鋼錠宏觀偏析

宏觀偏析有多種分類方法，按分布方向可分為水平偏析和垂直偏析；按偏析帶形態(tài)可分為帶狀分析和通道偏析（如V形、倒V形偏析等）；按偏析的直接成因可分為正常偏析、反常偏析、比重偏析等等。

宏觀偏析也稱區(qū)域偏析，發(fā)生在較大區(qū)域。鎮(zhèn)靜鋼錠常見的偏析類型有：逆V偏析，V偏析、頭部正偏析及底部沉積錐負(fù)偏析等。

M.C.Flemings等認(rèn)為：如果枝晶凝固時對凝固收縮補(bǔ)充充分，同時又不將枝晶間濃化液相帶出，則僅發(fā)生微觀偏析而不發(fā)生宏觀偏析。亦即：選分結(jié)晶的作用使枝晶間液相富集溶質(zhì)，凝固過程鋼液或固液相的動流將富集溶質(zhì)液相帶到鋼錠中未凝區(qū)域，導(dǎo)致整個鋼錠組分的不均勻分布。凝固過程的流體流動對鋼錠宏觀偏析的形成具有決定性作用。各種形式的宏觀偏析的生成都與凝固過程一種或多種流體流動方式有關(guān)。鋼錠凝固過程伴隨著多種流體流動形式：液相整體熱對流；澆注引起的液相流動；凝固收縮引起的流動.密度差引起的對流等。

逆V偏析線被認(rèn)為是富集溶質(zhì)液相從兩相區(qū)向錠芯流動的通道，它對鋼錠頭部偏析以及整個鋼錠的偏析具有重要影響。枝晶沉降被認(rèn)為是凝固過程枝晶析斷、表面形核等滿足一定空間條件時在密度差的作用下形成結(jié)晶相，在枝晶沉降過程中，部分枝晶間濃化液相被沖出，使沉降的枝晶平均濃度下降，結(jié)晶雨到達(dá)底部便形成不沉積錐負(fù)偏析。

鋼液是在一定溫度范圍凝固的，其流動性隨固相率的變化而不同。鋼錠凝固區(qū)域分為液相區(qū)、液固兩相區(qū)和固相區(qū)。兩相區(qū)根據(jù)流動特征又可分為液固層（p層）和固液層（q層）。q層又可進(jìn)一步分為q₁和q₂層，在q₁層內(nèi)只有液相可流動，q₂層液固相均可流動。為研究方便，根據(jù)高橋中義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將凝固區(qū)域劃分為固液可流動區(qū)（固相率f≤0.3~0.35），液相可流動區(qū)（固相率0.3~0.35≤f<0.67）和液固均不可流動區(qū)（f>0.67）。

對鋼錠宏觀偏析形成起決定性作用的兩相區(qū)內(nèi)的流體流動與凝固過程固相率分布密切相關(guān)，這意味著鋼錠宏觀偏析與其凝固過程溫度場變化具有某種對應(yīng)關(guān)系 。

鋼錠宏觀偏析是指在鋼錠中存在的限于鋼錠尺寸數(shù)量級的濃度差別，又稱區(qū)域偏析。通常指沿鋼錠縱斷面和橫斷面上化學(xué)成分不均勻分布情況。

宏觀偏析與各結(jié)晶帶的形成密切相關(guān)，往往在特定區(qū)域成條帶狀分布。它既可用鉆樣分析方法進(jìn)行鑒定，又可借助硫印、酸浸等低倍檢驗(yàn)方法判明，故又稱為低倍偏析。

宏觀偏析大小程度通常用偏析量△C=C-C₀、偏析度A₁=C/C₀或A₂=C-C₀/C₀×100%、以及偏析差別△A=C_max-C_min/C₀×100%等來量度。式中C為測定點(diǎn)某元素含量；C₀為該元素在鋼中的平均含量，常以桶樣成分表示；C_max和C_min分別為某元素在測定范圍內(nèi)的最高和最低含量?！鰿>0或A1>1稱為正偏析，△C<0或A1<1則稱為負(fù)偏析。

鎮(zhèn)靜鋼的外殼凝固速率很快，雜質(zhì)和合金元素來不及向內(nèi)轉(zhuǎn)移，其成分與鋼的平均成分相同。在柱狀晶形成期間，雜質(zhì)和合金元素富集在柱狀晶隧道中。由于靠近柱狀晶前沿較冷的鋼液密度較大，有下沉的趨勢，而錠心部分溫度較高，鋼液密度較小，有上浮的趨勢，于是就產(chǎn)生了鋼液的循環(huán)流動。循環(huán)流動的鋼液沿柱狀晶前沿向下流動時，把柱狀晶間隧道中富集雜質(zhì)和合金元素的鋼液帶走，鋼液達(dá)到接近鋼錠底部凝固區(qū)時，再向內(nèi)流動，然后沿鋼錠軸心區(qū)域上升，雜質(zhì)和合金元素就會被帶到鋼錠的心部和頭部，硫、磷等元素減小鋼錠的密度，促使鋼液向上流動，故較多的富集在鋼錠的中上部。

