材料成形原理第十章偏析

1、材料成形原理第十章偏析*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程1第1頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四液態(tài)金屬體積收縮變形縮孔縮松熱裂紋冷裂紋氣體元素雜質(zhì)元素化合物夾渣氣泡氣孔過飽和析出降溫凝固受拘束應(yīng)力滯留成分偏析非平衡凝固低熔點共晶凝 固 缺 陷第2頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四化學(xué)成分的不均勻性鑄件(錠)中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。由于金屬凝固過程中的選分結(jié)晶，導(dǎo)致晶體中的偏析是不可避免的。偏析分為兩種：微觀偏析晶粒尺寸范圍（包括晶界）里的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。宏觀偏析鑄坯整個斷面上化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。 偏析的分類 微觀偏析 ：晶內(nèi)偏析（枝晶偏析

2、），晶界偏析宏觀偏析 ：正偏析，逆偏析，V型偏析和逆V型偏析， 帶狀偏析，重力偏析 第3頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四化學(xué)成分的不均勻性偏析也可根據(jù)鑄件各部位的溶質(zhì)濃度CS與合金原始平均濃度C0的偏離情況分類。凡CSC0者，稱為正偏析，CSC0者，稱為負(fù)偏析。這種分類不僅適用于微觀偏析也適用于宏觀偏析。偏析是鑄件的主要缺陷之一。偏析對鑄件質(zhì)量影響很大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）微觀偏析使晶粒范圍內(nèi)的物理和化學(xué)性能產(chǎn)生差異，影響鑄件的力學(xué)性能。有時使鑄件難于加工。（2）晶界偏析往往有更大的危害性，由于偏析使得低熔點共晶容易集中在晶粒邊界，即增加鑄件在收縮過程中產(chǎn)生

3、熱裂的傾向性，又能降低鑄件的塑性。（3）宏觀偏析使鑄件各部分的理學(xué)性能和物理性能產(chǎn)生很大差異，影響鑄件的使用壽命和工作效果。 第4頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四10-1 微 觀 偏 析 微觀偏析按其形式分為胞狀偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它們的表現(xiàn)形式雖不同，但形成的機(jī)理是相似的，都是合金在結(jié)晶過程中溶質(zhì)再分配的必然結(jié)果。一、晶內(nèi)偏析（枝晶偏析） 晶內(nèi)偏析產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍，能形成固溶體的合金中，在鑄造條件下，當(dāng)合金冷卻較快時，將形成不平衡結(jié)晶。 現(xiàn)在用圖6-1說明固溶體合金C0成分的不平衡結(jié)晶過程。 第5頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四

4、晶內(nèi)偏析（枝晶偏析） 圖6-2、圖6-3分別表示含30%Cu的Ni-Cu固溶體合金在凝固時固溶體中無擴(kuò)散和有若干擴(kuò)散時的晶體中心成分、表面成分以及平均成分隨溫度的變化。 第6頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四 在實際鑄造條件下，由于冷卻速度快，固相中的溶質(zhì)還未充分?jǐn)U散，液體溫度降低，固液界面向前推進(jìn)，又結(jié)晶出新成分的晶粒外層，致使每個晶粒內(nèi)部的成分存在差異。 這種存在于晶粒內(nèi)部的成分不均勻性，稱為晶內(nèi)偏析。由于固溶體合金多按枝晶方式生長，先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的分枝的成分也存在差異，而且分枝本身(內(nèi)外層)、分枝與分枝間的成分是不均勻的，故也稱枝晶偏析。Ni-Cu合金的鑄態(tài)

5、組織（SEM）第7頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四枝 晶 偏 析 鑄鋼組織也呈樹枝狀，其中先結(jié)晶的枝桿中心含碳量較低，后結(jié)晶出的分枝含碳量較高，枝晶間含碳量更高，樹枝晶中這種化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為枝晶偏析，因為他屬于一個晶粒范圍的成分不均勻，所以也稱為晶內(nèi)偏析。 圖6-5表示用電子探針?biāo)鶞y定低合金鋼溶液中生成的樹枝狀晶各截面得溶質(zhì)等濃度線。從中可以清楚看出溶質(zhì)在一次分枝、二次分枝以及晶內(nèi)的分部。 第8頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四枝 晶 偏 析枝晶偏析的描述： 當(dāng)不考慮固相中的擴(kuò)散時，用Scheil方程式描述： 應(yīng)該指出的是，Schei

