化学成分的不均匀性
偏析的分类
2011年8月3日
材料加工工程
6
• 在实际铸造条件下，由于冷却速度快，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，先结晶的枝干和后结晶的分枝 的成分也存在差异，而且分枝本身(内外层)、分枝与分枝间的 成分是不均匀的，故也称枝晶偏析。
1.00～ 8.0
偏析系数|1－ k0|
0.94
0.90
0.87
0.74
0.62
0.53
0.51
0.86
0.65
0.35
0.34
2011年8月3日
材料加工工程
11
枝晶偏析
枝晶偏析的大小可用 枝晶偏析度Se
Se Cmax Cmin C0
枝晶偏析比SR
枝晶中最高溶质浓度 SR 枝晶中最低溶质浓度
2011年8月3日
材料加工工程
8
枝晶偏析
枝晶偏析的描述：
当不考虑固相中的扩散 时，用Scheil方程式描述：
CS k0C0 (1 fS )k0 1
应该指出的是，Scheil方程是在 假定固相没有溶质扩散的条件下导出的 ，是一种极端情况。实际上，特别是在 高熔点合金中，如碳、氮这些原子半径 较小的元素在奥氏体中扩散往往是不可 忽视的。
两种：
微观偏析——晶粒尺寸范围（包括晶界）里的化学成分不均匀 现象。
宏观偏析——铸坯整个断面上化学成分不均匀现象。
偏析的分类
微观偏析 ：晶内偏析（枝晶偏析），晶界偏析
宏观偏析 ：正偏析，逆偏析，V型偏析和逆V型偏析，
固溶体偏析的原因
固溶体偏析的原因1.引言1.1 概述固溶体偏析是一种常见的现象，指的是在固溶体中某些成分的含量在晶体内部不均匀分布的情况。
尽管固溶体在外观上看起来均匀无缺，然而实际上它们可能在微观层面上存在着不均匀的化学成分。
固溶体是由两种或更多种不同的物质混合而成的固体，其中一种物质被称为溶质，另一种物质被称为基质。
在理想的固溶体中，溶质是均匀地分布在基质中的，并且没有任何区域出现不均匀性。
然而，在一些情况下，由于各种原因，固溶体中的溶质无法实现完全均匀的分布，出现了固溶体偏析现象。
固溶体偏析可以由多种原因引起。
首先，化学成分的不均匀分布可能是固溶体偏析的一个主要原因。
当固溶体中的溶质在晶体生长过程中无法均匀地分布时，就会产生偏析现象。
这可能是由于不同成分在晶格中的溶解度不同，或者是由于外部条件（如温度和压力）的变化导致了溶质的不均匀分布。
其次，温度梯度也是导致固溶体偏析的常见原因之一。
当固溶体处于温度梯度环境中时，温度的差异会导致溶质在晶体内部的分布出现不均匀性。
高温区域中的溶质更容易溶解，而低温区域中的溶质则相对不易溶解，从而形成不均匀的分布。
总之，固溶体偏析是由于化学成分的不均匀分布和温度梯度的存在而引起的。
深入了解固溶体偏析的原因对于我们理解和控制固溶体的性质和行为至关重要。
通过采取适当的应对措施，如调整合金成分和控制生产工艺，我们可以尽量减少固溶体偏析的发生，从而提高材料的性能和质量。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以描述文章的组织和安排，以引导读者了解文章的结构和流程。
以下是一个可能的内容示例：1.2 文章结构本文主要通过以下几个部分来探讨固溶体偏析的原因：2. 正文部分：a. 固溶体偏析的定义和背景：在此部分，我们将介绍固溶体偏析的概念和相关背景知识，包括什么是固溶体偏析以及其在材料科学和工程中的重要性。
b. 固溶体偏析的原因：在本节中，我们将详细探讨固溶体偏析的两个主要原因，包括化学成分不均匀分布和温度梯度引起的偏析。
焊接熔合区的组织与性能的不均匀性
焊接熔合区的组织与性能的不均匀性熔合区的成分不均匀性，必然会导致金属组织和性能的不均匀性。
其不良影响的严重程度，一方面同成分不均匀性的沿着沉甸甸有关；另一方面在很大程度上又与母材金属A（或B）同焊缝金属D各组成元素间相互作用的性质有关。
以奥氏体填充材料焊接碳钢-奥氏体不锈钢焊接接头为例：此时在碳钢一侧熔合区如果生产了严重的不均匀搅拌层，则出现Ni、Cr含量低于奥氏体不锈钢而高于碳钢的水平，其碳含量又接近于碳钢水平的特殊成分带，因此不可避免的要出现淬硬的马氏体组织。
这种焊接接头的组织按以下组织形式出现：奥氏体不锈钢一侧焊缝和焊缝金属为奥氏体组织；碳钢一侧焊缝的熔合区有可能出现马氏体组织；而在奥氏体不锈钢焊接热影响区，会出现晶粒长大；在碳钢的焊接热影响区，也可能出现淬硬组织。
这样，在奥氏体填充材料焊接碳钢-奥氏体不锈钢焊接接头就形成了十分复杂的不均匀组织，而其性能，自然也包括力学性能也是十分复杂和不均匀的。
焊接熔合区固、液相间化学成分不均匀性。
通常，被焊的两异种材料的成分差异与得到的，则焊缝金属与焊缝两侧或焊缝一侧母材金属的成分差异也愈大。
另外，即使是焊缝金属同母材金属之间的某元素的含量相同，焊缝金属同母材金属之间也就形成一种异种材料的连接副。
焊接过程中，一侧是固态的A（或B）母材金属，一侧是D成分的液态焊接熔池。
即使某元素在熔池中的含量与某侧母材中的含量相等，但由于该元素在固、液共存条件下，在固、液相界面两侧的含量也不会不同。
一般来说，将是液相（即熔池）含量高，固相（即母材）含量低，而在熔合线两侧出现化学成分的不均匀性。
相反，对于焊接熔池含有某元素，而母材没有时，一般来说，也会由于扩散使母材在熔合线附近会溶入这种元素，而降低熔合线两侧化学成分的不均匀性。
如图8-3所示，微信公众号：hcsteel在焊接熔池的高温下，D 元素将从熔池向母材A（或B）发生扩散（包括某些情况下的上坡披散），由D进入A（或B）扩散进入D的元素则由于液体的流动而均匀化，并不影响该局部的焊缝金属成分，焊缝一侧（或两侧）的不均匀性决定于A（或B）和D的成分和各组成元素的本性，这是不可避免的；但其扩散的深度和最终的浓度梯度，则受到温度的高低和高温下停留时间以及元素固有性能（如扩散能力）的影响。
