凝固与偏析

两晶粒并排生长
2、晶粒相碰形成的晶界偏析
如图所示，两个晶粒相对 生长，彼此相遇而形成晶界。 两个晶粒结晶时所排出的溶质 （k0＜1）就富集在晶界上。 这样，在最后凝固的晶界 部分将含有较多的溶质和其他 低熔点物质，从而造成晶界偏 析。 合金在凝固过程按柱状晶 生长时，柱状晶界面之间有着 明显的晶界偏析。
(2)晶界偏析 凝固时若晶界与长大方向平行，由于表面能的要 求，在晶界与界面相交之处会产生沟槽，如图所示。 存在组分过冷时，会在晶界沟槽处产生明显的偏析。 另外，若界面前堆积溶质原子，在两个晶粒相碰时形 成晶界，晶界收纳了较多的溶质原子，如图所示。
1、晶界位臵与晶粒生长方向平行
两个晶粒并排生长，晶 界平行于生长方向，由 于表面张力平衡条件的 要求，在晶界与液相的 接触处出现凹槽，深度 可到10-8cm，此处有利于 溶质原子的富集，凝固 后就形成了晶界偏析。
(3)中心等轴晶区，并伴有不同程度的中心偏析和疏松。

2. 偏析

在凝固过程中，连铸坯会发生各种各样缺陷。这些分布在 铸坯表面和内部的缺陷损害了钢材的收得率。在严重时， 它们还可能延长铸机停机时间，从而造成巨大的生产损失。 因此，冶金工程师和铸机设计者必须充分了解连铸坯缺陷 的产生原因，进而采用有效的措施。
重力偏析的危害： 重力偏析影响到铸件的使用和加工，严重时甚至会 出现剥落现象。防止或减轻重力偏析，可采取以下措施： （1）增加铸件的冷却速度，缩短合金处于液相的时 间，使初生相来不及上浮或下沉。 （2）加入能阻碍初晶沉浮的合金元素。例如，在 Cu-Pb合金中加少量Ni，能使Cu固溶体枝晶首先在液体 中形成枝晶骨架，从而阻止Pb下沉。再如Pb-17%Sn合金 中加入质量分数为1.5%的Cu，可形成CuPb骨架，也可减 轻或消除重力偏析。 （3）浇注前对液态合金进行充分搅拌，并尽量降低 合金的浇注温度和浇注速度
正常偏析的危害： 正常偏析使铸件性能不均匀，严重时会使铸件 在使用中破坏。因此，应尽量减少这种偏析。 减少正常偏析的措施： 这种偏析不能通过扩散退火来消除，只能采取 一些适当的浇注工艺措施来加以控制，如降低 浇注温度和加速铸件凝固等。
铸件断面宏观偏析与合金的结晶特点有密切的关 系，多数合金结晶后，铸件断面往往形成三个结晶区： 外层是细晶粒区，接着是柱状晶区，中心部分是粗等 轴晶区。以厚壁铸钢件为例，C、S、P的偏析规律与铸 钢的结晶特点有着内在联系，如图所示。


(1)由于固相线和液相线之间的温度差而在凝固前沿的聚集； (2)在冷却到室温过程中的扩散； (3)热处理
偏析：在结晶过程中发生化学成分的不均匀现
象称为偏析。根据偏析的分布特点可分为： 微观偏析 晶内偏析 晶界偏析 宏观偏析 正常偏析 逆偏析 比重偏析
显微偏析
(1)晶内偏析(枝晶偏析) 非平衡结晶中，枝晶与枝晶间先凝固与后凝 固的固溶体中含溶质的量不同，从而形成晶粒内 部的化学成分不均匀的现象。 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。
表面夹杂、裂纹、缩松、缩孔等其 他缺陷及其控制技术详见《金属凝固原 理及技术》P290-304
1—内部角裂；2—侧面中间裂纹；3—中心线裂纹； 4—中心线偏析；5—疏松；6—中间裂纹； 7—非金属夹杂物；8—皮下鬼线；9—缩孔； 10—中心星状裂纹对角线裂纹；11—针孔；12—半宏观偏析
偏析的类型


