树枝晶生长及其对凝固组织的影响

图1-6为树枝晶生长示意图。图1-7为树枝晶空间和间距示意图。

图1-6 树枝晶生长示意图

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图1-7 树枝晶空间和间距示意图

铁为立方晶格，呈正六面体结晶，结晶总是在结晶面溶质偏析小的地方和结晶潜热散出最快的地方优先生长。在晶核长大过程中，棱角比其他方向导热性好，而且棱角离未被溶质富集的液体最近。如果控制结晶条件，使热量同时通过固体和液体散失，就可能得到如图1-5b所示的负温度梯度。在这种条件下，固体表面上的偶然凸起便可以伸入到液体中过冷度较大的地方，因而得到更有利的生长条件。这时，固体表面就不再是光滑的而会形成一些伸长的晶柱。在这些晶柱的侧面，由于结晶潜热的释放又会造成负温度梯度的分布，因此棱角方向长大速度比其他方向要快，从八个角成长为棱锥体的尖端，其生长方向几乎平行于热流，构成树枝晶主轴，称之为一次树枝臂。垂直于一次枝晶臂而长出分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷却速度继续增加时，在二次枝晶臂上垂直长出三次枝晶臂，这些枝晶彼此交错在一起宛如茂密的树枝，树枝晶由此得名。在钢的结晶过程中，由于晶核是按树枝状骨架方式长大的，当发展到与相邻的树枝状骨架相遇时，树枝状骨架才停止发展，从而使结晶潜热从液体中可以很容易地通过彼此连接的枝晶而传导出来。但此时的骨架仍处于液体之中，骨架内将不断生长出更高次的晶轴，同时先生长的晶轴逐渐加粗，使液体越来越少，直至完全凝固为止。

铸坯树枝晶的生长取决于冷却速度。树枝晶的细化程度一般以二次枝晶间距来描述（图1-7），二次枝晶间距越小，枝晶越细，凝固偏析越小，产品质量越好。树枝晶的粗细取决于凝固前沿的温度梯度和凝固速度，实际上取决于冷却速度，冷却速度越高，树枝晶越细，凝固组织越致密，偏析越小，并能抑制坯壳生长的不均匀性和裂纹敏感性。