合金中的成分偏析.ppt

第十一章凝固缺陷与控制 1 第一节合金中的成分偏析 第十一章凝固缺陷与控制 2 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 偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散不充分引起的 偏析对合金的力学性能 抗裂性能及耐腐蚀性能等有程度不同的损害 偏析也有有益的一面 如利用偏析现象可以净化或提纯金属等 第十一章凝固缺陷与控制 3 一 微观偏析二 宏观偏析三 焊接熔合区的化学成分不均匀 第十一章凝固缺陷与控制 4 一 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 第十一章凝固缺陷与控制 5 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 第十一章凝固缺陷与控制 6 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 第十一章凝固缺陷与控制 7 晶粒并排生长 晶界平行于晶体生长方向 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 第十一章凝固缺陷与控制 8 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 液界面前沿富积 在最后凝固的晶界对合部位将含有较多的溶质和其他低熔点物质 造成晶界偏析 第十一章凝固缺陷与控制 9 偏析程度的影响因素 合金液 固相线间隔偏析元素的扩散能力冷却条件 宽 弱 快 微观偏析的影响因素与消除措施 第十一章凝固缺陷与控制 10 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 表11 1不同元素在铁中的偏析系数 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 即将合金加热到低于固相线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 第十一章凝固缺陷与控制 11 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重力偏析 第十一章凝固缺陷与控制 12 图11 3单向凝固时铸棒内溶质的分布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 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 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 第十一章凝固缺陷与控制 13 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 焊缝极易产生纵向裂纹 第十一章凝固缺陷与控制 14 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 Al 4 7Cu合金铸件的逆偏析 第十一章凝固缺陷与控制 15 图11 5铸锭产生V形和逆V形偏析部位示意图 由于密度的差异 先凝固部分结晶沉淀 在铸锭的下半部形成低于平均成分的负偏析区 上部则形成高于平均成分的正偏析区 当铸锭中央部分在凝固下沉时 侧面向斜下方产生拉应力 在其上部形成逆V形裂缝 并被富含溶质的液相所填充 最终形成逆V形偏析带 第十一章凝固缺陷与控制 16 带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中 有时是连续的 有时则是间断的 偏析的带状总是和液 固界面相平行 带状偏析的形成是由于固 液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故 焊缝凝固中的层状偏析与带状偏析机理相同 第十一章凝固缺陷与控制 17 图11 9熔合区中硫的分布注 上面数字E 11 76kJ cm下面数字E 23 94kJ cm 焊缝 母材 硫的浓度wS 熔合线 三 焊接熔合区的化学成分不均匀 熔合区是母材与熔池的界面 Tm温度下由于S P等杂质元素在固相中的平衡含量远低于液相 造成近界面部位母材中的S P向焊缝中转移 在界面前沿的液相中形成杂质元素富集层 随后快速凝固 熔合区的化学成分不均匀程度与焊接规范有关 大的焊接线能量会使不均匀程度加剧 见图中三组数据中的下行 第十一章凝固缺陷与控制 18 图11 10异种钢接头熔合区中