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1、第七章第七章 铸件中的偏析铸件中的偏析 铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析，铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析，是铸件的主要缺陷之一。是铸件的主要缺陷之一。偏析的分类偏析的分类宏观偏析宏观偏析微观偏析微观偏析b)宏观宏观偏析：偏析：长程偏析或区域长程偏析或区域偏析，偏析，指铸件各部分之间化学成指铸件各部分之间化学成分的差异。分的差异。a)微观微观偏析：偏析：短程短程偏析，偏析，指指微小范围内微小范围内化学成分不均匀化学成分不均匀的的现象。现象。一、偏析的分类一、偏析的分类1 1、根据偏析的范围分、根据偏析的范围分成分不均匀成分不均匀组织上的差别组织上的差别 冲击韧性和塑性冲击韧性和
2、塑性铸件的热裂倾向性铸件的热裂倾向性还可能使铸件难于加工。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。影响铸件的使用寿命和工作效果。2 2、按、按各部位的浓度各部位的浓度CsCs与与CoCo的偏析情况分类：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。微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。二、微观偏析二、微观偏析 微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的必然结果。必然结果。按其形式可分为：按其形式可分为：胞状偏析胞状偏析枝晶偏析枝晶偏析晶界偏析晶界偏析
3、1.枝枝晶偏析晶偏析的形成的形成 （一）枝晶偏析（一）枝晶偏析原因：原因：实际生产时，铸件凝固是非平衡结晶过程。实际生产时，铸件凝固是非平衡结晶过程。由于由于固溶体合金多按枝晶方式生长，固溶体合金多按枝晶方式生长，分枝本身分枝本身（内外层）、分枝与分枝间的成分是（内外层）、分枝与分枝间的成分是不均匀不均匀的的，称，称枝晶偏析（属晶内偏析枝晶偏析（属晶内偏析）。）。2.组组元的分布规律：元的分布规律：使金属熔点降低的组元富集在分枝外层或分枝间，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。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铸件凝固
4、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成分分布可近似地用Scheil方程式描述。方程式描述。使金属熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上。使金属熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上。其他部位的成分介于两者之间。其他部位的成分介于两者之间。枝干中心仅枝干中心仅6%6%分枝间最高为分枝间最高为 23%23%K0愈偏离1，Ds愈小，则枝晶偏析愈严重。考虑考虑固相中有扩散：固相中有扩散：式式中：中：3.枝晶偏析的表述法：枝晶偏析的表述法：越大，枝晶偏析越严重。越大，枝晶偏析越严重。(2)(2)枝枝晶偏析度晶偏析度Cmax：某某组组元在枝晶偏析区内的最高元在枝晶偏析区内的最高浓浓度度Cmin
5、：某某组组元在枝晶偏析区内的最低元在枝晶偏析区内的最低浓浓度度C0：某某组组元的原始平均元的原始平均浓浓度度枝晶偏析比枝晶偏析比（1 1）偏析系数）偏析系数:4.影响枝晶偏析的因素：影响枝晶偏析的因素：K0偏离偏离，Se、SR，偏析严重。，偏析严重。Ds Ds，SeSe、S SR R ，偏析严重。，偏析严重。冷却速度冷却速度V V0 0：实际上是：实际上是 和和 S S（枝晶间距的一半）（枝晶间距的一半）其他其他元素的存在元素的存在5.枝晶偏析的消除：枝晶偏析的消除：退火：把铸件加热到低于固相线退火：把铸件加热到低于固相线100100200200，长期保温，长期保温，使溶质原子充分扩散，则可减
