枝晶偏析

固溶体晶粒内部化学成分的不均匀现象

枝晶偏析指固溶体晶粒内部化学成分的不均匀现象。在快冷条件下，液态合金按树枝状方式结晶时，由于原子在固相中扩散均匀的过程进行的很慢，致使先析出枝晶与后析出的枝晶处出现间隙，最后获得化学成分不均匀的枝晶。

简介

在枝晶凝固期间，溶质重新分布所引起的枝晶状偏析，即在枝晶轴的中心和外周间溶质浓度存在着差异，叫做枝晶偏析。

如图《溶质分布情况》所示为溶液中不同的溶质混合条件下，凝固的固体棒中所预料的溶质分布情况。在一个枝晶轴的成长过程中，我们可以简化地看成小型棒的单方向凝固的连续成长过程。这样，从枝晶轴的中心到外周，溶质的变化根据熔体中溶质的不同混合条件按图中所示的曲线之一而支化。

轴间距

轴间距的影响

枝晶的轴间距规定了枝晶偏析的范围。而枝晶轴间距是凝固条件的函数，并且局部凝固时间有重要的影响，局部凝固时间定义为铸锭或铸件某个特定的位置上，从凝固开始到凝固终了所需的时间。它反比于在该处的平均冷却速度。而且，枝晶轴间距不是简单地由开始长大状态所决定的，随后的粗化作用是很重要的，即其中小的枝晶轴消失而大的枝晶轴长得更粗，这导致枝晶轴间距随冷却速度的1/2~1/3次方而变化。

较大的枝晶间距，就意味着更难于通过热处理而使成分均匀化。对于一给定的合金而言，在一个确定的温度下热处理时，均匀化所需的时间正比例于枝晶轴间距的平方。因此，通过增加冷却速度而减小枝间的轴间距，是非常好的措施。

完全消除枝晶显微偏析，将导致机械性能的提高。如果有第二相出现，则完全消除枝晶显微偏析是特别困难的。有人观察到在钢接近凝固最后阶段时，在富集溶质的枝晶间隙中形成第二相硫化物夹杂物。这些夹杂物特别稳定，妨碍晶粒细化，并认为溶质的显微偏析是造成随后锻钢的带状组织的原因。有人讨论了枝晶显微偏析对于带状或纤维状偏析的主要性。通过控制枝晶轴间距来控制成分的均匀性，变得越来越重要。

枝晶偏析程度

枝晶偏析程度由合金的冷却速度偏析元素的扩散能力等因素决定。枝晶偏析使合金的力学性能降低，可通过扩散退火消除。

由于冷却速度较快，使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散。以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同，成为晶内偏析。而金属的结晶多以枝晶方式长大，所以这种偏析多呈树枝状，先结晶的枝轴与后结晶的枝间成分不同，又称为枝晶偏析。固相线与液相线的水平距离和垂直距离越大，枝晶偏析越严重。铸铁的成分越靠近共晶点，偏析越小，反之越大。

枝晶偏析危害分析

由于枝晶偏析的存在，使晶粒内部的化学成分和铸锭的组织极不均匀，使铸锭的性能严重恶化。主要是：

1、固溶体晶内偏析造成的化学成分不均匀性和出现的不平衡过剩相，使合金抵抗电化学腐蚀的稳定性降低。

2、非平衡共晶或低熔组成物的出现使合金开始熔化温度降低，使铸锭在随后的热变形或淬火的加热过程中容易产生局部过烧。

3、枝晶偏析不仅造成非平衡相出现和使第二相数量增加，而且这些低熔相在晶枝周围组成硬而脆的枝晶网络，使铸锭的塑性和加工性能急剧降低。

4、由晶内偏析造成的化学成分不均匀性遗传到半制品中，导致退火后在加工材中形成粗大晶粒。

枝晶偏析是不平衡结晶造成的。因此，在铝合金连续铸造的实际生产中，晶内偏析是不可避免的。消除晶内偏析的有效方法是对铸锭进行长时间的均匀化处理。在连续铸造时，减轻晶内偏析的方法是第一，提高冷却速度，采用变质处理以细化晶粒和晶内结构，缩小晶内偏析的范围。第二，采用完全相反的方法，降低冷却速度，进行类似锭模铸造的深液穴铸造，以降低铁、锰等元素的过饱和程度从而减轻偏析程度。第三，选择一些能适当地改变合金结晶性质的添加剂。例如在LF21合金中加入适量铁，使固溶体中锰的浓度降低，从而减少锰在晶粒内部分布的不均一性。

实际生产中，在有杂质铁存在时，添加钛对减轻LF21合金固溶体晶粒中的偏析有好处，因为钛偏析和锰偏析的方向正好相反，树枝状晶的中心含钛高；从而减少了铸态晶粒中心和边缘郏分的固溶体浓度之差。

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