铸件的化学成分不均匀性

研究表明，合金以枝晶方式生长时，在整个晶 粒有90%以上的熔体是以充填分枝之间的方式结 晶的，即由枝晶的侧面结晶，枝晶的侧面生长往 往接近于平面方式。因此，各组元在枝干中心与 其边缘之间的浓度分布可近似地用Scheil方程式 进行描述。

Scheil方程式是在假定固相无扩散而液相均匀 混合的条件下推导出来的。当考虑到固相有扩散 * C S 时，界面上固相的溶质浓度 与其固相分数 f S 之 间的关系可由下式描述：

1.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。 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，又称为枝晶 偏析。

Ni-25%Cu铸件中的枝晶偏析10×
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
Al-Cu合金铸件中的枝晶偏析
2.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。 晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降低合金的塑 性与高温性能，又增加热裂纹倾向。

晶粒并排生长
晶粒并排生长， 晶界平行于晶体 生长方向，在晶 界与液相的接触 处存在凹槽，溶 质原子在此处富 集，凝固后就形 成了晶界偏析。
晶粒相对生长
晶粒相对生长，在对 合处彼此相遇。晶粒结 晶时所排出的溶质（k0 ＜1）和其他杂质元素 在固-液界面前沿富集， 在最后凝固的晶界部位 将含有较多的溶质和其 他低熔点物质，造成晶 界偏析。
3.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）
第7 章 铸件的化学成分 不均匀性

什么叫偏析？ 为什么会出现偏析？ 偏析的利弊？ 偏析的分类
合金在凝固过程中发生 的化学成分不均匀现象 称为偏析



偏析对合金的力学性能、 抗裂性能及耐腐蚀性能 偏析主要是由于合金 等有程度不同的损害。 在凝固过程中溶质再分 偏析也有有益的一面， 配和扩散不充分引起的 如利用偏析现象可以净 化或提纯金属等
微观偏析程度一般用偏析系数|1－k0|来衡量。|1 －k0|值越大，固相和液相的浓度差越大，晶内偏析 越严重。

不同元素在铁中的偏析系数
B C V Ti Mo Mn Ni Si Cr 0.002 0.3~ 0.5~ 0.2~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 元素质量 0.01~ 0.01~ ~ 1. 4. 1. 4. 2. 4. 3. 8. 分数/% 0.03 0.04 0.10 0 0 2 0 5 5 0 0 偏析系数 0.94 0.90 0.87 0.74 0.62 0.53 0.51 0.86 0.65 0.35 0.34 |1－k0| 元 素 P S

产生宏观偏析的原因：
①在铸件（锭）的结晶初期，由固相或液相的
沉浮而引起区域性的化学成分分布不均； ②在固-液两相区内液体沿枝晶的迁移运动而引 起区域性化学成分分布不均。
铸件断面宏观偏析与合金的结晶特点有密切的 关系。

例：厚壁铸钢件C、S、P的偏析规律与铸钢的
结晶特点有着内在联系，如图所示。 铸件表层细等轴晶区基本上没有偏析现象；在 柱状晶区内，C、S、P的含量甚至比原平均成分 稍低；在柱状晶和等轴晶之间偏析物质最多；在 中心等轴晶区基本上没有明显的宏观偏析现象。
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除，
即将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，
进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，以 达到均匀化。
7.2宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的化学成分不均匀现 象，包括： 正常偏析 逆偏析 V形偏析与逆V形偏析 带状偏析 重力偏析
偏析的分类
根据偏析的分布特点可分为： 微观偏析 晶内偏析 晶界偏析 宏观偏析 正常偏析 逆偏析 V形偏析和逆V形偏析 带状偏析 重力偏析
7.1 微观偏析 7.2 宏观偏析
7.1.微观偏析

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） 晶界偏析 微观偏析的影响因素与消除措施
厚壁铸钢件断面C、S、P偏析规律 与结晶特点的关系
正常偏析
铸件的凝固总往往是由外层逐渐向中心推进。 对于溶质分配系数k0＜1的合金凝固时，凝固界面 的液相中将有一部分溶质被排出，随着温度的降 低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固 相，溶质浓度越高。对于k0＞1的合金，则固—液 界面的液相溶质减少，越是后来结晶的固相，溶 质浓度越低。这种成分偏析称为正常偏析。
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增 大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较 高时，合金倾向于体积凝固，偏析反而减轻。
正常偏析
单向凝固时铸棒内溶质的分布
ຫໍສະໝຸດ Baidu
偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消 除，但可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行 提纯精炼。
区域熔化法示意图
多次通过提纯示意图
* CS k0C0 (1
f S ( k0 1) ) 1 k0
2t
式中，
固相扩散因子；
DS

偏析比 晶内偏析的量化指标通常采用偏析比 S R表示， 所谓偏析比是指晶内最高溶质浓度 Cmax 与最低溶 质浓度 C 之比值，即：

min
SR
C max C min
S R 值越大，表示偏析越严重。
逆偏析
逆偏析是指在溶质分配系数k0＜1的合金中，虽 然凝固是由外层逐渐向内进行的，但在外层的一定 范围内溶质分布由外向内逐渐降低，这恰好与正常 偏析相反，故称逆偏析或反偏析。 逆偏析的成因：在于结晶温度范围宽的固溶体合 金，在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互 交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩 时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。
逆偏析
Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析
防止或减少逆偏析的措施 （1）增大温度梯度，加大合金凝固速度，或向合 金添加晶粒细化剂，这将有助于抑制液体的 晶间流动。 （2）减小液态金属在结晶过程中所受的压力，包 括减少合金液的含气量。