6、轻或消除枝晶偏析。使溶质原子充分扩散，则可减轻或消除枝晶偏析。（二）晶界偏析（二）晶界偏析 晶粒晶粒中心只有不明显的负偏析（中心只有不明显的负偏析（或正偏析），或正偏析），而晶界区域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）晶界平行于生长方向：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、晶界偏析的形成在液体与晶界交界处形成偏析在液体与晶界交界处形成偏析（2）两个晶粒相对生长：）两个晶粒相对生长：最后凝固的晶界处最后凝固的晶界处 2、预防和消除：、预防和消除：与枝晶偏析相
7、同。与枝晶偏析相同。图6-8晶粒相碰形成的晶界偏析三、宏观三、宏观偏析偏析枝晶间的流动对宏观偏析的影响枝晶间的流动对宏观偏析的影响 正常偏析正常偏析逆偏析逆偏析 V V型和逆型和逆V V型偏析型偏析 带状偏析带状偏析重力偏析重力偏析（一）枝（一）枝晶间的流动对宏观偏析的影响：晶间的流动对宏观偏析的影响：1、液态金属、液态金属沿枝晶间流动的原因：沿枝晶间流动的原因：熔体本身的流动驱使两相区的熔体本身的流动驱使两相区的液体流动；液体流动；凝固凝固收缩的抽吸作用促使收缩的抽吸作用促使液体流动；液体流动；密度差密度差而发生对流而发生对流 ；2.当当考虑到枝晶有液体流动时，枝晶的溶质分布：考虑到枝晶有液
8、体流动时，枝晶的溶质分布：q0：固液界面上固相的溶质浓度：固液界面上固相的溶质浓度 k k0 0 C C0 0 f fs s 同号；同号；：凝固收缩率凝固收缩率：等温线移动速度等温线移动速度V：液体液体沿沿方向的流动分速度方向的流动分速度当合金一定当合金一定时，时，C CS S*取决于取决于 q q，q q取决于取决于V/V/讨论：讨论：（1）q=1:此时此时 -不不存在宏观偏析存在宏观偏析 （2）q1 K K0 011时时 此时此时 产生正偏析产生正偏析 K K0 011 3)q1 此时此时 产生负偏析产生负偏析 K K0 011时时 一、正一、正常偏析常偏析n当铸件（锭）凝固区域很窄时（逐
9、层凝固），固当铸件（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次要，宏观偏析的产生与结晶中的溶质再分配有关。关。n k k0 01的合金与之相的合金与之相反）。按照结晶的规律（溶质再分配规律），这反）。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。是正常现象，故称为正常偏析。C0k0C0startend图图 单单向凝固向凝固时铸时铸件内溶件内溶质质的分布的分布 平衡凝固平衡凝固
10、 固体无固体无扩扩散而液体有散而液体有扩扩散散 固体无固体无扩扩散而液体完全混合散而液体完全混合 固体有若干固体有若干扩扩散而液体部分、混合散而液体部分、混合 K0C0C0）n宏观偏析与铸件的凝固特点有关：宏观偏析与铸件的凝固特点有关：n凝固区域较宽时，枝晶发达，枝晶偏析严重，正凝固区域较宽时，枝晶发达，枝晶偏析严重，正常偏析减轻。常偏析减轻。n逐层凝固时，凝固前沿是平滑的或为短锯齿形。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。正常偏析生长。n正常偏析随溶质偏析系数正常偏析随溶质偏析系数 增大而增大。增大而增大。n 较大，则凝固区域宽，倾向体积凝固，减较大，则凝固区域宽，倾向体积
11、凝固，减轻正常偏析或无正常偏析轻正常偏析或无正常偏析n正常偏析的存在使铸件性能不均匀，难以消除，正常偏析的存在使铸件性能不均匀，难以消除，应加以控制。应加以控制。n利用正常偏析，用利用正常偏析，用“区熔法区熔法”，提纯金属。，提纯金属。二、逆二、逆偏析偏析 k k0 011的合金，结晶由外向内逐渐进行，但在表面层的合金，结晶由外向内逐渐进行，但在表面层的的一定范围内溶质的浓度分布却由外向内逐渐降低，称为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。逆偏析，或称反常偏析。常出现逆偏析的情况：常出现逆偏析的情况：结晶范围宽的固溶体合金结晶范围宽的固溶体合金;铸件缓慢冷却时逆
12、偏析程度增加铸件缓慢冷却时逆偏析程度增加;枝晶粗大时易产生枝晶粗大时易产生逆偏析逆偏析;合金液含气量高时合金液含气量高时;影响因素影响因素：固液两相区内液体在枝晶间固液两相区内液体在枝晶间流动：流动：一次分枝长度一次分枝长度铸件凝固区域的宽度，凝固收缩以及合金在凝固过程中金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、含气量高属所受到的压力区域宽、收缩大、含气量高促使逆偏析促使逆偏析但有例外。但有例外。（三）（三）V型和逆型和逆V型偏析型偏析 在在镇静钢锭中常常观察到镇静钢锭中常常观察到V型和逆型和逆V型偏析带，型偏析带，其中富集其中富集C、S、P。图6-17
