第一节-合金中的成分偏析

青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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是合金在凝固过程中由于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。但利用偏析现象可以净化或提纯金属等。第一节合金中的成分偏析青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》一、微观偏析二、宏观偏析三、焊接熔合区的化学成分不均匀青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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。Ni-25%Cu合金快凝后的树枝状偏析青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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（k0＜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。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》元素PSBCVTiMoMnNiSiCr元素质量分数/%0.01~0.030.01~0.040.002~0.100.3~1.00.5~4.00.2~1.21.0~4.01.0~2.51.0~4.51.0~3.01.0~8.0偏析系数|1－k0|0.940.900.870.740.620.530.510.860.650.350.34微观偏析程度一般用偏析系数|1－k0|来衡量。|1－k0|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。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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，宏观偏析反而减轻。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。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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合金铸件的逆偏析青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》铸锭的宏观偏析分布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。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》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。图11-7焊缝的层状偏析a)焊条电弧焊b)电子束焊层状偏析a）b）青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》图11-9熔合区中硫的分布注：上面数字E=11.76kJ/cm下面数字E=23.94kJ/cm硫的浓度wS/%焊缝母材熔合线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)三、焊接熔合区的化学成分不均匀青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》结构钢与不锈钢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。x1x2x－x实际熔合线焊缝金属母材金属wC%增碳层脱碳层