焊接中合金中的成分偏析

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

偏析是合金在凝固过程中由于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。但利用偏析现象可以净化或提纯金属等。第一节合金中的成分偏析

一、微观偏析

二、宏观偏析

三、焊接熔合区的化学成分不均匀

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。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。Ni-25%Cu合金快凝后的树枝状偏析晶粒并排生长，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。

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。

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元素PSBCVTiMoMnNiSiCr元素质量分数/%0.01~0.030.01~0.040.002~0.100.3~1.00.5~4.00.2~1.21.0~4.01.0~2.51.0~4.51.0~3.01.0~8.0偏析系数|1－k0|0.940.900.870.740.620.530.510.860.650.350.34

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。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，宏观偏析反而减轻。

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。

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。图11-6快速焊时焊缝的区域偏析电弧位置

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合金铸件的逆偏析铸锭的宏观偏析分布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。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。图11-7焊缝的层状偏析a)焊条电弧焊b)电子束焊层状偏析a）b）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硫的浓度wS

/%焊缝母材熔合线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