鋼液凝固的基本理論

鋼液凝固的基本理論（二）理論結(jié)晶溫度：凡是純元素（金屬非金屬）都有一個嚴格不變的溫度點，在這溫度下，液體與晶體永遠共存，這個溫度就稱為理論結(jié)晶溫度

。T0符號

。第2頁,共88頁，2024年2月25日，星期天理論上，上述溫度

就是液態(tài)和晶態(tài)的分界線：當T＞T0時S→L（由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)）當T＜T0時L→S（由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)）當T＝T0時L

S（液態(tài)、固態(tài)平衡共存）（三）自由能：物質(zhì)中能夠自動向外界釋放出其多余的或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@部分能量（G）稱為自由能。任何物體都具有釋放能量，降低能量使其趨于穩(wěn)定平衡的趨勢，如高處的物質(zhì)，不同溫度的兩物體接觸，而結(jié)晶或凝固的過程就是一個降低能量的過程，其驅(qū)動力，就是?！白杂赡懿睢保é）T0第3頁,共88頁，2024年2月25日，星期天GSΔTTnT0GLΔG＝GL－GS溫度T自由能G如右圖，液體、晶體的原子結(jié)構(gòu)不同，所以，其自由能G隨溫度T的變化也不同。T↑

G↓；但GL↓＞GS↓，交點T0當Tn＜T0時ΔG=GL-GSL→S晶當Tn＞T0時ΔG=GS-GLS晶→L

當Tn＝T0時ΔG=0S晶

L可見，自由能差ΔG是靠ΔT=T0－Tn來獲得的，所以，ΔT是結(jié)晶過程中的一個重要參數(shù)。無驅(qū)動力，如平面上的球、等溫的兩物體說明：金屬的實際結(jié)晶溫度Tn總是要低于理論結(jié)晶溫度T0。第4頁,共88頁，2024年2月25日，星期天（四）過冷度：實際結(jié)晶溫度（Tn）與平衡結(jié)晶溫度（T0）之差：

ΔT=T0-Tn過冷度ΔT越大則ΔG越大、則結(jié)晶驅(qū)動越大，結(jié)晶傾向也越大。一般情況下，

結(jié)晶潛熱：在液體向晶體結(jié)晶過程中，自由能差所產(chǎn)生的剩余能量將以熱的形式向外界釋放，我們稱之為“結(jié)晶潛熱”。過冷度越大，則自由能差越大，結(jié)晶潛熱也越大；另外，結(jié)晶時的潛熱析出將補償晶體物質(zhì)向環(huán)境散熱引起的溫度下降，使過冷度減小。其結(jié)果將形成一種動態(tài)平衡，可使過冷度ΔT保持不變，換句話說，在一定的環(huán)境條件下，晶體的結(jié)晶溫度是不變的，結(jié)晶過程是在恒溫下進行的，直至結(jié)晶結(jié)束。第5頁,共88頁，2024年2月25日，星期天利用上述現(xiàn)象，我們可以進行晶體實際結(jié)晶溫度的測量，這種測量方法稱為“

”。此法是將被測定的晶體先加熱融化，然后以緩慢的速度進行冷卻，冷速越慢，過冷度ΔT就越小，測得的實際結(jié)晶溫度就越接近理論結(jié)晶溫度。在冷卻過程中，將溫度隨時間的變化記錄下來，對純元素晶體，就可得到如下圖所示的“冷卻曲線”。熱分析法ΔTTT0

Tn純金屬結(jié)晶冷卻曲線示意圖（五）冷卻曲線：物體在液態(tài)冷卻結(jié)晶過程中所作出的τ-T曲線。（如右圖）冷卻曲線中出現(xiàn)的水平臺階的溫度就是實際結(jié)晶溫度。第6頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

