钢的结晶与铸胚凝固结构优秀课件

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,钢的结晶与铸胚凝固结构,2024/11/30,1,內容大綱,鋼的結晶過程,(p.3),結晶的熱力學條件,、,結晶的動力學條件,鋼液結晶的特點,(p.10),結晶溫度範圍,、,偏析,、,成份過冷,、,化學成份偏析,、,顯微偏析,&,宏觀偏析,、,凝固夾雜物,&,凝固氣泡,、,凝固收縮,連鑄胚凝固特徵,(p.25),彎月面,&,氣隙的形成,連鑄胚的凝固結構,(p.29),細小等軸晶帶,、,柱狀晶帶,、,中心等軸晶帶,、,小鋼錠結構,凝固結構的控制,(p.32),連鑄胚冷卻過程中受到的應力,(p.34),2024/11/30,2,鋼的結晶,鋼的凝固結晶需要兩個條件：,1.,熱力學條件,一定的過冷度,2.,動力學條件,必要的晶核,2024/11/30,3,結晶的熱力學條件,根據熱力學，自由焓G的定義為G,HT,S,，,H,為焓，,S為熵,，,T,為絕對溫度,。,若今系統在等溫過程下反應，上式可改寫成,GH,T,S,。,晶核的形成會引起系統自由焓的變化，根據熱力學最小自由焓定理，系統的相變與能量轉換會自動往降低自由焓的方向移動，因此結晶的熱力學條件為固相自由焓G,S,需低於液相自由焓G,L,，也就是：,G,S,G,L,G0,。,在相變溫度T,0,時，系統處於平衡狀態，也就是,G0,，即,：,GH,T,0,S0,(A式),今系統在任一溫度T,1,為不平衡狀態，也就是,G,0,，所以,GH,T,1,S,，與A式合併，消去,S,，整理,可得：,GH,(T,0,T,1,)/T,0,。,今相變欲自發性反應，需,G0,，即,H,(T,0,T,1,)/T,0,0,。,2024/11/30,4,結晶的熱力學條件,今系統如果要自發性反應，要,G0,，即,H,(T,0,T,1,)/T,0,0,。,如果系統自發性反應為蒸發、熔融，過程屬吸熱反應，即,H,0,，也就是要T,0,T,1,，也就是反應發生的溫度,T,1,要大於相變溫度T,0,，也就是說該反應條件要求過熱。,如果系統自發性反應為結晶、凝固，過程屬放熱反應，即,H0,，也就是要T,0,T,1,，也就是反應發生的溫度,T,1,要小於相變溫度T,0,，也就是說該反應條件要求過冷。,過熱度或過冷度是反應進行的驅動力。,2024/11/30,5,結晶的動力學條件,結晶要在過冷條件下進行，結晶過程分為形成穩定晶核的,形核過程,與晶核成長為晶粒的,晶核成長過程,。,形核：液體的結晶需要有成長的核心，而成長核可分為,均質形核,與,非均質形核,。,均質形核：在足夠的過冷度條件下，晶核能從液相中的原子團,(,晶胚,),直接形成。,2024/11/30,6,結晶的動力學條件,(,均質形核,),當溫度下降到液相溫度以下，原子為形成晶態而逐漸規則排列，即凝固過程中，原子由在液相中的聚集狀態變成固相的排列狀態，由於固、液兩相的自由能不同，液相往固相轉變會使系統的體積自由能降低，且因新界面的形成也會使系統的表面自由能增加，因此系統的總自由能變化,G,為：,G,體積自由能的變化表面形成的自由能V,G,V,A,符號說明,：,V為晶胚的體積,，,A為晶胚的表面積，G,V,為固、液兩相的單位體積自由能差,，,為表面自由能。,假設均質形核的晶胚外形為球形,，,半徑為r,，,整理上式後如下所示：,G,(4r,3,/3),G,V,4r,2,(B式),2024/11/30,7,結晶的動力學條件,(,均質形核,),今假設G,V,與皆為確定的常數，則(B式)就是,G與r的關係式,，而,G隨r的變化曲線如下圖所示,：,將(B式)對r微分，可得到極值得位置r,k,。,0r(r,G,V,2,),r,k,-2/G,V,當rr,k,時，晶核的形成會使系統的自由能上升，晶胚不能形成晶核，晶,胚會不穩定而消失。,當r,r,k,時，可能熔化消失或可以形成晶核，而形成臨界晶核需要一定的,能量，將r,k,代回(B式)，其大小約為臨界晶核表面自由能的,1/3，稱為形核功。