合金铸造过程偏析分析

答：合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素 结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。 组元：组成合金的最基本的、的物质称为组元。

相：在金属或合金中， 凡成分相同、 结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组 成部分，均称之为相。

相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。 固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合， 混合后形成的固相的晶格结构与组 成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。

金属间化合物： 合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相， 称 为金属间化合物。它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。

机械混合物： 合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起， 称机械混 合物。

枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的 固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较 多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。

比重偏析： 比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。 如果先共晶相 与溶液之间的密度差别较大， 则在缓慢冷却条件下凝固时， 先共晶相便会在液体 中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致， 产生比重偏析。 固溶强化： 通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、 硬度升高的现象 称为固溶强化。

弥散强化： 合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布， 会提高合金 的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。 2．指出下列名词的主要区别：

1）置换固溶体与间隙固溶体； 答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称 置换固溶体。

间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。 2）相组成物与组织组成物；

相组成物：合金的基本组成相。 组织组成物：合金显微组织中的组成部分。 3 .下列元素在a -fe中形成哪几种固溶体？ si、c、n、cr、mn

答：si、cr、mn形成置换固溶体；c、n形成间隙固溶体。

4.试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理 , 并说明三者的区别 . 答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运 动时受到阻力增大。

弥散强化： 金属化合物本身有很高的硬度， 因此合金中以固溶体为基体再有适量 的金属间化合物均匀细小弥散分布时， 会提高合金的强度、 硬度及耐磨性。 这种 用金属间化合物来强化合金的方式为弥散强化。

加工强化： 通过产生塑性变形来增大位错密度， 从而增大位错运动阻力， 引起塑 性变形抗力的增加，提高合金的强度和硬度。

区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金， 固溶强化是通过 产生晶格畸变， 使位错运动阻力增大来强化合金； 弥散强化是利用金属化合物本 身的高强度和硬度来强化合金； 而加工强化是通过力的作用产生塑性变形， 增大 位错密度以增大位错运动阻力来强化合金； 三者相比，通过固溶强化得到的强度、 硬

度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、 硬度最高，但塑韧性最差， 弥散强化介于两者之间。

5．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？ 答：在结构上： 固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同， 而金属间化合物的晶体结 构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。

在性能上： 形成固溶体和金属间化合物都能强化合金， 但固溶体的强度、 硬度 比金属间化合物低， 塑性、韧性比金属间化合物好， 也就是固溶体有更好的综合 机械性能。

6. 何谓共晶反应、包晶反应和共析反应 ?试比较这三种反应的异同点 . 答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格 均不相同的两种晶体的反应。

包晶反应： 指一定成分的固相与一定成分的液相作用， 形成另外一种固相的反 应过程。

共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具 有一定晶体结构的固相的反应。

共同点： 反应都是在恒温下发生， 反应物和产物都是具有特定成分的相， 都处于 三相平衡状态。

不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应； 共析反应是一种固 相在恒温下生成两种固相的反应；

7．二元合金相图表达了合金的哪些关系？ 答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。 8．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？ 答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含量。

9.已知a （熔点600 C）与b（500 C）在液态无限互溶；在固态300 C时a溶于 b的最大溶解度为30%，室温时为10%但b不溶于a；在300 C时，含40% b 的液态合金发生共晶反应。现要求： 1 ）作出 a-b 合金相图；

2）分析 20% a,45%a,80%a 等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相 组成物的相对量。 答：(1)

(2) 20%a合金如图①：

合金在1点以上全部为液相，当冷至1点时，开始从液相中析出a固溶体， 至2点结束，2〜3点之间合金全部由a固溶体所组成，但当合金冷到3点以下， 由于固溶体a的浓度超过了它的溶解度限度，于是从固溶体 a中析出二次相a， 因此最终显微组织：a +aii

