壓(ya)(ya)(ya)力(li)除(chu)了能(neng)夠對溶(rong)質平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系數(shu)(shu)、擴散系數(shu)(shu)以(yi)及液相線(xian)斜(xie)率等(deng)參數(shu)(shu)產生影(ying)響(xiang)(xiang)以(yi)外，還能(neng)改變(bian)影(ying)響(xiang)(xiang)溶(rong)質長程傳質的(de)冷卻速率、等(deng)軸晶(jing)形(xing)核以(yi)及沉積(ji)等(deng),從而(er)(er)影(ying)響(xiang)(xiang)鑄(zhu)錠溶(rong)質分(fen)布的(de)均勻性，即宏／微觀偏析；如結合(he)平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系數(shu)(shu)和(he)形(xing)核吉布斯自由能(neng)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)變(bian)化規律，加壓(ya)(ya)(ya)會抑(yi)制枝(zhi)晶(jing)沿(yan)壓(ya)(ya)(ya)力(li)梯(ti)度方向的(de)生長，從而(er)(er)導致(zhi)枝(zhi)晶(jing)組(zu)織和(he)微觀偏析呈現方向性等(deng)。
王(wang)書桓等71利用高溫(wen)高壓反應釜研(yan)究了(le)壓力(li)對于CrN12高氮(dan)(dan)鋼凝固過程(cheng)中(zhong)偏析現象。他們(men)利用LECO-TC600氮(dan)(dan)氧儀(yi)測量(liang)了(le)CrN12鑄錠上(shang)從中(zhong)心到邊部處試樣中(zhong)的氮(dan)(dan)含(han)量(liang)，取樣位置如圖2-71所示(shi)。
王書桓等研究了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)（圖(tu)2-72).對(dui)(dui)比不同(tong)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)結果，可以發現1MPa下(xia)鑄(zhu)錠內部氮(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)嚴重，隨著壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)提高(gao)，氮(dan)(dan)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)得到了(le)很大改善(shan)。當壓(ya)(ya)力(li)(li)提高(gao)到1.6MPa時(shi)，氮(dan)(dan)的(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)程度明顯(xian)小(xiao)于1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)凝固(gu)的(de)(de)鑄(zhu)錠，各部位氮(dan)(dan)含量(liang)在(zai)0.360%左右(you)，表明增大壓(ya)(ya)力(li)(li)提高(gao)了(le)氮(dan)(dan)的(de)(de)飽(bao)和(he)溶解(jie)度。因(yin)此，在(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)提高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)可以對(dui)(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)析(xi)(xi)出起到抑制(zhi)作用，對(dui)(dui)氮(dan)(dan)由固(gu)相到液(ye)相的(de)(de)傳質起到阻礙作用，使整(zheng)個鑄(zhu)錠中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)分(fen)壓(ya)(ya)趨(qu)于均(jun)勻，從而減輕氮(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等(deng)的(de)(de)研究報道，在(zai)元(yuan)(yuan)素(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)擬過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，由于各元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)溶質分(fen)配系數(shu)均小(xiao)于1,其(qi)(qi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)形成過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)和(he)最終偏(pian)析(xi)(xi)(xi)類型(xing)均相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)似。因(yin)此，在(zai)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)形成規(gui)(gui)律(lv)和(he)類型(xing)的(de)(de)預測過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)對合金體系進(jin)行(xing)簡化，選取主要合金元(yuan)(yuan)素(su)進(jin)行(xing)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)擬。以(yi)(yi)19Cr14Mn0.9N 含(han)(han)氮(dan)奧氏(shi)體不銹鋼(gang)(gang)凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)為例，其(qi)(qi)鐵(tie)素(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8存在(zai)區間較窄，結合Wu等(deng)在(zai)多相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)單相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)擬研究。可(ke)將該凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)簡化為單相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)凝固(gu)(gu)。