第二讲 钢液结晶

第一章 钢液结晶到目前为止，除了少数合金能在超高速冷却条件下（106～108℃/S ）凝固成非晶态外，几乎所有的液态金属（包括钢液）在通常的冷却条件下都转变成晶体。

液态金属转变成晶体的过程称为结晶。

凝固和结晶概念区别：从不同的角度，看待液态到固态的相变过程。

凝固：从宏观上来看，钢液通过散热，由液态钢水转变为固态铸坯的过程即为凝固。

凝固是从传热的角度来分析钢水到铸坯的过程，而不涉及（或不考虑）微观上的原子行为。

结晶：从微观上来看，钢液中原子由“近程有序”向“远程有序”的转变，使原子排列成为按一定规则排列的晶体。

从晶体的生核、长大等过程来研究从液态到固态的过程。

对于非金属来说，甚至对于金属在超高速冷却冷却时，其凝固过程不一定是结晶过程。

如连铸保护渣的渣膜的凝固行为包括结晶和玻璃相凝固两种现象。

也就是说，凝固不一定以结晶的方式进行，但结晶的过程都造成凝固。

对于实际生产中的凝固过程来说，钢水到铸坯的凝固都是通过结晶来完成的。

钢液的结晶过程决定着铸坯凝固后的结晶组织，以及偏析、气体析出、缩孔和裂纹形成因此对铸坯的质量、性能以及连铸工艺过程都具有极其重要的作用。

本章从热力学和动力学的观点出发，通过生核和生长过程阐述钢液结晶的基本规律，从而为后续章节的学习奠定基础。

第一节 结晶热力学液态金属的结晶是一种相变。

根据热力学分析，它是一个降低体系自由能的自发进行的过程。

各状态的体积自由能G 可用下式表示：TS H G -=式中 H —热焓T —温度，S —熵值因而，各种状态下体积自由能随着温度的升高而降低，其降低速率取决于熵值的大小。

液、固两相体积自由能L G 和S G 随温度而变化的情况如图所示。

由于结构高度紊乱的液相具有更高的熵值，自由能L G 将以更大的速率随着温度的上升而下降，并于某一温度L T （为了与以后的表示方法一致）处与曲线S G 相交。

当L T T =时，S L G G =，固、液两相处于平衡状态。

共析钢的结晶过程钢的结晶过程是指在钢的冷却过程中，液态钢转变为固态钢的过程，从而形成钢材的晶粒结构。

下面将详细讨论钢的结晶过程。

钢的结晶过程可以分为凝固和晶粒长大两个阶段。

1.凝固阶段：在钢水冷却至共析温度以下时，开始出现凝固现象。

在这个阶段，钢液中的元素开始凝固，并且在凝固过程中形成了有序的晶粒结构。

晶粒是以晶粒核为起始点，由钢液中的溶质原子结合并连接起来形成的。

钢中的元素以固态结点引发钢液凝固，形成固相晶体。

通常情况下，固相晶体多由α相（铁的一种相）和铁碳间化合物（如Fe3C）组成。

这些固相晶体在凝固过程中不断增大，形成晶粒。

在钢的凝固过程中，晶粒的形状是由凝固前的浸泡组织所决定的。

浸泡组织是指在凝固前的高温下由软化处理或烧结所形成的组织。

这个组织类型通常是由锥形晶粒组成，当凝固开始时，这种形状会影响晶粒的生长。

2.晶粒长大阶段：在凝固阶段后，晶粒开始在不断的冷却中长大。

这个阶段的晶粒生长速度和形态变化受原子的扩散和晶格结构的不断调整所影响。

晶粒的形态、大小和取向是钢材性能的重要影响因素。

晶粒大小通常由冷却速度决定，快速冷却会导致细小的晶粒。

细小的晶粒有更多的晶界，晶界可以阻碍晶界扩张和位错运动，因此细小的晶粒通常具有更好的强度和韧性。

晶粒取向是指晶粒的[100]、[110]和[111]等晶向分布。

晶粒取向的不同会影响钢材的各种性能。

例如，[100]取向的钢材具有良好的塑性，而[111]取向的钢材具有良好的力学性能。

总结起来，钢的结晶过程是一个复杂的过程，涉及到原子的凝固和晶粒的长大。

钢材的晶粒结构对其性能具有重要影响，因此在钢材的生产过程中需要控制好结晶过程，以获得优质的钢材。

科目钢液凝固原理基本课题第一讲金属结晶的条件授课日期07年9月7日，9月8日课时 4授课方式讲解法授课班级连铸技师班选用教具无教学目的掌握金属结晶的热力学条件，动力学条件，金属的结晶过程，晶核的形成方式及条件，晶体的长大方式，晶粒大小对金属性能的影响，结晶过程中晶粒的控制教学重点金属结晶的动力学条件，结晶过程中晶粒的控制教学难点晶核的形成方式及长大方式授课内容金属结晶的条件新课引入钢液的凝固是一个复杂的物理化学变化过程，伴随有形态、体积、组织结构、性能、成分的变化。

