壓力(li)除(chu)了能(neng)(neng)夠對溶(rong)(rong)質平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系數(shu)、擴散系數(shu)以及液相線斜率等(deng)參數(shu)產生影(ying)響以外，還能(neng)(neng)改變影(ying)響溶(rong)(rong)質長程傳(chuan)質的冷(leng)卻速率、等(deng)軸晶(jing)(jing)形(xing)核(he)以及沉(chen)積(ji)等(deng),從(cong)而(er)(er)影(ying)響鑄錠溶(rong)(rong)質分(fen)布(bu)的均(jun)勻性，即宏(hong)／微觀(guan)偏(pian)析(xi)；如結合平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系數(shu)和形(xing)核(he)吉布(bu)斯自由能(neng)(neng)隨(sui)壓力(li)的變化規(gui)律，加壓會抑制枝晶(jing)(jing)沿壓力(li)梯度方(fang)向的生長，從(cong)而(er)(er)導致枝晶(jing)(jing)組(zu)織和微觀(guan)偏(pian)析(xi)呈現方(fang)向性等(deng)。
王書桓(huan)等(deng)71利(li)用(yong)(yong)高溫高壓反應釜研究了壓力對于CrN12高氮(dan)鋼(gang)凝固過程中(zhong)偏析現象。他們利(li)用(yong)(yong)LECO-TC600氮(dan)氧儀測量了CrN12鑄(zhu)錠(ding)上從中(zhong)心到邊部處試樣中(zhong)的氮(dan)含量，取(qu)樣位置(zhi)如圖(tu)2-71所示。
王書(shu)桓等研究(jiu)了(le)(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)的(de)氮(dan)(dan)偏析(xi)(xi)（圖2-72).對(dui)比(bi)不同壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)的(de)結果，可(ke)以發現1MPa下(xia)鑄(zhu)錠內部氮(dan)(dan)偏析(xi)(xi)嚴重，隨著壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)提(ti)高(gao)，氮(dan)(dan)宏觀偏析(xi)(xi)得到了(le)(le)很大(da)改善。當壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)提(ti)高(gao)到1.6MPa時(shi)，氮(dan)(dan)的(de)偏析(xi)(xi)程度(du)明顯小于1.0MPa和1.2MPa下(xia)凝固的(de)鑄(zhu)錠，各部位(wei)氮(dan)(dan)含量在(zai)0.360%左右，表明增大(da)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)提(ti)高(gao)了(le)(le)氮(dan)(dan)的(de)飽和溶解度(du)。因此，在(zai)凝固過程中(zhong)提(ti)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)可(ke)以對(dui)氮(dan)(dan)的(de)析(xi)(xi)出起(qi)到抑制作(zuo)用，對(dui)氮(dan)(dan)由(you)固相(xiang)到液相(xiang)的(de)傳(chuan)質起(qi)到阻礙作(zuo)用，使整個鑄(zhu)錠中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)分壓(ya)(ya)趨于均勻，從而減輕氮(dan)(dan)的(de)宏觀偏析(xi)(xi)。
1. 形核率(lv)
根據 Beckerman等(deng)的(de)(de)(de)(de)研究報道，在(zai)元素(su)偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)(ni)(ni)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，由于各元素(su)的(de)(de)(de)(de)溶質分(fen)(fen)配系(xi)數(shu)(shu)(shu)均(jun)小(xiao)于1,其偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)和(he)最終偏(pian)析(xi)類型均(jun)相(xiang)(xiang)(xiang)似。因此，在(zai)偏(pian)析(xi)形成(cheng)規(gui)律和(he)類型的(de)(de)(de)(de)預(yu)測(ce)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可對合(he)(he)金體系(xi)進(jin)行簡(jian)化，選取主(zhu)要合(he)(he)金元素(su)進(jin)行偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)(ni)(ni)。以(yi)19Cr14Mn0.9N 含氮奧氏體不銹鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)為(wei)例，其鐵(tie)素(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)8存在(zai)區(qu)間較(jiao)窄(zhai)，結(jie)合(he)(he)Wu等(deng)在(zai)多(duo)相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)單相(xiang)(xiang)(xiang)偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)(ni)(ni)研究。可將(jiang)(jiang)該凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)簡(jian)化為(wei)單相(xiang)(xiang)(xiang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)。