铸件各部分化学成分不均匀的现象称为
铸件各部分化学成分不均匀的现象称为铸件各部分化学成分不均匀的现象称为“组分不均”。
在铸件制造过程中，组分不均是一种常见的质量问题，它可能导致铸件的性能下降，甚至造成铸件失效。
组分不均主要是由于铸造过程中的凝固过程造成的。
在铸造中，熔融金属经过凝固转变为固态金属。
凝固过程中，金属中的元素会以不同的速度凝固，从而导致组分不均。
例如，一些元素可能会首先凝固，而其他元素则会在后续凝固中分离出来。
这种不均匀的凝固过程会导致铸件内部的组分不均。
除了凝固过程，原材料的组分不均也可能导致铸件的组分不均。
如果铸造时使用的原材料中存在成分不均匀的情况，那么在铸造过程中，这种不均匀性就会传递到铸件中。
原材料的组分不均可能是由于生产过程中的操作不当，或者是原材料本身的质量问题导致的。
组分不均对铸件的性能和品质都有不利影响。
首先，组分不均可能导致铸件的力学性能降低。
例如，一些区域的成分偏低可能导致该区域的强度下降。
其次，组分不均还可能导致铸件出现表面缺陷，如气孔、夹杂物等。
这些缺陷不仅会影响铸件的外观，还可能导致铸件在使用过程中发生断裂等失效问题。
为了解决铸件组分不均的问题，可以采取一些措施。
首先，需要优化铸造工艺，尽量减少凝固过程中的组分分离现象。
其次，对原材料进行严格的质量控制，确保原材料的组分均匀稳定。
此外，还可以使用一些铸造辅助剂，如改善凝固过程的添加剂，来改善铸件的组分均匀性。
总之，铸件各部分化学成分不均匀的现象称为组分不均。
组分不均可能由凝固过程和原材料的组分不均引起，它对铸件的性能和品质有不利影响。
为了解决组分不均问题，需要优化铸造工艺，严格控制原材料质量，并使用适当的铸造辅助剂。
这样可以提高铸件的质量，确保其满足使用要求。
焊接构件失效的原因及预防措施
焊接构件失效的原因及预防措施焊接构件在各种⼤型设备中常见，往往作为底座的外壳、⽀撑底座、⼯作平台等结构出现。
焊接构件的使⽤寿命影响着整个设备的使⽤寿命，但往往在焊接位置出现裂纹等失效问题，现在就来分析⼀下焊接失效的原因以及预防措施。
⼀、铸-焊结构焊接失效的原因及危害通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素，在⼀定条件下断裂（如：应⼒、温度、材质、焊接质量和实际使⽤⼯况条件等）。
接头⼀旦失效，就会使相互紧密联系成⼀体的构件局部分离、撕裂并扩展，造成焊接结构损坏，致使设备停机，影响正常⽣产。
焊接失效的基本条件：⼀是焊接结构设计不合理，如在局部或整体焊缝的布置与设计上存在问题；⼆是材料本⾝的缺陷，如板材化学成分偏析，铸钢件的组织存在缩松、⽓孔、裂纹等；三是焊接⼯艺的应⽤不合理，如焊接材料的选择、焊接⽅法的制定；四是构件所处的⼯作环境、⼯况条件差（如受到交变及冲击载荷），引起结构材料疲劳破坏。
针对接头失效进⾏分析，应从两个⽅⾯⼊⼿：⼀是产⽣的根源；⼆是其危害性。
1. 结构件焊接失效产⽣的根源通常情况下，材料本⾝的缺陷（如化学成分的不均匀性、局部微观裂纹），焊缝由于各种原因产⽣的冷热裂纹、未焊透、夹渣、⽓孔及咬边等，焊接过程中近缝区较⾼的残余应⼒（包括焊缝及热影响区相变的组织应⼒），以及焊接过程⾼温下的组织软化和冷却后产⽣的脆化等，都是造成接头失效的根源，也为接头的脆断或扩展提供了条件。
2. 结构件焊接失效的危害性井下⼯作⾯刮板输送机、转载机和破碎机，是采煤⼯作⾯的关键设备，⼯作⾯使⽤条件复杂。
由于刮板输送机除要完成运煤、清理浮煤外，还要作为采煤机运⾏的轨道和牵引⽀承、液压⽀架前沿的基点，担负着采煤⼯艺过程中的落、装、运、⽀、控等全部⼯序，井下设备的可靠性决定了⾼效采煤的经济性，所以设备质量的好坏、寿命长短、性能的优劣，直接影响着煤炭⽣产。
由于刮板输送机和转载机的使⽤特点，中部槽之间的联结强度和可靠性显得尤为重要，⽽其结构⼤多由铸钢件与普通低合⾦板Q345（16Mn）以及⾼强板和耐磨板（NM360）焊接⽽成，铸钢件以碳锰硅（C-Mn-Si）系列为主。
变质矿物成分复杂多样的原因
变质矿物成分复杂多样的原因变质矿物是地球岩石圈中的重要组成部分，其成分复杂多样。
这种复杂性主要受到以下因素的影响：1.温度和压力的变化温度和压力是影响变质矿物成分的主要因素之一。
随着温度和压力的变化，岩石中的矿物会重新排列，形成新的变质矿物。
例如，在高温条件下，岩石中的钠长石和钾长石会发生部分熔融，形成微斜长石、钠钾长石等变质矿物。
2.化学成分的不均匀性岩石中的化学成分不均匀性也会导致变质矿物成分的多样性。
在岩石形成过程中，不同部分的化学成分会有所差异，这些差异会导致在变质过程中形成不同的变质矿物。
例如，富含铁和镁的岩石在高温条件下容易形成角闪石类变质矿物，而富含硅和铝的岩石则容易形成云母类变质矿物。
3.混合岩化作用混合岩化作用是指固态岩石在高温和压力作用下与其它岩石相互作用，形成新的变质岩的过程。
在这个过程中，不同岩石中的矿物会发生混合和交换，形成新的变质矿物。
例如，在混合岩化过程中，矽卡岩中的钙铁辉石和透辉石会发生混合，形成钙铁榴石等新的变质矿物。
4.化学分子的可逆反应化学分子的可逆反应也是导致变质矿物成分复杂多样的原因之一。
在温度和压力变化的影响下，岩石中的矿物分子会发生重新排列，形成新的变质矿物。
例如，在高温条件下，角闪石会分解成斜长石和石英，而在较低温度条件下，斜长石和石英又会反应形成角闪石。
这种可逆反应导致了变质矿物成分的复杂多样性。
