合金中的成分偏析——材料成型原理.ppt

第十一章 凝固缺陷与控制 1 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（ k 0 ＜ 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 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 － k 0 | 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 － k 0 | 来衡 量。 |1 － k 0 | 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-k 0 | 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。 图 11-6 快速焊时焊缝的区域偏析 电弧位置 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 收缩孔 正偏析 逆 V 偏析 V 偏析 负偏析 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