相组成物：a +a a= (90-80/90 ) *100%=11%

a =1-a%=%

45%a 合金如图②：

合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出a固溶体，此时液相 线成分沿线be变化，固相线成分沿bd线变化，当冷至2点时，液相线成分到达 e点，发生共晶反应，形成(a+a )共晶体，合金自2点冷至室温过程中，自中 析出二次相a i，因而合金②室温组织： a i + a +(a+ a ) 相组成物:a+ a 组织：ai = (70-55) /70*100%=21% a =1- a i =79% a+a = (70-55) /(70-40 ) *100%=50%

相：a= (90-55) /90*100%=50% a =1-a%=50% 80%a合金如图③：

合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出a,此时液相线成分 沿ae线变化，冷至2点时，液相线成分到达点，发生共晶反应，形成 (a+ a )共 晶体，因而合金③的室温组织：a+ (a+ a ) 相组成物：a+ a

组织：a= (40-20) /40*100%=50% a+ a =1-a%=50% 相：a= (90-20) /90*100%=78% a =1-a%=22% 10•某合金相图如图所示。

1) 试标注①一④空白区域中存在相的名称； 2) 指出此相图包括哪几种转变类型；

3) 说明合金i的平衡结晶过程及室温下的显微组织。 答：⑴①：1+ 丫 ②：丫 + B ③：B +( a + B )④：B + aii (2)匀晶转变；共析转变

⑶ 合金①在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出丫固溶体至2 点结束,2〜3点之间合金全部由丫固溶体所组成,3点以下，开始从丫固溶体中析 出a固溶体，冷至4点时合金全部由a固溶体所组成,4〜5之间全部由a固溶体 所组成，冷到5点以下，由于a固溶体的浓度超过了它的溶解度限度，从a中析出 第二相B固溶体,最终得到室稳下的显微组织:a +B i

11.有形状、尺寸相同的两个cu-ni合金铸件，一个含90% ni ,另一个含50% ni,铸后

自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？

答：含50% ni的cu-ni合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较 快,使得先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含50% ni的cu-ni合金铸件固相线与液相线范围比含 90% ni铸件宽，因此它所造成 的化学成分不均匀现象要比含90% ni的cu-ni合金铸件严重。

铸件中的偏析

所谓铸造偏析就是液态合金在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒 与晶界之间存在化学成分的不均匀现象。它有三种类型：即晶内偏析、区域偏析 和比重偏析。有时铸件上只存在某一种类型的偏析，有时则几种类型同时并存。 由于偏析的存在，铸件断面上或晶粒与晶界处的机械性能也不一致，从而会影响 到铸件的使用寿命。为此，在铸件的生产中，应尽量防止偏析的产生。 1． 晶内偏析

晶内偏析，又叫树枝晶偏析。其特征是在一个晶粒范围内，晶内和晶界处的 化学成分不一致， 熔点高的组元往往多分布于晶内， 而熔点低的组元则往往多分 布于晶界。如锡青铜铸件，晶粒内含铜多，而晶界处含锡多。 一般的产生晶内偏析，有两个条件： （ 1） 具有一定结晶温度范围的合金；

（ 2） 在凝固过程中，合金原子的扩散速度小于结晶速度。

因为合金的结晶温度范围愈宽、铸件的冷却或结晶速度愈快，则晶内偏析愈 严重。为防止晶内偏析，可以采用细化晶粒的措施，以缩短原子的扩散距离；或 适当提高浇温， 以延缓冷却速度， 以达到延长原子的扩散时间等。 对已产生晶内 偏析的铸件，可通过长时间的扩散退火来减轻晶内偏析。 2． 区域偏析

区域偏析是指在铸件的整个断面上，各部位的成分不一致的现象。主要因合 金进行选择凝固所引起。区域偏析又分正向偏析和逆向偏析两类。 （1）正向偏析

所谓正向偏析是指铸造合金中， 熔点较低的组元集中分布在铸件的中心或上 部区域，其含量从铸件的先凝固区到其后凝固区逐渐递增。 而逆向偏析则正好相 反，熔点较低的组元集聚在铸件边缘。 如硅黄铜铸件易出现正向偏析， 即铸件中 心含硅量较高；锡青铜件则易产生逆向偏析，即铸件表层中锡含量较多。