5.变质过程中的热液作用变质过程中的热液作用也是影响变质矿物成分的因素之一。
在变质过程中，热液会与岩石相互作用，导致矿物的溶解、沉淀和重新排列。
这种作用会改变岩石中的矿物组成和结构，形成新的变质矿物。
例如，在热液作用下，岩石中的长石会发生溶解和沉淀，形成绢云母、绿泥石等变质矿物。
金属粉末材料偏析的原因
金属粉末材料偏析的原因
1. 化学成分不均匀，金属粉末在制备过程中，由于原料混合不
均匀或者反应条件不一致，可能导致金属粉末中的化学成分不均匀。
这种化学成分的不均匀可能会导致偏析现象的发生。
2. 加工工艺不当，金属粉末在加工过程中，比如烧结、压制等
工艺中，如果温度、压力、时间等参数控制不当，可能会导致金属
粉末颗粒之间的成分分布不均匀，从而出现偏析现象。
3. 氧化和污染，金属粉末在制备和储存过程中，如果受到氧化
或者外部杂质的污染，可能会导致金属粉末表面或内部的成分发生
变化，从而引起偏析。
4. 结晶缺陷，金属粉末在结晶过程中，如果晶粒长大不均匀或
者出现晶界偏析现象，也可能导致金属粉末材料偏析。
为了避免金属粉末材料偏析，需要在原料制备、加工工艺和储
存过程中严格控制各项参数，确保金属粉末的化学成分均匀、无污染，并且在加工过程中采取适当的工艺措施，以保证金属粉末材料
的均匀性和稳定性。
材料科学基础名词解释1
《材料科学基础》名词解释1、晶体原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。
2、中间相两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B 两组元均不相同的新相。
由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。
3、亚稳相亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却或加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。
4、配位数晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。
5、再结晶冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。
（指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程）6、伪共晶非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。
7、交滑移当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。
8、过时效铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP 区，θ”，θ’，和θ。
在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出θ’，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。
9、形变强化金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。
10、固溶强化由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。
11、弥散强化许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。
12、不全位错柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。
13、扩展位错通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。
14、螺型位错位错线附近的原子按螺旋形排列的位错称为螺型位错。
焊缝金属的化学不均匀性和夹杂
焊缝金属的化学不均匀性和夹杂（一）焊缝中的化学不均匀性化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。
1．显微偏析：→枝晶偏析指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。
如图3-34树枝中心，m表示树枝区域。
I偏析严重。
A、M表示树枝晶的间界。
其中K e最易偏析元素；先结晶M处Ni低，A与M点，Ni高。
1）产生原因：●选择性结晶，焊接时，冷却速度大，液固界面溶质来不及扩散，结晶有先后之分，纯金属先结晶，杂质后结晶。
胞状晶，晶粒内部浓度低，晶界处溶质浓度高。
树枝晶，主干处溶质浓度低，树枝区域浓度较高，晶界处浓度最高。
●结晶形态不同结晶形态，偏析不同。
以M n为例：位置M n%树枝晶界0.59 （树枝晶界偏析最严重）胞状晶界0.57胞状晶中心0.47 （希望晶粒越细化越好）2）影响因素●冷却速度v冷小，可以有充分时间溶质进行扩散，显微偏析减少；v过大，溶质来不及扩散整个液体金属瞬时凝固，偏析程度小。
●原始浓度C0溶质浓度C0 ↑，偏析加剧。
枝晶偏析的结果，晶间含较多低熔点杂质，易于形成凝固裂纹。
●元素性质（分配系数或扩散系数）若元素扩散系数小，偏析严重。
2、宏观偏析（区域偏析）指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析，当焊速较大时，成长中的柱状晶最后都会在焊缝中心相遇，使溶质和杂质聚集在那里，容易产生焊缝纵向裂纹。
