偏析的分类ppt课件.ppt

,偏析的分类和定义,液态金属,体积收缩,变形缩孔缩松,热裂纹冷裂纹,气体元素杂质元素,化合物,夹渣,气泡,气孔,过饱和析出,降温凝固,受拘束,应力,滞留,成分偏析,非平衡凝固,低熔点共晶,凝固缺陷,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：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CSC0者，称为正偏析，CSC0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。,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。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。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：,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：,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,由此可知，枝晶偏析的产生主要决定于：溶质元素的分配系数k0和扩散系数DS，冷却条件和枝晶间距。,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(k01时)或k0愈大(k01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，l1-k0l称为偏析系数。,表10-1不同元素在铁中的偏析系数,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。,枝晶偏析,枝晶偏析的大小可用枝晶偏析度Se,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,枝晶偏析比SR,表10.2几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se,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。,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。,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(106108/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。,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。,枝晶偏析,图10.5碳对硫磷在铸锭中枝晶偏析的影响,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。,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。,（a)两个晶粒并排生长,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108m。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。,晶界偏析,b)两个晶粒面对面生长,两个晶粒彼此面对面生长，在固/液界面处溶质被排出（k0Co）、逆偏析（CsCo）、V形偏析、逆V形偏析、带状偏析、密度偏析、区域偏析、层状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,36,形成宏观偏析的途径,在凝固早期所形成的固体相或非金属夹杂的漂浮或下沉；两相区内的液态在枝晶间隙中流动。,2011年8月3日,材料加工工程,37,V型偏析和逆V型偏析简介,常出现在大型铸锭中，一般呈锥型，偏析带中含有较高的C以及P和S杂质,2011年8月3日,材料加工工程,38,形成机理,.：固-液界面偏析元素的富集将阻碍结晶的生长，出现周期性结晶。由于结晶沉淀，在铸锭的下半部形成溶质浓度低于平均成分的负偏析区，上半部则形成高于平均成分的正偏析区,2011年8月3日,材料加工工程,39,V形偏析,大野认为，铸锭在凝固过程中，由于结晶堆积层的中央下部收缩下沉；而上部不能同时下沉，就会在堆积层上方产生V形裂缝，V形裂缝被低熔点的溶质填充，便形成V形偏析,2011年8月3日,材料加工工程,40,逆V形偏析,铃木：逆V形偏析的形成是由于密度小、溶质浓度高的金属液沿固-液界面上升所引起的。另一种看法是，当铸锭中央部分在凝固过程中下沉时，侧面向斜下方产生拉力，在其上部形成逆V形裂缝，且被低熔点溶液所填充，形成逆V形偏析。,2011年8月3日,材料加工工程,41,影响偏析的因素,降低铸锭的冷却速率，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动助力减小，促进溶质富集液相的流动，均会增大形成V形偏析和逆V形偏析的倾向,2011年8月3日,材料加工工程,42,带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,43,带状偏析定义,区域偏析的一种特殊形式，指铸锭中某些局部区域的化学成分与其周围区域存在差异的现象。