第七章 铸件中的偏析

第七章铸件中的偏析第一页，共三十四页，2022年，8月28日b)宏观偏析：长程偏析或区域偏析，指铸件各部分之间化学成分的差异。a)微观偏析：短程偏析，指微小范围内化学成分不均匀的现象。一、偏析的分类1、根据偏析的范围分成分不均匀→组织上的差别→

冲击韧性和塑性↓铸件的热裂倾向性↑还可能使铸件难于加工。使铸件各部分的机械性能和物理性能产生很大的差异→影响铸件的使用寿命和工作效果。第二页，共三十四页，2022年，8月28日

2、按各部位的浓度Cs与Co的偏析情况分类：微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。第三页，共三十四页，2022年，8月28日二、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第四页，共三十四页，2022年，8月28日1.枝晶偏析的形成

（一）枝晶偏析原因：实际生产时，铸件凝固是非平衡结晶过程。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）。第五页，共三十四页，2022年，8月28日2.组元的分布规律：

②使金属熔点降低的组元富集在分枝外层或分枝间，甚至在分枝间出现不平衡第二相。铸件凝固后，各组元在枝干中心与其边缘之间的成分分布可近似地用Scheil方程式描述。①使金属熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上。③其他部位的成分介于两者之间。第六页，共三十四页，2022年，8月28日枝干中心仅6%分枝间最高为23%第七页，共三十四页，2022年，8月28日K0愈偏离1，Ds愈小，则枝晶偏析愈严重。考虑固相中有扩散：式中：第八页，共三十四页，2022年，8月28日3.枝晶偏析的表述法：越大，枝晶偏析越严重。(2)枝晶偏析度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⑶枝晶偏析比（1）偏析系数:第九页，共三十四页，2022年，8月28日4.影响枝晶偏析的因素：⑴K0偏离↑，Se、SR

↑，偏析严重。⑵Ds↓，Se、SR↑，偏析严重。⑶冷却速度V0：实际上是τ和S（枝晶间距的一半）⑷其他元素的存在5.枝晶偏析的消除：

退火：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。第十页，共三十四页，2022年，8月28日（二）晶界偏析晶粒中心只有不明显的负偏析（或正偏析），而晶界区域却显示出明显的正偏析（或负偏析），这种偏析称为晶界偏析。（1）晶界平行于生长方向：，图6-7晶粒平行于生长方向形成的晶界偏析1、晶界偏析的形成在液体与晶界交界处形成偏析（2）两个晶粒相对生长：最后凝固的晶界处

2、预防和消除：

与枝晶偏析相同。第十一页，共三十四页，2022年，8月28日图6-8晶粒相碰形成的晶界偏析第十二页，共三十四页，2022年，8月28日三、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型偏析带状偏析重力偏析第十三页，共三十四页，2022年，8月28日（一）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：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；密度差而发生对流；第十四页，共三十四页，2022年，8月28日2.当考虑到枝晶有液体流动时，枝晶的溶质分布：q>0：固液界面上固相的溶质浓度k0C0fs同号；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

第十五页，共三十四页，2022年，8月28日讨论：（1）q=1:此时--不存在宏观偏析（2）q<1

K0<1时→此时产生正偏析K0<1时→第十六页，共三十四页，2022年，8月28日讨论：（3)q>1此时

产生负偏析

K0<1时→第十七页，共三十四页，2022年，8月28日一、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。第十八页，共三十四页，2022年，8月28日C0k0C0startend图

单向凝固时铸件内溶质的分布

平衡凝固

固体无扩散而液体有扩散

固体无扩散而液体完全混合

固体有若干扩散而液体部分、混合

K0<1第十九页，共三十四页，2022年，8月28日①细等轴晶区结晶快，溶质来不及扩散，溶质浓度为C0②柱状晶区，凝固区域窄，凝固过程溶质不断被排斥，使其浓度逐渐升高。③当铸件中心部位的液体降至结晶温度时，生长出粗壮的等轴晶。含溶质浓度较高的液体被阻滞在柱状晶区和等轴晶区之间。该处C.S.P含量较高。④中心粗大等轴晶成分均匀，接近C0。（>C0）第二十页，共三十四页，2022年，8月28日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增大而增大。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。利用正常偏析，用“区熔法”，提纯金属。第二十一页，共三十四页，2022年，8月28日二、逆偏析k0<1的合金，结晶由外向内逐渐进行，但在表面层的一定范围内溶质的浓度分布却由外向内逐渐降低，称为逆偏析，或称反常偏析。常出现逆偏析的情况：结晶范围宽的固溶体合金;铸件缓慢冷却时逆偏析程度增加;枝晶粗大时易产生逆偏析;合金液含气量高时;第二十二页，共三十四页，2022年，8月28日影响因素：①固液两相区内液体在枝晶间流动：

②一次分枝长度③铸件凝固区域的宽度，凝固收缩以及合金在凝固过程中金属所受到的压力区域宽、收缩大、含气量高——促使逆偏析但有例外。第二十三页，共三十四页，2022年，8月28日（三）V型和逆V型偏析

在镇静钢锭中常常观察到V型和逆V型偏析带，其中富集C、S、P。图6-17所示。①铸锭凝固过程中，堆积层中央下部的晶体收缩下沉，而上部的晶体不能同时下沉，在堆积层中则产生V型裂缝，其中被富溶质的液体充填，形成V型偏析带。

②铸锭中央部分下沉同时，侧面向斜下方产生拉应力，而产生逆V型裂纹，其中被富集溶质的低熔点液体充填，形成逆V型偏析带。第二十四页，共三十四页，2022年，8月28日图6-17第二十五页，共三十四页，2022年，8月28日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。

V型、逆V型偏析机理未完全认清，有待进一步研究。第二十六页，共三十四页，2022年，8月28日（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”

第二十七页，共三十四页，2022年，8月28日⑴合金单向凝固，固液界面以平面向前推进：稳定生长阶段图6-21液相溶质量增加；固相溶质量减少。

则与上相反。由于生长速度的波动，在铸件中产生带状偏析。第二十八页，共三十四页，2022年，8月28日第二十九页，共三十四页，2022年，8月28日⑵当合金以枝晶方式生长时，铸件中存在固液两相区，液体可以沿枝晶流动V：液体沿μ方向的流动分速度；μ：等温线移动速度。当R变化，μ变化，q变化时：变化，而产生带状偏析。第三十页，共三十四页，2022年，8月28日（六）重力偏析由于固、液相之间或互不相溶的液相之间的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象而造成的偏析称重力偏析。如铸锭中经常发现底部和顶部存在着明显的成分差异。重力偏析产生在铸件凝固之前或刚刚开始凝固之际。第三十一页，共三十四页，2022年，8月28日①绝大多数的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要下沉，即产生所谓的“结晶雨”，从而使铸锭上部和下部的化学成分不同。Al—Cu4.5%沿水平方向单向凝固，