枝晶偏析是指固溶體晶粒中化學(xué)成分的不均勻性。在急冷條件下，液態(tài)合金以枝晶方式結(jié)晶時(shí)，固相中原子均勻擴(kuò)散的過程非常緩慢，導(dǎo)致先枝晶后枝晶的分離。因?yàn)榫鶆驍U(kuò)散的過程可以 隨著結(jié)晶過程的發(fā)展，最終獲得化學(xué)成分不均勻的枝晶。枝晶首先包含比合金的平均成分更多的高熔點(diǎn)成分，然后枝晶間隙包含比合金更多的低熔點(diǎn)成分。

枝晶凝固過程中溶質(zhì)再分配引起的枝晶偏析，即枝晶軸中心和外圍的溶質(zhì)濃度存在差異，稱為枝晶偏析。

下圖顯示了在溶液中不同溶質(zhì)混合條件下，固化固體棒中的預(yù)期溶質(zhì)分布。枝晶軸的生長(zhǎng)過程可以簡(jiǎn)化為小棒定向凝固的連續(xù)生長(zhǎng)過程。這樣，從枝晶軸的中心到外圍，溶質(zhì)的變化根據(jù)熔體中溶質(zhì)的不同混合條件，按照?qǐng)D中所示的曲線之一分支。

溶質(zhì)分布情況

枝晶的軸向間距決定了枝晶偏析的范圍。枝晶軸間距是凝固條件的函數(shù)，并且局部凝固時(shí)間具有重要影響局部凝固時(shí)間定義為在鑄錠或鑄件的特定位置從凝固開始到凝固結(jié)束所需的時(shí)間。它與那里的平均冷卻速度成反比。而且枝晶軸間距不是簡(jiǎn)單的由初始生長(zhǎng)狀態(tài)決定的，后續(xù)的粗化非常重要，即小枝晶軸消失，大枝晶軸變粗，導(dǎo)致枝晶軸間距隨著冷卻速率為1而增大/2~1/3次方而變化。

較大的枝晶間距意味著通過熱處理使組合物均勻化更加困難。對(duì)于給定的合金，在一定溫度下熱處理時(shí)，均勻化所需的時(shí)間與枝晶軸間距的平方成正比。因此，通過提高冷卻速度來減小分支之間的軸向間距是一個(gè)非常好的措施。

完全消除枝晶偏析將導(dǎo)致機(jī)械性能的改善。如果出現(xiàn)第二相，完全消除枝晶顯微偏析特別困難。已經(jīng)觀察到，當(dāng)鋼接近凝固的最后階段時(shí)，在富含溶質(zhì)的枝晶間隙中形成第二相硫化物夾雜物。這些夾雜物特別穩(wěn)定，阻礙晶粒細(xì)化，認(rèn)為溶質(zhì)的顯微偏析是鍛鋼帶狀組織的原因。討論了枝晶顯微偏析對(duì)帶狀或纖維狀偏析的重要性。通過控制枝晶軸間距來控制成分均勻性變得越來越重要。

枝晶偏析的程度由合金的冷卻速度和偏析元素的擴(kuò)散能力決定。枝晶偏析降低了合金的機(jī)械性能，這可以通過擴(kuò)散退火來消除。

由于冷卻速度快，液相中的原子有時(shí)間擴(kuò)散，而固相中的原子有時(shí)間擴(kuò)散。使得固溶體的第一結(jié)晶中心和第二結(jié)晶部分的組成不同，這成為晶內(nèi)偏析。而金屬的晶體是以枝晶的形式長(zhǎng)大的，所以這種偏析多為枝晶，先結(jié)晶的枝晶成分與后結(jié)晶的枝晶成分不同，也稱為枝晶偏析。固相線和液相線之間的水平和垂直距離越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。鑄鐵成分越接近共晶點(diǎn)，偏析越小，反之亦然。

由于枝晶偏析的存在，晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分和鑄錠的顯微組織極不均勻，嚴(yán)重惡化了鑄錠的性能。主要是：

1、化學(xué)成分的不均勻性和由固溶體晶內(nèi)偏析引起的不平衡剩余相降低了合金抗電化學(xué)腐蝕的穩(wěn)定性。

2、非平衡共晶或低熔點(diǎn)成分的出現(xiàn)降低了合金的初熔溫度，使得鑄錠在后續(xù)的熱變形或淬火加熱過程中容易發(fā)生局部燒傷。

3、枝晶偏析不僅導(dǎo)致非平衡相的出現(xiàn)，增加第二相的數(shù)量，而且在枝晶周圍形成硬而脆的枝晶網(wǎng)絡(luò)，大大降低了鑄錠的塑性和加工性能。

4、晶內(nèi)偏析造成的化學(xué)成分不均勻性遺傳到半成品中，導(dǎo)致加工材料退火后形成粗晶。

枝晶偏析是由不平衡結(jié)晶引起的。因此，在鋁合金連鑄的實(shí)際生產(chǎn)中，晶內(nèi)偏析是不可避免的。消除晶內(nèi)偏析的有效方法是長(zhǎng)時(shí)間均勻化鑄錠。在連鑄中，減少晶內(nèi)偏析的方法有首先，提高冷卻速度，采用變質(zhì)處理細(xì)化晶粒和晶內(nèi)組織，縮小晶內(nèi)偏析的范圍。其次，采用相反的方法，降低冷卻速度，進(jìn)行類似于錠模鑄造的深液腔鑄造來降鐵、錳和其他元素的過飽和會(huì)降低偏析程度。第三，選擇一些能適當(dāng)改變合金結(jié)晶性能的添加劑。例如，在LF合金中加入適量的鐵，可以降低錳在固溶體中的濃度，從而降低錳在晶粒中分布的不均勻性。

在實(shí)際生產(chǎn)中，在雜質(zhì)鐵存在的情況下加入鈦，有利于減少LF合金固溶體晶粒中的偏析，因?yàn)殁伷龊湾i偏析的方向正好相反，枝晶中心含高鈦；從而減小鑄態(tài)晶粒中心和邊緣之間的固溶體濃度差。