壓力除了能(neng)(neng)夠對溶(rong)質平衡分(fen)配系數(shu)、擴散系數(shu)以及液相線斜率(lv)等(deng)參數(shu)產生(sheng)影(ying)響以外(wai)，還能(neng)(neng)改變影(ying)響溶(rong)質長(chang)程(cheng)傳(chuan)質的冷卻速率(lv)、等(deng)軸晶(jing)形核以及沉積等(deng),從而影(ying)響鑄錠溶(rong)質分(fen)布的均勻性，即宏／微(wei)觀偏析(xi)(xi)；如結合(he)平衡分(fen)配系數(shu)和(he)形核吉(ji)布斯自由能(neng)(neng)隨(sui)壓力的變化規律，加壓會抑制枝(zhi)(zhi)晶(jing)沿壓力梯度(du)方向(xiang)的生(sheng)長(chang)，從而導致枝(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)織和(he)微(wei)觀偏析(xi)(xi)呈現方向(xiang)性等(deng)。
王書桓等(deng)71利(li)用高溫(wen)高壓(ya)反(fan)應釜研究了壓(ya)力對于CrN12高氮(dan)鋼凝固(gu)過程中偏析現象。他們利(li)用LECO-TC600氮(dan)氧儀測(ce)量(liang)了CrN12鑄錠上(shang)從中心到邊部處試(shi)樣中的(de)氮(dan)含量(liang)，取(qu)樣位置如圖2-71所示(shi)。
王書(shu)桓等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓(ya)力下的(de)(de)(de)氮偏(pian)(pian)析(xi)(xi)（圖2-72).對(dui)比(bi)不同壓(ya)力下的(de)(de)(de)結果，可(ke)以發現1MPa下鑄(zhu)錠(ding)(ding)內部氮偏(pian)(pian)析(xi)(xi)嚴重，隨著壓(ya)力的(de)(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)，氮宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)得到(dao)(dao)了很大(da)改善。當壓(ya)力提(ti)(ti)高(gao)到(dao)(dao)1.6MPa時，氮的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)程度明(ming)顯小于(yu)1.0MPa和1.2MPa下凝固(gu)的(de)(de)(de)鑄(zhu)錠(ding)(ding)，各部位氮含量在0.360%左右(you)，表(biao)明(ming)增大(da)壓(ya)力提(ti)(ti)高(gao)了氮的(de)(de)(de)飽和溶解度。因(yin)此，在凝固(gu)過程中提(ti)(ti)高(gao)氮氣壓(ya)力可(ke)以對(dui)氮的(de)(de)(de)析(xi)(xi)出起到(dao)(dao)抑制作用(yong)，對(dui)氮由固(gu)相到(dao)(dao)液相的(de)(de)(de)傳質起到(dao)(dao)阻礙作用(yong)，使整(zheng)個鑄(zhu)錠(ding)(ding)中氮的(de)(de)(de)分壓(ya)趨于(yu)均勻(yun)，從而減輕氮的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)。
1. 形核(he)率
根據 Beckerman等的(de)研究報道，在(zai)元(yuan)素(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)模擬過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，由于各元(yuan)素(su)(su)的(de)溶質分(fen)(fen)(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)均(jun)小(xiao)于1,其偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)形成(cheng)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)和最終偏(pian)析(xi)(xi)(xi)類型均(jun)相(xiang)似。因(yin)此，在(zai)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)形成(cheng)規律和類型的(de)預(yu)測過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)(ke)對(dui)合金體(ti)系(xi)(xi)進行(xing)(xing)簡(jian)化，選(xuan)取主要(yao)合金元(yuan)素(su)(su)進行(xing)(xing)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)模擬。以(yi)19Cr14Mn0.9N 含(han)氮(dan)奧(ao)氏體(ti)不銹鋼(gang)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)為例，其鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)8存(cun)在(zai)區間較(jiao)窄，結(jie)合Wu等在(zai)多相(xiang)和單相(xiang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)模擬研究。可(ke)(ke)將該凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)簡(jian)化為單相(xiang)凝固(gu)(gu)。氮(dan)作(zuo)為含(han)氮(dan)鋼(gang)的(de)特征元(yuan)素(su)(su)，其溶質分(fen)(fen)(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)較(jiao)小(xiao)，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴重，在(zai)壓(ya)力對(dui)19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)影(ying)(ying)響的(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)(ke)將氮(dan)作(zuo)為主要(yao)元(yuan)素(su)(su)，且忽略其他元(yuan)素(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)對(dui)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)的(de)影(ying)(ying)響。