吉大复试,材料成形原理15.doc

材料成形原理材料成型与控制专业弟一"P 概述＞铸件凝固后，从微观晶粒内部到宏观上各部位，化学成分都是不均匀的，这种现 象称为偏析＞按范围大小偏析可分两大类：微观偏析和宏观偏析＞微观偏析是指微小范围内的化学成分不均匀现象，一般在一个晶粒尺寸范围左 右微观偏析按位置又分为：胞状偏析、枝晶偏析（晶内偏析）和晶界偏析＞宏观偏析是指较大尺寸范围内的化学成分不均匀现象，又称为区域偏析按性质 不同可以分为：正偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析、密度偏析、 区域偏析、层状偏析等偏析对铸件的影响微观偏析导致晶粒范围内的化学成分偏差，会引起物理及化学性能的 不同，从而影响铸件的力学性能晶界偏析使低熔点共晶集中在晶粒边界，增加热裂倾向，降低铸件的塑性•宏观偏析使铸件力学性能和物理性能产生很大差异，抗腐蚀性能下 降，降低铸件的使用寿命•偏析也有有利的一面，可用来净化和提纯金属fsts — -f-F第一下观偏析一、胞状偏析当成分过冷较小时，晶体呈胞状方式生长由于凝固过程中溶质再分配，当合金的分配系数 小于1时，则沟槽处富集溶质；如果分配系数大于1,则沟槽处贫化溶质这种化学成分不均匀性 称为胞状偏析胞状偏析由于胞体较小，即成分变化范围较小，进行均匀化退火处理即可消除这种偏析。

二、枝晶偏析（晶内偏析）固溶体在不平衡凝固时，由于先后从液体中析出的固体成分不同，并且由于 冷却速度较快而不能扩散均匀，结果使每一晶粒内部成分不均匀，先结晶部分含 高熔点组元较多，存在着浓度差别这种在晶粒内部出现的成分不均匀现象，称为晶内偏析由于工业上使用的合金其固溶体通常以树枝状生长方式凝固结晶，使主干 与分枝晶的成分不一致，又称为枝晶偏析影响枝晶偏析的主要因素＞ （1）当其他条件相同时，冷却速度的影响有两重性：＞ 一方面，冷却速度越大，溶质扩散越不充分，使晶内偏析越严重;> 另一方面，随着冷却速度增加，使晶粒细化，故减轻晶内偏析> (2)偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，则晶内偏析越大> (3)合金相图上液相线与固相线的水平距离差别越大，晶内偏析越严重对性能的謬喃及蹈|> (1)晶内偏析通常是有害的，严重的晶内偏析使晶粒内部合金成分不均匀, 会导致铸件的韧性、塑性下降> (2)晶内偏析会产生化学性能不均匀，促使合金抗蚀性下降> (3)晶内偏析程度一般用偏析系数(l_kQ)来衡量，当kQ〈l时，1-lUt越大，固相和液相的浓度差越大，晶内偏析越严重4)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，使溶质进行充分扩散，就能够消除晶内偏析生产上常采用扩散退 火或均匀化退火来消除晶内偏析即将铸件加热到低于固相线i00-20(rc的温度， 进行长时间保温，可达到均匀化的目的三、晶界偏析日懈斤# W術青M :1、两个晶粒并排生长，晶界平行于生长方向，在晶界与熔液交界的 地方，会出现一个凹槽，此处有利于溶质原子的富集，凝固后就形成 了晶界偏析2、两个晶粒彼此面对面生长，在固-液界面，溶质被排出，其它低熔 点的物质也被排出，当晶界彼此相遇时，在它们之间富集大量溶质和 杂质，从而造成晶界偏析> 晶界偏析是有害的，容易引起热裂，必须予以防止> 生产中消除晶界偏析的方法同晶内偏析所采用的措施相同，即均 匀化退火第三节宏观偏析一、正偏析铸件的凝固是从铸型壁开始，由于溶质再分配，凝固界面的液相中将有一部 分溶质被排出(k/1),随温度降低，该部分溶质的浓度将逐渐增加，这样，后 结晶的固相，溶质浓度高于先结晶部分(当kQ〉l时，则与此相反)把这种成分 的偏析称为正偏析逆偏析铸件凝固后，常常出现和正偏析相反的溶质分布情况，当kQ〈l时，表面或底部含溶质元素多，而中心部分或上部含溶质较少，这种现象称为逆偏析。

