壓(ya)(ya)力(li)除了能夠對溶質平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系數、擴散(san)系數以及液相(xiang)線斜率等參(can)數產生(sheng)(sheng)影(ying)響(xiang)以外，還能改變影(ying)響(xiang)溶質長程傳質的(de)冷卻速(su)率、等軸晶形(xing)(xing)核以及沉(chen)積(ji)等,從而影(ying)響(xiang)鑄錠溶質分(fen)布的(de)均勻性，即宏(hong)／微觀(guan)(guan)偏析；如結(jie)合平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系數和形(xing)(xing)核吉布斯自由能隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)變化規律，加壓(ya)(ya)會抑制枝晶沿壓(ya)(ya)力(li)梯度方向的(de)生(sheng)(sheng)長，從而導致枝晶組織和微觀(guan)(guan)偏析呈現(xian)方向性等。
王(wang)書(shu)桓等71利用高溫高壓(ya)反應釜(fu)研(yan)究了(le)壓(ya)力對于CrN12高氮鋼凝(ning)固過程中(zhong)偏析(xi)現象。他(ta)們利用LECO-TC600氮氧(yang)儀測量了(le)CrN12鑄錠(ding)上從(cong)中(zhong)心到(dao)邊部處試樣(yang)中(zhong)的氮含量，取樣(yang)位(wei)置如圖2-71所示。
王書(shu)桓等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)力下(xia)(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)偏析(xi)（圖(tu)2-72).對(dui)比不同壓(ya)力下(xia)(xia)的(de)(de)結果(guo)，可(ke)以發(fa)現1MPa下(xia)(xia)鑄錠(ding)內部氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)偏析(xi)嚴重(zhong)，隨著壓(ya)力的(de)(de)提(ti)高，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)宏觀(guan)偏析(xi)得到(dao)了很大改善。當壓(ya)力提(ti)高到(dao)1.6MPa時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)偏析(xi)程度明顯小于(yu)1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)(xia)凝固(gu)(gu)的(de)(de)鑄錠(ding)，各(ge)部位氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量(liang)在(zai)0.360%左右(you)，表明增大壓(ya)力提(ti)高了氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)飽和(he)溶解(jie)度。因此，在(zai)凝固(gu)(gu)過程中提(ti)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力可(ke)以對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)析(xi)出起到(dao)抑制作(zuo)用(yong)，對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)由(you)固(gu)(gu)相到(dao)液(ye)相的(de)(de)傳(chuan)質(zhi)起到(dao)阻礙作(zuo)用(yong)，使整個鑄錠(ding)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)分壓(ya)趨(qu)于(yu)均(jun)勻(yun)，從而減輕氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)宏觀(guan)偏析(xi)。
1. 形核(he)率(lv)
根(gen)據(ju) Beckerman等(deng)的(de)(de)研究(jiu)報(bao)道，在(zai)元素(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，由于各元素(su)的(de)(de)溶質分配系(xi)數(shu)均小(xiao)于1,其(qi)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)形成過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)和(he)最終(zhong)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)類型均相(xiang)(xiang)似。因此，在(zai)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)形成規律和(he)類型的(de)(de)預測過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可對(dui)(dui)合(he)金(jin)體(ti)(ti)系(xi)進行簡化(hua)，選取主要合(he)金(jin)元素(su)進行偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)。以19Cr14Mn0.9N 含氮奧氏體(ti)(ti)不銹鋼凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)為(wei)例(li)，其(qi)鐵素(su)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)8存在(zai)區間較窄，結合(he)Wu等(deng)在(zai)多相(xiang)(xiang)和(he)單相(xiang)(xiang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)研究(jiu)。