特殊鋼中的偏析問(wèn)題

1、特殊鋼中的偏析問(wèn)題1緒論特殊鋼的定義對(duì)特殊鋼尚無(wú)統(tǒng)一的定義和概念，一般認(rèn)為特殊鋼是指具有特殊的化學(xué)成分（合金化）、采用特殊的工藝生產(chǎn)、具備特殊的組織和性能、能夠滿(mǎn)足特殊需要的鋼類(lèi)。特殊鋼的特點(diǎn)及分類(lèi)特點(diǎn)：與普通鋼相比，特殊鋼具有更高的強(qiáng)度和韌性、物理性能、化學(xué)性能、生物相容 性和工藝性能。分類(lèi)：我國(guó)將特殊鋼分成優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、高合金鋼（合金元素大于10%）三大類(lèi)，其中合金鋼和高合金鋼占特殊鋼產(chǎn)量的70%,主要鋼種有特殊碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、滾珠軸承鋼、合金工具鋼、高合金工具鋼、高 速工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼，以及高溫合金、精密合金、電熱合金等。特殊鋼的發(fā)

2、展現(xiàn)狀1949年前，中國(guó)年產(chǎn)特殊鋼僅 5000噸左右。1952年特殊鋼產(chǎn)量約為 3.5萬(wàn)噸，其中合 金鋼2.5萬(wàn)噸。經(jīng)過(guò)30年的建設(shè)，1982年特殊鋼產(chǎn)量占全國(guó)鋼產(chǎn)量的7%。19521982年,特殊鋼產(chǎn)量平均每年遞增 15%,其中合金鋼遞增14%。按1981年產(chǎn)量計(jì)，各類(lèi)特殊鋼種的 構(gòu)成比例是：碳素結(jié)卞鋼占15.3%、碳素工具鋼占4.3 %、合金結(jié)構(gòu)鋼占41%、合金工具鋼 占3.8 %、高速工具鋼占1.5 %、彈簧鋼占17%、滾珠軸承鋼占15%、不銹耐酸鋼、耐熱 鋼占2%、其他鋼種占0.1 %。在特殊鋼的加工方面， 可以生產(chǎn)10000多個(gè)規(guī)格的特殊鋼材， 板、管、絲、帶、型、盤(pán)餅、環(huán)等品種基本

3、齊全，合金結(jié)構(gòu)鋼、高速工具鋼、軸承鋼及其制 品已經(jīng)有少量出口。到1982年，特殊鋼生產(chǎn)布局已經(jīng)展開(kāi)。為了提高特殊鋼產(chǎn)品質(zhì)量，許多企業(yè)采取了先 進(jìn)的檢驗(yàn)手段，建立了全面質(zhì)量管理體系，高速工具鋼、滾珠軸承鋼、釬子鋼、不銹鋼冷軋 板、小口徑地質(zhì)鋼管等產(chǎn)品，已經(jīng)分別達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。2偏析概述鑄件（錠）中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為偏析。由于金屬凝固過(guò)程中的選分結(jié)晶，導(dǎo)致晶體中的偏析是不可避免的。偏析問(wèn)題的產(chǎn)生在工業(yè)上，幾乎所有金屬都要經(jīng)過(guò)由液態(tài)到固態(tài)的凝固過(guò)程。當(dāng)合金凝固時(shí)，由 于發(fā)生溶質(zhì)的重新分配，先凝固的部分與后凝固的部分成分不同，就產(chǎn)生了溶質(zhì)的偏 析現(xiàn)象。偏析問(wèn)題在高溫合金中具有普遍性，尤其

4、在合金化程度較高，錠型較大的條 件下更容易發(fā)生。偏析的分類(lèi)偏析分為兩種：（1）微觀偏析一晶粒尺寸范圍（包括晶界）里的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。微觀偏析：晶內(nèi)偏析（枝晶偏析），晶界偏析。（2）宏觀偏析一鑄坯整個(gè)斷面上化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。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。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 Q的偏離情況分類(lèi)。凡 CS0）者，稱(chēng)為正偏析，CSVG者，稱(chēng)為負(fù)偏析。這種分類(lèi)不僅適用于微觀偏析也適用于宏觀 偏析。2.3偏析對(duì)鋼的質(zhì)量的影響偏析是鑄件的主要缺陷之一。偏析對(duì)鑄件質(zhì)量影響很大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）微觀偏析使晶粒范圍內(nèi)的物理