在中心等軸晶帶結(jié)晶期間，鋼液中Al₂O₃粒子和半固態(tài)硅酸鹽和鋁酸鹽夾雜物能夠成為初生警惕結(jié)晶的靠背。晶體附在這些夾雜物上生長時，這些夾雜物將不能繼續(xù)上浮，而是被密度較大的枝晶拉向下方，造成鋼錠中下部較高的氧化物夾雜含量。因此，除氧意外，其他元素包括碳、硫、磷和合金元素均富集于鋼錠的中上部。鎮(zhèn)定鋼凝固時鋼錠上部溫度高，保溫帽部分最后凝固，該處的正偏析最大。在使用大鋼錠制造大型鍛件時，這種情況必須予以考慮。

宏觀偏析可使由鋼錠不同部位軋制出來的鋼材在力學(xué)性能和物理性能上產(chǎn)生很多的差異。宏觀偏析只能通過控制和改善澆筑工藝來解決 。

宏觀偏析是鑄造鋼錠的主要缺陷之一，凝固過程中的溶質(zhì)再分配是產(chǎn)生宏觀偏析的根本原因。宏觀偏析嚴(yán)重影響鋼錠的組織和性能，且難以通過鍛造、熱處理等后續(xù)工藝消除。特別是大型鋼錠，宏觀偏析導(dǎo)致整體利用率低，造成極大浪費(fèi) 。

宏觀偏析可使由鋼錠不同部位軋制出來的鋼材在機(jī)械性能和物理性能上產(chǎn)生很大的差異，甚至出現(xiàn)各向異性性，降低金屬收得率，影響鋼材制品的有效利用和使用壽命。如鋼錠中硫的偏析能破壞金屬的連續(xù)性，軋制或鍛造時引起鋼坯的熱脆，軋制鋼板時甚至引起夾層廢品，嚴(yán)重影響鋼板的冷彎性能。硫的偏析往往還是承受交變載荷的零部件引起疲勞斷裂的主要根源之一。磷的偏析能使鋼材制品產(chǎn)生冷脆性，并促進(jìn)鋼的回火脆性。宏觀偏析將一直殘留到最后產(chǎn)品中，危害產(chǎn)品的使用性能，甚至造成隱患。

鑄坯縱斷面的中心等軸晶區(qū)，在硫印圖上還可觀察到V形偏析區(qū)，有時把這種偏析叫做半宏觀偏析，它會在產(chǎn)品上形成點(diǎn)狀的中心偏析。其形成過程如圖3所示。

圖中1區(qū);柱狀晶生長，在凝固前沿的晶體迅速消失，使過熱度消除。2區(qū)液相穴處于過冷狀態(tài)，自由等軸晶可以在液體中存在，并沿凝固前沿下沉;3區(qū)柱狀晶開始向等軸晶過渡，在兩相區(qū)含有由對流運(yùn)動帶來的自由晶體作為核心，等軸晶生長;4區(qū)中心區(qū)液體成為糊狀;5區(qū)中心區(qū)的糊狀液體失去流動性，樹枝晶間液體開始滲漏;6區(qū)開始出現(xiàn)偏析通道;7區(qū)糊狀液體沿中心通道流動;8區(qū)中心殘余液相完全凝固。從圖中的3區(qū)到7區(qū)可稱做鑄坯中心區(qū)的區(qū)域凝固時間。碳含量越高，兩相區(qū)越寬，區(qū)域凝固時間越長，形成中心偏析越嚴(yán)重。板坯鼓肚變形也會把最后凝固階段的濃化鋼液抽引到板坯中心而形成中心偏析。

鑄件凝固后，在截面上各個部分及晶粒內(nèi)部往往出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析，可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和比重偏析三種類型，后二者為宏觀偏析，使鑄件的各部分性能不一致，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量，往往使鑄件報廢。

偏析的產(chǎn)生主要與合金的化學(xué)成分有關(guān)。不同化學(xué)成分的合金其結(jié)晶溫度范圍不同，范圍越寬越容易產(chǎn)生區(qū)域偏析。此外，偏析傾向還與冷卻凝固速度和凝固時所受壓力等工藝因素有關(guān)。設(shè)計(jì)者在確定鑄件材質(zhì)時應(yīng)認(rèn)真考慮材質(zhì)的偏析特性，若必須采用易產(chǎn)生偏析的合金時，則應(yīng)在鑄件斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇鑄造方法時充分注意，采取措施減少偏析的產(chǎn)生。

液態(tài)材料凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。鑄件的偏析可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和比重偏析三類。

1、晶內(nèi)偏析（又稱枝晶偏析）是指晶粒內(nèi)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。這種偏析出現(xiàn)在具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止和減少晶內(nèi)偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常采取緩慢冷卻或孕育處理的方法。

2、區(qū)域偏析是指鑄件截面的整體上化學(xué)成分和組織的不均勻。避免區(qū)域偏析的發(fā)生，主要應(yīng)該采取預(yù)防措施，如控制澆注溫度不要太高，采取快速冷卻使偏析來不及發(fā)生，或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的溫度梯度，使表層和中心部分接近同時凝固。

3、比重偏析是指鑄件上、下部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。為防止比重偏析，在澆注時應(yīng)充分?jǐn)嚢杞饘僖夯蚣铀俸辖鹨旱睦鋮s，使液相和固相來不及分離，凝固即告結(jié)束。偏析過大會使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的差異，降低鑄件的質(zhì)量。 2100433B