化学成分的不均匀性
偏析的分类
2011年8月3日
材料加工工程
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• 在实际铸造条件下，由于冷却速度快，固相中的溶质还未充 分扩散，液体温度降低，固液界面向前推进，又结晶出新成分 的晶粒外层，致使每个晶粒内部的成分存在差异。
• 这种存在于晶粒内部的成分不均匀性，称为晶内偏析。由于 固溶体合金多按枝晶方式生长，先结晶的枝干和后结晶的分枝 的成分也存在差异，而且分枝本身(内外层)、分枝与分枝间的 成分是不均匀的，故也称枝晶偏析。
1.00～ 8.0
偏析系数|1－ k0|
0.94
0.90
0.87
0.74
0.62
0.53
0.51
0.86
0.65
0.35
0.34
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材料加工工程
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枝晶偏析
枝晶偏析的大小可用 枝晶偏析度Se
Se Cmax Cmin C0
枝晶偏析比SR
枝晶中最高溶质浓度 SR 枝晶中最低溶质浓度
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材料加工工程
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枝晶偏析
枝晶偏析的描述：
当不考虑固相中的扩散 时，用Scheil方程式描述：
CS k0C0 (1 fS )k0 1
应该指出的是，Scheil方程是在 假定固相没有溶质扩散的条件下导出的 ，是一种极端情况。实际上，特别是在 高熔点合金中，如碳、氮这些原子半径 较小的元素在奥氏体中扩散往往是不可 忽视的。
两种：
微观偏析——晶粒尺寸范围（包括晶界）里的化学成分不均匀 现象。
宏观偏析——铸坯整个断面上化学成分不均匀现象。
偏析的分类
微观偏析 ：晶内偏析（枝晶偏析），晶界偏析
宏观偏析 ：正偏析，逆偏析，V型偏析和逆V型偏析，
固溶体偏析的原因
固溶体偏析的原因1.引言1.1 概述固溶体偏析是一种常见的现象，指的是在固溶体中某些成分的含量在晶体内部不均匀分布的情况。
尽管固溶体在外观上看起来均匀无缺，然而实际上它们可能在微观层面上存在着不均匀的化学成分。
固溶体是由两种或更多种不同的物质混合而成的固体，其中一种物质被称为溶质，另一种物质被称为基质。
在理想的固溶体中，溶质是均匀地分布在基质中的，并且没有任何区域出现不均匀性。
然而，在一些情况下，由于各种原因，固溶体中的溶质无法实现完全均匀的分布，出现了固溶体偏析现象。
固溶体偏析可以由多种原因引起。
首先，化学成分的不均匀分布可能是固溶体偏析的一个主要原因。
当固溶体中的溶质在晶体生长过程中无法均匀地分布时，就会产生偏析现象。
这可能是由于不同成分在晶格中的溶解度不同，或者是由于外部条件（如温度和压力）的变化导致了溶质的不均匀分布。
其次，温度梯度也是导致固溶体偏析的常见原因之一。
当固溶体处于温度梯度环境中时，温度的差异会导致溶质在晶体内部的分布出现不均匀性。
高温区域中的溶质更容易溶解，而低温区域中的溶质则相对不易溶解，从而形成不均匀的分布。
总之，固溶体偏析是由于化学成分的不均匀分布和温度梯度的存在而引起的。
深入了解固溶体偏析的原因对于我们理解和控制固溶体的性质和行为至关重要。
通过采取适当的应对措施，如调整合金成分和控制生产工艺，我们可以尽量减少固溶体偏析的发生，从而提高材料的性能和质量。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以描述文章的组织和安排，以引导读者了解文章的结构和流程。
以下是一个可能的内容示例：1.2 文章结构本文主要通过以下几个部分来探讨固溶体偏析的原因：2. 正文部分：a. 固溶体偏析的定义和背景：在此部分，我们将介绍固溶体偏析的概念和相关背景知识，包括什么是固溶体偏析以及其在材料科学和工程中的重要性。
