枝晶偏析

在枝晶凝固期間，溶質重新分佈所引起的枝晶狀偏析，即在枝晶軸的中心和外周間溶質濃度存在著差異，叫做枝晶偏析。

如下圖所示為溶液中不同的溶質混合條件下，凝固的固體棒中所預料的溶質分佈情況。在一個枝晶軸的成長過程中，我們可以簡化地看成小型棒的單方向凝固的連續成長過程。這樣，從枝晶軸的中心到外周，溶質的變化根據熔體中溶質的不同混合條件按圖中所示的曲線之一而支化。

軸間距

枝晶的軸間距規定了枝晶偏析的範圍。而枝晶軸間距是凝固條件的函數，並且局部凝固時間有重要的影響，局部凝固時間定義為鑄錠或鑄件某個特定的位置上，從凝固開始到凝固終了所需的時間。它反比於在該處的平均冷卻速度。而且，枝晶軸間距不是簡單地由開始長大狀態所決定的，隨後的粗化作用是很重要的，即其中小的枝晶軸消失而大的枝晶軸長得更粗，這導致枝晶軸間距隨冷卻速度的1/2~1/3次方而變化。

較大的枝晶間距，就意味著更難於通過熱處理而使成分均勻化。對於一給定的合金而言，在一個確定的溫度下熱處理時，均勻化所需的時間正比例於枝晶軸間距的平方。因此，通過增加冷卻速度而減小枝間的軸間距，是非常好的措施。

完全消除枝晶顯微偏析，將導致機械性能的提高。如果有第二相出現，則完全消除枝晶顯微偏析是特別困難的。有人觀察到在鋼接近凝固最後階段時，在富集溶質的枝晶間隙中形成第二相硫化物夾雜物。這些夾雜物特別穩定，妨礙晶粒細化，並認為溶質的顯微偏析是造成隨後鍛鋼的帶狀組織的原因。有人討論了枝晶顯微偏析對於帶狀或纖維狀偏析的主要性。通過控制枝晶軸間距來控制成分的均勻性，變得越來越重要。

枝晶偏析程度由合金的冷卻速度偏析元素的擴散能力等因素決定。枝晶偏析使合金的力學性能降低，可通過擴散退火消除。

由於冷卻速度較快，使液相中的原子來得及擴散而固相中的原子來不及擴散。以至於固溶體先結晶中心和后結晶部分成分不同，成為晶內偏析。而金屬的結晶多以枝晶方式長大，所以這種偏析多呈樹枝狀，先結晶的枝軸與后結晶的枝間成分不同，又稱為枝晶偏析。固相線與液相線的水平距離和垂直距離越大，枝晶偏析越嚴重。鑄鐵的成分越靠近共晶點，偏析越小，反之越大。

由於枝晶偏析的存在，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、枝晶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，導致退火后在加工材中形成粗大晶粒。

枝晶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LF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佈的不均一性。

實際生產中，在有雜質鐵存在時，添加鈦對減輕LF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。