偏析的分类课件

偏析的分类和定义2011年8月3日材料加工工程1液态金属体积收缩变形缩孔缩松热裂纹冷裂纹气体元素杂质元素化合物夹渣气泡气孔过饱和析出降温凝固受拘束应力滞留成分偏析非平衡凝固低熔点共晶凝固缺陷2011年8月3日材料加工工程2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：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

2011年8月3日材料加工工程310-1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）

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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。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。

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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。2011年8月3日材料加工工程7Ni-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。2011年8月3日材料加工工程8枝晶偏析2011年8月3日材料加工工程10当考虑固相中有扩散、液相均匀混合时描述为：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。

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，l1-k0l称为偏析系数。

枝晶偏析元素SPCWVMoSiCrMnNiSe2.01.50.60.60.40.40.20.20.150.052011年8月3日材料加工工程12枝晶偏析的大小可用枝晶偏析度SeCmax－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枝晶偏析比SR表10.2几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se

某元素在铸件中的枝晶偏析程度因其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。

枝晶偏析2011年8月3日材料加工工程14图10.5碳对硫磷在铸锭中枝晶偏析的影响

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。

晶界偏析2011年8月3日材料加工工程15

在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。晶界偏析的产生有两种情况，如图10-2所示。（a)两个晶粒并排生长两个晶粒并排生长，晶界平行于生长方向，由于表面张力平衡条件的要求，在晶界与液相交界的地方，会出现一个凹槽，深度可达10~8μm。此处有利于溶质原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析，如图（a）所示。晶界偏析2011年8月3日材料加工工程16b)两个晶粒面对面生长两个晶粒彼此面对面生长，在固/液界面处溶质被排出（k0<1），此外，其他低熔点的物质也会被排挤到固/液界面，即在它们之间富集大量溶质和低熔点物质；当两个晶粒相遇时形成晶界，最后凝固的晶界部分将含有较多的溶质和其它低熔点物质，从而造成晶界偏析，如图（b）所示

胞状偏析

固溶体合金凝固时，若成分过冷不大，晶体会呈胞状方式生长。胞状结构由一系列平行的棒状晶体所组成，沿凝固方向长大，呈六方断面。由于凝固过程中溶质再分配，当合金的平衡分配系数k0<1时，六方断面的晶界处将富集溶质元素，如图10-3所示；当k0>1时，六方断面晶界处的溶质会贫化。这种化学成分不均匀性称为胞状偏析。

图10-3胞状生长时溶质分布示意图2011年8月3日材料加工工程17三、微观偏析的防止和消除

枝晶偏析是不平衡结晶的结果，在热力学上是不稳定的，如能设法使溶质原子进行充分扩散即能消除枝晶偏析。把铸件加热到低于固相线100～200℃，长期保温，使溶质原子充分扩散，则可减轻或消除枝晶偏析。此即为均匀化退火。图6-10为图6-4所示的Cu-Ni合金经均匀化退火后的组织及与之相对的特征X射线强度曲线，可以看出，枝晶偏析基本消除。2011年8月3日材料加工工程18§6-2宏观偏析宏观成分偏析是铸锭，特别是合金铸锭和大型铸件生产中经常遇到的一种铸造缺陷。它的形成不仅取决于合金自身的结晶特点，而且与凝固过程中的传热、传质以及液相的流动方式密切相关。本世纪以来，随着钢铁工业和科技的飞速发展，人们对凝固中出现的各种宏观偏析现象进行了大量的、系统的研究。

在保证凝固前沿为平界面时，铸件内的宏观偏析可用Scheil方程近似的描述。但在实际生产条件下，保证凝固前沿为平面是困难的，往往存在两相区。此时，铸件生产宏观偏析的途径：1）在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；2）在固液两相区内液体沿枝晶间的流动。下面我们将就有关宏观偏析的问题进行讨论。2011年8月3日材料加工工程20一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响研究发现，液态金属沿枝晶间的流动对铸件产生宏观偏析起着重要的作用。金属沿枝晶间流动的原因主要是：1）熔体本身的流动驱使固液两相区内的液体流动；2）由于凝固收缩的抽吸作用促使液体流动；3）由于密度差而发生的对流。在凝固过程中铸件中存在温差，因此，在同一时刻铸件各处未凝液相的数量是不同的。2011年8月3日材料加工工程21一、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：

显然，若等于C0时，无宏观偏析，大于C0时，为正偏析，小于C0时，为负偏析。决定值得关键为q，上式即为宏观偏析的判断式。从上式可以看出，当C0一定时，q是影响宏观偏析的决定因素。而当C0一定时，β亦为定值。因此对宏观偏析起决定作用的是v/u,即液体流动速度与等温线移动速度比值得大小及两者的方向。2011年8月3日材料加工工程23一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响以Al-Cu4.5%合金为例，分析v/u对宏观偏析的影响（如图6-12）。该合金的凝固收缩系数为β=0.057。2011年8月3日材料加工工程24当，即将代入公式（6-1），公式（6-1）与Scheil方程完全一样，这说明在所选取的局部地区（体积单元）其平均固相成分，无宏观偏析。这里不难看出，不产生宏观偏析的条件：一是与两者的方向相反；一是的绝对值要比的绝对值小的多，即。一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响2、凝固收缩和液相密度对宏观偏析的影响等温线移动速度取决于冷却速度，而液体沿枝晶间的流动近似遵守Darcy定律，即

