铸造金属凝固原理第15章 化学成分.ppt

第15章 凝固过程中的偏析15.1 概述n偏析 Segregation 微观和宏观的化学成分不均匀n分类微观（短程）偏析、宏观（长程）偏析；正偏析、负偏析n产生原因近平衡条件下的溶质再分配n偏析对铸件的影响物理化学性能力学性能缺陷：热裂、夹杂工艺性能1枝晶偏析（晶内偏析）n产生有结晶温度范围，能够形成固熔体的合金在偏离平衡条件下结晶n原因n固溶体类型合金在凝固时发生各组元原子在相内和相间的扩散这种扩散，特别是固相中的扩散极其缓慢在合金凝固时，因冷却速度快，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，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15.2 微观偏析n实例（Ni-Cu）n规律：使合金熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上；使合金熔点降低的组元富集在分枝的外层或分枝间，甚至在分枝间出现不平衡第二相，其它部位的成分位于两者之间n枝晶偏析区各组元的分布规律n影响偏析程度的主要因素溶质元素的分配系数和扩散系数 偏析系数、偏析度和偏析比 冷却条件和枝晶间距 冷却速度对枝晶偏析的影响是通过和体现的元素在铸件中的枝晶偏析程度因其它元素存在而有相当大的变化n枝晶偏析的消除枝晶偏析是近平衡凝固的结果，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。

2胞状偏析当成分过冷较小时，晶体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，当合金的分配系数小于1时，则在胞壁处将富集溶质，用电子探针分析表明，有的金属（k01）在胞壁处溶质浓度可比整体平均浓度大二个数量级胞状偏析由于胞体较小，即成分变化范围较小，进行均匀化退火即可消除这种偏析3晶界偏析n两种情况（1）晶界位置与晶粒生长方向平行（2）两个晶粒相对生长，相互接近n危害降低合金高温性能促进热裂n预防和消除细化晶粒均匀化退火（但有稳定化合物无能为力）15.3 宏观偏析n概念n偏析规律与凝固过程相关n其它途径在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；在固液两相区内液体沿枝晶间流动1正常偏析n与近平衡凝固过程中溶质分配规律一致n铸件或铸锭凝固时，由于型壁强烈地定向散热，在进行凝固的合金内形成一个温度梯度，这时，凝固不是在整个截面同时进行，而是从与铸型壁相接触的外层先开始n正常偏析是由于合金中固溶体初晶析出后，在型壁形成没有结晶游离的凝固壳并向铸型中心单方向成长的结果n正常偏析与偏析系数（1-K0）分析第一种情况取成分为C0的合金，在凝固过程中固相和液相中的溶质都可以得到充分扩散，由于长时间的缓慢冷却，可以达到平衡结晶的目的，这时从铸棒的冷却端开始到凝固终了端为止，溶质的分布是均匀的，任何偏析都不会引起。

第二种情况固体内溶质无扩散或扩散不完全，而在液体内有溶质扩散，这时将在凝固过程引起偏析，其偏折程度将与固体内溶质的扩散情况和液体内溶质的移动程度有关第三种情况在固体内没有溶质的扩散，而液体则得到完全的混合各种情况（假定柱状晶单向、平界面生长、无结晶游离）宏观偏折与合金的凝固条件的关系 铸件断面三个晶区的偏析：2逆偏析n概念与正常偏析相反的溶质分布（又称为反常偏析）n共同特点结晶温度范围宽缓慢冷却 粗大树枝晶晶间压力n含4.7铜的铝合金铸件断面上产生逆偏析的情况 n形成原因宽凝固温度范围的固溶体型合金在缓慢凝固的条件下，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物质，当铸件产生体收缩时，低熔点溶质将沿着树枝状晶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n第三组元对逆偏析倾向的影响通过影响枝晶的形态和尺寸影响溶质的分布当合金结晶时，树枝状晶较大而且枝晶较长时，枝晶变得复杂，从固相排出的溶质浓缩在枝晶之间，促进微观偏析铸件收缩时，含溶质高的液相容易沿着树枝状晶间的孔隙向激冷方向移动如果树枝状晶短小，形态也变得简单，从固相排出的溶质也不易被枝晶间捕获，枝晶间的通道也不易形成，逆偏析难以形成。

n影响因素结晶温度范围树枝晶的尺寸冷却条件凝固过程液体金属所受到的压力3 V形偏析和逆V形偏析n现象浇注大型钢锭时，在铸锭的断面上出现的锥形偏析带，偏析带中含有较高的C、及P、S的杂质n几种理论周期凝固理论大野脱落沉淀理论铃木密度理论V型裂纹填充4 带状偏析n现象铸锭或厚壁铸件当中间断续或连续的与凝固界面平行的偏析带n产生机理扩散速度低于凝固速度溶质富集界面过冷度降低界面停止推进前方大过冷处优先生长分枝捕捉溶质浓化液形成新的平滑界面,并在前沿产生溶质富集重复前面过程形成带状偏析n影响因素偏析系数大减少溶质含量孕育细化晶粒加强固液界面对流和搅拌5 密度偏析n产生液固共存，或相互不混合的液相之间存在密度差时，由于对流造成n实例Cu-Pb、Sb-Sn合金n防止或减轻的方法充分搅拌，增加铸件冷却速度，减少处于液态的时间加入第三组元，形成树枝状骨架阻止沉浮尽量降低合金的浇注温度和浇注速度。