氮(dan)作為含(han)(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)特征(zheng)元(yuan)(yuan)素(su)，其(qi)(qi)溶質分(fen)配系數(shu)較小(xiao)，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)較嚴重，在(zai)壓力(li)對19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)影響(xiang)的(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)(xi)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)將氮(dan)作為主要元(yuan)(yuan)素(su)，且忽略其(qi)(qi)他元(yuan)(yuan)素(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)對凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)影響(xiang)。基于壓力(li)對凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)熱(re)力(li)學參數(shu)、動力(li)學參數(shu)以(yi)(yi)及界面(mian)換熱(re)系數(shu)的(de)(de)影響(xiang)規(gui)(gui)律(lv)，對三(san)種(zhong)情(qing)況(kuang)下 19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)進(jin)行(xing)模(mo)擬分(fen)析(xi)(xi)(xi)，預測壓力(li)對偏(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)度和(he)類型(xing)的(de)(de)影響(xiang)規(gui)(gui)律(lv)，三(san)種(zhong)情(qing)況(kuang)（C1、C2和(he)C3)的(de)(de)參數(shu)設置見(jian)表2-13。
凝(ning)固(gu)20s后，三種凝(ning)固(gu)條件下的柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)一(yi)次枝晶(jing)尖端位置（TIP)、柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)和(he)等(deng)(deng)軸晶(jing)體積(ji)分數以(yi)及液相(xiang)和(he)等(deng)(deng)軸晶(jing)速率(lv)(lv)分布(bu)情(qing)況如圖(tu)2-73所示(shi)。對比圖(tu)2-73(a)和(he)（b)可以(yi)看出(chu)，當等(deng)(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)形核密(mi)度從(cong)3x10°m-3增至5x10°m-3時，柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)一(yi)次枝晶(jing)尖端發生了(le)較(jiao)為明顯(xian)的變化，尤其是在鑄錠底部位置，且等(deng)(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)體積(ji)分數由0.514增至0.618.此外，等(deng)(deng)軸晶(jing)和(he)液相(xiang)的最(zui)大(da)速率(lv)(lv)增加幅(fu)度較(jiao)小，分別從(cong)0.01246m/s和(he)0.0075m/s增至0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在(zai)三種凝(ning)固(gu)條件下，鑄錠凝(ning)固(gu)結束后柱(zhu)狀晶(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)轉變（columnar to equiaxed transition,CET)位(wei)置(zhi)如圖(tu)2-74所示。隨著等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)形核密度的增加(jia)（對比C1和C2),液(ye)相(xiang)中的等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)形核速率(lv)加(jia)快(kuai)，極大(da)地縮短(duan)了(le)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)前沿(yan)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)體積分數(shu)到(dao)達阻擋分數(shu)（0.49)的時間，進(jin)而促(cu)進(jin)了(le)CET轉變，擴大(da)了(le)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區域。
增(zeng)(zeng)(zeng)加壓(ya)力還能增(zeng)(zeng)(zeng)加等(deng)軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形(xing)核(he)(he)密(mi)度，從而(er)加劇偏析(xi)。凝(ning)固(gu)結束(shu)后(hou)氮(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)如圖2-75所示。隨(sui)著等(deng)軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形(xing)核(he)(he)速率的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，氮(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)范圍(wei)C從-0.07~0.116 擴(kuo)大(da)(da)(da)(da)至－0.072~0.137,氮(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)加劇；此外，鑄錠底(di)部負偏析(xi)區域(yu)也隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)，鑄錠內部氮(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)偏析(xi)位置(zhi)逐步向(xiang)上移動。因此，在(zai)增(zeng)(zeng)(zeng)加等(deng)軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形(xing)核(he)(he)密(mi)度方(fang)面(mian)，增(zeng)(zeng)(zeng)加壓(ya)力能夠擴(kuo)大(da)(da)(da)(da)等(deng)軸(zhou)晶(jing)區域(yu)，從而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)負偏析(xi)范圍(wei)，提升氮(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)偏析(xi)位置(zhi)的(de)(de)(de)高度，以及加劇氮(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)。
