[科普中国]-钢的结晶

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。

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（tL）时开始出现晶体，而达到固相线温度（ts）时结晶方告结束。此液相线和固相线间的温度区间，即tL-ts=Δtc。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。

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（图1），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，常以τf表示之。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，以△x表示之。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。

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（K