钢的结晶与铸胚凝固结构.ppt

鋼的結晶與連鑄胚的凝固結構 內容大綱 鋼的結晶過程(p.3) –結晶的熱力學條件、結晶的動力學條件 鋼液結晶的特點(p.10) –結晶溫度範圍、偏析、成份過冷、化學成份偏析 、顯微偏析宏觀偏析、凝固夾雜物凝固氣泡、凝固收縮 連鑄胚凝固特徵(p.25) –彎月面氣隙的形成 連鑄胚的凝固結構(p.29) –細小等軸晶帶、柱狀晶帶、中心等軸晶帶、小鋼錠結構 凝固結構的控制(p.32) 連鑄胚冷卻過程中受到的應力(p.34) 鋼的結晶 鋼的凝固結晶需要兩個條件： 1.熱力學條件–一定的過冷度 2.動力學條件–必要的晶核 結晶的熱力學條件 根據熱力學，自由焓G的定義為G＝H－T．S，H為焓，S為熵，T為絕對溫度。 若今系統在等溫過程下反應，上式可改寫成ΔG＝ΔH－T．ΔS。 晶核的形成會引起系統自由焓的變化，根據熱力學最小自由焓定理，系統的相變與能量轉換會自動往降低自由焓的方向移動，因此結晶的熱力學條件為固相自由焓GS需低於液相自由焓GL，也就是： GS－GL＝ΔG＜0。 在相變溫度T0時，系統處於平衡狀態，也就是ΔG＝0，即： ΔG＝ΔH－T0．ΔS＝0 (A式) 今系統在任一溫度T1為不平衡狀態，也就是ΔG≠0，所以ΔG＝ΔH－T1．ΔS ，與A式合併，消去ΔS，整理可得： ΔG＝ΔH．(T0－T1)/T0。 今相變欲自發性反應，需ΔG＜0，即ΔH．(T0－T1)/T0＜0。 結晶的熱力學條件 今系統如果要自發性反應，要ΔG＜0，即ΔH．(T0－T1)/T0＜0。 如果系統自發性反應為蒸發、熔融，過程屬吸熱反應，即ΔH＞0 ，也就是要T0＜T1，也就是反應發生的溫度T1要大於相變溫度T0，也就是說該反應條件要求過熱。 如果系統自發性反應為結晶、凝固，過程屬放熱反應，即ΔH＜0 ，也就是要T0＞T1，也就是反應發生的溫度T1要小於相變溫度T0，也就是說該反應條件要求過冷。 過熱度或過冷度是反應進行的驅動力。 結晶的動力學條件 結晶要在過冷條件下進行，結晶過程分為形成穩定晶核的形核過程與晶核成長為晶粒的晶核成長過程。 形核：液體的結晶需要有成長的核心，而成長核可分為均質形核與非均質形核。 均質形核：在足夠的過冷度條件下，晶核能從液相中的原子團(晶胚)直接形成。 結晶的動力學條件(均質形核) 當溫度下降到液相溫度以下，原子為形成晶態而逐漸規則排列，即凝固過程中，原子由在液相中的聚集狀態變成固相的排列狀態，由於固、液兩相的自由能不同，液相往固相轉變會使系統的體積自由能降低，且因新界面的形成也會使系統的表面自由能增加，因此系統的總自由能變化ΔG為： ΔG＝體積自由能的變化＋表面形成的自由能＝V．ΔGV＋A．σ 符號說明：V為晶胚的體積，A為晶胚的表面積，ΔGV為固、液兩相的單位體積自由能差，σ為表面自由能。 假設均質形核的晶胚外形為球形，半徑為r，整理上式後如下所示： ΔG＝(4πr3/3)ΔGV＋4πr2．σ (B式) 結晶的動力學條件(均質形核) 今假設ΔGV與σ皆為確定的常數，則(B式)就是ΔG與r的關係式，而 ΔG隨r的變化曲線如下圖所示： 將(B式)對r微分，可得到極值得位置rk。 0＝r(r．ΔGV＋2σ) → rk＝-2σ/ΔGV 當r＜rk時，晶核的形成會使系統的自由能上升，晶胚不能形成晶核，晶 胚會不穩定而消失。 當r＝rk時，可能熔化消失或可以形成晶核，而形成臨界晶核需要一定的 能量，將rk代回(B式) ，其大小約為臨界晶核表面自由能的 1/3 ，稱為形核功。 當r＞rk時，晶核長大可以使系統自由能降低，凝固反應自動進行。 結晶的動力學條件(均質形核) rk＝-2σ/ΔGV=-2σ/[ΔH．(ΔT)/T液]=(-2σ．T液)/(ΔH．ΔT) →過冷度ΔT越大，形成晶核的臨界半徑rk也越小，而形成晶核所需要最小的能量也越小，也就是晶核形成要求較小的形核功。 結晶的動力學條件(非均質形核) 非均質形核：液相中存在著高熔點微小固體夾雜物或是在表面不光滑的器壁，晶胚可依附在其界面而形成晶核。