5、和化學(xué)性能產(chǎn)生差異，影響鑄件的力學(xué)性能。有時(shí)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(diǎn)共晶容易集中在晶粒邊界，即 增加鑄件在收縮過(guò)程中產(chǎn)生熱裂的傾向性，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。3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(guò)程中溶質(zhì)再分配的必然結(jié)果。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(shí)，將形成不平衡結(jié)晶?，F(xiàn)在用圖3-1說(shuō)明固溶體合金 G成

6、分的不平衡結(jié)晶過(guò)程。八7圖，：例熔作系平盤(pán)培品赤汽闋圖3-1圖3-2、圖3-3分別表示含30%Cu的Ni-Cu固溶體合金在凝固時(shí)固溶體中無(wú)擴(kuò)散和有 若干擴(kuò)散時(shí)的晶體中心成分、表面成分以及平均成分隨溫度的變化。圖3-2圖3-3在實(shí)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(gè)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(chēng)為晶內(nèi)偏析。由于固溶體合金多按枝晶方式生長(zhǎng)，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(chēng)枝晶偏析。Ni-Cu合金的鑄態(tài)組織（SEM

7、鑄鋼組織也呈樹(shù)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(shù)枝晶中這種化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱(chēng)為枝晶偏析，因?yàn)樗麑儆谝粋€(gè)晶粒范圍的成分不均勻，所以也稱(chēng)為晶內(nèi)偏析。圖3-4表示用電子探針?biāo)鶞y(cè)定低合金鋼溶液中生成的樹(shù)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。圖3-4枝晶偏析的描述：當(dāng)不考慮固相中的擴(kuò)散時(shí)，用 Scheil方程式描述：C S = koC 0（1 - fs ）k0-1應(yīng)該指出的是，Scheil方程是在假定固相沒(méi)有溶質(zhì)擴(kuò)散的條件下導(dǎo)出的，是一種極端情 況。實(shí)際上，特別是在高熔點(diǎn)合金中，如碳、氮這些原子半徑較

8、小的元素在奧氏體中擴(kuò)散往往是不可忽視的。圖3-5表示Cu-Sn8%合金單相凝固時(shí)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) K=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K）Q=2.9%小于6%。這說(shuō)明溶質(zhì)原子在固相中的擴(kuò)散是不可忽視的。圖3-5當(dāng)考慮固相中有擴(kuò)散、液相均勻混合時(shí)描述為：C s = k 0 C 0 I 1 - 1 二 k0DS S,Ds溶質(zhì)在固相中的擴(kuò)散系數(shù)T 局部凝固時(shí)間S枝晶間距一半由此可知，枝晶偏析的產(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)K

9、0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（KV1時(shí)）或K0愈大（K0 1時(shí)），或擴(kuò)散系數(shù)DS愈小，則枝晶偏析 愈嚴(yán)重。因此，可用11- K01定性地衡量枝晶偏析的程度。11-K 01愈大，枝晶偏析愈嚴(yán)重，11-K 01稱(chēng)為偏析系數(shù)。幾種元素在鐵中的 &和11-K01示于下表?？梢钥闯鎏间撝校琒、P、C是最易產(chǎn)生枝晶 偏析的元素。元素PSBCV質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)0.01 0.030.01 0.040.002 0.100.30 1.00.50 4.0偏析 系數(shù)|1-Ko|0.940.900.870.740.62枝晶偏析的大小可用枝晶偏析度Se：C - CSe = J max

10、 J min一 CCmax 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C0 -某組元的原始平均濃度枝晶偏析比Sr:c 枝晶中最高溶質(zhì)濃度元 素SPCW元 素SPCWVMoSiCrMnNiR 枝晶中最低溶質(zhì)濃度表：幾種元素在鋼錠中的枝晶偏析度SeSe2.01.50.60.60.40.40.20.20.150.05冷卻速度的影響冷卻速度V0對(duì)枝晶偏析的影響是通過(guò) 。和s體現(xiàn)的。=k 0 C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(shí)反而減輕枝晶偏析，甚至當(dāng)冷卻速度增大到某一臨界值(106108C/s)時(shí),不僅固相的擴(kuò)散不能進(jìn)行，液

