化學(xué)成分的不均勻性

1、1/29 一、胞狀偏析一、胞狀偏析 當(dāng)成分過冷較小時(shí)，晶體呈當(dāng)成分過冷較小時(shí)，晶體呈胞狀方式生長。由于凝固過程中胞狀方式生長。由于凝固過程中溶質(zhì)再分配，當(dāng)合金的分配系數(shù)溶質(zhì)再分配，當(dāng)合金的分配系數(shù)小于小于1 1時(shí)，則時(shí)，則在溝槽處將富集溶在溝槽處將富集溶質(zhì)質(zhì)；如果分配系數(shù)大于；如果分配系數(shù)大于1 1，則溝，則溝槽處的溶質(zhì)會槽處的溶質(zhì)會貧化貧化。這種化學(xué)成。這種化學(xué)成分不均勻性稱為分不均勻性稱為胞狀偏析胞狀偏析。 胞狀偏析由于胞體較小，即胞狀偏析由于胞體較小，即成分變化范圍較小，進(jìn)行成分變化范圍較小，進(jìn)行均勻化均勻化退火退火處理即可消除這種偏析。處理即可消除這種偏析。 2/29 二、枝晶偏析二、

2、枝晶偏析( (晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析) ) 枝晶偏析通常產(chǎn)生枝晶偏析通常產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍、于具有結(jié)晶溫度范圍、能夠形成固溶體的合金能夠形成固溶體的合金中。在鑄造條件下，因中。在鑄造條件下，因冷卻速度較快，擴(kuò)散過冷卻速度較快，擴(kuò)散過程難以充分進(jìn)行，使程難以充分進(jìn)行，使凝凝固過程偏離平衡條件固過程偏離平衡條件，形成不平衡結(jié)晶。形成不平衡結(jié)晶。3/29 固溶體在不平衡凝固時(shí)，由于先從液體中析出的固溶體在不平衡凝固時(shí)，由于先從液體中析出的固體成分不同，并且由于冷卻較快而不能擴(kuò)散均勻，結(jié)固體成分不同，并且由于冷卻較快而不能擴(kuò)散均勻，結(jié)果使每一晶粒內(nèi)部成分不均勻，果使每一晶粒內(nèi)部成分不均勻，先結(jié)晶部分含高

3、熔點(diǎn)組先結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元較多元較多，存在著濃度差別。，存在著濃度差別。 這種在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，稱為這種在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，稱為晶晶內(nèi)偏析內(nèi)偏析。 由于工業(yè)上使用的合金其固溶體通常以樹枝狀生由于工業(yè)上使用的合金其固溶體通常以樹枝狀生長方式凝固結(jié)晶，使主干與分枝晶的成分不一致，又稱長方式凝固結(jié)晶，使主干與分枝晶的成分不一致，又稱為為枝晶偏析枝晶偏析。4/29影響枝晶偏析的主要因素影響枝晶偏析的主要因素 （1 1）當(dāng)其他條件相同時(shí)，）當(dāng)其他條件相同時(shí)，冷卻速度的影響冷卻速度的影響有兩重性：有兩重性： 一方面，冷卻速度越大，溶質(zhì)擴(kuò)散越不充分，使晶一方面，冷卻速度越大，溶質(zhì)

4、擴(kuò)散越不充分，使晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重；內(nèi)偏析越嚴(yán)重； 另一方面，隨著冷卻速度增加，使晶粒細(xì)化，故減另一方面，隨著冷卻速度增加，使晶粒細(xì)化，故減輕晶內(nèi)偏析。輕晶內(nèi)偏析。 （2 2）偏析元素在固溶體中的）偏析元素在固溶體中的擴(kuò)散能力擴(kuò)散能力越小，則晶內(nèi)偏越小，則晶內(nèi)偏析越大。析越大。 （3 3）合金相圖上）合金相圖上液相線與固相線的水平距離液相線與固相線的水平距離差別越大，差別越大，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。5/29對性能的對性能的影響影響及及消除消除 （1 1）晶內(nèi)偏析通常是有害的，嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析使晶）晶內(nèi)偏析通常是有害的，嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析使晶粒內(nèi)部合金成分不均勻，會導(dǎo)致鑄件的粒內(nèi)部合金成分不均勻

