壓(ya)(ya)力除了能夠對溶質(zhi)平衡分配系數、擴散系數以及液相線斜率(lv)等(deng)參數產生(sheng)影(ying)響以外，還能改(gai)變影(ying)響溶質(zhi)長程傳質(zhi)的(de)(de)冷卻速率(lv)、等(deng)軸晶形核以及沉積等(deng),從而影(ying)響鑄(zhu)錠(ding)溶質(zhi)分布(bu)的(de)(de)均勻(yun)性(xing)，即宏／微觀偏析；如結(jie)合平衡分配系數和形核吉布(bu)斯(si)自由能隨壓(ya)(ya)力的(de)(de)變化(hua)規律，加壓(ya)(ya)會抑制枝(zhi)晶沿壓(ya)(ya)力梯度(du)方(fang)向的(de)(de)生(sheng)長，從而導致枝(zhi)晶組織和微觀偏析呈現方(fang)向性(xing)等(deng)。
王書桓(huan)等71利用高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓反(fan)應(ying)釜研究(jiu)了壓力對于CrN12高(gao)(gao)氮鋼凝固過程中(zhong)偏(pian)析(xi)現(xian)象。他們利用LECO-TC600氮氧(yang)儀(yi)測量(liang)(liang)了CrN12鑄錠上從中(zhong)心到邊部處試(shi)樣(yang)中(zhong)的氮含量(liang)(liang)，取樣(yang)位置(zhi)如圖2-71所示。
王書桓(huan)等研究(jiu)了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓力(li)下(xia)的氮(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)（圖2-72).對比不(bu)同壓力(li)下(xia)的結果(guo)，可以發現1MPa下(xia)鑄(zhu)錠(ding)內(nei)部氮(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)嚴重，隨著(zhu)壓力(li)的提高，氮(dan)(dan)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)得到(dao)了很(hen)大(da)改善。當壓力(li)提高到(dao)1.6MPa時(shi)，氮(dan)(dan)的偏(pian)析(xi)(xi)程(cheng)度(du)明(ming)(ming)顯小于(yu)1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)凝固的鑄(zhu)錠(ding)，各(ge)部位氮(dan)(dan)含量(liang)在(zai)0.360%左右，表明(ming)(ming)增大(da)壓力(li)提高了氮(dan)(dan)的飽和(he)溶解度(du)。因此，在(zai)凝固過(guo)程(cheng)中提高氮(dan)(dan)氣壓力(li)可以對氮(dan)(dan)的析(xi)(xi)出起到(dao)抑制作(zuo)(zuo)用，對氮(dan)(dan)由(you)固相到(dao)液相的傳質(zhi)起到(dao)阻礙(ai)作(zuo)(zuo)用，使整個鑄(zhu)錠(ding)中氮(dan)(dan)的分(fen)壓趨于(yu)均勻，從而減輕氮(dan)(dan)的宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)。
1. 形(xing)核率
根據 Beckerman等的(de)(de)(de)(de)研究報道，在(zai)元(yuan)素(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，由(you)于各(ge)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)溶質(zhi)分配系(xi)數均(jun)小于1,其偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)和(he)最終(zhong)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)類型(xing)均(jun)相(xiang)(xiang)似(si)。因此，在(zai)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)形(xing)成規律(lv)(lv)和(he)類型(xing)的(de)(de)(de)(de)預測(ce)(ce)過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)對(dui)(dui)合(he)金(jin)體系(xi)進行簡化(hua)，選取主要(yao)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)進行偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬。以19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)(dan)(dan)奧氏體不(bu)銹鋼(gang)(gang)凝(ning)固過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)例，其鐵素(su)體相(xiang)(xiang)8存在(zai)區間較(jiao)窄，結合(he)Wu等在(zai)多相(xiang)(xiang)和(he)單相(xiang)(xiang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬研究。可(ke)將(jiang)該凝(ning)固過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)簡化(hua)為(wei)單相(xiang)(xiang)凝(ning)固。