偏析的分类
偏析的概念与分类
关于偏析概念及分类合金液在铸型中凝固以后，铸件断面各个部分，以及晶粒内部，往往有化学成分不均匀的现象，这就是偏析。
偏析是一种铸造缺陷。
由于铸件各部分化学成分不一致，势必使其机械及物理性能也不一样，这样就会影响铸件的工作效果和使用寿命。
因此，在铸造生产中，必须防止合金在凝固过程中产生偏析。
偏析可分为三种类型，即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。
对于某一种合金而言，所产生的偏析往往有一种主要型式，但有时，由于铸造条件的影响，几种偏析也可能同时出现。
一、晶内偏析晶内偏析，又称树枝状晶偏析，简称枝晶偏析。
其特征是同一个晶粒内，各部分化学成分不一致，并且往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。
如锡青铜在晶粒轴线上往往含铜较多，含锡较少，而枝晶边缘则相反，这就是晶内偏析。
铸件内产生晶内偏析，一般有二个先决条件，第一，合金的凝固有一定的温度范围；第二，合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速度。
一般的情况下，合金的凝固温度范围愈大，铸件结晶及冷却速度愈快，则原子扩散愈难于进行完全，晶内偏析现象愈严重。
因此，晶内偏析多产生于凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中。
为了防止某些合金的晶内偏析，可以采取细化晶粒措施，以缩短原子扩散距离；或适当提高浇注温度，延缓冷却速度，以延长原子扩散时间但浇注温度不得过高，否则会造成氧化、吸气、晶粒粗大等弊病。
当铸件内已存在晶内偏析时，可考虑采用长则间的扩散退火热处理，以求得到改善。
二、区域偏析区域偏析，即在整个铸件断面上，各部分化学成分不一致的现象，它主要由于合金进行选择凝固所引起的。
区域偏析可分为正向和逆向偏析正向偏析是熔点较低的成分或合金元素熔质集中在铸件的中心和上部，其含量从铸件边缘至中心逐渐增加。
逆向偏析则相反，熔点较低的成分或合金元素熔质集聚在铸件边缘。
如在铜合金中，硅黄铜易出现正向偏析现象，即铸件中心含硅较多；锡青铜则易产生逆向偏析现象，即铸件表面层含锡较多。
合金在一定温度范围内结晶，是产生区域偏析的基本原因。
偏析的分类
通过调整合金元素的比例，使合金成分更加均匀，降低偏析 的可能性。
控制冷却速度和温度梯度
要点一
控制冷却速度
在铸造过程中，通过调整冷却速度，使合金在凝固过程中 保持适当的温度梯度，避免过快或过慢的冷却导致偏析。
要点二
优化温度梯度
合理设置铸造模具的温度和加热/冷却系统，以形成有利于 合金顺序凝固的温度梯度，减少偏析的产生。
实例举证与讨论
实例
钢铁冶金中的反常偏析现象，如高碳钢中的 反常碳偏析
讨论
负偏析对材料的性能有重要影响，如导致力 学性能下降、耐蚀性降低等。因此，在冶金 和材料加工过程中需要采取措施避免或减少 负偏析的产生。例如，通过控制温度梯度和 溶质分配系数、采用合理的工艺参数等方法 来抑制负偏析的形成。
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目前对偏析的检测主要依赖于 金相显微镜、扫描电镜等传统 手段，这些方法的检测精度和 效率有待提高。未来需要开发 更先进的无损检测技术，实现 对偏析的快速、准确检测。
复杂合金体系中偏 析的控制
随着新型复杂合金的开发和应 用，其凝固过程中的偏析现象 更加复杂多变。如何有效控制 复杂合金中的偏析，是当前面 临的一个重要挑战。
优化铸造工艺参数设置
调整浇注温度和速度
根据合金的性质和铸件的结构，合理设置浇注温度和速度 ，确保合金液在型腔中均匀分布。
优化铸造压力和时间
通过调整铸造压力和时间，使合金在凝固过程中获得良好 的补缩效果，减少缩孔、疏松等缺陷的产生，从而降低偏 析的风险。
采用先进的铸造技术
如真空铸造、低压铸造等，这些技术能够减少合金液中的 气体和夹杂物，提高合金的纯净度和均匀性，从而降低偏 析的可能性。
第七章 铸件中的偏析
铸件（ 铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析， 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。 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， 微观偏析：短程偏析， 微观偏析 指微小范围内化学成分不均匀的现象。 指微小范围内化学成分不均匀的现象。
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 型和逆V
带状偏析 重力偏析
（一）枝晶间的流动对宏观偏析的影响： 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： 、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； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 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； 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； •密度差而发生对流 ； 密度差而发生对流
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： 枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法
