14.固溶体合金的不平衡结晶 (1)
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由上述固溶体的结晶过程可知，固溶体的结晶过程是和液相及固相内的原子扩散过程密切相关的
1. 只有在极缓慢的冷却条件下即在平衡结晶条件下，才能使每个温度下的扩散过程进
行完全，使液相或固相的整体处处均匀一致。
2. 然而在实际生产中，液态合金浇入铸型之后，冷却速度较大，在一定温度下扩散过
程尚未进行完全时温度就继续下降，这样就使液相尤其是固相内保持着一定的浓度梯度，造成各相内成分的不均匀。
不平衡结晶：
这种偏离平衡结晶条件的结晶，称为不平衡结品
不平衡结晶的结果对合金的组织和性能有很大的影响
假设极端情形：
在不平衡结晶时，设液体中存在着充分混合条件，即液相的成分可以借助扩散、对流或搅拌等作用完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。
显然这是一种极端情况。
固溶体合金21T T 温度时的不平衡结晶：
● 由图3-20可知，成分为0C 的合全过冷至1T 温度开始结晶，首先析出成分为1α的固
相，液相的成分为1L ,当温度下降至2T 时，析出的固相成分为2α，它是依附在1α晶体的周围而生长的。
● 此时整个已结晶的固相成分为1α和2α的平均成分2
α'。
● 如果是平衡结晶的话，通过扩散，晶体内部由1α成分可以变化至2α，但是由于冷
却速度快，固相内来不及进行扩散，结果使晶体内外的成分很不均匀。
● 在液相内，由于能充分进行混合，使整个液相的成分时时处处均匀一致，沿液相线
变化至2L 。
固溶体合金43,T T 温度时的不平衡结晶：
● 当温度继续下降至3T 时，结晶出的固相成分为3α，同样由于固相内无扩散，使整个
结晶固体的实际成分123α的平均值3
α'，液相的成分沿液相线变至3L ● 此时，如果是平衡结晶的话，3T 温度已相当于结晶完毕的固相线温度，全部液体应
当在此温度下结晶完毕，已结晶的固相成分应为合金成分3α。
但由于是不平衡结晶，
已结晶固相的平均成分不是3α，而是3
α'，与合金的成分0C 不同，仍有一部分液体尚未结晶，一直要到4T 温度才能结晶完毕。
● 此时固相的平均成分由3
α'变化到4α'，与合金原始成分0C —致。
固相平均成分线和固相线：
若把每一温度下的固相平均成分连结起来，就得到图3-20虚线所示的固相平均成分线。
但是应当指出，固相平均成分线与固相线的意义不同，固相线的位置与冷却速度无关，位置固定，固相平均成分线则与冷却速度有关，冷却速度越大，则偏离固相线的程度越大。
当冷却速度极为缓慢吋，则与固相线重合。
图3.21为固溶体合金不平衡结晶时的组织变化示意图
晶内偏析：
● 由图3.21可见，固溶体合金不平衡结晶的结果，使前后从液相中结品出固相成分不
同， 再加上冷速较快，不能使成分扩散均匀，结果就使每个晶粒内部的化学成分很不均匀。
● 先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点的组元较多，在晶粒内部存在着浓
度差别
● 这种在一个晶粒内都化学成分不均匀的现象，称为晶内偏析。
枝晶偏析：
由于固溶体晶体通常呈树枝状，使枝干和枝间化学成分不同，所以又称为枝晶偏析。
对存在晶内偏析的组织作显微分析进行验证：
如图3-22a 为铜镍Ni Cu -合金的铸态组织，经腐蚀后枝千和枝间的颜色存在着明显的差别，说明它们的化学成分不同，其中枝干先结晶，含高熔点的镍较多，不易侵蚀，呈亮白色。
枝间后结晶，含低熔点的铜较多，易受浸蚀，呈暗黑色。
图3-22b 为点子探针测试结果进—歩证实了枝干富镍枝间富铜这一枝间偏析现象 影响晶内偏析的因素
● 晶内偏析的大小与分配系数0K 有关，也即与液相线和固相线间的水平距离或成分
间隔有关。
在上面所讨论的情况下，偏析的最大程度为
)1(0000010k C c k C C C -=-=-α；当10<K 时，0K 值越小，则偏析越大,当10>K 时，0K 值越大，偏析也越大。
● 溶质原子的扩散能力对偏析程度也有影响，如果结晶的温度较高，溶质原子扩散能
力又大，则偏析程度较小,反之，则偏析程度较大。
例如钢中的硅的扩散能力比鱗大，所以硅的偏析较小，而磷的偏析较大。
● 冷却速度对偏析的影响比较复杂，一般说来，冷却速度越大，则晶内偏析程度越严
重。
但是冷却速度大，过冷度也大，可以获得较为细小的晶粒，允其是对于小型铸件，当以极大的速度过冷至很低的温度（例如3-20的3T 温度）才开始结晶时，反而能够得到成分均匀的铸态组织。
品内偏析对合金的性能有很大的影响
严重的晶内偏析会使合金的力学性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，甚至使合金不容易压力加工。
品内偏析也使合金的抗蚀性能降低。
为了消除晶内偏析
工业生产上广泛应用扩散退火或均匀化退火的方法，即将铸件加热至低于固相线100〜200的温度，迸行较长时间保温，使偏析元素充分进行扩散，以达到成分均匀化的目的。
