特殊钢中的偏析问题文档格式.docx
- 文档编号:13485592
- 上传时间:2022-10-11
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:4.83MB
特殊钢中的偏析问题文档格式.docx
《特殊钢中的偏析问题文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《特殊钢中的偏析问题文档格式.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
(2)晶界偏析往往有更大的危害性,由于偏析使得低熔点共晶容易集中在晶粒边界,即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性,又能降低铸件的塑性。
(3)宏观偏析使铸件各部分的理学性能和物理性能产生很大差异,影响铸件的使用寿命和工作效果。
3微观偏析
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。
它们的表现形式虽不同,但形成的机理是相似的,都是合金在结晶过程中溶质再分配的必然结果。
3.1晶内偏析(枝晶偏析)
晶内偏析产生于具有结晶温度范围,能形成固溶体的合金中,在铸造条件下,当合金冷却较快时,将形成不平衡结晶。
现在用图3-1说明固溶体合金C0成分的不平衡结晶过程。
图3-1
图3-2、图3-3分别表示含30%Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固时固溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、表面成分以及平均成分随温度的变化。
图3-2
图3-3
在实际铸造条件下,由于冷却速度快,固相中的溶质还未充分扩散,液体温度降低,固液界面向前推进,又结晶出新成分的晶粒外层,致使每个晶粒内部的成分存在差异。
这种存在于晶粒内部的成分不均匀性,称为晶内偏析。
由于固溶体合金多按枝晶方式生长,先结晶的枝干和后结晶的分枝的成分也存在差异,而且分枝本身(内外层)、分枝与分枝间的成分是不均匀的,故也称枝晶偏析。
Ni-Cu合金的铸态组织(SEM)
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,树枝晶中这种化学成分不均匀的现象,称为枝晶偏析,因为他属于一个晶粒范围的成分不均匀,所以也称为晶内偏析。
图3-4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。
图3-4
枝晶偏析的描述:
当不考虑固相中的扩散时,用Scheil方程式描述:
应该指出的是,Scheil方程是在假定固相没有溶质扩散的条件下导出的,是一种极端情况。
实际上,特别是在高熔点合金中,如碳、氮这些原子半径较小的元素在奥氏体中扩散往往是不可忽视的。
图3-5表示Cu-Sn8%合金单相凝固时铸态组织中Sn在枝晶横截面分布的等浓度线。
已知Cu-Sn合金的平衡分配系数K0=0.36,如不考虑溶质在固相中的扩散,枝干中心Sn的浓度应为K0C0=2.9%小于6%。
这说明溶质原子在固相中的扩散是不可忽视的。
图3-5
当考虑固相中有扩散、液相均匀混合时描述为:
DS-溶质在固相中的扩散系数
τ-局部凝固时间
S-枝晶间距一半
由此可知,枝晶偏析的产生主要决定于:
①溶质元素的分配系数K0和扩散系数DS,②冷却条件τ和枝晶间距。
各种元素在不同合金系中的分配系数K0和扩散系数DS是不同的,因此,枝晶偏析程度也不同。
分配系数K0愈小(K0<1时)或K0愈大(K0>1时),或扩散系数DS愈小,则枝晶偏析愈严重。
因此,可用l1-K0l定性地衡量枝晶偏析的程度。
l1-K0l愈大,枝晶偏析愈严重,l1-K0l称为偏析系数。
几种元素在铁中的K0和l1-K0l示于下表。
可以看出碳钢中,S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。
元
素
P
S
B
C
V
质量分数(%)
0.01~
0.03
0.04
0.002~
0.10
0.30~
1.0
0.50~
4.0
偏析系数
|1-K0|
0.94
0.90
0.87
0.74
0.62
枝晶偏析的大小可用枝晶偏析度Se:
Cmax-某组元在偏析区内的最高浓度
Cmin-某组元在偏析区内的最低浓度
C0-某组元的原始平均浓度
枝晶偏析比SR:
表:
几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se
元素
W
Mo
Si
Cr
Mn
Ni
Se
2.0
1.5
0.6
0.4
0.2
0.15
0.05
冷却速度的影响
冷却速度V0对枝晶偏析的影响是通过τ和s体现的。
曾认为,冷却速度愈大,枝晶偏析愈严重。
由上述结果可知,这种看法是不全面的。
增大冷却速度有时反而减轻枝晶偏析,甚至当冷却速度增大到某一临界值(106~108℃/s)时,不仅固相的扩散不能进行,液相中的扩散也被抑制,反而得到成分均匀的非晶态组织。
图3-6
图3-6为冷速对镁合金(Mg-0.2Ca)中Ca的枝晶偏析的影响。
可以看出,即使冷却速度很小,SR仍大于1,这表明铸锭中仍存在枝晶偏析,且随冷却速度的增大而增大。
当冷却速度增大到某一值后,再继续增加冷却速度,枝晶偏析程度减轻。
图3-7碳对硫磷在铸锭中枝晶偏析的影响
某元素在铸件中的枝晶偏析程度因其它元素存在而又相当大的变化。
例如,硫、磷在碳钢中的枝晶偏析程度与碳含量有关,如图3-7所示。
随着碳含量的增加,硫、磷在碳钢中的枝晶偏析程度明显增加。
这可能是由于碳改变了硫、磷在钢中的分配系数和扩散系数的缘故。
