壓力對鑄(zhu)錠(ding)的凝固相(xiang)變(bian)(bian)和(he)(he)組織有十分重要(yao)的影響，如壓力能提高晶粒形核速率，減(jian)小臨界形核半(ban)徑，增大(da)冷卻(que)速率，細化枝晶組織，減(jian)輕(qing)或消除(chu)凝固缺陷（疏松、縮孔、氣孔和(he)(he)偏析(xi)）以及改(gai)變(bian)(bian)析(xi)出相(xiang)形貌和(he)(he)類(lei)型等(deng)。由(you)于鋼(gang)鐵材(cai)料固／液(ye)相(xiang)線溫度較高，加壓難度相(xiang)對較大(da)，不過(guo)，較低(di)壓力依然(ran)具有改(gai)善鑄(zhu)型和(he)(he)鑄(zhu)錠(ding)間(jian)換熱條件、打破液(ye)相(xiang)中氮氣泡(pao)等(deng)壓力平衡的能力，進而(er)達到改(gai)善鋼(gang)鐵凝固組織，減(jian)輕(qing)或消除(chu)凝固缺陷等(deng)目的。
一(yi)、枝晶(jing)組織
枝晶(jing)組(zu)織的(de)(de)出(chu)(chu)現和(he)生長(chang)與液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)成(cheng)分(fen)過冷(leng)(leng)密不(bu)可分(fen)，當凝固界(jie)(jie)(jie)面(mian)出(chu)(chu)現擾動(dong)(dong)導致液(ye)相(xiang)出(chu)(chu)現局(ju)部成(cheng)分(fen)過冷(leng)(leng)時(shi)，液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)就具備(bei)了促(cu)使界(jie)(jie)(jie)面(mian)發生波動(dong)(dong)的(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)力，進一(yi)步增(zeng)大了凝固界(jie)(jie)(jie)面(mian)的(de)(de)不(bu)穩定性，從(cong)而使凝固界(jie)(jie)(jie)面(mian)從(cong)平面(mian)狀向樹枝狀轉變(bian)，形成(cheng)枝晶(jing)組(zu)織，液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)成(cheng)分(fen)過冷(leng)(leng)的(de)(de)判據為
式中(zhong)，GrL為(wei)(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)溫度(du)(du)梯度(du)(du)；v為(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)速率(lv)；m為(wei)(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)；CL為(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)界面處液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)；DL為(wei)(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)擴散(san)系(xi)數(shu)(shu)；ko為(wei)(wei)溶(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)。在(zai)不考慮壓(ya)力強化(hua)冷卻（即GrL保持恒定）情況下(xia)，壓(ya)力可(ke)通過(guo)改變(bian)液(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)、擴散(san)系(xi)數(shu)(shu)和(he)(he)溶(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)等凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)參(can)數(shu)(shu)，改變(bian)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)形(xing)(xing)貌甚至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的(de)(de)組(zu)成。Zhang等對比了(le)(le)(le)高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常壓(ya)和(he)(he)6GPa下(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)。發現高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)高(gao)(gao)壓(ya)下(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)包(bao)含細(xi)(xi)小等軸晶(jing)(jing)和(he)(he)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)，與常壓(ya)下(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)截然不同（圖2-107).晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)寸統計結果(guo)表(biao)明，高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)在(zai)常壓(ya)下(xia)的(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)寸為(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)為(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)力細(xi)(xi)化(hua)晶(jing)(jing)粒(li)可(ke)達(da)21倍之(zhi)(zhi)多(duo)，主要歸因于(yu)(yu)增加(jia)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力降低了(le)(le)(le)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)擴散(san)系(xi)數(shu)(shu)以及(ji)增大(da)(da)了(le)(le)(le)擴散(san)激活(huo)能(neng)，進而(er)增大(da)(da)了(le)(le)(le)液(ye)相(xiang)(xiang)成分(fen)過(guo)冷度(du)(du)，在(zai)抑(yi)制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)生長的(de)(de)同時增大(da)(da)了(le)(le)(le)形(xing)(xing)核率(lv)［129,153],從(cong)而(er)使(shi)得高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)逐(zhu)步向(xiang)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)轉變(bian)，且(qie)細(xi)(xi)化(hua)十(shi)分(fen)顯著。Kashchiev和(he)(he)Vasudevan等的(de)(de)研究表(biao)明。在(zai)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)，當(dang)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)摩爾體(ti)積小于(yu)(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)摩爾體(ti)積時，加(jia)壓(ya)有助(zhu)于(yu)(yu)提高(gao)(gao)形(xing)(xing)核率(lv)，起到細(xi)(xi)化(hua)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的(de)(de)作用，大(da)(da)多(duo)數(shu)(shu)金屬合金屬于(yu)(yu)此(ci)(ci)類；反之(zhi)(zhi)，加(jia)壓(ya)將抑(yi)制晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)形(xing)(xing)核，如水凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)成冰(bing)。此(ci)(ci)外，壓(ya)力還能(neng)夠抑(yi)制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)沿壓(ya)力梯度(du)(du)方向(xiang)的(de)(de)生長,從(cong)而(er)導致枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)和(he)(he)微(wei)觀偏析呈現方向(xiang)性。
為了(le)準確地論(lun)述壓(ya)力(li)(li)對(dui)凝固(gu)組織(zhi)的影響規律，本(ben)節將以(yi)19Cr14Mn0.9N含氮鋼和M42工具鋼加壓(ya)凝固(gu)組織(zhi)為例，詳細分析壓(ya)力(li)(li)對(dui)枝晶組織(zhi)、析出相(xiang)等(deng)的影響。
1. 柱狀(zhuang)晶向等(deng)軸晶轉變（CET)