如：含10% （质量分数）Sn的Cu-Sn合金，其表面有时会出现含20%-25%Sn（质量分数）的锡汗又如：在灰铸铁件表面有时会出现磷共晶汗点原因：具有一定结晶温度范围的固溶体型合金在缓慢凝固时易形成粗大树 枝晶，枝晶间富集着低熔点溶质，当铸件产生体收缩时，低熔点溶质会沿树枝晶 向外移动为含4. 7%Cu的铝合金铸件断面上产生逆偏析的情况 铸件的逆偏析会降低力学性能、气密性和切削加工性影响因素•逆偏析的形成与结晶温度范 有关冷却速度、树枝晶的尺寸及液体金属所受的压力•雄谷等人对铜锡合金的树枝状形态与逆偏析的关系进行研究表明，在Cu-Sn合金 中加入第三种元素，如果该元素能细化树枝晶，则促进正偏析形成，抑制逆偏析 的产生，反之则促进逆偏析形成为用单向凝固法浇注的Cu-8%Sn合金铸锭中加入Ni、Fe、Si、 AI时对Sn的分布的影响> Cu-8%Sn合金产生逆偏析；>加入2%Ni或1.2%-2.0%Fe时产生正偏析；>加少量Si、AI和P时，产生逆偏析> Si和AI能增加一次分枝尺寸固相排出的溶质浓缩在枝晶之间，铸件收缩时，含 溶质高的液相容易沿着树枝晶间的细孔道向激冷方向移动，产生逆偏析。

> Fe和Ni细化树枝晶一次分枝从固相排出的溶质不易被枝晶间捕获，树枝间的通 道也不易形成，不易形成逆偏析>但是，P的影响例外，能细化一次分枝，却促进逆偏析的形成形成正偏析或逆偏析的影响因素• 1.结晶温度范围：结晶温度范围较小时，倾向于产生正偏析结晶温度范围越 大，树枝晶越发达，当其它条件相同时，易产生逆偏析•2.树枝晶的尺寸：合金中加入细化一次分枝的元素，能够减缓或防止逆偏析的 形成反之，加入促进一次分枝长大的元素，将促进逆偏析的形成•3.冷却条件：铸件冷却缓慢，宽结晶温度范围的合金易形成发达的树枝状晶， 有利于产生逆偏析•4.合金结晶过程液体金属所受的压力：枝晶间低熔点溶液在液体金属静压力或 大气压力作用下，通过枝晶间的通道向外补缩，有利于形成逆偏析合金中溶解 的气体越多，形成的压力越有利于产生逆偏析三、V形偏析和逆V形偏析• V形偏析和逆V形偏析常出现在大型铸锭中，一般为锥形，偏析带中 含有较高的碳以及硫和磷杂质V形和逆V形偏析的形成机理说法尚不统一（4种）：• 1、一种说法：由于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•2、大野认为：铸锭凝固初期，结晶粒从型壁或固液界面脱落沉淀， 堆积在下部。

凝固后期结晶堆积层的中央下部收缩下沉，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充 填，便形成V形偏析3、 铃木等认为：逆V形偏析“形）的形成是由于密度小的溶 质浓化液沿固液界面上升所引起的4、 另一看法是：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 液所充填，形成逆V形偏析四、带状偏析带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中；特点：与凝固的液固界面平行，有时连续，有时间断图（a）,固液界面前沿，溶质的扩散速度低于固体的生长速度，产生溶质偏析; 固液界面的成分过冷度低，图（b）;固体生长受到限制，只能在前方过冷度较大的部位生长,并且长成树枝状，图（c）; 溶质富集液将被树枝晶包裹在里边；枝晶的成长前沿与邻近的枝晶连接在一起，形成平滑界面；引起固液面的溶质再次富集、过冷度下降，图e、 结晶前沿的成长又会出现新的停滞，如此重复；在铸件断面可能会出现数条带状偏析；由于界面前方的过冷度大，从侧壁上可能产生新的晶粒并继续长大 从前方横切溶质富集区，形成带状偏析带状偏析的与固液界面溶质富集而引起的过冷程度有关；受晶体生长速度变化的影响；固液界面前方有对流或搅拌时，由于溶质的均匀化，可阻止带状偏析形成带状偏析的隘迎:减少溶质的含量；采取孕育处理措施细化晶粒；加强固液界面前的对流和搅拌。

五、密度偏析密度偏析（比重偏析）是在金属凝固前或刚刚开始凝固时，当液体和 固体或相互不混合的液相之间存在密度差的情况下，产生组分的上浮 或下沉，导致的化学成分不均匀现象如：Pb-15%Sb合金在凝固过程中，初生相Sb的密度小于液相, Sb晶体上浮，形成密度偏析再如：铸铁中产生的石墨漂浮也是密度偏析迎窗適涅密度偏析的方法• 增加铸件的冷却速度，使初生相来不及上浮或下沉• 加入第三种合金元素，形成熔点较高的、密度与液相接近的树枝状化合物骨架, 阻止偏析相的沉浮• 降低合金的浇注温度和浇注速度。