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。
生产是那个常采用扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析。
3.2晶界偏析
在合金凝固过程中,溶质元素和非金属夹杂物富集于晶界,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。
晶界偏析的产生有两种情况。
两个晶粒并排生长,晶界平行于生长方向,由于表面张力平衡条件的要求,在晶界与液相交界的地方,会出现一个凹槽,深度可达10-8μm。
此处有利于溶质原子的富集,凝固后就形成了晶界偏析,如图(a)所示。
(a)两个晶粒并排生长
两个晶粒彼此面对面生长,在固/液界面处溶质被排出(K0<1),此外,其他低熔点的物质也会被排挤到固/液界面,即在它们之间富集大量溶质和低熔点物质;
当两个晶粒相遇时形成晶界,最后凝固的晶界部分将含有较多的溶质和其它低熔点物质,从而造成晶界偏析,如图(b)所示
(b)两个晶粒面对面生长
3.3胞状偏析
固溶体合金凝固时,若成分过冷不大,晶体会呈胞状方式生长。
胞状结构由一系列平行的棒状晶体所组成,沿凝固方向长大,呈六方断面。
由于凝固过程中溶质再分配,当合金的平衡分配系数K0<1时,六方断面的晶界处将富集溶质元素,如图3-8所示;
当K0>1时,六方断面晶界处的溶质会贫化。
这种化学成分不均匀性称为胞状偏析。
图3-8胞状生长时溶质分布示意图
3.4微观偏析的防止和消除
枝晶偏析是不平衡结晶的结果,在热力学上是不稳定的,如能设法使溶质原子进行充分扩散即能消除枝晶偏析。
把铸件加热到低于固相线100~200℃,长期保温,使溶质原子充分扩散,则可减轻或消除枝晶偏析。
此即为均匀化退火。
图3-9为前文所示的Cu-Ni合金经均匀化退火后的组织及与之相对的特征X射线强度曲线,可以看出,枝晶偏析基本消除。
图3-9
均匀化退火时间取决于枝晶间距和扩散系数。
所以凡能细化晶粒的措施,如提高冷却速度,加入晶粒细化剂等,减轻微观偏析,再通过均匀化退火处理,可消除。
对合金进行孕育处理或加入某些元素往往能使树枝状晶的尺寸或单位面积上的树枝状晶的数量发生变化,这将改变枝晶内的溶质分布。
但是晶界上存在的稳定化合物,如氮化物、硫化物和某些碳化物,即使采用均匀化退火往往也无能为力。
因此,对于这些化合物所引起的晶界偏析,应该从减少合金中氮、硫的含量入手。
4宏观偏析
宏观成分偏析是铸锭,特别是合金铸锭和大型铸件生产中经常遇到的一种铸造缺陷。
它的形成不仅取决于合金自身的结晶特点,而且与凝固过程中的传热、传质以及液相的流动方式密切相关。
本世纪以来,随着钢铁工业和科技的飞速发展,人们对凝固中出现的各种宏观偏析现象进行了大量的、系统的研究。
在保证凝固前沿为平界面时,铸件内的宏观偏析可用Scheil方程近似的描述。
但在实际生产条件下,保证凝固前沿为平面是困难的,往往存在两相区。
此时,铸件生产宏观偏析的途径:
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。
下面我们将就有关宏观偏析的问题进行讨论。
4.1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,枝晶向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再分配有关。
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。
这部分液体的溶质浓度逐渐升高,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的合金则与上述情况相反。
按照异分结晶的规律,这是正常现象,故称正常偏析。
a平衡结晶
b固相无扩散液相只有扩散
c固相无扩散液相均匀混合
d液相部分扩散
厚壁铸钢件中碳、磷、硫等溶质的分布规律:
铸件表面细晶粒区内,钢液来不及在宏观范围内选择结晶,其平均溶质浓度为C0(原始平均浓度)。
与细等轴晶区相连的柱状晶区,凝固由外向内依次进行,且凝固区域很窄,先凝固的部分溶质浓度较低,“多余”的溶质被排斥在周围的液体中,后结晶的固相溶质浓度随之升高,结晶开始温度则相应降低。
当铸件中心部位的液体降至结晶温度时,生长出粗大的等轴晶。
含溶质浓度较高的液体被阻滞在柱状晶区与等轴晶区之间,该处磷、硫、碳的含量较高。
中心等轴晶区平均成分也为C0。
通过上述分析可知,铸件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,凝固前沿时平滑的或短锯齿形,溶质原子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。
当铸件凝固区域较宽时,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甚至完全消除。
正常偏析随着溶质偏析系数值得增大而增大。
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。
正常偏析的存在使铸件性能不均匀,随后的加工和热处理也难以根本消除,故应采取适当措施加以控制。
4.2逆偏析
铸锭和铸件凝固后,常常可以观察到与正偏析相反的情况,即铸锭的表面或底部含溶质元素较多,而中心部分或上部含溶质较少(K0<1)。
Cu-Sn和Al-Cu合金是易于产生逆偏析的两种典型合金,Cu-S
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 特殊 中的 偏析 问题