扩散与相变.doc
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1、如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流扩散与相变【精品文档】第 3 页铸锭均匀化的扩散机理 1 基础理论众所周知,所有金属和合金凝固时都存在枝晶偏析,必须通过均匀化处理消除或减少晶内化学成分、组织的不均匀性和在铸锭快速冷却时所产生的内应力,改善铸锭的热塑性。均匀化处理能改善合金的塑性,提高合金元素在基体中的固溶度,提高合金的强度。均匀化过程越彻底,时效后合金的强度越高。在工业生产中,液态合金经浇铸后(铸锭或铸件),冷却较快,一般是几分钟,最多是几小时就已凝固完毕,不可能达到平衡凝固。由于非平衡凝固扩散进行不充分,铸锭或铸件的成分、组织、性能存在不均匀性。主要体现在以下几个方面:铸锭存在成分偏
2、析,如不消除会影响产品的性能的均匀性和降低耐蚀性。铸锭中的低熔点组织在热加工过程中熔化,不利于加工。(3)铸锭中存在较大的残余应力,在加工过程中可能导致铸锭开裂。(4)铸锭中的硬脆相在加工过程中碎化,形成裂纹,降低合金的塑性。鉴于以上问题,就需要对铸锭进行均匀化处理,以改善铸造合金的工艺性能,为后续冷、热加工和热处理创造条件,并且改善铸件的最终使用性能。均匀化是一个在高温下进行的过程,需要一定时间才能完成,其微观机理是合金中一种或多种溶质原子在高温下在化学位梯度的作用下发生扩散,使合金的成分、组织不均匀性得以消除或者减少。这是典型的扩散问题。2 一个实际铸锭的枝晶偏析问题及其均匀化固溶体合金在
3、非平衡结晶时,由于先后从液体中凝固出来的固相成分不同,加之冷却速度快,固相中均匀扩散来不及进行,结果使得晶粒内部化学成分不均匀。往往会出现不同程度的枝晶偏析,从而损害合金的性能。由于不平衡结晶,得到的固相晶粒内部先结晶区高熔点组元含量高,后结晶区低熔点组元含量高,这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象就是晶内偏析。由于固溶体晶体通常是树枝状,枝干和枝间的化学成分不同,因此又称为枝晶偏析。如图Ni-Cu合金铸态组织,先凝固的晶体中心含Ni量高,后凝固的晶体部分含Cu量高,如图1所示。图1(a)为铸态Ni-Cu合金经抛光侵蚀后,由于不同成分的侵蚀程度不同,而显示出枝晶形状,其先凝固的树枝状骨架(白
4、色)含Ni量较高,后凝固的枝与枝之间(黑色)含Cu量较高;图1(b)为两个枝臂间的电子探针显微分析照片,证明了枝臂中心含Ni高,枝与枝枝间含Cu高。如果合金中存在严重的枝晶偏析,会导致合金的塑性显著下降,难于压力加工,为消除枝晶偏析,可以将铸态合金加热至略低于固相线温度进行长时间的均匀化退火,使异类原子互相充分扩散均匀。由图2(a)可见,铸态Ni-Cu合金经均匀化退火后的晶粒组织是均匀的,电子探针扫描图像图2(b)也证明经过均匀化退火后晶粒内部的成分是均匀。图1 Ni-Cu合金的枝晶偏析(a)铸造组织(枝晶偏析);(b)相邻两枝臂间的电子探针扫描图象图2 Ni-Cu的组织经均匀化退火后的晶粒组
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