氮作(zuo)為(wei)含氮鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)特征元素(su)，其溶質分(fen)(fen)配系(xi)數(shu)(shu)(shu)較(jiao)小(xiao)，偏(pian)析(xi)較(jiao)嚴(yan)重(zhong)，在(zai)壓力(li)(li)對19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)偏(pian)析(xi)影(ying)(ying)響的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可將(jiang)(jiang)氮作(zuo)為(wei)主(zhu)要元素(su)，且忽略其他元素(su)偏(pian)析(xi)對凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響。基于壓力(li)(li)對凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)熱力(li)(li)學(xue)參數(shu)(shu)(shu)、動力(li)(li)學(xue)參數(shu)(shu)(shu)以(yi)及界面換(huan)熱系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響規(gui)律，對三(san)種(zhong)情況下 19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)進(jin)行模擬(ni)(ni)(ni)分(fen)(fen)析(xi)，預(yu)測(ce)壓力(li)(li)對偏(pian)析(xi)程(cheng)(cheng)度和(he)類型的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響規(gui)律，三(san)種(zhong)情況（C1、C2和(he)C3)的(de)(de)(de)(de)參數(shu)(shu)(shu)設(she)置見表2-13。
凝(ning)固20s后，三種凝(ning)固條件下的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)尖(jian)端位置（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)和等軸(zhou)晶(jing)(jing)體積(ji)分(fen)數以(yi)及液(ye)相和等軸(zhou)晶(jing)(jing)速率(lv)分(fen)布(bu)情況(kuang)如(ru)圖(tu)2-73所示(shi)。對比圖(tu)2-73(a)和（b)可以(yi)看(kan)出，當等軸(zhou)晶(jing)(jing)最大形核(he)密度(du)從3x10°m-3增(zeng)至5x10°m-3時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)尖(jian)端發(fa)生(sheng)了較為明顯的(de)變(bian)化，尤(you)其是(shi)在鑄(zhu)錠底部(bu)位置，且等軸(zhou)晶(jing)(jing)最大體積(ji)分(fen)數由(you)0.514增(zeng)至0.618.此外，等軸(zhou)晶(jing)(jing)和液(ye)相的(de)最大速率(lv)增(zeng)加幅度(du)較小，分(fen)別從0.01246m/s和0.0075m/s增(zeng)至0.01266m/s和0.0078m/s.
在三(san)種(zhong)凝(ning)固條件下，鑄錠(ding)凝(ning)固結束后柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)向等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉變(bian)(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置如(ru)圖2-74所示。隨著等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)最(zui)大形核密度的增(zeng)加（對比C1和(he)C2),液相中(zhong)的等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)形核速率加快，極大地縮(suo)短了柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)前沿等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)積分(fen)數(shu)到達阻擋分(fen)數(shu)（0.49)的時(shi)間，進而促進了CET轉變(bian)(bian)，擴(kuo)大了等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區域。
增加(jia)(jia)(jia)壓(ya)力還能增加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)核密(mi)度(du)，從而(er)加(jia)(jia)(jia)劇偏(pian)析。凝固(gu)結束后氮的(de)宏(hong)(hong)(hong)觀偏(pian)析如圖2-75所示。隨著等(deng)軸晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)核速(su)率(lv)的(de)增加(jia)(jia)(jia)，氮的(de)宏(hong)(hong)(hong)觀偏(pian)析范圍(wei)C從-0.07~0.116 擴大(da)至(zhi)－0.072~0.137,氮的(de)宏(hong)(hong)(hong)觀偏(pian)析加(jia)(jia)(jia)劇；此外，鑄錠底部負偏(pian)析區域(yu)也(ye)隨之增大(da)，鑄錠內部氮最(zui)(zui)大(da)偏(pian)析位置逐步向(xiang)上移動。因此，在(zai)增加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)核密(mi)度(du)方面(mian)，增加(jia)(jia)(jia)壓(ya)力能夠擴大(da)等(deng)軸晶(jing)區域(yu)，從而(er)增大(da)負偏(pian)析范圍(wei)，提升氮最(zui)(zui)大(da)偏(pian)析位置的(de)高度(du)，以(yi)及加(jia)(jia)(jia)劇氮的(de)宏(hong)(hong)(hong)觀偏(pian)析。
2. 強化冷卻