主要用于對材料進行高溫熱分析，包括相轉(zhuǎn)變溫度及轉(zhuǎn)變焓、多晶形轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變焓、物質(zhì)的比熱、材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與比熱變化程度、熔點與熔化焓、晶體的結(jié)晶溫度與結(jié)晶熱焓、結(jié)晶度、固化溫度等。NETZSCH404G3高溫差示掃描量熱儀第7頁,共88頁，2024年2月25日，星期天圖2—2是用熱分析測定液態(tài)金屬結(jié)晶時3種冷卻曲線的情況。曲線中各轉(zhuǎn)點表示結(jié)晶的開始或終結(jié)。其中：a表示接近平衡的冷卻，結(jié)晶在一定的過冷度下開始、進行和終結(jié)，由于潛熱的釋放和逸散相等，所以結(jié)晶溫度始終保持恒定，一直到完全結(jié)晶后，溫度才下降3b表示金屬液冷卻速度較快(實際生產(chǎn)的通常倩況)的狀態(tài)，結(jié)晶在較大的過冷度下開始，所以進行較快，而使?jié)摕岬尼尫糯笥跓岬囊萆?，這樣便使?jié)穸戎饾u回升，直至兩者相等，而后結(jié)晶便在恒溫下進行；直到結(jié)晶完成后，溫度才會下降；c表示冷卻很快，結(jié)晶在更大的過冷度下開始，而且浴熱的釋放始終小于熱的逸散，所以結(jié)晶一直在連續(xù)降溫的過程中進行，直到結(jié)晶終結(jié)后，溫度便又更快地下降。這后一種情況只能在較小體積的液體中，或在大體積液體的局部區(qū)域內(nèi)進行。第8頁,共88頁，2024年2月25日，星期天冷卻速度越大，則過冷度越大。第9頁,共88頁，2024年2月25日，星期天過冷現(xiàn)象：過冷是結(jié)晶的必要條件。

過冷度:

ΔT=T0–T1結(jié)晶熱力學條件：必須具有一定的過冷度。第10頁,共88頁，2024年2月25日，星期天結(jié)晶的動力學條件液體的結(jié)晶必須有核心液態(tài)金屬中有許多與固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)相似、體積很小的原子集團，在足夠的過冷度條件下，這些原子集團變成規(guī)則排列，并穩(wěn)定下來而成為晶核，這一過程即為均質(zhì)形核；而以金屬液相中已存在的固相質(zhì)點和表面不光滑的器壁作為形成核心的“依托”發(fā)展成為晶核的過程，稱為非均質(zhì)形核。由于鋼液的內(nèi)部含有熔點不同的雜質(zhì)，因此鋼液的結(jié)晶主要為非均質(zhì)形核。實踐證明，均質(zhì)形核需要很大的過冷度，而非均質(zhì)形核需要的過冷度很小，只要過冷度達到20℃就能形成晶核。第11頁,共88頁，2024年2月25日，星期天結(jié)晶過程的一般規(guī)律形核長大第12頁,共88頁，2024年2月25日，星期天形核、長大第13頁,共88頁，2024年2月25日，星期天液態(tài)金屬形核長大完全結(jié)晶形核和（晶核）長大的過程動態(tài)演示：（結(jié)構(gòu)條件：晶胚

臨界形核半徑晶核）穩(wěn)定存在的晶核：自發(fā)形核、非自發(fā)形核第14頁,共88頁，2024年2月25日，星期天晶核的形成

從液態(tài)金屬中產(chǎn)生晶核一般有兩種形式，一種是均質(zhì)形核(自發(fā)形核)，另一種是異質(zhì)形核非自發(fā)形核)。實際金屬結(jié)晶時，大多數(shù)是以異質(zhì)形核的方式進行的。

A均質(zhì)形核均質(zhì)形核是在液相中直接產(chǎn)生晶核。即在一定的過冷度下，液態(tài)金屬中一些體積很小的近程有序排列的“原子集團”轉(zhuǎn)變成規(guī)則排列并穩(wěn)定下來的胚胎晶核，這一過程稱為均質(zhì)形核。從熱力學的觀點出發(fā)，這一過程只有引起系統(tǒng)自由能的降低才能自發(fā)進行。形成新相晶核系統(tǒng)自由能的變化包括：

(1)在液相中形成品核時引起體積自由能的降低；

(2)形成晶核時產(chǎn)生固、液交界面導致表面自由能的增加。第15頁,共88頁，2024年2月25日，星期天在一定的過冷度下,當G體≥G表時,晶核就形成。臨界形核半徑（假設球形）隨過冷度增大而減小。

當過冷液體中出現(xiàn)晶坯時，一方面由于原子由液態(tài)的聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的排列狀態(tài)，使體系的自由能降低）；另一方面，由于晶坯構(gòu)成新的表面，又會引起表面自由能的增加。r<r*時，晶胚長大將導致系統(tǒng)自由能的增加，這種晶胚不穩(wěn)定，瞬時形成，瞬時消失。r>r*時，隨晶胚長大，系統(tǒng)自由能降低，凝固過程自動進行。晶核形成的形式:*自發(fā)形核（均質(zhì)形核）△T=200℃*非自發(fā)形核（異質(zhì)形核）△T=20℃第16頁,共88頁，2024年2月25日，星期天晶體的長大

