第3章凝固组织.docVIP

第三章 铸坯凝固组织 凝固组织包括两个方面： 宏观组织：指用肉眼观察到的铸坯内部的组织情况，通常包括晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。也就是针对铸坯的宏观状态而言 也称为“凝固结构”、“低倍组织”和“低倍结构”。 显微组织：是指借助于显微镜观察到的晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶以及枝晶间距等。也就是针对铸坯的微观形态而言。 也称为“金相组织”、“微观组织”。 两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸坯的各项性能，特别是机械性能产生强烈的影响。 第二章讨论了晶粒微观组织的形成过程，本章侧重于分析铸坯宏观组织的成因以及各种因素的影响。在理论分析基础上，总结生产中控制铸坯结晶组织的各种有效方法。 铸坯的凝固区域 铸坯凝固的特点 钢属于一种合金。 钢液与纯金属的凝固特征的区别在于： ①纯金属是在一个固定温度下完成凝固。在定向凝固时，凝固前沿无过冷，凝固前沿或凝固区域为一个等温平面。 ②钢是铁碳合金，钢液凝固是在一定的温度范围内完成的。由于溶质再分配产生成分过冷，以树枝晶生长方式完成凝固。即凝固发生在一定范围内，而不再位于一个平面内。 冷却强度高：与铸造和模注工艺相比，连铸采用了强制冷却方式，冷却强度高。 即使在空冷区，铸坯的冷却强度也大于砂模铸造和模注。 定向传热：在凝固过程中，采取铸坯表面冷却，从而形成了由内部向表面的定向传热方式。从钢液内部到坯壳表面温度逐渐降低，即铸坯内外存在较大的温度梯度。 凝固区域 从宏观来看，定向传热使铸坯内部存在温度梯度，而合金性质决定了凝固是在一定温度范围内完成，因此铸坯在凝固过程中会存在三个区域：固相区、两相区和液相区。 如图3－18所示。左图是平衡相图，钢液的结晶温度范围为。右图是正在凝固的铸坯断面，厚度为D。 固相区：铸坯表层区域，其温度低于固相线温度而成为固态，即凝固坯壳。 液相区：中心温度仍在液相线以上而仍为液态钢水，即液芯； 两相区：在固相区和液相区之间，温度处于液相线和固相线之间，呈固液共存。 在铸坯内，固相区和两相区之间的界面温度为，称为“固相等温面”；同时，两相区与液相之间的界面温度为 ，称为“液相等温面”。 在两相区内铸坯完成凝固，因此两相区也称为“凝固区域”。 随着铸坯的冷却，液相等温面和固相等温面不断向铸坯中心推进，铸坯全部凝固后凝固区域消失。 注：①在两相区内，钢液以树枝晶方式生长。 ②在凝固区域内凝固行为与铸坯质量有密切关系。 两相区宽度 若不考虑偏析影响，在凝固中铸坯两相区的宽度，决定于平衡结晶温度区间和两相区的温度梯度。假设两相区的温度按直线分布，即为常数，则两相区宽度为： 式中：为液相线温度；为固相线温度；两相区内温度梯度 两相区结构 了解两相区结构是认识偏析、疏松、裂纹和气泡形成原理的基础。图3－19是两相区结构的示意图。按固相率的大小，凝固区域又可划分为三个部分：倾出段、补缩段和密闭段。 倾出段：在液相边界附近，固相率低，晶体处于悬浮状态而未连成一片，可以自由移动。用倾出法做试验时，晶体能够随同液态金属一起被倾出。 补缩段：距离液相边界较远处温度降低，固相率增加，晶体已经连接形成网络，在倾出试验中不会随液体金属一起被倾出，而液体还能在其间移动，可以补充凝固带来的收缩。 密闭段：在靠近固相边界处，固相率很高，枝晶连结成为牢固的晶体骨架。骨架把尚未凝固的少量液体分割开，形成互不沟通的小“溶池”（图中的黑点）。这些小溶池凝固而发生体积收缩，得不到其它液体的补充。 倾出段与补缩段之间的界面，称为“倾出边界”，固相率约为。 补缩段与密闭段之间的界面，称为“补缩边界”，固相率约为。 在连铸漏钢过程中，只有的部分流出，而两相区大部分区域仍留在坯壳上，因此漏钢后坯壳厚度大于凝固时真实厚度，而由此得到的凝固系数也较高。同样，示踪法、射钉法也有同样的问题。 铸坯宏观组织 铸坯典型宏观组织 最典型的铸坯宏观凝固组织有三个晶区： 如图5－l所示。 表面细小等轴晶区：也称“激冷层”。位于铸坯最外层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成；激冷层比较薄，厚度仅为1～3mm。 柱状晶区：由彼此平行排列的柱状晶所组成，方向与热流方向基本一致。 内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。 事实上，并不是所有的铸坯都具有三个晶区的凝固组织。铸坯宏观组织中的晶区数目、柱状晶区和等轴晶区的相对宽度都随钢液性质和具体的凝固条件而变化。 穿晶结构：低碳钢小方坯最常见的宏观结晶组织，即铸坯表面激冷层较薄、柱状晶发达，在中心无等轴晶区，各方向的柱状晶在中心处直接相连，相当于柱状晶穿透了铸坯中心。 形成理论发展 对三个晶区形成机理的认识，经历过一个由浅入深的历史发展过程。 传统观点 在过去相当长的一段时间内，人们曾认为，铸坯中的每一个晶粒都有一个独立的生核过程，而铸坯结晶组织的形成则是这些晶核直