凝固偏析
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枝晶偏析
fs C k0C0 1 1 αk0
* s
Shanghai University
α Ds τ / s
2
式中：Ds——溶质在固相中的扩散系数； τ——局部凝固时间； s——枝晶间距的一半； fs——固相分数； C0——原始浓度； k0——平衡分配系数。
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枝晶偏析——影响及解决措施
Shanghai University
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。把凝固后的工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 以减轻或者消除枝晶偏析。
Shanghai University
在实际生产条件下，保证凝固前沿为平 界面是困难的，往往存在固液两相区。此时， 铸件产生宏观偏析的途径有如下几种：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；3）溶质的 再分配。
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稳定胞晶和失稳的胞晶
200 m
Stable Cell
Perturbed Cell
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Shanghai University
凝固枝晶立体形貌
上大冶金 先进凝固技术中心 www.cast.shu.edu.cn 13
枝晶偏析
Shanghai University
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枝晶偏析——影响及解决措施
Shanghai University
在进行均匀化退火时，退火温度不可超过固相 线温度，否则，会发生晶界熔化（过烧现象），损 坏凝固工件的性能。晶内偏析完全消除后，机械性 能则明显提高。 在某些情况下，合金的晶内偏析也有它有益的 一面。例如，作为轴承合金的锡青铜，由于晶内偏
枝晶偏析
Shanghai University
枝晶偏析的大小也可以用枝晶偏析比SR衡 量，如下：
枝晶中的最高溶度 SR 枝晶中的最低溶度
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枝晶偏析
Shanghai University
冷却速度对枝晶偏析的影响是通过局部凝固时
间τ和枝晶间距的一半s体现的。通常情况下，即便
冷却速度很小，SR仍旧大于1，表明铸锭中仍存在枝
晶偏析，而且随冷却速度的增大而增大。但当冷却
速度增大到某一数值后，再继续增加冷却速度，枝
晶偏析程度减轻。甚至当冷却速度增大到某一临界
值（106-108℃/s）时，不仅固相的扩散不能进行，
液相中的扩散也被抑制，反而得到成分均匀的非晶
在合金结晶时，因冷却速度块，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，分
枝本身（内外层）、分枝与分枝之间的成分
是不均匀的，故也称枝晶偏析。
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Shanghai University
微观偏析可以通过热处理（高温退火） 消除，而宏观偏析难以消除。大变形塑性加
工可以起到一些作用，但是也是很困难的。
从目前工业发展水平看，普通铸件对偏
析要求不是很高（特殊成分、条件下使用的
铸件除外），而连铸工业中对偏析的控制已
经成为当今连铸的热点和难点课题。
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析而具有良好的耐磨性。
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晶界偏析
Shanghai University
在不少情况下，晶粒中心只有不甚明显 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。
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包晶反应产生偏析示意图
Shanghai University
上大冶金 先进凝固技术中心 9 www.cast.shu.edu.cn
第一节 微观偏析
Shanghai University
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶 偏析和晶界偏析。他们的表现形式虽然不同， 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。
宏观偏析对凝固工件的影响
宏观偏析使凝固工件各部分的力学性能和物理性能产生 很大差异，影响铸件的使用寿命和工作效果。例如，铅青 铜容易产生宏观偏析，铅的不均匀性分布使其耐磨性能变
坏，锡青铜铸件的表面含Sn量有时较高，使切削加工性能
变坏。铸钢锭的中心和上部碳、硫、磷的含量往往较高。 硫偏析破坏了金属的连续性，锻造时容易引起钢坯的热脆， 也是零件疲劳破坏的主要原因；磷偏析使铸件产生冷脆性 和回火脆性。在空气中或在腐蚀性介质中工作的铸件，偏
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枝晶偏析
fs C k0C0 1 1 αk0
* s
Shanghai University
α Ds τ / s
2
由上式可知，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τ和枝 晶间距s。 各种元素在不同合金中的分配系数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越大，或扩散系数Ds越小，则枝晶偏析 越严重。因此，可以用︱1－k0︱ 定性地衡量枝晶偏析 的程度。 ︱1－k0︱ 越大，则枝晶偏析越严重， ︱1－ k0︱ 称为偏析系数。在Fe中，S、P、C是最容易产生枝 上大冶金 先进凝固技术中心 www.cast.shu.edu.cn 19 晶偏析的元素。
