钢的浇注与凝固5.ppt

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1、1凝固理论1.1钢液结晶与凝固结构1.1.1均质形核（1）新核的形成引起系统的自由能的变化：·体积自由能的下降：ΔGv＝－(4/3)(πγ3(GA-GB))式中：γ：球形晶核的半径；GA：A相体积自由能；GB：B相体积自由能·表面自由能的增加：ΔGF＝4πγ2σ式中：σ：A、B两相界面自由能（2）均质形核的条件：ΔGΣ＝ΔGv＋ΔGF＝－(4/3)(πγ3(GA-GB))＋4πγ2σ由图4－1可知，当ΔGΣ达到最大值时的晶核大小叫临界半径，在时，求：由(4-4)式可知，临界晶核半径是与过冷度成反比。由图(4-1)可知：—晶核长大导致系统自由能增加，新相不稳定；—晶核

2、长大导致系统自由能减少，新相能稳定生长；—形核和晶核溶解处于平衡。结论是：在一定温度下，任何大于临界半径的晶核趋向于长大，小于临界半径晶核趋向消失。表4－1纯液体金属结晶过冷度金属熔点过冷度SnPbAlCuMnFeNiCo505.7605.7931.713561493180317251736103801301303082953193300.2080.1330.1100.1740.2060.1610.1860.181ΔT(k)1.1.2非均质形核在钢的凝固过程中，液相的形核却要比均质形核所要求的过冷度小得多，只需几度到20℃的过冷度就可形核。非均质形核，就是指钢在形核

3、时，将存在于液相中的悬浮质点和表面不光滑模壁等作为核心的“依托”而发展为晶核的过程。上图为一个平面的夹杂物上形成一个半球缺的固体晶核，晶核与液体、固体有三个界面。处于平衡时：式中：为界面张力；表示晶体在夹杂物表面的润湿倾角。晶核与夹杂物接触面积：球缺体积：球缺表面积：形成晶核时系统自由能变化：(1)体积自由能：(2)产生新相界表面自由能：(3)总自由能变化:(4)求和:而故：以代入得：（4－10）非均质形核功与均质形核功相差。由（4－10）式可知—，，晶体独立于液体中，形核功与均质形核相同；—，液体中质点已是一个晶核，不需任何过冷度就可形核；—，依附于外来质点形成晶

4、核。结论是非均质形核有效性决定于润湿角。越小，形核功就越小，就易形核，形核速率比较如图4-4。非均质形核的过冷度比均质形核大为减少。在实际生产中主要是非均质形核，除模壁表面作为“依托”形成晶核外，液体金属中需含有两类小质点：一类叫活性质点，如金属氧化物（Al2O3），其晶体结构与金属晶体结构相似，它们之间界面张力小，可作为“依托”而形成核心。另一类是难熔物质的质点，它们的结构虽然与金属晶体结构相差较远，但这些难熔质点表面往往存在细微凹坑和裂纹，其中尚未熔化的金属，可作为“依托”而形成晶体核心。因此，可以在钢液中加入形核剂以细化晶粒。1.1.3晶体的长大1.1.3.1

5、晶体的长大的能量消耗－原子的扩散－晶体的缺陷－原子的粘附－结晶潜热的导出1.1.3.2晶核长大的驱动力－成分过冷理论（1）成分过冷的产生·纯金属凝固：过冷是靠模壁向外传热控制·合金凝固：选分结晶溶质元素在固相和液相的再分配溶质浓度的不同使液相线温度不同(2)成分过冷条件当液体中实际温度低于液相线温度时就产生了成分过冷区。那么不产生过冷的条件应该是实际温度梯度大于或等于液相线温度梯度。即：或(4-11)式中：G为液体中实际温度梯度，它决定于向外界的传热。（3）成分过冷与结构·当固液交界面前沿出现成分过冷时，交界面就不稳定了，不再保持平面结构。·按过冷度的大小，开始形成

6、晶胞、晶胞树枝晶、树枝晶结构。·随成分过冷度的增加，结构形貌由晶胞发展为树枝晶。1.1.7树枝晶凝固图9为晶体长大成树枝晶示意图。铁为立方晶格，呈正六面体结晶，由于结晶总是在结晶面溶质偏析小的地方和结晶潜热散出最快的地方优先生长，在晶核长大过程中，棱角比其他方向导热性好，而且棱角离未被溶质富集的液体最近。因此棱角方向长大速度比其他方向要快，从八个角长成为菱锥体的尖端，其生长方向几乎平行于热流，构成树枝晶主轴，称之为一次树枝臂。垂直于一次枝晶臂而长出分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷却速度继续增加时，在二次枝晶臂上垂直长出三次枝晶臂，这些枝晶彼此交错在一起宛如茂密的树枝。从而

7、使结晶潜热从液体中可以很容易的通过彼此连接的枝晶而传导出来，直到完全凝固为止。一般以一次或二次枝晶距来衡量凝固条件对树枝晶结构的影响。这是一种方便而广泛应用的方法。晶枝间距是指枝晶之间的垂直距离。枝晶间距的大小是钢锭结构细化程度的标志。一次枝晶距lⅠ决定于温度梯度和凝固速度的乘积（即GR），而二次枝晶距lⅡ直接决定于冷却速度。为了得到枝晶间距与凝固条件的关系，可以应用理论分析和实验测定两种方法。试验研究指出，树枝晶间距l与凝固速度R和温度梯度G有关。雅可彼试验不同温度梯度和凝固速度对树枝形态的影响，并测定了lI和lⅡ与R和G关系：上述两经验式中，对一次晶间距，指