可將該凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)簡化(hua)為(wei)單相(xiang)(xiang)凝固(gu)(gu)(gu)。氮作為(wei)含氮鋼的(de)(de)特征(zheng)元素(su)，其(qi)溶質分配系(xi)數(shu)較小(xiao)，偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)較嚴重，在(zai)壓力對(dui)(dui)19Cr14Mn0.9N含氮鋼偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)影(ying)響的(de)(de)分析(xi)(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可將氮作為(wei)主要元素(su)，且忽略其(qi)他(ta)元素(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)對(dui)(dui)凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)影(ying)響。基于壓力對(dui)(dui)凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)熱(re)力學參數(shu)、動力學參數(shu)以及界(jie)面換熱(re)系(xi)數(shu)的(de)(de)影(ying)響規律，對(dui)(dui)三種(zhong)情況下 19Cr14Mn0.9N含氮鋼的(de)(de)凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)進行模(mo)擬(ni)(ni)(ni)分析(xi)(xi)(xi)(xi)，預測壓力對(dui)(dui)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)度(du)和(he)類型的(de)(de)影(ying)響規律，三種(zhong)情況（C1、C2和(he)C3)的(de)(de)參數(shu)設置見表2-13。
凝固20s后，三(san)種凝固條件下(xia)的(de)(de)柱(zhu)狀晶(jing)一次枝晶(jing)尖端位置（TIP)、柱(zhu)狀晶(jing)和(he)等(deng)軸(zhou)晶(jing)體積分(fen)(fen)(fen)數以及液(ye)相和(he)等(deng)軸(zhou)晶(jing)速(su)率分(fen)(fen)(fen)布情況如圖(tu)2-73所示。對比圖(tu)2-73(a)和(he)（b)可(ke)以看出，當(dang)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)形核(he)密度(du)從(cong)3x10°m-3增(zeng)至5x10°m-3時(shi)，柱(zhu)狀晶(jing)一次枝晶(jing)尖端發(fa)生了較為明顯的(de)(de)變化，尤其是在鑄錠(ding)底部(bu)位置，且等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)體積分(fen)(fen)(fen)數由0.514增(zeng)至0.618.此外，等(deng)軸(zhou)晶(jing)和(he)液(ye)相的(de)(de)最大(da)速(su)率增(zeng)加幅度(du)較小，分(fen)(fen)(fen)別從(cong)0.01246m/s和(he)0.0075m/s增(zeng)至0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在三(san)種(zhong)凝(ning)固條(tiao)件下(xia)，鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固結(jie)束后(hou)柱狀晶(jing)(jing)向等軸晶(jing)(jing)轉變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所示(shi)。隨著(zhu)等軸晶(jing)(jing)最大(da)形核密(mi)度的增加（對比(bi)C1和C2),液相中的等軸晶(jing)(jing)形核速率加快，極大(da)地縮短了柱狀晶(jing)(jing)前沿等軸晶(jing)(jing)體(ti)積(ji)分數(shu)到達阻擋分數(shu)（0.49)的時間，進而促進了CET轉變，擴大(da)了等軸晶(jing)(jing)區域。
增(zeng)加(jia)壓力(li)(li)還能(neng)(neng)增(zeng)加(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)大形核(he)密(mi)(mi)度(du)，從(cong)而加(jia)劇(ju)(ju)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)。凝固(gu)結(jie)束后氮的宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)如圖2-75所(suo)示。隨著等(deng)軸(zhou)晶最(zui)大形核(he)速率的增(zeng)加(jia)，氮的宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)范(fan)圍(wei)C從(cong)-0.07~0.116 擴大至－0.072~0.137,氮的宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)加(jia)劇(ju)(ju)；此(ci)外(wai)，鑄錠(ding)底部負偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)區(qu)域也隨之增(zeng)大，鑄錠(ding)內(nei)部氮最(zui)大偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)逐步向上移(yi)動。因此(ci)，在增(zeng)加(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)大形核(he)密(mi)(mi)度(du)方(fang)面，增(zeng)加(jia)壓力(li)(li)能(neng)(neng)夠擴大等(deng)軸(zhou)晶區(qu)域，從(cong)而增(zeng)大負偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)范(fan)圍(wei)，提升氮最(zui)大偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)的高度(du)，以及加(jia)劇(ju)(ju)氮的宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)。