钢锭中的带状偏析按其分布特征，可分为型偏析（倒V型偏析）和V型偏析两种,2011年8月3日,材料加工工程,44,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。,带状偏析成因：溶质再分配成分过冷,2011年8月3日,材料加工工程,45,图（b)由于固-液界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固-液界面前方过冷度较大的部位优先生长，并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围），在固-液界面其钠盐的溶质浓度降低。,图（a)中的固-液界面，在液体金属中的溶质扩散速率低于固体的生长速率时，产生溶质偏析（富集），固-液界面处的实际过冷度将下降。,2011年8月3日,材料加工工程,46,图（c）所示，固-液界面前沿过冷度又相对增大。由于液固界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固液界面前方过冷度较大的部位优先生长，并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围），在固液界面前沿的溶质浓度降低,图（d)中枝晶继续成长将与邻近的枝晶连接在一起，形成平滑界面；固-液界面推进又会引起固-液界面的过冷度下降,2011年8月3日,材料加工工程,47,固液界面推进又会引起固液界面的过冷度下降,如图（e）和图（f）所示，结晶前沿的成长又会出现新的停滞。如此重复，在逐渐断面可能会出现数条带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,48,图（g）所示，当固-液界面过冷度降低，固-液界面推进受到溶质偏析的阻碍时，由于界面前方的过冷度较大，从侧壁上可能产生新的晶粒并继续长大，从前方横切溶质农化带，也能形成带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,49,带状偏析的形成不进与固液界面溶质富集而引起的过冷程度有关，而且受晶体成长速率变化的影响当固液界面前方有对流或搅拌时，由于溶质的均匀化，可阻止带状偏析的形成如果减少溶质的含量，采取孕育措施细化晶粒，加强固液界面前的对流和搅拌，都能够防止或减少带状偏析的形成,减少带状偏析方法,断口附近纵向截取面上可看到近中心区有明显的带状组织偏析。图中黑色条状即组织偏析区,2011年8月3日,材料加工工程,50,碳化物带状偏析是国产H13钢普遍存在的质量问题,其形成原因是由于碳和合金元素沿锻轧方向的偏析所引起。在钢锭冷却时,钢液中分配系数小于1的合金元素和杂质元素不断从树枝晶析出,因而这类元素在树枝晶间区域的浓度明显高于树枝晶内的浓度。由于这种微观结晶偏析,在枝晶间最后凝固的部分富集着碳和合金元素,凝固后形成大量的碳化物,在锻轧过程中它逐步沿热加工方向延伸成带状。,碳化物带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,51,带状偏析对H13钢芯棒的使用性能有很大影响。由于带状组织相邻带的显微组织不同,淬回火后在带之间会产生应力集中。带状偏析的存在会造成钢材的冲击韧性,塑性和断裂韧性等降低,并具有明显的各向异性,而且碳化物集聚区域最易成为疲劳裂纹源。因此,对芯棒材料要严格控制碳化物带状偏析。,碳化物带状偏析,重力偏析,在铸锭中经常发现底部和顶部存在着明显的成分差异。这除了是由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析外，在许多场合，是由于固、液两相之间或互不相溶的液相之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象而造成的，故称重力偏析。重力偏析产生在铸件凝固之前或刚刚开始凝固之际。绝大多数的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要下沉，所谓的“结晶雨”即指此而言，从而使铸锭上部和下部的化学成分不同。例如Cu-Pb合金，由于铜和铅的密度相差较大，液体存在分层现象，上部含Cu多，下部含Pb多，在浇注前即使搅拌，凝固后的铸件也会产生重力偏析。,重力偏析,铸件在凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，在重力作用下，发生向上或向下流动，也形成重力偏析。例如，一断面均匀的Al-4.5%Cu合金铸件，水平浇注，一端设置冒口，如图所示。,铸件从另一端沿水平方向单向凝固，在凝固前沿的固液两相区内液体沿X轴方向存在温度、成分和密度差。靠近固相边界的流体含Cu量高，密度大，在重力作用下向下流动，导致重力偏析的产生。,重力偏析,在其它条件相同时，固液相之间或互不相溶的液体之间的密度差越大，则重力偏析越严重。因此，一些以W、Pb等重金属为溶质的合金或一些以铝镁等轻金属为溶质的合金，如何防止或减轻重力偏析是生产中的主要问题之一。加快结晶速度，机械搅拌液态金属可以减轻重力偏析。加入第三组元，形成高熔点、密度与液相相近的固相，先形成枝晶骨架，可阻止偏析相浮沉。例如，向Pb-Sn17%合金中加入1.5%Cu，首先形成CuPb骨架，即可减轻和消除比重偏析。,宏观偏析的预防与消除,宏观偏析是由于铸件在凝固期间固相和液相的沉浮以及未凝固的液体在枝晶间的流动等造成的铸件各个部位间的化学成分不均匀的现象，是一种较长距离的偏析。通过均匀化退火很难完全消除。,防止对策：对于因密度差异所造成的重力偏析，可通过在熔炼时和浇注前充分搅匀合金熔液；尽量缩短合金熔液停放时间；加入某种合金元素，遏制比重偏析，铸件凝固时，强化冷却，加速凝固；合理控制铸