基于壓(ya)力對(dui)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)熱(re)力學(xue)參(can)數(shu)、動力學(xue)參(can)數(shu)以(yi)及界面換熱(re)系(xi)(xi)數(shu)的(de)影(ying)(ying)響規律，對(dui)三種情況下(xia) 19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)的(de)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)進行(xing)(xing)模擬分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)，預(yu)測壓(ya)力對(dui)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)度和類型的(de)影(ying)(ying)響規律，三種情況（C1、C2和C3)的(de)參(can)數(shu)設(she)置見表(biao)2-13。
凝固(gu)20s后，三種凝固(gu)條件(jian)下的(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)一次枝(zhi)晶(jing)(jing)尖端(duan)位置（TIP)、柱(zhu)狀晶(jing)(jing)和(he)(he)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)體積分數(shu)以及液相和(he)(he)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)速(su)率分布情況(kuang)如圖(tu)2-73所示(shi)。對(dui)比圖(tu)2-73(a)和(he)(he)（b)可(ke)以看出(chu)，當(dang)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)形核密度從3x10°m-3增(zeng)至5x10°m-3時(shi)，柱(zhu)狀晶(jing)(jing)一次枝(zhi)晶(jing)(jing)尖端(duan)發生(sheng)了較為明顯的(de)變化，尤其是在鑄錠底(di)部(bu)位置，且(qie)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)體積分數(shu)由0.514增(zeng)至0.618.此外，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)液相的(de)最(zui)大(da)(da)速(su)率增(zeng)加(jia)幅(fu)度較小，分別從0.01246m/s和(he)(he)0.0075m/s增(zeng)至0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s.
在三種凝固(gu)條件(jian)下，鑄錠凝固(gu)結束后柱狀晶(jing)向等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)轉(zhuan)變（columnar to equiaxed transition,CET)位(wei)置如圖2-74所示。隨著等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)形核密度(du)的(de)增加(jia)(jia)（對比C1和C2),液(ye)相(xiang)中的(de)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)形核速率加(jia)(jia)快，極(ji)大(da)地縮短了(le)柱狀晶(jing)前沿等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)體(ti)積分數到達阻(zu)擋分數（0.49)的(de)時間，進而促進了(le)CET轉(zhuan)變，擴大(da)了(le)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)區域。
增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力還(huan)能增(zeng)加(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大形核(he)密(mi)度，從(cong)(cong)而加(jia)(jia)劇偏析(xi)。凝固(gu)結束后(hou)氮的宏觀(guan)(guan)偏析(xi)如(ru)圖2-75所示。隨(sui)著(zhu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大形核(he)速率的增(zeng)加(jia)(jia)，氮的宏觀(guan)(guan)偏析(xi)范圍C從(cong)(cong)-0.07~0.116 擴(kuo)大至(zhi)－0.072~0.137,氮的宏觀(guan)(guan)偏析(xi)加(jia)(jia)劇；此外，鑄錠(ding)底部負偏析(xi)區(qu)域也隨(sui)之增(zeng)大，鑄錠(ding)內部氮最大偏析(xi)位置逐步向上移(yi)動。因此，在增(zeng)加(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大形核(he)密(mi)度方面，增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力能夠擴(kuo)大等(deng)軸(zhou)晶(jing)區(qu)域，從(cong)(cong)而增(zeng)大負偏析(xi)范圍，提升氮最大偏析(xi)位置的高度，以(yi)及加(jia)(jia)劇氮的宏觀(guan)(guan)偏析(xi)。
2. 強(qiang)化(hua)冷(leng)卻
