一次結(jié)晶結(jié)晶的動力學(xué)條件

結(jié)晶必須在過冷條件下進行，其過程分為形核和晶核長大兩部分。

液體的結(jié)晶必須有核心。形核有均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核之分。液態(tài)金屬中的原子集團在足夠的過冷度條件下，變成規(guī)則排列，并穩(wěn)定下來而成為晶核，這一過程即為均質(zhì)形核，純金屬的結(jié)晶只能靠均質(zhì)形核。在金屬液相中已存在的固相質(zhì)點和表面不光滑的器壁均可作為形成核心的“依托”而發(fā)展成初始晶核，此種形核過程稱為非均質(zhì)形核。鋼液內(nèi)部含有熔點不同的雜質(zhì)，因此鋼液的結(jié)晶主要為非均質(zhì)形核。鋼液形成晶核后即迅速長大。開始長大時具有與金屬晶體結(jié)構(gòu)相同的規(guī)則外形，隨后由于傳熱的不穩(wěn)定，使晶粒向傳熱最快的方向優(yōu)先生長，于是形成樹枝晶。

希望鋼液在結(jié)晶過程中形成細晶粒組織，這就要求在形核數(shù)量和晶粒長大速度上加以控制。另外，通過人為地加入異質(zhì)晶核的辦法來增加晶核數(shù)量也可以得到細晶粒組織 。

一次結(jié)晶是指從鋼液中產(chǎn)生晶體的過程，也稱液態(tài)結(jié)晶鋼的結(jié)晶。隨著熱量的導(dǎo)出，晶體從無到有，由小變大（晶體長大），直至液體全部轉(zhuǎn)為固體（晶體），完成結(jié)晶過程。鋼液的結(jié)晶過程決定著鋼錠或鑄件的結(jié)晶組織及物理、化學(xué)不均勻性，從而影響到鋼的機械、物理和化學(xué)性能?？刂其摰慕Y(jié)晶過程是提高鋼的質(zhì)量和性能的重要手段之一。一次結(jié)晶是在焊接熔池的一次結(jié)晶和普通的鋼鑄錠結(jié)晶一樣，是由晶核的形成和晶粒的長大兩個過程所組成。熔池開始結(jié)晶時所需要的晶核，一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮點，這種晶核在一般情況下所起的作用不大：另一種是熔合區(qū)附近，加熱到熔化溫度而沒有熔化的基體金屬顆粒表面，結(jié)晶就從這里開始 。

鋼液不是純金屬，而是以Fe為基的含有一定量C、Si、Mn及其他一些元素的多元合金。因此，它的結(jié)晶過程不是在某一固定的溫度（熔點）進行，而是在一定的溫度范圍內(nèi)完成的。在平衡結(jié)晶條件下，鋼液溫度降至其液相線溫度時開始出現(xiàn)晶體，而達到固相線溫度時結(jié)晶方告結(jié)束。此液相線和固相線間的溫度區(qū)間，便稱為該合金的結(jié)晶溫度范圍。某一鋼種的結(jié)晶溫度范圍主要取決于所含元素的性質(zhì)及其含量，并可由鐵與相應(yīng)元素的二元或三元相圖來確定。各元素對結(jié)晶溫度范圍的影響可近似地看成可加和的 。

結(jié)晶兩相區(qū) 鋼液凝固時，在靠近模壁的固相（凝固層）與內(nèi)部液相之間存在著一個過渡區(qū)——兩相區(qū)，即在凝固著的鋼錠內(nèi)，存在三個區(qū)域：固相區(qū)、兩相區(qū)、液相區(qū)。鋼液的結(jié)晶即形核和晶核長大過程只在兩相區(qū)進行。鋼錠的凝固就是兩相區(qū)由鋼錠表面向錠心的推移過程：當(dāng)液相等溫線到達鋼錠內(nèi)某一部位時，結(jié)晶開始;而固相等溫線達到某一部位時，該處結(jié)晶便告結(jié)束，全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。液相等溫線和固相等溫線到達錠內(nèi)某一指定點的時間間隔，即該點從液相線溫度降至固相等溫線所經(jīng)歷的時間，稱作該點的本地凝固時間。本地凝固時間與該處的平均冷卻速度成反比。由于鋼錠內(nèi)不同部位的傳熱條件差異很大，因此不同部位的本地凝固時間會有很大的不同，從而引起結(jié)晶組織的不同。鋼錠內(nèi)液相等溫線和固相等溫線間的距離稱作兩相區(qū)寬度。兩相區(qū)窄有利于柱狀晶發(fā)展，而兩相區(qū)寬有利于等軸晶發(fā)展 。

選分結(jié)晶及組成過冷 合金凝固時，由于溶質(zhì)在固相中和在液相中的溶解度不同，而產(chǎn)生選分結(jié)晶（也稱脫溶或液析）現(xiàn)象。即伴隨結(jié)晶的進行，在凝固前沿不斷有溶質(zhì)析出，使液相同溶質(zhì)濃度逐漸增加。在平衡結(jié)晶時，溶質(zhì)在固、液兩相中的均勻擴散都得以充分進行，因而并不產(chǎn)生偏析。但在鋼液的實際凝固過程中，溶質(zhì)在兩相，特別是在固相中的擴散不能充分進行。結(jié)果析出的溶質(zhì)不斷在凝固前沿的母液中富集，形成濃度很高的溶質(zhì)偏析層，此偏析層內(nèi)熔體的液相線溫度相對于成分未變之母液的液相線溫度有所降低，因而使凝固前沿處熔體的過冷減小。這一現(xiàn)象對凝固組織有很大的影響。極端情況下（固相不均化、液相不混合）凝固前沿出現(xiàn)溶質(zhì)最大的富集情況 。