2、层状偏析由于化学成分分布不均匀引起分层现象。
焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。
1）特征●晶粒主轴与层状线垂直。
●越先靠近熔合线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。
●层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。
2）产生原因：焊缝金属的凝固并不是连续均匀的过程，而是一个断续的过程，一种观点：层状偏析是由于晶体成长速度R发生周期变化引起R↑，结晶前沿的溶质浓度增大，晶粒含有一层溶质较多的带状偏析层。
10 化学成分不均匀性
4
2、宏观偏析
逆偏析
与正偏析相反，当K0＜1时，表面或底部含溶质元素多， 而中心部分或上部含溶质较少。
Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析
逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时 易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相， 当铸件产生体收缩时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。
材料工程基础
5
3、微观偏析
晶内偏析
晶内偏析与枝晶偏析 固溶体合金按树枝晶方式 生长时，先结晶的枝干与 后结晶的分枝也存在着成 分差异。 是在一个晶粒内出现的成 分不均匀现象，常产生于 具有结晶温度范围、能够 形成固溶体的合金中。
材料工程基础
6ห้องสมุดไป่ตู้
3、微观偏析
晶界偏析
在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶
材料工程基础
-第10章液态成形过程中的质量控制
中国矿业大学 材料科学与工程学院
材料工程基础
1
液
态 金 属
气体元素 过饱和析出 杂质元素
非平衡凝固
气泡
滞留
气孔
化合物
低熔点共晶
夹渣
热裂纹
成分偏析
受 拘 束
应力
冷裂纹
降温凝固
体积 收缩
变形 缩孔 缩松
2
材料工程基础
10.1 化学成分的不均匀性
1、偏析种类
内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。
晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降低合金的塑性与高温性能，又增
加热裂纹倾向。
晶粒并排生长，晶 界平行于晶体生长 方向，晶界与液相 的接触处存在凹槽， 溶质原子在此处富 集，凝固后就形成 了晶界偏析.
显微偏析对材料性能的影响及改善措施
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显微偏析对材料性能的影响 及改善措施
汇报人： 2024-01-19
目录
• 引言 • 显微偏析的形成机制 • 显微偏析对材料性能的具体影
响 • 改善显微偏析的措施 • 实例分析 • 结论
01
引言
显微偏析的定义
显微偏析是指合金中化学成分、组织结构、物理性能等在微小区域内存在的不均 匀现象。
它通常是由于合金在凝固或固态相变过程中，由于温度梯度、浓度梯度、扩散系 数等因素的影响，导致溶质元素在枝晶间和枝晶干上的分布不均匀。
02
03
钛合金
通过优化熔炼和铸造工艺参数，如控 制熔炼速度、增加冷却速率等，可以 有效降低钛合金的显微偏析程度。
06
结论
显微偏析对材料性能的重要影响
降低材料强度
显微偏析导致材料中化学成分不均匀，从而 影响材料的整体强度。
增加材料脆性
由于显微偏析的存在，材料内部存在应力集 中区域，这可能导致材料脆性增加。
优化合金成分
02
调整合金中关键元素的含量，使其满足材料的性能要求，同时
降低偏析倾向。
合金纯净度
03
提高合金的纯净度，减少杂质元素对晶体生长过程的影响，从
而降低偏析程度。
熔炼和铸造工艺改进
熔炼温度控制
精确控制熔炼温度，确保各组分充分熔化且均匀混合 。
铸造方法选择
选用适当的铸造方法，如定向凝固、悬浮铸造等，以 改善合金的凝固行为，减少偏析。
对于需要保护气氛热处理的合金 ，应严格控制热处理气氛的成分 和稳定性，以避免氧化、氮化等 不良反应的发生。
05
实例分析
不同合金的显微偏析程度对比
铝合金
铸锭中化学成分不均匀的现象
铸锭中化学成分不均匀的现象铸锭是指在铸造过程中制成的基本块状产品，广泛应用于金属加工、航空航天、汽车工业和建筑等行业。
然而，在实际生产中，铸锭中出现了化学成分不均匀的现象，影响了产品的质量和使用效果。
造成铸锭化学成分不均匀的原因有很多。
一方面是制造过程中原料的质量控制不到位，另一方面是铸造过程中温度、压力等因素不均衡。
这些因素导致的化学成分不均匀包括区域性组分差异、表面氧化层等。
铸锭的区域性组分差异主要是在铸造过程中温度、流速、合金浓度的不均匀分布。
当温度不均匀时，不同区域的原料合金成分会发生改变，导致铸锭中的化学成分出现不均匀。
另外，流速过快或过慢，也会导致铸锭中的化学成分分布不均。
此外，合金浓度的不均匀分布也会对化学成分的均匀性造成影响。
铸锭的表面氧化层也是导致化学成分不均匀的原因之一。
在铸造过程中，铸锭表面会因为接触空气而产生氧化层，这种氧化层的存在会导致铸锭的化学成分不均匀。
因此，在生产过程中需要采取一些有效措施，减少或者消除氧化层的产生，确保铸锭中化学成分均匀。
针对铸锭化学成分不均匀的问题，生产企业可以从以下几个方面入手。