（1）偏析系数: 偏析系数: (2) 枝晶偏析度
1 − k0
越大，枝晶偏析越严重。 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 ：
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。 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。 必然结果。 按其形式可分为： 按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
（一）枝晶偏析
偏析的分类
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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。
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
枝晶偏析的大小可用 枝晶偏析度Se
Se Cmax Cmin C0
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
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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：
CS k0C0 (1 fS )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。
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 ：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，
钢偏析分类abcdds五大类
钢偏析分类abcdds五大类
钢偏析是指钢中元素与合金元素不均匀地分布的现象，导致钢材的组织结构和性能不一致。
根据钢中元素的分布特点，通常可以将钢偏析分为以下五大类：
1. 冷脆偏析（也称金属偏析）：冷脆偏析是指钢中部分元素在凝固过程中偏向于凝固相，导致凝固相的元素含量增加，剩余熔化相的元素含量减少，从而引起钢材的冷脆性增强。
2. 碳偏析：碳偏析是指钢中碳元素在凝固过程中偏向于凝固相，导致凝固相中的碳含量增加，剩余熔化相中碳含量减少。
高碳钢中碳偏析较为常见。
3. 氮偏析：氮偏析是指钢中氮元素在凝固过程中偏向于凝固相，导致凝固相中的氮含量增加，剩余熔化相中氮含量减少。
4. 锰偏析：锰偏析是指钢中锰元素在凝固过程中偏向于凝固相，导致凝固相中的锰含量增加，剩余熔化相中锰含量减少。
5. 变质偏析：变质偏析是指钢中合金化元素（如铬、镍、钼等）在凝固过程中偏向于凝固相，导致凝固相中的合金化元素含量增加，剩余熔化相中合金化元素含量减少。
这种偏析可导致钢材在热处理或焊接过程中发生变质现象，进而影响其性能。
综上所述，钢偏析可以分为冷脆偏析、碳偏析、氮偏析、锰偏析和变质偏析这五大类。
合金中的成分偏析
元素 S B C V Ti Mo Mn Ni Si Cr 0.01 ~ 0.00 0.01 0.3~ 0.5~ 0.2~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 元素质 2 ~ 1. 4. 1. 4. 2. 4. 3. 8. 量 0. ~ 0 0 2 0 5 5 0 0 分数/% 0.03 0 0.10 4 偏析系
•表11-1
P
不同元素在铁中的偏析系数
二、宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包 括： • 正常偏析 • 逆偏析
• V形偏析和逆V形偏析
• 带状偏析与层状偏析
系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固， a－平衡凝固 b－液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。 偏析反而减轻。
微观偏析的影响因素与消除措施
合金液、固相线间隔 （宽）
偏析程度 的影响因 素
偏析元素的扩散能力 （弱） 冷却条件
（快）
•
微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是
不稳定的。可通过扩散退火或均匀化退火来消
微观偏析程度一般用偏析系数|1－k0|
来衡量。|1－k0|值越大，固相和液相的浓 除，即将合金加热到低于固相线100～200℃的 度差越大，晶内偏析越严重。 温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析 图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但
•
焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。
当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心
相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，
钛合金熔炼时的偏析
钛合金熔炼时的偏析偏析普遍存在于钛合金中，偏析对合金的力学性能具有较大的影响，甚至可能无法获得合格铸锭。
钛合金的偏析一般分为两类：宏观偏析和微观偏析。
固相无限互溶的合金在三维空间内发生枝晶生长时，引起液体流动的动力将导致宏观偏析。
