枝晶偏析

枝晶偏析是指固溶體晶粒中化學(xué)成分的不均勻性。在急冷條件下，液態(tài)合金以枝晶方式結(jié)晶時，固相中原子均勻擴(kuò)散的過程非常緩慢，導(dǎo)致先枝晶后枝晶的分離。因為均勻擴(kuò)散的過程可以 隨著結(jié)晶過程的發(fā)展，最終獲得化學(xué)成分不均勻的枝晶。枝晶首先包含比合金的平均成分更多的高熔點成分，然后枝晶間隙包含比合金更多的低熔點成分。

枝晶凝固過程中溶質(zhì)再分配引起的枝晶偏析，即枝晶軸中心和外圍的溶質(zhì)濃度存在差異，稱為枝晶偏析。

下圖顯示了在溶液中不同溶質(zhì)混合條件下，固化固體棒中的預(yù)期溶質(zhì)分布。枝晶軸的生長過程可以簡化為小棒定向凝固的連續(xù)生長過程。這樣，從枝晶軸的中心到外圍，溶質(zhì)的變化根據(jù)熔體中溶質(zhì)的不同混合條件，按照圖中所示的曲線之一分支。

溶質(zhì)分布情況

枝晶的軸向間距決定了枝晶偏析的范圍。枝晶軸間距是凝固條件的函數(shù)，并且局部凝固時間具有重要影響局部凝固時間定義為在鑄錠或鑄件的特定位置從凝固開始到凝固結(jié)束所需的時間。它與那里的平均冷卻速度成反比。而且枝晶軸間距不是簡單的由初始生長狀態(tài)決定的，后續(xù)的粗化非常重要，即小枝晶軸消失，大枝晶軸變粗，導(dǎo)致枝晶軸間距隨著冷卻速率為1而增大/2~1/3次方而變化。

較大的枝晶間距意味著通過熱處理使組合物均勻化更加困難。對于給定的合金，在一定溫度下熱處理時，均勻化所需的時間與枝晶軸間距的平方成正比。因此，通過提高冷卻速度來減小分支之間的軸向間距是一個非常好的措施。

完全消除枝晶偏析將導(dǎo)致機(jī)械性能的改善。如果出現(xiàn)第二相，完全消除枝晶顯微偏析特別困難。已經(jīng)觀察到，當(dāng)鋼接近凝固的最后階段時，在富含溶質(zhì)的枝晶間隙中形成第二相硫化物夾雜物。這些夾雜物特別穩(wěn)定，阻礙晶粒細(xì)化，認(rèn)為溶質(zhì)的顯微偏析是鍛鋼帶狀組織的原因。討論了枝晶顯微偏析對帶狀或纖維狀偏析的重要性。通過控制枝晶軸間距來控制成分均勻性變得越來越重要。

枝晶偏析的程度由合金的冷卻速度和偏析元素的擴(kuò)散能力決定。枝晶偏析降低了合金的機(jī)械性能，這可以通過擴(kuò)散退火來消除。

由于冷卻速度快，液相中的原子有時間擴(kuò)散，而固相中的原子有時間擴(kuò)散。使得固溶體的第一結(jié)晶中心和第二結(jié)晶部分的組成不同，這成為晶內(nèi)偏析。而金屬的晶體是以枝晶的形式長大的，所以這種偏析多為枝晶，先結(jié)晶的枝晶成分與后結(jié)晶的枝晶成分不同，也稱為枝晶偏析。固相線和液相線之間的水平和垂直距離越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。鑄鐵成分越接近共晶點，偏析越小，反之亦然。

由于枝晶偏析的存在，晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分和鑄錠的顯微組織極不均勻，嚴(yán)重惡化了鑄錠的性能。主要是：

1、化學(xué)成分的不均勻性和由固溶體晶內(nèi)偏析引起的不平衡剩余相降低了合金抗電化學(xué)腐蝕的穩(wěn)定性。

2、非平衡共晶或低熔點成分的出現(xiàn)降低了合金的初熔溫度，使得鑄錠在后續(xù)的熱變形或淬火加熱過程中容易發(fā)生局部燒傷。

3、枝晶偏析不僅導(dǎo)致非平衡相的出現(xiàn)，增加第二相的數(shù)量，而且在枝晶周圍形成硬而脆的枝晶網(wǎng)絡(luò)，大大降低了鑄錠的塑性和加工性能。

4、晶內(nèi)偏析造成的化學(xué)成分不均勻性遺傳到半成品中，導(dǎo)致加工材料退火后形成粗晶。

枝晶偏析是由不平衡結(jié)晶引起的。因此，在鋁合金連鑄的實際生產(chǎn)中，晶內(nèi)偏析是不可避免的。消除晶內(nèi)偏析的有效方法是長時間均勻化鑄錠。在連鑄中，減少晶內(nèi)偏析的方法有首先，提高冷卻速度，采用變質(zhì)處理細(xì)化晶粒和晶內(nèi)組織，縮小晶內(nèi)偏析的范圍。其次，采用相反的方法，降低冷卻速度，進(jìn)行類似于錠模鑄造的深液腔鑄造來降鐵、錳和其他元素的過飽和會降低偏析程度。第三，選擇一些能適當(dāng)改變合金結(jié)晶性能的添加劑。例如，在LF合金中加入適量的鐵，可以降低錳在固溶體中的濃度，從而降低錳在晶粒中分布的不均勻性。

在實際生產(chǎn)中，在雜質(zhì)鐵存在的情況下加入鈦，有利于減少LF合金固溶體晶粒中的偏析，因為鈦偏析和錳偏析的方向正好相反，枝晶中心含高鈦；從而減小鑄態(tài)晶粒中心和邊緣之間的固溶體濃度差。