氮(dan)(dan)(dan)作為(wei)含氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)特(te)征元(yuan)素(su)，其溶質(zhi)分配系(xi)數較(jiao)小，偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴(yan)重，在(zai)壓力對(dui)(dui)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)影(ying)響(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)分析(xi)(xi)(xi)過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)將(jiang)氮(dan)(dan)(dan)作為(wei)主要(yao)元(yuan)素(su)，且忽略其他元(yuan)素(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)對(dui)(dui)凝(ning)固過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)。基于壓力對(dui)(dui)凝(ning)固過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)熱(re)力學參(can)數、動力學參(can)數以及界面換(huan)熱(re)系(xi)數的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)規律(lv)(lv)，對(dui)(dui)三種情況下(xia) 19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)進行模擬分析(xi)(xi)(xi)，預測(ce)(ce)壓力對(dui)(dui)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)度和(he)類型(xing)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)規律(lv)(lv)，三種情況（C1、C2和(he)C3)的(de)(de)(de)(de)參(can)數設置(zhi)見表2-13。
凝固20s后(hou)，三種凝固條件下的柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端位(wei)置（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積(ji)分(fen)(fen)數以及液相和(he)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)速(su)率分(fen)(fen)布情況如圖2-73所示。對比圖2-73(a)和(he)（b)可以看出，當等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)最大形核密度從3x10°m-3增至5x10°m-3時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端發生了(le)較為明(ming)顯的變(bian)化，尤其是在鑄錠底部位(wei)置，且等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)最大體積(ji)分(fen)(fen)數由0.514增至0.618.此(ci)外，等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)液相的最大速(su)率增加幅(fu)度較小(xiao)，分(fen)(fen)別從0.01246m/s和(he)0.0075m/s增至0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在三種凝(ning)固條(tiao)件下，鑄(zhu)錠凝(ning)固結束后柱(zhu)狀晶向等(deng)軸(zhou)晶轉變(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置(zhi)如圖2-74所(suo)示。隨著(zhu)等(deng)軸(zhou)晶最大(da)形核(he)密度的增加（對比(bi)C1和C2),液相(xiang)中的等(deng)軸(zhou)晶形核(he)速(su)率加快，極大(da)地縮短了柱(zhu)狀晶前沿等(deng)軸(zhou)晶體積分數到達阻擋分數（0.49)的時間，進(jin)而促進(jin)了CET轉變(bian)，擴大(da)了等(deng)軸(zhou)晶區域。
增加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)還能增加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)形核密(mi)度，從(cong)而加(jia)(jia)(jia)劇(ju)偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)。凝(ning)固結(jie)束后氮的(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)如圖2-75所示。隨著等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)形核速率的(de)(de)增加(jia)(jia)(jia)，氮的(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)范圍C從(cong)-0.07~0.116 擴大(da)至－0.072~0.137,氮的(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)加(jia)(jia)(jia)劇(ju)；此外，鑄(zhu)錠(ding)底部負偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)區域也隨之增大(da)，鑄(zhu)錠(ding)內部氮最(zui)(zui)大(da)偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)位(wei)置逐步向上移(yi)動(dong)。因此，在增加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)形核密(mi)度方面，增加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)能夠擴大(da)等(deng)軸(zhou)晶區域，從(cong)而增大(da)負偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)范圍，提升氮最(zui)(zui)大(da)偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)位(wei)置的(de)(de)高度，以及加(jia)(jia)(jia)劇(ju)氮的(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)。