首先，需要加强原料质量控制，确保原料成分的均匀性。
其次，需要对铸造过程中的温度、流速、压力等因素进行优化，确保各因素分布均匀，避免化学成分不均匀。
另外，在铸造过程中需要精细控制各项参数，确保合金浓度的均匀分布。
最后，需要对铸锭进行精细处理，消除表面氧化层等因素的影响，确保铸锭中的化学成分均匀。
总之，铸锭中化学成分不均匀的问题给生产企业带来了很大的影响，需要采取有效措施来加以解决。
通过加强原料质量控制、优化铸造过程、精细控制各项参数以及精细处理铸锭等方法，可以有效地提高铸锭的化学成分均匀性。
钢材化学成分对激光焊接的影响
钢材化学成分对激光焊接的影响引言激光焊接是一种高效、精准且广泛应用于工业制造领域的焊接技术。
钢材作为焊接常用材料之一，在激光焊接过程中，其化学成分对焊接质量和性能具有显著的影响。
本文将重点探讨钢材化学成分对激光焊接的影响因素及其机理。
影响因素及机理分析1.C元素含量碳含量是钢材中最重要的元素之一，对焊接性能有着重要影响。
当钢材中的碳含量过高时，易导致焊缝冷脆性增加，甚至引发裂纹。
而当碳含量过低时，焊接接头强度无法得到充分保证。
因此，在激光焊接过程中，适当控制钢材中的碳含量是确保焊接质量的关键之一。
2.添加元素除了C元素，钢材中还常含有其他添加元素，如S i、Mn、S、P等。
这些元素的含量和配比也会对激光焊接产生影响。
例如，添加一定量的硅元素可以提高焊缝的流动性和润湿性；锰元素的加入有助于提高焊缝的韧性和抗冲击性；硫和磷元素的增加则会降低焊缝的脆性。
因此，在激光焊接过程中，合理控制这些添加元素的含量及配比，能够优化焊接接头的性能。
3.不均匀性钢材的化学成分不均匀性也会对激光焊接产生重要影响。
由于钢材的冶炼过程中存在温度梯度和混炼不均匀等因素，导致钢材中的化学成分分布不均匀，从而影响焊接接头的质量。
在激光焊接前，需要对钢材进行充分的预处理，以减小不均匀性对焊接接头性能的影响。
4.温度效应激光焊接过程中，高温会对钢材的化学成分产生变化。
例如，碳元素会与氧发生反应，形成氧化物，进而影响焊接接头的力学性能。
此外，钢材在焊接过程中的快速冷却也会导致相变和组织改变，进而对化学成分和性能产生影响。
因此，在激光焊接中，需对温度效应进行合理控制，以保证焊接接头的质量。
结论钢材化学成分对激光焊接的影响是多方面的，包括C元素含量、添加元素的类型及含量、不均匀性和温度效应等。
合理控制这些因素，能够优化焊接接头的性能，并提高焊接质量。
因此，在实际工程中，针对具体的钢材材料，需要深入分析其化学成分对激光焊接的影响，从而制定出合理的工艺和参数。
材料成形原理-第十章 偏析
三、微观偏析的防止和消除
均匀化退火时间取决于枝晶间距和扩散系数。所以凡能细化晶 粒的措施，如提高冷却速度，加入晶粒细化剂等，减轻微观偏 析，再通过均匀化退火处理，可消除。 对合金进行孕育处理或加入某些元素往往能使树枝状晶的尺 寸或单位面积上的树枝状晶的数量发生变化，这将改变枝晶内的 溶质分布。 但是晶界上存在的稳定化合物，如氮化物、硫化物和某些碳 化物，即使采用均匀化退火往往也无能为力。因此，对于这些化 合物所引起的晶界偏析，应该从减少合金中氮、硫的含量入手。
fS C k0C0 1 1 k0
S
由此可知，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冷却条件和枝晶间距。 各种元素在不同合金系中的分配系数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愈大(k0 ＞1时)，或扩散系数DS愈小，则枝晶偏析愈严 重。因此，可用l1- k0l定性地衡量枝晶偏析的 程度。 l1- k0l愈大，枝晶偏析愈严重， l1k0l称为偏析系数。
DS
S2
DS－溶质在固相中的扩散系数 －局部凝固时间 S－枝晶间距一半
几种元素在铁中的k0和l1- k0l示于表10-1。可以看 出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
表10-1不同元素在铁中的偏析系数
元 素 P S B C V Ti M0 Mn Ni Si Cr
质量分数(%)
0.01 0.01 ～ ～ 0.03 0.04
Ni-Cu合金的铸态组织（SEM）
枝 晶 偏 析
铸钢组织也呈树枝状，其中先结 晶的枝杆中心含碳量较低，后结晶出 的分枝含碳量较高，枝晶间含碳量更 高，树枝晶中这种化学成分不均匀的 现象，称为枝晶偏析，因为他属于 一个晶粒范围的成分不均匀，所以也 称为晶内偏析。 图6-5表示用电子探针所测定低 合金钢溶液中生成的树枝状晶各截面 得溶质等浓度线。从中可以清楚看出 溶质在一次分枝、二次分枝以及晶内 的分部。
异种钢的焊接
焊缝金属的强度和塑性，则应该选用塑性较好的 焊接材料。 2.在许多情况下焊缝金属性能只需要符合两种母 材的一种，即认为技术要求。 3.焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成型美 观。 4.焊接材料应经济、易得。
异种钢焊接工艺要点:
（主要解决熔合线附近的金属韧性下降的问题） 1.异种钢焊接接头的设计，应有助于焊缝稀释率的
1、焊接方法选择
这类异种钢焊接时，选择焊接方法，除考虑生产和 具体条件外，关键是控制 熔合比，焊接时尽量减小熔合 比，以降低对焊缝的稀释作用。使用奥氏体钢或镍基合 金填充金属焊接或堆焊时，各种焊接方法可得到不同的 熔合比范围。
表1-19奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接方法熔合比及特点 比较
