)晶间偏析
定义：晶粒本体或枝晶之间存在的化学成分不均匀性。由合金在凝固过程中的溶质再分配导致某些溶质元素或低熔点物质富集晶界所造成。
实例如下：控制和利用钢凝固过程中的显微偏析和宏观偏析
摘要：对显微偏析的数值分析可以用来评估固液共存温度范围、连铸板坯产生内部裂纹的临界应力以及在焊接过程中影响焊接裂纹的残余δ相分数。对于抗氢致裂纹管线钢来说，阻止MnS以点状偏析的形式析出是必要的。本文开发了一个用于分析包括硫化物在内的非金属夹杂物成分变化的数学模型，并指出了在连铸板坯中阻止MnS析出的临界点状偏析尺寸。为了模拟点状偏析的尺寸，必须对凝固结构、形态进行模拟。作者等人开发了一个应用双网格系统的方法：一个是采用有限差分分析热和溶质扩散；另一个则是蒙特卡洛模拟固相形核和长大。采用微米级及数百微米级尺寸网格作为蒙特卡洛模拟网格，分别模拟了显微和宏观凝固组织结构。共存相阻止了晶粒增长。通过利用磷的显微偏析可以使δ相在从凝固到室温的整个温度范围内保持稳定，这就缩减了奥氏体晶粒尺寸，同时也改变了铁素体晶粒尺寸。由于显微偏析在枝晶间残余液相中析出的第三相析出物（如TiB2）将钉扎奥氏体晶界，从而是晶粒尺寸缩减。关键词：凝固偏析，硫化物形态控制，裂纹，数学模型，蒙特卡洛模拟，晶粒细化
1前言：由于凝固偏析影响各种各样钢的性能，因此对其的控制和使用将显得尤为重要。这里谈及的是开发了一个为达到这一目的的数学模型，该模型中将涉及到由于溶质偏析引起的非金属夹杂物成分的变化和应用该模型来评估凝固和焊接裂纹的倾向以及对抗氢致裂纹管线钢中硫化物形态的控制。为了能够模拟形态，如点状偏析尺寸，先后采用了蒙特卡洛模拟和有限差分法来模拟凝固结构。最后，提及了利用显微偏析稳定第二相或者诱导第三相在枝晶间的析出，而这些析出物将控制一次相的生长，达到晶粒细化的目的。
2显微偏析的数值分析及应用。本文中开发了关于显微偏析的数值分析方法，其中结合了溶质扩散计算、有限差分方法以及固液界面的热动态平衡计算。假设枝晶的横截面形状如图1所示（六边形）。沿枝晶的半径方向将其分成六份，分析时取其中的六分之一部分。采用有限元方法分析了溶质元素在各临近微元体中的扩散，通过每一微元体溶质含量在每一时间步长的更新来更新热动态平衡。例如，计算了锰元素的偏析，如图2所示。这一分析方法可以用来评估固液共存温度范围以及连铸板坯产生内部裂纹的临界应力。考虑随后的凝固转变利用上述同样的分析可以评估在焊接中影响焊接裂纹的残余δ相分数。图3对比给出了各种铁-铬-镍合金中焊接池内残余δ相分数的计算和观察值。
3由于凝固显微偏析引起的非金属夹杂物成分的改变：对于抗氢致裂纹管线钢，阻止MnS在点状偏析中的析出是必要的。为了这一目的，要求合适的钙加入量来控制硫化物形态以及缩减点状偏析尺寸。本文中开发了一个用于分析钢凝固过程中包括硫化物在内的非金属夹杂物化学成分变化的数学模型。在这一模型中显微偏析的计算是根据CK方程考虑了溶质元素在固相中的反扩散并且假定残余液相中的非金属夹杂物于残余液相处于热动态平衡。这一模型被称为“耦合析出模型”。