5、，會導(dǎo)致鑄件的韌性、塑性下降韌性、塑性下降。 （2 2）晶內(nèi)偏析會產(chǎn)生化學(xué)性能不均勻，促使合金）晶內(nèi)偏析會產(chǎn)生化學(xué)性能不均勻，促使合金抗抗蝕性下降蝕性下降。 （3 3）晶內(nèi)偏析程度一般用偏析系數(shù)）晶內(nèi)偏析程度一般用偏析系數(shù)(1-k(1-k0 0) )來衡量，來衡量，當(dāng)當(dāng)k k0 011時(shí)，時(shí)，1-k1-k0 0值越大值越大，固相和液相的濃度差越大，晶，固相和液相的濃度差越大，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。內(nèi)偏析越嚴(yán)重。 （4 4）晶內(nèi)偏析是不平衡結(jié)晶的結(jié)果，在熱力學(xué)上是）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

6、散，就能夠消除晶內(nèi)偏析。擴(kuò)散，就能夠消除晶內(nèi)偏析。生產(chǎn)上常采用擴(kuò)散退火或生產(chǎn)上常采用擴(kuò)散退火或均勻化退火來消除晶內(nèi)偏析均勻化退火來消除晶內(nèi)偏析。即將鑄件加熱到低于固相。即將鑄件加熱到低于固相線線100-200100-200 的溫度，進(jìn)行長時(shí)間保溫，可達(dá)到均勻化的溫度，進(jìn)行長時(shí)間保溫，可達(dá)到均勻化的目的。的目的。6/29三、晶界偏析三、晶界偏析 晶界偏析有兩種晶界偏析有兩種情況情況 ： 1 1、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，晶界平行于生長方向，在晶界與熔液交界的在晶界與熔液交界的地方，會出現(xiàn)一個凹地方，會出現(xiàn)一個凹槽，此處有利于溶質(zhì)槽，此處有利于溶質(zhì)原子的富集，凝固后

7、原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析。就形成了晶界偏析。7/29 2 2、兩個晶粒彼此面對、兩個晶粒彼此面對面生長，在固面生長，在固液界面，液界面，溶質(zhì)被排出溶質(zhì)被排出(k(k0 01)1)，此，此外，其它低熔點(diǎn)的物質(zhì)外，其它低熔點(diǎn)的物質(zhì)也會被排出在固也會被排出在固液界液界面，當(dāng)晶界彼此相遇時(shí)，面，當(dāng)晶界彼此相遇時(shí)，在它們之間富集大量溶在它們之間富集大量溶質(zhì)，從而造成晶界偏析。質(zhì)，從而造成晶界偏析。8/29 晶界偏析是有害的，容易引起熱裂晶界偏析是有害的，容易引起熱裂的產(chǎn)生，必須予以防止。的產(chǎn)生，必須予以防止。 生產(chǎn)中消除晶界偏析的方法同晶內(nèi)生產(chǎn)中消除晶界偏析的方法同晶內(nèi)偏析所采用的措施相同，即

8、偏析所采用的措施相同，即均勻化退火均勻化退火方法。方法。9/29第三節(jié)第三節(jié) 宏觀偏析宏觀偏析 一、正偏析一、正偏析 鑄件的凝固往往從與鑄型壁接觸的表面層開始，鑄件的凝固往往從與鑄型壁接觸的表面層開始，由于溶質(zhì)再分配，當(dāng)合金的溶質(zhì)分配系數(shù)由于溶質(zhì)再分配，當(dāng)合金的溶質(zhì)分配系數(shù)k k0 0111時(shí)，則與此相時(shí)，則與此相反，后結(jié)晶的固相，溶質(zhì)濃度降低，把這種成分的偏反，后結(jié)晶的固相，溶質(zhì)濃度降低，把這種成分的偏析稱為析稱為正偏析正偏析。10/29 在實(shí)際凝固過程在實(shí)際凝固過程中，一般表現(xiàn)為，中，一般表現(xiàn)為，固體內(nèi)溶質(zhì)有若干固體內(nèi)溶質(zhì)有若干擴(kuò)散，液體中由于擴(kuò)散，液體中由于對流也存在著若干對流也存在著若