序号 1 2 3 4 5
减小，应避免在某些焊缝中产生应力集中。较厚 对接时宜用X形坡口或U形坡口。 2.焊接电流、焊条直径、焊接速度、焊条摆动方式 及焊接层数的选择，应以减少母材金属的熔化和 提高焊缝的堆积量为主要原则。 3.当被焊的两种钢之一是淬硬钢时必须预热，预热 温度应根据焊接性差的一方选择。 4.复杂结构应先分件组装焊接，然后 再整体拼装焊 接比整体组装焊接好
既要满足异种钢焊接质量（尽可能减小熔合 比防止裂纹产生），又要尽可能考虑效率和经济。
优先选择焊条电弧焊（焊条种类多，适应性 强。珠光体钢与高铬马氏体钢焊接可采用二氧化 碳焊；高合金异种钢焊接一般氩弧焊;简单异种 钢构件可采用扩散焊、钎焊等
异种钢焊接材料选择原则:
要求焊缝金属力学性能及其他性能不低于母材中 的较低的一侧的指标。
H1Cr26Ni21 0.18 1.40 0.54 26.2 18.80 27.01 24.90 e
（1）采用H1Cr19Ni9焊丝
焊缝及其热影响区的组织和性能
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七、改善焊缝组织的途径
1.凝固组织形态对性能的影响 生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂 都有影响
2.焊缝金属的性能的改善措施 ①固溶、细晶等强化和变质处理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等 ②振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动 ③焊接工艺 焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪回火等。
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2、低合金钢 （1）多以F+P为主，有时出现B及M,与焊材及工艺有关。 （2）铁素体（F）转变 ①粒界F（高温转变900-700℃）：为先共析F,由奥氏 体晶界析出向晶内生长，呈块状 ②侧板条F（700-550℃）：由奥氏体晶界形核，以板 条状向晶内生长（由于F形成温度较高，F内含碳极 低，故又称为无碳贝氏体） ③针状F（500℃附近）：大都非自发形核，在奥实体 内形成 ④细晶F （500℃以下）：奥氏体晶内形成，有细晶元素
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2.熔合区的化学不均匀性
①熔合区的形成
母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区
熔合区熔化不均（传热、晶粒散热）
②熔合区成分分布
在液相中的溶解度>在固相中的溶解度
故：固相浓度 界面
液相浓度
C0 - C´
C0 + C´
分配取决于扩散系数和分配系数，特别是
S、P、C、B、O、N等
熔合区还存在物理不均匀（组织、性能）
Pcm
C
Si 30
Mn
Cu 20
Cr
Ni 60
Mo 15
V 10
偏析的分类
2011年8月3日
材料加工工程
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化学成分的不均匀性
偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度C 与合金原始平均浓度C 偏析也可根据铸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。 称为正偏析 正偏析， 称为负偏析 负偏析。 偏离情况分类。凡CS＞C0者，称为正偏析，CS＜C0者，称为负偏析。 这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。 这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。 偏析是铸件的主要缺陷之一。偏析对铸件质量影响很大， 偏析是铸件的主要缺陷之一。偏析对铸件质量影响很大，主要表 现在以下几个方面： 现在以下几个方面： 微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异， （1）微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件 的力学性能。有时使铸件难于加工。 的力学性能。有时使铸件难于加工。 晶界偏析往往有更大的危害性， （2）晶界偏析往往有更大的危害性，由于偏析使得低熔点共晶容易 集中在晶粒边界，即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性， 集中在晶粒边界，即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性， 又能降低铸件的塑性。 又能降低铸件的塑性。 宏观偏析使铸件各部分的理学性能和物理性能产生很大差异， （3）宏观偏析使铸件各部分的理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。 影响铸件的使用寿命和工作效果。
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材料加工工程
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晶内偏析（枝晶偏析） 晶内偏析（枝晶偏析）