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引言
Shanghai University
偏析可以根据凝固工件各部位的溶质浓度Cs与
合金原始平均浓度C0的偏离情况分类。凡Cs＞
C0者，称为正偏析，Cs＜ C0者，称为负偏析。
这种分类不仅适应于微观偏析也适应于宏观偏
析。
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枝晶偏析
Shanghai University
在枝晶偏析区，各组元的分布规律是，使合金 熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上；使合金
熔点降低的组元富集在分枝的外层或分枝间，甚至
在分枝间出现不平衡第二相，其它部位的成分介于 二者之间。
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枝晶偏析
Shanghai University
研究表明，金属以枝晶方式生长时，虽然分枝 的伸展和继续分枝进行得很快，但在整个晶体中90
％以上的金属是以充填分枝间的方式凝固（即分枝
的侧面生长）。分枝的侧面生长往往采用平面生长
方式。当考虑固相中有扩散，液向均匀混合时，固
液界面上固相的溶质浓度Cs*与固相分数fs的关系可 以用下式描述：
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枝晶偏析——影响及解决措施
Shanghai University
均匀化退火的时间取决于枝晶间距和扩散系数。
枝晶间距越小，均匀化退火时原子扩散路程越短，
故均匀化时间越短。因此，凡能细化枝晶的各种工 艺措施均有利于以后的均匀化退火。偏析元素的扩 散系数越大，在其它条件相同时，均匀化退火时间 越短。
2
引言
Shanghai University
在铸造条件下，获得化学成分完全均匀的铸件
（锭）是十分困难的，铸件（铸锭）中化学成
分不均匀的现象称为偏析。
偏析分为微观偏析和宏观偏析两大类。微观偏
析又称为短程偏析，是指微小范围内的化学成
分不均匀现象；宏观偏析又称长程偏析或区域
偏析，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。
Shanghai University
微观偏析对凝固工件的影响
微观偏析对铸件力学性能的影响是明显的。由
于成分不均匀造成组织上的差别，导致凝固件
的冲击韧性和塑性下降，增加凝固件的热裂倾
向性，有时还增加凝固工件的机械加工难度。
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Shanghai University
晶界偏析
Shanghai University
200 m
SCN-4%wt.% ACT
工件在凝固过程中在以下几种情况下将产生晶
界偏析：1）如果晶界平行于生长方向，由于表面张
力平衡条件的要求，在液体与晶界处出现凹槽。此
处有利于溶质原子的富集，形成晶界偏析。实验证 明，这种偏析多产生与以胞状界面生长的情况，当 熔体以枝晶方式生长时，情况较为复杂。 上大冶金 先进凝固技术中心 www.cast.shu.edu.cn 28
枝晶偏析
如下：
Cmax Cmin Se C0
Shanghai University
枝晶偏析的大小也可以用枝晶偏析度Se衡量，
式中，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。
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析部位更容易遭受腐蚀破坏。
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Shanghai University
偏析的影响及其利弊利用
通常而言，偏析是铸件的主要缺陷之一，认识偏
析的形成规律，对于防止偏析的产生，寻求消除
偏析的工艺措施，改善铸件凝固组织，提高铸件
性能具有重要意义。
态组织。
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枝晶偏析——元素相互影响
Shanghai University
某元素在凝固工件中的枝晶偏析程度因其它元 素存在而有相当大的变化。如S、P在碳钢中的枝晶 偏析跟碳含量有关。随着碳含量的增加，S、P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S、P在钢中的分配系数和扩散系数的缘故。
晶界偏析
Shanghai University
2）两个或者多个晶粒相对生长，彼此相遇，
在固液界面上溶质被排出（k0＜1）。这样，在 最后凝固的界面处将堆积较多的溶质和其它的低
熔点物质。
晶界偏析的预防和消除方法跟枝晶偏析相同。
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第二节 宏wenku.baidu.com偏析
固溶体类型的合金在结晶时发生各组元 原子在相内和相间的扩散。这种扩散，特别 是固相中的扩散极其缓慢。由于溶质原子的 扩散系数只是热扩散率的10-3-10-5，因此在实 际生产条件下，凝固是非平衡结晶过程。
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枝晶偏析
Shanghai University
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Shanghai University
枝晶和胞晶
200 m
SCN-5.6wt.% H2O
NH4Cl-70wt.% H2O
SCN-4%wt.% ACT
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Shanghai University
但偏析也有有益的一面，利用偏析现象可以实现
净化或者提纯金属的目的。通过控制铸件的凝固
过程，使有害的杂质偏析到指定部位而将其除去。
