[科普中国]-一次结晶

一次结晶是指从钢液中产生晶体的过程，也称液态结晶钢的结晶。随着热量的导出，晶体从无到有，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。

简介一次结晶是指从钢液中产生晶体的过程，也称液态结晶钢的结晶。随着热量的导出，晶体从无到有，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。一次结晶是在焊接熔池的一次结晶和普通的钢铸锭结晶一样，是由晶核的形成和晶粒的长大两个过程所组成。熔池开始结晶时所需要的晶核，一种是合金元素或杂质的悬浮点，这种晶核在一般情况下所起的作用不大：另一种是熔合区附近，加热到熔化温度而没有熔化的基体金属颗粒表面，结晶就从这里开始1。

结晶的动力学条件结晶必须在过冷条件下进行，其过程分为形核和晶核长大两部分。

液体的结晶必须有核心。形核有均质形核和非均质形核之分。液态金属中的原子集团在足够的过冷度条件下，变成规则排列，并稳定下来而成为晶核，这一过程即为均质形核，纯金属的结晶只能靠均质形核。在金属液相中已存在的固相质点和表面不光滑的器壁均可作为形成核心的“依托”而发展成初始晶核，此种形核过程称为非均质形核。钢液内部含有熔点不同的杂质，因此钢液的结晶主要为非均质形核。钢液形成晶核后即迅速长大。开始长大时具有与金属晶体结构相同的规则外形，随后由于传热的不稳定，使晶粒向传热最快的方向优先生长，于是形成树枝晶。

希望钢液在结晶过程中形成细晶粒组织，这就要求在形核数量和晶粒长大速度上加以控制。另外，通过人为地加入异质晶核的办法来增加晶核数量也可以得到细晶粒组织2。

结晶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时开始出现晶体，而达到固相线温度时结晶方告结束。此液相线和固相线间的温度区间，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3。

结晶两相区结晶两相区 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，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。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。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2。

选分结晶及组成过冷选分结晶及组成过冷 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，使液相同溶质浓度逐渐增加。在平衡结晶时，溶质在固、液两相中的均匀扩散都得以充分进行，因而并不产生偏析。但在钢液的实际凝固过程中，溶质在两相，特别是在固相中的扩散不能充分进行。结果析出的溶质不断在凝固前沿的母液中富集，形成浓度很高的溶质偏析层，此偏析层内熔体的液相线温度相对于成分未变之母液的液相线温度有所降低，因而使凝固前沿处熔体的过冷减小。这一现象对凝固组织有很大的影响。极端情况下（固相不均化、液相不混合）凝固前沿出现溶质最大的富集情况4。

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。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晶2。

钢锭的晶体结构钢锭通常由晶粒组织不同的三个区域所组成：

（1）钢锭表面细小等轴晶带，也称激冷层。它是在模壁上或靠近模壁处钢液中非自发形核的结果。钢液与模壁接触，受到强烈冷却，获得较大的过冷度。由于过冷熔体中的杂质及粗糙模壁都可成为现成的结晶核心，几乎同时形成大量晶核，它们彼此妨碍各自的长大，因而得到不同取向的细小等轴晶带。

（2）柱状晶带。随着锭表激冷层的形成，热阻增大。特别是锭壳与模壁间形成气隙后，更使钢液的散热强度降低，凝固前沿钢液中过冷度减小（温度梯度减小）。在这样的条件下，钢液的过热热量和结晶潜热主要通过凝固层传出，发生向模壁的定向传热。并且由于晶体长大所需要的过冷比形核小得多，于是结晶表现为已有晶体的继续长大。激冷层的内缘，树枝晶体的一次轴朝着不同的方向，而其中一次轴与模壁垂直的那些晶体，通过它的散热路线最短，散热最快，以及该轴离成分未变钢液最近，过冷降低较小，所以这些晶体向锭心的长大得到优先发展，而其余的晶体和这些晶体向其他方向的长大则受到彼此的妨碍而被抑制。于是，在细小等轴晶带之后，接着形成迎着热流方向生长的有明显方向性的柱状晶。

（3）锭心粗大等轴晶带。锭心的结晶过程还不十分清楚。一般认为，随着柱状晶的不断发展，散热强度逐渐减小，两相区宽度不断扩大;而且由于结晶速度减慢，液析过程得以发展，在凝固前沿产生杂质元素的富集层。结晶速度降低到某一临界值后，出现组成过冷区，阻止柱状晶的继续生长，导致富集层前面成分较纯、过冷度较大的钢液中产生孤立的等轴晶，并向各个方向长大，形成无一定方向的粗大等轴晶。对于大型碳素钢镇静钢钢锭，在柱状晶带与锭心等轴晶带之间，还可以区分出过渡晶带，分枝柱状晶带，而在锭心区下部，还经常可以发现成分较纯、晶粒较粗大的“沉积锥。”根据钢种和浇注条件的不同，钢锭中各结晶带的厚度及相对比例可在很大范围内变化，有的结晶带甚至可以完全消失1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学