这些动力包括凝固收缩（或膨胀），冷却时的液相收缩，液体内不同密度引起的重力作用，凝固时固相的收缩及移动，大容积内液体对流向枝晶间的穿透，固-液区内气体的形成。
宏观偏析包括正偏析、负偏析和比重偏析。
微观偏析是指通常的铸件生产中，枝晶干（或胞晶干）心部与枝晶间（或胞晶间）成分上的差异，可以用偏析比S R 表示微观偏析的大小。
微观偏析包括晶内偏析和晶界偏析。
钛合金的偏析影响钛合金组织，钛合金的组织缺陷例如难熔金属夹杂、间隙元素偏析，合金元素偏析引起的组织缺陷，反常态的α相形态等对钛合金的使用寿命、性能方面存在致命的影响。
因此在熔炼过程中如何避免偏析必须引起冶金工作者的注意。
有人研究了Ti-10V-2Fe-3Al合金的熔炼偏析。
实验过程采用电子束冷床炉初熔，VAR二次重熔。
图3-19为距铸锭中心15mm和50mm处合金元素的轴向分布。
可以看出，沿着凝固方向，V和Al元素含量逐渐降低，而Fe元素逐渐升高。
这是因为Fe元素是正偏析元素，朝向熔体方向富集，因此从底部到顶部沿着铸锭凝固方向含量逐渐升高。
下文简要分析几种常见的偏析及形成原因，以帮助在熔炼过程中进行防范。
Ⅰ类α偏析：主要是指O、N、C偏析，最常见的为TiN夹杂，也称为软α型缺陷、间隙元素偏析。
这种偏析通常都很硬，会损害疲劳强度和塑性。
当上述元素浓度很高时，可以观察到包括化合物在内的其他相，这些元素只要很少的量就能对钛的硬度产生显著影响。
钛的氮化物和碳化物以及更难出现的氧化物都有较高的熔点，这些物质在钛熔炼时难于熔化和充分散开，因此原材料中要避免这些间隙元素的浓度过高。
高碳偏析区内粗大晶界、碳化物网等薄弱环节吸收了较多的H，会弱化晶界强度，促进碳化物网的脆性倾向。
偏析名词解释
偏析名词解释
偏析是指通过比较和分析，逐个从不同的观点或角度解释和阐明一个名词的含义、特点、属性、分类，以及与其他相关概念的关系等。
偏析可以帮助我们更全面地理解一个名词，深入研究其内涵和外延，加深我们对该名词的认知。
偏析的方法主要包括辨析、对比、分类、概括等。
其中，辨析是对一个名词与其他类似概念进行比较，找出其区别和差异；对比是将一个名词与相关的概念进行对照，确定其相似之处和相异之点；分类是将一个名词按照一定的标准进行划分和归类，明确其范围和内容；概括是通过总结和归纳，提炼一个名词的本质和特点。
偏析对于我们理解和掌握一个名词的意义和内涵非常重要。
首先，偏析可以帮助我们准确理解一个名词的定义和含义。
通过对比分析，我们可以确定一个名词与其他概念的异同之处，从而更加清晰地把握其独特之处。
其次，偏析可以帮助我们深入了解一个名词的属性和特点。
通过辨析和分类的方法，我们可以分析一个名词的不同方面和特征，并将其进行系统的整理和归纳。
此外，偏析还可以帮助我们理清一个名词与其他相关概念之间的关系。
通过对比分析和分类划分，我们可以清晰地了解各个概念之间的相互联系和相互作用。
总之，偏析是通过比较和分析，逐个从不同的观点或角度解释和阐明一个名词的含义、特点、属性、分类，以及与其他相关概念的关系等。
偏析是我们深入理解和掌握一个名词的重要方法和手段，可以帮助我们更全面地把握和运用这个名词。
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
钢偏析分类abcdds五大类
钢偏析分类abcdds五大类
摘要：
1.钢偏析的概念与分类
2.钢偏析的五大类别
3.钢偏析的影响与应用
正文：
钢偏析是指在钢材中，由于化学成分和热处理的不均匀，导致钢材内部出现不同的组织结构和性能。
钢偏析可以分为五大类，分别是a 类、b 类、c 类、d 类和s 类。
a 类偏析是指在钢材的表面形成的一层富碳的薄膜，这种薄膜的厚度一般在0.1-1μm 之间，可以提高钢材的硬度和耐磨性。
b 类偏析是指在钢材内部的一种组织结构，这种结构中，铁素体和渗碳体以一定的比例存在，可以提高钢材的强度和韧性。
c 类偏析是指在钢材中的一种碳化物偏析，这种偏析可以使钢材的碳含量分布更加均匀，从而提高钢材的性能。
d 类偏析是指在钢材中的一种二次渗碳体偏析，这种偏析可以使钢材的硬度和强度得到提高。
s 类偏析是指在钢材中的一种硫化物偏析，这种偏析可以使钢材的硫含量分布更加均匀，从而提高钢材的性能。
钢偏析对钢材的性能有着重要的影响，可以提高钢材的强度、硬度和耐磨性。
铸锭宏观偏析
铸锭宏观偏析
铸锭宏观偏析是指在铸锭中存在的化学成分不均匀分布的现象。
它包括正常偏析、反常偏析和比重偏析。
宏观偏析造成铸锭组织和性能的不均匀性，与各结晶带的形成密切相关，往往在特定区域成条带状分布。
它受材料本性、浇铸条件、冷却条件等许多因素影响，虽然无法绝对避免，但应当控制在一定范围之内。
宏观偏析的大小程度通常用偏析量、偏析度以及偏析差别等来量度。
铸锭宏观偏析的分类方法有多种，其中一种是按照偏析元素在铸锭横截面上的分布形状进行分类。
此外，低倍检验方法也可以用于判定宏观偏析的类型。
因此，铸锭宏观偏析是一个重要的冶金学问题，对于铸锭的质量和性能具有重要影响。
为了减少宏观偏析，可以采取一系列措施，如优化浇铸条件、控制冷却速度、选择合适的合金成分等。
铸造金属凝固原理第- 化学成分
第三组元对逆偏析倾向的影响
通过影响枝晶的形态和尺寸影响溶质的分布
• 当合金结晶时，树枝状晶较大而且枝晶较长时，枝晶变得 复杂，从固相排出的溶质浓缩在枝晶之间，促进微观偏析。 铸件收缩时，含溶质高的液相容易沿着树枝状晶间的孔隙 向激冷方向移动。如果树枝状晶短小，形态也变得简单， 从固相排出的溶质也不易被枝晶间捕获，枝晶间的通道也
第15章 凝固过程中的偏析
15.1 概述
偏析 Segregation
微观和宏观的化学成分不均匀
分类
➢ 微观（短程）偏析、宏观（长程）偏析； ➢ 正偏析、负偏析。
