第七章 铸件中的偏析

讨论：
（3) q>1
v u 1
此时
CS C0
K0<1时 →
C* S
产生负偏析
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。 k0<1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。（k0>1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。
C k 0C0 1 fS
* S
k 0 1
q
q 1 1
q>0 k0 C0 fs 同号；
C
* S
：固液界面上固相的溶质浓度 β：凝固收缩率
μ ：等温线移动速度
V：液体沿μ方向的流动分速度 当合金一定时，CS*取决于 q， q取决于V/ μ
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 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
④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。 ⑤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。
2、按各部位的浓度Cs与Co的偏析情况分类：
CS C0 CS C0 ：正偏析 ：负偏析
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 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）。 原因： 实际生产时，铸件凝固是非平衡结晶过程。
2.组元的分布规律：
① 使金属熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上。 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。 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 成分分布可近似地用Scheil方程式描述。
枝干中心仅6% 分枝间最高为 23%
V：液体沿 μ方向的流动分速度； μ：等温线移动速度。 当R变化，μ变化， q变化时：
C* S 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。
（1）偏析系数: (2) 枝晶偏析度
1 k0
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
Cmax Cmin 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：
一、偏析的分类
1、根据偏析的范围分
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。
•成分不均匀→组织上的差别→ •还可能使铸件难于加工。 冲击韧性和塑性↓ 铸件的热裂倾向性↑
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。
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。
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 。
1、晶界偏析的形成
（1）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： 最后凝固的晶界处 ，
2、预防和消除：
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
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
图 单向凝固时铸件内溶质的分布




①细等轴晶区 结晶快，溶质来 不及扩散，溶质浓度为C0 ②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。 ③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。 ④中心粗大等轴晶成分均匀， 接近C0 。（>C0）
⑴ K0偏离↑，Se、SR ↑，偏析严重。 ⑵ Ds ↓， Se、SR ↑，偏析严重。 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
5.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， 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
影响因素： ①固液两相区内液体在枝晶间流动：
②一次分枝长度
增 加 一 次 分 枝 长 度 的 素 元， 促 使 逆 偏 析 ： Cu Sn 8% 元， 获 得 正 常 偏 析 ： Fe 缩 短 一 次 分 枝 长 度 的 素 但P减 小 一 次 分 枝 长 度 ， 助 但 长Sn 逆 偏 析— — 例 外 Si 、Al
k0 1
稳定生长阶段
图6-21
R1 R 2液相溶质量增加；固溶质量减少。R 2 R1
则与上相反。
由于生长速度的波动，在铸件中产生带状偏析。
⑵ 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
C k 0C0 1 fS
* S
k 0 1
q
q 1 1
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 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到V型和逆V型偏析带， 其中富集C、S、P。图6-17所示。
①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。 ②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。
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”
离心铸造出现的环形带 — —机械振动 单向凝固时 — — — — — —无机械振动
图6 19 图6 20
⑴合金单向凝固，固液界面以平面向前推进：
考虑固相中有扩散：
fS C k 0C0 1 1 k 0
* S
k 0 1
DS
S2
式中：
DS：溶质在固相中的扩散 系数
fS：固相分数
C0：原始浓度
：局部凝固时间
S：枝晶间距的一半
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：
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：
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：
加快结晶速度 机械搅拌液态金属 加入第三组元，形成高 熔点、密度与液相相近 的固相，先形成枝晶骨 架。
（1）q=1: 此时
v v讨论： v 1 (1 )(1 ) 1 u u u
v u 1
CS C 0
（2）q<1
--不存在宏观偏析
v u 1
此时 C C S 0
K0<1时 →
C* S
产生正偏析
C* S
v u 1 K0<1时 →
利用正常偏析，用“区熔法”，提纯金属。

二、逆偏析
k0<1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 ;






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 1 k 0 增大而增大。 1 k 0 较大，则凝固区域宽，倾向体积凝固，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。
Cu P b合金 ，液体存在分层现象— —上部含 因两组元密度相差较大 Sn P b合金 Cu Sn 多，下部含P b多。
①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。 ② 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） Al—Cu 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