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1、第七章 铸件中的偏析,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。,偏析的分类,宏观偏析,微观偏析,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。,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。,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
2、式可分为：,胞状偏析枝晶偏析晶界偏析,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）。,2.组元的分布规律：,使金属熔点降低的组元富集在分枝外层或分枝间，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。,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。,枝干中心仅6%分枝间最高为 23%,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：,3
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,枝晶偏析比,（1）偏析系数:,4.影响枝晶偏析的因素：,K0偏离，Se、SR，偏析严重。,Ds，Se、SR，偏析严重。,冷却速度V0：实际上是 和 S（枝晶间距的一半）,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100200，长期保温，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,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
4、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。,图6-8晶粒相碰形成的晶界偏析,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,（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；,2.当考虑到枝晶有液体流动时，枝晶的溶质分布：,q0,：固液界面上固相的溶质浓度 k0 C0 f
5、s 同号；,：凝固收缩率,：等温线移动速度,V：液体沿方向的流动分速度,当合金一定时，CS*取决于 q，q取决于V/,讨论：,（1）q=1:,此时,-不存在宏观偏析,（2）q1,K01时,此时,产生正偏析,K01时,讨论：,（3)q1,此时,产生负偏析,K01时,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。k01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。,C0,k0C0,start,end,图 单向凝固时铸件内溶质
6、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,K01,细等轴晶区 结晶快，溶质来不及扩散，溶质浓度为C0 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。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。中心粗大等轴晶成分均匀，接近C0。（C0）,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
7、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。,二、逆偏析,k01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;,影响因素：,固液两相区内液体在枝晶间流动：,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。,（三）V型和逆V型偏析,在镇静钢锭中常常观察
8、到V型和逆V型偏析带，其中富集C、S、P。图6-17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。,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。,图6-17,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,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。,铸锭凝固初期：在铸锭下半部形成负偏析区
9、。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。,（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”,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。,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 方向的流动分速度；,：等温线移动速度。,当R变化，变化，q变化时：,变化，而产生带状偏析。,（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。,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。,AlCu 4.5%沿水平方向单向凝固，凝固界面前沿液相中Cu量高、密度大，向下流动产生偏析。图6-23,铸件在凝固过程中，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。（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：,