6、l方程是在假定固相沒有溶質(zhì)擴(kuò)散的條件下導(dǎo)出的，是一種極端情況。實際上，特別是在高熔點合金中，如碳、氮這些原子半徑較小的元素在奧氏體中擴(kuò)散往往是不可忽視的。 圖6-7表示Cu-Sn8%合金單相凝固時鑄態(tài)組織中Sn在枝晶橫截面分布的等濃度線。已知Cu-Sn合金的平衡分配系數(shù)K0=0.36，如不考慮溶質(zhì)在固相中的擴(kuò)散，枝干中心Sn的濃度應(yīng)為K0C0=2.9%小于6%。這說明溶質(zhì)原子在固相中的擴(kuò)散是不可忽視的。 第9頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四枝 晶 偏 析 當(dāng)考慮固相中有擴(kuò)散、液相均勻混合時描述為：DS溶質(zhì)在固相中的擴(kuò)散系數(shù)局部凝固時間S枝晶間距一半 由此可知，枝晶偏析

7、的產(chǎn)生主要決定于：溶質(zhì)元素的分配系數(shù)k0和擴(kuò)散系數(shù)DS ，冷卻條件和枝晶間距。 各種元素在不同合金系中的分配系數(shù)k0和擴(kuò)散系數(shù)DS是不同的，因此，枝晶偏析程度也不同。分配系數(shù)k0愈小(k0 1時)或k0愈大(k0 1時)，或擴(kuò)散系數(shù)DS愈小，則枝晶偏析愈嚴(yán)重。因此，可用l1- k0l定性地衡量枝晶偏析的程度。 l1- k0l愈大，枝晶偏析愈嚴(yán)重， l1- k0l稱為偏析系數(shù)。 第10頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四元 素PSBCVTiM0MnNiSiCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)0.010.030.010.040.0020.100.301.00.504.00.201.201.00

8、4.01.002.501.004.501.003.01.008.0偏析系數(shù)|1k0|0.940.900.870.740.620.530.510.860.650.350.34表10-1不同元素在鐵中的偏析系數(shù) 幾種元素在鐵中的k0和l1- k0l示于表10-1。可以看出碳鋼中，S、P、C是最易產(chǎn)生枝晶偏析的元素。第11頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四枝 晶 偏 析 元素SPCWVMoSiCrMnNi Se2.01.50.60.60.40.40.20.20.150.05 枝晶偏析的大小可用枝晶偏析度SeCmax某組元在偏析區(qū)內(nèi)的最高濃度Cmin某組元在偏析區(qū)內(nèi)的最低濃度

9、C0某組元的原始平均濃度枝晶偏析比SR表10.2幾種元素在鋼錠中的枝晶偏析度Se第12頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四枝 晶 偏 析冷卻速度的影響 冷卻速度v0對枝晶偏析的影響是通過和s體現(xiàn)的。 圖為冷速對鎂合金 (Mg-0.2Ca)中Ca的枝晶偏析的影響?？梢钥闯觯词估鋮s速度很小，SR仍大于1，這表明鑄錠中仍存在枝晶偏析，且隨冷卻速度的增大而增大。當(dāng)冷卻速度增大到某一值后，再繼續(xù)增加冷卻速度，枝晶偏析程度減輕。 曾認(rèn)為，冷卻速度愈大，枝晶偏析愈嚴(yán)重。由上述結(jié)果可知，這種看法是不全面的。增大冷卻速度有時反而減輕枝晶偏析，甚至當(dāng)冷卻速度增大到某一臨界值(106108/

10、s)時，不僅固相的擴(kuò)散不能進(jìn)行，液相中的擴(kuò)散也被抑制，反而得到成分均勻的非晶態(tài)組織。第13頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四 某元素在鑄件中的枝晶偏析程度因其它元素存在而又相當(dāng)大的變化。例如，硫、磷在碳鋼中的枝晶偏析程度與碳含量有關(guān)，如圖10.5所示。 隨著碳含量的增加，硫、磷在碳鋼中的枝晶偏析程度明顯增加。這可能是由于碳改變了硫、磷在鋼中的分配系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的緣故。 枝 晶 偏 析 圖10.5碳對硫磷在鑄錠中枝晶偏析的影響 晶內(nèi)偏析是不平衡結(jié)晶的結(jié)果，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。如果采取一定的工藝措施，使溶質(zhì)進(jìn)行充分?jǐn)U散，就能夠消除晶內(nèi)偏析。生產(chǎn)是那個常采用擴(kuò)散退火或均勻化