一、液态金属的冷却曲线（三种不同冷却曲线）结晶过程中的热：结晶潜热（相变热）和逸散热（向周围环境的散热）1、结晶潜热=散热冷却速度很慢的平衡冷却结晶在恒温下进行冷却曲线出现水平台阶2、晶潜热＞散热冷却速度较快结晶过程中出现温度回升3、晶潜热＜散热冷却速度很快结晶过程温度在不断下降（小体积或局部区域）附：说明相变热和结晶潜热、理论结晶温度T m和实际结晶温度T n 过冷度△T的概念二、结晶的热力学条件热力学第二定律：在等温等压过程中，体系的自发过程沿着自由能减少的方向进行自由能G=H-TS （H—热焓S—熵T—绝对温度）即△G＜0对于固体其G固= H固-TS固与温度的关系见下图对于液体其G液= H液-TS液与温度的关系见下图G L，Gs随T↑而↓但G L↓>Gs. ↓相交点对应的温度为Tm。

讨论：1) T=Tm时，G L=Gs △G=0 动态平衡，不熔化也不结晶；相交点对应的温度为Tm。

2) T<Tm时，G L<Gs △G＜0 L→S 结晶3) T>Tm时，G L>Gs △G＞0 S→L 熔化可见，结晶的热力学条件是：G L<Gs 或ΔG = Gs—G L<0结晶满足了热力学条件只是说明结晶具备了可能性，但能不能实现还依赖于动力学条件三、结晶的动力学条件1、金属的结晶过程结晶的一般过程是由形核和长大两个过程交错从叠组合而成的过程。

钢液凝固的基本原理钢液凝固的基本原理1 钢液的凝固与结晶众所周知，在不同的温度条件下，物质都具有不同的状态。

钢也一样，在加热到一定的温度时，可从固态转化成液态；钢液冷却到某个温度时，将从液态转化为固态。

钢从液态转化成固态称为凝固；从固态转化成液态叫熔化。

钢水凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大的过程，所以也叫做结晶。

1.1 钢液的结晶条件（钢液凝固的热力学条件）通常把固体转变为液态的下限温度称为熔点；把液态转变为固态的上限温度叫凝固点，又称理论结晶温度。

凝固点即物质在冷却过程中开始凝固的温度，钢液的结晶只有降温到凝固点以下才能发生。

因为钢液的液相温度在冶炼和浇注操作中是一个关键参数，因此，准确知道要生产的钢的液相线温度对整个炼钢过程至关重要。

出于操作安全性和希望得到尽量多的等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑，一般要求浇注温度确定在液相线以上的一个合适的值。

一般根据钢中元素含量可以计算出该钢的液相线温度值。

通常用T S表示钢的凝固点或理论结晶温度。

对某一具体的钢种，凝固点通常可用以下公式理论计算出：T S=1536℃－（78C%+7.6Si%+4.9Mn%+34P%+30S%+5Cu%+3.1Ni%+ 2Mo%+2V%+1.3Cr%+3.6Al%+18Ti%）℃降温到T S以下某温度T叫过冷，并把T S与T的温度差值△T叫过冷度，即：△T=T S－T过冷是钢液结晶的必要条件，过冷度的大小决定结晶趋势的大小，即过冷度越大，结晶速度越快；反之，过冷度越小，结晶速度越慢。

1.2 晶核的形成（1）自发形核在过冷钢液中，有一些呈规则排列的原子集团，其中尺寸最大的集团，就是晶体产生的胚，称之为晶胚。

晶胚时而长大，时而缩小，但最终必有一些晶胚达到某一规定的临界尺寸以上，它就能够稳定成长而不再缩小了，这就形成晶核。

（2）非自发开核因在钢液的凝固过程中，液相中非自发形核比自发形核所要求的过冷度小得多，只要几度到20℃过冷度就可形核，这是因为钢液中存在悬浮质点和表面不光滑的器壁，均可作为非均质形核的核心。