不論是均勻形核還是非均勻形核，穩(wěn)定的晶核形成后都要繼續(xù)長大。首先討論純金屬晶體的長大，就是不考慮溶質(zhì)成分對晶體長大的影響。晶體長大同樣需要一定的過冷度，以獲得由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的驅(qū)動力。

純金屬晶體長大過程中，液-固界面的形態(tài)取決于界面前沿液相中的溫度分布（溫度梯度）。溫度梯度：溫度隨距離的變化（dT/dx）。第17頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1、正溫度梯度正溫度梯度示意圖

坐標原點取在液固界面處，指向液相為正方向。正溫度梯度：dT/dx>0

液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r要放出結(jié)晶潛熱，界面處的結(jié)晶潛熱只能通過固相傳導出去，所以界面的推進速度受到固相傳熱速度的控制。

由于界面處液體的過冷度最大，當界面上偶爾發(fā)生晶體凸起，就會進入溫度較高的液體中，晶體生長速度立即減慢甚至停止。因此，液-固界面保持為穩(wěn)定的平面狀，晶體長大以平面狀態(tài)向前推進。長大方式：平面長大第18頁,共88頁，2024年2月25日，星期天2、負溫度梯度負溫度梯度示意圖負溫度梯度：dT/dx<0

界面前方的液體具有更大的過冷度。因此，當界面某處固相偶然伸入液相，便能夠更快生長。伸入液相的晶體形成一個晶軸，稱為一次晶軸。由于一次晶軸生長時也會放出結(jié)晶潛熱，其側(cè)面周圍的液相中又產(chǎn)生負的溫度梯度。這樣，一次晶軸上又會產(chǎn)生二次晶軸。同理，二次晶軸上也會長出三次晶軸。

由于這樣生長的結(jié)果很像樹枝，所以被稱為樹枝狀長大。晶體以樹枝狀生長時，晶體樹枝逐漸變粗，樹枝間的液體最后全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，使每個枝晶成為一個晶粒。長大方式：樹枝狀長大第19頁,共88頁，2024年2月25日，星期天樹枝狀長大的實物照片【說明】樹枝狀長大不一定在負溫度梯度才能出現(xiàn)，有成分過冷的條件下晶體同樣可以樹枝狀長大，而且后者更為普遍。第20頁,共88頁，2024年2月25日，星期天晶核兩種長大方式：平面生長樹枝狀生長第21頁,共88頁，2024年2月25日，星期天晶核的樹枝狀長大方式第22頁,共88頁，2024年2月25日，星期天金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第23頁,共88頁，2024年2月25日，星期天在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬通常是在鑄?；蜩T型中凝固成固態(tài)的，可分別得到金屬鑄錠（具有一定形狀的金屬塊，通常需經(jīng)一定的塑性加工變形后再使用）或鑄件（具有特定產(chǎn)品形狀的金屬部件，通?？山?jīng)過一定的切削加工或不加工而直接使用）。這個過程可稱為鑄造。對于金屬鑄錠，一般由表層細晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)和中心等軸晶粒區(qū)。（一）表面細晶粒區(qū)模壁T↓→冷卻速度↑→ΔΤ↑+人工晶核（模壁）→晶粒等軸、細小、均勻。三個部分組成第24頁,共88頁，2024年2月25日，星期天（二）柱狀晶區(qū)隨時間推移→

模型T↑→冷卻速度↓

ΔT↓

形核率下降向模壁定向散熱

晶粒定向長大柱狀晶（三）中心等軸晶區(qū)隨時間進一步推移

散熱能力↓

→散熱方向性↓→均勻冷卻且冷卻速度↓又：雜質(zhì)聚集，枝晶折斷

晶核

各向均長大粗等軸晶金屬鑄錠示意圖第25頁,共88頁，2024年2月25日，星期天實際金屬鑄錠（四）鑄造缺陷——如前述的三層晶區(qū)凝固條件不同，三區(qū)可相對增減——體積收縮造成，在最后凝固處，因得不到鋼液的補充而形成；——在縮孔、疏松周圍還常有積聚各種低熔點雜質(zhì)的區(qū)域（最后凝固所至）⑤氣泡、裂紋、非金屬夾雜，晶內(nèi)偏析（化學成分不均）等等。①組織不均勻②縮孔——在縮孔周圍形成的微小分散孔隙③疏松④區(qū)域偏析第26頁,共88頁，2024年2月25日，星期天晶粒度——

