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材料成形原理 材料成型与控制专业 第一节 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。 第二节 微观偏析 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。 对性能的影响及消除 （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(1-k0)来衡量，当k01时，1-k0值越大，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100-200℃的温度，进行长时间保温，可达到均匀化的目的。 三、晶界偏析 晶界偏析有两种情况 ： 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（k01），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k01时，则与此相反）。把这种成分的偏析称为正偏析。 二、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k01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。 图为含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围、冷却速度、树枝晶的尺寸及液体金属所受的压力有关。 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