连铸微观偏析基本知识

DS
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几种元素在铁中的k0和【1- k0】示于下表。可以看 出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
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
0.00 0.30 0.50 0.20 1.00 1.00 1.00 1.00 2 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 1.0 4.0 1.20 4.0 2.50 4.50 3.0 0.10
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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。
（b）两个晶粒面对面生长
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1.3 胞状偏析
固溶体合金凝固时，若成分过冷不大，晶体会呈胞状方式生长。 胞状结构由一系列于凝固过程中溶质再分配，当合金的平衡分配系数k0 < 1时，六方断面的晶界处将富集溶质元素，如下图所示；当k0 > 1时， 六方断面晶界处的溶质会贫化。这种化学成分不均匀性称为胞状偏 析。
图为冷速对镁合金 (Mg-0.2Ca)中Ca的 枝晶偏析的影响。可以看出，即使冷却速 度很小，SR仍大于1，这表明铸锭中仍存在 枝晶偏析，且随冷却速度的增大而增大。 当冷却速度增大到某一值后，再继续增加 冷却速度，枝晶偏析程度减轻。
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1.2 晶 界 偏 析
在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物富集于 晶界，使晶界与晶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。晶界偏析的产生有两种情 况，如下图所示。 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 晶界与液相交界的地方，会 出现一个凹槽，深度可达10 ~ 8 μm。此处有利于溶质原 子的富集，凝固后就形成了 晶界偏析，如图（a）所示。
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枝晶偏析的描述：
当不考虑固相中的扩 散时，用Scheil方程式 （非平衡结晶时的杠 杆定律）描述：
CS k0C0 (1 f S )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。
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
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枝晶偏析的大小可用枝晶 偏析度Se和枝晶偏析比SR 表示 Cmax Cmin 枝晶间最大溶质浓度 Se SR C0 枝晶干最小溶质浓度
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1.微 观 偏 析
前言：微观偏析按其形式分为枝晶偏析、晶界偏析 和胞状偏析。它们的表现形式虽不同，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。 1.1 晶内偏析（枝晶偏析） 晶内偏析产生于具有结晶温度范 围，能形成固溶体的合金中，在 铸造条件下，当合金冷却较快时 ，将形成不平衡结晶。 现在用右图说明固溶体合金C0 成分的不平衡结晶过程。
Ni-Cu合金的铸态组（SEM）
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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，因为它属于一 个晶粒范围的成分不均匀，所 以也称为晶内偏析。
如右图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 布。
冶金工艺设计与研究
课题方向: 连铸过程中的微观偏析 学 生：史晓东 学 号：20103316 指导老师：陈登福
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课题研究目录
1.凝固与微观偏析的基本知识 2.连铸坯中微观偏析模型研究 3.微观偏析模型的数学计算 4.微观偏析模型计算分析与讨论
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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。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。 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： （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。 （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，又能降低铸件的塑性。 （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。
fS C k 0 C0 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 S2 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 DS－溶质在固相中的扩散系数 晶偏析愈严重。因此，可用【1- k0】定性地 衡量枝晶偏析的程度。【1- k0】愈大，枝晶 －局部凝固时间 偏析愈严重，【1- k0】称为偏析系数。 S－枝晶间距一半
Cmax－某组元在偏析区 内的最高浓度 Cmin－某组元在偏析区内 的最低浓度 C0－某组元的原始平均 浓度
几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se
元素 Se S 2.0 P 1.5 C 0.6 W 0.6 V 0.4 Mo 0.4 Si 0.2 Cr 0.2 Mn Ni
0.15 0.05
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凝 固 缺
液 态 金 属
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陷
气泡
滞留
气体元素 过饱和析出 杂质元素 非平衡凝固
气孔 夹渣
化合物
低熔点共晶
成分偏析
受 拘 束
热裂纹
应力 变形 缩孔 缩松 冷裂纹
降温凝固
体积 收缩
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偏析的基本知识
铸件(锭)中化学成分不均匀的现象称为偏析。由于金属凝 固过程中的成分结晶，导致晶体中的偏析是不可避免的。 偏析分为两种： 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 ：枝晶偏析，晶界偏析，胞状偏析 宏观偏析 ：正偏析，逆偏析，V型偏析和逆V型偏析， 带状偏析，重力偏析
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谢谢大家，欢迎批评指正
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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。
胞状生长时溶质分布示意图
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2.微观偏析的防止和消除
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。此即为均匀化退火。
如下图所示的Cu-Ni合金经均匀化退火后的组织及与之相对的特征X射线 强度曲线，可以看出，枝晶偏析基本消除。
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冷却速度v0对枝晶偏析的影响是通过和s体现的。
fS C S k 0 C0 1 1 k0
DS
S2
以前认为，冷却速度愈大，枝晶偏 析愈严重。由上述结果可知，这种看法 是不全面的。增大冷却速度有时反而减 轻枝晶偏析，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态组织。
图6-7表示Cu-Sn8%合金单 相凝固时铸态组织中Sn在枝 晶横截面分布的等浓度线。 已知Cu-Sn合金的平衡分配系 数K0=0.36，如不考虑溶质在 固相中的扩散，枝干中心Sn 的浓度应为K0C0=2.9%小于 6%。这说明溶质原子在固相 中的扩散是不可忽视的。
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当考虑固相中有扩散、液相 均匀混合时Scheil方程式描述为：
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（a)两个晶粒并排生长
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两个晶粒彼此面对面生长， 在固/液界面处溶质被排出（k0 < 1），此外，其他低熔点的物质也 会被排挤到固/液界面，即在它们 之间富集大量溶质和低熔点物质； 当两个晶粒相遇时形成晶界，最 后凝固的晶界部分将含有较多的 溶质和其它低熔点物质，从而造 成晶界偏析，如图（b）所示