晶內偏析指一個晶粒範圍的化學成分不均勻性。這種不均勻性是在合金非平衡凝固過程中，各時刻析出的固相成分不同，且固相原子不能充分擴散達到均勻化所致。實際凝固過程得到的大多數是樹枝晶，晶軸中所含高熔點元素多。校晶間距越大，元素偏析程度越大，因此晶內偏析也往往稱為枝晶偏析。晶內偏析造成材料組織不均勻，抗蝕性降低，衝擊韌性、塑性變差。藉助腐蝕劑的不均勻侵蝕可以觀察到晶內偏析。用擴散退火可以消除合金中的晶內偏析。
基本介紹
- 中文名：晶內偏析
- 外文名：microsegregation
- 別稱：枝晶偏析
- 對比：逆偏析
簡介,基本性質,晶內偏析形成機理,晶內偏析預防措施,晶內偏析程度,晶內偏析危害分析,
簡介
鑄錠中化學元素成分分布不均的現象稱為偏析。在變形鋁合金中，偏析主要有晶內偏析和逆偏析。顯微組織中同一個晶粒內化學成分不均的現象，稱晶內偏析。
晶內偏析只能從顯微組織中看到，在鑄錠試樣侵蝕後其特徵是，晶內呈年輪狀波紋如下圖：
鑄錠晶內偏析顯微組織特徵如果用干涉顯微鏡觀察，水波紋色彩圖更加清晰好看。合金成分由晶界或枝晶邊界向晶粒中心下降，晶界或枝晶邊界附近顯微硬度比晶粒中心顯微硬度高。水波紋的產生原因是晶粒內不同部位合金元素含量不同，受侵蝕劑侵蝕程度的不同所致。
基本性質
晶內偏析形成機理
在連續或半連續鑄造時，由於存在過冷，熔體進行不平衡結晶。當合金結晶範圍較寬，溶質原子在熔體中的擴散速度小於晶體生長速度時，先結晶晶體（即一次晶軸）含高熔點的成分多，後結晶晶體含低熔點的成分較多，結晶後形成從晶粒或枝晶邊緣到晶內化學成分的不均勻。晶內偏析因合金不同而異，雖然不可避免，但可以控制使其變輕。在變形鋁合金3A21合金鑄錠晶內偏析最嚴重。
晶內偏析預防措施
1、細化晶粒；
2、提高結晶過程中溶質原子在熔體中的擴散速度；
3、降低和控制結晶速度。
晶內偏析程度
合金的結晶是由原子無序運動狀態轉變為有序排列狀態，這需要原子的移動，一般將原子移動稱為擴散。結晶寸擴散包括三個方面：一是液態合金中的原子擴散，二是α固溶體中的原子擴散，三是液固二相間原子的相互擴散。在合金結晶時冷卻速度足夠慢的情況下原子擴散充分進行，則得到成分均勻的固溶體。如果冷卻速度不夠緩慢，擴散來不及允分進行，結果形成了先結晶的。固溶體中含Ni量多，而後結晶的。固溶體含Ni量少。在一個品粒內其內部的含M量比外部的含Ni量多，即造成了晶粒內成分的不均勻，這種現象稱為晶內偏析。由於實際晶粒總是以樹枝狀方式成長，所以又稱枝晶偏析。通常是先結晶的熔點高，後結晶的熔點低。在一般情況下，所得的α相是不均勻的α固溶體。
晶內偏析的程度決定於冷卻速度、元素在晶體中的活動能力和相圖中液相線與鬧相線之間的距離：晶內偏析會引起合金的塑性和韌性顯著下降，因此要消除，其辦法是將這種合金加熱到一定溫度，並進行保溫，保證擴散充分進行，以達到成分均勻化的目標，這種方法稱為擴散退火。下圖為Cu—Ni合金的鑄態組織：
Cu-Ni合金的鑄態組織從圖中可看到。固溶體呈樹枝狀，先結晶的枝晶富Ni，不易被腐蝕，故呈白亮色；而後結晶的枝晶富Cu，易被腐蝕，呈暗黑色。
晶內偏析危害分析
由於晶內偏析的存在，使晶粒內部的化學成分和鑄錠的組織極不均勻，使鑄錠的性能嚴重惡化。主要是：
1、固溶體晶內偏析造成的化學成分不均勻性和出現的不平衡過剩相，使合金抵抗電化學腐蝕的穩定性降低。
2、非平衡共晶或低熔組成物的出現使合金開始熔化溫度降低，使鑄錠在隨後的熱變形或淬火的加熱過程中容易產生局部過燒。
3、晶內偏析不僅造成非平衡相出現和使第二相數量增加，而且這些低熔相在晶枝周圍組成硬而脆的枝晶網路，使鑄錠的塑性和加工性能急劇降低。
4、由晶內偏析造成的化學成分不均勻性遺傳到半制品中，導致退火後在加工材中形成粗大晶粒。
晶內偏析是不平衡結晶造成的。因此，在鋁合金連續鑄造的實際生產中，晶內偏析是不可避免的。消除晶內偏析的有效方法是對鑄錠進行長時間的均勻化處理。在連續鑄造時，減輕晶內偏析的方法是第一，提高冷卻速度，採用變質處理以細化晶粒和晶內結構，縮小晶內偏析的範圍。第二，採用完全相反的方法，降低冷卻速度，進行類似錠模鑄造的深液穴鑄造，以降低鐵、錳等元素的過飽和程虎從而減輕偏析程度。第三，選擇一些能適當地改變合金結晶性質的添加劑。例如在LF21合金中加入適量鐵，使固溶體中錳的濃度降低，從而減少錳在晶粒內部分布的不均一性。
實際生產中，在有雜質鐵存在時，添加鈦對減輕LF21合金固溶體晶粒中的偏析有好處，因為鈦偏析和錳偏析的方向正好相反，樹枝狀晶的中心含鈦高；從而減少了鑄態晶粒中心和邊緣郟分的固溶體濃度之差。