11、退火來消除晶內(nèi)偏析。 第14頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四晶 界 偏 析 在合金凝固過程中，溶質(zhì)元素和非金屬夾雜物富集于晶界，使晶界與晶內(nèi)的化學(xué)成分出現(xiàn)差異，這種成分不均勻現(xiàn)象稱為晶界偏析。晶界偏析的產(chǎn)生有兩種情況，如圖10-2所示。（a)兩個晶粒并排生長 兩個晶粒并排生長，晶界平行于生長方向，由于表面張力平衡條件的要求，在晶界與液相交界的地方，會出現(xiàn)一個凹槽，深度可達(dá)10 8 m。此處有利于溶質(zhì)原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析，如圖（a）所示。 第15頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四晶 界 偏 析b)兩個晶粒面對面生長 兩個晶粒彼此面對

12、面生長，在固/液界面處溶質(zhì)被排出（k0 1），此外，其他低熔點的物質(zhì)也會被排擠到固/液界面，即在它們之間富集大量溶質(zhì)和低熔點物質(zhì)；當(dāng)兩個晶粒相遇時形成晶界，最后凝固的晶界部分將含有較多的溶質(zhì)和其它低熔點物質(zhì)，從而造成晶界偏析，如圖（b）所示 第16頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四胞狀偏析 固溶體合金凝固時，若成分過冷不大，晶體會呈胞狀方式生長。胞狀結(jié)構(gòu)由一系列平行的棒狀晶體所組成，沿凝固方向長大，呈六方斷面。由于凝固過程中溶質(zhì)再分配，當(dāng)合金的平衡分配系數(shù)k0 1時，六方斷面晶界處的溶質(zhì)會貧化。這種化學(xué)成分不均勻性稱為胞狀偏析。 圖10-3 胞狀生長時溶質(zhì)分布示意圖第1

13、7頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四三、微觀偏析的防止和消除 枝晶偏析是不平衡結(jié)晶的結(jié)果，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，如能設(shè)法使溶質(zhì)原子進(jìn)行充分?jǐn)U散即能消除枝晶偏析。把鑄件加熱到低于固相線100200，長期保溫，使溶質(zhì)原子充分?jǐn)U散，則可減輕或消除枝晶偏析。此即為均勻化退火。 圖6-10為圖6-4所示的Cu-Ni合金經(jīng)均勻化退火后的組織及與之相對的特征X射線強(qiáng)度曲線，可以看出，枝晶偏析基本消除。第18頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四三、微觀偏析的防止和消除 均勻化退火時間取決于枝晶間距和擴(kuò)散系數(shù)。所以凡能細(xì)化晶粒的措施，如提高冷卻速度，加入晶粒細(xì)化劑等

14、，減輕微觀偏析，再通過均勻化退火處理，可消除。 對合金進(jìn)行孕育處理或加入某些元素往往能使樹枝狀晶的尺寸或單位面積上的樹枝狀晶的數(shù)量發(fā)生變化，這將改變枝晶內(nèi)的溶質(zhì)分布。 但是晶界上存在的穩(wěn)定化合物，如氮化物、硫化物和某些碳化物，即使采用均勻化退火往往也無能為力。因此，對于這些化合物所引起的晶界偏析，應(yīng)該從減少合金中氮、硫的含量入手。 第19頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四6-2宏 觀 偏 析宏觀成分偏析是鑄錠，特別是合金鑄錠和大型鑄件生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的一種鑄造缺陷。它的形成不僅取決于合金自身的結(jié)晶特點，而且與凝固過程中的傳熱、傳質(zhì)以及液相的流動方式密切相關(guān)。本世紀(jì)以來，隨