产生原因
近平衡条件下的溶质再分配
偏析对铸件的影响
物理化学性能 力学性能 缺陷：热裂、夹杂 工艺性能
15.2 微观偏析
1 枝晶偏析（晶内偏析）
CL (x ′) =C0[1+1-kk00
exp(- v DL
x ′)]
- k0v x
CS′=C0[1（- 1- k0）exp DL ]
• 第三种情况。在固体内没有溶质的扩散，而液体则得到完 全的混合。
CS′= k 0C0(1- f S )k0-1
C
L′=C
0f
k L
0
-1
• 各种情况（假定柱状晶单向、平界面生长、无结晶游离）
5 密度偏析
产生
液固共存，或相互不混合的液相之间存在 密度差时，由于对流造成。
实例 Cu-Pb、Sb-Sn合金
防止或减轻的方法
— 充分搅拌， — 增加铸件冷却速度，减少处于液态的时间 — 加入第三组元，形成树枝状骨架阻止沉浮
凝固缺陷及控制
凝固缺陷及控制凝固缺陷是金属在冷却凝固过程中极易出现的一类缺陷，它们以不同的类型和形态存在于固态金属中，对金属的性能产生不同程度的影响。
本章主要介绍偏析、气孔、夹杂、缩孔、缩松和裂纹等重要凝固缺陷的形成机理、影响因素及控制措施。
第一节合金中的成分偏析根据偏析范围的不同，可将偏析分为：微观偏析和宏观偏析两大类。
微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。
宏观偏析是指凝固断面上各部位的化学成分不均匀现象，按其表现形式可分为正常偏析、逆偏析、重力偏析等。
、微观偏析（一）晶内偏析晶内偏析：是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。
枝晶偏析：固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异。
这种在树枝晶内出现的成分不均匀现象又称为枝晶偏析。
晶内偏析程度取决于合金相图的形状、偏析元素的扩散能力和冷却条件。
（1）合金相图上液相线和固相线间隔越大，则先、后结晶部分的成分差别越大，晶内偏析越严重。
（2）偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，晶内偏析倾向就越大。
如硅在钢中的扩散能力大于磷，故硅的偏析程度小于磷。
（3）在其他条件相同时，冷却速度越大，则实际结晶温度越低，原子扩散能力越小，晶内偏析越严重。
但另一方面，随着冷却速度的增加，固溶体晶粒细化，晶内偏析程度减轻。
因此，冷却速度的影响应视具体情况而定。
晶内偏析程度晶内偏析的危害：使晶粒内部成分不均匀，导致合金的力学性能降低，特别是塑性和韧性降低。
（二）晶界偏析在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，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。
晶界偏析的产生一般有两种情况：（1）两个晶粒并排生长，晶界平行于晶体生长方向。
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，此处有利于溶质原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析。
偏析的分类
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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C 与合金原始平均浓度C 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。 称为正偏析 正偏析， 称为负偏析 负偏析。 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。 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， 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： 现在以下几个方面： 微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异， （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。 的力学性能。有时使铸件难于加工。 晶界偏析往往有更大的危害性， （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， 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。 又能降低铸件的塑性。 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， （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。 影响铸件的使用寿命和工作效果。
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晶内偏析（枝晶偏析） 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 分别表示含30%Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固时固 30%Cu 溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、 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。 成分随温度的变化。