11、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。it* IM 10 Ht1%；（尤1 圖3-6圖3-6為冷速對(duì)鎂合金(Mg-0.2Ca)中Ca的枝晶偏析的影響。 可以看出，即使冷卻速度 很小，3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。M O. I,%量Bl Adk,吟H IN圖3-7碳對(duì)硫磷在鑄錠中枝晶偏析的影響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3-7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

12、改變了硫、磷在鋼中的分配系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的緣故。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(gè)常采用擴(kuò)散退火或均勻化退火來(lái)消除 晶內(nèi)偏析。晶界偏析在合金凝固過(guò)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(chēng)為晶界偏析。晶界偏析的產(chǎn)生有兩種情況。兩個(gè)晶粒并排生長(zhǎng)，晶界平行于生長(zhǎng)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹槽，深度可達(dá)10-8科0!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。（a）兩個(gè)晶粒并排生長(zhǎng)兩個(gè)晶粒彼此面對(duì)

13、面生長(zhǎng)，在固 /液界面處溶質(zhì)被排出（K1）,此外，其他低熔點(diǎn)的 物質(zhì)也會(huì)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(diǎn)物質(zhì)；當(dāng)兩個(gè)晶粒相遇 時(shí)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(diǎn)物質(zhì)，從而造成晶界偏析,如圖（b）所示（b）兩個(gè)晶粒面對(duì)面生長(zhǎng)胞狀偏析固溶體合金凝固時(shí)，若成分過(guò)冷不大，晶體會(huì)呈胞狀方式生長(zhǎng)。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(zhǎng)大，呈六方斷面。由于凝固過(guò)程中溶質(zhì)再分配，當(dāng)合金的平衡分配系數(shù)KoVl時(shí)，六方斷面的晶界處將富集溶質(zhì)元素，如圖 3-8所示；當(dāng)K）1時(shí)， 六方斷面晶界處的溶質(zhì)會(huì)貧化。這種化學(xué)成分不均勻性稱(chēng)為胞狀偏析。圖3-8胞狀生長(zhǎng)

14、時(shí)溶質(zhì)分布示意圖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100200C,長(zhǎng)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3-9為前文所示的Cu-Ni合金經(jīng)均勻化退火后的組織及與之相對(duì)的特征X射線強(qiáng)度曲線，可以看出，枝晶偏析基本消除。圖3-9均勻化退火時(shí)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，減輕微觀偏析，再通過(guò)均勻化退火處理，可消除。對(duì)合金進(jìn)行孕育處理或加入某些元素往往能使樹(shù)枝狀晶的尺寸或單位面積上的樹(shù)枝狀 晶的數(shù)量發(fā)生變化

15、，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(wú)能為力。因此， 對(duì)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。4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(diǎn)，而且與凝固過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)以及液相的流動(dòng)方式密切相關(guān)。本世紀(jì)以來(lái)，隨著鋼鐵工業(yè)和科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)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(shí)，鑄件內(nèi)的宏觀偏析可用 Scheil方程近似的描述。但在實(shí)際 生產(chǎn)條件下，保證凝固前沿為平面是

16、困難的，往往存在兩相區(qū)。此時(shí)，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?。?）在固液兩相區(qū)內(nèi)液體沿枝晶間的流動(dòng)。下面我們將就有關(guān)宏觀偏析的問(wèn)題進(jìn)行討論。正常偏析當(dāng)鑄件（錠）凝固區(qū)域很窄時(shí)（逐層凝固），固溶體初生晶生長(zhǎng)成緊密排列的柱狀晶， 凝固 前沿是平滑的或?yàn)槎啼忼X形， 枝晶向液體的流動(dòng)對(duì)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(guò)程中的溶質(zhì)再分配有關(guān)。隨著凝固前沿向中心推進(jìn)，“多余”的溶質(zhì)原子（K0V1）被排斥在周?chē)囊后w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)。K 1的合金則與上述情