b. 固溶体偏析的原因：在本节中，我们将详细探讨固溶体偏析的两个主要原因，包括化学成分不均匀分布和温度梯度引起的偏析。
焊接熔合区的组织与性能的不均匀性
焊接熔合区的组织与性能的不均匀性熔合区的成分不均匀性，必然会导致金属组织和性能的不均匀性。
其不良影响的严重程度，一方面同成分不均匀性的沿着沉甸甸有关；另一方面在很大程度上又与母材金属A（或B）同焊缝金属D各组成元素间相互作用的性质有关。
以奥氏体填充材料焊接碳钢-奥氏体不锈钢焊接接头为例：此时在碳钢一侧熔合区如果生产了严重的不均匀搅拌层，则出现Ni、Cr含量低于奥氏体不锈钢而高于碳钢的水平，其碳含量又接近于碳钢水平的特殊成分带，因此不可避免的要出现淬硬的马氏体组织。
这种焊接接头的组织按以下组织形式出现：奥氏体不锈钢一侧焊缝和焊缝金属为奥氏体组织；碳钢一侧焊缝的熔合区有可能出现马氏体组织；而在奥氏体不锈钢焊接热影响区，会出现晶粒长大；在碳钢的焊接热影响区，也可能出现淬硬组织。
这样，在奥氏体填充材料焊接碳钢-奥氏体不锈钢焊接接头就形成了十分复杂的不均匀组织，而其性能，自然也包括力学性能也是十分复杂和不均匀的。
焊接熔合区固、液相间化学成分不均匀性。
通常，被焊的两异种材料的成分差异与得到的，则焊缝金属与焊缝两侧或焊缝一侧母材金属的成分差异也愈大。
另外，即使是焊缝金属同母材金属之间的某元素的含量相同，焊缝金属同母材金属之间也就形成一种异种材料的连接副。
焊接过程中，一侧是固态的A（或B）母材金属，一侧是D成分的液态焊接熔池。
即使某元素在熔池中的含量与某侧母材中的含量相等，但由于该元素在固、液共存条件下，在固、液相界面两侧的含量也不会不同。
一般来说，将是液相（即熔池）含量高，固相（即母材）含量低，而在熔合线两侧出现化学成分的不均匀性。
相反，对于焊接熔池含有某元素，而母材没有时，一般来说，也会由于扩散使母材在熔合线附近会溶入这种元素，而降低熔合线两侧化学成分的不均匀性。
如图8-3所示，微信公众号：hcsteel在焊接熔池的高温下，D 元素将从熔池向母材A（或B）发生扩散（包括某些情况下的上坡披散），由D进入A（或B）扩散进入D的元素则由于液体的流动而均匀化，并不影响该局部的焊缝金属成分，焊缝一侧（或两侧）的不均匀性决定于A（或B）和D的成分和各组成元素的本性，这是不可避免的；但其扩散的深度和最终的浓度梯度，则受到温度的高低和高温下停留时间以及元素固有性能（如扩散能力）的影响。
铸件各部分化学成分不均匀的现象称为
铸件各部分化学成分不均匀的现象称为铸件各部分化学成分不均匀的现象称为“组分不均”。
在铸件制造过程中，组分不均是一种常见的质量问题，它可能导致铸件的性能下降，甚至造成铸件失效。
组分不均主要是由于铸造过程中的凝固过程造成的。
在铸造中，熔融金属经过凝固转变为固态金属。
凝固过程中，金属中的元素会以不同的速度凝固，从而导致组分不均。
例如，一些元素可能会首先凝固，而其他元素则会在后续凝固中分离出来。
这种不均匀的凝固过程会导致铸件内部的组分不均。
除了凝固过程，原材料的组分不均也可能导致铸件的组分不均。
如果铸造时使用的原材料中存在成分不均匀的情况，那么在铸造过程中，这种不均匀性就会传递到铸件中。
原材料的组分不均可能是由于生产过程中的操作不当，或者是原材料本身的质量问题导致的。
组分不均对铸件的性能和品质都有不利影响。
首先，组分不均可能导致铸件的力学性能降低。
例如，一些区域的成分偏低可能导致该区域的强度下降。
其次，组分不均还可能导致铸件出现表面缺陷，如气孔、夹杂物等。
这些缺陷不仅会影响铸件的外观，还可能导致铸件在使用过程中发生断裂等失效问题。
为了解决铸件组分不均的问题，可以采取一些措施。
首先，需要优化铸造工艺，尽量减少凝固过程中的组分分离现象。
其次，对原材料进行严格的质量控制，确保原材料的组分均匀稳定。
此外，还可以使用一些铸造辅助剂，如改善凝固过程的添加剂，来改善铸件的组分均匀性。
总之，铸件各部分化学成分不均匀的现象称为组分不均。
组分不均可能由凝固过程和原材料的组分不均引起，它对铸件的性能和品质有不利影响。
为了解决组分不均问题，需要优化铸造工艺，严格控制原材料质量，并使用适当的铸造辅助剂。
