第七章 鑄件中的偏析

第七章鑄件中的偏析第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月b)宏觀偏析：長程偏析或區(qū)域偏析，指鑄件各部分之間化學(xué)成分的差異。a)微觀偏析：短程偏析，指微小范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。一、偏析的分類1、根據(jù)偏析的范圍分成分不均勻→組織上的差別→

沖擊韌性和塑性↓鑄件的熱裂傾向性↑還可能使鑄件難于加工。使鑄件各部分的機(jī)械性能和物理性能產(chǎn)生很大的差異→影響鑄件的使用壽命和工作效果。第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、按各部位的濃度Cs與Co的偏析情況分類：微觀偏析和宏觀偏析也可用這種方法來分。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、微觀偏析微觀偏析是合金在結(jié)晶過程中溶質(zhì)再分配的必然結(jié)果。按其形式可分為：胞狀偏析枝晶偏析晶界偏析第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.枝晶偏析的形成

（一）枝晶偏析原因：實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，鑄件凝固是非平衡結(jié)晶過程。由于固溶體合金多按枝晶方式生長，分枝本身（內(nèi)外層）、分枝與分枝間的成分是不均勻的，稱枝晶偏析（屬晶內(nèi)偏析）。第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.組元的分布規(guī)律：

②使金屬熔點(diǎn)降低的組元富集在分枝外層或分枝間，甚至在分枝間出現(xiàn)不平衡第二相。鑄件凝固后，各組元在枝干中心與其邊緣之間的成分分布可近似地用Scheil方程式描述。①使金屬熔點(diǎn)升高的組元富集在分枝中心和枝干上。③其他部位的成分介于兩者之間。第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月枝干中心僅6%分枝間最高為23%第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月K0愈偏離1，Ds愈小，則枝晶偏析愈嚴(yán)重?？紤]固相中有擴(kuò)散：式中：第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.枝晶偏析的表述法：越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。(2)枝晶偏析度Cmax：某組元在枝晶偏析區(qū)內(nèi)的最高濃度Cmin：某組元在枝晶偏析區(qū)內(nèi)的最低濃度C0：某組元的原始平均濃度⑶枝晶偏析比（1）偏析系數(shù):第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.影響枝晶偏析的因素：⑴K0偏離↑，Se、SR

↑，偏析嚴(yán)重。⑵Ds↓，Se、SR↑，偏析嚴(yán)重。⑶冷卻速度V0：實(shí)際上是τ和S（枝晶間距的一半）⑷其他元素的存在5.枝晶偏析的消除：

退火：把鑄件加熱到低于固相線100～200℃，長期保溫，使溶質(zhì)原子充分?jǐn)U散，則可減輕或消除枝晶偏析。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）晶界偏析晶粒中心只有不明顯的負(fù)偏析（或正偏析），而晶界區(qū)域卻顯示出明顯的正偏析（或負(fù)偏析），這種偏析稱為晶界偏析。（1）晶界平行于生長方向：，圖6-7晶粒平行于生長方向形成的晶界偏析1、晶界偏析的形成在液體與晶界交界處形成偏析（2）兩個(gè)晶粒相對生長：最后凝固的晶界處

2、預(yù)防和消除：

與枝晶偏析相同。第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6-8晶粒相碰形成的晶界偏析第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三、宏觀偏析枝晶間的流動對宏觀偏析的影響正常偏析逆偏析V型和逆V型偏析帶狀偏析重力偏析第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）枝晶間的流動對宏觀偏析的影響：1、液態(tài)金屬沿枝晶間流動的原因：熔體本身的流動驅(qū)使兩相區(qū)的液體流動；凝固收縮的抽吸作用促使液體流動；密度差而發(fā)生對流；第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.當(dāng)考慮到枝晶有液體流動時(shí)，枝晶的溶質(zhì)分布：q>0：固液界面上固相的溶質(zhì)濃度k0C0fs同號；β：凝固收縮率μ

：等溫線移動速度V：液體沿μ方向的流動分速度當(dāng)合金一定時(shí)，CS*取決于q，q取決于V/μ

第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（1）q=1:此時(shí)--不存在宏觀偏析（2）q<1

K0<1時(shí)→此時(shí)產(chǎn)生正偏析K0<1時(shí)→第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（3)q>1此時(shí)

產(chǎn)生負(fù)偏析

K0<1時(shí)→第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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，枝晶間液體流動的作用次要，宏觀偏析的產(chǎn)生與結(jié)晶中的溶質(zhì)再分配有關(guān)。k0<1的合金，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)。（k0>1的合金與之相反）。按照結(jié)晶的規(guī)律（溶質(zhì)再分配規(guī)律），這是正?，F(xiàn)象，故稱為正常偏析。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月C0k0C0startend圖