17、況相反。按照異分結(jié)晶的規(guī)律，這是正?，F(xiàn)象，故稱(chēng)正常偏析。a平衡結(jié)晶固相無(wú)擴(kuò)散液相只有擴(kuò)散固相無(wú)擴(kuò)散液相均勻混合da平衡結(jié)晶固相無(wú)擴(kuò)散液相只有擴(kuò)散固相無(wú)擴(kuò)散液相均勻混合d液相部分?jǐn)U散距離厚壁鑄鋼件中碳、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(lái)不及在宏觀范圍內(nèi)選擇結(jié)晶，其平均溶質(zhì)濃度為Q（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?chē)囊后w中，后結(jié)晶的固相溶質(zhì)濃度隨之升高，結(jié)晶開(kāi)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(shí)，生長(zhǎng)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)

18、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0）0通過(guò)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(diǎn)密切相關(guān)。當(dāng)鑄件以逐層凝固方式凝固時(shí)，凝固前沿時(shí)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(shí)，枝晶間液體的流動(dòng)對(duì)宏觀偏析的影響降至次要地位，凝固后的鑄件內(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(shí)， 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(dòng)，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(duì)于偏析系數(shù)較大的合金，當(dāng)溶質(zhì)含量 較高時(shí)，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

19、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。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(K0V1)。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(shí)高達(dá)20-25 %。在灰鑄鐵件表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)磷共晶的汗點(diǎn)。圖4-1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(shí)線表示銅的實(shí)際分布。廝Win型件金*井的折圖4-1逆偏析的形成有以下幾方面的共同特點(diǎn)：(1)結(jié)晶范圍寬的固溶體型合金；(2)鑄件緩慢冷卻

20、時(shí)逆偏析程度增加；(3)枝晶粗大時(shí)易產(chǎn)生逆偏析；(4)合金液含氣量較高時(shí)易出現(xiàn)逆偏析。上述共同特點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)逆偏析的形成原因可作如下解釋?zhuān)簩捊Y(jié)晶溫度范圍的固溶體型合金在緩慢凝固時(shí)易形成粗大的樹(shù)枝晶，枝晶相互交錯(cuò)，枝晶間富集著低熔點(diǎn)的溶質(zhì)，當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時(shí)，低熔點(diǎn)溶質(zhì)將沿著樹(shù)枝晶間向外移動(dòng)。 如 果液態(tài)合金中溶解有較多的氣體，在凝固過(guò)程中將助長(zhǎng)逆偏析的形成。V型偏析和逆 V型偏析常出現(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)。形成機(jī)理：(1)固-液界面偏析元素的富集將阻礙結(jié)晶的生長(zhǎng)，出現(xiàn)周期性結(jié)晶。(2)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

21、半部則形成高于平均成分的正偏析區(qū)。收浦油正鵬析 遨I收浦油正鵬析 遨I/津新M囑桁魚(yú)涮捫鐐俄產(chǎn)生、后乩逆、m師標(biāo)部位示總因影響偏析的因素：降低鑄錠的冷卻速率， 枝晶粗大，液體沿枝晶間的流動(dòng)助力減小，促進(jìn)溶質(zhì)富集液相的流動(dòng)，均會(huì)增大形成 V形偏析和逆V形偏析的傾向。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?chē)鷧^(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A型偏析（倒V型偏析）和V型偏析兩種。帶狀偏析常出現(xiàn)在鑄錠或厚壁鑄件中，有時(shí)是連續(xù)的，有時(shí)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(zhǎng)

22、速度發(fā)生變化 的緣故。，巾楠，巾楠bhMI帶狀偏析成因：溶質(zhì)再分配+成分過(guò)冷圖（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(zhǎng)速率時(shí)，產(chǎn)生溶質(zhì)偏析（富集），固-液界面處的實(shí)際過(guò)冷度將下降。圖（b）由于固-液界面的過(guò)冷降低， 固體生長(zhǎng)受到限制， 晶體在固-液界面前方過(guò)冷度較 大的部位優(yōu)先生長(zhǎng)并且長(zhǎng)出分枝，成為樹(shù)枝狀，溶質(zhì)含量高的金屬液將被樹(shù)枝晶捕捉（包圍）。溶質(zhì)偏析液體二攙固溫度液體的溫度分布攙固溫度液體的溫度分布過(guò)冷圖（c）所示，固-液界面前沿過(guò)冷度又相對(duì)增大。由于液固界面的過(guò)冷降低，固體生長(zhǎng) 受到限制，晶體在固液界面前方過(guò)冷度較大的部位優(yōu)先生長(zhǎng)，并且長(zhǎng)出分枝，成為樹(shù)枝狀， 溶質(zhì)