15、著鋼鐵工業(yè)和科技的飛速發(fā)展，人們對凝固中出現(xiàn)的各種宏觀偏析現(xiàn)象進(jìn)行了大量的、系統(tǒng)的研究。 在保證凝固前沿為平界面時，鑄件內(nèi)的宏觀偏析可用Scheil方程近似的描述。但在實際生產(chǎn)條件下，保證凝固前沿為平面是困難的，往往存在兩相區(qū)。此時，鑄件生產(chǎn)宏觀偏析的途徑：1）在鑄件凝固早期，固相或液相的沉??；2）在固液兩相區(qū)內(nèi)液體沿枝晶間的流動。下面我們將就有關(guān)宏觀偏析的問題進(jìn)行討論。第20頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響 研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬沿枝晶間的流動對鑄件產(chǎn)生宏觀偏析起著重要的作用。金屬沿枝晶間流動的原因主要是：1）熔體本身的流動驅(qū)使固液兩相

16、區(qū)內(nèi)的液體流動；2）由于凝固收縮的抽吸作用促使液體流動；3）由于密度差而發(fā)生的對流。 在凝固過程中鑄件中存在溫差，因此，在同一時刻鑄件各處未凝液相的數(shù)量是不同的。第21頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響1、產(chǎn)生宏觀偏析的條件當(dāng)考慮枝晶間有液體流動時，枝晶的溶質(zhì)分布可用下式描述 凝固收縮率; 等溫線移動速度; 液體沿方向的流動分速度； 固液界面上固相的溶質(zhì)濃度； K0平衡分配系數(shù)； C0原始濃度； fs固相分?jǐn)?shù)。第22頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響若干個枝晶的范圍內(nèi)的平均固相成

17、分： 顯然，若 等于C0 時，無宏觀偏析，大于C0時，為正偏析，小于C0時，為負(fù)偏析。決定 值得關(guān)鍵為q，上式即為宏觀偏析的判斷式。從上式可以看出，當(dāng)C0一定時，q 是影響宏觀偏析的決定因素。而當(dāng)C0一定時，亦為定值。因此對宏觀偏析起決定作用的是v/u,即液體流動速度與等溫線移動速度比值得大小及兩者的方向。 第23頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響以Al-Cu4.5%合金為例，分析v/u對宏觀偏析的影響（如圖6-12）。該合金的凝固收縮系數(shù)為=0.057。當(dāng) ，即將代入公式（6-1），公式（6-1）與Scheil方程完全一樣，這說明在所

18、選取的局部地區(qū)（體積單元）其平均固相成分 ，無宏觀偏析。這里不難看出，不產(chǎn)生宏觀偏析的條件：一是 與 兩者的方向相反；一是 的絕對值要比 的絕對值小的多，即 。第24頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響當(dāng) ，即 ， 時，液體流動速度的絕對值要比沒有宏觀偏析時大，且方向與等溫線移動的方向相反，即液體在兩相區(qū)內(nèi)由熱端流向冷端，亦即液體從含Cu較低的熱區(qū)流向含Cu較多的冷區(qū)，降低了該區(qū)的平均成分 ，產(chǎn)生了負(fù)偏析。當(dāng) ，即 ，此時，液體流動方向與等溫線方向一致，即由含Cu量多的冷區(qū)流向含Cu量較少的熱區(qū)，從而提高了該區(qū)的平均成分 ，產(chǎn)生了正偏析。

19、第25頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響2、凝固收縮和液相密度對宏觀偏析的影響 等溫線移動速度取決于冷卻速度，而液體沿枝晶間的流動近似遵守Darcy定律，即 液體的密度；g重力加速度； 液相的體積分?jǐn)?shù)；液體的粘度系數(shù)；P作用在枝晶間液體上的壓力；K滲透系數(shù)， 為與枝晶結(jié)構(gòu)和枝晶空隙有關(guān)的常數(shù)。第26頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響在決定 值得諸因素中，顯然 與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，枝晶間隙越小，也越小。壓力P還與凝固收縮有關(guān)，凝固收縮產(chǎn)生的負(fù)壓對液體有抽吸作用，促使液體流

20、動。作為液體的密度 ，在凝固過程中隨著成分的改變而改變，如果由于凝固改變液體成分而使密度增加時，會使液體向下流動，反之，當(dāng)密度減少時，會使液體向上流動。由此可知，促使液體流動的動力來自（1）凝固收縮；（2）液體密度的改變 第27頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四一、晶間液體的流動對宏觀偏析的影響 如圖6-13所示的鑄件，從高度L/2起，截面積減少到1/9，澆注Al- 4.5%Cu合金，采用自下而上的單向凝固。在凝固前沿的固液兩相區(qū)內(nèi)，靠近下部的液相銅含量高，沿凝固推進(jìn)方向銅含量逐漸減少。密度大的液體始終在下部，液體的密度差不能引起液體流動，液體流動僅由凝固收縮所致，因此