一般的，具有一定结晶温度范围的合金， 均会产生一定程度的区域偏析， 只 是结晶温度范围较小的合金， 倾向于产生正向偏析； 而结晶温度范围较宽的结晶 时形成发达的树枝晶的合金，则易产生逆向偏析。如锡青铜件表面的“锡汗”， 就是当锡青铜表面先凝固一层硬壳后， 由于某种应力的作用， 硬壳出现裂纹， 壳 内未凝固的低熔点组元 （锡）占多数的液态合金被挤出壳外而停留在铸件表面形 成的。

即使采用均匀化扩散退火也无法消除区域偏析，因为偏析元素需经长距离 的扩散，故区域偏析应以预防为主，一般有以下措施： （ 1） 选择成分合适的合金；

（ 2） 合理的铸件结构，即避免厚大断面； （ 3） 正确控制冷却速度。 3． 比重偏析

由于合金中组元比重的不同所引起的偏析，叫比重偏析。比重偏析的产生， 有以下几种情况：

（1）合金中的两组元在液态下互不相溶， 如铜- 铝合金， 当此类合金在液态放置 过久时，将发生分层现象，比重大的组元沉在下面，比重小的组元浮在上面。 （2）液态合金在搅拌不均的情况下，由于选择凝固所生成的晶体，其比重与母 液不

同，或上浮或下沉， 形成比重偏析。 如巴氏合金中的铅基合金或锡基合金的 偏析。

（3）铸件的凝固方向也会影响比重偏析。若铸件的凝固顺序是自下而上，对于 初生晶的比重较大的合金而言， 其比重较小的低熔点相很容易上浮， 会加剧比重 偏析；反之，当初生晶体的比重较小时，会减轻比重偏析。

总之，对易产生比重偏析的合金而言，必须采取防止措施，如控制熔炼工艺 使合金成分均匀； 尽量缩短液态合金的放置时间； 加快冷却速度及合理控制铸件 的凝固方向等。

五、合金的吸气

各种铸造合金，尤其是有色合金，在液态时都有吸收气体的特性。气体在合 金中的溶解度，随温度的变化有如图 3.17所示的规律。合金在固态时，气体的 溶解度很小，并随温度的升高，增加得也很少；当合金达到熔点时，气体的溶解 度急剧增加，在液态合金中熔解的气体比固态合金中的多很多。

可以看出，气体在液态合金中的溶解度随温度的升高增加较快， 直至达最高 值后才开始下降；合金达到沸点时，气体的溶解度几乎等于零。一般的，铸造合 金

在熔炼时，正处于气体溶解度随温度升高而增加很快的阶段，甚至达到饱和。 尤其是铝、镁合金具有较大的吸气倾向。当其浇注到铸型后，随着温度的降低， 气体的溶解度将不断下降，结果就会析出气体。当析出的气体来不及从液态合金 中跑出时，便会在铸件中形成气孔。如铝合金上的针孔。

合金中所吸收的气体，主要来源于炉料、各种辅助材料、炉气及坩埚等熔化 工具。对于极易吸气的合金，如铝、镁合金，在浇注过程中，一切与气体、水分 接触的机会，均易导致吸气。在所吸收的气体中，最有害的是氢气。为了减少或 避免液态合金吸气，应采取以下工艺措施： (1)

严格控制炉料及辅助材料的质量；

(2) 做好熔炉及其它工具的预热等准备工作;

（ 3） 正确控制熔炼和浇注工艺，如尽量减少液态合金在高温下保温的时间， 并避免其过热； 对极易吸气的合金应在覆盖剂保护下熔炼， 并在熔炼后期进行除 气处理。

4） 有条件时，对易吸气合金采用真空炉熔炼和在真空室内浇注。