结晶（钢液）

    简介

    从钢液中产生晶体的过程，也称液态结晶或一次结晶。随着热量的导出，晶体从无到有(形核)，由小变大(晶体长大)，直至液体全部转为固体(晶体)，完成结晶过程。钢液的结晶过程决定着钢锭或铸件的结晶组织及物理、化学不均匀性，从而影响到钢的机械、物理和化学性能。控制钢的结晶过程是提高钢的质量和性能的重要手段之一。

    温度范围

    钢液不是纯金属，而是以Fe为基的含有一定量C、Si、Mn及其他一些元素的多元合金。因此，它的结晶过程不是在某一固定的温度(熔点)进行，而是在一定的温度范围内完成的。在平衡结晶条件下，钢液温度降至其液相线温度(tL)时开始出现晶体，而达到固相线温度(ts)时结晶方告结束。此液相线和固相线间的温度区间，即tL-ts=Δtc。便称为该合金的结晶温度范围。某一钢种的结晶温度范围主要取决于所含元素的性质及其含量，并可由铁与相应元素的二元或三元相图来确定。各元素对结晶温度范围的影响可近似地看成可加和的。即某一具体钢种的结晶温度范围。

    结晶两相区

    钢液凝固时，在靠近模壁的固相(凝固层)与内部液相之间存在着一个过渡区—两相区(图1)，即在凝固着的钢锭内，存在三个区域：固相区、两相区、液相区。钢液的结晶即形核和晶核长大过程只在两相区进行。钢锭的凝固就是两相区由钢锭表面向锭心的推移过程：当液相等温线到达钢锭内某一部位时，结晶开始；而固相等温线达到某一部位时，该处结晶便告结束，全部转变为固体。液相等温线和固相等温线到达锭内某一指定点的时间间隔，即该点从液相线温度降至固相等温线所经历的时间，称作该点的本地凝固时间，常以q表示之。本地凝固时间与该处的平均冷却速度成反比。由于钢锭内不同部位的传热条件差异很大，因此不同部位的本地凝固时间会有很大的不同，从而引起结晶组织的不同。钢锭内液相等温线和固相等温线间的距离称作两相区宽度，以△x表示之。且有。两相区窄有利于柱状晶发展，而两相区宽有利于等轴晶发展。

    形成原因

    合金凝固时，由于溶质在固相中和在液相中的溶解度不同，而产生选分结晶(也称脱溶或液析)现象。即伴随结晶的进行，在凝固前沿不断有溶质析出(K

    树枝晶生长

    晶体生长方式，即凝固前沿推进的方式取决于凝固前沿组成过冷的大小。当组成过冷从无到有、由小变大时，凝固前沿将由平滑无组织状态演变为胞状直至树枝状、内生生长。对于钢锭的实际凝固条件下，在大部分凝固期间，凝固前沿是以树枝状或内生状态生长，最终得到树枝状晶的晶体结构。晶体总是以原子排列最紧密的面与液相接触，以使表面能最小。对面心立方晶格的γ一Fe来说，密排面为{111}面，所以开始析出的晶体呈八面体外形。随着结晶的进行，由于选分结晶在凝固前沿形成溶质富集层，这时晶体便从表面溶质浓度富集较少的部位—八面体的顶端沿[111]方向凸出生长，形成树枝晶的一次轴(主干)。接着，一次轴沿八面体的棱边——溶质浓度次低处优先长粗。当一次轴表面处组成过冷进一步增加时，又会在一次轴晶体缺陷处形成与一次轴相垂直的二次枝晶——二次轴。随后还可能形成三次枝晶、四次枝晶等，每个晶干不断长粗和长出更高次枝晶，直至彼此相遇。最后充满整个树枝晶各枝干间，形成一个晶粒。

    根据生长方式的不同，可得到3种不同形状的树枝晶：

    (1)柱状晶。只有一个方向上的一次轴得到突出发展的树枝状晶。该一次轴称为主轴。当组成过冷小时，枝晶状长大所得到的柱状晶，二次枝晶不发达，类似于棒状晶。随着组成过冷的增加，柱状晶的高次枝晶逐步得到发展。

    (2)等轴晶。各方向都得到较均匀发展的树枝状晶。只有内生生长时才形成等轴晶。

    (3)粒状晶。枝晶不发达的树枝状晶，也称球雏晶。只有在散热强度极小时，如钢锭和铸件的热中心处才可见到粒状品。