表示晶粒大小，分8級。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細晶強化—晶粒細化使金屬機械性能提高的現(xiàn)象比較：細晶強化-->強度、硬度、塑性、韌性↑

固溶強化-->強度、硬度↑，塑性、韌性↓晶粒度與細晶強化第27頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共88頁，2024年2月25日，星期天純鐵晶粒度與力學性能的關系晶粒度

(晶粒數(shù)/mm2)

b

(N/mm2)

s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5第29頁,共88頁，2024年2月25日，星期天結(jié)晶過程中晶粒的大小及其影響因素在結(jié)晶過程中，晶核的形成和成長快慢由兩個參數(shù)來控制的：形核率N——形核數(shù)／s·mm3生長率G——mm/s最后得到的晶粒大小，與N、G有關在體積一定時N↑→晶粒尺寸↓；G↑→晶粒尺寸↑可見，晶粒的大小取決于比值N/G，N/G↑→d晶↓（一）過冷度ΔT的影響在結(jié)晶過程中G、N與過冷度ΔT和自由能差ΔF有關：ΔT

↑

→

ΔF↑→G、N↑。但是隨過冷度（ΔT）的增大G、N增大速度不同。第30頁,共88頁，2024年2月25日，星期天其結(jié)果如左圖所示在工業(yè)上通常過冷度

ΔT＜ΔTK所以，提高冷卻速度↑→ΔΤ↑，則N/G↑→d晶↓→機械性能↑

形核率N和生長速度G與過冷度ΔT的關系圖第31頁,共88頁，2024年2月25日，星期天過冷度的影響形核率：難熔雜質(zhì)

孕育處理

異質(zhì)形核第32頁,共88頁，2024年2月25日，星期天（二）未熔雜質(zhì)的影響金屬熔液中或多或少要存在著一些熔融狀態(tài)或未融狀態(tài)的雜質(zhì)、當存在有在晶體結(jié)構(gòu)上與金屬相近的未熔雜質(zhì)時，晶核可在其表面產(chǎn)生，而使形核容易→形核率N↑，使晶粒細化。變質(zhì)處理：人們?yōu)榱说玫絻?yōu)良性能的細晶粒時，通常故意加入某些難溶雜質(zhì)（稱“人工晶核”）來增加形核率，這種細化晶粒的方法，稱“變質(zhì)處理”。如：Al中加入TiAl-Si合金中加入Na鑄鐵中加入硅鈣等等，應用很廣。第33頁,共88頁，2024年2月25日，星期天振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細化。（三）振動和攪拌等如機械振動或攪拌、電磁攪拌和超聲波振動等方法?？伞魏寺蔔；細化晶粒。第34頁,共88頁，2024年2月25日，星期天鋼液的結(jié)晶

鋼是以鐵為基礎的合金，含有多種合金元素。鋼液的結(jié)晶除了符合前面討論的結(jié)晶過程的一般規(guī)律外，還具有它自己的特點：其一是，結(jié)晶過程必須在一個溫度范圍內(nèi)進行并完成；其二是，結(jié)晶過程為選分結(jié)晶，最初結(jié)晶出的晶體比較純，溶質(zhì)元素的含量較低，熔點較高，最后生成的晶體溶質(zhì)元素的含量較多，熔點也較低，而且無論是晶體或液體的成分，都隨著溫度的下降而不斷地變化著．只有當結(jié)晶完畢后．并且達到平衡時，晶體才有可能達到和原始合金一樣的成分。鋼液結(jié)晶過程中一系列的新問題，正是由這兩個特點引起的。選分結(jié)晶也稱異分凝固，其特點是結(jié)晶出的晶體和母液的化學成分不一樣，即在結(jié)晶過程中，成分和結(jié)構(gòu)同時都發(fā)生變化。絕大部分合金，特別是實際應用合金的結(jié)晶，都屬于選分結(jié)晶。第35頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