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举例：包晶反应产生偏析原因
Shanghai University
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Shanghai University
凝固偏析
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1
第六章---凝固偏析
第一节 微观偏析 第二节 宏观偏析
Shanghai University
第三节 改善宏观偏析的工艺措施
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枝晶偏析
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2
式中：Ds——溶质在固相中的扩散系数； τ——局部凝固时间； s——枝晶间距的一半； fs——固相分数； C0——原始浓度； k0——平衡分配系数。
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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。把凝固后的工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 以减轻或者消除枝晶偏析。
Shanghai University
在实际生产条件下，保证凝固前沿为平 界面是困难的，往往存在固液两相区。此时， 铸件产生宏观偏析的途径有如下几种：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；3）溶质的 再分配。
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枝晶偏析——影响及解决措施
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在进行均匀化退火时，退火温度不可超过固相 线温度，否则，会发生晶界熔化（过烧现象），损 坏凝固工件的性能。晶内偏析完全消除后，机械性 能则明显提高。 在某些情况下，合金的晶内偏析也有它有益的 一面。例如，作为轴承合金的锡青铜，由于晶内偏
枝晶偏析
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枝晶偏析的大小也可以用枝晶偏析比SR衡 量，如下：
枝晶中的最高溶度 SR 枝晶中的最低溶度
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冷却速度对枝晶偏析的影响是通过局部凝固时
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冷却速度很小，SR仍旧大于1，表明铸锭中仍存在枝
晶偏析，而且随冷却速度的增大而增大。但当冷却
速度增大到某一数值后，再继续增加冷却速度，枝
晶偏析程度减轻。甚至当冷却速度增大到某一临界
值（106-108℃/s）时，不仅固相的扩散不能进行，
液相中的扩散也被抑制，反而得到成分均匀的非晶
在合金结晶时，因冷却速度块，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，分
枝本身（内外层）、分枝与分枝之间的成分
是不均匀的，故也称枝晶偏析。
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微观偏析可以通过热处理（高温退火） 消除，而宏观偏析难以消除。大变形塑性加
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从目前工业发展水平看，普通铸件对偏
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铸件除外），而连铸工业中对偏析的控制已
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晶界偏析
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在不少情况下，晶粒中心只有不甚明显 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。
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包晶反应产生偏析示意图
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第一节 微观偏析
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微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶 偏析和晶界偏析。他们的表现形式虽然不同， 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。
宏观偏析对凝固工件的影响
宏观偏析使凝固工件各部分的力学性能和物理性能产生 很大差异，影响铸件的使用寿命和工作效果。例如，铅青 铜容易产生宏观偏析，铅的不均匀性分布使其耐磨性能变
坏，锡青铜铸件的表面含Sn量有时较高，使切削加工性能
变坏。铸钢锭的中心和上部碳、硫、磷的含量往往较高。 硫偏析破坏了金属的连续性，锻造时容易引起钢坯的热脆， 也是零件疲劳破坏的主要原因；磷偏析使铸件产生冷脆性 和回火脆性。在空气中或在腐蚀性介质中工作的铸件，偏
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fs C k0C0 1 1 αk0
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2