21、，流動方向與等溫線移動方向相反，即 為負(fù)值?？上攵?，在鑄件截面積突然變細(xì)的地方，液體流速最大。 由宏觀偏析的判別式可知，此處應(yīng)產(chǎn)生較大的負(fù)偏析。圖6-13示出該鑄件沿高度方向上的銅分布，可以看出，在L/2 處存在較大的負(fù)偏析，與上述分析完全吻合。 單向由下至上凝固的Al-Cu4.5%合金鑄件中Cu分布第28頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四正 常 偏 析 當(dāng)鑄件(錠)凝固區(qū)域很窄時(逐層凝固)，固溶體初生晶生長成緊密排列的柱狀晶，凝固前沿是平滑的或為短鋸齒形，枝晶向液體的流動對宏觀偏析的影響則降為次要地位，宏觀偏析的產(chǎn)生主要與結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配有關(guān)。隨著凝固前沿向

22、中心推進(jìn)， “多余”的溶質(zhì)原子(k01)被排斥在周圍的液體中。這部分液體的溶質(zhì)濃度逐漸升高，后結(jié)晶的固相溶質(zhì)濃度不斷增加，導(dǎo)致鑄件先凝固區(qū)域(鑄件的外層)的溶質(zhì)濃度低于后凝固區(qū)。 k0 1的合金則與上述情況相反。按照異分結(jié)晶的規(guī)律，這是正?，F(xiàn)象，故稱正常偏析。a 平衡結(jié)晶b 固相無擴(kuò)散液相只有擴(kuò)散c 固相無擴(kuò)散液相均勻混合d 液相部分?jǐn)U散第29頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四正 常 偏 析厚壁鑄鋼件中碳、磷、硫等溶質(zhì)的分布規(guī)律 鑄件表面細(xì)晶粒區(qū)內(nèi)，鋼液來不及在宏觀范圍內(nèi)選擇結(jié)晶，其平均溶質(zhì)濃度為C0(原始平均濃度）。與細(xì)等軸晶區(qū)相連的柱狀晶區(qū)，凝固由外向內(nèi)依次進(jìn)行，且

23、凝固區(qū)域很窄，先凝固的部分溶質(zhì)濃度較低，“多余”的溶質(zhì)被排斥在周圍的液體中，后結(jié)晶的固相溶質(zhì)濃度隨之升高，結(jié)晶開始溫度則相應(yīng)降低。當(dāng)鑄件中心部位的液體降至結(jié)晶溫度時，生長出粗大的等軸晶。含溶質(zhì)濃度較高的液體被阻滯在柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)之間，該處磷、硫、碳的含量較高。中心等軸晶區(qū)平均成分也為C0 。第30頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四正 常 偏 析 通過上述分析可知，鑄件產(chǎn)生宏觀偏析的規(guī)律與鑄件的凝固特點密切相關(guān)。當(dāng)鑄件以逐層凝固方式凝固時，凝固前沿時平滑的或短鋸齒形，溶質(zhì)原子易于向垂直于凝固界面的液體內(nèi)傳輸。此時，枝晶間液體的流動對宏觀偏析的影響降至次要地位，凝固后的

24、鑄件內(nèi)外層之間溶質(zhì)濃度差大，正常偏析顯著。 當(dāng)鑄件凝固區(qū)域較寬時，枝晶得到充分的發(fā)展，排出的溶質(zhì)在枝晶間富集，且液體在枝晶間可以流動，從而使正常偏析減輕甚至完全消除。 正常偏析隨著溶質(zhì)偏析系數(shù)值得增大而增大。但對于偏析系數(shù)較大的合金，當(dāng)溶質(zhì)含量較高時，鑄件傾向體積凝固，反而減輕正常偏析或不產(chǎn)生正常偏析。 正常偏析的存在使鑄件性能不均勻，隨后的加工和熱處理也難以根本消除，故應(yīng)采取適當(dāng)措施加以控制。第31頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四逆 偏 析 鑄錠和鑄件凝固后，常?？梢杂^察到與正偏析相反的情況，即鑄錠的表面或底部含溶質(zhì)元素較多，而中心部分或上部含溶質(zhì)較少(ko1)。