—液体的密度；g—重力加速度；—液相的体积分数；η—液体的粘度系数；△P—作用在枝晶间液体上的压力；K—渗透系数，为与枝晶结构和枝晶空隙有关的常数。2011年8月3日材料加工工程26一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响在决定值得诸因素中，显然与冷却速度有关，冷却速度越大，枝晶间隙越小，也越小。压力P还与凝固收缩有关，凝固收缩产生的负压对液体有抽吸作用，促使液体流动。作为液体的密度，在凝固过程中随着成分的改变而改变，如果由于凝固改变液体成分而使密度增加时，会使液体向下流动，反之，当密度减少时，会使液体向上流动。由此可知，促使液体流动的动力来自（1）凝固收缩；（2）液体密度的改变2011年8月3日材料加工工程27一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响

如图6-13所示的铸件，从高度L/2起，截面积减少到1/9，浇注Al-4.5%Cu合金，采用自下而上的单向凝固。在凝固前沿的固液两相区内，靠近下部的液相铜含量高，沿凝固推进方向铜含量逐渐减少。密2011年8月3日材料加工工程28度大的液体始终在下部，液体的密度差不能引起液体流动，液体流动仅由凝固收缩所致，因此，流动方向与等温线移动方向相反，即为负值。可想而知，在铸件截面积突然变细的地方，液体流速最大。由宏观偏析的判别式可知，此处应产生较大的负偏析。图6-13示出该铸件沿高度方向上的铜分布，可以看出，在L/2处存在较大的负偏析，与上述分析完全吻合。

单向由下至上凝固的Al-Cu4.5%合金铸件中Cu分布正常偏析厚壁铸钢件中碳、磷、硫等溶质的分布规律2011年8月3日材料加工工程30

铸件表面细晶粒区内，钢液来不及在宏观范围内选择结晶，其平均溶质浓度为C0(原始平均浓度）。与细等轴晶区相连的柱状晶区，凝固由外向内依次进行，且凝固区域很窄，先凝固的部分溶质浓度较低，“多余”的溶质被排斥在周围的液体中，后结晶的固相溶质浓度随之升高，结晶开始温度则相应降低。当铸件中心部位的液体降至结晶温度时，生长出粗大的等轴晶。含溶质浓度较高的液体被阻滞在柱状晶区与等轴晶区之间，该处磷、硫、碳的含量较高。中心等轴晶区平均成分也为C0

。正常偏析通过上述分析可知，铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，凝固前沿时平滑的或短锯齿形，溶质原子易于向垂直于凝固界面的液体内传输。此时，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响降至次要地位，凝固后的铸件内外层之间溶质浓度差大，正常偏析显著。

当铸件凝固区域较宽时，枝晶得到充分的发展，排出的溶质在枝晶间富集，且液体在枝晶间可以流动，从而使正常偏析减轻甚至完全消除。正常偏析随着溶质偏析系数值得增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，铸件倾向体积凝固，反而减轻正常偏析或不产生正常偏析。正常偏析的存在使铸件性能不均匀，随后的加工和热处理也难以根本消除，故应采取适当措施加以控制。2011年8月3日材料加工工程31逆偏析

铸锭和铸件凝固后，常常可以观察到与正偏析相反的情况，即铸锭的表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部含溶质较少(ko＜1)。

Cu-Sn和Al-Cu合金是易于产生逆偏析的两种典型合金，Cu-Sn10%合金铸件表面含锡量有时高达20一25％。在灰铸铁件表面有时会出现磷共晶的汗点。2011年8月3日材料加工工程32图6-16表示含Cu4.7%的铝合金铸件断面上产生逆偏析的情况，虚线表示原始成分，而实线表示铜的实际分布。逆偏析逆偏析的形成有以下几方面的共同特点：（1）结晶范围宽的固溶体型合金；（2）铸件缓慢冷却时逆偏析程度增加；（3）枝晶粗大时易产生逆偏析；（4）合金液含气量较高时易出现逆偏析。上述共同特点联系起来，对逆偏析的形成原因可作如下解释：

宽结晶温度范围的固溶体型合金在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点的溶质，当铸件产生体收缩时，低熔点溶质将沿着树枝晶间向外移动。如果液态合金中溶解有较多的气体，在凝固过程中将助长逆偏析的形成。

2011年8月3日材料加工工程332011年8月3日材料加工工程34

V型偏析逆V型偏析宏观偏析简介定义：较大尺寸范围内的化学成分不均匀现象，又称长程偏析或区域偏析；分类：正偏析（Cs>Co）、逆偏析（Cs<Co）、V形偏析、逆V形偏析、带状偏析、密度偏析、区域偏析、层状偏析2011年8月3日材料加工工程35形成宏观偏析的途径