图6-2、图6-3分别表示含30%Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固时固 分别表示含30%Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固时固 30%Cu 溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、 溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、表面成分以及平均 成分随温度的变化。 成分随温度的变化。
后材料科学基础名词解释
后材料科学基础名词解释第二章固体构造1、晶体 : 是指原子（或分子）在三维空间按必定规律作周期性摆列的固体。
非晶体 : 原子凌乱散布，或仅有局部地区为短程规则摆列。
2、晶体构造（晶体点阵）:晶体中，实质原子、分子、离子或原子公司按必定几何规律的详细摆列方式。
5、空间点阵：由四周环境同样的阵点在空间摆列的三维阵列。
3、晶格：用直线将空间点阵的各阵点连结起来，构成一个三维空间格架。
这类用于描绘晶体中原子摆列规律的空间格架称为晶格。
4、晶胞：晶格中，能完整反应晶格特色的最小几何单元称为晶胞。
6、构造晶胞：假如在点阵晶胞的范围内，标出相应晶体构造中各原子的地点，这部分原子构成了晶体构造中有代表性额部分，含有这一附带信息的晶胞称为构造晶胞。
8、晶体构造与空间点阵的差异：空间点阵只有14种，晶体构造是无穷多的；9、构造晶胞与点阵晶胞的差异：点阵晶胞—仅反应周期性最小的，体积最小，但不必定反应点阵的对称性，只含一个结点。
构造晶胞 -- 拥有较高对称性的最小重复单元，既反应周期性，也反应对称性，但不必定最小。
10、晶向：晶体中，穿过两个以上阵点的随意直线，都代表晶体中一个原子列的空间位向，称为晶向.晶面：晶体中，某些原子构成的原子平面，称为晶面.11、密勒指数 :国际通用、用以表示晶向和晶面空间地点的符号, 分晶向指数和晶面指数.12、晶向族：原子摆列同样但空间位向不一样的所有晶向。
13、面心立方构造 (A1) Al,贵金属,α -Fe, Ni, Pb, Pd, Pt等体心立方构造 (A2)碱金属, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, -Fe等密排六方构造 (A3)α-Ti, Be, Zn, Mg, Cd等14、配位数 CN —晶体中，与任一原子近来邻且等距离的原子数致密度：晶体构造中原子体积占整体积的百分数。
k = nv/V n：晶胞原子数v：单原子的体积V ：晶胞体积15、晶体的多晶型性（同素异构）：化学构成同样的物质在不一样温度或压力条件下拥有不一样的晶体构造的现象，称为多晶型性（同素异构 ) 。
铸件的化学成分不均匀性
作
业
1.何谓晶内偏析、晶界偏析、正常偏析、逆偏析 和重力偏析？ 2.偏析是如何形成的？影响偏析的因素有哪些？ 生产中如何防止偏析的形成？ 3.宏观偏析是由于固液两相区枝晶间富溶质元素 的液体流动造成的,产生液体流动的驱动力由 哪些？ 4.固溶体非平衡凝固时，形成微观偏析和宏观偏 析的原因有何区别？ 5.分析偏析对铸件质量的影响。
Ni-25%Cu铸件中的枝晶偏析10×
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
Al-Cu合金铸件中的枝晶偏析
研究表明，合金以枝晶方式生长时，在整个晶 粒有90%以上的熔体是以充填分枝之间的方式结 晶的，即由枝晶的侧面结晶，枝晶的侧面生长往 往接近于平面方式。因此，各组元在枝干中心与 其边缘之间的浓度分布可近似地用Scheil方程式 进行描述。
正偏析
逆V形偏析
V形偏析
负偏析
铸锭产生V形和逆V形 偏析部位示意图
带状偏析
带状Leabharlann 析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连
续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固
界面相平行。
带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在
溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。
带状偏析形成机理示意图
Ni-C-S合金中的带状偏析
逆偏析
Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析
防止或减少逆偏析的措施 （1）增大温度梯度，加大合金凝固速度，或向合 金添加晶粒细化剂，这将有助于抑制液体的 晶间流动。 （2）减小液态金属在结晶过程中所受的压力，包 括减少合金液的含气量。
V形和逆V形偏析
收缩孔
当铸锭中央部分在 由于密度的差异， 凝固下沉时，侧面 先凝固部分结晶沉 向斜下方产生拉应 淀，在铸锭的下半 力，在其上部形成 部形成低于平均成 逆V形裂缝，并被 分的负偏析区，上 富含溶质的液相所 部则形成高于平均 填充，最终形成逆 成分的正偏析区。 V形偏析带。
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3.焊接接头中熔合区的化学成 分不均匀性
•熔合区是焊接接头中的薄弱之处. •固液界面附近的溶质浓度的分布与该元素 的扩散系数和分布系数有关. •由于焊接熔合区化学成分的不均匀性,致 使组织和性能不均匀性.焊接熔合区的质 量问题应给以应有的关注.