鑄錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)宏(hong)觀組織(zhi)主要(yao)由晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)形貌、尺(chi)寸以及取(qu)向分(fen)布(bu)等(deng)構成(cheng)(cheng)(cheng)，在(zai)合金(jin)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況下，它主要(yao)取(qu)決于(yu)鋼液在(zai)凝(ning)(ning)固過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)條(tiao)件（包括(kuo)澆(jiao)注溫(wen)(wen)度(du)(du)和鑄型的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)效果等(deng)。鑄錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)典型宏(hong)觀組織(zhi)可分(fen)為三個區(qu)(qu)：表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)以及中心(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)。表(biao)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)是由于(yu)鋼液在(zai)鑄型的(de)(de)(de)(de)(de)激冷(leng)作(zuo)用下，具(ju)(ju)有(you)較大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)過冷(leng)度(du)(du)，進而(er)(er)在(zai)鑄型壁面以異質形核的(de)(de)(de)(de)(de)方式(shi)大(da)(da)量(liang)形核并長(chang)(chang)大(da)(da)，最(zui)后(hou)(hou)形成(cheng)(cheng)(cheng)細(xi)小的(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)，即(ji)表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)。隨(sui)著凝(ning)(ning)固的(de)(de)(de)(de)(de)進行，表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)逐步形成(cheng)(cheng)(cheng)金(jin)屬(shu)外(wai)殼(ke)，使(shi)得傳(chuan)熱(re)具(ju)(ju)備單向性(xing)，有(you)助(zhu)于(yu)晶(jing)(jing)粒(li)沿傳(chuan)熱(re)方向生長(chang)(chang)，呈(cheng)現出方向性(xing)，從而(er)(er)形成(cheng)(cheng)(cheng)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)，也導致了表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)域窄小，厚度(du)(du)通常為幾毫(hao)米。在(zai)后(hou)(hou)續的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固過程(cheng)中，伴隨(sui)著凝(ning)(ning)固潛熱(re)的(de)(de)(de)(de)(de)釋放，凝(ning)(ning)固前沿溫(wen)(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)減小，傳(chuan)熱(re)的(de)(de)(de)(de)(de)單向性(xing)減弱，成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)過冷(leng)度(du)(du)增(zeng)大(da)(da)，進而(er)(er)使(shi)得晶(jing)(jing)粒(li)生長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)方向性(xing)減弱，抑制(zhi)了柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)，同時也促進了鑄錠(ding)心(xin)部異質形核的(de)(de)(de)(de)(de)發生，從而(er)(er)有(you)助(zhu)于(yu)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)向等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)轉變，最(zui)終形成(cheng)(cheng)(cheng)中心(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)。
因此(ci)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)有兩類枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織(zhi)，即等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)，通(tong)常(chang)采用枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)和(he)CET位(wei)置(zhi)對其進行表(biao)征。圖(tu)2-108(a)給出了凝固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)分(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa的(de)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)縱(zong)剖面(mian)上(shang)的(de)宏觀(guan)組(zu)織(zhi)；CET位(wei)置(zhi)到(dao)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)距(ju)離的(de)統(tong)計(ji)平(ping)均值分(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)19.8mm、22.1mm和(he)27.4mm,增(zeng)量可(ke)達7.6mm,如圖(tu)2-108(b)所示。統(tong)計(ji)結果(guo)表(biao)明(ming)，隨著壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)增(zeng)大(da)，CET 位(wei)置(zhi)逐(zhu)漸(jian)由邊部(bu)向(xiang)心部(bu)移(yi)動，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域增(zeng)大(da)，中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域減(jian)小。根據柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變的(de)阻(zu)擋判據可(ke)知(zhi)［156],當柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)處(chu)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積(ji)分(fen)數(shu)大(da)于臨(lin)界值時(shi)(shi)(shi)，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)生(sheng)長受到(dao)抑制而(er)停止，此(ci)時(shi)(shi)(shi)發生(sheng)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向(xiang)中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)變。因此(ci)，CET轉(zhuan)變很大(da)程度(du)上(shang)取(qu)決于中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)形核(he)和(he)長大(da)。由于壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻(que)效果(guo)十分(fen)明(ming)顯，增(zeng)加壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)加快了鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)冷(leng)卻(que)，增(zeng)大(da)了鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)溫度(du)梯度(du)，從而(er)降低了枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)前沿(yan)的(de)成(cheng)分(fen)過冷(leng)度(du)，此(ci)時(shi)(shi)(shi)，等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)的(de)形核(he)和(he)長大(da)就會受到(dao)嚴重阻(zu)礙(ai)和(he)抑制;反之(zhi)，降低壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)，有助于等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)處(chu)的(de)形核(he)和(he)長大(da)，從而(er)提前并加快了CET.因此(ci)，當壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加到(dao)1.2MPa時(shi)(shi)(shi)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)通(tong)過強化(hua)冷(leng)卻(que)擴大(da)了柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促(cu)使CET轉(zhuan)變位(wei)置(zhi)在徑向(xiang)上(shang)逐(zhu)漸(jian)由邊部(bu)向(xiang)心部(bu)移(yi)動。此(ci)外(wai)，在0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)縱(zong)剖面(mian)的(de)宏觀(guan)組(zu)織(zhi)中均存在較窄的(de)表(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。