9、干混合，其溶質(zhì)濃度混合，其溶質(zhì)濃度分布如圖分布如圖15-415-4中曲中曲線線d d所示。所示。11/29二、逆偏析二、逆偏析 鑄件凝固后，常常出現(xiàn)和正偏析相反的溶質(zhì)分布鑄件凝固后，常常出現(xiàn)和正偏析相反的溶質(zhì)分布情況，當(dāng)情況，當(dāng)k k0 011時(shí)，表面或底部含溶質(zhì)元素多，而中心時(shí)，表面或底部含溶質(zhì)元素多，而中心部分或上部含溶質(zhì)較少，這種現(xiàn)象稱為部分或上部含溶質(zhì)較少，這種現(xiàn)象稱為逆偏析逆偏析。 如：含如：含1010( (質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sn)Sn的的Cu-SnCu-Sn合金，其表面有時(shí)會合金，其表面有時(shí)會出現(xiàn)含出現(xiàn)含2020-25-25Sn(Sn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)) )的錫汗。的錫汗。 又如：

10、在灰鑄鐵件表面有時(shí)會出現(xiàn)磷共晶汗點(diǎn)。又如：在灰鑄鐵件表面有時(shí)會出現(xiàn)磷共晶汗點(diǎn)。12/29逆偏析的逆偏析的形成原因形成原因 原因：具有一定結(jié)晶溫度范圍的固原因：具有一定結(jié)晶溫度范圍的固溶體型合金在緩慢凝固時(shí)易形成粗大樹溶體型合金在緩慢凝固時(shí)易形成粗大樹枝晶，枝晶相互交錯，枝晶間富集著低枝晶，枝晶相互交錯，枝晶間富集著低熔點(diǎn)溶質(zhì)，熔點(diǎn)溶質(zhì)，當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時(shí)，低熔當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時(shí)，低熔點(diǎn)溶質(zhì)將沿著樹枝狀晶向外移動點(diǎn)溶質(zhì)將沿著樹枝狀晶向外移動。 13/29 圖為含圖為含4.74.7CuCu的鋁的鋁合金鑄件斷面上產(chǎn)生合金鑄件斷面上產(chǎn)生逆偏析的情況。逆偏析的情況。 鑄件的逆偏析會鑄件的逆偏析會降低降低

11、力學(xué)性能、氣密性和力學(xué)性能、氣密性和切削加工性切削加工性。14/29影響因素影響因素 逆偏析的形成與結(jié)晶溫度范圍、冷卻速度、樹枝晶的逆偏析的形成與結(jié)晶溫度范圍、冷卻速度、樹枝晶的尺寸及液體金屬所受的壓力有關(guān)。尺寸及液體金屬所受的壓力有關(guān)。 雄谷等人對銅錫合金的樹枝狀形態(tài)與逆偏析的關(guān)系進(jìn)雄谷等人對銅錫合金的樹枝狀形態(tài)與逆偏析的關(guān)系進(jìn)行研究表明，在行研究表明，在Cu-Sn合金中加入第三種元素，合金中加入第三種元素，如果如果該元素能細(xì)化樹枝晶，則促進(jìn)正偏析形成，抑制逆偏該元素能細(xì)化樹枝晶，則促進(jìn)正偏析形成，抑制逆偏析的產(chǎn)生，反之則促進(jìn)逆偏析形成析的產(chǎn)生，反之則促進(jìn)逆偏析形成。 15/29 圖為用單向

12、凝固法澆注的圖為用單向凝固法澆注的Cu-8%Sn合金鑄錠中加合金鑄錠中加入入Ni、Fe、Si、Al時(shí)對時(shí)對Sn的分布的影響。的分布的影響。 Cu-8%Sn合金產(chǎn)生逆偏合金產(chǎn)生逆偏析；析； 加入加入2Ni或或1.2-2.0Fe時(shí)產(chǎn)生正偏析；時(shí)產(chǎn)生正偏析； 加少量加少量Si、 Al和和P P時(shí)，產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)生逆偏析。生逆偏析。 16/29 Si和和Al能增加一次分枝尺寸。能增加一次分枝尺寸。固相排出的溶質(zhì)濃縮在枝晶之固相排出的溶質(zhì)濃縮在枝晶之間，鑄件收縮時(shí)，含溶質(zhì)高的間，鑄件收縮時(shí)，含溶質(zhì)高的液相容易沿著樹枝狀晶間的細(xì)液相容易沿著樹枝狀晶間的細(xì)孔道向激冷方向移動，產(chǎn)生逆孔道向激冷方向移動，產(chǎn)生逆偏析。

