第七章 铸件中的偏析

第七章 铸件中的偏析
铸件（ 铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析， 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 微观偏析 宏观偏析
一、偏析的分类 1、根据偏析的范围分
a)微观偏析：短程偏析， 微观偏析：短程偏析， 微观偏析 指微小范围内化学成分不均匀的现象。 指微小范围内化学成分不均匀的现象。
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 型和逆V
带状偏析 重力偏析
（一）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：
1、液态金属沿枝晶间流动的原因： 、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； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 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； 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； •密度差而发生对流 ； 密度差而发生对流
k 0：平衡分配系数
K0愈偏离1， Ds愈小，则枝晶偏析愈严重。
3.枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法
（1）偏析系数: 偏析系数: (2) 枝晶偏析度
1 − k0
越大，枝晶偏析越严重。 越大，枝晶偏析越严重。
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 ：
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
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 枝晶偏析 晶界偏析
（一）枝晶偏析
1.枝晶偏析的形成 枝晶偏析的形成 由于固溶体合金多按枝晶方式生长， 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， ）、分枝与分枝间的成分是不均匀的 （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）。 枝晶偏析（属晶内偏析）。 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。
•成分不均匀→组织上的差别→ 成分不均匀→组织上的差别→ 成分不均匀 •还可能使铸件难于加工。 还可能使铸件难于加工。 还可能使铸件难于加工 冲击韧性和塑性↓ 冲击韧性和塑性↓ 铸件的热裂倾向性↑ 铸件的热裂倾向性↑
b) 宏观偏析：长程偏析或区域偏析， 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。 分的差异。
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。 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： 按各部位的浓度Cs与Co的偏析情况分类： Cs 的偏析情况分类
CS > C 0 CS < C 0 ：正偏析 ：负偏析
C* ↓ S
一、正常偏析
当铸件（ ），固 当铸件（锭）凝固区域很窄时（逐层凝固），固 凝固区域很窄时（逐层凝固）， 溶体初生晶生长成紧密排列的柱状晶， 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， 是平滑的或为短锯齿形，枝晶间液体流动的作用 次要， 次要，宏观偏析的产生与结晶中的溶质再分配有 关。 的合金， k0<1的合金，铸件先凝固区域（铸件的外层） 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。（ 。（k 的溶质浓度低于后凝固区。（ 0>1的合金与之 的合金与之 相反）。按照结晶的规律（溶质再分配规律）， 相反）。按照结晶的规律（溶质再分配规律）， ）。按照结晶的规律 这是正常现象，故称为正常偏析。 这是正常现象，故称为正常偏析。
①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， 部的晶体不能同时下沉，在堆积层中则产生V型裂缝， 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。 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 铸锭中央部分下沉同时，侧面向斜下方产生拉应力， 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 生逆 型裂 其中被富集溶质的低熔点液体充填，形成逆 型偏析带。 型偏析带。
图6-17
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 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 沿枝晶上升。在其流经的区域， 而引起的 沿枝晶上升 断，形成沟槽。残余液体沿沟槽继续上升，产生逆V型偏析 形成沟槽。残余液体沿沟槽继续上升，产生逆 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， 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 型偏析的倾向 增加 型和逆V型偏析的倾向。 型和逆 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。 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。 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。 型偏析机理未完全认清，有待进一步研究。
5.枝晶偏析的消除： 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100～200℃，长期保温， 退火：把铸件加热到低于固相线100～200℃，长期保温， 100 使溶质原子充分扩散，则可减轻或消除枝晶偏析。 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
晶粒中心只有不明显的负偏析（或正偏析），而晶界区域 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 却显示出明显的正偏析（或负偏析），这种偏析称为晶界偏析 。
C max − C min Se = C0
⑶枝晶偏析比
枝晶中的最高溶质浓度 SR = 枝晶中的最低溶质浓度
4.影响枝晶偏析的因素： 影响枝晶偏析的因素： 影响枝晶偏析的因素
偏析严重。 ⑴ K0偏离↑，Se、SR ↑，偏析严重。 Se、 偏析严重。 ⑵ Ds ↓， Se、SR ↑，偏析严重。
冷却速度V 枝晶间距的一半） 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
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： 凝固区域较宽时，枝晶发达，枝晶偏析严重， 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。 逐层凝固时， 逐层凝固时，凝固前沿是平滑的或为短锯齿 ——正常偏析生长 正常偏析生长。 形。——正常偏析生长。 正常偏析随溶质偏析系数 1 − k 0 增大而增大。 增大而增大。 1 − k 0 较大，则凝固区域宽，倾向体积凝固，减 较大，则凝固区域宽，倾向体积凝固， 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， 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。 利用正常偏析， 利用正常偏析，用“区熔法”，提纯金属。 区熔法” 提纯金属。
β v =− u 1− β
（2）q<1 ）
v β >− u 1− β
此时 C S > C 0
<1时 K0<1时 →
C* ↑ S
产生正偏析
C* ↓ S
β v <− <1时 u 1 − β K0<1时 →
讨论： 讨论：
（3) q>1
v β <− u 1− β
此时
CS < C 0
<1时 K0<1时 → 产生负偏析
1、晶界偏析的形成 、
（1）晶界平行于生长方向： ）晶界平行于生长方向： 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 ，
2、预防和消除： 、预防和消除：
与枝晶偏析相同。 与枝晶偏析相同。
图6-7 晶粒平行于生长方向形成的晶界偏析
图6-8晶粒相碰形成的晶界偏析
二、逆偏析
k0<1的合金，结晶由外向内逐渐进行，但在表面层 <1的合金，结晶由外向内逐渐进行， 的合金 的一定范围内溶质的浓度分布却由外向内逐渐降低， 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。 为逆偏析，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 ; 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; 枝晶粗大时易产生逆偏析; 合金液含气量高时 ;
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 铸件凝固区域的宽度， 属所受到的压力区域宽、收缩大、含气量高——促使逆偏析 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。 但有例外。
型和逆V型偏析 （三）V型和逆 型偏析 型和逆 在镇静钢锭中常常观察到V型和逆 型偏析带， 型和逆V型偏析带 在镇静钢锭中常常观察到 型和逆 型偏析带， 其中富集C、 、 。 其中富集 、S、P。图6-17所示。
2.组元的分布规律： 组元的分布规律： 组元的分布规律
使金属熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上。 ① 使金属熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上。 使金属熔点降低的组元富集在分枝外层或分枝间， 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。 甚至在分枝间出现不平衡第二相。 其他部位的成分介于两者之间。 ③ 其他部位的成分介于两者之间。 铸件凝固后，各组元在枝干中心与其边缘之间的 铸件凝固后， 成分分布可近似地用Scheil方程式描述。 方程式描述。 成分分布可近似地用 方程式描述
平衡凝固 固体无扩散而液体有扩散 固体有若干扩散而液体部分、 固体有若干扩散而液体部分、混合 固体无扩散而液体完全混合
K0<1