偏析的分类PPT课件
CS k0C0(1fS)k01
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。
图6-7表示Cu-Sn8%合金单相
凝固时铸态组织中Sn在枝晶横截
面分布的等浓度线。已知Cu-Sn
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，
带状偏析，重力偏析
化学成分的不均匀性
偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度CS与合金原始平均浓度C0的 偏离情况分类。凡CS＞C0者，称为正偏析，CS＜C0者，称为负偏 析。这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。
偏析是铸件的主要缺陷之一。偏析对铸件质量影响很大，主要表 现在以下几个方面：
（1）微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件 的力学性能。有时使铸件难于加工。
（2）晶界偏析往往有更大的危害性，由于偏析使得低熔点共晶容易 集中在晶粒边界，即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性， 又能降低铸件的塑性。
DS S 2
DS－溶质在固相中的扩散系数 －局部凝固时间 S－枝晶间距一半
各种元素在不同合金系中的分配系数k0和
扩散系数DS是不同的，因此，枝晶偏析程度也
不同。分配系数k0愈小(k0 ＜1时)或k0愈大(k0
＞1时)，或扩散系数DS愈小，则枝晶偏析愈严
重。因此，可用l1- k0l定性地衡量枝晶偏析的 程度。 l1- k0l愈大，枝晶偏析愈严重， l1k0l称为偏析系数。
合金的平衡分配系数K0=0.36，如 不考虑溶质在固相中的扩散，枝
干中心Sn的浓度应为K0C0=2.9%小 于6%。这说明溶质原子在固相中 的扩散是不可忽视的。
枝晶偏析
当考虑固相中有扩散、液相均匀 混合时描述为：
CS
k0C0
11fSk0
由此可知，枝晶偏析的产生主要决定于 ：①溶质元素的分配系数k0和扩散系数DS ，②冷却条件和枝晶间距。
枝晶偏析
冷却速度的影响 冷却速度v0对枝晶偏析的影响是通过和s体现的。
CS
k0C0
11fSk0
DS S 2
曾认为，冷却速度愈大，枝晶偏析愈严 重。由上述结果可知，这种看法是不全面
的。增大冷却速度有时反而减轻枝晶偏析， 甚至当冷却速度增大到某一临界值(106～ 108℃/s)时，不仅固相的扩散不能进行， 液相中的扩散也被抑制，反而得到成分均 匀的非晶态组织。
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
Cmax－某组元在偏析区内的最高浓度 Cmin－某组元在偏析区内的最低浓度
C0－某组元的原始平均浓度
表10.2几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se
元素 S P C W V Mo Si Cr Mn Ni
Se
2.0 1.5 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.15 0.05
1.00 ～
1.00 ～
0.03 0.04 0.10 1.0 4.0 1.20 4.0 2.50 4.50 3.0
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
枝晶偏析
枝晶偏析的大小可用枝晶 偏析度Se
Se Cmax Cmin C0
现在用图6-1说明固溶体合金C0 成分的不平衡结晶过程。
晶内偏析（枝晶偏析）
图6-2、图6-3分别表示含30%Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固时固 溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、表面成分以及平均 成分随温度的变化。
• 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。
偏析的分类和定义
凝 固缺 陷
气泡
液
气体元素 杂质元素 过饱和析出
滞留
化合物
气孔 夹渣
态 非平衡凝固
成分偏析
金 受 拘
属 降温凝固 体积 束
收缩
低熔点共晶
应力 变形 缩孔 缩松
热裂纹 冷裂纹
化学成分的不均匀性
铸件(锭)中化学成分不均匀的现象称为偏析。由于金属凝固过 程中的选分结晶，导致晶体中的偏析是不可避免的。偏析分为 两种：
现象，称为枝晶偏析，因为他属于 一个晶粒范围的成分不均匀，所以也 称为晶内偏析。
图6-5表示用电子探针所测定低 合金钢溶液中生成的树枝状晶各截面 得溶质等浓度线。从中可以清楚看出 溶质在一次分枝、二次分枝以及晶内 的分部。
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：