25、Cu-Sn和Al-Cu合金是易于產(chǎn)生逆偏析的兩種典型合金，Cu-Sn10%合金鑄件表面含錫量有時高達(dá)20一25。在灰鑄鐵件表面有時會出現(xiàn)磷共晶的汗點。圖6- 16表示含Cu4.7%的鋁合金鑄件斷面上產(chǎn)生逆偏析的情況，虛線表示原始成分，而實線表示銅的實際分布。第32頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四逆 偏 析逆偏析的形成有以下幾方面的共同特點：（1）結(jié)晶范圍寬的固溶體型合金；（2）鑄件緩慢冷卻時逆偏析程度增加；（3）枝晶粗大時易產(chǎn)生逆偏析；（4）合金液含氣量較高時易出現(xiàn)逆偏析。上述共同特點聯(lián)系起來，對逆偏析的形成原因可作如下解釋： 寬結(jié)晶溫度范圍的固溶體型合金在緩慢凝固時

26、易形成粗大的樹枝晶，枝晶相互交錯，枝晶間富集著低熔點的溶質(zhì)，當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時，低熔點溶質(zhì)將沿著樹枝晶間向外移動。如果液態(tài)合金中溶解有較多的氣體，在凝固過程中將助長逆偏析的形成。 第33頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四 V型偏析逆V型偏析第34頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四34*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程35宏觀偏析簡介 定義：較大尺寸范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，又稱長程偏析或區(qū)域偏析； 分類：正偏析（CsCo） 、逆偏析（CsCo）、V形偏析、逆V形偏析、帶狀偏析、密度偏析、區(qū)域偏析、層狀偏析第35頁，共57頁，2022年，5月20日，2

27、2點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程36形成宏觀偏析的途徑 在凝固早期所形成的固體相或非金屬夾雜的漂浮或下沉； 兩相區(qū)內(nèi)的液態(tài)在枝晶間隙中流動。第36頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程37V型偏析和逆V型偏析簡介常出現(xiàn)在大型鑄錠中，一般呈錐型，偏析帶中含有較高的C以及P和S雜質(zhì)第37頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程38形成機(jī)理.：固-液界面偏析元素的富集將阻礙結(jié)晶的生長，出現(xiàn)周期性結(jié)晶。 由于結(jié)晶沉淀，在鑄錠的下半部形成溶質(zhì)濃度低于平均成分的負(fù)偏析區(qū)，上半部則形成高于平均成分的正

28、偏析區(qū)第38頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程39V形偏析大野認(rèn)為，鑄錠在凝固過程中，由于結(jié)晶堆積層的中央下部收縮下沉；而上部不能同時下沉，就會在堆積層上方產(chǎn)生V形裂縫，V形裂縫被低熔點的溶質(zhì)填充，便形成V形偏析第39頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程40逆V形偏析鈴木：逆V形偏析的形成是由于密度小、溶質(zhì)濃度高的金屬液沿固-液界面上升所引起的。另一種看法是，當(dāng)鑄錠中央部分在凝固過程中下沉?xí)r，側(cè)面向斜下方產(chǎn)生拉力，在其上部形成逆V形裂縫，且被低熔點溶液所填充，形成逆V形偏析。第40頁，共57頁

29、，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程41影響偏析的因素降低鑄錠的冷卻速率，枝晶粗大，液體沿枝晶間的流動助力減小，促進(jìn)溶質(zhì)富集液相的流動，均會增大形成V形偏析和逆V形偏析的傾向第41頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程42帶狀偏析第42頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程43帶狀偏析 定義 區(qū)域偏析的一種特殊形式，指鑄錠中某些局部區(qū)域的化學(xué)成分與其周圍區(qū)域存在差異的現(xiàn)象。鋼錠中的帶狀偏析按其分布特征，可分為型偏析（倒V型偏析）和V型偏析兩種第43頁，共57頁，

30、2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程44 帶狀偏析常出現(xiàn)在鑄錠或厚壁鑄件中，有時是連續(xù)的，有時則是間斷的，偏析的帶狀總是和液-固界面相平行。 帶狀偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶質(zhì)富集層且晶體生長速度發(fā)生變化的緣故。帶狀偏析成因： 溶質(zhì)再分配成分過冷第44頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程45 圖（b)由于固-液界面的過冷降低，固體生長受到限制，晶體在固-液界面前方過冷度較大的部位優(yōu)先生長，并且長出分枝，成為樹枝狀，溶質(zhì)含量高的金屬液將被樹枝晶捕捉（包圍），在固-液界面其鈉鹽的溶質(zhì)濃度降低。 圖（