2. 強化冷(leng)卻
增加壓力(li)可(ke)通過強化(hua)冷(leng)(leng)卻(que)和(he)(he)擴(kuo)大(da)“溶(rong)質截留效(xiao)應”減(jian)(jian)輕或者(zhe)消除氮宏觀(guan)偏析。根據圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)可(ke)知，在凝(ning)固(gu)(gu)20s時，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)沉(chen)(chen)積(ji)量隨(sui)著冷(leng)(leng)卻(que)速(su)率的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)而增多，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大(da)體積(ji)分數從0.618增加至0.692,等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)速(su)率在C2凝(ning)固(gu)(gu)條(tiao)件下分別(bie)為(wei)0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s,在C3凝(ning)固(gu)(gu)條(tiao)件下，分別(bie)為(wei)0.01221m/s和(he)(he)0.0074m/s.在同一(yi)時刻下，隨(sui)著冷(leng)(leng)卻(que)速(su)率的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)速(su)率呈(cheng)現出(chu)略微(wei)減(jian)(jian)小的(de)(de)(de)(de)(de)原因是冷(leng)(leng)卻(que)速(su)率的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)加快了鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)進(jin)程，增大(da)了柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區域［圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)],從而使殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)率減(jian)(jian)小，減(jian)(jian)小了與液(ye)相(xiang)溫度(du)(du)(du)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)熱浮力(li)，進(jin)而液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)力(li)減(jian)(jian)小，降低了液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)度(du)(du)(du)；另外，隨(sui)著液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)降低，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)沉(chen)(chen)積(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)阻力(li)增大(da)，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)流(liu)動(dong)(dong)速(su)度(du)(du)(du)隨(sui)之減(jian)(jian)小。
從圖(tu)2-74可以(yi)看(kan)出(chu)，隨(sui)著(zhu)冷(leng)卻(que)速率的(de)(de)(de)增(zeng)加，CET位置有向(xiang)心移動且呈扁平化的(de)(de)(de)趨勢，與19Cr14Mn0.9N鑄(zhu)錠CET檢測實驗結(jie)果相一致，進一步證明(ming)本模(mo)型(xing)具有較好的(de)(de)(de)準確性和(he)可信度。等(deng)軸晶(jing)區(qu)形狀隨(sui)著(zhu)CET轉變位置的(de)(de)(de)改(gai)變，也(ye)逐步呈現出(chu)扁平化和(he)減小(xiao)的(de)(de)(de)趨勢，氮(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)析(xi)范圍由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且氮(dan)最大(da)偏(pian)(pian)析(xi)形成位置向(xiang)鑄(zhu)錠頂部移動（圖(tu)2-76).因此，從強(qiang)化冷(leng)卻(que)角度而(er)言，加壓有助于抑制CET,減小(xiao)等(deng)軸晶(jing)區(qu)，緩解氮(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)析(xi)。
綜上所述，增加壓(ya)力(li)通過(guo)提(ti)高等軸晶最(zui)大形核密度和(he)(he)強(qiang)化冷(leng)卻(que)對(dui)氮宏觀(guan)偏析(xi)產(chan)生(sheng)了(le)截(jie)然相反的(de)(de)影響(xiang)，兩(liang)者(zhe)對(dui)宏觀(guan)偏析(xi)的(de)(de)綜合影響(xiang)還需要進一(yi)步(bu)研究。此外，基(ji)于對(dui)凝固熱力(li)學(xue)和(he)(he)動力(li)學(xue)以及換(huan)熱系數的(de)(de)分析(xi)，壓(ya)力(li)對(dui)宏觀(guan)偏析(xi)的(de)(de)影響(xiang)不局限于增大形核率和(he)(he)強(qiang)化冷(leng)卻(que)這兩(liang)方面，還能對(dui)與宏觀(guan)偏析(xi)相關(guan)的(de)(de)平衡分配系數和(he)(he)擴散速率等參(can)數產(chan)生(sheng)重要影響(xiang)。因而，壓(ya)力(li)對(dui)宏觀(guan)偏析(xi)的(de)(de)影響(xiang)還需要進行更深入的(de)(de)研究和(he)(he)探討。