增(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)(li)可(ke)通(tong)過強化冷卻(que)和(he)擴大(da)(da)“溶質截留效應”減(jian)輕或者(zhe)消除氮宏觀偏析(xi)。根據圖2-73(b)和(he)（c)可(ke)知，在(zai)(zai)凝(ning)固(gu)20s時，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶的(de)(de)(de)(de)沉積(ji)量隨著冷卻(que)速(su)(su)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)增(zeng)多，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)(da)體積(ji)分(fen)數從(cong)0.618增(zeng)加(jia)至0.692,等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶和(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)(da)速(su)(su)率(lv)(lv)在(zai)(zai)C2凝(ning)固(gu)條(tiao)件下(xia)(xia)分(fen)別為0.01266m/s和(he)0.0078m/s,在(zai)(zai)C3凝(ning)固(gu)條(tiao)件下(xia)(xia)，分(fen)別為0.01221m/s和(he)0.0074m/s.在(zai)(zai)同(tong)一時刻下(xia)(xia)，隨著冷卻(que)速(su)(su)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶和(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)(da)速(su)(su)率(lv)(lv)呈現出(chu)略微減(jian)小的(de)(de)(de)(de)原因是冷卻(que)速(su)(su)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)加(jia)快了(le)(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)進程，增(zeng)大(da)(da)了(le)(le)柱(zhu)狀晶區域［圖2-73(b)和(he)（c)],從(cong)而(er)使殘余(yu)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)冷卻(que)速(su)(su)率(lv)(lv)減(jian)小，減(jian)小了(le)(le)與液(ye)相(xiang)溫度相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)熱浮力(li)(li)，進而(er)液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)力(li)(li)減(jian)小，降低了(le)(le)液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)速(su)(su)度；另外(wai)，隨著液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)速(su)(su)度的(de)(de)(de)(de)降低，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶沉積(ji)的(de)(de)(de)(de)阻(zu)力(li)(li)增(zeng)大(da)(da)，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶流(liu)動(dong)速(su)(su)度隨之減(jian)小。
從圖(tu)2-74可以看出(chu)，隨著(zhu)(zhu)冷卻(que)速率的(de)增加，CET位置(zhi)有(you)向心移(yi)動且(qie)呈扁平化(hua)的(de)趨(qu)勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄(zhu)錠(ding)CET檢(jian)測實驗結果相一致(zhi)，進一步證(zheng)明(ming)本模(mo)型具有(you)較好的(de)準確性和可信度。等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)形(xing)狀隨著(zhu)(zhu)CET轉變位置(zhi)的(de)改變，也逐(zhu)步呈現出(chu)扁平化(hua)和減小(xiao)的(de)趨(qu)勢(shi)，氮(dan)的(de)宏觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析范圍由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且(qie)氮(dan)最大(da)偏(pian)(pian)析形(xing)成位置(zhi)向鑄(zhu)錠(ding)頂(ding)部(bu)移(yi)動（圖(tu)2-76).因此，從強化(hua)冷卻(que)角(jiao)度而(er)言，加壓有(you)助于(yu)抑(yi)制CET,減小(xiao)等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)，緩解氮(dan)的(de)宏觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析。
綜上所述，增(zeng)(zeng)加壓(ya)力(li)通(tong)過提高(gao)等軸(zhou)晶最大形核密度和(he)(he)強化(hua)冷卻對(dui)(dui)氮(dan)宏(hong)觀偏(pian)析產(chan)生(sheng)了截然相(xiang)反(fan)的影(ying)響，兩者對(dui)(dui)宏(hong)觀偏(pian)析的綜合影(ying)響還需要進一(yi)步研究。此(ci)外，基于(yu)對(dui)(dui)凝固熱力(li)學和(he)(he)動力(li)學以及換熱系數的分析，壓(ya)力(li)對(dui)(dui)宏(hong)觀偏(pian)析的影(ying)響不局(ju)限于(yu)增(zeng)(zeng)大形核率和(he)(he)強化(hua)冷卻這兩方(fang)面(mian)，還能對(dui)(dui)與宏(hong)觀偏(pian)析相(xiang)關的平衡分配系數和(he)(he)擴散速率等參數產(chan)生(sheng)重(zhong)要影(ying)響。因而，壓(ya)力(li)對(dui)(dui)宏(hong)觀偏(pian)析的影(ying)響還需要進行更深入(ru)的研究和(he)(he)探討。