為(wei)了進(jin)一步研究壓力對(dui)CET的影響規律，在(zai)不考慮壓力強(qiang)化冷(leng)卻效果(guo)的前(qian)提下(xia)，對(dui)枝晶尖端(duan)生(sheng)長速率v.隨壓力的變(bian)化規律進(jin)行理論(lun)計算，可采(cai)用KGT模型，,即
基于2.3.2節分析所得ko和D等相關參數隨壓力的變化規律，結合式（2-188)和式（2-189)可得出不同過冷度下壓力對枝晶尖端生長速率的影響規律。對于19Cr14Mn0.9N 含氮鋼體系，當枝晶尖端的成分過冷度由某一元素偏聚造成時，壓力對枝晶尖端生長速率影響規律如圖2-109所示；當枝晶尖端的過冷度分別由錳和鉬造成時，增加壓力降低了枝晶尖端生長速率；當枝晶尖端的過冷度分別由鉻、碳和氮造成時，增加壓力會增大枝晶尖端生長速率。此外，隨著過冷度的增加，壓力對枝晶尖端生長速率的影響隨之增大；對比0.5MPa和10MPa下的枝晶生長尖端速率可知，枝晶尖端生長速率因壓力改變的變化量可達0.1mm/s,并且壓力越大，枝晶尖端生長速率的變化量越大；因而在高壓下，不考慮壓力強化冷卻效果時，壓力對枝晶尖端生長速率的影響也較大，進而影響CET位置。然而，當壓力從0.5MPa增加至1.2MPa,且不考慮壓力強化冷卻效果時，壓力對枝晶尖端的生長速率的影響較小，可以忽略不計。
綜上(shang)所述，凝固(gu)壓(ya)力的增(zeng)加(jia)(jia)會對枝(zhi)晶(jing)尖端生長速率產(chan)生重要影(ying)響(xiang)，且(qie)壓(ya)力的增(zeng)量越大，影(ying)響(xiang)越明顯。結合實驗和KGT模型(xing)理論計算可知，低壓(ya)下，當(dang)凝固(gu)壓(ya)力從0.5MPa 增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)1.2MPa時(shi)，壓(ya)力主要通過強(qiang)化冷卻的方式，使得鑄錠CET位(wei)置(zhi)逐漸由邊部向心部移(yi)動(dong)。
2. 枝晶(jing)間距(ju)
相鄰同次枝(zhi)晶(jing)臂之間(jian)(jian)的垂直(zhi)距(ju)(ju)(ju)離稱為(wei)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)，枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)的大小表(biao)征(zheng)了枝(zhi)晶(jing)組織細化程度(du)(du)，枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)越(yue)小，枝(zhi)晶(jing)組織越(yue)細密［162],通(tong)常(chang)考慮的枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)有一次枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)入1和(he)二次枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)λ2.一次枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)與(yu)凝固速率v和(he)溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)Gr的關系為(wei)
由(you)式（2-191)可(ke)知，合金(jin)體系一定時，分(fen)析局(ju)部(bu)(bu)區(qu)域冷卻速率(lv)v.和溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)Gr隨壓(ya)力(li)的(de)變化趨(qu)勢，有助(zhu)于(yu)闡(chan)明壓(ya)力(li)對(dui)一次枝晶(jing)(jing)(jing)間距λ1的(de)影(ying)(ying)響規律(lv)。因(yin)局(ju)部(bu)(bu)區(qu)域冷卻速率(lv)vc和溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)Gr的(de)測量難度(du)(du)較大，可(ke)用模(mo)擬(ni)計(ji)算的(de)方(fang)式獲得。在不同凝固(gu)壓(ya)力(li)下的(de)組織模(mo)擬(ni)過程中(zhong)，不考慮(lv)疏松縮孔對(dui)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)分(fen)布(bu)的(de)影(ying)(ying)響，模(mo)擬(ni)結果如圖(tu)2-110所示。為(wei)了更準確地找到CET位(wei)置，使用平(ping)均縱橫比(bi)（晶(jing)(jing)(jing)粒最短(duan)邊與(yu)最長邊的(de)比(bi)率(lv)）來區(qu)分(fen)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)和等軸晶(jing)(jing)(jing)：當晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)縱橫比(bi)大于(yu)0.4時，晶(jing)(jing)(jing)粒為(wei)等軸晶(jing)(jing)(jing)；當晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)縱橫比(bi)小于(yu)0.4時，則為(wei)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)。根據阻擋(dang)判據，等軸晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數(shu)的(de)臨(lin)界值設定為(wei)0.49，以(yi)此作為(wei)依據，19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)在0.5MPa、0.85MPa 和1.2MPa 壓(ya)力(li)下，CET 位(wei)置在徑(jing)向上離鑄錠邊部(bu)(bu)的(de)平(ping)均距離分(fen)別為(wei)18.1mm、19.8mm和25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄錠(ding)底部(bu)(bu)溫度梯(ti)度 Gr和(he)冷(leng)卻(que)速率v.隨(sui)壓力(li)(li)的變化(hua)規(gui)律，如(ru)圖2-111所示。在(zai)某一(yi)壓力(li)(li)條件下，vc和(he)Gr沿(yan)(yan)徑向(xiang)由鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)到(dao)心部(bu)(bu)均呈現逐(zhu)漸(jian)減(jian)(jian)小(xiao)的趨勢，結合(he)式（2-190)可知(zhi)，一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)間距(ju)入(ru)1與v.和(he)Gr成(cheng)反比，因(yin)(yin)而1沿(yan)(yan)徑向(xiang)由邊(bian)部(bu)(bu)到(dao)心部(bu)(bu)逐(zhu)漸(jian)增大(da)。當壓力(li)(li)從(cong)0.5MPa增加(jia)(jia)至(zhi)1.2MPa時(shi)，在(zai)壓力(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻(que)的作用(yong)下，鑄錠(ding)內(nei)各單元體的vc和(he)Gr隨(sui)之增大(da)，且對鑄錠(ding)邊(bian)緣(yuan)處(chu)的單元體影(ying)響(xiang)最大(da)，在(zai)沿(yan)(yan)徑向(xiang)向(xiang)心部(bu)(bu)移(yi)動的過程中(zhong)，壓力(li)(li)對vc和(he)Gr的影(ying)響(xiang)逐(zhu)步減(jian)(jian)弱。結合(he)式（2-190)可知(zhi)，一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)間距(ju)入(ru)1隨(sui)著vc和(he)Gr的增大(da)呈冪函(han)數(shu)減(jian)(jian)小(xiao)。因(yin)(yin)此，隨(sui)著壓力(li)(li)增加(jia)(jia)，一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)間距(ju)入(ru)1減(jian)(jian)小(xiao)，且越靠近鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)，入(ru)減(jian)(jian)小(xiao)趨勢越明顯，即壓力(li)(li)對柱狀晶(jing)一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)間距(ju)的影(ying)響(xiang)大(da)于(yu)中(zhong)心等軸晶(jing)區(qu)。
由(you)邊(bian)部到心部逐(zhu)漸增大(da)，結(jie)合式（2-192)可知，鑄錠心部的二次枝晶間距入(ru)2大(da)于邊(bian)部；壓力從0.5MPa增加至1.2MPa時，LST明顯減小，二次枝晶間距入(ru)2也隨之減小。