13、所示。铸锭凝固过程中，堆积层中央下部的晶体收缩下沉，而上铸锭凝固过程中，堆积层中央下部的晶体收缩下沉，而上部部的晶体不能的晶体不能同时下沉，在堆积层中则产生同时下沉，在堆积层中则产生V V型裂缝，其中被型裂缝，其中被富溶质的富溶质的液体充填液体充填，形成，形成V V型偏析带。型偏析带。铸锭中央部分下沉同时，侧面向斜下方产生拉应力，而产铸锭中央部分下沉同时，侧面向斜下方产生拉应力，而产生逆生逆V型裂型裂 纹纹，其中被富集溶质的低熔点液体充填，形成逆，其中被富集溶质的低熔点液体充填，形成逆V型偏析型偏析带。带。图6-17逆逆V型偏析是由于密度小的溶质浓化液在固液两相型偏析是由于密度小的溶质浓化液在
14、固液两相区上升区上升 而引起的而引起的沿枝晶上升。在其流经的区域，枝晶沿枝晶上升。在其流经的区域，枝晶发生熔发生熔 断断，形成，形成沟槽。残余沟槽。残余液体沿沟槽继续上升，产生逆液体沿沟槽继续上升，产生逆V型偏析型偏析 冷速降低，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动阻力冷速降低，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动阻力减小，减小，增加增加V型和逆型和逆V型偏析的倾向。型偏析的倾向。铸锭铸锭凝固初期：在凝固初期：在铸锭下半部形成负偏析区。铸锭下半部形成负偏析区。而而铸锭的上半部则形成正偏析区。铸锭的上半部则形成正偏析区。V V型、逆型、逆V V型偏析机理未完全认清，有待进一步研究。型偏析机理未完全认清，有待进一
15、步研究。（五）带状（五）带状偏析：偏析：铸锭铸锭中有时会见到一种垂直于等温面推移方向的偏中有时会见到一种垂直于等温面推移方向的偏析带，被称为析带，被称为“带状偏析带状偏析”合金单向凝固，固液界面以平面向前推进：合金单向凝固，固液界面以平面向前推进：稳稳定生定生长阶长阶段段图图6-21液液相溶相溶质质量增加；固相溶量增加；固相溶质质量减少。量减少。则则与上与上相反。相反。由于生长速度的波动，在铸件中产生带状偏析。由于生长速度的波动，在铸件中产生带状偏析。当当合金以枝晶方式生长时，铸件中存在固液两相区，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液体可以沿枝晶流动 V：液体沿液体
16、沿 方向方向的流动分速度；的流动分速度；：等温线：等温线移动速度。移动速度。当当R变变化化，变化，变化，q变化时：变化时：变变化，而化，而产产生生带带状偏析。状偏析。（六）重力偏析（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。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。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。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
17、较液相大，所以初生晶总要绝大多数的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要 下沉，即产生所谓的下沉，即产生所谓的“结晶雨结晶雨”，从而使铸锭上部，从而使铸锭上部和下部和下部 的化学成分不同。的化学成分不同。AlAlCu 4.5%Cu 4.5%沿水平方向单向凝固，凝固界面前沿沿水平方向单向凝固，凝固界面前沿液相中液相中CuCu量高、密度大，向下流动产生偏析。图量高、密度大，向下流动产生偏析。图6-236-23 铸件铸件在凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，在凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，在重力作用下发生流动，也形成重力偏析。在重力作用下发生流动，也形成重力偏析。（水平单向凝固（水平单向凝固）图6-23 Al-Cu4.5%合金铸件水平定向凝固的宏观偏析防止、减轻重力偏析的方法：防止、减轻重力偏析的方法：