兩相區(qū)內(nèi)鄰近固相區(qū)的一端，晶體逐漸長大殘存鋼液很少，稱固—液相區(qū)，它與固相區(qū)的交易面稱固相等溫面(或稱凝固前沿)；鄰近液相區(qū)的一端，過冷鋼液中存在著能夠自由流動的晶體，稱液—固相區(qū)，它與液相區(qū)的交界面稱液相等溫面(或稱結(jié)晶前沿)。固—液相區(qū)和掖—固相區(qū)間的交界面為可流動面。在液—固相區(qū)，晶體和鋼液在重力作用下產(chǎn)生重力遷移?而在固—液相區(qū)，鋼液只能在潤濕力的作用下產(chǎn)生毛細遷移。兩相區(qū)中形核地點、晶核長大速度以及熔體運動特征的變化，使鑄坯結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大變化。兩相區(qū)窄有利于柱狀晶發(fā)展，兩相區(qū)寬易于形成等軸晶。兩相區(qū)內(nèi)的鋼液巳呈半凝固狀態(tài)，冷凝收縮產(chǎn)生的孔隙不易得到高溫鋼液的填補，析出的氣體和夾雜物也難于上浮，故兩相區(qū)寬度增加，鑄坯中的疏松可能嚴重，氣體和夾雜物含量可能增多，同時鑄坯中的化學不均勻性也將會受到影響(晶間偏析可能發(fā)展，但區(qū)域偏析將有所緩和)。第36頁,共88頁，2024年2月25日，星期天成分過冷合金元素在固、液相中的溶解度是有差異的，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濃度要小，而在液相（母液）中分配的濃度要大。所以在鋼的結(jié)晶過程中，結(jié)晶前沿會有溶質(zhì)大量析出并積聚，導致固相中溶質(zhì)濃度低于原始濃度，這種現(xiàn)象稱為：選分結(jié)晶。母液溶質(zhì)的不斷富集使?jié)舛炔粩嗌仙?，隨溫度的不斷下降，鋼液最終全部凝固，最后凝固部分的溶質(zhì)含量就會高于原始濃度。溫度過冷是鋼液結(jié)晶的必要條件之一。由于選分結(jié)晶，鋼液結(jié)晶還伴隨成分的變化，這個變化反過來對過冷度也有影響。由于選分結(jié)晶和凝固過程不斷進行的緣故，在液相中組分的濃度隨著與相界面距離的增加逐漸下降，相應地引起平衡結(jié)晶溫度的改變。離相界面近的液相中組分濃度高，這部分液相的結(jié)晶溫度較低；反之，遠離相界面液相結(jié)晶溫度則較高。這種凝固前沿（固、液相界面）過冷度減少的現(xiàn)象稱為成分過冷。第37頁,共88頁，2024年2月25日，星期天在固溶體合金凝固時，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差別，導致固液界面前沿的熔體的溫度低于實際液相線溫度，從而產(chǎn)生的過冷成為成分過冷。這種過冷完全是由于界面前沿液相中的成分差別所引起的。溫度梯度增大，成分過冷減小。

成分過冷必須具備兩個條件：第一是固——液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分配；第二是固—液界面前方液相的實際溫度分布，或溫度分布梯度必須達到一定的值。第38頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共88頁，2024年2月25日，星期天幾種宏觀生長方式第42頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第48頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

什么叫偏析？為什么會出現(xiàn)偏析？偏析的利弊？

偏析的分類

合金在凝固過程中發(fā)生的化學成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析

偏析主要是由于合金在凝固過程中溶質(zhì)再分配和擴散不充分引起的.

偏析對合金的力學性能、抗裂性能及耐腐蝕性能等有程度不同的損害。偏析也有有益的一面，如利用偏析現(xiàn)象可以凈化或提純金屬等。化學成分不均勻現(xiàn)象第53頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

一、微觀偏析

二、宏觀偏析

第54頁,共88頁，2024年2月25日，星期天一、微觀偏析微觀偏析是指微小范圍（約一個晶粒范圍）內(nèi)的化學成分不均勻現(xiàn)象，按位置不同可分為：

晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）

晶界偏析

微觀偏析的影響因素與消除措施第55頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1、晶內(nèi)偏析

晶內(nèi)偏析是在一個晶粒內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，常產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍、能夠形成固溶體的合金中。固溶體合金按樹枝晶方式生長時，先結(jié)晶的枝干與后結(jié)晶的分枝也存在著成分差異，又稱為枝晶偏析。第56頁,共88頁，2024年2月25日，星期天2、晶界偏析