图为冷速对镁合金 (Mg-0.2Ca)中Ca的 枝晶偏析的影响。可以看出，即使冷却速 度很小，SR仍大于1，这表明铸锭中仍存在 枝晶偏析，且随冷却速度的增大而增大。 当冷却速度增大到某一值后，再继续增加 冷却速度，枝晶偏析程度减轻。
几种元素在铁中的k0和l1- k0l示于表10-1。可以看
出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
元素
表10-1不同元素在铁中的偏析系数பைடு நூலகம்
P S B C V Ti M0 Mn Ni Si
Cr
质量分数(%)
0.01 ～
0.01 ～
0.00
2 ～
0.30 ～
0.50 ～
0.20 ～
1.00 ～
1.00 ～
• 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。
Ni-Cu合金的铸态组织（SEM）
枝晶偏析
铸钢组织也呈树枝状，其中先结 晶的枝杆中心含碳量较低，后结晶出 的分枝含碳量较高，枝晶间含碳量更 高，树枝晶中这种化学成分不均匀的
（3）宏观偏析使铸件各部分的理学性能和物理性能产生很大差异， 影响铸件的使用寿命和工作效果。
10-1 微 观 偏 析
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。 它们的表现形式虽不同，但形成的机理是相似的，都是合金 在结晶过程中溶质再分配的必然结果。 一、晶内偏析（枝晶偏析）
晶内偏析产生于具有结晶温度 范围，能形成固溶体的合金中，在 铸造条件下，当合金冷却较快时， 将形成不平衡结晶。
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。
图6-7表示Cu-Sn8%合金单相
凝固时铸态组织中Sn在枝晶横截
面分布的等浓度线。已知Cu-Sn
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，
带状偏析，重力偏析
化学成分的不均匀性
偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度CS与合金原始平均浓度C0的 偏离情况分类。凡CS＞C0者，称为正偏析，CS＜C0者，称为负偏 析。这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。
偏析是铸件的主要缺陷之一。偏析对铸件质量影响很大，主要表 现在以下几个方面：
（1）微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件 的力学性能。有时使铸件难于加工。
（2）晶界偏析往往有更大的危害性，由于偏析使得低熔点共晶容易 集中在晶粒边界，即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性， 又能降低铸件的塑性。
DS S 2
DS－溶质在固相中的扩散系数 －局部凝固时间 S－枝晶间距一半
各种元素在不同合金系中的分配系数k0和
扩散系数DS是不同的，因此，枝晶偏析程度也
不同。分配系数k0愈小(k0 ＜1时)或k0愈大(k0
＞1时)，或扩散系数DS愈小，则枝晶偏析愈严
重。因此，可用l1- k0l定性地衡量枝晶偏析的 程度。 l1- k0l愈大，枝晶偏析愈严重， l1k0l称为偏析系数。
合金的平衡分配系数K0=0.36，如 不考虑溶质在固相中的扩散，枝
干中心Sn的浓度应为K0C0=2.9%小 于6%。这说明溶质原子在固相中 的扩散是不可忽视的。
枝晶偏析
当考虑固相中有扩散、液相均匀 混合时描述为：
CS
k0C0
11fSk0
由此可知，枝晶偏析的产生主要决定于 ：①溶质元素的分配系数k0和扩散系数DS ，②冷却条件和枝晶间距。
枝晶偏析
冷却速度的影响 冷却速度v0对枝晶偏析的影响是通过和s体现的。
CS
k0C0
11fSk0
DS S 2
曾认为，冷却速度愈大，枝晶偏析愈严 重。由上述结果可知，这种看法是不全面
的。增大冷却速度有时反而减轻枝晶偏析， 甚至当冷却速度增大到某一临界值(106～ 108℃/s)时，不仅固相的扩散不能进行， 液相中的扩散也被抑制，反而得到成分均 匀的非晶态组织。
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
Cmax－某组元在偏析区内的最高浓度 Cmin－某组元在偏析区内的最低浓度
C0－某组元的原始平均浓度
表10.2几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se
元素 S P C W V Mo Si Cr Mn Ni
Se
2.0 1.5 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.15 0.05
1.00 ～
1.00 ～
0.03 0.04 0.10 1.0 4.0 1.20 4.0 2.50 4.50 3.0
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
枝晶偏析
枝晶偏析的大小可用枝晶 偏析度Se
