第一节合金中的成分偏析.pptVIP

青岛科技大学机电工程学院 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》 2009.1 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 P S B C V Ti Mo Mn Ni Si Cr 元素质量 分数/% 0.01~ 0.03 0.01~ 0.04 0.002 ~0.10 0.3~ 1.0 0.5~ 4.0 0.2~ 1.2 1.0~ 4.0 1.0~ 2.5 1.0~ 4.5 1.0~ 3.0 1.0~ 8.0 偏析系数 |1－k0| 0.94 0.90 0.87 0.74 0.62 0.53 0.51 0.86 0.65 0.35 0.34 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