晶内偏析

一个晶粒范围的化学成分不均匀性

晶内偏析指一个晶粒范围的化学成分不均匀性。这种不均匀性是在合金非平衡凝固过程中，各时刻析出的固相成分不同，且固相原子不能充分扩散达到均匀化所致。实际凝固过程得到的大多数是树枝晶，晶轴中所含高熔点元素多。枝晶间距越大，元素偏析程度越大，因此晶内偏析也往往称为枝晶偏析。晶内偏析造成材料组织不均匀，抗蚀性降低，冲击韧性、塑性变差。借助腐蚀剂的不均匀侵蚀可以观察到晶内偏析。用扩散退火可以消除合金中的晶内偏析。

简介

铸锭中化学元素成分分布不均的现象称为偏析。在变形铝合金中，偏析主要有晶内偏析和逆偏析。显微组织中同一个晶粒内化学成分不均的现象，称晶内偏析。

晶内偏析只能从显微组织中看到，在铸锭试样侵蚀后其特征是，晶内呈年轮状波纹如图1：

如果用干涉显微镜观察，水波纹色彩图更加清晰好看。合金成分由晶界或枝晶边界向晶粒中心下降，晶界或枝晶边界附近显微硬度比晶粒中心显微硬度高。水波纹的产生原因是晶粒内不同部位合金元素含量不同，受侵蚀剂侵蚀程度的不同所致。

基本性质

晶内偏析形成机理

在连续或半连续铸造时，由于存在过冷，熔体进行不平衡结晶。当合金结晶范围较宽，溶质原子在熔体中的扩散速度小于晶体生长速度时，先结晶晶体（即一次晶轴）含高熔点的成分多，后结晶晶体含低熔点的成分较多，结晶后形成从晶粒或枝晶边缘到晶内化学成分的不均匀。晶内偏析因合金不同而异，虽然不可避免，但可以控制使其变轻。在变形铝合金3A21合金铸锭晶内偏析最严重。

晶内偏析预防措施

1、细化晶粒；

2、提高结晶过程中溶质原子在熔体中的扩散速度；

3、降低和控制结晶速度。

晶内偏析程度

合金的结晶是由原子无序运动状态转变为有序排列状态，这需要原子的移动，一般将原子移动称为扩散。结晶寸扩散包括三个方面：一是液态合金中的原子扩散，二是α固溶体中的原子扩散，三是液固二相间原子的相互扩散。在合金结晶时冷却速度足够慢的情况下原子扩散充分进行，则得到成分均匀的固溶体。如果冷却速度不够缓慢，扩散来不及允分进行，结果形成了先结晶的。固溶体中含Ni量多，而后结晶的。固溶体含Ni量少。在一个品粒内其内部的含M量比外部的含Ni量多，即造成了晶粒内成分的不均匀，这种现象称为晶内偏析。由于实际晶粒总是以树枝状方式成长，所以又称枝晶偏析。通常是先结晶的熔点高，后结晶的熔点低。在一般情况下，所得的α相是不均匀的α固溶体。

晶内偏析的程度决定于冷却速度、元素在晶体中的活动能力和相图中液相线与闹相线之间的距离：晶内偏析会引起合金的塑性和韧性显著下降，因此要消除，其办法是将这种合金加热到一定温度，并进行保温，保证扩散充分进行，以达到成分均匀化的目标，这种方法称为扩散退火。图2为Cu—Ni合金的铸态组织：

从图2中可看到。固溶体呈树枝状，先结晶的枝晶富Ni，不易被腐蚀，故呈白亮色；而后结晶的枝晶富Cu，易被腐蚀，呈暗黑色。

晶内偏析危害分析

由于晶内偏析的存在，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、晶内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。

晶内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虎从而减轻偏析程度。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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