铸件中的偏析PPT课件
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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。
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）
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 k0 增大而增大。 1 k0 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，
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。
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：
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%
考虑固相中有扩散：
C*S
k0C0 1
fS
1 k0
k0 1
式中：
DS：溶质在固相中的扩散系数
：局部凝固时间
S：枝晶间距的一半
DS S2
fS：固相分数
C0：原始浓度
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：
（1）偏析系数: 1 k0 越大，枝晶偏析越严重。
(2) 枝晶偏析度
Se
Cmax Cmin C0
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
u
u
u
CS C0 --不存在宏观偏析
（2）q<1
v u 1
K0<1时 → C*S
此时 CS C0 产生正偏析
v u 1
v u 1
K0<1时 →
C*S
（3) q>1
讨论：
v K0<1时 → u 1
C*S
此时
CS C0 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。
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：
（二）晶界偏析
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
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：
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。
C*S
k0C0
1 fS
k0 1
q
q
1
1
q>0
C*S ：固液界面上固相的溶质浓度 k0 C0 fs 同号；
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， 1 v讨 论 ：v
应加以控制。
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 ;
铸件中的偏析
铸件（锭）中化学成分不均匀的现象 称为偏析，是铸件的主要缺陷之一。
偏析的分类 微观偏析 宏观偏析
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，
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。
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
缩 增
加 短
一 一
次 次
分 分
枝 枝
长 长
度 度
的 的
元素 元素
， ，
促 获
使 得
逆 正
偏 常
析 偏
：Cu Sn 析 ：Fe
8%
但P减 小 一 次 分 枝 长 度 ， 但助 长Sn逆 偏 析— — 例 外
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）
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 k0 增大而增大。 1 k0 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，
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。
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：
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%
考虑固相中有扩散：
C*S
k0C0 1
fS
1 k0
k0 1
式中：
DS：溶质在固相中的扩散系数
：局部凝固时间
S：枝晶间距的一半
DS S2
fS：固相分数
C0：原始浓度
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：
（1）偏析系数: 1 k0 越大，枝晶偏析越严重。
(2) 枝晶偏析度
Se
Cmax Cmin C0
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
u
u
u
CS C0 --不存在宏观偏析
（2）q<1
v u 1
K0<1时 → C*S
此时 CS C0 产生正偏析
v u 1
v u 1
K0<1时 →
C*S
（3) q>1
讨论：
v K0<1时 → u 1
C*S
此时
CS C0 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。
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：
（二）晶界偏析
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
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：
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。
C*S
k0C0
1 fS
k0 1
q
q
1
1
q>0
C*S ：固液界面上固相的溶质浓度 k0 C0 fs 同号；
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， 1 v讨 论 ：v
应加以控制。
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 ;
铸件中的偏析
铸件（锭）中化学成分不均匀的现象 称为偏析，是铸件的主要缺陷之一。
偏析的分类 微观偏析 宏观偏析
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，
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。
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
缩 增
加 短
一 一
次 次
分 分
枝 枝
长 长
度 度
的 的
元素 元素
， ，
促 获
使 得
逆 正
偏 常
析 偏
：Cu Sn 析 ：Fe
8%
但P减 小 一 次 分 枝 长 度 ， 但助 长Sn逆 偏 析— — 例 外