3.1在抗HIC管线钢中对点状偏析的应用结果；表1中第一行列出了抗氢致裂纹管线钢的平均化学成分，第二行中列出了点状偏析的化学成分，等同于当固相率为0.90时枝晶间残余液相中溶质浓度，其值已通过对板坯的观察得到证实。耦合析出模型被用于分析在点状偏析凝固时非金属夹杂物的成分变化。图4（b）给出了当点状偏析直径为100微米时的计算结果。在凝固初期，氧几乎完全被固定在CaO-Al2O3中，溶解氧不到1ppm。其余的Ca以CaS的形式用于固定S，溶解Ca大约为0.01ppm，溶解Al大约为200ppm，溶解S大约为70ppm。随着凝固的进行，偏析出的S分解了CaO-Al2O3中的CaO形成CaS，而溶解Al则捕捉从CaO中分解出了O形成Al2O3。结果，CaS和在CaO-Al2O3体系中Al2O3的浓度随着固相率的增长不断升高。在这种状况下，在整个凝固过程中CaO并没有完全分解，同时偏析出的S被以CaS的形式固定从而阻止了MnS的析出，这也就是说硫化物形态达到成功控制。当分析直径为1000微米点状偏析凝固时，夹杂物化学成分的变化行为与100微米的大体相当，如图4（c）所示。然而，CaO在凝固结束时完全分解，这就导致了S的反扩散不那么有效了，因为点状偏析点直径较大同时偏析出的S很快消耗掉了CaO。随后将没有Ca来进一步固定偏析出的S，结果MnS析出，在这种情况下，硫化物形态控制就是不成功的。通过这个模型计算出的阻止MnS析出的临界点状偏析尺寸与在连铸板坯中观察到的符合很好。既采用了解析方法又采用了离散方法完成了这些计算。为了抑制MnS的析出，需要控制点状偏析的直径以及合适的Ca加入量，而控制点状偏析尺寸则可以通过减小板坯鼓肚以及在板坯厚度方向上采用轻压下来补偿凝固收缩和热收缩。表1抗氢致裂纹管线钢的平均化学成分和点状偏析的化学成分
4评估点状偏析的形态
通过分析由于板坯鼓肚和凝固收缩引起的枝晶间富含溶质的残余液相流动对宏观偏析也进行了数值模拟。但是，为了模拟点状偏析凝固结构，必须模拟形态。既可以采用相场方法也可以采用蒙特卡洛方法来模拟凝固结构。本文作者等人开发了一个采用双网格系统的方法：一个是采用有限差分分析热和溶质扩散；另一个则是蒙特卡洛模拟固相形核和长大。采用微米级及数百微米级尺寸网格作为蒙特卡洛模拟网格，分别模拟了显微和宏观凝固组织结构（如图5a和b）。在蒙特卡洛模拟模拟中检测了由液相到固相的晶粒取向。当由于晶粒取向使自有能变化为负时引起的，这个晶粒取向被接受。当自由能变化为正值时，将从0~1中随机取一数值。如果选择的数值小于能量变化的波尔兹曼因素，这个晶粒取向被接受。也就是说，晶粒取向被接受的可能性等于能量变化的波尔兹曼因素。
5利用显微偏析细化晶粒：相共存阻止了晶粒生长。Kuto等人首先证明了在定向凝固过程中，γ相不会生长到液相或者是δ相而共存，γ相只有当这些相消失才开始生长。Yoshida等人证明了利用P的显微偏析可以是从凝固到室温的整个温度范围内使δ相保持稳定，这也就缩减了奥氏体晶粒尺寸，同样也会改变铁素体晶粒尺寸。Sasaki等人则证明了第三相析出物，如TiB2由于显微偏析在枝晶间残余液相的析出将钉扎奥氏体晶界，从而晶粒尺寸缩减。从今往后像这些例子中利用显微偏析应该得到重视。
6结论：为了控制和利用钢凝固过程中的显微和宏观偏析，讨论如下:
(1)本文中开发了关于显微偏析的数值分析方法，其中结合了溶质扩散计算、有限差分方法以及固液界面的热动态平衡计算。通过评估凝固范围和残余δ相含量它们被用于评估凝固和焊接裂纹趋势。
(2)考虑显微偏析开发了分析钢凝固过程中非金属夹杂物化学成分的变化的数学分析模型，并应用其得到了阻止抗氢致裂纹管线钢中MnS析出的点状偏析尺寸上限。
(3)开发了采用蒙特卡洛模拟凝固组织的方法，其中结合了溶质和温度场的有限元分析，通过采用合适的网格尺寸得到了显微和宏观凝固结构，并可用于模拟宏观偏析形态。
(4)利用枝晶间的显微偏析，通过其在低温下稳定δ相或者第三相析出可以细化奥氏体晶粒。
