14.固溶体合金的不平衡结晶

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1、由上述固溶体的结晶过程可知，固溶体的结晶过程是和液相及固相内的原子扩散过程密切相关的1.只有在极缓慢的冷却条件下即在平衡结晶条件下，才能使每个温度下的扩散过程进行完全，使液相或固相的整体处处均匀一致。2.然而在实际生产中，液态合金浇入铸型之后，冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，这样就使液相尤其是固相内保持着一定的浓度梯度，造成各相内成分的不均匀。不平衡结晶：这种偏离平衡结晶条件的结晶，称为不平衡结品不平衡结晶的结果对合金的组织和性能有很大的影响假设极端情形：在不平衡结晶时，设液体中存在着充分混合条件，即液相的成分可以借助扩散、对流或搅拌

2、等作用完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。显然这是一种极端情况。固溶体合金温度时的不平衡结晶：l由图3-20可知，成分为的合全过冷至温度开始结晶，首先析出成分为的固相，液相的成分为,当温度下降至时，析出的固相成分为，它是依附在晶体的周围而生长的。l此时整个已结晶的固相成分为和的平均成分。l如果是平衡结晶的话，通过扩散，晶体内部由成分可以变化至，但是由于冷却速度快，固相内来不及进行扩散，结果使晶体内外的成分很不均匀。l在液相内，由于能充分进行混合，使整个液相的成分时时处处均匀一致，沿液相线变化至。固溶体合金温度时的不平衡结晶：l当温度继续下降至时，结晶出的固相成分为

3、，同样由于固相内无扩散，使整个结晶固体的实际成分的平均值，液相的成分沿液相线变至l此时，如果是平衡结晶的话，温度已相当于结晶完毕的固相线温度，全部液体应当在此温度下结晶完毕，已结晶的固相成分应为合金成分。但由于是不平衡结晶，已结晶固相的平均成分不是，而是，与合金的成分不同，仍有一部分液体尚未结晶，一直要到温度才能结晶完毕。l此时固相的平均成分由变化到，与合金原始成分—致。固相平均成分线和固相线：若把每一温度下的固相平均成分连结起来，就得到图3-20虚线所示的固相平均成分线。但是应当指出，固相平均成分线与固相线的意义不同，固相线的位置与冷却速度无关，位置固定，固相平均

4、成分线则与冷却速度有关，冷却速度越大，则偏离固相线的程度越大。当冷却速度极为缓慢吋，则与固相线重合。图3.21为固溶体合金不平衡结晶时的组织变化示意图晶内偏析：l由图3.21可见，固溶体合金不平衡结晶的结果，使前后从液相中结品出固相成分不同，再加上冷速较快，不能使成分扩散均匀，结果就使每个晶粒内部的化学成分很不均匀。l先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点的组元较多，在晶粒内部存在着浓度差别l这种在一个晶粒内都化学成分不均匀的现象，称为晶内偏析。枝晶偏析：由于固溶体晶体通常呈树枝状，使枝干和枝间化学成分不同，所以又称为枝晶偏析。对存在晶内偏析的组织作显微分析进行

5、验证：如图3-22a为铜镍合金的铸态组织，经腐蚀后枝千和枝间的颜色存在着明显的差别，说明它们的化学成分不同，其中枝干先结晶，含高熔点的镍较多，不易侵蚀，呈亮白色。枝间后结晶，含低熔点的铜较多，易受浸蚀，呈暗黑色。图3-22b为点子探针测试结果进—歩证实了枝干富镍枝间富铜这一枝间偏析现象影响晶内偏析的因素l晶内偏析的大小与分配系数有关，也即与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关。在上面所讨论的情况下，偏析的最大程度为；当时，值越小，则偏析越大,当时，值越大，偏析也越大。l溶质原子的扩散能力对偏析程度也有影响，如果结晶的温度较高，溶质原子扩散能力又大，则偏析程度较小

6、,反之，则偏析程度较大。例如钢中的硅的扩散能力比鱗大，所以硅的偏析较小，而磷的偏析较大。l冷却速度对偏析的影响比较复杂，一般说来，冷却速度越大，则晶内偏析程度越严重。但是冷却速度大，过冷度也大，可以获得较为细小的晶粒，允其是对于小型铸件，当以极大的速度过冷至很低的温度（例如3-20的温度）才开始结晶时，反而能够得到成分均匀的铸态组织。品内偏析对合金的性能有很大的影响严重的晶内偏析会使合金的力学性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，甚至使合金不容易压力加工。品内偏析也使合金的抗蚀性能降低。为了消除晶内偏析工业生产上广泛应用扩散退火或均匀化退火的方法，即将铸件加热至低于

7、固相线100〜200的温度，迸行较长时间保温，使偏析元素充分进行扩散，以达到成分均匀化的目的。