增(zeng)(zeng)(zeng)加壓力(li)(li)可(ke)通(tong)過強(qiang)化冷卻和擴大(da)(da)“溶質截留(liu)效應”減(jian)輕(qing)或者消除氮宏觀偏析。根據(ju)圖(tu)2-73(b)和（c)可(ke)知(zhi)，在(zai)凝固20s時，等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)的(de)(de)沉積量(liang)隨(sui)著(zhu)冷卻速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)而增(zeng)(zeng)(zeng)多，等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)最大(da)(da)體(ti)積分(fen)數從(cong)0.618增(zeng)(zeng)(zeng)加至0.692,等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)和液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)(da)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)在(zai)C2凝固條件下分(fen)別(bie)為0.01266m/s和0.0078m/s,在(zai)C3凝固條件下，分(fen)別(bie)為0.01221m/s和0.0074m/s.在(zai)同一時刻下，隨(sui)著(zhu)冷卻速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)和液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)(da)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)呈現出略微減(jian)小的(de)(de)原因是(shi)冷卻速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)加快(kuai)了(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)凝固進程，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)了(le)柱狀(zhuang)晶(jing)區域［圖(tu)2-73(b)和（c)],從(cong)而使殘余(yu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)冷卻速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)減(jian)小，減(jian)小了(le)與液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)溫度相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)關的(de)(de)熱浮力(li)(li)，進而液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動的(de)(de)驅動力(li)(li)減(jian)小，降低(di)了(le)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動速(su)(su)度；另外(wai)，隨(sui)著(zhu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動速(su)(su)度的(de)(de)降低(di)，等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)沉積的(de)(de)阻(zu)力(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)流(liu)動速(su)(su)度隨(sui)之減(jian)小。
從圖2-74可(ke)(ke)以看(kan)出，隨著(zhu)冷卻速率的增(zeng)加，CET位(wei)置有(you)向心移(yi)動且(qie)呈扁平(ping)化(hua)的趨勢，與(yu)19Cr14Mn0.9N鑄錠(ding)CET檢測實驗結果相一致，進一步證(zheng)明本模型(xing)具有(you)較好的準確性和可(ke)(ke)信度。等(deng)軸(zhou)晶(jing)區形(xing)(xing)狀(zhuang)隨著(zhu)CET轉變位(wei)置的改變，也逐步呈現出扁平(ping)化(hua)和減小的趨勢，氮的宏觀偏析范圍(wei)由(you)－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且(qie)氮最(zui)大(da)偏析形(xing)(xing)成(cheng)位(wei)置向鑄錠(ding)頂(ding)部移(yi)動（圖2-76).因此(ci)，從強化(hua)冷卻角度而言，加壓有(you)助于抑制CET,減小等(deng)軸(zhou)晶(jing)區，緩解氮的宏觀偏析。
綜上所述，增加壓(ya)(ya)力(li)通過提高等軸晶最(zui)大(da)形核(he)密度(du)和強化(hua)冷卻(que)(que)對(dui)(dui)(dui)氮(dan)宏(hong)(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)產生了截然相(xiang)反的影(ying)響(xiang)，兩(liang)者對(dui)(dui)(dui)宏(hong)(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)的綜合(he)影(ying)響(xiang)還需要進一(yi)步研究(jiu)。此外，基于(yu)對(dui)(dui)(dui)凝固熱力(li)學(xue)和動力(li)學(xue)以(yi)及換熱系(xi)(xi)數的分析(xi)(xi)，壓(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)(dui)宏(hong)(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)的影(ying)響(xiang)不局限(xian)于(yu)增大(da)形核(he)率和強化(hua)冷卻(que)(que)這(zhe)兩(liang)方面，還能對(dui)(dui)(dui)與(yu)宏(hong)(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)相(xiang)關的平衡分配系(xi)(xi)數和擴散速(su)率等參(can)數產生重要影(ying)響(xiang)。因而，壓(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)(dui)宏(hong)(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)的影(ying)響(xiang)還需要進行更(geng)深入的研究(jiu)和探討。
