第15章 化学成分的不均匀性

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影响枝晶偏析的主要因素
• （1）当其他条件相同时，冷却速度的影响有两重性： 一方面，冷却速度越大，溶质扩散越不充分，使晶 内偏析越严重； 另一方面，随着冷却速度增加，使晶粒细化，故减 轻晶内偏析。 • （ 2 ）偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，则晶内偏 析越大。 • （3）合金相图上液相线与固相线的水平距离差别越大， 晶内偏析越严重。
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• 3、铃木等认为：逆V形偏析（A形）的形成 是由于密度小的溶质浓化液沿固液界面上 升所引起的。 • 4、另一看法是：当铸锭中央部分在凝固过 程中下沉时，侧面向斜下方产生拉力，在 其上部形成逆V形裂缝，且被低熔点溶液所 充填，形成逆V形偏析。
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四、带状偏析
• 带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中； • 特点：与凝固的液固界面相平行，有 时连续，有时间断。
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三、晶界偏析
晶界偏析有两种 情况 ： • 1、两个晶粒并排生长， 晶界平行于生长方向， 在晶界与熔液交界的 地方，会出现一个凹 槽，此处有利于溶质 原子的富集，凝固后 就形成了晶界偏析。
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• 2 、两个晶粒彼此面对 面生长，在固 — 液界面， 溶质被排出 (k0<1) ，此 外，其它低熔点的物质 也会被排出在固 — 液界 面，当晶界彼此相遇时， 在它们之间富集大量溶 质，从而造成晶界偏析。
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在实际凝固过程 中，一般表现为， 固体内溶质有若干 扩散，液体中由于 对流也存在着若干 混合，其溶质浓度 分布如图 15-4 中曲 线d所示。
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二、逆偏析
• 铸件凝固后，常常出现和正偏析相反的溶质分布 情况，当 k0<1 时，表面或底部含溶质元素多，而中心 部分或上部含溶质较少，这种现象称为逆偏析。 • 如：含10％(质量分数)Sn的Cu-Sn合金，其表面有时会 出现含20％-25％Sn(质量分数)的锡汗。 • 又如：在灰铸铁件表面有时会出现磷共晶汗点。
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• 引起固液面的溶质再次富集、 过冷度下降，图e、f； • 结晶前沿的成长又会出现新 的停滞，如此重复； • 在铸件断面可能会出现数条 带状偏析； • 由于界面前方的过冷度大， 从侧壁上可能产生新的晶粒 并继续长大，从前方横切溶 质富集区，形成带状偏析。 图g。
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带状偏析的影响因素
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晶界偏析是有害的，容易引起热裂 的产生，必须予以防止。 • 生产中消除晶界偏析的方法同晶内 偏析所采用的措施相同，即均匀化退火 方、正偏析 铸件的凝固往往从与铸型壁接触的表面层开始， 由于溶质再分配，当合金的溶质分配系数 k0<1 时，凝 固界面的液相中将有一部分溶质被排出，随温度的降 低，溶质的浓度将逐渐增加，这样一来，后结晶的固 相，溶质浓度高于先结晶部分。当 k0>1 时，则与此相 反，后结晶的固相，溶质浓度降低，把这种成分的偏 析称为正偏析。
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对性能的影响及消除
• （1）晶内偏析通常是有害的，严重的晶内偏析使晶 粒内部合金成分不均匀，会导致铸件的韧性、塑性下降。 • （2）晶内偏析会产生化学性能不均匀，促使合金抗 蚀性下降。 • （3）晶内偏析程度一般用偏析系数 (1-k0)来衡量， 当 k0<1 时， 1-k0 值越大，固相和液相的浓度差越大，晶 内偏析越严重。 • （4）晶内偏析是不平衡结晶的结果，在热力学上是 不稳定的。如果采取一定的工艺措施，使溶质进行充分 扩散，就能够消除晶内偏析。生产上常采用扩散退火或 均匀化退火来消除晶内偏析。即将铸件加热到低于固相 线100-200 ℃的温度，进行长时间保温，可达到均匀化 的目的。
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影响因素
• 逆偏析的形成与结晶温度范围、冷却速度、树枝晶的 尺寸及液体金属所受的压力有关。 • 雄谷等人对铜锡合金的树枝状形态与逆偏析的关系进 行研究表明，在Cu-Sn合金中加入第三种元素，如果 该元素能细化树枝晶，则促进正偏析形成，抑制逆偏 析的产生，反之则促进逆偏析形成。
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• 图为用单向凝固法浇注的 Cu-8%Sn合金铸锭中加 入Ni、Fe、Si、Al时对 Sn的分布的影响。 • Cu-8%Sn合金产生逆偏 析； • 加入2％Ni或1.2％-2.0％ Fe时产生正偏析； • 加少量Si、 Al和P时，产 生逆偏析。