合金在凝固过程中有溶质的再分布，并且凝固过程往往未能扩散均匀， 使凝固后的相的成分不均匀，这就是所谓的偏析现象。 在钢中，总有一定程度的偏析出现。它们可能是形成坚硬结构组成如 马氏体或贝氏体的原因。偏析可分为微观偏析、宏观偏析两类，连铸 坯中的宏观偏析主要表现为中心偏析。 造成溶质再分配的原因有：
逆偏析的危害： 铸件产生逆偏析将使力学性能和耐水压、气压性 能降低，切削加工性能恶化。 防止或减少逆偏析的措施： 1.增大温度梯度，或向合金中添加晶粒细化剂， 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。
K0<1
start
end
(三) 比重偏析 由于重力作用而出现的化学成分不均匀现象，称 为重力偏析或比重偏析，通常产生于金属凝固前和刚 刚开始凝固之际。当共存的液体和固体或互不相溶的 液相之间存在密度差时，将会产生重力偏析。 例如，Cu-Pb合金在液态时由于组元密度不同存 在分层现象，上部为密度较小的Cu，下部为密度较大 的Pb，在凝固前即使进行充分搅拌，凝固后也难免形 成重力偏析。
两晶粒对面生长
晶界偏析的危害： 晶界偏析与晶内偏析形成原因基本相同，都 属于微观偏析，因此，它们的影响因素也基本一样。 这类偏析除个别情况有益外（如改善耐磨性），一 般都有害。 它们会导致铸件的力学性能降低，特别是塑性 和冲击韧性的降低，增加合金的热裂倾向，甚至使 金属不易进行热加工。
减少显微偏析的措施： 晶界偏析的预防和消除方法同晶内偏析所采用 的措施相同，即细化晶粒和均匀化退火。但是晶界 上存在的稳定化合物，如氧化物、硫化物和某些碳 化物，即使采用均匀化退火往往也无法消除，因此， 对这些化合物引起的晶界偏析，应该从减少合金中 的氧和硫的含量着手。
wCa 0.2%
(2)Mg-Al-Ca合金 wCa 0.13%
预防与消除措施： 晶内偏析是一种不平衡状态，如果能使溶质充分扩 散即可消除。把铸件加热到低于固相线100～200℃，长 期保温，即进行扩散退火则可减轻或消除晶内偏析。
在许多情况下，晶粒内部偏析并不明显，而晶界偏 析却十分明显。
逆偏析的形成特点是： 结晶温度范围宽的固溶体合金和粗大的树枝 晶易产生逆偏析；缓慢冷却时逆偏析程度增加； 若液态合金中溶解有较多的气体，则在凝固过程 中将促进逆偏析的形成。
逆偏析的形成原因： 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，当铸件产生收缩时，低熔点相将沿着树枝 晶间向外移动。
厚壁铸钢件断面C、S、P偏析规律 与结晶特点的关系
(二) 逆偏析 所谓逆偏析是指在k0＜1的合金中，铸件表面或 底部含溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少， 这种现象恰好与正常偏析相反，故称为逆偏析。CuSn合金和Al-Cu合金就是经常产生逆偏析的两种典型 合金。浇注Cu-10%Sn合金时铸件表面有时会出现含Sn 高达20%～25%的锡汗。
冷却速度对枝晶偏析也有重要的影响，在其他条件相同时， 冷却速度越大，过冷越大，开始结晶的温度越低，原子的扩散 能力越小，溶质扩散越不充分，枝晶偏析就越严重；但当冷却 速度大到一定程度后，随着冷却速度的增加，枝晶偏析的程度 反而有所减小，甚至消除。
冷却速度对铸锭中Ca偏析的影响
wCa 0.2%
(1)Mg-Ca合金
宏观偏析
宏观偏析，又称长程偏析或区域偏析，是指较大 尺寸范围内的化学成分不均匀现象。按其表现形式 可分为三种基本类型：
正常偏析（正偏析） 逆偏析 （负偏析） 比重偏析（重力偏析）
来自百度文库
产生宏观偏析的原因：
①在铸件（锭）的结晶初期，由固相或液相的 沉浮而引起区域性的化学成分分布不均； ②在固-液两相区内液体沿枝晶的迁移运动而引 起区域性化学成分分布不均。 冷端未结晶液相中的溶质平均浓度高于热端（k0＜1）。当 枝晶之间的液相流动时，若从热端流向冷端，即从溶质含 量较低的区域流向溶质含量较高的区域，使该区的固相平 均成分降低，产生负偏析；反之，若液体由冷端流向热端， 使其升高，则该处将形成正偏析。
(一)
正常偏析
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混合 固体无扩散而液体完全混合
K0<1
C0 k0C0 start end
单向凝固时铸件内溶质的分布
结论： 在平衡凝固条件下，固相和液相中的溶质都可 以得充分扩散，这时从铸件凝固的开始端到终止 端，溶质分布是均匀的，无偏析现象发生，当固 体内溶质无扩散或扩散不完全时，铸件中出现了 严重偏析。
连铸工艺原理
凝固与偏析
主要内容： 1.凝固组织 2.偏析 宏观偏析 微观偏析
1 .连铸坯的凝固组织结构
连铸坯的铸态凝固组织通常是由三个区域组成的，即：

(1)边部是细小等轴激冷晶区，宽度在5mm左右。它是在100℃／s 左右的速度下迅速冷却形成的；

(2)相邻的是柱状晶区，它基本上是垂直于铸坯表面且向心部生长 的；