这样可以提高铸件的质量，确保其满足使用要求。
焊接构件失效的原因及预防措施
焊接构件失效的原因及预防措施焊接构件在各种⼤型设备中常见，往往作为底座的外壳、⽀撑底座、⼯作平台等结构出现。
焊接构件的使⽤寿命影响着整个设备的使⽤寿命，但往往在焊接位置出现裂纹等失效问题，现在就来分析⼀下焊接失效的原因以及预防措施。
⼀、铸-焊结构焊接失效的原因及危害通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素，在⼀定条件下断裂（如：应⼒、温度、材质、焊接质量和实际使⽤⼯况条件等）。
接头⼀旦失效，就会使相互紧密联系成⼀体的构件局部分离、撕裂并扩展，造成焊接结构损坏，致使设备停机，影响正常⽣产。
焊接失效的基本条件：⼀是焊接结构设计不合理，如在局部或整体焊缝的布置与设计上存在问题；⼆是材料本⾝的缺陷，如板材化学成分偏析，铸钢件的组织存在缩松、⽓孔、裂纹等；三是焊接⼯艺的应⽤不合理，如焊接材料的选择、焊接⽅法的制定；四是构件所处的⼯作环境、⼯况条件差（如受到交变及冲击载荷），引起结构材料疲劳破坏。
针对接头失效进⾏分析，应从两个⽅⾯⼊⼿：⼀是产⽣的根源；⼆是其危害性。
1. 结构件焊接失效产⽣的根源通常情况下，材料本⾝的缺陷（如化学成分的不均匀性、局部微观裂纹），焊缝由于各种原因产⽣的冷热裂纹、未焊透、夹渣、⽓孔及咬边等，焊接过程中近缝区较⾼的残余应⼒（包括焊缝及热影响区相变的组织应⼒），以及焊接过程⾼温下的组织软化和冷却后产⽣的脆化等，都是造成接头失效的根源，也为接头的脆断或扩展提供了条件。
2. 结构件焊接失效的危害性井下⼯作⾯刮板输送机、转载机和破碎机，是采煤⼯作⾯的关键设备，⼯作⾯使⽤条件复杂。
由于刮板输送机除要完成运煤、清理浮煤外，还要作为采煤机运⾏的轨道和牵引⽀承、液压⽀架前沿的基点，担负着采煤⼯艺过程中的落、装、运、⽀、控等全部⼯序，井下设备的可靠性决定了⾼效采煤的经济性，所以设备质量的好坏、寿命长短、性能的优劣，直接影响着煤炭⽣产。
由于刮板输送机和转载机的使⽤特点，中部槽之间的联结强度和可靠性显得尤为重要，⽽其结构⼤多由铸钢件与普通低合⾦板Q345（16Mn）以及⾼强板和耐磨板（NM360）焊接⽽成，铸钢件以碳锰硅（C-Mn-Si）系列为主。
变质矿物成分复杂多样的原因
变质矿物成分复杂多样的原因变质矿物是地球岩石圈中的重要组成部分，其成分复杂多样。
这种复杂性主要受到以下因素的影响：1.温度和压力的变化温度和压力是影响变质矿物成分的主要因素之一。
随着温度和压力的变化，岩石中的矿物会重新排列，形成新的变质矿物。
例如，在高温条件下，岩石中的钠长石和钾长石会发生部分熔融，形成微斜长石、钠钾长石等变质矿物。
2.化学成分的不均匀性岩石中的化学成分不均匀性也会导致变质矿物成分的多样性。
在岩石形成过程中，不同部分的化学成分会有所差异，这些差异会导致在变质过程中形成不同的变质矿物。
例如，富含铁和镁的岩石在高温条件下容易形成角闪石类变质矿物，而富含硅和铝的岩石则容易形成云母类变质矿物。
3.混合岩化作用混合岩化作用是指固态岩石在高温和压力作用下与其它岩石相互作用，形成新的变质岩的过程。
在这个过程中，不同岩石中的矿物会发生混合和交换，形成新的变质矿物。
例如，在混合岩化过程中，矽卡岩中的钙铁辉石和透辉石会发生混合，形成钙铁榴石等新的变质矿物。
4.化学分子的可逆反应化学分子的可逆反应也是导致变质矿物成分复杂多样的原因之一。
在温度和压力变化的影响下，岩石中的矿物分子会发生重新排列，形成新的变质矿物。
例如，在高温条件下，角闪石会分解成斜长石和石英，而在较低温度条件下，斜长石和石英又会反应形成角闪石。
这种可逆反应导致了变质矿物成分的复杂多样性。
5.变质过程中的热液作用变质过程中的热液作用也是影响变质矿物成分的因素之一。
在变质过程中，热液会与岩石相互作用，导致矿物的溶解、沉淀和重新排列。
这种作用会改变岩石中的矿物组成和结构，形成新的变质矿物。
例如，在热液作用下，岩石中的长石会发生溶解和沉淀，形成绢云母、绿泥石等变质矿物。
金属粉末材料偏析的原因
