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文档简介
1、第10章 化学成分的不均匀性,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
2、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
3、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,
4、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
5、。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,
6、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(k0 1时)或k0愈大(k0 1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
7、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
8、。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
9、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10 8 m。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(k0 1),此外,其他低熔点的物质
10、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,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。,图10-3 胞状生长时溶质分布示意图,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
11、热到低于固相线100200,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。,三、微观偏析的防止和消除,均匀化退火时间取决于枝晶间距和扩散系数。所以凡能细化晶 粒的措施,如提高冷却速度,加入晶粒细化剂等,减轻微观偏 析,再通过均匀化退火处理,可消除。 对合金进行孕育处理或加入某些元素往往能使树枝状晶的尺 寸或单位面积上的树枝状晶的数量发生变化,这将改变枝晶内的 溶质分布。 但是晶界上存在的稳定化合物,如氮化物、硫化物和某些碳 化物,即使采用均匀化
12、退火往往也无能为力。因此,对于这些化 合物所引起的晶界偏析,应该从减少合金中氮、硫的含量入手。,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。 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)
13、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。,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。,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,凝固收缩率; 等温线移动速度; 液体沿方向的流动分速度; 固液界面上固相的溶
14、质浓度; K0平衡分配系数; C0原始浓度; fs固相分数。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,若干个枝晶的范围内的平均固相成分: 显然,若 等于C0 时,无宏观偏析,大于C0时,为正偏析,小 于C0时,为负偏析。 决定 值得关键为q,上式即为宏观偏析的判断式。从上式可以看 出,当C0一定时,q 是影响宏观偏析的决定因素。而当C0一定时, 亦为定值。因此对宏观偏析起决定作用的是v/u,即液体流动速度 与等温线移动速度比值得大小及两者的方向。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,以Al-Cu4.5%合金为例,分析v/u对宏观偏析的影响(如图6-12)。该合金的凝固收缩系数为=0.057。,当
15、,即 将代入公式(6-1),公式(6-1)与Scheil方程完全一样,这说明在所选取的局部地区(体积单元)其平均固相成分 ,无宏观偏析。这里不难看出,不产生宏观偏析的条件: 一是 与 两者的方向相反; 一是 的绝对值要比 的绝对值小的多,即 。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,当 ,即 , 时,液体流动速度的绝对值要比没有宏观偏析时大,且方向与等温线移动的方向相反,即液体在两相区内由热端流向冷端,亦即液体从含Cu较低的热区流向含Cu较多的冷区,降低了该区的平均成分 ,产生了负偏析。,当 ,即 ,此时,液体流动方向与等温线 方向一致,即由含Cu量多的冷区流向含Cu量较少的热区,从而提高了该区
16、的平均成分 ,产生了正偏析。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,2、凝固收缩和液相密度对宏观偏析的影响 等温线移动速度取决于冷却速度,而液体沿枝晶间的流动近似遵守Darcy定律,即,液体的密度; g重力加速度; 液相的体积分数; 液体的粘度系数; P作用在枝晶间液体上的压力; K渗透系数, 为与枝晶结构和枝晶空隙有关的常数。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,在决定 值得诸因素中,显然 与冷却速度有关,冷却速度越大,枝晶间隙越小,也越小。 压力P还与凝固收缩有关,凝固收缩产生的负压对液体有抽吸作用,促使液体流动。 作为液体的密度 ,在凝固过程中随着成分的改变而改变,如果由于凝固改变液体成分
17、而使密度增加时,会使液体向下流动,反之,当密度减少时,会使液体向上流动。由此可知,促使液体流动的动力来自(1)凝固收缩;(2)液体密度的改变,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,如图6-13所示的铸件,从高度L/2起,截面积减少到1/9,浇注Al- 4.5%Cu合 金,采用自下而上的单向凝固。在凝固前沿的固液两相区内,靠近下部的液相铜含 量高,沿凝固推进方向铜含量逐渐减少。密,度大的液体始终在下部,液体的密度差不能引起液体流动,液体流动仅由凝固收缩所致,因此,流动方向与等温线移动方向相反,即 为负值。可想而知,在铸件截面积 突然变细的地方,液体流速最大。 由宏观偏析的判别式可知,此处应产生较大