Se Cmax Cmin C0
现在用图6-1说明固溶体合金C0 成分的不平衡结晶过程。
晶内偏析（枝晶偏析）
图6-2、图6-3分别表示含30%Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固时固 溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、表面成分以及平均 成分随温度的变化。
• 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。
偏析的分类和定义
凝 固缺 陷
气泡
液
气体元素 杂质元素 过饱和析出
滞留
化合物
气孔 夹渣
态 非平衡凝固
成分偏析
金 受 拘
属 降温凝固 体积 束
收缩
低熔点共晶
应力 变形 缩孔 缩松
热裂纹 冷裂纹
化学成分的不均匀性
铸件(锭)中化学成分不均匀的现象称为偏析。由于金属凝固过 程中的选分结晶，导致晶体中的偏析是不可避免的。偏析分为 两种：
现象，称为枝晶偏析，因为他属于 一个晶粒范围的成分不均匀，所以也 称为晶内偏析。
图6-5表示用电子探针所测定低 合金钢溶液中生成的树枝状晶各截面 得溶质等浓度线。从中可以清楚看出 溶质在一次分枝、二次分枝以及晶内 的分部。
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：
图为冷速对镁合金 (Mg-0.2Ca)中Ca的 枝晶偏析的影响。可以看出，即使冷却速 度很小，SR仍大于1，这表明铸锭中仍存在 枝晶偏析，且随冷却速度的增大而增大。 当冷却速度增大到某一值后，再继续增加 冷却速度，枝晶偏析程度减轻。
几种元素在铁中的k0和l1- k0l示于表10-1。可以看
出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
元素
表10-1不同元素在铁中的偏析系数பைடு நூலகம்
P S B C V Ti M0 Mn Ni Si
Cr
质量分数(%)
0.01 ～
0.01 ～
0.00
2 ～
0.30 ～
0.50 ～
0.20 ～
1.00 ～
1.00 ～
• 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。
Ni-Cu合金的铸态组织（SEM）
枝晶偏析
铸钢组织也呈树枝状，其中先结 晶的枝杆中心含碳量较低，后结晶出 的分枝含碳量较高，枝晶间含碳量更 高，树枝晶中这种化学成分不均匀的
（3）宏观偏析使铸件各部分的理学性能和物理性能产生很大差异， 影响铸件的使用寿命和工作效果。
10-1 微 观 偏 析
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。 它们的表现形式虽不同，但形成的机理是相似的，都是合金 在结晶过程中溶质再分配的必然结果。 一、晶内偏析（枝晶偏析）
晶内偏析产生于具有结晶温度 范围，能形成固溶体的合金中，在 铸造条件下，当合金冷却较快时， 将形成不平衡结晶。
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第七章 铸件中的偏析
（1）偏析系数: (2) 枝晶偏析度
1 k0
越大，枝晶偏析越严重。
Cmax：某组元在枝晶偏析区内的最高浓度 Cmin：某组元在枝晶偏析区内的最低浓度 C0：某组元的原始平均浓度
Cmax Cmin Se C0
⑶枝晶偏析比
枝晶中的最高溶质浓度 SR 枝晶中的最低溶质浓度
4.影响枝晶偏析的因素：
宏观偏析与铸件的凝固特点有关： 凝固区域较宽时，枝晶发达，枝晶偏析严重，正 常偏析减轻。 逐层凝固时，凝固前沿是平滑的或为短锯齿 形。——正常偏析生长。 正常偏析随溶质偏析系数 1 k 0 增大而增大。 1 k 0 较大，则凝固区域宽，倾向体积凝固，减 轻正常偏析或无正常偏析 正常偏析的存在使铸件性能不均匀，难以消除， 应加以控制。
V型、逆V型偏析机理未完全认清，有待进一步研究。
（五）带状偏析：
铸锭中有时会见到一种垂直于等温面推移方向的
偏析带，被称为“带状偏析”
离心铸造出现的环形带 — —机械振动 单向凝固时 — — — — — —无机械振动
图6 19 图6 20
⑴合金单向凝固，固液界面以平面向前推进：
2、按各部位的浓度Cs与Co的偏析情况分类：
CS C0 CS C0 ：正偏析 ：负偏析
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。
二、微观偏析
微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果。
按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
（一）枝晶偏析
1.枝晶偏析的形成 由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分枝本身 （内外层）、分枝与分枝间的成分是不均匀的，称 枝晶偏析（属晶内偏析）。 原因： 实际生产时，铸件凝固是非平衡结晶过程。
1 k0