圖2-112 不(bu)同(tong)(tong)(tong)壓(ya)(ya)力下距(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠底部(bu)130mm處(chu)(chu)LST計算值由(you)于(yu)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)臂彼此(ci)相交且沿(yan)徑(jing)向以幾乎相同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)速率(lv)向四周生(sheng)長(chang)，同(tong)(tong)(tong)時(shi)(shi)不(bu)同(tong)(tong)(tong)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)不(bu)存(cun)在(zai)任(ren)何確定的(de)(de)位向關(guan)系，難以通過(guo)實驗對等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)(ci)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)進行測(ce)(ce)量，因此(ci)只(zhi)對CET前柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)進行測(ce)(ce)量。圖2-113給出(chu)了距(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠底部(bu)115mm的(de)(de)高度處(chu)(chu)一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)入1和(he)二次(ci)(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)x2的(de)(de)變化規(gui)律(lv)，在(zai)某一(yi)壓(ya)(ya)力下，沿(yan)徑(jing)向由(you)鑄(zhu)錠邊部(bu)向心部(bu)移動的(de)(de)過(guo)程中，1和(he)x2逐漸增大(da)；當壓(ya)(ya)力從0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時(shi)(shi)，1和(he)入2均(jun)呈減小(xiao)的(de)(de)趨(qu)勢(shi)。基(ji)于(yu)埋(mai)設(she)熱(re)電(dian)偶的(de)(de)測(ce)(ce)溫(wen)結果(guo)和(he)式（2-195)可得(de)，2nd和(he)4h測(ce)(ce)溫(wen)位置處(chu)(chu)局部(bu)凝固時(shi)(shi)間(jian)隨壓(ya)(ya)力的(de)(de)增加(jia)而(er)縮短，如圖2-113(a)所示(shi)，從而(er)導致x2的(de)(de)減小(xiao)。對比可知，枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)（λ和(he)ん）和(he)局部(bu)凝固時(shi)(shi)間(jian)沿(yan)徑(jing)向和(he)隨壓(ya)(ya)力變化趨(qu)勢(shi)的(de)(de)實驗與模擬(ni)結果(guo)一(yi)致。
綜(zong)上(shang)所(suo)述(shu)，增(zeng)加壓力能夠明顯(xian)減小枝晶間距(ju)（x1和x2),縮短(duan)局部凝(ning)固時間，細化(hua)凝(ning)固組(zu)織。鑄錠邊(bian)部和心部試樣的(de)(de)枝晶形貌如圖2-114所(suo)示，進一步(bu)佐證了增(zeng)加壓力具有明顯(xian)細化(hua)枝晶組(zu)織的(de)(de)作用，且對柱狀晶的(de)(de)影響大于中心等(deng)軸(zhou)晶。
3. 晶粒數
鑄(zhu)錠內晶(jing)粒數與晶(jing)粒臨界(jie)形(xing)核(he)半(ban)徑(jing)和形(xing)核(he)率有直(zhi)接(jie)的(de)關系，晶(jing)粒臨界(jie)形(xing)核(he)半(ban)徑(jing)為：
其(qi)中(zhong)，Nm為(wei)與液相線(xian)溫度、凝固(gu)潛熱、擴散激活能(neng)以(yi)及表面(mian)張力(li)(li)(li)有關的(de)系數(shu)。圖2-114給出了(le) 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮(dan)鋼鑄錠(ding)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)變化規(gui)律。壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)到1.2MPa時(shi)，中(zhong)心(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)的(de)寬度逐漸(jian)減小，最(zui)小值為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼鑄錠(ding)180mm(高）x56mm(寬）等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)變化規(gui)律如(ru)圖2-115所示。當凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)到0.85MPa時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)目從9166增(zeng)加(jia)到9551;當凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)進一步增(zeng)加(jia)到1.2MPa時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)目增(zeng)加(jia)到10128.因此，提高凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)，鑄錠(ding)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)明顯增(zeng)大(da)。
在(zai)低(di)壓(ya)下，如(ru)壓(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增至1.2MPa時，液相線溫(wen)度(du)、凝固潛熱、擴散激活能以(yi)及表(biao)面張力(li)的變量(liang)非常小，幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)忽略(lve)，這(zhe)樣可(ke)以(yi)假設Nm在(zai)0.5MPa、晶(jing)粒數(shu)0.85MPa和(he)1.2MPa下相等，近似(si)為常數(shu)。提高(gao)壓(ya)力(li)能夠明顯地(di)增大(da)鑄錠(ding)的溫(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)越(yue)大(da)，單位時間內(nei)(nei)從(cong)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區內(nei)(nei)導出結晶(jing)潛熱的量(liang)越(yue)大(da)，進而(er)提高(gao)了糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區內(nei)(nei)過冷度(du)；反之(zhi)亦然，這(zhe)意味著糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區過冷度(du)與溫(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)隨(sui)壓(ya)力(li)的變化趨勢相同，即隨(sui)著壓(ya)力(li)的提高(gao)而(er)增大(da)。結合式（2-193)和(he)式（2-197)可(ke)知，隨(sui)著糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區內(nei)(nei)過冷度(du)ΔT的增加，晶(jing)粒臨界形核(he)半徑rk減小，形核(he)率Na增大(da)，有(you)助于提高(gao)鑄錠(ding)內(nei)(nei)晶(jing)粒數(shu)。因此(ci)，增加壓(ya)力(li)有(you)利于增加晶(jing)粒數(shu)。
距離(li)(li)(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)底部130mm的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)度(du)(du)(du)處，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數(shu)隨壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)規律如圖2-116所示。在某一凝固壓(ya)力(li)下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數(shu)目最大(da)，隨著(zhu)離(li)(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部距離(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，由于(yu)(yu)糊(hu)狀區(qu)內(nei)(nei)(nei)過冷度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數(shu)也隨之減(jian)少。隨著(zhu)壓(ya)力(li)提高(gao)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數(shu)均(jun)(jun)呈增(zeng)(zeng)大(da)趨勢，且(qie)柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)(nei)(nei)軸向切片上晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)明(ming)(ming)顯大(da)于(yu)(yu)中心(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。因為在壓(ya)力(li)強化(hua)冷卻的(de)(de)(de)(de)(de)作用下，整個鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)均(jun)(jun)有(you)增(zeng)(zeng)大(da)趨勢，導(dao)致糊(hu)狀區(qu)內(nei)(nei)(nei)過冷度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)。同時，由于(yu)(yu)距離(li)(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)和鑄(zhu)(zhu)型換熱界面(mian)越近，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)受界面(mian)換熱的(de)(de)(de)(de)(de)影響越大(da)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)隨壓(ya)力(li)變化(hua)趨勢越明(ming)(ming)顯，進而(er)(er)增(zeng)(zeng)加(jia)凝固壓(ya)力(li)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)明(ming)(ming)顯大(da)于(yu)(yu)心(xin)部，從(cong)而(er)(er)導(dao)致離(li)(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部較近的(de)(de)(de)(de)(de)柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)明(ming)(ming)顯大(da)于(yu)(yu)中心(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。