在合金凝固過程中，溶質(zhì)元素和非金屬夾雜物常富集于晶界，使晶界與晶內(nèi)的化學成分出現(xiàn)差異，這種成分不均勻現(xiàn)象稱為晶界偏析。晶界偏析比晶內(nèi)偏析的危害更大，既能降低合金的塑性與高溫性能，又增加熱裂紋傾向。第57頁,共88頁，2024年2月25日，星期天晶粒并排生長，晶界平行于晶體生長方向，晶界與液相的接觸處存在凹槽，溶質(zhì)原子在此處富集，凝固后就形成了晶界偏析。第58頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

晶粒相對生長，在對合處彼此相遇。晶粒結(jié)晶時所排出的溶質(zhì)（k0＜1）和其他雜質(zhì)元素在固-液界面前沿富積，在最后凝固的晶界對合部位將含有較多的溶質(zhì)和其他低熔點物質(zhì)，造成晶界偏析。第59頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

偏析程度的影響因素合金液、固相線間隔偏析元素的擴散能力冷卻條件（寬）（弱）（快）微觀偏析的影響因素與消除措施第60頁,共88頁，2024年2月25日，星期天元素PSBCVTiMoMnNiSiCr元素質(zhì)量分數(shù)/%0.01~0.030.01~0.040.002~0.100.3~1.00.5~4.00.2~1.21.0~4.01.0~2.51.0~4.51.0~3.01.0~8.0偏析系數(shù)|1－k0|0.940.900.870.740.620.530.510.860.650.350.34

微觀偏析程度一般用偏析系數(shù)|1－k0|來衡量。|1－k0|值越大，固相和液相的濃度差越大，晶內(nèi)偏析越嚴重。表11-1不同元素在鐵中的偏析系數(shù)第61頁,共88頁，2024年2月25日，星期天微觀偏析是一種不平衡狀態(tài)，在熱力學上是不穩(wěn)定的?？赏ㄟ^擴散退火或均勻化退火來消除，即將合金加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進行長時間保溫，使偏析元素進行充分擴散，以達到均勻化。第62頁,共88頁，2024年2月25日，星期天二、宏觀偏析

宏觀偏析是指宏觀尺寸上的偏析，包括：

正常偏析

逆偏析

V形偏析和逆V形偏析

帶狀偏析與層狀偏析重力偏析第63頁,共88頁，2024年2月25日，星期天圖11-3單向凝固時鑄棒內(nèi)溶質(zhì)的分布a－平衡凝固b－液相只有擴散c－液相完全混合d－液相部分混合

正常偏析隨著溶質(zhì)偏析系數(shù)|1-k0|的增大而增大。但對于偏析系數(shù)較大的合金，當溶質(zhì)含量較高時，合金傾向于體積凝固，偏析反而減輕。

偏析使鑄件性能不均勻，也難以通過熱處理消除，但可以利用溶質(zhì)的正常偏析現(xiàn)象對金屬進行提純精煉。第64頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

焊接熔池凝固時，隨著柱狀晶體的長大和固-液界面的推進，會將溶質(zhì)或雜質(zhì)趕向焊縫中心。當焊接速度較大時，成長的柱狀晶會在焊縫中心相遇，在中心形成正偏析。在拉伸應力作用下，焊縫極易產(chǎn)生縱向裂紋。圖11-6快速焊時焊縫的區(qū)域偏析電弧位置第65頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

逆偏析的成因在于結(jié)晶溫度范圍寬的固溶體合金，在緩慢凝固時易形成粗大的樹枝晶，枝晶相互交錯，枝晶間富集著低熔點相，當鑄件產(chǎn)生體收縮時，低熔點相將沿著樹枝晶間向外移動。Al-4.7Cu合金鑄件的逆偏析第66頁,共88頁，2024年2月25日，星期天圖11-5鑄錠產(chǎn)生V形和逆V形偏析部位示意圖收縮孔正偏析逆V偏析V偏析負偏析由于密度的差異，先凝固部分結(jié)晶沉淀，在鑄錠的下半部形成低于平均成分的負偏析區(qū)，上部則形成高于平均成分的正偏析區(qū)。當鑄錠中央部分在凝固下沉時，側(cè)面向斜下方產(chǎn)生拉應力，在其上部形成逆V形裂縫，并被富含溶質(zhì)的液相所填充，最終形成逆V形偏析帶。第67頁,共88頁，2024年2月25日，星期天帶狀偏析常出現(xiàn)在鑄錠或厚壁鑄件中，有時是連續(xù)的，有時則是間斷的，偏析的帶狀總是和液-固界面相平行。帶狀偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶質(zhì)富集層且晶體生長速度發(fā)生變化的緣故。焊縫凝固中的層狀偏析與帶狀偏析機理相同。圖11-7焊縫的層狀偏析a)焊條電弧焊b)電子束焊層狀偏析a）b）第68頁,共88頁，2024年2月25日，星期天偏析產(chǎn)生的原因第69頁,共88頁，2024年2月25日，星期天偏析的影響因素及控制措施第70頁,共88頁，2024年2月25日，星期天氣體的形成和排出