熔合区中S的分布(E=11.76kJ/cm)
低碳钢与奥氏体焊缝(Cr23Ni13)熔合区元素的分布(质量分数E=23.94kJ/cm)
2、宏观偏析
（3）比重偏析 a. 机理 ������ •合金凝固时有初生相（过共晶或亚共晶），且 初生相和液相之间的比重差别较大（过共晶铸铁 石墨上浮） ������ •个别合金液相比重不同导致分层，凝固后比重 偏析（Cu-Pb合金上部富Cu） b. 防止措施 ������ •快速凝固 ������ •在合金中加入第三种能形成熔点较高、比重与 液相接近的化合物相，在凝固过程中首先从液相 中析出，形成树枝状骨架，阻止偏析相的沉浮
2、宏观偏析
(4) 区域偏析 焊接时,柱状晶成长过快,溶质或杂质在 中心富集,凝固后在焊缝中心线附近出现严 重偏析.
2、宏观偏析
(5)层状偏析 焊接时,由于热的周期性作用,急冷与急 热的交替作用,致使结晶过程发生周期性变 化而造成化学成分的不均匀.
2、宏观偏析
（4）宏观偏析的消除 • 扩散退火无效 • 改善加工工艺
低碳钢焊缝中S的晶界偏析
1、微观偏析
（3）微观偏析的消除措施 • 固相线下100~200℃长时间扩散退 火（均匀化） • 热轧或热锻也可改善
2、宏观偏析
������
宏观偏析为长程偏析，是发生于区域之间的 成分差别（区域偏析）。 ������ 液态金属沿枝晶间的流动对宏观偏析的产生 有着重要的影响。 ������ 焊接不易宏观偏析，熔池中有强烈的对流拌； 铸造宏观偏析严重 • 正常偏析（正偏析） •区域偏析 • 反偏析（逆偏析） • 比重偏析（重力偏) •层状偏析
2、宏观偏析
（1）正偏析 ������ •铸件外层纯度高、溶质含量 低，内部溶质含量高、杂质 集中的区域偏析为正常偏析 ������ •机理：冷速较慢，低熔点组 元充分向内部聚集 ������ •危害：铸件性能不均匀；但 可借此对金属提纯 ������ •防止：扩散退火无效，提高 冷速有效， 如降低浇注温 度、加速铸件凝固
第十五章化学成分的不均匀性
1.微观偏析 2.宏观偏析 3.焊接接头中熔合区的化学成分的不均匀 性
1、微观偏析
• 微观偏析--短程偏析，是不平衡凝固造的； • 微观偏析--晶粒内部或晶界等微区内成分不 均匀现象。 1• 枝晶偏析 2• 晶界偏析
1、微观偏析
（1）枝晶偏析 a. 机理 ������ 结晶时冷速较大，扩散来不及，先结晶 富高熔点组元，导致树枝晶内部成分不均 匀. b. 影响因素 ������ 合金相图的形状：垂直、水���� 原子的扩散能力：扩散能力差，更易偏
1、微观偏析
（2）晶界偏析 在树枝晶体之间（晶粒与晶 粒之间）最后凝固部分（即 晶界区）积累了更多的低熔 点组元和杂质元素 ������ 晶界偏析的程度比晶内偏析 更为严重，有时在晶界上还 会出现一些不平衡的第二 相，如低熔点共晶体 ������ 产生的原因与枝晶偏析相同 ������ 塑性和韧性降低、增加热裂 倾向、降低耐腐蚀性能等
2、宏观偏析
（2）反偏析 ������ • 外层溶质元素含量反而高于内层的含量；
������ •不常见，易发生于凝固温度区间宽、凝固收 缩大、冷却缓慢、枝晶粗大、液体金属中含气量 较高等情况下。 ������ •机理：由于铸件表层枝晶间以及内部的低熔 点液体，在液体金属静压力和析出气体压力的作 用下，通过树枝晶之间收缩产生的空隙渗出到表 面，在表面形成的一种含有较多低熔点组元和杂 质的偏析层。
1、微观偏析
（1）枝晶偏析 b. 影响因素 ������ 凝固时的冷却条件：冷速越大，过冷越大， 开始结晶温度越低，扩散能力越小；冷速很大， 液相中的扩散也受到抑制，发生无扩散结晶，偏 析程度反而减小。 ������ 合金元素：C促S、P偏析；焊 接比铸造偏 析程度小，可能与焊接冷速很大，液相中的扩散 受到抑制有关.