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1、第十一章 凝固缺陷与控制,1,第一节 合金中的成分偏析,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
2、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，
3、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（k01）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,微观偏析程度一般用偏析系数|1k0|来衡量。|1k0|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
4、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100200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-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，偏析反而减轻
5、。,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。,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
6、锭产生V形和逆V形 偏析部位示意图,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。,第十一章 凝固缺陷与控制,16,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。,第十一章 凝固缺陷与控制,17,图11-9 熔合区中硫的分布 注
7、：上面数字E=11.76kJ/cm 下面数字E=23.94kJ/cm,焊缝,母材,硫的浓度 wS / %,熔合线,三、焊接熔合区的化学成分不均匀,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，在界面前沿的液相中形成杂质元素富集层，随后快速凝固。,熔合区的化学成分不均匀程度与焊接规范有关,大的焊接线能量会使不均匀程度加剧(见图中三组数据中的下行),第十一章 凝固缺陷与控制,18,图11-10 异种钢接头熔合区中碳的分布示意图,异种钢接头焊材一般采用高韧性的奥氏体焊材，由于焊缝富含碳化物形成元素，故碳在其内的活度远低于碳钢母材，在焊后加热过程中，固溶在碳钢HAZ中的碳易向焊缝中扩散，在熔合线两侧分别形成增碳区和脱碳区。,