金属粉末材料偏析的原因
1. 化学成分不均匀，金属粉末在制备过程中，由于原料混合不
均匀或者反应条件不一致，可能导致金属粉末中的化学成分不均匀。
这种化学成分的不均匀可能会导致偏析现象的发生。
2. 加工工艺不当，金属粉末在加工过程中，比如烧结、压制等
工艺中，如果温度、压力、时间等参数控制不当，可能会导致金属
粉末颗粒之间的成分分布不均匀，从而出现偏析现象。
3. 氧化和污染，金属粉末在制备和储存过程中，如果受到氧化
或者外部杂质的污染，可能会导致金属粉末表面或内部的成分发生
变化，从而引起偏析。
4. 结晶缺陷，金属粉末在结晶过程中，如果晶粒长大不均匀或
者出现晶界偏析现象，也可能导致金属粉末材料偏析。
为了避免金属粉末材料偏析，需要在原料制备、加工工艺和储
存过程中严格控制各项参数，确保金属粉末的化学成分均匀、无污染，并且在加工过程中采取适当的工艺措施，以保证金属粉末材料
的均匀性和稳定性。
材料科学基础名词解释1
《材料科学基础》名词解释1、晶体原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。
2、中间相两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B 两组元均不相同的新相。
由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。
3、亚稳相亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却或加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。
4、配位数晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。
5、再结晶冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。
（指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程）6、伪共晶非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。
7、交滑移当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。
8、过时效铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP 区，θ”，θ’，和θ。
在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出θ’，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。
9、形变强化金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。
10、固溶强化由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。
11、弥散强化许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。
12、不全位错柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。
13、扩展位错通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。
14、螺型位错位错线附近的原子按螺旋形排列的位错称为螺型位错。
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3.焊接接头中熔合区的化学成 分不均匀性
•熔合区是焊接接头中的薄弱之处. •固液界面附近的溶质浓度的分布与该元素 的扩散系数和分布系数有关. •由于焊接熔合区化学成分的不均匀性,致 使组织和性能不均匀性.焊接熔合区的质 量问题应给以应有的关注.
