凝固偏析课程.pptVIP

在实际生产条件下，保证凝固前沿为平界面是困难的，往往存在固液两相区。此时，铸件产生宏观偏析的途径有如下几种：1）在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；2）在固液两相区内液体沿枝晶间的流动；3）溶质的再分配。 不同凝固条件下获得Sn-Sb合金微观组织图 枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响 液态金属沿枝晶间的流动对铸件产生宏观偏析起着重要的作用，液态金属沿枝晶间流动的原因主要是： 1）溶液本身的流动驱使固液两相区的液体流动； 2）凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 3）由于密度差而产生的对流。 枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响 在凝固过程中铸件存在温差，因此，在同一时刻铸件各处未凝固液相的数量是不同的。一般来说，冷端凝固速度较快，未凝的液相较少。冷端未凝固液相中的平均溶质浓度较热端高（k0＜1）。当枝晶间有液体流动时，如果液体从热端流向冷端，即从溶质含量较低的区域流向溶质较高的区域，则降低该区的溶质浓度，使该区的平均溶质降低，产生负偏析。反之，液体由冷端流向热端，则增加该区域的平均溶质浓度，产生正偏析。 正常偏析 当铸件（锭）凝固区域很窄时（逐层凝固），固溶体初生晶生长成紧密排列的柱状晶，凝固前沿是平滑的或为短锯齿形，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响则降为次要地位，宏观偏析的产生主要与结晶过程中的溶质分配有关。 正常偏析 随着凝固前沿向中心推进，“多余”的溶质原子（k0＜1）被排斥在周围的液体中。这部分液体的浓度逐渐升高，后结晶的固相溶质浓度不断增加，导致铸件先凝固区域（铸件的外层）的溶质浓度低于后凝固区。 k0＞1的合金与上述情况相反。按照异分结晶的规律，这是正常现象，故称正常偏析。 正常偏析 铸件（锭）产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，凝固前沿是平滑的或短锯齿形，溶质原子（k0＜1）易于向垂直于凝固界面的液体内传输。此时，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响降至次要地位，凝固后的铸件内外层之间溶质浓度差大，正常偏析显著。 正常偏析 当铸件（锭）的凝固区域较宽时，枝晶得到充分的发展，排出的溶质在枝晶间富集，且液体在枝晶间可以流动，从而使正常偏析减轻至完全消除。 正常偏析随着溶质偏析系数︱1－k0 ︱值的增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，铸件倾向体积凝固，反而减轻正常偏析或不产生正常偏析。 正常偏析 正常偏析的存在使铸件性能不均匀，随后的加工和处理也难以根本消除，故应采取适当措施加以控制。 利用溶质的正常偏析现象，可以使金属达到提纯的目的。“区熔法”就是利用正常偏析的规律发展起来的。 逆偏析 所谓逆偏析是指在k0＜1的合金中，虽然结晶是从外向内循序进行，但在表面层的一定范围内溶质的浓度分布却由外向内逐渐降低，恰好与正常偏析相反，故又称反常偏析。 结晶范围宽的固溶体合金,铸件缓慢冷却时逆偏析程度增加,枝晶粗大时易产生逆偏析,合金液含气量较高时容易出现逆偏析。 逆偏析 逆偏析 逆偏析的产生与固液两相区内液体在枝晶间的流动有关。如果偏析元素使液体的熔点降低很多，在凝固期间，枝晶间长期存在液体，在铸件继续凝固时，存在于铸件表面层枝晶间的低熔点液体在金属静压头和气体析出压力的作用下，渗出表面形成汗点。 逆偏析 逆偏析的产生与铸件一次分枝长度有很好的对应关系。增加一次分枝的长度能促进逆偏析的形成。 逆偏析还与铸件凝固区域的宽度、凝固收缩以及合金在凝固过程中液态金属所受到的压力有关。凝固区域宽、凝固收缩大以及合金含气量较高时都能促进逆偏析的产生。 V型和逆V型偏析 在镇静钢锭中常常观察到V型和逆V型偏析带，其中富集碳、硫、磷。一般认为，凝固初期，晶粒从型壁或者固液界面脱落沉积，堆积在下部。凝固后期堆积层的收缩下沉对形成V型偏析起着重要的作用。 V型和逆V型偏析 铸锭凝固初期，由于初晶的沉淀，在铸锭下半部形成负偏析区。与此相反，在铸锭的上半部则形成正偏析区。 在铸锭凝固过程中，堆积层中央下部的晶体收缩下沉，而上部的晶体不能同时下沉，在堆积层中则产生V型裂缝，其中被富集溶质的液体充填，形成V型偏析带。 铸锭中央部分下沉同时，侧面向斜下方产生拉应力。在此拉应力作用下，铸锭产生逆V型裂缝，其中被富集的低熔点液体充填，形成逆V型偏析带。 V型和逆V型偏析 另一种看法认为，逆V型偏析是由于密度小的溶质浓化液在固液两相区内上升而引起的。例如，钢锭的残余熔体中富含硫、磷、碳等溶质元素，其密度小、熔点低，该富集溶质的液体沿枝晶间上升