消除晶内偏析，提高锡青铜轴承合金的机械性能

在铸造生产中，液态合金浇入型腔后冷却较快，不可能达到平衡结晶。下面分析固溶体合金（K 0＜1）的非平衡结晶过程（见图9-2）。

在实际的铸造条件下，成分C 0的固溶体合金，在稍低于液相线温度的T 1温度才开始结晶。结晶出的固相成分为a1，与之平衡的液相成分为b1。当冷至T 2温度时，结晶出的固相成分为a2，与之平衡的液相成分为b2。这时成分为a2的固相是覆盖在成分为a1的固相上面，由于时间短，晶体内外不可能扩散均匀，所以固相的平均成分为a′2（介于a1与a 2之间）。而液相中的扩散较快，设其扩散均匀，故液相成分为b2。当温度降至平衡固相线温度T S时，按上述推理，固相的平均成分不会是平衡成分a 3，而是a′3此时，还有（a3-a′3）/（b3-a′3）量的液体尚未结晶。只有冷至T 4温度时，固相平均成分为a4（即C0），才全部结晶完毕。

将每一温度下的固相平均成分点连成线，则图9-2中虚线所示的a1a′2a′3a′4固相平均成分线，它偏移在平衡固相线下方。这条虚线与平衡固相线偏移的幅度，随冷却速度的增加而加大。这种偏离平衡条件的结晶就是非平衡结晶。非平衡结晶条件下可能得到某些平衡结晶条件下不应有的组织，称为非平衡组织。

由于从液相中先后结晶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，结果造成晶粒内部化学成分不均匀。对于K 0＜1的合金，先结晶的晶体中心含溶质少，后结晶的晶体外层含溶质多。这就是晶内偏析。由于固溶体合金按树枝状方式生长，先结晶的枝干和后结晶的分支在成分上存在差异，最后凝固的区域（枝晶间）含溶质最多。这种在一个晶粒内其成分以树枝状结构形式而变化的晶内偏析又称为枝晶偏析。

可以用非平衡杠杆定律夏尔方程式8-23来定量描述晶内偏析。

对有枝晶偏析的组织进行显微分析时，可以看到由于成分差别而引起浸蚀程度的差异。图9-3是Ni—Cu合金（K 0＜1）的铸态组织和微区分析。先结晶出的枝干含Ni量较高，不易浸蚀，故呈亮色；而后结晶出的枝与枝之间含Cu量较高，易浸蚀，故呈暗色。图9-3（b）是相邻两个枝干之间的Ni与Cu成分的变化情况，图中贫Ni富Cu区域是枝间部分，而富Ni贫Cu区域则是枝干部分。

图9-2　固溶体合金（K　0＜1）的非平衡结晶

图9-3　Ni—Cu含量（K　0＜1）的铸态组织和微区分析

（a）铸态组织；（b）相邻两支干之间的电子探针扫描图像

图9-4是Cu—Sn合金（w Sn=8%）单向凝固铸态组织中Sn在枝晶横断面分布的等浓度线（图中数值为Sn的质量分数）。Sn的最低浓度为6%，最高浓度可达23%。图中的等浓度线是用电子探针测得Sn的X射线强度后，再换算成Sn的浓度而绘制的。

当其他条件相同时，在一定范围内冷却速度越快，原子扩散就越难以充分进行，晶内偏析就越严重。但应指出，在快速凝固及超高速凝固（冷却速度＞107℃/s）的条件下，可以获得无偏析的单相晶体甚至非晶态（或称玻璃态）金属。这是由于冷却速度和凝固速度极高，金属凝固时间极短，固—液界面上的溶质来不及排出和向外扩散，即被冻结并冷却至常温之故。通常用|1-K 0|来衡量溶质的偏析程度。|1-K 0|称之为偏析系数。表8-3中曾列出钢中各种元素的偏析系数。

晶内偏析程度还可用偏析比、偏析最大幅度等来表示。

偏析比SR的定义为：(www.xing528.com)

图9-4　Cu合金（w　Sn=8%）树枝晶Sn的等浓度线

这个数值可由电子探针测定。

偏析最大幅度定义为偏离合金平均成分的最大差值。联系图9-2，偏析最大幅度就是成分为C 0的合金，在液相线温度（T L）下，液相浓度和固相浓度之差（即液相线与固相线之间的水平间隔），即：

由此可见，偏析最大幅度除与溶质的偏析系数|1-K 0|有关外，还与合金的原成分C 0有关。

上述偏析比是晶内偏析程度的实际测定结果。而偏析最大幅度可用来预测晶内偏析的程度。

晶内偏析的存在，会造成晶粒内部性能不一致，从而降低合金的机械性能，特别是塑性和韧性。晶内偏析还将导致合金化学性能的不一致，从而降低合金的耐蚀性。因此，在生产上应设法消除或减轻晶内偏析。

晶内偏析在热力学上是不稳定的，浓度高的地方自发地要向浓度低的地方扩散。但在室温下，扩散速度非常小。如果将合金加热到低于固相线温度100～200℃的温度，则扩散速度就大为增大，经过长时间的保温，就会使化学成分均匀化。这种热处理称为扩散退火或均匀化退火。图9-5（a）是图9-3（a）所示Ni—Cu合金的晶内偏析经过均匀化退火后的晶粒组织。可以看出，原来的枝晶偏析经过均匀化退火后已不复存在，现在看到的是固溶体的多面体晶粒和晶界。电子探针扫描图像[见图9-5（b）]也证明了经过均匀化退火后，晶粒内部的成分是均匀的。

应当指出，对于给定的合金，在确定的温度下进行均匀化退火时，所需的均匀化时间（即保温时间），正比于枝晶间距的平方；而枝晶间距则随结晶时的冷却速度的增大而减小。因为枝晶间距（包括一次分支和高次分支的枝晶间距）规定了晶内偏析的范围。枝晶间距越小，则晶内偏析范围越小，这意味着均匀化退火时原子扩散路程越短，所需时间也就越短。因此，凡是能细化晶粒又能减小枝晶间距的措施，均能减弱晶内偏析，有利于以后的均匀化退火。此外，偏析元素的扩散系数越大，在其他条件相同下，均匀化退火所需时间就越短；在进行均匀化退火时，必须非常小心，使温度不要超过固相线温度，否则，就会发生晶界熔化（过烧现象），损坏铸件的形状和性能。

晶内偏析完全消除后，将导致机械性能的提高。

在有些情况下，合金的晶内偏析也有积极的作用。例如，作为轴承合金的锡青铜中，由于存在晶内偏析，使其具有良好的减磨性。

有些文献把先结晶的晶粒与后结晶的晶粒之间存在的成分上的不同，称之为晶间偏析。