枝晶偏析

枝晶偏析是指固溶体晶粒中化学成分的不均匀性。在急冷条件下，液态合金以枝晶方式结晶时，固相中原子均匀扩散的过程非常缓慢，导致先枝晶后枝晶的分离。因为均匀扩散的过程可以 随着结晶过程的发展，最终获得化学成分不均匀的枝晶。枝晶首先包含比合金的平均成分更多的高熔点成分，然后枝晶间隙包含比合金更多的低熔点成分。

枝晶凝固过程中溶质再分配引起的枝晶偏析，即枝晶轴中心和外围的溶质浓度存在差异，称为枝晶偏析。

下图显示了在溶液中不同溶质混合条件下，固化固体棒中的预期溶质分布。枝晶轴的生长过程可以简化为小棒定向凝固的连续生长过程。这样，从枝晶轴的中心到外围，溶质的变化根据熔体中溶质的不同混合条件，按照图中所示的曲线之一分支。

溶质分布情况

枝晶的轴向间距决定了枝晶偏析的范围。枝晶轴间距是凝固条件的函数，并且局部凝固时间具有重要影响局部凝固时间定义为在铸锭或铸件的特定位置从凝固开始到凝固结束所需的时间。它与那里的平均冷却速度成反比。而且枝晶轴间距不是简单的由初始生长状态决定的，后续的粗化非常重要，即小枝晶轴消失，大枝晶轴变粗，导致枝晶轴间距随着冷却速率为1而增大/2~1/3次方而变化。

较大的枝晶间距意味着通过热处理使组合物均匀化更加困难。对于给定的合金，在一定温度下热处理时，均匀化所需的时间与枝晶轴间距的平方成正比。因此，通过提高冷却速度来减小分支之间的轴向间距是一个非常好的措施。

完全消除枝晶偏析将导致机械性能的改善。如果出现第二相，完全消除枝晶显微偏析特别困难。已经观察到，当钢接近凝固的最后阶段时，在富含溶质的枝晶间隙中形成第二相硫化物夹杂物。这些夹杂物特别稳定，阻碍晶粒细化，认为溶质的显微偏析是锻钢带状组织的原因。讨论了枝晶显微偏析对带状或纤维状偏析的重要性。通过控制枝晶轴间距来控制成分均匀性变得越来越重要。

枝晶偏析的程度由合金的冷却速度和偏析元素的扩散能力决定。枝晶偏析降低了合金的机械性能，这可以通过扩散退火来消除。

由于冷却速度快，液相中的原子有时间扩散，而固相中的原子有时间扩散。使得固溶体的第一结晶中心和第二结晶部分的组成不同，这成为晶内偏析。而金属的晶体是以枝晶的形式长大的，所以这种偏析多为枝晶，先结晶的枝晶成分与后结晶的枝晶成分不同，也称为枝晶偏析。固相线和液相线之间的水平和垂直距离越大，枝晶偏析越严重。铸铁成分越接近共晶点，偏析越小，反之亦然。

由于枝晶偏析的存在，晶粒内部的化学成分和铸锭的显微组织极不均匀，严重恶化了铸锭的性能。主要是：

1、化学成分的不均匀性和由固溶体晶内偏析引起的不平衡剩余相降低了合金抗电化学腐蚀的稳定性。

2、非平衡共晶或低熔点成分的出现降低了合金的初熔温度，使得铸锭在后续的热变形或淬火加热过程中容易发生局部烧伤。

3、枝晶偏析不仅导致非平衡相的出现，增加第二相的数量，而且在枝晶周围形成硬而脆的枝晶网络，大大降低了铸锭的塑性和加工性能。

4、晶内偏析造成的化学成分不均匀性遗传到半成品中，导致加工材料退火后形成粗晶。

枝晶偏析是由不平衡结晶引起的。因此，在铝合金连铸的实际生产中，晶内偏析是不可避免的。消除晶内偏析的有效方法是长时间均匀化铸锭。在连铸中，减少晶内偏析的方法有首先，提高冷却速度，采用变质处理细化晶粒和晶内组织，缩小晶内偏析的范围。其次，采用相反的方法，降低冷却速度，进行类似于锭模铸造的深液腔铸造来降铁、锰和其他元素的过饱和会降低偏析程度。第三，选择一些能适当改变合金结晶性能的添加剂。例如，在LF合金中加入适量的铁，可以降低锰在固溶体中的浓度，从而降低锰在晶粒中分布的不均匀性。

在实际生产中，在杂质铁存在的情况下加入钛，有利于减少LF合金固溶体晶粒中的偏析，因为钛偏析和锰偏析的方向正好相反，枝晶中心含高钛；从而减小铸态晶粒中心和边缘之间的固溶体浓度差。