第15章凝固過程中的偏析15.1概述偏析Segregation

微觀和宏觀的化學(xué)成分不均勻分類微觀（短程）偏析、宏觀（長程）偏析；正偏析、負偏析。產(chǎn)生原因

近平衡條件下的溶質(zhì)再分配偏析對鑄件的影響

物理化學(xué)性能

力學(xué)性能

缺陷：熱裂、夾雜

工藝性能枝晶偏析（晶內(nèi)偏析）產(chǎn)生

有結(jié)晶溫度范圍，能夠形成固熔體的合金在偏離平衡條件下結(jié)晶原因固溶體類型合金在凝固時發(fā)生各組元原子在相內(nèi)和相間的擴散。這種擴散，特別是固相中的擴散極其緩慢。在合金凝固時，因冷卻速度快，固相中的溶質(zhì)還未充分擴散，液體溫度降低，固液界面向前推進，又結(jié)晶出新成分的晶粒外層，致使每個晶粒內(nèi)部的成分存在差異。15.2微觀偏析實例（Ni-Cu）規(guī)律：使合金熔點升高的組元富集在分枝中心和枝干上；使合金熔點降低的組元富集在分枝的外層或分枝間，甚至在分枝間出現(xiàn)不平衡第二相，其它部位的成分位于兩者之間。枝晶偏析區(qū)各組元的分布規(guī)律影響偏析程度的主要因素①溶質(zhì)元素的分配系數(shù)和擴散系數(shù)

偏析系數(shù)、偏析度和偏析比

②冷卻條件和枝晶間距冷卻速度對枝晶偏析的影響是通過τ和λ體現(xiàn)的。元素在鑄件中的枝晶偏析程度因其它元素存在而有相當(dāng)大的變化。枝晶偏析的消除枝晶偏析是近平衡凝固的結(jié)果，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，如能設(shè)法使溶質(zhì)原子進行充分擴散即能消除枝晶偏析，把鑄件加熱到低于固相線100～200℃，長期保溫，使溶質(zhì)原子充分擴散，則可減輕或消除枝晶偏析。胞狀偏析當(dāng)成分過冷較小時，晶體呈胞狀方式生長。胞狀結(jié)構(gòu)由一系列平行的棒狀晶體所組成，沿凝固方向長大，呈六方斷面，由于凝固過程中溶質(zhì)再分配，當(dāng)合金的分配系數(shù)小于1時，則在胞壁處將富集溶質(zhì)，用電子探針分析表明，有的金屬（k0＜1）在胞壁處溶質(zhì)濃度可比整體平均濃度大二個數(shù)量級。胞狀偏析由于胞體較小，即成分變化范圍較小，進行均勻化退火即可消除這種偏析。晶界偏析兩種情況（1）晶界位置與晶粒生長方向平行（2）兩個晶粒相對生長，相互接近危害

降低合金高溫性能

促進熱裂預(yù)防和消除

細化晶粒

均勻化退火（但有穩(wěn)定化合物無能為力）15.3宏觀偏析概念偏析規(guī)律與凝固過程相關(guān)其它途徑在鑄件凝固早期，固相或液相的沉??；在固液兩相區(qū)內(nèi)液體沿枝晶間流動。正常偏析與近平衡凝固過程中溶質(zhì)分配規(guī)律一致鑄件或鑄錠凝固時，由于型壁強烈地定向散熱，在進行凝固的合金內(nèi)形成一個溫度梯度，這時，凝固不是在整個截面同時進行，而是從與鑄型壁相接觸的外層先開始。正常偏析是由于合金中固溶體初晶析出后，在型壁形成沒有結(jié)晶游離的凝固殼并向鑄型中心單方向成長的結(jié)果。正常偏析與偏析系數(shù)（1-K0）分析第一種情況。取成分為C0的合金，在凝固過程中固相和液相中的溶質(zhì)都可以得到充分擴散，由于長時間的緩慢冷卻，可以達到平衡結(jié)晶的目的，這時從鑄棒的冷卻端開始到凝固終了端為止，溶質(zhì)的分布是均勻的，任何偏析都不會引起。第二種情況。固體內(nèi)溶質(zhì)無擴散或擴散不完全，而在液體內(nèi)有溶質(zhì)擴散，這時將在凝固過程引起偏析，其偏折程度將與固體內(nèi)溶質(zhì)的擴散情況和液體內(nèi)溶質(zhì)的移動程度有關(guān)。第三種情況。在固體內(nèi)沒有溶質(zhì)的擴散，而液體則得到完全的混合。各種情況（假定柱狀晶單向、平界面生長、無結(jié)晶游離）宏觀偏折與合金的凝固條件的關(guān)系鑄件斷面三個晶區(qū)的偏析：逆偏析概念

與正常偏析相反的溶質(zhì)分布（又稱為反常偏析）共同特點

結(jié)晶溫度范圍寬

緩慢冷卻

粗大樹枝晶

晶間壓力含4.7％銅的鋁合金鑄件斷面上產(chǎn)生逆偏析的情況形成原因

寬凝固溫度范圍的固溶體型合金在緩慢凝固的條件下，易形成粗大的樹枝晶，枝晶相互交錯，枝晶間富集著低熔點的物質(zhì)，當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時，低熔點溶質(zhì)將沿著樹枝狀晶向外移動。如果液態(tài)合金中溶解有較多的氣體，在凝固過程中將助長逆偏析的形成。第三組元對逆偏析傾向的影響

通過影響枝晶的形態(tài)和尺寸影響溶質(zhì)的分布當(dāng)合金結(jié)晶時，樹枝狀晶較大而且枝晶較長時，枝晶變得復(fù)雜，從固相排出的溶質(zhì)濃縮在枝晶之間，促進微觀偏析。鑄件收縮時，含溶質(zhì)高的液相容易沿著樹枝狀晶間的孔隙向激冷方向移動。如果樹枝狀晶短小，形態(tài)也變得簡單，從固相排出的溶質(zhì)也不易被枝晶間捕獲，枝晶間的通道也不易形成，逆偏析難以形成。

影響因素

結(jié)晶溫度范圍

樹枝晶的尺寸

冷卻條件

凝固過程液體金屬所受到的壓力3V形偏析和逆V形偏析現(xiàn)象

澆注大型鋼錠時，在鑄錠的斷面上出現(xiàn)的錐形偏析帶，偏析帶中含有較高的C、及P、S的雜質(zhì)。幾種理論

Нхенлзи．Ю．А周期凝固理論

大野脫落沉淀理論

鈴木密度理論

V型裂紋填充4帶狀偏析現(xiàn)象

鑄錠或厚壁鑄件當(dāng)中間斷續(xù)或連續(xù)的與凝固界面平行的偏析帶。產(chǎn)生機理

擴散速度低于凝固速度→溶質(zhì)富集→界面過冷度降低→界面停止推進→前方大過冷處優(yōu)先生長分枝→捕捉溶質(zhì)濃化液→形成新的平滑界面,并在前沿產(chǎn)生溶質(zhì)富集→重復(fù)前面過程→形成帶狀偏析。影響因素

偏析系數(shù)大

減少溶質(zhì)含量

孕育細化晶粒

加強固液界面對流和攪拌。5密度偏析產(chǎn)生

液固共存，或相