二、疏松(song)縮孔
鑄錠產生(sheng)(sheng)(sheng)疏(shu)松縮(suo)(suo)(suo)(suo)孔的(de)基本原因(yin)是鑄錠從(cong)澆注(zhu)溫度(du)冷(leng)卻至固相(xiang)線(xian)溫度(du)時(shi)產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)（液(ye)(ye)態(tai)(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)和(he)凝固收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)之(zhi)和(he)）大(da)于固態(tai)(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)。當(dang)鋼(gang)液(ye)(ye)從(cong)澆注(zhu)溫度(du)冷(leng)卻至液(ye)(ye)相(xiang)線(xian)溫度(du)時(shi)所產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)為(wei)液(ye)(ye)態(tai)(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)，鋼(gang)液(ye)(ye)進一步(bu)從(cong)液(ye)(ye)相(xiang)線(xian)溫度(du)冷(leng)卻至固相(xiang)線(xian)溫度(du)時(shi)（即發生(sheng)(sheng)(sheng)凝固相(xiang)變時(shi)）所產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)為(wei)凝固收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)［87],固態(tai)(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)是指固相(xiang)在(zai)冷(leng)卻過程中所產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)。疏(shu)松縮(suo)(suo)(suo)(suo)孔的(de)出(chu)現嚴重降低(di)了鑄錠的(de)力學和(he)耐腐蝕性能以及(ji)成材率，是鑄錠的(de)嚴重缺(que)陷之(zhi)一。
在凝固(gu)過程(cheng)中鑄(zhu)錠內(nei)出現體(ti)(ti)積(ji)小而(er)(er)彌散(san)的空洞(dong)為(wei)疏(shu)(shu)(shu)松(song)，體(ti)(ti)積(ji)大且集中的為(wei)縮(suo)孔。疏(shu)(shu)(shu)松(song)由(you)在糊(hu)狀區內(nei)液(ye)相(xiang)體(ti)(ti)積(ji)分數降到一(yi)定程(cheng)度(du)時(shi)，液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)困難，液(ye)態收(shou)(shou)縮(suo)與凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)之(zhi)和超過固(gu)態收(shou)(shou)縮(suo)的那部分收(shou)(shou)縮(suo)量無(wu)法得到補縮(suo)所導致，因而(er)(er)疏(shu)(shu)(shu)松(song)的形成(cheng)與枝晶(jing)(jing)間液(ye)相(xiang)的流(liu)動(dong)有(you)密切關聯［72,87].在糊(hu)狀區內(nei)，體(ti)(ti)收(shou)(shou)縮(suo)主要(yao)(yao)由(you)凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)組成(cheng)，且為(wei)枝晶(jing)(jing)間液(ye)體(ti)(ti)流(liu)動(dong)的主要(yao)(yao)驅動(dong)力，因而(er)(er)枝晶(jing)(jing)間液(ye)相(xiang)的流(liu)速u可(ke)表(biao)示為(wei)
式(shi)中(zhong)(zhong)，PΔx＝Ps+Pf(其中(zhong)(zhong)，Pt為鋼(gang)液靜壓力，Pf=pgh;Ps為凝(ning)固壓力）。結合式(shi)（2-202)可(ke)知，增加凝(ning)固壓力，Px增大(da)，強化了枝晶間液相的補(bu)縮(suo)(suo)能力，進而有助于避免疏(shu)松的形(xing)成(cheng)［91].此外，糊狀區越(yue)(yue)寬(kuan)，枝晶網狀結構越(yue)(yue)復雜，枝晶間補(bu)縮(suo)(suo)的距離(li)越(yue)(yue)長阻力越(yue)(yue)大(da)，滲透(tou)率K越(yue)(yue)小，疏(shu)松越(yue)(yue)容易形(xing)成(cheng)。因此，疏(shu)松易于在(zai)(zai)糊狀區較寬(kuan)的鑄錠以體積凝(ning)固或同時凝(ning)固方(fang)式(shi)凝(ning)固時形(xing)成(cheng)。相比(bi)之下，縮(suo)(suo)孔傾向于在(zai)(zai)糊狀區較窄(zhai)的鑄錠以逐層凝(ning)固方(fang)式(shi)的凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)出現。
不(bu)同凝固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)下（0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄錠縱剖(pou)面上(shang)疏(shu)(shu)松(song)縮孔的分布情況(kuang)如(ru)圖(tu)2-117所示。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)的增(zeng)加(jia)，疏(shu)(shu)松(song)和縮孔的總面積大(da)幅(fu)度(du)(du)(du)減小(xiao)，且疏(shu)(shu)松(song)逐(zhu)(zhu)漸(jian)消失。由于(yu)(yu)壓(ya)力(li)具(ju)有(you)顯著(zhu)的強化冷卻效果，增(zeng)大(da)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)，強化了鑄錠和鑄型間的界面換熱，加(jia)快了鑄錠的冷卻速率，從而增(zeng)大(da)了鑄錠溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)Gr;在合金體系一定的情況(kuang)下，糊狀(zhuang)區(qu)隨(sui)之(zhi)確定，那么糊狀(zhuang)區(qu)的寬度(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)Gr的增(zeng)大(da)而減小(xiao)171],進而導致(zhi)枝晶(jing)網狀(zhuang)結構的形成受到抑制。凝固(gu)(gu)(gu)(gu)方(fang)式逐(zhu)(zhu)漸(jian)由體積凝固(gu)(gu)(gu)(gu)向逐(zhu)(zhu)層凝固(gu)(gu)(gu)(gu)過(guo)渡，增(zeng)大(da)了滲透率K,從而降低和縮短枝晶(jing)間補(bu)縮時液相(xiang)流動的阻(zu)力(li)和距離。此外(wai)，基于(yu)(yu)以上(shang)理論分析并結合判據式（2-202)可知，增(zeng)加(jia)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)等效于(yu)(yu)增(zeng)大(da)了Px,使其(qi)遠大(da)于(yu)(yu)枝晶(jing)間液相(xiang)補(bu)縮時所需壓(ya)力(li)。因此，加(jia)壓(ya)有(you)利于(yu)(yu)枝晶(jing)間液相(xiang)的補(bu)縮行為，且有(you)助于(yu)(yu)大(da)幅(fu)度(du)(du)(du)減小(xiao)或消除(chu)疏(shu)(shu)松(song)缺陷。
三、凝固析(xi)出相(xiang)
根據相(xiang)(xiang)所含非(fei)金屬(shu)元素(su)的(de)種類(lei)，可(ke)將凝(ning)固析出(chu)(chu)相(xiang)(xiang)分為(wei)(wei)氮化物、碳(tan)化物等，與碳(tan)化物相(xiang)(xiang)比，氮化物尺寸一(yi)般較小，為(wei)(wei)了更加清楚直觀地論(lun)述增(zeng)加壓力對凝(ning)固析出(chu)(chu)相(xiang)(xiang)的(de)影(ying)響，本節將著重以高速鋼M42中碳(tan)化物為(wei)(wei)例，闡述壓力對凝(ning)固析出(chu)(chu)相(xiang)(xiang)的(de)類(lei)型、形貌、成分等影(ying)響規律(lv)。