單向凝固時(shí)鑄件內(nèi)溶質(zhì)的分布

平衡凝固

固體無擴(kuò)散而液體有擴(kuò)散

固體無擴(kuò)散而液體完全混合

固體有若干擴(kuò)散而液體部分、混合

K0<1第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月①細(xì)等軸晶區(qū)結(jié)晶快，溶質(zhì)來不及擴(kuò)散，溶質(zhì)濃度為C0②柱狀晶區(qū)，凝固區(qū)域窄，凝固過程溶質(zhì)不斷被排斥，使其濃度逐漸升高。③當(dāng)鑄件中心部位的液體降至結(jié)晶溫度時(shí)，生長出粗壯的等軸晶。含溶質(zhì)濃度較高的液體被阻滯在柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)之間。該處C.S.P含量較高。④中心粗大等軸晶成分均勻，接近C0。（>C0）第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月宏觀偏析與鑄件的凝固特點(diǎn)有關(guān)：凝固區(qū)域較寬時(shí)，枝晶發(fā)達(dá)，枝晶偏析嚴(yán)重，正常偏析減輕。逐層凝固時(shí)，凝固前沿是平滑的或?yàn)槎啼忼X形。——正常偏析生長。正常偏析隨溶質(zhì)偏析系數(shù)增大而增大。較大，則凝固區(qū)域?qū)?，傾向體積凝固，減輕正常偏析或無正常偏析正常偏析的存在使鑄件性能不均勻，難以消除，應(yīng)加以控制。利用正常偏析，用“區(qū)熔法”，提純金屬。第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、逆偏析k0<1的合金，結(jié)晶由外向內(nèi)逐漸進(jìn)行，但在表面層的一定范圍內(nèi)溶質(zhì)的濃度分布卻由外向內(nèi)逐漸降低，稱為逆偏析，或稱反常偏析。常出現(xiàn)逆偏析的情況：結(jié)晶范圍寬的固溶體合金;鑄件緩慢冷卻時(shí)逆偏析程度增加;枝晶粗大時(shí)易產(chǎn)生逆偏析;合金液含氣量高時(shí);第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月影響因素：①固液兩相區(qū)內(nèi)液體在枝晶間流動：

②一次分枝長度③鑄件凝固區(qū)域的寬度，凝固收縮以及合金在凝固過程中金屬所受到的壓力區(qū)域?qū)?、收縮大、含氣量高——促使逆偏析但有例外。第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）V型和逆V型偏析

在鎮(zhèn)靜鋼錠中常常觀察到V型和逆V型偏析帶，其中富集C、S、P。圖6-17所示。①鑄錠凝固過程中，堆積層中央下部的晶體收縮下沉，而上部的晶體不能同時(shí)下沉，在堆積層中則產(chǎn)生V型裂縫，其中被富溶質(zhì)的液體充填，形成V型偏析帶。

②鑄錠中央部分下沉同時(shí)，側(cè)面向斜下方產(chǎn)生拉應(yīng)力，而產(chǎn)生逆V型裂紋，其中被富集溶質(zhì)的低熔點(diǎn)液體充填，形成逆V型偏析帶。第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6-17第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月③逆V型偏析是由于密度小的溶質(zhì)濃化液在固液兩相區(qū)上升而引起的——沿枝晶上升。在其流經(jīng)的區(qū)域，枝晶發(fā)生熔斷，形成溝槽。殘余液體沿溝槽繼續(xù)上升，產(chǎn)生逆V型偏析④冷速降低，枝晶粗大，液體沿枝晶間的流動阻力減小，增加V型和逆V型偏析的傾向。⑤鑄錠凝固初期：在鑄錠下半部形成負(fù)偏析區(qū)。而鑄錠的上半部則形成正偏析區(qū)。

V型、逆V型偏析機(jī)理未完全認(rèn)清，有待進(jìn)一步研究。第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）帶狀偏析：鑄錠中有時(shí)會見到一種垂直于等溫面推移方向的偏析帶，被稱為“帶狀偏析”

第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴合金單向凝固，固液界面以平面向前推進(jìn)：穩(wěn)定生長階段圖6-21液相溶質(zhì)量增加；固相溶質(zhì)量減少。

則與上相反。由于生長速度的波動，在鑄件中產(chǎn)生帶狀偏析。第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵當(dāng)合金以枝晶方式生長時(shí)，鑄件中存在固液兩相區(qū)，液體可以沿枝晶流動V：液體沿μ方向的流動分速度；μ：等溫線移動速度。當(dāng)R變化，μ變化，q變化時(shí)：變化，而產(chǎn)生帶狀偏析。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（六）重力偏析由于固、液相之間或互不相溶的液相之間的密度不同，在凝固過程中發(fā)生沉浮現(xiàn)象而造成的偏析稱重力偏析。如鑄錠中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)底部和頂部存在著明顯的成分差異。重力偏析產(chǎn)生在鑄件凝固之前或剛剛開始凝固之際。第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月①絕大多數(shù)的合金，固相密度較液相大，所以初生晶總要下沉，即產(chǎn)生所謂的“結(jié)晶雨”，從而使鑄錠上部和下部的化學(xué)成分不同。Al—Cu4.5%沿水平方向單向凝