越大，枝晶偏析越严重。
Cmax：某组元在枝晶偏析区内的最高浓度 Cmin：某组元在枝晶偏析区内的最低浓度 C0：某组元的原始平均浓度
Cmax Cmin Se C0
⑶枝晶偏析比
枝晶中的最高溶质浓度 SR 枝晶中的最低溶质浓度
4.影响枝晶偏析的因素：
宏观偏析与铸件的凝固特点有关： 凝固区域较宽时，枝晶发达，枝晶偏析严重，正 常偏析减轻。 逐层凝固时，凝固前沿是平滑的或为短锯齿 形。——正常偏析生长。 正常偏析随溶质偏析系数 1 k 0 增大而增大。 1 k 0 较大，则凝固区域宽，倾向体积凝固，减 轻正常偏析或无正常偏析 正常偏析的存在使铸件性能不均匀，难以消除， 应加以控制。
V型、逆V型偏析机理未完全认清，有待进一步研究。
（五）带状偏析：
铸锭中有时会见到一种垂直于等温面推移方向的
偏析带，被称为“带状偏析”
离心铸造出现的环形带 — —机械振动 单向凝固时 — — — — — —无机械振动
图6 19 图6 20
⑴合金单向凝固，固液界面以平面向前推进：
2、按各部位的浓度Cs与Co的偏析情况分类：
CS C0 CS C0 ：正偏析 ：负偏析
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。
二、微观偏析
微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果。
按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
（一）枝晶偏析
1.枝晶偏析的形成 由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分枝本身 （内外层）、分枝与分枝间的成分是不均匀的，称 枝晶偏析（属晶内偏析）。 原因： 实际生产时，铸件凝固是非平衡结晶过程。
偏析的分类
控制合金元素比例
通过调整合金元素的比例，使合金成分更加均匀，降低偏析 的可能性。
控制冷却速度和温度梯度
要点一
控制冷却速度
在铸造过程中，通过调整冷却速度，使合金在凝固过程中 保持适当的温度梯度，避免过快或过慢的冷却导致偏析。
要点二
优化温度梯度
合理设置铸造模具的温度和加热/冷却系统，以形成有利于 合金顺序凝固的温度梯度，减少偏析的产生。
实例举证与讨论
实例
钢铁冶金中的反常偏析现象，如高碳钢中的 反常碳偏析
讨论
负偏析对材料的性能有重要影响，如导致力 学性能下降、耐蚀性降低等。因此，在冶金 和材料加工过程中需要采取措施避免或减少 负偏析的产生。例如，通过控制温度梯度和 溶质分配系数、采用合理的工艺参数等方法 来抑制负偏析的形成。
04
THANK YOU
感谢观看
目前对偏析的检测主要依赖于 金相显微镜、扫描电镜等传统 手段，这些方法的检测精度和 效率有待提高。未来需要开发 更先进的无损检测技术，实现 对偏析的快速、准确检测。
复杂合金体系中偏 析的控制
随着新型复杂合金的开发和应 用，其凝固过程中的偏析现象 更加复杂多变。如何有效控制 复杂合金中的偏析，是当前面 临的一个重要挑战。
优化铸造工艺参数设置
调整浇注温度和速度
根据合金的性质和铸件的结构，合理设置浇注温度和速度 ，确保合金液在型腔中均匀分布。
优化铸造压力和时间
通过调整铸造压力和时间，使合金在凝固过程中获得良好 的补缩效果，减少缩孔、疏松等缺陷的产生，从而降低偏 析的风险。
采用先进的铸造技术
如真空铸造、低压铸造等，这些技术能够减少合金液中的 气体和夹杂物，提高合金的纯净度和均匀性，从而降低偏 析的可能性。
通过调整合金元素的比例，使合金成分更加均匀，降低偏析 的可能性。
控制冷却速度和温度梯度
要点一
控制冷却速度
在铸造过程中，通过调整冷却速度，使合金在凝固过程中 保持适当的温度梯度，避免过快或过慢的冷却导致偏析。
要点二
优化温度梯度
合理设置铸造模具的温度和加热/冷却系统，以形成有利于 合金顺序凝固的温度梯度，减少偏析的产生。
实例举证与讨论
实例
钢铁冶金中的反常偏析现象，如高碳钢中的 反常碳偏析
讨论
负偏析对材料的性能有重要影响，如导致力 学性能下降、耐蚀性降低等。因此，在冶金 和材料加工过程中需要采取措施避免或减少 负偏析的产生。例如，通过控制温度梯度和 溶质分配系数、采用合理的工艺参数等方法 来抑制负偏析的形成。
04
THANK YOU
感谢观看
目前对偏析的检测主要依赖于 金相显微镜、扫描电镜等传统 手段，这些方法的检测精度和 效率有待提高。未来需要开发 更先进的无损检测技术，实现 对偏析的快速、准确检测。
复杂合金体系中偏 析的控制
随着新型复杂合金的开发和应 用，其凝固过程中的偏析现象 更加复杂多变。如何有效控制 复杂合金中的偏析，是当前面 临的一个重要挑战。
优化铸造工艺参数设置
调整浇注温度和速度
根据合金的性质和铸件的结构，合理设置浇注温度和速度 ，确保合金液在型腔中均匀分布。
优化铸造压力和时间
通过调整铸造压力和时间，使合金在凝固过程中获得良好 的补缩效果，减少缩孔、疏松等缺陷的产生，从而降低偏 析的风险。
采用先进的铸造技术
如真空铸造、低压铸造等，这些技术能够减少合金液中的 气体和夹杂物，提高合金的纯净度和均匀性，从而降低偏 析的可能性。