2. 強(qiang)化(hua)冷卻
增(zeng)(zeng)(zeng)加壓力(li)可通過強(qiang)化冷卻(que)和(he)擴(kuo)大“溶質截留效應”減(jian)輕或者消(xiao)除氮宏觀偏析(xi)。根據圖2-73(b)和(he)（c)可知，在(zai)凝(ning)固(gu)20s時(shi)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)的(de)(de)沉積(ji)量(liang)隨著(zhu)(zhu)冷卻(que)速率的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)多(duo)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)大體積(ji)分數(shu)從(cong)0.618增(zeng)(zeng)(zeng)加至0.692,等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)和(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)最(zui)大速率在(zai)C2凝(ning)固(gu)條(tiao)件下分別為0.01266m/s和(he)0.0078m/s,在(zai)C3凝(ning)固(gu)條(tiao)件下，分別為0.01221m/s和(he)0.0074m/s.在(zai)同一時(shi)刻下，隨著(zhu)(zhu)冷卻(que)速率的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)和(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)最(zui)大速率呈現出略微減(jian)小(xiao)的(de)(de)原(yuan)因是冷卻(que)速率的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大加快了(le)鑄錠的(de)(de)凝(ning)固(gu)進程，增(zeng)(zeng)(zeng)大了(le)柱狀(zhuang)晶(jing)區域［圖2-73(b)和(he)（c)],從(cong)而(er)使殘余液(ye)相(xiang)的(de)(de)冷卻(que)速率減(jian)小(xiao)，減(jian)小(xiao)了(le)與液(ye)相(xiang)溫(wen)度(du)相(xiang)關的(de)(de)熱浮力(li)，進而(er)液(ye)相(xiang)流(liu)(liu)動(dong)的(de)(de)驅動(dong)力(li)減(jian)小(xiao)，降低了(le)液(ye)相(xiang)流(liu)(liu)動(dong)速度(du)；另外，隨著(zhu)(zhu)液(ye)相(xiang)流(liu)(liu)動(dong)速度(du)的(de)(de)降低，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)沉積(ji)的(de)(de)阻(zu)力(li)增(zeng)(zeng)(zeng)大，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)流(liu)(liu)動(dong)速度(du)隨之減(jian)小(xiao)。
從(cong)(cong)圖2-74可以看出(chu)，隨著冷卻速率的(de)增加，CET位(wei)置有向(xiang)心移動且呈扁平化的(de)趨勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄(zhu)錠(ding)CET檢測實驗結(jie)果相一致，進一步(bu)證明本模型具有較好的(de)準確性和可信度。等軸晶區形狀隨著CET轉變位(wei)置的(de)改變，也(ye)逐步(bu)呈現出(chu)扁平化和減小(xiao)的(de)趨勢(shi)，氮的(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)范(fan)圍由(you)－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且氮最大偏(pian)析(xi)形成位(wei)置向(xiang)鑄(zhu)錠(ding)頂(ding)部移動（圖2-76).因(yin)此，從(cong)(cong)強化冷卻角(jiao)度而言，加壓有助于抑制(zhi)CET,減小(xiao)等軸晶區，緩(huan)解氮的(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)。
綜(zong)上所(suo)述，增加(jia)壓力通過(guo)提高等(deng)軸晶最(zui)大形核(he)(he)密度和強(qiang)化冷卻對氮宏觀偏析(xi)(xi)產(chan)生了(le)截然相(xiang)反的(de)影(ying)響，兩者對宏觀偏析(xi)(xi)的(de)綜(zong)合(he)影(ying)響還需要(yao)進(jin)一步研究。此外，基于對凝固熱力學和動力學以及換熱系數(shu)的(de)分析(xi)(xi)，壓力對宏觀偏析(xi)(xi)的(de)影(ying)響不(bu)局(ju)限于增大形核(he)(he)率(lv)和強(qiang)化冷卻這兩方面，還能對與宏觀偏析(xi)(xi)相(xiang)關(guan)的(de)平衡分配系數(shu)和擴散速率(lv)等(deng)參(can)數(shu)產(chan)生重要(yao)影(ying)響。因(yin)而，壓力對宏觀偏析(xi)(xi)的(de)影(ying)響還需要(yao)進(jin)行更(geng)深(shen)入的(de)研究和探討。