23、含量高的金屬液將被樹(shù)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(zhǎng)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(huì)引起固-液界面的過(guò)冷度下降。固液界面推進(jìn)又會(huì)引起固液界面的過(guò)冷度下降，如圖（ e）和圖（f）所示，結(jié)晶前沿 的成長(zhǎng)又會(huì)出現(xiàn)新的停滯。如此重復(fù)，在逐漸斷面可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)條帶狀偏析圖（g）所示，當(dāng)固-液界面過(guò)冷度降低，固-液界面推進(jìn)受到溶質(zhì)偏析的阻礙時(shí)，由于 界面前方的過(guò)冷度較大，從側(cè)壁上可能產(chǎn)生新的晶粒并繼續(xù)長(zhǎng)大，從前方橫切溶質(zhì)農(nóng)化帶， 也能形成帶狀偏析。從惻壁成長(zhǎng)的結(jié)晶(g)固體明 -液體- _ V溶質(zhì)偏析減少帶狀偏析方法：帶狀偏析的形成不進(jìn)與固液界

24、面溶質(zhì)富集而引起的過(guò)冷程度有關(guān)，而且受晶體成長(zhǎng)速率變化的影響當(dāng)固液界面前方有對(duì)流或攪拌時(shí)，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(duì)流和攪拌，都能夠防止或減少帶狀偏析的形成。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)。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(chǎng)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(guò)程中發(fā)生沉浮現(xiàn)象而造成的，故稱(chēng)重力偏析。重力偏析產(chǎn)生在鑄件凝固之前或剛剛開(kāi)始凝固之際。絕大多數(shù)的合金，

25、固相密度較液相大，所以初生晶總要下沉，所謂的“結(jié)晶雨”即指此而言，從而使鑄錠上部和下部的化學(xué)成 分不同。例如Cu-Pb合金，由于銅和鉛的密度相差較大，液體存在分層現(xiàn)象，上部含 Cu多,下部含Pb多，在澆注前即使攪拌，凝固后的鑄件也會(huì)產(chǎn)生重力偏析。鑄件在凝固過(guò)程中， 固液兩相區(qū)內(nèi)的液體存在密度差，在重力作用下，發(fā)生向上或向下流動(dòng)，也形成重力偏析。例如，一斷面均勻的 Al-4.5 %Cu合金鑄件，水平澆注，一端設(shè)置 冒口，如圖所示。鑄件從另一端沿水平方向單向凝固，在凝固前沿的固液兩相區(qū)內(nèi)液體沿X軸方向存在溫度、成分和密度差。靠近固相邊界的流體含Cu量高，密度大，在重力作用下向下流動(dòng)，導(dǎo)致重力偏析的

26、產(chǎn)生。在其它條件相同時(shí)，固液相之間或互不相溶的液體之間的密度差越大，則重力偏析越嚴(yán)重。因此，一些以W Pb等重金屬為溶質(zhì)的合金或一些以鋁鎂等輕金屬為溶質(zhì)的合金，如何 防止或減輕重力偏析是生產(chǎn)中的主要問(wèn)題之一。加快結(jié)晶速度，機(jī)械攪拌液態(tài)金屬可以減輕重力偏析。加入第三組元，形成高熔點(diǎn)、密度與液相相近的固相，先形成枝晶骨架，可阻止 偏析相浮沉。例如，向Pb-Sn17%合金中加入1.5 %Cu,首先形成CuPb骨架，即可減輕和消 除比重偏析。宏觀偏析的預(yù)防與消除宏觀偏析是由于鑄件在凝固期間固相和液相的沉浮以及未凝固的液體在枝晶間的流動(dòng) 等造成的鑄件各個(gè)部位間的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，是一種較長(zhǎng)距離的偏析

