鋼錠顯微偏析是凝固偏析的一種，在鋼錠凝固過程中發生在晶粒範圍內，僅涉及顯微鏡所觀察的範圍，又稱作樹枝狀偏析。
基本介紹
- 中文名：鋼錠顯微偏析
- 範疇：鋼錠凝固過程
- 別稱：樹枝（狀）偏析
簡介,基本規律,分類,1.胞狀偏析,2.枝晶偏析,3.晶界偏析,影響因素,
簡介
鋼和合金的凝固發生在一定的溫度和濃度範圍內，由於溶質元素在液相和固相的溶解度差異和凝固過程中的選分結晶，在凝固過程中產生了溶質元素分布的不均勻性，通常稱之為偏析。偏析分為顯微偏析（樹枝偏析）和巨觀偏析（低倍偏析）兩類。顯微偏析發生在幾個晶粒的範圍內或樹枝晶空間內，即成分的差異局限於幾個微米的區域內。偏析會使鑄件、鍛軋件產品的機械性能降低，特別是韌性、塑性和抗腐蝕性下降。因此減輕偏析是澆鑄工藝的重要任務。
基本規律
顯微偏析具有以下一些基本規律：
(1)在樹枝晶內，晶軸上的元素濃度最低，且幾乎處處相同，而晶軸(枝)間的元素濃度最高，且不同部位上的差別亦大。故枝間偏析為樹枝晶內的最大偏析。以A表示顯微偏析度，則A=Cmax/Cmin=C枝間/C晶軸；
(2)溶質的顯微偏析度，由鋼錠或鑄坯的表面向中心逐漸增加，且以柱狀晶帶的增加最為顯著，最大偏析度出現在鋼錠或鑄坯的軸心區；
(3)隨著鋼錠或鑄坯斷面尺寸的加大，最大的顯微偏析度亦隨之增加。但表層中顯微偏析度比較接近，而中心處的顯微偏析度的差別極其顯著；
(4)隨著鋼中含碳量的增加(如40Cr與20Cr鋼比較)，元素S、Cr、Mn等的顯微偏析度亦增加。
顯微偏析造成晶粒內或晶間物理和化學性能的差異，影響鑄件及鋼材的機械性能，有時還能造成塑性加工時的熱脆性或冷脆性。顯微偏析可以通過鋼錠的高溫退火予以減輕或消除。而高溫退火的時間與枝間距的平方成正比。鋼的枝間距一般較大(約10-2cm)，在1200℃下約需300h的均化熱處理，才能顯著地降低顯微偏析度。改善鑄錠的工藝條件，只能在一定程度上改變偏析的大小和分布。消除偏析危害最有效的辦法是以各種鐵水預處理及爐外精煉技術為手段，最大限度地降低鋼液中有害雜質(S、P、O、H、N等)的含量，生產純淨鋼。
分類
鋼錠顯微偏析可分為胞狀偏析、枝晶偏析和晶界偏析三種。
1.胞狀偏析
當成分過冷較小時，固溶體晶體呈胞狀方式生長。如果合金的分配係數小於1，則在胞壁處將富集溶質；若分配係數大於1，則胞壁處的溶質將會貧化。這稱為“胞狀偏析”。
用電子探針分析表明，有的合金（當k<1時）在胞壁處溶質濃度可比整體平均濃度大二個數量級。但由於胞體較小，即成分變化的範圍較小，因此進行均勻化是不困難的。如果胞體尺寸約為
，固態擴散係數約
，那未退火一個小時左右就足以消除這種偏析。
2.枝晶偏析
枝晶偏析（晶內偏析）是由合金的不平衡凝固造成的，影響其偏析程度的主要因素有：
（1）在其他條件相同時，通常冷凝速度越快，擴散就越不充分，晶內偏析越嚴重；
（2）偏析元素在固溶體中的擴散能力越小，則晶內偏析越大。例如Ni原子的擴散很慢，故含Ni的固溶體鑄態中晶內偏析很嚴重。又如鋼中雜誌磷與矽相比較，矽的擴散能力大於磷，因而它的偏析程度小於磷。
（3）合金相圖上液相線與固相線的水平距離差別越大，晶內偏析也越嚴重。
晶內偏析通常是有害的。嚴重的晶內偏析，使晶粒內部合金成分不均勻，特別在靠近晶界和枝晶處，與平均濃度有很大的差別，這會引起鑄件（或枝晶破碎不足的鍛件）的機械性能下降，特別是韌性、塑性下降。此外，晶內偏析還會導致化學性能不均勻，促使合金的抗蝕性下降。
枝晶的偏析程度通常用偏析比例SR來表示。其定義為：
SR=最大溶質濃度（枝晶間區域）/[最小溶質濃度（枝晶主幹）]
這個數值可用電子探針測定。
在低於固相線的高溫下進行長時間的擴散退火（均勻化），使鑄態合金中的原子得以充分的擴散，就能清除或減輕枝晶偏析。
3.晶界偏析
由凝固形成的晶界偏析可有兩種情況。
第一種情況如下圖a所示：兩個晶粒並排生長（晶界平行於生長方向），由於表面張力平衡條件的要求，在晶界與溶液交界的地方，就要出現一個凹槽，深達
，此處有利於溶質原子的富集，凝固後形成了晶界偏析。
第二種情況如下圖b所示：兩個晶粒彼此面對面生長，結構晶界彼此相遇，在它們之間富集大量溶質，從而造成晶界偏析。
晶界偏析的形成示意圖影響因素
1.冷卻速度。樹枝晶間距l是區域凝固時間或冷卻速度的函式。以下兩圖分別表示二次枝幹間距與凝固時間和冷卻速度的關係。
因此，縮短凝固時間或加快冷卻速度，不使溶質有足夠時間而析出，樹枝晶間距變小，枝杈增多，可以大大減輕鋼錠樹枝偏析。
二次枝晶間距越大，就越難用熱處理（如擴散退火）來消除偏析，在某一溫度下，合金成分均勻化時間與樹枝晶間距的平方成比例。因此，增加冷卻速度，細化樹枝晶是減少偏析的有效方法。
2.溶質元素偏析傾向。一個元素的偏析傾向可用該元素在已凝固金屬的濃度與液相中濃度比值K來確定。K值越小，則先結晶與後結晶的固相成分差別越大。鐵液中元素的K值可用范特霍普公式計算，或者用區域熔化法試驗測定。
3.元素在固體金屬中的擴散速度。碳是鋼中強偏析元素，但是，碳在固體鋼中的擴散速率高於其他元素，所以在鋼錠冷卻過程中。碳能均勻分布在奧氏體相中。除碳外，其他元素在鐵中擴散速率較小，所以在凝固後鋼錠顯微結構中存在元素分布的不均勻性，這種不均勻分布只能在冷卻過程中有所減輕而不能消除。
4.固態相變。鋼凝固冷卻過程中發生的相變，會使顯微偏析發生較大的變化，不同相中K值有較大的差別。
5.液相流動。凝固時由於凝固收縮和熱對流引起樹枝晶間液體流動發生樹枝晶粗化或重熔使枝晶間距發生變化而影響顯微偏析的程度。