铸造-气孔及夹杂、偏析
第三章铸件中的气孔3.1铸件中气体的存在形态：原子、化合物、分子。
以氮为例子：原子的氮：固溶体，氮与金属反应，氮化物，氮以气体方式存在：氮气，形成气孔。
前两种方式：不是咱们本节讨论的问题，因此不予讨论。
本节主要讨论以分子方式存在所产生的问题。
3.2铸件中的气孔的种类概念：气孔：铸件在凝固过程中气体残留在铸件中形成的孔洞---气孔（1）析出性气孔：在金属溶液中, ------- 温度高,------气体的溶解度高, ——温度降低, ……金属溶解度降低--――气体析出一一析出的气体来不及排出一一残留在铸件内部一一形成气孔。
这种气孔主要是由溶液中析出的，因此称为析出性气孔。
形成部位：气体在溶液中各个部位均有溶解，因此，析出性气孔在铸件整个断面上均有，可以呈现大面积分布。
在冒口、铸件厚壁部位：溶液凝固较晚，气体容易向此处转移，因此，在此部位容易出现析出性气孔的聚集，在此部位分布比较密集。
形状：球团形、多角裂纹形，断续裂纹形或混合型（2）反应性气孔：金属液与铸型或金属液内部各种成分之间产生化学反应，产生一定的气体，这些气体在金属液凝固过程中来不及排出铸件之外，在铸件中形成气孔。
C+02 ' CON2+H2 气体是由化学反应造成的，因此成为反应性气孔。
产生部位：主要原因：与铸型之间NH3的反应：因此一般在铸件表面或铸件表面1~3 毫米以下。
出现在铸件表面以下：一般称为皮下气孔。
（主要原因：金属液与助兴之间的反应产生）金属液内部各成分之间产生的反应，在整个断面上出现，因此，气孔也出现在整个断面上。
形状：一般应该为圆形，产生后有向铸件外逸出的趋势，因此在向外逸出的过程中（3）侵入性气孔金属液外部的气体进入到金属液内部，在金属液凝固过程中来不及逸出到金属液外部而残留在铸件内部，所形成的气孔，称为侵入性气孔。
最主要原因：水分：受热后液态变为气态，体积大大膨胀，产生非常高的压力，在压力作用下进入金属液内部。
特点：在整个铸件断面上分布，但靠近铸件表面分布密集。
碳化物偏析级别
碳化物偏析级别
碳化物偏析是一种钢铁材料中的重要缺陷，其产生原因是在钢铁冷却过程中，碳元素会倾向于和铁原子结合成Fe3C晶体的形式，而在晶界附近会形成丰富的碳化物。
这种现象会导致钢铁材料在晶界附近出现高碳化物的偏析，从而降低材料的强度和韧性，严重时甚至会引发裂纹和脆断等质量问题。
钢铁材料中碳化物偏析级别可以根据晶界附近的碳浓度来进行分类。
一般来说，碳浓度在0.2%以下的钢铁材料可以认为是无碳化物偏析的级别，0.2%-0.5%之间的则为低级别碳化物偏析，0.5%-1%之间的为中级别碳化物偏析，而高于1%的则为严重碳化物偏析。
为了降低碳化物偏析的级别，可以通过改变冷却速度、合理控制钢铁中的元素含量、优化冶炼工艺等手段来实现。
此外，钢铁材料的加工和使用过程中也需要注意避免对碳化物偏析造成影响，以保障材料的质量和性能。
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一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响
研究发现，液态金属沿枝晶间的流动对铸件产生宏观 偏析起着重要的作用。金属沿枝晶间流动的原因主要是： 1）熔体本身的流动驱使固液两相区内的液体流动； 2）由于凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 3）由于密度差而发生的对流。 在凝固过程中铸件中存在温差，因此，在同一时刻 铸件各处未凝液相的数量是不同的。
图10.5碳对硫磷在铸锭 中枝晶偏析的影响
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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，如图10-2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。
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
1.00～ 8.0
偏析系数|1－ k0|
0.94
0.90
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（a)两个晶粒并排生长
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晶 界 偏 析
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
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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枝 晶 偏 析
某元素在铸件中的枝晶偏析程度因其 它元素存在而又相当大的变化。例如，硫、 磷在碳钢中的枝晶偏析程度与碳含量有关， 如图10.5所示。 随着碳含量的增加，硫、磷在碳钢中的 枝晶偏析程度明显增加。这可能是由于碳改 变了硫、磷在钢中的分配系数和扩散系数的 缘故。 晶内偏析是不平衡结晶的结果，在热力 学上是不稳定的。如果采取一定的工艺措 施，使溶质进行充分扩散，就能够消除晶 内偏析。生产是那个常采用扩散退火或均 匀化退火来消除晶内偏析。
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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。