27、。通過(guò)均勻化退火很難完全消除。防止對(duì)策：對(duì)于因密度差異所造成的重力偏析，可通過(guò)在熔煉時(shí)和澆注前充分?jǐn)噭蚝辖鹑垡海槐M量縮短合金熔液停放時(shí)間；加入某種合金元素，遏制比重偏析，鑄件凝固時(shí)，強(qiáng)化 冷卻，加速凝固；合理控制鑄件凝固方向等加以預(yù)防。對(duì)于區(qū)域偏析（正常偏析或逆偏析），不能用均勻化擴(kuò)散退火方法予以消除，因?yàn)槠龅娜苜|(zhì)元素?cái)U(kuò)散距離過(guò)長(zhǎng)而不能奏效，故應(yīng)以預(yù)防為主。主要是鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)理， 避免有過(guò)度肥厚斷面以免在此產(chǎn)生區(qū)域偏析，強(qiáng)化冷卻，使鑄件迅速凝固，添加合金元素，遏制偏析。5引起偏析的原因引起高溫合金偏析的原因是多種多樣的，既有外部原因，也有內(nèi)部原因。外部原因包括原料的純凈度、熔煉工藝的合理選擇、

28、鑄模的溫度、鑄錠的冷卻速率、溫度梯度和時(shí)間等等； 內(nèi)部原因包括合金成分、各個(gè)元素的特性、枝晶生長(zhǎng)速率、晶體形核率、枝晶間距、液相的 流動(dòng)性等。對(duì)于不同合金，引起其偏析原因應(yīng)是內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果。根據(jù)查到的資料，總結(jié)了引起高溫合金偏析的因素。元素凝固特點(diǎn)元素凝固本質(zhì)：假設(shè)成分為C的二元合金，當(dāng)溫度降到T1開(kāi)始結(jié)晶，在T2溫度下結(jié)晶 出現(xiàn)的晶體，當(dāng)溫度下降到T3時(shí)，在已有的成分a 2的晶體上又長(zhǎng)出一層成分為 a 3的晶體， 由于溫度下降時(shí)，擴(kuò)散過(guò)程不能充分進(jìn)行，所以晶體外層雖然是a 3的成分而內(nèi)層卻是接近a 2的成分，依次類(lèi)推，這樣冷卻下來(lái)的結(jié)果，這就造成了晶內(nèi)偏析，多元合金的枝晶偏析 同二元

29、合金的枝晶偏析形成機(jī)理是相同的。在非平衡凝固過(guò)程中原子在液相內(nèi)部的擴(kuò)散、固相內(nèi)部的擴(kuò)散及兩相之間的擴(kuò)散是相當(dāng)慢的，在非平衡凝固條件下， 各晶粒內(nèi)部的成分都不是一致的，外層后結(jié)晶的部分含低熔點(diǎn)組元比 較多，在合金凝固時(shí)，先凝固的枝晶干含高熔點(diǎn) 的元素多，后凝固的枝晶間含低熔點(diǎn)的元素多。晶內(nèi)偏析的大小與分配系數(shù) K)有關(guān)，也即與液相線和固相線間的水平距離或成分間隔有關(guān)。在上面所討論的情況下，偏析的最大程度為：G)-C=C0-K0G)=C)(1-K 0)式中，Q為原始成分；C為實(shí)際成分；Ko為分配系數(shù)。當(dāng)KoVl時(shí)，Ko值越小，則偏析越大； 當(dāng)K)l時(shí)，Ko值越大，偏析也越大。溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力對(duì)偏

30、析程度也有影響，如果結(jié)晶的溫度較高， 溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力又大，則偏析程度較小；反之，則偏析程度較大。熔煉工藝(1)熔煉過(guò)程中，工藝的穩(wěn)定性對(duì)宏觀偏析的形成有重要影響。如在電渣重熔的某合金 中，電流增大，導(dǎo)致熔速加快和熔池加深，偏析加重；若電流減少，導(dǎo)致熔化過(guò)程中斷，當(dāng) 再開(kāi)始熔化時(shí)，因局部溫度變化也會(huì)導(dǎo)致偏析。(2)冶煉工藝的合理選擇對(duì)偏析也有重要影響，研究表明：三次熔煉要優(yōu)于一次或二次 熔煉，例如真空感應(yīng)+電渣重熔+自耗重熔要比單獨(dú)的電渣重熔或自耗重熔偏析要輕的多。(3)熔煉工藝對(duì)合金的偏析也有影響，對(duì)合金采用不同的熔煉工藝，合金中產(chǎn)生的偏析 產(chǎn)物含量是不同的。澆注過(guò)程中的外界條件(i)外來(lái)澆