熔合区中S的分布(E=11.76kJ/cm)
低碳钢与奥氏体焊缝(Cr23Ni13)熔合区元素的分布(质量分数E=23.94kJ/cm)
2、宏观偏析
（3）比重偏析 a. 机理 ������ •合金凝固时有初生相（过共晶或亚共晶），且 初生相和液相之间的比重差别较大（过共晶铸铁 石墨上浮） ������ •个别合金液相比重不同导致分层，凝固后比重 偏析（Cu-Pb合金上部富Cu） b. 防止措施 ������ •快速凝固 ������ •在合金中加入第三种能形成熔点较高、比重与 液相接近的化合物相，在凝固过程中首先从液相 中析出，形成树枝状骨架，阻止偏析相的沉浮
2、宏观偏析
(4) 区域偏析 焊接时,柱状晶成长过快,溶质或杂质在 中心富集,凝固后在焊缝中心线附近出现严 重偏析.
2、宏观偏析
(5)层状偏析 焊接时,由于热的周期性作用,急冷与急 热的交替作用,致使结晶过程发生周期性变 化而造成化学成分的不均匀.
2、宏观偏析
（4）宏观偏析的消除 • 扩散退火无效 • 改善加工工艺
低碳钢焊缝中S的晶界偏析
1、微观偏析
（3）微观偏析的消除措施 • 固相线下100~200℃长时间扩散退 火（均匀化） • 热轧或热锻也可改善
2、宏观偏析
������
宏观偏析为长程偏析，是发生于区域之间的 成分差别（区域偏析）。 ������ 液态金属沿枝晶间的流动对宏观偏析的产生 有着重要的影响。 ������ 焊接不易宏观偏析，熔池中有强烈的对流拌； 铸造宏观偏析严重 • 正常偏析（正偏析） •区域偏析 • 反偏析（逆偏析） • 比重偏析（重力偏) •层状偏析
2、宏观偏析
（1）正偏析 ������ •铸件外层纯度高、溶质含量 低，内部溶质含量高、杂质 集中的区域偏析为正常偏析 ������ •机理：冷速较慢，低熔点组 元充分向内部聚集 ������ •危害：铸件性能不均匀；但 可借此对金属提纯 ������ •防止：扩散退火无效，提高 冷速有效， 如降低浇注温 度、加速铸件凝固
第十五章化学成分的不均匀性
1.微观偏析 2.宏观偏析 3.焊接接头中熔合区的化学成分的不均匀 性
1、微观偏析
• 微观偏析--短程偏析，是不平衡凝固造的； • 微观偏析--晶粒内部或晶界等微区内成分不 均匀现象。 1• 枝晶偏析 2• 晶界偏析
1、微观偏析
（1）枝晶偏析 a. 机理 ������ 结晶时冷速较大，扩散来不及，先结晶 富高熔点组元，导致树枝晶内部成分不均 匀. b. 影响因素 ������ 合金相图的形状：垂直、水���� 原子的扩散能力：扩散能力差，更易偏
1、微观偏析
（2）晶界偏析 在树枝晶体之间（晶粒与晶 粒之间）最后凝固部分（即 晶界区）积累了更多的低熔 点组元和杂质元素 ������ 晶界偏析的程度比晶内偏析 更为严重，有时在晶界上还 会出现一些不平衡的第二 相，如低熔点共晶体 ������ 产生的原因与枝晶偏析相同 ������ 塑性和韧性降低、增加热裂 倾向、降低耐腐蚀性能等
2、宏观偏析
（2）反偏析 ������ • 外层溶质元素含量反而高于内层的含量；
������ •不常见，易发生于凝固温度区间宽、凝固收 缩大、冷却缓慢、枝晶粗大、液体金属中含气量 较高等情况下。 ������ •机理：由于铸件表层枝晶间以及内部的低熔 点液体，在液体金属静压力和析出气体压力的作 用下，通过树枝晶之间收缩产生的空隙渗出到表 面，在表面形成的一种含有较多低熔点组元和杂 质的偏析层。
1、微观偏析
（1）枝晶偏析 b. 影响因素 ������ 凝固时的冷却条件：冷速越大，过冷越大， 开始结晶温度越低，扩散能力越小；冷速很大， 液相中的扩散也受到抑制，发生无扩散结晶，偏 析程度反而减小。 ������ 合金元素：C促S、P偏析；焊 接比铸造偏 析程度小，可能与焊接冷速很大，液相中的扩散 受到抑制有关.