第七章 铸件中的偏析
第七章 铸件中的偏析
铸件（ 铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析， 中化学成分不均匀的现象称为偏析， 是铸件的主要缺陷之一。 是铸件的主要缺陷之一。
偏析的分类 微观偏析 宏观偏析
一、偏析的分类 1、根据偏析的范围分
a)微观偏析：短程偏析， 微观偏析：短程偏析， 微观偏析 指微小范围内化学成分不均匀的现象。 指微小范围内化学成分不均匀的现象。
三、宏观偏析
枝晶间的流动对宏观偏析的影响
正常偏析 逆偏析
V型和逆V型偏析 型和逆V
带状偏析 重力偏析
（一）枝晶间的流动对宏观偏析的影响： 枝晶间的流动对宏观偏析的影响：
1、液态金属沿枝晶间流动的原因： 、液态金属沿枝晶间流动的原因：
•熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动 • 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； •密度差而发生对流 ； 密度差而发生对流
k 0：平衡分配系数
K0愈偏离1， Ds愈小，则枝晶偏析愈严重。
3.枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法
（1）偏析系数: 偏析系数: (2) 枝晶偏析度
1 − k0
越大，枝晶偏析越严重。 越大，枝晶偏析越严重。
Cmax：某组元在枝晶偏析区内的最高浓度 ： Cmin：某组元在枝晶偏析区内的最低浓度 ： C0：某组元的原始平均浓度 ：
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。 微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。
二、微观偏析
微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果。 必然结果。 按其形式可分为： 按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
（一）枝晶偏析
铸件（ 铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析， 中化学成分不均匀的现象称为偏析， 是铸件的主要缺陷之一。 是铸件的主要缺陷之一。
偏析的分类 微观偏析 宏观偏析
一、偏析的分类 1、根据偏析的范围分
a)微观偏析：短程偏析， 微观偏析：短程偏析， 微观偏析 指微小范围内化学成分不均匀的现象。 指微小范围内化学成分不均匀的现象。
三、宏观偏析
枝晶间的流动对宏观偏析的影响
正常偏析 逆偏析
V型和逆V型偏析 型和逆V
带状偏析 重力偏析
（一）枝晶间的流动对宏观偏析的影响： 枝晶间的流动对宏观偏析的影响：
1、液态金属沿枝晶间流动的原因： 、液态金属沿枝晶间流动的原因：
•熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动 • 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； •密度差而发生对流 ； 密度差而发生对流
k 0：平衡分配系数
K0愈偏离1， Ds愈小，则枝晶偏析愈严重。
3.枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法
（1）偏析系数: 偏析系数: (2) 枝晶偏析度
1 − k0
越大，枝晶偏析越严重。 越大，枝晶偏析越严重。
Cmax：某组元在枝晶偏析区内的最高浓度 ： Cmin：某组元在枝晶偏析区内的最低浓度 ： C0：某组元的原始平均浓度 ：
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。 微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。
二、微观偏析
微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果。 必然结果。 按其形式可分为： 按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
（一）枝晶偏析
偏析的分类
2011年8月3日
材料加工工程
6
• 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
2011年8月3日
材料加工工程
11
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
2011年8月3日
材料加工工程
8
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，
合金中的成分偏析
扩散，以达到均匀化。