在凝固早期所形成的固体相或非金属夹杂的漂浮或下沉；

两相区内的液态在枝晶间隙中流动。2011年8月3日材料加工工程36V型偏析和逆V型偏析简介常出现在大型铸锭中，一般呈锥型，偏析带中含有较高的C以及P和S杂质2011年8月3日材料加工工程37形成机理Нехендэи.Ю.А：固-液界面偏析元素的富集将阻碍结晶的生长，出现周期性结晶。由于结晶沉淀，在铸锭的下半部形成溶质浓度低于平均成分的负偏析区，上半部则形成高于平均成分的正偏析区2011年8月3日材料加工工程38V形偏析大野认为，铸锭在凝固过程中，由于结晶堆积层的中央下部收缩下沉；而上部不能同时下沉，就会在堆积层上方产生V形裂缝，V形裂缝被低熔点的溶质填充，便形成V形偏析2011年8月3日材料加工工程39逆V形偏析铃木：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。2011年8月3日材料加工工程40影响偏析的因素降低铸锭的冷却速率，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动助力减小，促进溶质富集液相的流动，均会增大形成V形偏析和逆V形偏析的倾向2011年8月3日材料加工工程41带状偏析2011年8月3日材料加工工程42带状偏析

定义

区域偏析的一种特殊形式，指铸锭中某些局部区域的化学成分与其周围区域存在差异的现象。钢锭中的带状偏析按其分布特征，可分为Λ型偏析（倒V型偏析）和V型偏析两种2011年8月3日材料加工工程43

带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。带状偏析成因：

溶质再分配＋成分过冷2011年8月3日材料加工工程44

图（b)由于固-液界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固-液界面前方过冷度较大的部位优先生长，并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围），在固-液界面其钠盐的溶质浓度降低。

图（a)中的固-液界面，在液体金属中的溶质扩散速率低于固体的生长速率时，产生溶质偏析（富集），固-液界面处的实际过冷度将下降。

。

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图（c）所示，固-液界面前沿过冷度又相对增大。由于液固界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固液界面前方过冷度较大的部位优先生长，并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围），在固液界面前沿的溶质浓度降低

图（d)中枝晶继续成长将与邻近的枝晶连接在一起，形成平滑界面；固-液界面推进又会引起固-液界面的过冷度下降2011年8月3日材料加工工程46

固液界面推进又会引起固液界面的过冷度下降,如图（e）和图（f）所示，结晶前沿的成长又会出现新的停滞。如此重复，在逐渐断面可能会出现数条带状偏析2011年8月3日材料加工工程47

图（g）所示，当固-液界面过冷度降低，固-液界面推进受到溶质偏析的阻碍时，由于界面前方的过冷度较大，从侧壁上可能产生新的晶粒并继续长大，从前方横切溶质农化带，也能形成带状偏析2011年8月3日材料加工工程48带状偏析的形成不进与固液界面溶质富集而引起的过冷程度有关，而且受晶体成长速率变化的影响当固液界面前方有对流或搅拌时，由于溶质的均匀化，可阻止带状偏析的形成如果减少溶质的含量，采取孕育措施细化晶粒，加强固液界面前的对流和搅拌，都能够防止或减少带状偏析的形成减少带状偏析方法断口附近纵向截取面上可看到近中心区有明显的带状组织偏析。图中黑色条状即组织偏析区2011年8月3日材料加工工程49碳化物带状偏析是国产H13钢普遍存在的质量问题,其形成原因是由于碳和合金元素沿锻轧方向的偏析所引起。在钢锭冷却时,钢液中分配系数小于1的合金元素和杂质元素不断从树枝晶析出,因而这类元素在树枝晶间区域的浓度明显高于树枝晶内的浓度。由于这种微观结晶偏析,在枝晶间最后凝固的部分富集着碳和合金元素,凝固后形成大量的碳化物,在锻轧过程中它逐步沿热加工方向延伸成带状。碳化物带状偏析2011年8月3日材料加工工程50带状偏析对H13钢芯棒的使用性能有很大影响。由于带状组织相邻带的显微组织不同,淬回火后在带之间会产生应力集中。带状偏析的存在会造成钢材的冲击韧性,塑性和断裂韧性等降低,并具有明显的各向异性,而且碳化物集聚区域最易成为疲劳裂纹源。因此,对芯棒材料要严格控制碳化物带状偏析。碳化物带状偏析2011年8月3日材料加工工程51重力偏析在铸锭中经常发现底部和顶部存在着明显的成分差异。这除了是由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析外，在许多场合，是由于固、液两相之间或互不相溶的液相之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象而造成的，故称重力偏析。

重力偏析产生在铸件凝固之前或刚刚开始凝固之际。绝大多数的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要下沉，所谓的“结晶雨”即指此而言，从而使铸锭上部和下部的化学成分不同。例如Cu-Pb合金，由于铜和铅的密度相差较大，液体存在分层现象，上部含Cu多，下部含Pb多，在浇注前即使搅拌，凝固后的铸件也会产生重力偏析。2011年8月3日材料加工工程52重力偏析2011年8月3