高速(su)鋼碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)數量(liang)繁多、種類(lei)各異。不(bu)(bu)(bu)同碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特性不(bu)(bu)(bu)同、成(cheng)(cheng)分不(bu)(bu)(bu)同、形(xing)(xing)貌也(ye)各有(you)差(cha)異；按照(zhao)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)(xing)貌特征及生(sheng)成(cheng)(cheng)機制的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同，可將高速(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)分為一次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)和(he)二次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)兩大(da)部分。一次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)又稱(cheng)為“初生(sheng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)(zai)凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)直接從液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)析出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，包括各種先共晶和(he)共晶碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，有(you)M6C、M2C、MC等(deng)不(bu)(bu)(bu)同類(lei)型。一次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺(chi)寸比(bi)較(jiao)大(da)，屬于微米級別，在(zai)(zai)后續熱(re)加(jia)工(gong)和(he)熱(re)處理(li)工(gong)藝中(zhong)(zhong)將被破(po)碎或(huo)(huo)分解成(cheng)(cheng)尺(chi)寸較(jiao)小的(de)(de)顆粒(li)狀存在(zai)(zai)于鋼中(zhong)(zhong)。二次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)是指(zhi)在(zai)(zai)凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)或(huo)(huo)熱(re)處理(li)時從固相(xiang)基體(ti)(ti)（高溫鐵素體(ti)(ti)、奧(ao)氏體(ti)(ti)、馬氏體(ti)(ti)等(deng)）中(zhong)(zhong)析出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，分為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等(deng)不(bu)(bu)(bu)同類(lei)型。高速(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)成(cheng)(cheng)分波動范圍(wei)較(jiao)大(da)，不(bu)(bu)(bu)同鋼種、不(bu)(bu)(bu)同條件產(chan)生(sheng)的(de)(de)同一類(lei)型的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)也(ye)會有(you)不(bu)(bu)(bu)同的(de)(de)成(cheng)(cheng)分，甚至(zhi)同一粒(li)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同部位，也(ye)會有(you)成(cheng)(cheng)分的(de)(de)差(cha)異。各碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)(xing)貌、成(cheng)(cheng)分及分布見表2-14.
M2C具有密排六方(fang)晶(jing)(jing)體結構(gou)［172-175,179],其主要形(xing)成元(yuan)素通常是鉬、釩和鎢，鉻及鐵(tie)的(de)(de)含量則較(jiao)少。M2C 共(gong)晶(jing)(jing)碳化物一般以亞穩(wen)態存在于鋼(gang)中(zhong)。尺(chi)(chi)寸(cun)較(jiao)小、片層較(jiao)薄且(qie)沒有中(zhong)間脊骨，在高溫(wen)時(shi)易發生分(fen)解反應(ying)：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)解成尺(chi)(chi)寸(cun)較(jiao)小的(de)(de)顆粒狀(zhuang)M6C和MC。此外，與M6C相反，鋼(gang)液(ye)凝固時(shi)的(de)(de)冷(leng)卻(que)速率越快，越有利于M2C的(de)(de)形(xing)成。因此，提高鑄(zhu)錠凝固時(shi)的(de)(de)冷(leng)卻(que)速率有利于促進M2C的(de)(de)形(xing)成并(bing)細化M2C,同時(shi)可抑制較(jiao)大尺(chi)(chi)寸(cun)M6Cl。
M6C具有復雜立方(fang)晶體(ti)結(jie)構，其(qi)結(jie)構中除碳原子以外，鐵、鎢原子約(yue)各占一半(ban)。M6C屬于(yu)穩定型碳化物，其(qi)形(xing)態為(wei)粗大(da)的(de)骨(gu)骼狀。鋼液凝固(gu)時冷(leng)卻速率越慢，M6C碳化物越易于(yu)形(xing)成和長大(da)。因(yin)此，M6C在高(gao)速鋼的(de)心部往往含量較(jiao)高(gao)，而邊部較(jiao)少或(huo)沒有。加快鑄錠(ding)(ding)凝固(gu)時的(de)冷(leng)卻速率有利于(yu)細化M6C,提高(gao)鑄錠(ding)(ding)性能。
MC具(ju)有(you)(you)(you)面(mian)心(xin)立(li)方(fang)結構(gou)，化(hua)(hua)(hua)學(xue)式(shi)為MC或者M4C3,其成分以釩(fan)為主。鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)、釩(fan)含(han)(han)量(liang)的(de)增大可使MC增多，尺(chi)寸(cun)變大。高(gao)速鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)還有(you)(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)。M23C6晶(jing)體(ti)結構(gou)為復(fu)雜(za)面(mian)心(xin)立(li)方(fang)結構(gou)，具(ju)有(you)(you)(you)一定(ding)(ding)(ding)量(liang)的(de)鎢、鉬，釩(fan)含(han)(han)量(liang)極少，含(han)(han)有(you)(you)(you)大量(liang)的(de)鉻(ge)、鐵元素；與M2C相同，M3C也是亞穩(wen)態(tai)相。M7C3為復(fu)雜(za)六方(fang)晶(jing)體(ti)結構(gou)，含(han)(han)有(you)(you)(you)較多的(de)鉻(ge)、鐵，主要(yao)存在于碳(tan)(tan)(tan)含(han)(han)量(liang)較高(gao)的(de)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)。高(gao)速鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)具(ju)有(you)(you)(you)兩個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)特性：硬度和熱(re)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性（加熱(re)時溶(rong)解、聚集長大的(de)難度）。這些特性反映了碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)和金屬原(yuan)(yuan)子結合鍵的(de)強弱，與原(yuan)(yuan)子結構(gou)和尺(chi)寸(cun)有(you)(you)(you)關(guan)。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)晶(jing)格(ge)結構(gou)與碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)(yuan)子半(ban)徑rc、金屬原(yuan)(yuan)子半(ban)徑rx有(you)(you)(you)關(guan)，如表2-15所示(shi)，rd/rx值越(yue)大，則(ze)越(yue)易(yi)形成結構(gou)復(fu)雜(za)的(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)（M23C6、M3C等），越(yue)小則(ze)易(yi)形成結構(gou)簡單密堆型碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)（MC等）。表中(zhong)(zhong)熔點可作(zuo)為碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)熱(re)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性的(de)衡量(liang)指(zhi)標，可見(jian)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)(zhong)原(yuan)(yuan)子尺(chi)寸(cun)越(yue)接近，則(ze)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性越(yue)高(gao)。