13、偏析。 Fe和和Ni細(xì)化樹枝晶一次分枝。細(xì)化樹枝晶一次分枝。從固相排出的溶質(zhì)不易被枝晶從固相排出的溶質(zhì)不易被枝晶間捕獲，樹枝間的通道也不易間捕獲，樹枝間的通道也不易形成，不易形成逆偏析。形成，不易形成逆偏析。 但是，但是，P的影響例外，能細(xì)化的影響例外，能細(xì)化一次分枝，卻促進(jìn)逆偏析的形一次分枝，卻促進(jìn)逆偏析的形成。成。 17/29形成正偏析或逆偏析的形成正偏析或逆偏析的影響因素影響因素 1 1結(jié)晶溫度范圍：結(jié)晶溫度范圍：結(jié)晶溫度范圍較小時(shí)，傾向于產(chǎn)生結(jié)晶溫度范圍較小時(shí)，傾向于產(chǎn)生正偏析。結(jié)晶溫度范圍越大，樹枝狀晶越發(fā)達(dá)，當(dāng)其它正偏析。結(jié)晶溫度范圍越大，樹枝狀晶越發(fā)達(dá)，當(dāng)其它條件相同時(shí)，易產(chǎn)生逆

14、偏析。條件相同時(shí)，易產(chǎn)生逆偏析。 2 2樹枝狀晶的尺寸：樹枝狀晶的尺寸：當(dāng)合金中加入細(xì)化一次分枝的元當(dāng)合金中加入細(xì)化一次分枝的元素，能夠減緩或防止逆偏析的形成。反之，加入促進(jìn)一素，能夠減緩或防止逆偏析的形成。反之，加入促進(jìn)一次分枝長大的元素，將促進(jìn)逆偏析的形成。次分枝長大的元素，將促進(jìn)逆偏析的形成。 3 3冷卻條件：冷卻條件：鑄件冷卻緩慢，寬結(jié)晶溫度范圍的合金鑄件冷卻緩慢，寬結(jié)晶溫度范圍的合金易形成發(fā)達(dá)的樹枝狀晶，有利于產(chǎn)生逆偏析。易形成發(fā)達(dá)的樹枝狀晶，有利于產(chǎn)生逆偏析。 4 4合金結(jié)晶過程液體金屬所受的壓力：合金結(jié)晶過程液體金屬所受的壓力：枝晶間低熔點(diǎn)枝晶間低熔點(diǎn)溶液在液體金屬靜壓力或大氣壓

15、力作用下，通過枝晶間溶液在液體金屬靜壓力或大氣壓力作用下，通過枝晶間的通道向外補(bǔ)縮，有利于形成逆偏析。合金中溶解的氣的通道向外補(bǔ)縮，有利于形成逆偏析。合金中溶解的氣體越多，形成的壓力越有利于產(chǎn)生逆偏析。體越多，形成的壓力越有利于產(chǎn)生逆偏析。18/29三、三、V形偏析和逆形偏析和逆V形偏析形偏析 圖圖15-8表示鑄錠中表示鑄錠中V形和形和逆逆V形偏析產(chǎn)生部位的示形偏析產(chǎn)生部位的示意圖。意圖。 V形偏析和逆形偏析和逆V形偏析常形偏析常出現(xiàn)在大型鑄錠中，一般出現(xiàn)在大型鑄錠中，一般為錐形，偏析帶中含有較為錐形，偏析帶中含有較高的碳以及硫和磷雜質(zhì)。高的碳以及硫和磷雜質(zhì)。19/29V形和逆形和逆V形偏析的

