灰铸铁初生奥氏体的生长

灰铸铁初生奥氏体的生长

平衡状态下，奥氏体的结晶形态是近于球形的多面体，它由界面能较小的晶面所组成。在非平衡状态，由于熔液中溶质浓度在结晶前沿存在差异，多面体的棱角前沿的溶质浓度梯度较大，故溶质扩散速度大。所以，晶体的棱角长大速度大于平面，多面体逐渐长成星形，再从星形生出分枝而成树枝状(见图1)。一、二、三次晶轴的生长过程为；开始生长阶段，由(001)面组成的八面体顶尖快速生长导致一次枝晶的形成。由于原子排列最密集平面(001)的自然砌成过程和紧靠晶体熔体的成分过冷，在一次晶轴上面周期性的产生锥体凸起(二次枝晶的发源地)长成二次晶轴；然后再在二次枝晶上长成三次晶轴。二次、三次轴枝晶互相垂直并都按[100]向生长。可见，“成分过冷”使奥氏体晶体形貌依次由平面晶发展为包状晶、包状树枝晶及树枝晶。

图 1由八面体晶体发展成树枝状晶干的过程

奥氏体枝晶存在两种形态：

1．树枝状枝晶(见图2) 一次晶轴较长，有明显的二次晶轴枝晶，枝晶骨架呈方向排列。枝晶内分枝多，骨架问的空隙狭小细长，容易导致形成E型石墨。

图2 树枝状奥氏体彤态

a)示意图 b)热碱蚀显

2．框架状枝晶(见图3) 一次晶轴短，二次晶轴不明显，枝晶排列无规则，一次晶轴的连接往往存在一定角度。骨架空隙大，无方向性；当过冷度较大时，在骨架空隙内易形成D型石墨。

树枝状枝晶是在有足够的生长空间以及枝晶有条件自由生长时形成的。框架状枝晶是由一些互相平行又互相垂直的奥氏体枝干与枝晶臂端部交错相碰搭接而构成。尽管枝晶生长前沿发生溶质富集降低熔点，使枝晶生长困难，妨碍端部搭接，但当铁液中奥氏体量多时，枝晶呈框架状结构也是可能的。

作者认为，这两种枝晶形态并无原则性差别，可能由于枝干发达程度不同所造成

图3 框架状奥氏体形态

a)示意图 b)热碱蚀显

由于金相试样中切面的随机性，原本是连续的三维枝晶(见图4)，可能得到如图4b从a～i所示的多种形状。

图4 奥氏体枝晶的二维切面的多样性

a)三维示意图b)二维切面图

由于三维形态不便观察，Flemings用二维截面对枝晶的粗细、分枝形态给予定量化描述。

式中——奥氏体枝晶形态，指每个卵形枝晶截面的面积(mm2/个)；

A t——奥氏体枝晶截面积总和(mm2)；

n t——被截到的奥氏体枝晶截面数(个)。

S越小，说明枝晶分枝越多，二次晶轴发达，属细的树枝状枝晶。

影响枝晶生长的因素有冷却速度、化学成分以及过冷度。

在快速冷却条件下，由于侧面铁液中的碳原子来不及向远处扩散，限制了晶轴侧面长大。另外，奥氏体异质晶核没有足够时间扩散离去，从而增加了侧面长出新枝晶(即二次或三次轴)的机会。最后，促使奥氏体生长为主干细长、分枝多、方向性明显的细小枝晶。在薄壁铸件、金属型铸造或靠近型壁附近可经常观察到这种枝晶，壁厚慢冷条件则以粗大框架状枝晶为主。

碳当量是影响枝晶生长的另一重要因素。随碳当量减少，初生奥氏体的一次枝晶长度增加。

合金元素对奥氏体枝晶形态有重要的影响。能促使二次枝晶发达，缩小枝晶间距的元素有V、Mo、B、Ce，使分枝呈无方向分布的有Ti、Cu、Al、Cr、Bi；扩大枝晶间距，使分枝减少，促使形成短粗状奥氏体的有Ni。它们的影响机制并不十分清楚，可能与元素引起的过冷、形核作用以及偏析有关。

过冷度与奥氏体枝晶生长速度的关系式为：

v=aΔT n

式中v——枝晶尖端生长速度(mm/s)：

ΔT——过冷度(K)：

a——常数；

n——1.5～3.0。

熔液高度过热以及长时间保温会使过冷度增大，从而提高枝晶生长速度，使枝晶变长，方向性更明显。用SiC对铁液做孕育处理时可同时减小初生奥氏体的过冷度，此时观察到短的奥氏体枝晶。