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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。
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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：
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。
• 在保证凝固前沿为平界面时，铸件内的宏观偏析可用Scheil方 程近似的描述。但在实际生产条件下，保证凝固前沿为平面是 困难的，往往存在两相区。此时，铸件生产宏观偏析的途径：1） 在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；2）在固液两相区内液体 沿枝晶间的流动。下面我们将就有关宏观偏析的问题进行讨论。
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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。 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。 （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。
Ni-Cu合金的铸态组织（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。
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§6-2宏
观
偏
析
• 宏观成分偏析是铸锭，特别是合金铸锭和大型铸件生产中经常 遇到的一种铸造缺陷。它的形成不仅取决于合金自身的结晶特 点，而且与凝固过程中的传热、传质以及液相的流动方式密切 相关。本世纪以来，随着钢铁工业和科技的飞速发展，人们对 凝固中出现的各种宏观偏析现象进行了大量的、系统的研究。
表10.2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 0.15 Ni 0.05
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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。
fS CS k0C0 1 1 k 0
DS
S2
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
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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。
表10-1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
DS
S2
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。
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。
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
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
枝晶偏析的大小可用枝晶 偏析度Se
Cmax Cmin Se C0
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
图10-3 胞状生长时溶质分布示意图
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三、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。 图6-10为图6-4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。
b)两个晶粒面对面生长
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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 状结构由一系列平行的棒状晶体所组成，沿凝固方向长大，呈六方断面。 由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，如图10-3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。
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一、晶间液体的流动对宏观偏析的影 响
• 1、产生宏观偏析的条件
• 当考虑枝晶间有液体流动时，枝晶的溶质分布可用 下式描述
C k 0 c 0 1 f s
* s
k 0 1
q
q 1 1
q 0
偏析的分类和定义
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凝
液 态 金 属
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固