偏析带

科技工作者之家 2020-11-17

金属学上的词语。合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。焊接熔池一次结晶过程中,由于冷却速度快,已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散,造成分布不均,产生偏析带。

分类偏析带分为三种:

1.晶内偏析:该情况取决于浇铸时的冷却速度,偏析元素扩散能力和固相线倾斜度等.可以通过退火将偏析消除;

2.区域性偏析:在较大范围内化学成分不均匀的现象,退火无法将该情况消除,这种偏析与浇温、浇速等有关;

3.比重偏析:合金凝固时析出的初晶与余下的液体存在较大的比重差,最终导致材料出现分层、化学成分不均匀的情况。可采用降低浇温加大冷却速度,加入微量元素形成比重适当等。

连铸坯横向裂纹和偏析带形成原因的分析20MnSi、20钢和钢铸坯内部裂纹与偏析带相互混杂分布在柱状晶区。偏析带有较高的磷含量及MnS夹杂。而这些Mns夹杂在低倍酸蚀时由于选择腐蚀而造成了“裂纹”的假象,这些裂纹无法用超声进行预检。当轧制比在15~20时可基本消除这种缺陷 。1

裂纹和线状偏析带的观察在连铸坯的表面或角部的凹谷处有时会出现 一些横向裂纹,对应在铸坯或成 品、半成品轧材的低倍酸蚀试片上,会发现分布于柱状晶区成簇的内部裂纹及线状偏析带。轧制成小规格钢材后,成为“类折叠状”表面缺陷或“起皮” 。

对于这些裂纹的形成机制和线状偏析带的产生原因已有一些不同的看法,其一认为在900℃左右由于γ→α的转变, 使铸钢的热塑性变差。其二认为裂纹的形成与振痕形成机理有关。

通过20MnSi、20钢和45钢连铸坯及其轧材上的这种裂纹和线状偏析带的观察分析,对这种缺陷的形成原因、轧制后的变化进行了初 步讨论。1

内部裂纹和线状偏析带轧制特征当轧制成Φ50mm棒材后,20钢低倍试片上出现的偏析带裂纹很相似,有的并有一定深度,在此处取金相试样,磨制后用4%硝酸酒精腐蚀,进行显微观察,发现这些线状偏析带沿条状或分叉状铁素体发展,若将其磨去后用50%的盐酸水溶液重新热蚀,则又一次受到腐蚀,成为有一定探度的腐蚀沟。这就是因选择腐蚀成为“裂纹”的假象 。

高倍观察铁素体条状部位,发现其中聚集了较多的硫化物和硅酸盐夹杂物 . 与铸坯上所发现的情况完全一 致。对10段有这种假象“裂纹”的线状偏析缺陷的Φ50mm 20钢轧材(每段长400mm)进行超声探伤, 结果表明,即使适当提高灵敏度,由于它和钢材的声阻抗差异较小也不能检测出这种缺陷 。

在偏析带区的铁素体条带与珠光体条带上进行电子探针分析,结果表明与正常基体相比Si、Mn、Cr、Ni、S均无明显差异,而P的成分相差很大。以20钢的测试数据为例,基体的铁素体中P0.034%,珠光体中P0.010%~0.025%;偏析带的铁素体中P0.086%~0.109%,珠光体中P0.079%。

这说明无论是铁素体还是珠光体,线状偏析带处P含量均高于正常基体处的含量 。某些研究试验结果表明振痕处的P偏析是很明显的,它的峰值可达0.28%,比熔炼成分几乎高17倍。而这些“裂纹”,( 指线状偏析 )就生成在P偏析区域内,并在P偏析区进行发展。并认为不同碳含量钢中振痕对P偏析的影响是不一样的 。

当连铸坯中存有内部裂纹和线状偏析带时能否通过轧制予以改善? 轧制焊合试验的结果表明,由于内部裂纹不开口,裂纹两侧并没有发生加热时的氧化,因此随着轧制比的增大,内部裂纹均能得到较好的焊合,而线状偏析也因变形得到改善。当轧制比达到15~20时,轧材的低倍酸蚀试片上,线状偏析带已不明显,甚至得到消除 。1

X100管线钢中的异常偏析带分析针对X100管线钢中出现的的异常偏析带,利用金相显微镜、扫描电镜及其EDS系统等进行了组织观察、线扫描成分分析以及拉伸、冲击断口的观察和夹杂物分析。分析结果表明,该偏析带组织为多边形铁素体,且出现晶粒大小不一的混晶现象,与周围板条状贝氏体基体之间差别较大 ;偏析带的碳含量偏低,锰、硅及氧含量偏高,在拉伸及冲击断口的厚度中心及一侧的1/4处均有分层现象,在冲击断口1/4处观察到夹杂物带,部分夹杂物呈片状,严重恶化了试验钢的冲击韧性。2

偏析带的形貌及分布偏析带在试验钢的中心部位及1/4处都有出现。金相显微镜下观察,偏析带明显不同于周围的基体组织。 该类组织为多边形铁素体,在一个大的铁素体晶粒周围聚集分布着尺寸较小的铁素体晶粒,多边形铁素体尺寸大小不一 ,由几微米到几十微米,出现混晶现象。与之相邻的为以板条状贝氏体、粒状贝氏体为主的显微组织。2

偏析带的显微分析根据线扫描的结果。该偏析带中碳、锰、硅及氧含量与基体相比,碳含量偏低,但是锰、氧及硅含量偏高。由于该试验钢偏析带的碳含量低,类似于“脱碳层”,但认为,由于该试验钢的偏析带的位置在中心及1/4处出现,与脱碳层在表面处形成的现象相差较大,不应该称之为脱碳层,根据线扫描结果判断是碳、锰、硅及氧等元素引起的偏析现象。钢中硅元素作为脱氧剂,容易与钢中氧元素形成高熔点的硅酸盐夹杂物,根据氧含量线扫描结果,其分布与硅相吻合,说明此处硅及氧结合形成了夹杂物,并导致了夹杂物偏析带的形成。2

偏析带对试验钢力学性能的影响对比试验钢的拉伸断口以及冲击断口,断口存在分层现象,并且断口分层现象均位于中心及一侧的1/4处,与偏析带的分布类似。根据偏析带的组织,偏析带为多边形铁素体组织 ,铁素体具有较好的韧性,但是由于偏析带中铁素体晶粒分布不均,且不同组织之间的结合力较差会促进断口的分层现象。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学

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