由上式可知，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τ和枝 晶间距s。 各种元素在不同合金中的分配系数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越大，或扩散系数Ds越小，则枝晶偏析 越严重。因此，可以用︱1－k0︱ 定性地衡量枝晶偏析 的程度。 ︱1－k0︱ 越大，则枝晶偏析越严重， ︱1－ k0︱ 称为偏析系数。在Fe中，S、P、C是最容易产生枝 上大冶金 先进凝固技术中心 www.cast.shu.edu.cn 19 晶偏析的元素。
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引言
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偏析可以根据凝固工件各部位的溶质浓度Cs与
合金原始平均浓度C0的偏离情况分类。凡Cs＞
C0者，称为正偏析，Cs＜ C0者，称为负偏析。
这种分类不仅适应于微观偏析也适应于宏观偏
析。
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枝晶偏析
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在枝晶偏析区，各组元的分布规律是，使合金 熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上；使合金
熔点降低的组元富集在分枝的外层或分枝间，甚至
在分枝间出现不平衡第二相，其它部位的成分介于 二者之间。
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枝晶偏析
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研究表明，金属以枝晶方式生长时，虽然分枝 的伸展和继续分枝进行得很快，但在整个晶体中90
％以上的金属是以充填分枝间的方式凝固（即分枝
的侧面生长）。分枝的侧面生长往往采用平面生长
方式。当考虑固相中有扩散，液向均匀混合时，固
液界面上固相的溶质浓度Cs*与固相分数fs的关系可 以用下式描述：
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枝晶偏析——影响及解决措施
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均匀化退火的时间取决于枝晶间距和扩散系数。
枝晶间距越小，均匀化退火时原子扩散路程越短，
故均匀化时间越短。因此，凡能细化枝晶的各种工 艺措施均有利于以后的均匀化退火。偏析元素的扩 散系数越大，在其它条件相同时，均匀化退火时间 越短。
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引言
Shanghai University
在铸造条件下，获得化学成分完全均匀的铸件
（锭）是十分困难的，铸件（铸锭）中化学成
分不均匀的现象称为偏析。
偏析分为微观偏析和宏观偏析两大类。微观偏
析又称为短程偏析，是指微小范围内的化学成
分不均匀现象；宏观偏析又称长程偏析或区域
偏析，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。
Shanghai University
微观偏析对凝固工件的影响
微观偏析对铸件力学性能的影响是明显的。由
于成分不均匀造成组织上的差别，导致凝固件
的冲击韧性和塑性下降，增加凝固件的热裂倾
向性，有时还增加凝固工件的机械加工难度。
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晶界偏析
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SCN-4%wt.% ACT
工件在凝固过程中在以下几种情况下将产生晶
界偏析：1）如果晶界平行于生长方向，由于表面张
力平衡条件的要求，在液体与晶界处出现凹槽。此
处有利于溶质原子的富集，形成晶界偏析。实验证 明，这种偏析多产生与以胞状界面生长的情况，当 熔体以枝晶方式生长时，情况较为复杂。 上大冶金 先进凝固技术中心 www.cast.shu.edu.cn 28
枝晶偏析
如下：
Cmax Cmin Se C0
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枝晶偏析的大小也可以用枝晶偏析度Se衡量，
式中，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。
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偏析的影响及其利弊利用
通常而言，偏析是铸件的主要缺陷之一，认识偏
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枝晶偏析——元素相互影响
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某元素在凝固工件中的枝晶偏析程度因其它元 素存在而有相当大的变化。如S、P在碳钢中的枝晶 偏析跟碳含量有关。随着碳含量的增加，S、P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S、P在钢中的分配系数和扩散系数的缘故。
晶界偏析
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熔点物质。
晶界偏析的预防和消除方法跟枝晶偏析相同。
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第二节 宏wenku.baidu.com偏析
固溶体类型的合金在结晶时发生各组元 原子在相内和相间的扩散。这种扩散，特别 是固相中的扩散极其缓慢。由于溶质原子的 扩散系数只是热扩散率的10-3-10-5，因此在实 际生产条件下，凝固是非平衡结晶过程。
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但偏析也有有益的一面，利用偏析现象可以实现
净化或者提纯金属的目的。通过控制铸件的凝固
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