鋼的澆注凝固理論

關(guān)于鋼的澆注凝固理論第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六一、凝固1.凝固(Solidification)

從液態(tài)到固態(tài)；金屬原子從無(wú)序到有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，也是在液態(tài)中無(wú)規(guī)則的原子集團(tuán)轉(zhuǎn)變成按一定規(guī)則排列的固態(tài)結(jié)晶體。短程有序長(zhǎng)程有序第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六凝固現(xiàn)象形核＋長(zhǎng)大凝固過(guò)程示意圖第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六2.對(duì)凝固的要求正確的凝固結(jié)構(gòu)；合金元素分布均勻；最大限度的除去氣體和夾雜；鋼錠內(nèi)部和表面質(zhì)量良好；鋼水收得率高。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六二、凝固的熱力學(xué)條件1.溫度對(duì)凝固的影響T0Tn△TG固G液溫度T自由能G△G(1)平衡熔點(diǎn)T0第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六在平衡熔點(diǎn)處：鋼凝固反應(yīng)：Fe液＝Fe固△Gf＝G固－G液＝△H－T△S

＝△H－T△H/T0令△H＝Lf

＝Lf(T0－T)/T0

＝Lf△T/T0只有△T>0，△Gf才小于零，凝固才自發(fā)進(jìn)行。(2)過(guò)冷度△T第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六凝固時(shí)的冷卻曲線時(shí)間溫度時(shí)間溫度T0△TT0△Ta.純金屬b.合金第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六2.晶粒度對(duì)熔點(diǎn)的影響：晶粒越小，它的蒸氣壓越大，熔點(diǎn)也越低第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六3.形核：兩類(lèi)均勻形核：晶核在母相中不依附任何外來(lái)物而形成;

非均勻形核：核心依附于液體內(nèi)存在的雜質(zhì)或容器表面形成。(1)均勻形核a.形核時(shí)能量變化體積自由焓變：△Gv

表面自由焓變：△GF第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六體積自由焓變：△

Gv

△Gv＝4/3πr3(GS-GL)表面自由焓變：△GF△GF＝4πr2·σ形核總自由焓變：△G△G＝4/3πr3(GS-GL)＋4πr2·σ＝4/3πr3Lf△T/T0＋4πr2·σ第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六b.臨界形核半徑：r*△G＝4/3πr3Lf△T/T0＋4πr2·σ第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六結(jié)構(gòu)起伏；能量起伏；成分起伏。形核功：△G*可以看出△G*>0c.晶核的來(lái)源：第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六d.形核速率和過(guò)冷度的關(guān)系臨界過(guò)冷度△T*：只有過(guò)冷度大于一定值時(shí)，才可能形核，這個(gè)過(guò)冷度稱(chēng)為形核臨界過(guò)冷度△T*。第13頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六臨界過(guò)冷度ΔT*第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六(2)非均勻形核對(duì)形核雜質(zhì)的要求：結(jié)構(gòu)相似，大小相當(dāng)。第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六三.凝固組織1.凝固組織分類(lèi)宏觀凝固組織：柱狀晶、等軸晶微觀凝固組織：胞狀、樹(shù)枝狀等第17頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六凝固組織與溫度梯度dT/dX和結(jié)晶速度R的關(guān)系2.凝固組織的形成大部分鋼坯的微觀凝固組織是樹(shù)枝狀的。第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六3.凝固組織與鋼的質(zhì)量二次晶間距：表示樹(shù)枝狀組織的疏密程度；

其大小是改善微觀偏析程度的標(biāo)志，越小，有利于各項(xiàng)性能的提高。第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六四、偏析

偏析——合金凝固時(shí)，隨著組織的形成、由于溶質(zhì)的再分配將引起溶質(zhì)元素與雜質(zhì)元素的不均勻分布。偏析，指這種化學(xué)成分分布的不均勻性；1.偏析分類(lèi)：根據(jù)偏析產(chǎn)生的范圍，可分為宏觀偏析和顯微偏析；(1)宏觀偏析(區(qū)域偏析)：

分為正偏析、反偏析和比重偏析等。第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六K0的定義：

在一定溫度下,溶質(zhì)在固液兩相中的平衡濃度比值稱(chēng)為平衡分配系數(shù)：

K0＝Cs/Cl第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六正偏析(正常偏析)

在K0<1的合金鑄件中，先凝固的外層區(qū)域溶質(zhì)含量低于后凝固的內(nèi)層；對(duì)于K0>1的合金系，上述情況相反;這是一種正常的凝固現(xiàn)象，故稱(chēng)正常偏析；偏析程度：凝固速度：越小，正偏析越明顯；液體對(duì)流：越大，正偏析增強(qiáng)；溶質(zhì)擴(kuò)散。第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六

反(負(fù))偏析

在K0<1的合金鑄件中，其外層溶質(zhì)元素含量高于內(nèi)部．即與正常偏析相反，故稱(chēng)反偏析；比重偏析由合金凝固時(shí)形成的初晶相與溶液之間比重的顯著差別所引起的一種偏析；防止：增大冷速。第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六(2)顯微偏析

可分為枝晶偏析、胞狀偏析和晶界偏析

枝晶偏析(晶內(nèi)偏析):當(dāng)合金以樹(shù)枝狀方式凝固時(shí)，溶質(zhì)在枝晶干的中心和外部濃度不同；胞狀偏析：當(dāng)合金以胞狀方式生長(zhǎng)時(shí)，溶質(zhì)在胞壁處與內(nèi)部濃度不同。第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六胞狀偏析時(shí)溶質(zhì)在胞內(nèi)與邊界分布示意圖第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六晶界偏析：溶質(zhì)或雜質(zhì)在晶界處的富集或貧化；晶界偏析的形成第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六2、偏析的形成：鋼液中碳、硫、磷的濃度越高，偏析越嚴(yán)重；凝固開(kāi)始與終了的溫度區(qū)間越大，偏析越嚴(yán)重；鋼中偏析度最大的元素是硫，其次是磷和碳；硅和錳與鐵形成固溶體，偏析不嚴(yán)重；鑄錠重量增大，使鋼錠的物理化學(xué)不均勻性加劇。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六偏析帶的形成機(jī)理：外殼和鋼的平均成分相同鋼錠心部形成正偏析縱截面上V形偏析帶和∧形偏析帶鋼錠下部有負(fù)偏析錐保溫帽下方正偏析區(qū)。第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六3、減輕宏觀偏析的措施(1)提高冷卻速度(2)選擇合適的錠型與錠的尺寸(3)調(diào)整合金元素的種類(lèi)與數(shù)量(4)添加抗生劑(5)完善澆注工藝。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)2分，星期六4、減輕顯微偏析的措施(1)提高冷卻速度(2)采用合理錠型，掌握正確的澆注工藝(3)降低有害元素、氣體及夾雜的含量(4)采用擴(kuò)散退火或均勻化退火。第3