,當r,r,k,時，晶核長大可以使系統自由能降低，凝固反應自動進行。,G,k,2024/11/30,8,結晶的動力學條件,(,均質形核,),r,k,-2/G,V,=-2/H,(T)/T,液,=(-2,T,液,)/(H,T),過冷度,T,越大，形成晶核的臨界半徑,r,k,也越小，而形成晶核所需要最小的能量也越小，也就是晶核形成要求較小的形核功。,2024/11/30,9,結晶的動力學條件,(,非均質形核,),非均質形核：液相中存在著高熔點微小固體夾雜物或是在表面不光滑的器壁，晶胚可依附在其界面而形成晶核。,非均質成核要求比均質成核較小的過冷度。,純金屬的結晶只能靠均質成核，鋼液含有不同熔點的夾雜物，因此鋼液的結晶以非均質成核較容易。,2024/11/30,10,晶核成長過程,晶核穩定形成後隨即迅速長大，由於傳熱方向的不穩定，晶粒會沿傳熱最快的方向成長，形成樹枝晶。,右圖為晶核長大速度與過冷度的關係圖,，當過冷度增大時，晶核數量形成很快,，也就是形核率增長很快，但晶核成長,的速度卻增加較慢，因此可得知在過冷,度較大時，可以得到均勻的細晶粒結晶,組織，過冷度是影響晶粒成長的因素。,另外添加異質晶核，即形核劑，也可以,增加晶核數量，得到細晶粒組織。,2024/11/30,11,鋼液結晶特點,(,結晶溫度區間,),結晶溫度範圍：,鋼液不是純金屬，含有各種合金元素(C,、,Si,、,Mn等)，所以鋼液的結晶溫度不是在一個固定的溫度點上，而是在一個溫度範圍內完成結晶。,當鋼液溫度下降至液相線溫度T,液,時，結晶開始，溫度持續下降至,固相線溫度T,固,時，結晶完成。T,液,與T,固,的溫度差即為結晶溫度區間。,結晶溫度範圍重要性：,T,液,是決定出鋼溫度與澆鑄溫度的依據,。,結晶溫度範圍的大小對結晶組織的形成,有重要的影響。,T,液,T,固,溫度,T,時間,t,2024/11/30,12,鋼液結晶特點,(,結晶溫度區間,),碳元素對鋼液的結晶溫度範圍有較大的影響，當鋼液中碳成份的含量最多且其他合金元素較少時，可以直接查,Fe-C,平衡圖裡的液相線溫度與固相線溫度，得知結晶溫度範圍。,鋼液在凝固過程中，靠近結晶器壁的固相,(,細小等軸晶帶或激冷層,),，與鑄胚液心之間存在著一固、液兩相共存的過渡區。所以鑄胚內存在著固相區、兩相共存區與液相區，如右圖所示，,x,即為兩相區寬度。,2024/11/30,13,鋼液結晶特點,(,結晶溫度區間,),兩相區的寬度與結晶溫度範圍的大小、溫降梯度有關。,當冷卻速度慢或弱冷時，兩相區的寬度會較大，柱狀晶沿熱傳遞的方向成長會特別發達，所以適當的冷卻方式可以抑制柱狀晶的成長，讓凝固條件有利於等軸晶的形成，也讓結晶組織較緻密。,2024/11/30,14,鋼液結晶特點,(,偏析,),偏析：結晶過程中，先前已凝固的合金濃度與最後凝固的合金濃度不同，此種合金濃度含量上的差異即為偏析現象。,通常合金在固相中的溶解度小於在液相中的溶解度，所以在結晶過程中，晶緣前方會有溶質的析出，析出的溶質積聚著，且隨著凝固的進行，兩相區漸往鑄胚中心移動，也就形成鑄胚中心富集溶質元素的現象。,2024/11/30,15,鋼液結晶特點,(,成份過冷,),由於合金元素在固相與液相中的溶解度不同，鋼液在凝固中會出現偏析的現象，也就是合金元素在凝固前緣的析出，且合金元素對固體的擴散較慢，因此聚集於液相中，特別是在固液相的交界面，該處合金濃度最高。,成份過冷：在偏析層內的液相溫度會較原鋼液的液相溫度低，原因是偏析層內合金元素的濃度大於原鋼液中合金元素的濃度，造成熔點降低，也就是液相溫度的降低。,2024/11/30,16,鋼液結晶特點,(,成份過冷,),鋼液在結晶時，溶質成份會在凝固前緣析出，所以鋼液的結晶除了受到強制冷卻形成溫度過冷的影響外，還會受到由溶質元素引起的成份過冷的影響。,過冷度會影響到晶粒成長的型態，如過冷度小，,(,粗,),晶粒規則成長，等軸晶增加，反之，過冷度大，會形成樹枝狀晶。