元素 S B C V Ti Mo Mn Ni Si Cr 0.01 ~ 0.00 0.01 0.3~ 0.5~ 0.2~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 元素质 2 ~ 1. 4. 1. 4. 2. 4. 3. 8. 量 0. ~ 0 0 2 0 5 5 0 0 分数/% 0.03 0 0.10 4 偏析系
•表11-1
P
不同元素在铁中的偏析系数
二、宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包 括： • 正常偏析 • 逆偏析
• V形偏析和逆V形偏析
• 带状偏析与层状偏析
系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固， a－平衡凝固 b－液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。 偏析反而减轻。
微观偏析的影响因素与消除措施
合金液、固相线间隔 （宽）
偏析程度 的影响因 素
偏析元素的扩散能力 （弱） 冷却条件
（快）
•
微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是
不稳定的。可通过扩散退火或均匀化退火来消
微观偏析程度一般用偏析系数|1－k0|
来衡量。|1－k0|值越大，固相和液相的浓 除，即将合金加热到低于固相线100～200℃的 度差越大，晶内偏析越严重。 温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析 图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但
•
焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。
当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心
相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，
元素 S B C V Ti Mo Mn Ni Si Cr 0.01 ~ 0.00 0.01 0.3~ 0.5~ 0.2~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 元素质 2 ~ 1. 4. 1. 4. 2. 4. 3. 8. 量 0. ~ 0 0 2 0 5 5 0 0 分数/% 0.03 0 0.10 4 偏析系
•表11-1
P
不同元素在铁中的偏析系数
二、宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包 括： • 正常偏析 • 逆偏析
• V形偏析和逆V形偏析
• 带状偏析与层状偏析
系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固， a－平衡凝固 b－液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。 偏析反而减轻。
微观偏析的影响因素与消除措施
合金液、固相线间隔 （宽）
偏析程度 的影响因 素
偏析元素的扩散能力 （弱） 冷却条件
（快）
•
微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是
不稳定的。可通过扩散退火或均匀化退火来消
微观偏析程度一般用偏析系数|1－k0|
来衡量。|1－k0|值越大，固相和液相的浓 除，即将合金加热到低于固相线100～200℃的 度差越大，晶内偏析越严重。 温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析 图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但
•
焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。
当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心
相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，
偏析的分类PPT课件
它元素存在而又相当大的变化。例如，硫、 磷在碳钢中的枝晶偏析程度与碳含量有关， 如图10.5所示。
随着碳含量的增加，硫、磷在碳钢中的 枝晶偏析程度明显增加。这可能是由于碳改 变了硫、磷在钢中的分配系数和扩散系数的 缘故。
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。生产是那个常采用扩散退火或均 匀化退火来消除晶内偏析。
C*s —固液界面上固相的溶质浓度；
q0
K0—平衡分配系数； C0—原始浓度； fs—固相分数。
2011年8月3日
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22
一、晶间液体的流动对宏观偏析的影 响
若干个枝晶的范围内的平均固相成分：
Cs
1
01C*s fs
01C*sdfs