鋼液在澆注過程中，由于氣體在鋼液中的溶解度隨鋼液溫度的降低而下降，并臣在由液體凝固成固體時，溶解度會陡降，所以氫、氮、氧都會在這個過程中富集和析出。對于鎮(zhèn)靜鋼來說，一方面由于強脫氧劑對碳氧反應的抑制作用；另一方面因為氮結(jié)合成了氮化物，在一船情況下，它的析出壓力小于鋼液的靜壓力，使之難于單獨拆出。所以，凝固過程中析出的氣體主要溶解于鋼液的是氫。氫的含量W(H))大于等于1％，它的析出壓力就能超過鋼液靜壓力，而以氣泡的形式析出。這時的氮可以進入氫的氣泡一同排出。第71頁,共88頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)冶煉時脫氧程序的不同，鋼可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼為完全脫氧的鋼。通常注成上大下小帶保溫帽的錠型，澆注時鋼液鎮(zhèn)靜不沸騰。由于錠模上部有保溫帽（在鋼液凝固時作補充鋼液用），這節(jié)帽頭在軋制開坯后需切除，故鋼的收得率低，但組織致密，偏析小，質(zhì)量均勻。優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼。脫氧不完全的碳素鋼。一般用錳鐵和少量鋁脫氧后，鋼水中還留有高于碳氧平衡的氧量，與碳反應放出一氧化碳氣體。因此，在澆注時鋼水在鋼錠模內(nèi)呈沸騰現(xiàn)象，故稱為沸騰鋼。

第72頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

對于沸騰鋼而言．析出的氣體主要是[cI與[o]在凝固前沿進行富集并發(fā)生反應而產(chǎn)生的大量的co氣泡，其次是氫和氮。在結(jié)晶過程中，當氣體的上升速度大于樹枝品的生長速度時，氣體能順利排出；反之，氣體則會留在樹枝晶間形成氣孔。因此，沸騰鋼要控制氣體的析出才能得到良好的鋼錠結(jié)構(gòu)，而鎮(zhèn)靜鋼則要杜絕結(jié)晶時氣體的析出。鋼中的氮與氧一般生成化合物如Feo、AlN等，并多半析出在晶粒界面上，使鋼的力學性能變壞，出現(xiàn)所謂的“老化”、“時效”現(xiàn)象。氫在固態(tài)鋼中析出時會造成“白點”缺陷，對此可利用其原于半徑小，擴散速度大的特點，通過緩冷或退火的方法來排除，以減輕由氫帶來的危害。第73頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第74頁,共88頁，2024年2月25日，星期天第75頁,共88頁，2024年2月25日，星期天從澆注、凝固、直至冷卻至室溫的過程中，鑄造合金的體積或尺寸會縮減的現(xiàn)象為收縮，收縮是合金的物理屬性。但鑄造合金的收縮給鑄造工藝帶來許多困難，是形成縮孔、縮松、變形和裂紋等多種鑄造缺陷的根本原因。鑄造合金從澆注到鑄型開始到冷卻至室溫，經(jīng)歷了三個收縮階段：（1）

液態(tài)收縮液態(tài)合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度之間的收縮為液態(tài)收縮。其表現(xiàn)為鑄型內(nèi)液態(tài)合金的液面下降。第76頁,共88頁，2024年2月25日，星期天2）凝固收縮從液相線溫度到固相線溫度之間的收縮為凝固收縮。共晶成分的合金或純金屬，是在恒溫下結(jié)晶，凝固收縮較小。而有一定結(jié)晶溫度范圍的合金，隨其結(jié)晶溫度范圍的增大，凝固收縮增大。以上兩個階段的收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因。（3）