,(,看結晶位置在哪,),2024/11/30,17,化學成份偏析,在鋼液中最先凝固的部份，合金元素與其它溶質的含量較低，溶質富集於液心，而隨著凝固過程的進行，液心裡的溶質濃度漸增，使得在最後凝固的部份裡，所含有的溶質濃度很高。,由以上知鋼液在凝固過程中，溶質濃度會分佈不均勻，這種不均勻的成份分佈，即為偏析現象。,偏析依觀察的尺度不同，可分成宏觀的鑄胚偏析與微觀的顯微晶粒偏析兩種。,2024/11/30,18,顯微偏析,鋼液是在快速冷卻的條件下結晶，最先結晶的中心成份最純，後結晶的部份含有較多的其它合金元素，因此在最後結晶的部份溶質濃度會最高，也就是在結晶的外圍或前緣。所以在柱狀晶內部與晶粒之間化學成份分佈不均的現象，即為顯微偏析。,2024/11/30,19,影響顯微偏析的因素,冷卻速度,：加大冷卻速度，縮短凝固時間，會使溶質元素沒有足夠時間析出，可以減少溶質元素的偏析。,溶質元素的偏析傾向,：若元素在液相中的濃度大於該元素在固相中的濃度，也就是該元素偏析的傾向大，偏析傾向甚至還跟第三元素的影響有關，例如碳的存在會加大某些元素偏析情形。,溶質元素在固體金屬中的擴散速度,：在不同溫度下，溶質元素在固體合金中的擴散速度不同，例如碳雖是強偏析元素(S,、,P也是偏析傾向強的元素)，但在冷卻過程中，碳在鐵中的擴散速度高於其它溶質元素，因此在冷卻過程中，碳可以均勻的分佈，其它元素擴散速度慢就會不均勻分佈。,2024/11/30,20,宏觀偏析,鋼液在凝固過程中，樹枝狀晶間的鋼液裡含有較高濃度的溶質元素，而凝固時鋼液的流動會將溶質元素帶往未凝固的液心聚集，使得連鑄胚斷面中心的溶質元素濃度高於其它部位，導致整體鑄胚內溶質分佈不均，即為宏觀偏析，也稱為低倍偏析。,2024/11/30,21,偏析的控制,偏析對鑄胚品質有不良影響，在生產中可採取以下方式改善偏析情形：,增加鋼液的冷凝速度,加快冷卻速度，使結晶內溶質元素來不及析出,合適的鑄胚斷面,小斷面鑄胚所需的冷卻時間較短，減輕偏析情形。,控制鋼液的流動,使鋼液成份均勻，例如使用EMS,、,使用適當的SEN。,電磁攪拌,打斷樹枝狀晶，細化晶粒，減少偏析。,工藝因素,降低澆鑄溫度或過熱度，可以減輕偏析情形；防止鑄胚鼓凸變形，減少富集溶質元素的鋼液流往中心間隙，降低中心偏析的情形。,降低鋼液中S,、,P的含量,S,、,P是鋼中偏析傾向最大的元素，對鋼的品質危害最大，因此在精煉時，要盡量減少鋼液中S,、,P的含量。,2024/11/30,22,凝固夾雜物,鋼液中夾雜物的來源很多,，在凝固過程中也會出現一些夾雜物，即凝固夾雜物。形成的過程如下,1.,由於偏析的關係，使得溶質元素在凝固端前緣富集。,2.,富集的溶質元素產生反應形成化合物。,3.,生成的化合物聚集在一起形成夾雜物。,4.,夾雜物上浮，部份夾雜物滯留於鋼液中，也就形成了凝固夾雜物。,控制夾雜物的方法,1.,使夾雜物盡量上浮。,2.,控制夾雜物的形態：般認為夾雜物粒度小，呈球狀且在鑄胚內分佈均勻，對鑄胚的品質危害較小。,2024/11/30,23,控制夾雜物的形態,可採取措施如下,a.,添加,Ca,或稀土元素，使夾雜物結構呈球狀。,b.,改變夾雜物的化學性質，降低對鑄胚的影響。如添加,Mn,可生成,MnS,取代,FeS,，減小熱脆性。,c.,改善夾雜物的數量分佈，鋼中加入適當的,Al,，利用,Al,2,O,3,作為夾雜物的成長核，既增加了夾雜物數量，也減小了粒度。,d.,加速凝固，減少凝固時間，也減少了偏析作用的時間。,e.,適當的鋼液流動，使夾雜物分佈均勻，也增加夾雜物上浮的機會。,2024/11/30,24,凝固氣泡,凝固中主要形成的氣體：,CO,、,H,2,、,N,2,。,CO,形成的原因是鋼液脫氧不良，而物料潮濕所含水分熔入鋼液，會增加鋼中的氫、氧含量。,存在於鋼液中的氣泡如果沒有上浮，會殘存於鋼中形成內部凝固氣泡。離鑄胚表面很近的凝固氣泡，即