晶體生長方式，即凝固前沿推進的方式取決于凝固前沿組成過冷的大小。當(dāng)組成過冷從無到有、由小變大時，凝固前沿將由平滑無組織狀態(tài)演變?yōu)榘麪钪敝翗渲?、?nèi)生生長。對于鋼錠的實際凝固條件下，在大部分凝固期間，凝固前沿是以樹枝狀或內(nèi)生狀態(tài)生長，最終得到樹枝狀晶的晶體結(jié)構(gòu)。晶體總是以原子排列最緊密的面與液相接觸，以使表面能最小。當(dāng)一次軸表面處組成過冷進一步增加時，又會在一次軸晶體缺陷處形成與一次軸相垂直的二次枝晶——二次軸。隨后還可能形成三次枝晶、四次枝晶等，每個晶干不斷長粗和長出更高次枝晶，直至彼此相遇。最后充滿整個樹枝晶各枝干間，形成一個晶粒。

根據(jù)生長方式的不同，可得到3種不同形狀的樹枝晶：

（1）柱狀晶。只有一個方向上的一次軸得到突出發(fā)展的樹枝狀晶。該一次軸稱為主軸。當(dāng)組成過冷小時，枝晶狀長大所得到的柱狀晶，二次枝晶不發(fā)達，類似于棒狀晶。隨著組成過冷的增加，柱狀晶的高次枝晶逐步得到發(fā)展。

（2）等軸晶。各方向都得到較均勻發(fā)展的樹枝狀晶。只有內(nèi)生生長時才形成等軸晶。

（3）粒狀晶。枝晶不發(fā)達的樹枝狀晶，也稱球雛晶。只有在散熱強度極小時，如鋼錠和鑄件的熱中心處才可見到粒狀晶 。

鋼錠通常由晶粒組織不同的三個區(qū)域所組成：

（1）鋼錠表面細小等軸晶帶，也稱激冷層。它是在模壁上或靠近模壁處鋼液中非自發(fā)形核的結(jié)果。鋼液與模壁接觸，受到強烈冷卻，獲得較大的過冷度。由于過冷熔體中的雜質(zhì)及粗糙模壁都可成為現(xiàn)成的結(jié)晶核心，幾乎同時形成大量晶核，它們彼此妨礙各自的長大，因而得到不同取向的細小等軸晶帶。

（2）柱狀晶帶。隨著錠表激冷層的形成，熱阻增大。特別是錠殼與模壁間形成氣隙后，更使鋼液的散熱強度降低，凝固前沿鋼液中過冷度減?。囟忍荻葴p小）。在這樣的條件下，鋼液的過熱熱量和結(jié)晶潛熱主要通過凝固層傳出，發(fā)生向模壁的定向傳熱。并且由于晶體長大所需要的過冷比形核小得多，于是結(jié)晶表現(xiàn)為已有晶體的繼續(xù)長大。激冷層的內(nèi)緣，樹枝晶體的一次軸朝著不同的方向，而其中一次軸與模壁垂直的那些晶體，通過它的散熱路線最短，散熱最快，以及該軸離成分未變鋼液最近，過冷降低較小，所以這些晶體向錠心的長大得到優(yōu)先發(fā)展，而其余的晶體和這些晶體向其他方向的長大則受到彼此的妨礙而被抑制。于是，在細小等軸晶帶之后，接著形成迎著熱流方向生長的有明顯方向性的柱狀晶。

（3）錠心粗大等軸晶帶。錠心的結(jié)晶過程還不十分清楚。一般認為，隨著柱狀晶的不斷發(fā)展，散熱強度逐漸減小，兩相區(qū)寬度不斷擴大;而且由于結(jié)晶速度減慢，液析過程得以發(fā)展，在凝固前沿產(chǎn)生雜質(zhì)元素的富集層。結(jié)晶速度降低到某一臨界值后，出現(xiàn)組成過冷區(qū)，阻止柱狀晶的繼續(xù)生長，導(dǎo)致富集層前面成分較純、過冷度較大的鋼液中產(chǎn)生孤立的等軸晶，并向各個方向長大，形成無一定方向的粗大等軸晶。對于大型碳素鋼鎮(zhèn)靜鋼鋼錠，在柱狀晶帶與錠心等軸晶帶之間，還可以區(qū)分出過渡晶帶，分枝柱狀晶帶，而在錠心區(qū)下部，還經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)成分較純、晶粒較粗大的“沉積錐?！备鶕?jù)鋼種和澆注條件的不同，鋼錠中各結(jié)晶帶的厚度及相對比例可在很大范圍內(nèi)變化，有的結(jié)晶帶甚至可以完全消失 。