31、鑄過(guò)程中的雜質(zhì)。由于某些原因，在澆鑄過(guò)程中，一些雜質(zhì)能夠進(jìn)入鑄錠， 從而形成形核核心，而此類(lèi)雜質(zhì)本身或富集某些元素或貧乏某些元素，從而導(dǎo)致偏析。(2)外界氣體對(duì)澆鑄溶質(zhì)元素的影響。澆鑄過(guò)程中，若大面積與空氣接觸，則會(huì)發(fā)生氣 體或元素的吸納或逸出(也包括某些溶質(zhì)元素的揮發(fā) )，從而使元素分布不均勻而產(chǎn)生偏析。(3)澆鑄過(guò)程中，液流速度也會(huì)對(duì)偏析產(chǎn)生一定的影響。合金成分的影響高溫合金由十幾種元素組成的，由于本身特性以及它們含量的不同，它們對(duì)偏析的影響也不盡相同，主要表現(xiàn)在：(i)擴(kuò)大液固相溫度區(qū)間。合金的凝固偏析與合金的凝固溫度區(qū)間密切聯(lián)系，通常凝固溫度 區(qū)間越大，合金的樹(shù)枝狀偏析越嚴(yán)重。(2)合

32、金成分對(duì)偏析的影響，高溫合金中的十幾種元素有正偏析元素，也有負(fù)偏析元素。這些元素的偏析除了與本身的特性有關(guān)外，還與元素在合金中的含量有關(guān)。元素含量不同，其偏析程度是不同的。鑄造工藝參數(shù)對(duì)偏析的影響(i)澆鑄溫度。研究表明：降低澆鑄溫度能夠使晶粒細(xì)化，枝晶間距減小，從而元素的偏析 減小。(2)冷卻速率。冷卻速率越大，枝晶問(wèn)距越小，枝晶分叉越少，從而減輕偏析。(3)鑄錠尺寸。無(wú)論對(duì)多大尺寸的鑄錠，顯微偏析總是存在的，一般來(lái)說(shuō)，尺寸越小， 偏析的程度越小。但是對(duì)宏觀偏析而言，針對(duì)不同的合金，其鑄錠在一定尺寸內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)， 然而隨著尺寸的增大，會(huì)出現(xiàn)宏觀偏析，導(dǎo)致鑄件的報(bào)廢。(4)溫度梯度G和生長(zhǎng)速率V

33、對(duì)偏析的影響。Hunt給出了一次枝晶間距公式：丫 =ag-0.5 v0.25式中，丫為一次枝晶間距；A為常數(shù)；G為溫度梯度；V為枝晶生長(zhǎng)速率。從式中可以看出， 溫度梯度越大，生長(zhǎng)速率越大，枝晶間距越小，偏析越少，如圖 5-1 ,我們可以看出，凝固速率越大，枝晶間距越小。一些研究結(jié)果表明：隨著凝固速率增大，固相擴(kuò)散的不足程度增 加，使枝晶偏析程度增大，但當(dāng)凝固速率進(jìn)一步增大時(shí)，枝晶偏析趨于減小。圖5-1凝固速率對(duì)枝晶間距的影響晶體取向?qū)ζ龅挠绊懹^察元素的偏析與晶中科院金屬所用一種無(wú)銖第二代銀基單晶高溫合金作為研究對(duì)象,觀察元素的偏析與晶體取向的關(guān)系，結(jié)果表明:W A1, Co的偏析比與取向無(wú)關(guān),體取向的關(guān)系，結(jié)果表明:W A1, Co的偏析比與取向無(wú)關(guān),Ti , Cr的偏析程度按001-011-111次序降低，Ta和Mo的偏析情況受取向影響但無(wú)明確變化規(guī)律。如圖5-2所示，不同方向的偏析比