钢液凝固得基本原理1 钢液得凝固与结晶众所周知,在不同得温度条件下,物质都具有不同得状态。

钢也一样,在加热到一定得温度时,可从固态转化成液态;钢液冷却到某个温度时,将从液态转化为固态。

钢从液态转化成固态称为凝固;从固态转化成液态叫熔化、钢水凝固得过程主要就是晶体或晶粒得生成与长大得过程,所以也叫做结晶。

1、１钢液得结晶条件(钢液凝固得热力学条件)通常把固体转变为液态得下限温度称为熔点;把液态转变为固态得上限温度叫凝固点,又称理论结晶温度。

凝固点即物质在冷却过程中开始凝固得温度,钢液得结晶只有降温到凝固点以下才能发生。

因为钢液得液相温度在冶炼与浇注操作中就是一个关键参数,因此,准确知道要生产得钢得液相线温度对整个炼钢过程至关重要。

出于操作安全性与希望得到尽量多得等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑,一般要求浇注温度确定在液相线以上得一个合适得值。

一般根据钢中元素含量可以计算出该钢得液相线温度值、通常用ＴS表示钢得凝固点或理论结晶温度。

对某一具体得钢种,凝固点通常可用以下公式理论计算出:T S＝1５3６℃－(７８Ｃ%+７。

６Si%＋４.９Mn％+３4Ｐ％+30S％＋5Cｕ％＋３.1Ｎi％＋2Mｏ%+2V％+1。

３Cｒ％+３。

6Al％+１８Tｉ％)℃降温到ＴS以下某温度Ｔ叫过冷,并把T S与T得温度差值△Ｔ叫过冷度, 即:△T＝Ｔ－TＳ过冷就是钢液结晶得必要条件,过冷度得大小决定结晶趋势得大小,即过冷度越大,结晶速度越快;反之,过冷度越小,结晶速度越慢。

1.2晶核得形成（1）自发形核在过冷钢液中,有一些呈规则排列得原子集团,其中尺寸最大得集团,就就是晶体产生得胚,称之为晶胚。

晶胚时而长大,时而缩小,但最终必有一些晶胚达到某一规定得临界尺寸以上,它就能够稳定成长而不再缩小了,这就形成晶核。

（2）非自发开核因在钢液得凝固过程中,液相中非自发形核比自发形核所要求得过冷度小得多,只要几度到２0℃过冷度就可形核,这就是因为钢液中存在悬浮质点与表面不光滑得器壁,均可作为非均质形核得核心。

第一章 钢液结晶到目前为止，除了少数合金能在超高速冷却条件下（106～108℃/S ）凝固成非晶态外，几乎所有的液态金属（包括钢液）在通常的冷却条件下都转变成晶体。

液态金属转变成晶体的过程称为结晶。

凝固和结晶概念区别：从不同的角度，看待液态到固态的相变过程。

（1） 凝固：从宏观上来看，钢液通过散热，由液态钢水转变为固态铸坯的过程即为凝固。

凝固是从传热的角度来分析钢水到铸坯的过程，而不涉及（或不考虑）微观上的原子行为。

（2） 结晶：从微观上来看，钢液中原子由“近程有序”向“远程有序”的转变，成为按一定规则排列的晶体。

从晶体的生核、长大等过程来研究从液态到固态的过程。

凝固不一定以结晶的方式进行，但结晶的结果都会造成凝固。

对于非金属来说，甚至对于金属在超高速冷却冷却时，其凝固过程不一定是结晶过程。

如连铸保护渣的渣膜的凝固行为包括结晶和玻璃相凝固两种现象。

注：对于实际生产中的凝固过程来说，钢水到铸坯的凝固都是通过结晶来完成的。

钢液的结晶过程决定着铸坯凝固后的结晶组织，以及偏析、气体析出、缩孔和裂纹形成因此对铸坯的质量、性能以及连铸工艺过程都具有极其重要的作用。

本章从热力学和动力学的观点出发，通过生核和生长过程阐述钢液结晶的基本规律，从而为后续章节的学习奠定基础。

第一节 结晶热力学液态金属的结晶是一种相变。

根据热力学分析，它是一个降低体系自由能的自发进行的过程。

各状态的体积自由能G 可用下式表示：TS H G -=式中 H —热焓T —温度，S —熵值由于0S >，各种状态下体积自由能随着温度的升高而降低，其降低速率取决于熵值的大小。

液、固两相体积自由能L G 和S G 随温度而变化的情况如图所示。

由于结构高度紊乱的液相具有更高的熵值，自由能L G 将以更大的速率随着温度的上升而下降，并于某一温度L T （为了与以后的表示方法一致）处与曲线S G 相交。

（1） 当L T T =时，S L G G =，固、液两相处于平衡状态。