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形成正偏析或逆偏析的影响因素
• 1 ．结晶温度范围：结晶温度范围较小时，倾向于产生 正偏析。结晶温度范围越大，树枝状晶越发达，当其它 条件相同时，易产生逆偏析。 • 2 ．树枝状晶的尺寸：当合金中加入细化一次分枝的元 素，能够减缓或防止逆偏析的形成。反之，加入促进一 次分枝长大的元素，将促进逆偏析的形成。 • 3 ．冷却条件：铸件冷却缓慢，宽结晶温度范围的合金 易形成发达的树枝状晶，有利于产生逆偏析。 • 4 ．合金结晶过程液体金属所受的压力：枝晶间低熔点 溶液在液体金属静压力或大气压力作用下，通过枝晶间 的通道向外补缩，有利于形成逆偏析。合金中溶解的气 体越多，形成的压力越有利于产生逆偏析。
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原因：
• Si和Al能增加一次分枝尺寸。 固相排出的溶质浓缩在枝晶之 间，铸件收缩时，含溶质高的 液相容易沿着树枝状晶间的细 孔道向激冷方向移动，产生逆 偏析。 • Fe和Ni细化树枝晶一次分枝。 从固相排出的溶质不易被枝晶 间捕获，树枝间的通道也不易 形成，不易形成逆偏析。 • 但是，P的影响例外，能细化 一次分枝，却促进逆偏析的形 成。
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逆偏析的形成原因
原因：具有一定结晶温度范围的固 溶体型合金在缓慢凝固时易形成粗大树 枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低 熔点溶质，当铸件产生体收缩时，低熔 点溶质将沿着树枝状晶向外移动。
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• 图 为 含 4.7 ％ Cu 的铝 合金铸件断面上产生 逆偏析的情况。 • 铸件的逆偏析会降低 力学性能、气密性和 切削加工性。
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三、V形偏析和逆V形偏析
• 图15-8表示铸锭中V形和 逆V形偏析产生部位的示 意图。 • V形偏析和逆V形偏析常 出现在大型铸锭中，一般 为锥形，偏析带中含有较 高的碳以及硫和磷杂质。
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V形和逆V形偏析的形成机理
说法尚不统一： • 1 、一种说法：由于固液界面偏析元素的富集，将 阻碍结晶的生长，出现周期性结晶。 • 2 、大野认为：铸锭凝固初期，结晶粒从型壁或固 液界面脱落沉淀，堆积在下部。凝固后期结晶堆积 层的中央下部收缩下沉，上部不能同时下沉，就会 在堆积层上方产生V形裂缝，V形裂缝被低熔点的溶 质充填，便形成V形偏析。
1. 与固液界面溶质富集而引起的过冷程度有关； 2. 受晶体生长速度变化的影响； 3. 固液界面前方有对流或搅拌时，由于溶质的均匀化， 可阻止带状偏析形成。
带状偏析的防止措施
1. 减少溶质的含量； 2. 采取孕育处理措施细化晶粒； 3. 加强固液界面前的对流和搅拌。
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五、密度偏析
• 密度偏析（比重偏析）是在金属凝固前或刚刚 开始凝固时，当液体和固体或相互不混合的液 相之间存在密度差的情况下，产生组分的上浮 或下沉，导致的化学成分不均匀现象。 • 如： Pb-15 ％ Sb 合金在凝固过程中，初生相 Sb 的密度小于液相，因此Sb晶体上浮，形成密度 偏析。 • 再如：铸铁中产生的石墨漂浮也是密度偏析。
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带状偏析的形成机理
• 图（a），固液界面前沿，溶 质的扩散速度低于固体的生长 速度，产生溶质偏析； • 固液界面的成分过冷度低，图 （b）； • 固体生长受到限制，只能在前 方过冷度较大的部位生长，并 且长成树枝状，图（c）； • 溶质富集液将被树枝晶包裹在 里边； • 枝晶的成长前沿与邻近的枝晶 连接在一起，形成平滑界面；
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防止或减轻密度偏析的方法
1. 增加铸件的冷却速度，使初生相来不及上浮或下沉。 2. 加入第三种合金元素，形成熔点较高的、密度与液 相接近的树枝状化合物骨架，阻止偏析相的沉浮。 3. 降低合金的浇注温度和浇注速度。
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• 二、枝晶偏析(晶内偏析) • 枝晶偏析通常产生 于具有结晶温度范围、 能够形成固溶体的合金 中。在铸造条件下，因 冷却速度较快，扩散过 程难以充分进行，使凝 固过程偏离平衡条件， 形成不平衡结晶。
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固溶体在不平衡凝固时，由于先从液体中析出的 固体成分不同，并且由于冷却较快而不能扩散均匀，结 果使每一晶粒内部成分不均匀，先结晶部分含高熔点组 元较多，存在着浓度差别。 这种在晶粒内部出现的成分不均匀现象，称为晶 内偏析。 由于工业上使用的合金其固溶体通常以树枝状生 长方式凝固结晶，使主干与分枝晶的成分不一致，又称 为枝晶偏析。
第二节 微观偏析
• 一、胞状偏析 当成分过冷较小时，晶体呈 胞状方式生长。由于凝固过程中 溶质再分配，当合金的分配系数 小于 1 时，则在沟槽处将富集溶 质；如果分配系数大于 1 ，则沟 槽处的溶质会贫化。这种化学成 分不均匀性称为胞状偏析。 胞状偏析由于胞体较小，即 成分变化范围较小，进行均匀化 退火处理即可消除这种偏析。