钢的浇注凝固理论

7.钢的浇注7.1凝固理论一、凝固1.凝固(Solidification)从液态到固态；金属原子从无序到有序状态的转变，也是在液态中无规则的原子集团转变成按一定规则排列的固态结晶体。短程有序长程有序凝固现象形核＋长大凝固过程示意图2.对凝固的要求正确的凝固结构；合金元素分布均匀；最大限度的除去气体和夹杂；钢锭内部和表面质量良好；钢水收得率高。二、凝固的热力学条件1.温度对凝固的影响T0Tn△TG固G液温度T自由能G△G(1)平衡熔点T0在平衡熔点处：钢凝固反应：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△T0，△Gf才小于零，凝固才自发进行。(2)过冷度△T凝固时的冷却曲线时间温度时间温度T0△TT0△Ta.纯金属b.合金2.晶粒度对熔点的影响：晶粒越小，它的蒸气压越大，熔点也越低3.形核：两类均匀形核：晶核在母相中不依附任何外来物而形成;非均匀形核：核心依附于液体内存在的杂质或容器表面形成。(1)均匀形核a.形核时能量变化体积自由焓变：△Gv表面自由焓变：△GF体积自由焓变：△Gv△Gv＝4/3πr3(GS-GL)表面自由焓变：△GF△GF＝4πr2·σ形核总自由焓变：△G△G＝4/3πr3(GS-GL)＋4πr2·σ＝4/3πr3Lf△T/T0＋4πr2·σb.临界形核半径：r*0Gr△G＝4/3πr3Lf△T/T0＋4πr2·σTLTrf02结构起伏；能量起伏；成分起伏。形核功：△G*可以看出△G*0c.晶核的来源：2343162203rTLTGfd.形核速率和过冷度的关系临界过冷度△T*：只有过冷度大于一定值时，才可能形核，这个过冷度称为形核临界过冷度△T*。临界过冷度ΔT*(2)非均匀形核cosSLSCLC对形核杂质的要求：结构相似，大小相当。三.凝固组织1.凝固组织分类宏观凝固组织：柱状晶、等轴晶微观凝固组织：胞状、树枝状等凝固组织与温度梯度dT/dX和结晶速度R的关系2.凝固组织的形成大部分钢坯的微观凝固组织是树枝状的。3.凝固组织与钢的质量二次晶间距：表示树枝状组织的疏密程度；其大小是改善微观偏析程度的标志，越小，有利于各项性能的提高。四、偏析偏析——合金凝固时，随着组织的形成、由于溶质的再分配将引起溶质元素与杂质元素的不均匀分布。偏析，指这种化学成分分布的不均匀性；1.偏析分类：根据偏析产生的范围，可分为宏观偏析和显微偏析；(1)宏观偏析(区域偏析)：分为正偏析、反偏析和比重偏析等。K0的定义：在一定温度下,溶质在固液两相中的平衡浓度比值称为平衡分配系数：K0＝Cs/Cl正偏析(正常偏析)在K01的合金铸件中，先凝固的外层区域溶质含量低于后凝固的内层；对于K01的合金系，上述情况相反;这是一种正常的凝固现象，故称正常偏析；偏析程度：凝固速度：越小，正偏析越明显；液体对流：越大，正偏析增强；溶质扩散。反(负)偏析在K01的合金铸件中，其外层溶质元素含量高于内部．即与正常偏析相反，故称反偏析；比重偏析由合金凝固时形成的初晶相与溶液之间比重的显著差别所引起的一种偏析；防止：增大冷速。(2)显微偏析可分为枝晶偏析、胞状偏析和晶界偏析枝晶偏析(晶内偏析):当合金以树枝状方式凝固时，溶质在枝晶干的中心和外部浓度不同；胞状偏析：当合金以胞状方式生长时，溶质在胞壁处与内部浓度不同。胞状偏析时溶质在胞内与边界分布示意图晶界偏析：溶质或杂质在晶界处的富集或贫化；晶界偏析的形成2、偏析的形成：钢液中碳、硫、磷的浓度越高，偏析越严重；凝固开始与终了的温度区间越大，偏析越严重；钢中偏析度最大的元素是硫，其次是磷和碳；硅和锰与铁形成固溶体，偏析不严重；铸锭重量增大，使钢锭的物理化学不均匀性加剧。偏析带的形成机理：外壳和钢的平均成分相同钢锭心部形成正偏析纵截面上V形偏析带和∧形偏析带钢锭下部有负偏析锥保温帽下方正偏析区。3、减轻宏观偏析的措施(1)提高冷却速度(2)选择合适的锭型与锭的尺寸(3)调整合金元素的种类与数量(4)添加抗生剂(5)完善浇注工艺。4、减轻显微偏析的措施(1)提高冷却速度(2)采用合理锭型，掌握正确的浇注工艺(3)降低有害元素、气体及夹杂的含量(4)采用扩散退火或均匀化退火。1、细小等轴带2、柱状晶带3、中心等轴晶区。五、凝固结构的控制1.钢锭结构2.影响镇静钢锭结构的因素：P3133.一般铸坯都要求等轴细晶粒组织各向同性，性能较为优异；4.抑制柱状晶的长大方法：(1)降低浇注温度，减少钢液的过热度(2)添加抗生剂，如铁粉、稀土、钴—硼酸盐等；(3)采用物理方法加强钢液的对流，促进缩颈的晶体脱离模壁或树枝晶的晶干；(4)加入形核剂，增加形核的机率．细化晶粒。