18、的负偏析。图6-13示出该铸件沿高度方向上的铜分布,可以看出,在L/2 处存在较大的负偏析,与上述分析完全吻合。,单向由下至上凝固的Al-Cu4.5%合金铸件中Cu分布,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,枝晶向液体的流动对宏观偏 析的影响则降为次要地位,宏观偏析的产生主要与结晶过程中的溶质再分 配有关。,随着凝固前沿向中心推进, “多余”的溶 质原子(k01)被排斥在周围的液体中。 这部分液体的溶质浓度逐渐升高,后结 晶的固相溶质浓度不断增加,导致铸件 先凝固区域(铸件的外层)的溶质浓度低于 后凝固区。
19、k0 1的合金则与上述情况 相反。按照异分结晶的规律,这是正常 现象,故称正常偏析。,a 平衡结晶 b 固相无扩散液相只有扩散 c 固相无扩散液相均匀混合 d 液相部分扩散,正 常 偏 析,厚壁铸钢件中碳、磷、硫等溶质的分布规律,铸件表面细晶粒区内,钢液来不及在宏观范围内选择结晶,其平均溶质浓度为C0(原始平均浓度)。与细等轴晶区相连的柱状晶区,凝固由外向内依次进行,且凝固区域很窄,先凝固的部分溶质浓度较低,“多余”的溶质被排斥在周围的液体中,后结晶的固相溶质浓度随之升高,结晶开始温度则相应降低。当铸件中心部位的液体降至结晶温度时,生长出粗大的等轴晶。含溶质浓度较高的液体被阻滞在柱状晶区与等轴
20、晶区之间,该处磷、硫、碳的含量较高。中心等轴晶区平均成分也为C0 。,正 常 偏 析,通过上述分析可知,铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相关。当铸件以逐层凝固方式凝固时,凝固前沿时平滑的或短锯齿形,溶质原子易于向垂直于凝固界面的液体内传输。此时,枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响降至次要地位,凝固后的铸件内外层之间溶质浓度差大,正常偏析显著。 当铸件凝固区域较宽时,枝晶得到充分的发展,排出的溶质在枝晶间富集,且液体在枝晶间可以流动,从而使正常偏析减轻甚至完全消除。 正常偏析随着溶质偏析系数值得增大而增大。但对于偏析系数较大的合金,当溶质含量较高时,铸件倾向体积凝固,反而减轻正常偏析或不
21、产生正常偏析。 正常偏析的存在使铸件性能不均匀,随后的加工和热处理也难以根本消除,故应采取适当措施加以控制。,逆 偏 析,铸锭和铸件凝固后,常常可以 观察到与正偏析相反的情况,即 铸锭的表面或底部含溶质元素较 多,而中心部分或上部含溶质较 少(ko1)。 Cu-Sn和Al-Cu合金是易于产生逆偏 析的两种典型合金,Cu-Sn10%合金 铸件表面含锡量有时高达20一25。 在灰铸铁件表面有时会出现磷共晶 的汗点。,图6- 16表示含Cu4.7%的铝合金铸件断面上产生逆偏析的情况,虚线表示原始成分,而实线表示铜的实际分布。,逆 偏 析,逆偏析的形成有以下几方面的共同特点: (1)结晶范围宽的固溶体
22、型合金; (2)铸件缓慢冷却时逆偏析程度增加; (3)枝晶粗大时易产生逆偏析; (4)合金液含气量较高时易出现逆偏析。 上述共同特点联系起来,对逆偏析的形成原因可作如下解释: 宽结晶温度范围的固溶体型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的溶质,当铸件产生 体收缩时,低熔点溶质将沿着树枝晶间向外移动。如果液态合金 中溶解有较多的气体,在凝固过程中将助长逆偏析的形成。,34,V型偏析 逆V型偏析,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*材料加工工程,35,宏观偏析简介,定义:较大尺寸范围内的化学成分不均匀现象,又称长程偏析或区域偏析; 分类:正偏析(Cs
23、Co) 、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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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。,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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
24、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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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
25、V形偏析。,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*材料加工工程,42,带状偏析,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*材料加工工
26、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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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
27、-液界面处的实际过冷度将下降。 。,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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
28、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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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
29、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,2020年10月22日11时10分,河北工业大学*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,2020年10月2
30、2日11时10分,河北工业大学*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
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