金属材料基础：金属偏析

金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。金属中产生的偏析有以下几种。① 晶内偏析与晶间偏析 固溶体金属在冷凝过程中，由于固相与液相的成分在不断地改变，在同一个晶体内后凝固的部分与先凝固的部分成分将会不同，即越近中心越富含高熔点的组元，而越近边缘则越富含低熔点的组元。这种成分的差异可依靠组元的扩散而趋于均匀化，从而使金属成分达到平衡状态。但晶体中的扩散是一个缓慢的过程，而且随着温度的降低，扩散速度急剧地减小。因此在实际生产中的一般冷却条件下，扩散过程常落后于凝固和冷却过程。由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。这种偏析往往导致金属中树枝状组织的形成，故亦称枝晶偏析。基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同。此外，在任何一种金属中，各个树枝状晶体之间最后凝固的部分，通常属于低熔点组成物和不可避免的杂质，它们与晶体本身的成分不同。上述这两种情况都属于晶体间的成分不均匀现象，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析，常常出现于铸造状态的合金工具钢和高速钢中。当锻造或热轧时，这种粗大的碳化物被击碎，并循加工方向变形而成为不连续的带状碳化物分布于钢的基体中，致使钢的纵横向力学性能发生差异，特别是横向的塑性强烈地下降。在钢的加工和使用过程中，由于这种偏析的存在，可能导致其他缺陷的形成。因此在合金工具钢和高速钢中，应力求避免或减弱这种偏析。② 区域偏析 在浇注铸锭 (或铸件) 时，由于通过铸型壁强烈的定向散热，在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。凝固不是在铸锭 (铸件) 的整个截面上同时进行，而是在同铸型壁接触的外层先开始。于是富集高熔点组元的初生晶体便紧靠型壁析出，而同晶体接触区域中的溶液则富集着低熔点组元。在有利的条件下，在心部凝固之前，边缘区域溶液与心部溶液的成分会调整一致。结果就必然导致外层区域富集高溶点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。钢锭中存在区域偏析，特别是硫偏析和磷偏析，强烈地降低钢的质量，并为以后的加工造成种种困难，甚至导致材料的严重损害和所制机件在使用中的破坏。如硫偏析能破坏金属的连续性，在钢锻造时引起热脆，在轧制钢板时产生夹层，严重地影响钢板的冷弯性能。承受交变载荷的零件，在使用中硫偏析往往为引起疲劳断裂的主要原因之一。图1所示为硫偏析的硫印图。磷偏析则使钢具有冷脆性，并促进钢的回火脆性。图1 硫偏析
③ 比重偏析 在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化学成分的不均匀现象，称为比重偏析。晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。由于各种组织组成物的空间上的分离，不可能通过热处理来消除或减弱比重偏析，只能采取特殊的熔化或浇注等措施 (例如快速浇注) 予以防止。

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