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合金凝固時(shí),由于溶質(zhì)在固相中和在液相中的溶解度不同,而產(chǎn)生選分結(jié)晶(也稱(chēng)脫溶或液析)現(xiàn)象。即伴隨結(jié)晶的進(jìn)行,在凝固前沿不斷有溶質(zhì)析出(K<1時(shí)),使液相同溶質(zhì)濃度逐漸增加。在平衡結(jié)晶時(shí),溶質(zhì)在固、液兩相中的均勻擴(kuò)散都得以充分進(jìn)行,因而并不產(chǎn)生偏析。但在鋼液的實(shí)際凝固過(guò)程中,溶質(zhì)在兩相,特別是在固相中的擴(kuò)散不能充分進(jìn)行。結(jié)果析出的溶質(zhì)不斷在凝固前沿的母液中富集,形成濃度很高的溶質(zhì)偏析層,此偏析層內(nèi)熔體的液相線溫度相對(duì)于成分未變之母液的液相線溫度有所降低,因而使凝固前沿處熔體的過(guò)冷減小。這一現(xiàn)象對(duì)凝固組織有很大的影響。極端情況下(固相不均化、液相不混合)凝固前沿出現(xiàn)溶質(zhì)大的富集情況。其溶質(zhì)的分布可用下式來(lái)描述:式中C L(x)為距凝固前沿x處液相中溶質(zhì)濃度;C0為合金熔體中溶質(zhì)的初始濃度;K為溶質(zhì)的平衡分配系數(shù),K=C0/CL導(dǎo);R為結(jié)晶速度;DL為溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。設(shè)K為常數(shù)(液、固相線為直線),且液相線斜率為m,則與凝固前沿溶質(zhì)濃度相對(duì)應(yīng)的液相線溫度分布可用t L(x) =t0-mC L(x) =t0-mC0(1+1-k/k e -R/DLx)來(lái)描述。C L(x)及t L(x)的變化如圖2所示。可見(jiàn)C L(x)隨距凝固前沿距離增加而減小,t L(x)隨距凝固前沿距離的增加而增高。在凝固前沿(x=O)處。熔體液相線溫度tL與熔體實(shí)際溫度之差稱(chēng)過(guò)冷,即Δt =tL-te。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶時(shí),凝固前沿處tL=te=ts此時(shí),液相線溫度分布曲線與實(shí)際溫度分布曲線所圍成的區(qū)域(圖2陰影區(qū))稱(chēng)組成過(guò)冷區(qū)。組成過(guò)冷的出現(xiàn),必將終止原有凝固界面的繼續(xù)推進(jìn),并且當(dāng)其凝固前沿前方過(guò)冷較大處的過(guò)冷超過(guò)生核所需的過(guò)冷度Δt ﹡ 時(shí),將在凝固界面前方形成新的晶核。這是鋼錠結(jié)晶組織由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的一種有說(shuō)服力的解釋。
晶體生長(zhǎng)方式,即凝固前沿推進(jìn)的方式取決于凝固前沿組成過(guò)冷的大小。當(dāng)組成過(guò)冷從無(wú)到有、由小變大時(shí),凝固前沿將由平滑無(wú)組織狀態(tài)演變?yōu)榘麪钪敝翗?shù)枝狀、內(nèi)生生長(zhǎng)。對(duì)于鋼錠的實(shí)際凝固條件下,在大部分凝固期間,凝固前沿是以樹(shù)枝狀或內(nèi)生狀態(tài)生長(zhǎng),終得到樹(shù)枝狀晶的晶體結(jié)構(gòu)。晶體總是以原子排列緊密的面與液相接觸,以使表面能小。對(duì)面心立方晶格的γ一Fe來(lái)說(shuō),密排面為{111}面,所以開(kāi)始析出的晶體呈八面體外形。隨著結(jié)晶的進(jìn)行,由于選分結(jié)晶在凝固前沿形成溶質(zhì)富集層,這時(shí)晶體便從表面溶質(zhì)濃度富集較少的部位—八面體的頂端沿[111]方向凸出生長(zhǎng),形成樹(shù)枝晶的一次軸(主干)。接著,一次軸沿八面體的棱邊——溶質(zhì)濃度次低處優(yōu)先長(zhǎng)粗。當(dāng)一次軸表面處組成過(guò)冷進(jìn)一步增加時(shí),又會(huì)在一次軸晶體缺陷處形成與一次軸相垂直的二次枝晶——二次軸。隨后還可能形成三次枝晶、四次枝晶等,每個(gè)晶干不斷長(zhǎng)粗和長(zhǎng)出更高次枝晶,直至彼此相遇。后充滿(mǎn)整個(gè)樹(shù)枝晶各枝干間,形成一個(gè)晶粒。根據(jù)生長(zhǎng)方式的不同,可得到3種不同形狀的樹(shù)枝晶:(1)柱狀晶。只有一個(gè)方向上的一次軸得到突出發(fā)展的樹(shù)枝狀晶。該一次軸稱(chēng)為主軸。當(dāng)組成過(guò)冷小時(shí),枝晶狀長(zhǎng)大所得到的柱狀晶,二次枝晶不發(fā)達(dá),類(lèi)似于棒狀晶。隨著組成過(guò)冷的增加,柱狀晶的高次枝晶逐步得到發(fā)展。(2)等軸晶。各方向都得到較均勻發(fā)展的樹(shù)枝狀晶。只有內(nèi)生生長(zhǎng)時(shí)才形成等軸晶。(3)粒狀晶。枝晶不發(fā)達(dá)的樹(shù)枝狀晶,也稱(chēng)球雛晶。只有在散熱強(qiáng)度極小時(shí),如鋼錠和鑄件的熱中心處才可見(jiàn)到粒狀品。
鋼的熱處理是指在固態(tài)下通過(guò)對(duì)鋼進(jìn)行不同的加熱、保溫、冷卻來(lái)改變鋼的組織結(jié)構(gòu),從而獲得所需要性能的一種工藝。鋼的熱處理路線圖,如圖所示:2、鋼的熱處理分類(lèi)(1)根據(jù)工藝方法來(lái)分1)整體熱處理(退火、正火、淬火、回 火);2)表面熱處理(火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、激光加熱表面淬火等);3)化學(xué)熱處理(滲碳、滲氮、滲其它元素等)。(2)根據(jù)熱處理在零件加工中的作用分1)預(yù)先熱處理(退火、正火):為機(jī)械零件切削加工前的一個(gè)中間工序,以改善切削加工性能及為后續(xù)作組織準(zhǔn)備。2)終熱處理(淬火、回火):獲得零件終使用性能的熱處理 。3、過(guò)熱度和過(guò)冷度加熱和冷卻時(shí)相圖上臨界點(diǎn)位置,如圖所示:平衡態(tài)相變線:A1、A3、Acm加熱(過(guò)熱度): Ac1、Ac3、Accm
冷卻(過(guò)冷度): Ar1、Ar3、Arcm
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