，体积变化受到的阻力就越大，组织应力也越大。此外组织应力还与钢的成分有

46、关，如40cr(珠光体钢)容易在冷却到723度以下时产生裂纹，属于马氏体钢的3cr2w8v易在冷却到320度时产生裂纹，因为723与320正是它们各自的相变温度。3 连铸坯冷却时的机械应力连铸坯冷却时的机械应力 机械应力是铸坯在下行和弯曲、矫直过程中受到的应力。弧形机械应力是铸坯在下行和弯曲、矫直过程中受到的应力。弧形连铸机、椭圆形连铸机的铸坯在下行时，要受到矫直应力的作用，连铸机、椭圆形连铸机的铸坯在下行时，要受到矫直应力的作用，矫直时铸坯内弧面受拉应力，外弧面受压应力。立弯式连铸机和矫直时铸坯内弧面受拉应力，外弧面受压应力。立弯式连铸机和直弧形连铸机的铸坯在顶弯时还要受弯曲应力的作用。弯曲

47、应力、直弧形连铸机的铸坯在顶弯时还要受弯曲应力的作用。弯曲应力、矫直应力的大小取决于铸坯的厚度和弯曲矫直应力的大小取决于铸坯的厚度和弯曲(或矫直或矫直)时的变形量。时的变形量。铸坯断面大、弯曲铸坯断面大、弯曲(或矫直或矫直)点少、连铸机曲率半径小，则弯曲点少、连铸机曲率半径小，则弯曲(或或矫直矫直)应力大；反之弯曲应力大；反之弯曲(或矫宜或矫宜)应力则小些。另外，设备对弧应力则小些。另外，设备对弧不准、辊缝不合理、铸坯鼓肚等均会使铸坯受到机械应力的作用。不准、辊缝不合理、铸坯鼓肚等均会使铸坯受到机械应力的作用。 由上述可知，铸坯(钢锭)在凝固和冷却过程中受到了各种应力的作用。当铸坯所承受的拉应

48、力超过该部位钢本身的强度极限(特别是高温强度极限)或塑性变形量超过允许的范围时，就会产生裂纹，给钢的质量带来严重的危害。为减小铸坯所承受的应力，减少裂纹的产生，应注意以下几个方面： ()对于某些合金钢、裂纹敏感性强的钢种，连铸时可采用较小的冷却强度，如采用干式冷却或干式冷却与喷水冷却相结合的方式。干式冷却可使铸坏表面，心部温度趋于一致，大大减少热应力的产生。 (2)出拉矫机的铸坯及模铸的钢锭，可根据不同的钢种相应地采用不同的缓冷方式，如空冷、坑冷、退火等，也可直接热送，以消除铸坯(钢锭)的内应力和组织应力，防止裂纹的产生。 (3)机械应力对铸坯的影响集中于两相区，在铸坯承受各种机械应力的作用时

49、，铸坯尚未完全凝固凝固前沿两相区内的校状晶晶问还存在少旦的低熔点液体，此时柱状晶之间的结合力 很小，强度很低，如超过铸坯所能承受的变形量，则必然会使铸坯的凝固前沿产生裂纹。减少变形量的措施包括多点弯曲、多点矫直、铸坯适宜的厚度和准确地对弧，以及二冷区合理的辊缝量等。 此外，为了减少铸坯热裂的倾向性，还可通过合理调节和控制钢液成分，降低钢中有害元素的含量(如降低钢中琉、磷、气体和夹杂物含量)，来提高钢本身的高温强度和塑性：也可采取适当降低浇注温度和浇注速度等措施，来增加凝固壳的厚度和均匀性，以提高铸坯(钢锭)抵抗热应力的能力。复习复习 相相与与组织组织相：相：有一定的有一定的化学成分化学成分和和晶体结构晶体结构的均匀组成部分。的均匀组成部分。合金中有两类基本相合金中有两类基本相 固溶体固溶体 和和 化合物化合物组织：组织：材料内部的微观形貌，体现相