金属中的偏析

失效分析——偏析一.偏析的基本概念•合金在冷凝过程中，由于某些因素导致的化学成分不一致称为偏析二.偏析的分类•对于某一种合金而言，所产生的偏析往往有一种主要型式，但有时，由于铸造条件的影响，几种偏析也可能同时出现。｛晶内偏析区域偏析比重偏析2.1晶内偏析•2.1.1晶内偏析的概念及特征•晶内偏析，又称树枝状晶偏析，简称枝晶偏析。其特征是同一个晶粒内，各部分化学成分不一致，并且往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。如锡青铜在晶粒轴线上往往含铜较多，含锡较少，而枝晶边缘则相反，这就是晶内偏析。•2.1.1铸件内产生晶内偏析的条件•1.合金的凝固有一定的温度范围•2.合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速度•归纳为一般的情况下，合金的凝固温度范围愈大，铸件结晶及冷却速度愈快，则原子扩散愈难于进行完全，晶内偏析现象愈严重。因此，晶内偏析多产生于凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中枝晶偏析铸钢组织也呈树枝状，其中先结晶的枝杆中心含碳量较低，后结晶出的分枝含碳量较高，枝晶间含碳量更高图6-5表示用电子探针所测定低合金钢溶液中生成的树枝状晶各截面得溶质等浓度线。从中可以清楚看出溶质在一次分枝、二次分枝以及晶内的分部。•2.1.2对于晶内偏析的改善措施•为了防止某些合金的晶内偏析，可以采取细化晶粒措施，以缩短原子扩散距离；或适当提高浇注温度，延缓冷却速度，以延长原子扩散时间但浇注温度不得过高，否则会造成氧化、吸气、晶粒粗大等弊病。当铸件内已存在晶内偏析时，可考虑采用长则间的扩散退火热处理，以求得到改善的目的。2.2区域偏析•2.2.1区域偏析的概念及特征•区域偏析，即在整个铸件断面上，各部分化学成分不一致的现象，它主要由于合金进行选择凝固所引起的。区域偏析可分为正向和逆向偏析.正向偏析是熔点较低的成分或合金元素熔质集中在铸件的中心和上部，其含量从铸件边缘至中心逐渐增加。逆向偏析则相反，熔点较低的成分或合金元素熔质集聚在铸件边缘。如在铜合金中，硅黄铜易出现正向偏析现象，即铸件中心含硅较多；锡青铜则易产生逆向偏析现象，即铸件表面层含锡较多。•2.2.2产生区域偏析的基本原因•合金在一定温度范围内结晶，是产生区域偏析的基本原因。当凝固温度范围较小时，一般倾向产生正向偏析；当凝固温度范围较大时，树枝状晶又很发达时，较易产生逆向偏析。铸件表面常出现的一种含熔质元素较多的“汗珠”、“偏析疤”，是一种逆向偏析现象，如锡青铜铸件表面的“锡汗”就是这种情形。这是当合金表面形成一层硬壳以后，或因内部合金液析出气体的压力作用，或因硬壳的固态收缩承受不了内部合金液的静压力的作用，或因铸件本身产生热应力等缘故而使其硬壳断裂，未凝固的液体含熔质较多，熔点较低流出硬壳以外并表现在铸件表面的结果。•2.2.3区域偏析的预防及消除•对于区域偏析，不能以均匀化扩散退火去消除，因为偏析区域较广，要求偏析元素的扩散距离较长，在实用的退火温度和时间内不可能均匀扩散。故应以预防为主的原则加以避免。为此，第一，要正确选择合金；第二，要有合理的铸件结构如避免肥厚断面以防止硅黄铜铸件出现区域偏析；第三，要正确控制冷却速度如使冷却速度很慢，结晶过程按稳定系统进行；或使冷却速度很快，整个结晶过程在很短时间内完成2.3比重偏析•2.3.1比重偏析的概念•由于合金中两组元比重不同，而在同一铸件中出现上下部分成分不一致的现象，即比重偏析。出现这种偏析时，铸件上部合金中某一成分较多，而下部另一成分较多。•2.3.2比重偏析的形成原因及条件•比重偏析的形成情况有所不同。有的是因为合金中两组元在液态下互不相溶如钢铅合金，当合金液放置过久时，便形成互不渗合的分层，比重大的合金组元沉在下面，而比重小的浮在上面；有的是因为在搅拌不均的情况下，当合金进行选择凝固时，在生长着的晶体四周，所形成的含合金元素较多的液体，由于比重与母液不同而上浮或下沉；有的是治因为先形成的含合金元素较少的晶体，由于比重与母液不同而上浮或下沉。如果初晶形状简单，分叉很少，则使比重偏析很易发生。轴承合金中，铅基或锡基巴氏合金最易产生这后一类偏析•铸件的凝固方向对比重偏析影响很大。如果凝固次序是向下而上，则对于初生晶体比重较大的合金来说，其中比重较小的低熔点相很容易上浮，加剧比重偏析；反之，初生晶体比重较小时，则会减轻比重偏析。•2.3.3比重偏析的预防及消除•对于易产生比重偏析的合金，必须采取措施，防止缺陷的形成。通常的做法是：认真控制熔炼工艺，尤其在熔炼中和浇注前要充分搅匀；尽量减少合金液放置时间；加入某种合金元素，改变初晶形状；加大冷却速度如在冷水喷射器冷却下，浇注铅青铜轴瓦；合理控制铸件凝固方向等三.成分偏析的形貌特征3.1、枝晶偏析•3.1.1枝晶偏析的形貌特征•又命晶内偏析，是由于固溶体晶粒内部化学成分不均匀所致。结晶温度间隔大的固溶体类合金，按树枝方式结晶时，先结晶的主干比后结晶的枝干及枝干间化学成分不均一。•例如，铸钢树枝晶的主干含碳量较低，枝干含碳量较高，枝干间含碳量更高典型的枝晶偏析典型的枝晶偏析3.2区域偏析•3.2.1区域偏析的形貌特征钢锭中的带状偏析按其分布特征，可分为Λ型偏析（倒V型偏析）和V型偏析两种2020年4月5日4时49分河北工业大学**材料加工工程192020年4月5日4时49分河北工业大学**材料加工工程20大野认为，铸锭在凝固过程中，由于结晶堆积层的中央下部收缩下沉；而上部不能同时下沉，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填充，便形成V形偏析2020年4月5日4时49分河北工业大学**材料加工工程21铃木：逆V形偏析的形成是由于密度小、溶质浓度高的金属液沿固-液界面上升所引起的。另一种看法是，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，且被低熔点溶液所填充，形成逆V形偏析。3.3、重力偏析•3.3.1重力偏析的形貌特征1.重力偏析产生在铸件凝固之前或刚刚开始凝固之际。绝大多数的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要下沉，所谓的“结晶雨”即指此而言，从而使铸锭上部和下部的化学成分不同。2.铸件在凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，在重力作用下，发生向上或向下流动，也形成重力偏析。3.在其它条件相同时，固液相之间或互不相溶的液体之间的密度差越大，则重力偏析越严重。