固態(tài)收縮自固相線溫度至室溫間的收縮為固態(tài)收縮?？傊?，以上三個階段收縮之和為鑄造合金總收縮。由于液態(tài)收縮和凝固收縮主要表現(xiàn)為合金體積的縮減，常用體收縮率，即單位體積的收縮量來表示。而合金的固態(tài)收縮主要表現(xiàn)鑄件各方向上尺寸的縮小，常用線收縮率，即單位長度上的收縮量來表示。第77頁,共88頁，2024年2月25日，星期天鑄坯(鋼錠)凝固、冷卻過程中應力

鑄坯(鋼錠)在凝固、冷卻過程中；除了受鋼液靜壓力的作用外，還將受到收縮應力、組織應力和機械應力的作用，這些應力是引發(fā)鑄坯裂紋的根源。因此，了解鑄坯冷卻過程中的應力，尋求合理的冷卻制度，減小冷卻應力，對減少鋼中裂紋、提高鑄坯質(zhì)量具有十分重要的意義。

1收縮應力(熱應力)

鑄坯(鋼錠)在凝固和冷卻過程中發(fā)生的凝固收縮和固態(tài)收縮受到阻礙時(通常表現(xiàn)為線收縮受阻時)，將產(chǎn)生收縮應力。由于線收縮量主要與溫度有關，故這種應力又稱為熱應力。第78頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

熱應力的產(chǎn)生是鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差使線收縮量不等，產(chǎn)生相互的牽制而造成的。鑄坯冷凝初期，表面溫度遠低于中心溫度，造成表面比中心收縮大，因此表面承受拉應力，中心承受壓應力。隨著冷卻的繼續(xù)進行，中心部分溫度的降低，使中心收縮比表面大，因此表面由承受拉應力轉(zhuǎn)為承受壓應力，而中心部分則由開始的承受壓應力轉(zhuǎn)為承受拉應力。熱力的分布見圖2—16。第79頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

熱應力的主要影響因素：

(1)鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差。溫度差越大，線收縮量的差別愈大，鑄坯截面上各層間收縮的相互阻礙也愈嚴重，產(chǎn)生的熱應力也就愈大o(2)鋼中含碳量。高碳鋼的固、液兩相區(qū)寬，體積收縮量大，線收縮量小，故熱應力相對較??；低碳鋼的兩相區(qū)窄，體積收縮量?。€收縮量大．故熱應力相對較大。

(3)鋼中合金元素的含量?？偟膬A向是，凡使鋼液凝固區(qū)間(固、液兩相區(qū))增大的合金元素(如鎳、硅、磷)的含量增加，則體積收縮增加，線收縮減少，從而使熱應力減?。欢逛撘耗虆^(qū)間縮小的合金元柬含量增加時，則線收縮增加，熱應力也增加。第80頁,共88頁，2024年2月25日，星期天2組織應力鑄坯(鋼鐵)在凝固后的降溫過程中，內(nèi)部將發(fā)生因相轉(zhuǎn)變。相變的類型與鋼的成分和冷卻條件有關。對于不同含碳量的鋼，冷卻時發(fā)生的閉相轉(zhuǎn)變主要是奧氏體分解。隨著冷卻方式的不同，奧氏體可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、貝氏體、馬氏體。由于它們的密度不同相變的同時發(fā)生了體積的變化，但此時鑄坯的外形尺寸已經(jīng)確定，體積的變化將導致應力的產(chǎn)生。人們把固態(tài)鋼在冷卻過程中，因發(fā)生相變而引起的體積膨脹受阻時所產(chǎn)生的應力叫組織應力。第81頁,共88頁，2024年2月25日，星期天組織應力的產(chǎn)生是因為鑄坯冷卻時的散熱由內(nèi)向外進行的．表面溫度低而中心溫度高，因而鑄壞表面與內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變的時間不同，發(fā)生體積膨脹的時間也不同，這樣就使鑄坯截面上各層間的體積膨脹受到了相互的制約，從而產(chǎn)生了組織應力。組織應力的分布為：當鑄坯先凝固的表面發(fā)生奧氏體向珠光體(或馬氏體)轉(zhuǎn)變時，引起表面層體積增加，而心部的奧氏體未變，將阻礙表面體積的增大，使表面產(chǎn)生壓應力，心部產(chǎn)生拉應力。第82頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

鑄坯繼續(xù)冷卻，當心部奧氏體向珠光體(或馬氏體)轉(zhuǎn)變時，表面層已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)變，內(nèi)部體積的增大使表面受拉應力，而心部受壓應力。鑄坯表面相變完成后繼續(xù)冷卻時組織應力的分布見圖2—17。