k0c0
k0
q 1 q
出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
元素
表10-1不同元素在铁中的偏析系数
P S B C V Ti M0 Mn Ni Si
Cr
质量分数(%)
0.01 ～
0.01 ～
0.00
2 ～
0.30 ～
0.50 ～
0.20 ～
1.00 ～
1.00 ～
1.00 ～
1.00 ～
0.03 0.04 0.10 1.0 4.0 1.20 4.0 2.50 4.50 3.0
2011年8月3日
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6
• 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。
随着碳含量的增加，硫、磷在碳钢中的 枝晶偏析程度明显增加。这可能是由于碳改 变了硫、磷在钢中的分配系数和扩散系数的 缘故。
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。生产是那个常采用扩散退火或均 匀化退火来消除晶内偏析。
C*s —固液界面上固相的溶质浓度；
q0
K0—平衡分配系数； C0—原始浓度； fs—固相分数。
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一、晶间液体的流动对宏观偏析的影 响
若干个枝晶的范围内的平均固相成分：
Cs
1
01C*s fs
01C*sdfs
k0c0
k0
q 1 q
出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
元素
表10-1不同元素在铁中的偏析系数
P S B C V Ti M0 Mn Ni Si
Cr
质量分数(%)
0.01 ～
0.01 ～
0.00
2 ～
0.30 ～
0.50 ～
0.20 ～
1.00 ～
1.00 ～
1.00 ～
1.00 ～
0.03 0.04 0.10 1.0 4.0 1.20 4.0 2.50 4.50 3.0
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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。
钛合金熔炼时的偏析
钛合金熔炼时的偏析偏析普遍存在于钛合金中，偏析对合金的力学性能具有较大的影响，甚至可能无法获得合格铸锭。
钛合金的偏析一般分为两类：宏观偏析和微观偏析。
固相无限互溶的合金在三维空间内发生枝晶生长时，引起液体流动的动力将导致宏观偏析。
这些动力包括凝固收缩（或膨胀），冷却时的液相收缩，液体内不同密度引起的重力作用，凝固时固相的收缩及移动，大容积内液体对流向枝晶间的穿透，固-液区内气体的形成。
宏观偏析包括正偏析、负偏析和比重偏析。
微观偏析是指通常的铸件生产中，枝晶干（或胞晶干）心部与枝晶间（或胞晶间）成分上的差异，可以用偏析比S R 表示微观偏析的大小。
微观偏析包括晶内偏析和晶界偏析。
钛合金的偏析影响钛合金组织，钛合金的组织缺陷例如难熔金属夹杂、间隙元素偏析，合金元素偏析引起的组织缺陷，反常态的α相形态等对钛合金的使用寿命、性能方面存在致命的影响。
因此在熔炼过程中如何避免偏析必须引起冶金工作者的注意。
有人研究了Ti-10V-2Fe-3Al合金的熔炼偏析。
实验过程采用电子束冷床炉初熔，VAR二次重熔。
图3-19为距铸锭中心15mm和50mm处合金元素的轴向分布。
可以看出，沿着凝固方向，V和Al元素含量逐渐降低，而Fe元素逐渐升高。
这是因为Fe元素是正偏析元素，朝向熔体方向富集，因此从底部到顶部沿着铸锭凝固方向含量逐渐升高。
下文简要分析几种常见的偏析及形成原因，以帮助在熔炼过程中进行防范。
Ⅰ类α偏析：主要是指O、N、C偏析，最常见的为TiN夹杂，也称为软α型缺陷、间隙元素偏析。
这种偏析通常都很硬，会损害疲劳强度和塑性。
当上述元素浓度很高时，可以观察到包括化合物在内的其他相，这些元素只要很少的量就能对钛的硬度产生显著影响。
钛的氮化物和碳化物以及更难出现的氧化物都有较高的熔点，这些物质在钛熔炼时难于熔化和充分散开，因此原材料中要避免这些间隙元素的浓度过高。
高碳偏析区内粗大晶界、碳化物网等薄弱环节吸收了较多的H，会弱化晶界强度，促进碳化物网的脆性倾向。
第七章 铸件中的偏析
讨论：
（3) q>1
v u 1
此时
CS C0
K0<1时 →
C* S
产生负偏析
一、正常偏析
当铸件（锭）凝固区域很窄时（逐层凝固），固 溶体初生晶生长成紧密排列的柱状晶，凝固前沿 是平滑的或为短锯齿形，枝晶间液体流动的作用 次要，宏观偏析的产生与结晶中的溶质再分配有 关。 k0<1的合金，铸件先凝固区域（铸件的外层） 的溶质浓度低于后凝固区。（k0>1的合金与之 相反）。按照结晶的规律（溶质再分配规律）， 这是正常现象，故称为正常偏析。
C k 0C0 1 fS
* S
k 0 1
q
q 1 1
q>0 k0 C0 fs 同号；
C
* S
：固液界面上固相的溶质浓度 β：凝固收缩率