31、a)中的固-液界面，在液體金屬中的溶質(zhì)擴(kuò)散速率低于固體的生長速率時，產(chǎn)生溶質(zhì)偏析（富集），固-液界面處的實際過冷度將下降。第45頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程46 圖（c）所示，固-液界面前沿過冷度又相對增大。 由于液固界面的過冷降低，固體生長受到限制，晶體在固液界面前方過冷度較大的部位優(yōu)先生長，并且長出分枝，成為樹枝狀，溶質(zhì)含量高的金屬液將被樹枝晶捕捉（包圍），在固液界面前沿的溶質(zhì)濃度降低 圖（d)中枝晶繼續(xù)成長將與鄰近的枝晶連接在一起，形成平滑界面；固-液界面推進(jìn)又會引起固-液界面的過冷度下降第46頁，共57頁，2022年，5月20日

32、，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程47 固液界面推進(jìn)又會引起固液界面的過冷度下降,如圖（e）和 圖（f）所示，結(jié)晶前沿的成長又會出現(xiàn)新的停滯。如此重復(fù)，在逐漸斷面可能會出現(xiàn)數(shù)條帶狀偏析第47頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程48 圖（g）所示，當(dāng)固-液界面過冷度降低，固-液界面推進(jìn)受到溶質(zhì)偏析的阻礙時，由于界面前方的過冷度較大，從側(cè)壁上可能產(chǎn)生新的晶粒并繼續(xù)長大，從前方橫切溶質(zhì)農(nóng)化帶，也能形成帶狀偏析第48頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程49 帶狀偏析的形成不進(jìn)與固液界面溶

33、質(zhì)富集而引起的過冷程度有關(guān)，而且受晶體成長速率變化的影響當(dāng)固液界面前方有對流或攪拌時，由于溶質(zhì)的均勻化，可阻止帶狀偏析的形成 如果減少溶質(zhì)的含量，采取孕育措施細(xì)化晶粒，加強(qiáng)固液界面前的對流和攪拌，都能夠防止或減少帶狀偏析的形成減少帶狀偏析方法斷口附近縱向截取面上可看到近中心區(qū)有明顯的帶狀組織偏析。圖中黑色條狀即組織偏析區(qū)第49頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程50 碳化物帶狀偏析是國產(chǎn)H13鋼普遍存在的質(zhì)量問題,其形成原因是由于碳和合金元素沿鍛軋方向的偏析所引起。在鋼錠冷卻時,鋼液中分配系數(shù)小于1的合金元素和雜質(zhì)元素不斷從樹枝晶析出,因而這類

34、元素在樹枝晶間區(qū)域的濃度明顯高于樹枝晶內(nèi)的濃度。由于這種微觀結(jié)晶偏析,在枝晶間最后凝固的部分富集著碳和合金元素,凝固后形成大量的碳化物,在鍛軋過程中它逐步沿?zé)峒庸し较蜓由斐蓭?。碳化物帶狀偏析?0頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四*河北工業(yè)大學(xué)*材料加工工程51 帶狀偏析對H13鋼芯棒的使用性能有很大影響。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同,淬回火后在帶之間會產(chǎn)生應(yīng)力集中。帶狀偏析的存在會造成鋼材的沖擊韌性,塑性和斷裂韌性等降低,并具有明顯的各向異性,而且碳化物集聚區(qū)域最易成為疲勞裂紋源。因此,對芯棒材料要嚴(yán)格控制碳化物帶狀偏析。碳化物帶狀偏析第51頁，共57頁，2022年，5月20日，22點14分，星期四重 力 偏 析 在鑄錠中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)底部和頂部存在著明顯的成分差異。這除了是由于沿垂直方向逐層凝固而產(chǎn)生的正常偏析外，在許多場合，是由于固、液兩相之間或互不相溶的液相之間有的密度不同，在凝固過程中發(fā)生沉浮現(xiàn)象而造成的，故稱重力偏析。 重力偏析產(chǎn)生在鑄件凝固之前或剛剛開始凝固之際。絕大多數(shù)的合金，固相