2. 強化冷卻
增(zeng)(zeng)加壓力(li)(li)可通過強化冷(leng)卻(que)(que)和擴大(da)“溶質截(jie)留效應”減(jian)(jian)輕或者消(xiao)除氮宏觀偏(pian)析。根據圖(tu)2-73(b)和（c)可知，在(zai)凝固(gu)(gu)20s時(shi)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)沉(chen)積量(liang)隨著冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而增(zeng)(zeng)多(duo)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)最大(da)體(ti)積分數從0.618增(zeng)(zeng)加至(zhi)0.692,等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)和液(ye)相的(de)(de)(de)最大(da)速(su)(su)率(lv)(lv)在(zai)C2凝固(gu)(gu)條(tiao)件(jian)下分別為(wei)0.01266m/s和0.0078m/s,在(zai)C3凝固(gu)(gu)條(tiao)件(jian)下，分別為(wei)0.01221m/s和0.0074m/s.在(zai)同一時(shi)刻下，隨著冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)和液(ye)相的(de)(de)(de)最大(da)速(su)(su)率(lv)(lv)呈現出略微(wei)減(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)原因(yin)是(shi)冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)加快了鑄錠的(de)(de)(de)凝固(gu)(gu)進程，增(zeng)(zeng)大(da)了柱狀晶(jing)(jing)(jing)區域［圖(tu)2-73(b)和（c)],從而使(shi)殘(can)余液(ye)相的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)(lv)減(jian)(jian)小(xiao)，減(jian)(jian)小(xiao)了與液(ye)相溫度(du)相關的(de)(de)(de)熱浮力(li)(li)，進而液(ye)相流動(dong)的(de)(de)(de)驅動(dong)力(li)(li)減(jian)(jian)小(xiao)，降低了液(ye)相流動(dong)速(su)(su)度(du)；另外(wai)，隨著液(ye)相流動(dong)速(su)(su)度(du)的(de)(de)(de)降低，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)沉(chen)積的(de)(de)(de)阻力(li)(li)增(zeng)(zeng)大(da)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)流動(dong)速(su)(su)度(du)隨之減(jian)(jian)小(xiao)。
從圖2-74可(ke)(ke)以看(kan)出，隨(sui)著冷卻(que)速率的(de)(de)增(zeng)加(jia)，CET位(wei)置有向心移動且(qie)呈扁(bian)平(ping)化的(de)(de)趨(qu)勢，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測實驗(yan)結果相一致，進一步(bu)證明本模型具(ju)有較好的(de)(de)準確性和(he)可(ke)(ke)信度(du)。等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)形(xing)狀隨(sui)著CET轉變(bian)位(wei)置的(de)(de)改(gai)變(bian)，也逐步(bu)呈現出扁(bian)平(ping)化和(he)減小(xiao)的(de)(de)趨(qu)勢，氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析范(fan)圍由(you)－0.072~0.137減少至(zhi)－0.067~0.130,且(qie)氮(dan)最大偏析形(xing)成位(wei)置向鑄錠頂部移動（圖2-76).因此(ci)，從強化冷卻(que)角度(du)而言，加(jia)壓(ya)有助于抑制(zhi)CET,減小(xiao)等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)，緩解氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析。
綜(zong)上(shang)所述，增(zeng)加壓力(li)(li)通(tong)過提高(gao)等(deng)軸晶最大形(xing)核(he)密度和(he)強化(hua)冷卻(que)對(dui)(dui)氮宏觀偏(pian)析產生了(le)截然相(xiang)反的(de)(de)影響，兩者(zhe)對(dui)(dui)宏觀偏(pian)析的(de)(de)綜(zong)合影響還需要進(jin)一步(bu)研究(jiu)。此外，基于對(dui)(dui)凝固熱力(li)(li)學和(he)動(dong)力(li)(li)學以(yi)及換熱系(xi)數的(de)(de)分析，壓力(li)(li)對(dui)(dui)宏觀偏(pian)析的(de)(de)影響不局限于增(zeng)大形(xing)核(he)率和(he)強化(hua)冷卻(que)這兩方面，還能(neng)對(dui)(dui)與宏觀偏(pian)析相(xiang)關的(de)(de)平(ping)衡分配系(xi)數和(he)擴散速(su)率等(deng)參數產生重要影響。因而(er)，壓力(li)(li)對(dui)(dui)宏觀偏(pian)析的(de)(de)影響還需要進(jin)行更深(shen)入的(de)(de)研究(jiu)和(he)探討(tao)。