μ ：等温线移动速度
V：液体沿μ方向的流动分速度 当合金一定时，CS*取决于 q， q取决于V/ μ
图6-17
③逆V型偏析是由于密度小的溶质浓化液在固液两相区上升 而引起的——沿枝晶上升。在其流经的区域，枝晶发生熔 断，形成沟槽。残余液体沿沟槽继续上升，产生逆V型偏析
④冷速降低，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动阻力减小，
增加V型和逆V型偏析的倾向。 ⑤铸锭凝固初期：在铸锭下半部形成负偏析区。
而铸锭的上半部则形成正偏析区。
2、按各部位的浓度Cs与Co的偏析情况分类：
CS C0 CS C0 ：正偏析 ：负偏析
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。
二、微观偏析
微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果。
按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
讲座2一中心偏析
图2 小钢锭凝固模式示意图 1一柱状晶生长 2一某些柱状晶生长加快 3一凝固桥形成 4一小钢锭凝固，缩孔形成 5一实际的低倍结构
2）机械因素： 鼓肚 鼓肚理论，铸坯凝固过程中坯壳的鼓胀 (如图3所示),造成树枝晶间富集溶质液体的流动,或者凝 图 固末期由于铸坯收缩使凝固末端富集溶质液体流动,导 致中心偏析。 在板坯（或大方坯）情况下，有时柱状晶并未发展到铸 坯中心，即并无“晶桥”的形成，但是仍然发生了中心 偏析。这说明中心偏析的形成除了上述冶金因素外，还 有其它方面的原因。已经查明，这是因为铸坯“鼓肚” （铸坯宽面向外凸起的现象）所引起的，即通常所说的 机械因素。因为铸坯的“鼓肚”，一般都是机械方面的 原因引起的。当连铸机二冷区辊距较大，连铸坯凝壳较 薄，或者是铸坯液心静压力过大时，都会导致铸坯鼓肚 变形。而当铸坯发生鼓肚时，铸坯中心产生了相当于负 压的抽力作用。此时二相区内被偏析元素富集的不纯钢 液，被吸向心部形成了中心偏析带。而中心正偏析带周 围，往往还伴有负偏析带。图表明，随着铸坯鼓肚量的 增大，中心偏析指数也随之增加。
ａ)辊子对中不良的鼓肚 ｂ)支撑辊间反复鼓肚 图3 铸坯凝固壳变形示意图
3、 轻压下技术 、 超低碳钢和低碳钢不需要带液芯铸轧和轻压下。 1）简述 轻压下技术始于20世纪70年代末、80年代初,是在70 收缩辊缝技术的基础上发展而来。传统板坯连铸 年代收缩辊缝技术 收缩辊缝技术 机不进行轻压下，而是收缩辊缝。轻压下区域的辊缝 具有更大的收缩率，也叫做强收缩辊缝技术。 连铸坯的轻压下目前有两种含义： 第一种，对传统板坯连铸机是指凝固末端的轻压下, 第一种 可减轻铸坯的中心偏析和疏松。 第二种，对中厚板坯和薄板坯连铸机来讲,有的几乎 第二种 是凝固过程中的全程轻压下,又称带液芯轻压下。目 的在于减薄板坯厚度,减少结晶器液面控制的难度， 并能与轧机更好地匹配，也是减小中心疏松和中心偏 析的手段之一。
偏析
在铜合金中，硅黄铜易出现正向偏析现象，即 铸件中心含硅较多；锡青铜则易产生逆向偏析 现象，即铸件表面层含锡较多。
• 2.2.2产生区域偏析的基本原因
• 合金在一定温度范围内结晶，是产生区域偏析的基本 原因。当凝固温度范围较小时，一般倾向产生正向偏 析；当凝固温度范围较大时，树枝状晶又很发达时， 较易产生逆向偏析。铸件表面常出现的一种含熔质元 素较多的“汗珠”、“偏析疤”，是一种逆向偏析现 象，如锡青铜铸件表面的“锡汗”就是这种情形。这 是当合金表面形成一层硬壳以后，或因内部合金液析 出气体的压力作用，或因硬壳的固态收缩承受不了内 部合金液的静压力的作用，或因铸件本身产生热应力 等缘故而使其硬壳断裂，未凝固的液体含熔质较多， 熔点较低流出硬壳以外并表现在铸件表面的结果。
2012年5月29日3时0分 20 河北工业大学**材料加工工程
铃木：逆V形偏析的形 成是由于密度小、溶 质浓度高的金属液沿 固-液界面上升所引起 的。 另一种看法是，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， 且被低熔点溶液所填 充，形成逆V形偏析。
• 2.3.3比重偏析的预防及消除 • 对于易产生比重偏析的合金，必须采取措施， 防止缺陷的形成。通常的做法是：认真控制熔 炼工艺，尤其在熔炼中和浇注前要充分搅匀； 尽量减少合金液放置时间；加入某种合金元素， 改变初晶形状；加大冷却速度如在冷水喷射器 冷却下，浇注铅青铜轴瓦；合理控制铸件凝固 方向等
• 2.1.1铸件内产生晶内偏析的条件
• 1.合金的凝固有一定的温度范围 • 2.合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速 度 • 归纳为一般的情况下，合金的凝固温度范围愈大， 铸件结晶及冷却速度愈快，则原子扩散愈难于进行完 全，晶内偏析现象愈严重。因此，晶内偏析多产生于 凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中