16、形偏析的形成機(jī)理形成機(jī)理 說法尚不統(tǒng)一：說法尚不統(tǒng)一： 1 1、一種說法一種說法：由于固液界面偏析元素的富集，將：由于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。阻礙結(jié)晶的生長，出現(xiàn)周期性結(jié)晶。 2 2、大野認(rèn)為：鑄錠凝固初期，結(jié)晶粒從型壁或固、大野認(rèn)為：鑄錠凝固初期，結(jié)晶粒從型壁或固液界面脫落沉淀，堆積在下部。凝固后期結(jié)晶堆積液界面脫落沉淀，堆積在下部。凝固后期結(jié)晶堆積層的中央下部收縮下沉，上部不能同時(shí)下沉，就會層的中央下部收縮下沉，上部不能同時(shí)下沉，就會在堆積層上方產(chǎn)生在堆積層上方產(chǎn)生V V形裂縫，形裂縫，V V形裂縫被低熔點(diǎn)的溶形裂縫被低熔點(diǎn)的溶質(zhì)充填，便形成質(zhì)充填，便形成

17、V V形偏析。形偏析。20/29 3 3、鈴木等認(rèn)為：逆、鈴木等認(rèn)為：逆V V形偏析（形偏析（A A形）的形成形）的形成是由于密度小的溶質(zhì)濃化液沿固液界面上是由于密度小的溶質(zhì)濃化液沿固液界面上升所引起的。升所引起的。 4 4、另一看法是：當(dāng)鑄錠中央部分在凝固過、另一看法是：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，在其上部形成逆其上部形成逆V V形裂縫，且被低熔點(diǎn)溶液所形裂縫，且被低熔點(diǎn)溶液所充填，形成逆充填，形成逆V V形偏析。形偏析。21/29四、帶狀偏析四、帶狀偏析 帶狀偏析常出現(xiàn)在鑄錠或厚壁鑄件中；帶狀偏析常出現(xiàn)在鑄錠或厚壁鑄件中； 特

18、點(diǎn)：與特點(diǎn)：與凝固的液固界面相平行凝固的液固界面相平行，有，有時(shí)連續(xù)，有時(shí)間斷。時(shí)連續(xù)，有時(shí)間斷。22/29 圖（圖（a a），），固液界面前沿，溶固液界面前沿，溶質(zhì)的擴(kuò)散速度低于固體的生長質(zhì)的擴(kuò)散速度低于固體的生長速度，產(chǎn)生溶質(zhì)偏析；速度，產(chǎn)生溶質(zhì)偏析； 固液界面的成分過冷度低，圖固液界面的成分過冷度低，圖（b）；）； 固體生長受到限制，只能在前固體生長受到限制，只能在前方過冷度較大的部位生長，并方過冷度較大的部位生長，并且長成樹枝狀，圖（且長成樹枝狀，圖（c）；）； 溶質(zhì)富集液將被樹枝晶包裹在溶質(zhì)富集液將被樹枝晶包裹在里邊；里邊； 枝晶的成長前沿與鄰近的枝晶枝晶的成長前沿與鄰近的枝晶連接在

19、一起，形成平滑界面；連接在一起，形成平滑界面；帶狀偏析的形成機(jī)理帶狀偏析的形成機(jī)理23/29 引起固液面的溶質(zhì)再次富集、引起固液面的溶質(zhì)再次富集、過冷度下降，圖過冷度下降，圖e、f； 結(jié)晶前沿的成長又會出現(xiàn)新結(jié)晶前沿的成長又會出現(xiàn)新的停滯，如此重復(fù)；的停滯，如此重復(fù)； 在鑄件斷面可能會出現(xiàn)數(shù)條在鑄件斷面可能會出現(xiàn)數(shù)條帶狀偏析；帶狀偏析； 由于界面前方的過冷度大，由于界面前方的過冷度大，從側(cè)壁上可能產(chǎn)生新的晶粒從側(cè)壁上可能產(chǎn)生新的晶粒并繼續(xù)長大，從前方橫切溶并繼續(xù)長大，從前方橫切溶質(zhì)富集區(qū)，形成帶狀偏析。質(zhì)富集區(qū)，形成帶狀偏析。圖圖g。 24/29帶狀偏析的帶狀偏析的影響因素影響因素1.1. 與固液界面溶質(zhì)富集而引起的過冷程度有關(guān)；與固液界面溶質(zhì)富集而引起的過冷程度有關(guān)；2.2. 受晶體生長速度變化的影響；受晶體生長速度變化的影響；3.3. 固液界面前方有對流或攪拌時(shí)，由于溶質(zhì)的均勻化，固液界面前方有對流或攪拌時(shí)