偏析的分类PPT课件

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。
DS S 2
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
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。
现在用图6-1说明固溶体合金C0 成分的不平衡结晶过程。
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 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。
• 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。
CS k0C0(1fS)k01
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。
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
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。
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：
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。
枝晶偏析
当考虑固相中有扩散、液相均匀 混合时描述为：
CS
k0C0
11fSk0
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。
（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。
10-1 微 观 偏 析
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。 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。 一、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。
偏析的分类和定义
凝 固缺 陷
气泡
液
气体元素 杂质元素 过饱和析出
滞留
化合物
气孔 夹渣
态 非平衡凝固
成分偏析
金 受 拘
属 降温凝固 体积 束
收缩
低熔点共晶
应力 变形 缩孔 缩松
热裂纹 冷裂纹
化学成分的不均匀性
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 程中的选分结晶，导致晶体中的偏析是不可避免的。偏析分为 两种：
1.00 ～
1.00 ～
0.03 0.04 0.10 1.0 4.0 1.20 4.0 2.50 4.50 3.0
1.00～ 8.0
偏析系数|1－ k0|
0.94
0.90
0.87
0.74
0.62
0.53
Βιβλιοθήκη Baidu
0.51
0.86
0.65
0.35
0.34
枝晶偏析
枝晶偏析的大小可用枝晶 偏析度Se
Se Cmax Cmin C0
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，
带状偏析，重力偏析
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。
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
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
表10.2几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se
元素 S P C W V Mo Si Cr Mn Ni
Se
2.0 1.5 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.15 0.05
枝晶偏析
冷却速度的影响 冷却速度v0对枝晶偏析的影响是通过和s体现的。
CS
k0C0
11fSk0
DS S 2
曾认为，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。
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。有时使铸件难于加工。
（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。
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。
元素
表10-1不同元素在铁中的偏析系数
P S B C V Ti M0 Mn Ni Si
Cr
质量分数(%)
0.01 ～
0.01 ～
0.00
2 ～
0.30 ～
0.50 ～
0.20 ～
1.00 ～
1.00 ～
• 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。
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