一次結(jié)晶

結(jié)晶兩相區(qū) 鋼液凝固時(shí)，在靠近模壁的固相（凝固層）與內(nèi)部液相之間存在著一個(gè)過(guò)渡區(qū)——兩相區(qū)，即在凝固著的鋼錠內(nèi)，存在三個(gè)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(zhǎng)大過(guò)程只在兩相區(qū)進(jìn)行。鋼錠的凝固就是兩相區(qū)由鋼錠表面向錠心的推移過(guò)程：當(dāng)液相等溫線到達(dá)鋼錠內(nèi)某一部位時(shí)，結(jié)晶開(kāi)始;而固相等溫線達(dá)到某一部位時(shí)，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(dá)錠內(nèi)某一指定點(diǎn)的時(shí)間間隔，即該點(diǎn)從液相線溫度降至固相等溫線所經(jīng)歷的時(shí)間，稱作該點(diǎn)的本地凝固時(shí)間。本地凝固時(shí)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(shí)間會(huì)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 。

一次結(jié)晶是指從鋼液中產(chǎn)生晶體的過(guò)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(wú)到有，由小變大（晶體長(zhǎng)大），直至液體全部轉(zhuǎn)為固體（晶體），完成結(jié)晶過(guò)程。鋼液的結(jié)晶過(guò)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(jī)械、物理和化學(xué)性能?？刂其摰慕Y(jié)晶過(guò)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(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程所組成。熔池開(kāi)始結(jié)晶時(shí)所需要的晶核，一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮點(diǎn)，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(méi)有熔化的基體金屬顆粒表面，結(jié)晶就從這里開(kāi)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(guò)程不是在某一固定的溫度（熔點(diǎn)）進(jìn)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(shí)開(kāi)始出現(xiàn)晶體，而達(dá)到固相線溫度時(shí)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(lái)確定。各元素對(duì)結(jié)晶溫度范圍的影響可近似地看成可加和的 。

鋼錠通常由晶粒組織不同的三個(gè)區(qū)域所組成：

（1）鋼錠表面細(xì)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(qiáng)烈冷卻，獲得較大的過(guò)冷度。由于過(guò)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(shí)形成大量晶核，它們彼此妨礙各自的長(zhǎng)大，因而得到不同取向的細(xì)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(qiáng)度降低，凝固前沿鋼液中過(guò)冷度減?。囟忍荻葴p小）。在這樣的條件下，鋼液的過(guò)熱熱量和結(jié)晶潛熱主要通過(guò)凝固層傳出，發(fā)生向模壁的定向傳熱。并且由于晶體長(zhǎng)大所需要的過(guò)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(zhǎng)大。激冷層的內(nèi)緣，樹(shù)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(guò)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(guò)冷降低較小，所以這些晶體向錠心的長(zhǎng)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(zhǎng)大則受到彼此的妨礙而被抑制。于是，在細(xì)小等軸晶帶之后，接著形成迎著熱流方向生長(zhǎng)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(guò)程還不十分清楚。一般認(rèn)為，隨著柱狀晶的不斷發(fā)展，散熱強(qiáng)度逐漸減小，兩相區(qū)寬度不斷擴(kuò)大;而且由于結(jié)晶速度減慢，液析過(guò)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(guò)冷區(qū)，阻止柱狀晶的繼續(xù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致富集層前面成分較純、過(guò)冷度較大的鋼液中產(chǎn)生孤立的等軸晶，并向各個(gè)方向長(zhǎng)大，形成無(wú)一定方向的粗大等軸晶。對(duì)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(guò)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(duì)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 。

晶體生長(zhǎng)方式，即凝固前沿推進(jìn)的方式取決于凝固前沿組成過(guò)冷的大小。當(dāng)組成過(guò)冷從無(wú)到有、由小變大時(shí)，凝固前沿將由平滑無(wú)組織狀態(tài)演變?yōu)榘麪钪敝翗?shù)枝狀、內(nèi)生生長(zhǎng)。對(duì)于鋼錠的實(shí)際凝固條件下，在大部分凝固期間，凝固前沿是以樹(shù)枝狀或內(nèi)生狀態(tài)生長(zhǎng)，最終得到樹(shù)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(guò)冷進(jìn)一步增加時(shí)，又會(huì)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(gè)晶干不斷長(zhǎng)粗和長(zhǎng)出更高次枝晶，直至彼此相遇。最后充滿整個(gè)樹(shù)枝晶各枝干間，形成一個(gè)晶粒。

根據(jù)生長(zhǎng)方式的不同，可得到3種不同形狀的樹(shù)枝晶：

（1）柱狀晶。只有一個(gè)方向上的一次軸得到突出發(fā)展的樹(shù)枝狀晶。該一次軸稱為主軸。當(dāng)組成過(guò)冷小時(shí)，枝晶狀長(zhǎng)大所得到的柱狀晶，二次枝晶不發(fā)達(dá)，類似于棒狀晶。隨著組成過(guò)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(shù)枝狀晶。只有內(nèi)生生長(zhǎng)時(shí)才形成等軸晶。

（3）粒狀晶。枝晶不發(fā)達(dá)的樹(shù)枝狀晶，也稱球雛晶。只有在散熱強(qiáng)度極小時(shí)，如鋼錠和鑄件的熱中心處才可見(jiàn)到粒狀晶 。

結(jié)晶必須在過(guò)冷條件下進(jìn)行，其過(guò)程分為形核和晶核長(zhǎng)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(tuán)在足夠的過(guò)冷度條件下，變成規(guī)則排列，并穩(wěn)定下來(lái)而成為晶核，這一過(guò)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(diǎn)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(guò)程稱為非均質(zhì)形核。鋼液內(nèi)部含有熔點(diǎn)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(zhǎng)大。開(kāi)始長(zhǎng)大時(shí)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(zhǎng)，于是形成樹(shù)枝晶。

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

選分結(jié)晶及組成過(guò)冷 合金凝固時(shí)，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(jìn)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(shí)，溶質(zhì)在固、液兩相中的均勻擴(kuò)散都得以充分進(jìn)行，因而并不產(chǎn)生偏析。但在鋼液的實(shí)際凝固過(guò)程中，溶質(zhì)在兩相，特別是在固相中的擴(kuò)散不能充分進(jìn)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(duì)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(guò)冷減小。這一現(xiàn)象對(duì)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 。