1. 壓力(li)對(dui)萊氏體(ti)的影響
凝固末期，由于(yu)偏(pian)析導(dao)致合金元素在枝晶(jing)(jing)間(jian)殘余液(ye)相(xiang)內富集發生共晶(jing)(jing)反(fan)應，從液(ye)相(xiang)中直接(jie)生成碳化物(wu)，它(ta)與奧氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)間(jian)排列，構成萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織。因此高(gao)速鋼(gang)的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織往(wang)往(wang)存(cun)在于(yu)枝晶(jing)(jing)間(jian)。圖2-118為M2高(gao)速鋼(gang)的低倍鑄態組(zu)(zu)(zu)織，可見一般(ban)情況下，相(xiang)鄰晶(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織較(jiao)為細小，數量較(jiao)少，而(er)多(duo)個晶(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織尺寸較(jiao)大，數量較(jiao)多(duo)。
高速鋼的萊(lai)氏體組織中含有(you)多種類(lei)型的碳化(hua)物，如(ru)M2C、M6C、MC等(deng)(deng)。M6C整(zheng)體形貌(mao)類(lei)似(si)魚骨(gu)，故又稱為(wei)“魚骨(gu)狀碳化(hua)物”，如(ru)圖(tu)2-119所(suo)示；M2C成片層狀，含有(you)M2C的共晶(jing)萊(lai)氏體具有(you)“羽毛狀”、“扇狀”、“菊花狀”等(deng)(deng)形貌(mao)，如(ru)圖(tu)2-120所(suo)示；MC的生長(chang)時(shi)間較(jiao)長(chang)，最終(zhong)尺寸較(jiao)為(wei)粗大，往往以不(bu)規(gui)則的條狀出現，如(ru)圖(tu)2-120所(suo)示。
a. 碳化物種(zhong)類(lei)及(ji)分布
高(gao)(gao)速(su)(su)鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)種類與成(cheng)(cheng)分和(he)(he)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)密不(bu)可分。M42 高(gao)(gao)速(su)(su)工具鋼(gang)(gang)(gang)作為高(gao)(gao)鉬低(di)鎢(wu)鋼(gang)(gang)(gang)，其(qi)凝固組織(zhi)(zhi)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)主(zhu)要為M2C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)；另外含(han)有(you)(you)少(shao)部分M6C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)，主(zhu)要存在(zai)于(yu)(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)心(xin)部區域。圖(tu)2-121~圖(tu)2-123給出了M42高(gao)(gao)速(su)(su)鋼(gang)(gang)(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠(ding)板(ban)金相(xiang)組織(zhi)(zhi)。白色斑(ban)點(dian)狀(zhuang)(zhuang)處的(de)(de)(de)萊氏(shi)體組織(zhi)(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)為具有(you)(you)中(zhong)心(xin)脊骨(gu)，脊骨(gu)兩邊具有(you)(you)平行分枝的(de)(de)(de)魚骨(gu)狀(zhuang)(zhuang)M6C.M6C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)尺寸比(bi)M2C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)粗大得多且(qie)結構上(shang)相(xiang)互連接(jie)緊密，極不(bu)利(li)于(yu)(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)后續(xu)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)破碎，因此(ci)盡可能(neng)(neng)減少(shao)或避(bi)免凝固組織(zhi)(zhi)中(zhong)M6C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)產生，有(you)(you)助于(yu)(yu)(yu)提升(sheng)其(qi)力學(xue)性(xing)能(neng)(neng)等。隨著壓(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)大，萊氏(shi)體（白色斑(ban)點(dian)）所占1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠(ding)板(ban)的(de)(de)(de)面(mian)積比(bi)例逐漸減小(xiao)，加(jia)壓(ya)有(you)(you)助于(yu)(yu)(yu)抑(yi)制(zhi)M6C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)與長大，其(qi)主(zhu)要原因在(zai)于(yu)(yu)(yu)在(zai)較低(di)壓(ya)力下(xia)，加(jia)壓(ya)對(dui)凝固熱(re)(re)力學(xue)和(he)(he)動力學(xue)參數(shu)的(de)(de)(de)影(ying)響十(shi)分有(you)(you)限(xian)，但(dan)強化(hua)(hua)(hua)冷(leng)卻(que)效果十(shi)分明同(tong)時凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)冷(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)越(yue)(yue)小(xiao)，越(yue)(yue)有(you)(you)利(li)于(yu)(yu)(yu)魚骨(gu)狀(zhuang)(zhuang)M6C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)M6C越(yue)(yue)粗大。因而增(zeng)加(jia)壓(ya)力主(zhu)要通過(guo)增(zeng)大鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)(he)鑄(zhu)(zhu)型間界面(mian)換熱(re)(re)系數(shu)，提高(gao)(gao)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)從而細化(hua)(hua)(hua)并(bing)抑(yi)制(zhi)M6C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)當壓(ya)力增(zeng)加(jia)到一定程(cheng)度(du)時，能(neng)(neng)夠完全抑(yi)制(zhi)富(fu)含(han)M6C的(de)(de)(de)萊氏(shi)體形(xing)成(cheng)(cheng)，消(xiao)除其(qi)對(dui)組織(zhi)(zhi)和(he)(he)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)不(bu)良影(ying)響。
圖2-121(b)所(suo)示萊氏體組(zu)織中(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)為長條狀或者短棒狀的(de)M2C.凝固壓(ya)力(li)不同(tong)，M2C的(de)尺寸(cun)、形貌以及分布(bu)的(de)緊密(mi)程度等均有(you)所(suo)不同(tong)。在(zai)0.1MPa壓(ya)力(li)下，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)分枝較(jiao)(jiao)(jiao)少、片(pian)層較(jiao)(jiao)(jiao)長、尺寸(cun)較(jiao)(jiao)(jiao)大、間(jian)距較(jiao)(jiao)(jiao)寬、共(gong)晶(jing)萊氏體與(yu)枝晶(jing)臂(bei)的(de)界(jie)面較(jiao)(jiao)(jiao)平整；隨著(zhu)壓(ya)力(li)的(de)增加，條狀或片(pian)層狀碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)間(jian)距逐漸減(jian)小，且(qie)開(kai)始斷開(kai)成大量的(de)短棒碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)分枝也逐漸增多，并密(mi)集分布(bu)在(zai)枝晶(jing)間(jian)，共(gong)晶(jing)萊氏體與(yu)枝晶(jing)臂(bei)的(de)界(jie)面也較(jiao)(jiao)(jiao)為粗糙。此(ci)外，三個壓(ya)力(li)下的(de)M2C幾乎沒有(you)晶(jing)體缺陷，明壓(ya)力(li)很(hen)難對碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)晶(jing)格類型產生影響(xiang)。
b. 萊氏(shi)體(ti)尺寸
萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)組織存在(zai)于枝(zhi)晶(jing)間(jian)，與枝(zhi)晶(jing)間(jian)距、形(xing)(xing)貌及分(fen)布密切相關，枝(zhi)晶(jing)間(jian)距越小(xiao)，枝(zhi)晶(jing)間(jian)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)尺(chi)寸也相應地細小(xiao)且均勻分(fen)布。圖(tu)2-124和圖(tu)2-125給出了不同(tong)壓力(li)條件(jian)下M42鑄(zhu)錠邊部(bu)(bu)和心(xin)部(bu)(bu)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)形(xing)(xing)貌和尺(chi)寸分(fen)布，無論是鑄(zhu)錠的(de)邊部(bu)(bu)還是心(xin)部(bu)(bu)，尺(chi)寸不一(yi)的(de)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)組織（黑色(se)）均分(fen)布在(zai)枝(zhi)晶(jing)間(jian)。在(zai)同(tong)一(yi)凝固壓力(li)條件(jian)下，鑄(zhu)錠邊部(bu)(bu)的(de)枝(zhi)晶(jing)間(jian)距明顯小(xiao)于心(xin)部(bu)(bu)，因而心(xin)部(bu)(bu)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)要比邊部(bu)(bu)粗大。
隨著壓(ya)力(li)(li)的(de)增大，在(zai)(zai)壓(ya)力(li)(li)強化冷(leng)卻的(de)作用下(xia)，冷(leng)卻速(su)率(lv)增大，鑄(zhu)錠局(ju)部凝固時(shi)間(jian)縮(suo)短，使得(de)枝晶組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)得(de)到了明(ming)顯細(xi)(xi)(xi)化且(qie)尺(chi)(chi)寸分(fen)(fen)(fen)布(bu)更(geng)(geng)均(jun)勻(yun)(yun)，進而導致(zhi)分(fen)(fen)(fen)布(bu)在(zai)(zai)枝晶間(jian)的(de)萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)也隨之細(xi)(xi)(xi)化，厚度大大減小且(qie)分(fen)(fen)(fen)布(bu)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)。在(zai)(zai)0.1MPa 壓(ya)力(li)(li)下(xia)，無論在(zai)(zai)邊部還是心部位(wei)置，鑄(zhu)錠的(de)萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)均(jun)較為粗大，且(qie)尺(chi)(chi)寸分(fen)(fen)(fen)布(bu)極(ji)不均(jun)勻(yun)(yun)，部分(fen)(fen)(fen)局(ju)部區域存在(zai)(zai)著大量的(de)黑色萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)，尤其在(zai)(zai)多個枝晶臂交匯處(chu)，且(qie)尺(chi)(chi)寸異常粗大。當(dang)壓(ya)力(li)(li)增加(jia)至1MPa時(shi)，粗大萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)得(de)到明(ming)顯細(xi)(xi)(xi)化，且(qie)尺(chi)(chi)寸分(fen)(fen)(fen)布(bu)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)；當(dang)壓(ya)力(li)(li)進一(yi)步增加(jia)至2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)得(de)到進一(yi)步地改(gai)善(shan)，組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)更(geng)(geng)加(jia)細(xi)(xi)(xi)密，尺(chi)(chi)寸更(geng)(geng)加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)，粗大萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)基本消失。萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)平均(jun)尺(chi)(chi)寸隨壓(ya)力(li)(li)的(de)變化規律如(ru)圖2-126所示，壓(ya)力(li)(li)從0.1MPa增加(jia)至2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)厚度由28.37μm降低至22.92μm.因此，增加(jia)壓(ya)力(li)(li)能(neng)夠明(ming)顯細(xi)(xi)(xi)化萊(lai)(lai)(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，改(gai)善(shan)其分(fen)(fen)(fen)布(bu)狀態。
2. 壓(ya)力對(dui)碳化(hua)物的影響
a. 碳化物尺寸(cun)
以高速鋼中(zhong)M2C共(gong)晶(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物為(wei)例，M2C共(gong)晶(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物是通過凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)晶(jing)反應L→y+M2C產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。和(he)(he)純金(jin)(jin)屬及固(gu)溶(rong)體(ti)(ti)合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)晶(jing)過程一(yi)樣，共(gong)晶(jing)轉變(bian)(bian)同(tong)(tong)樣需(xu)要經過形核(he)與(yu)長大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)過程。結(jie)合式（2-178)和(he)(he)式（2-179),東北大(da)學特殊鋼冶(ye)金(jin)(jin)研究所(suo)在控制(zhi)溫(wen)度(du)不變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，計算了不同(tong)(tong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)在兩相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)，探討(tao)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)與(yu)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活(huo)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)關系。凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)溫(wen)度(du)T=1478K時(shi)，合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)（鉬、鎢(wu)、釩和(he)(he)鉻）在M2C相和(he)(he)奧氏體(ti)(ti)相γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)D隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)規律如圖(tu)2-127和(he)(he)圖(tu)2-128所(suo)示；從整體(ti)(ti)上看，隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)逐漸(jian)增大(da)，同(tong)(tong)溫(wen)度(du)M2C相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬和(he)(he)鎢(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)D呈減小趨勢，而合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)釩和(he)(he)鉻則呈增大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，表明提高壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)可(ke)增大(da)M2C中(zhong)鉬、鎢(wu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm,進而降(jiang)低(di)(di)其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)(li)(li)(li)；同(tong)(tong)時(shi)降(jiang)低(di)(di)釩、鉻元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm,從而提高其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)(li)(li)(li)。然(ran)而，當壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)在0.1~2MPa范圍內變(bian)(bian)化(hua)(hua)時(shi)，各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)微(wei)(wei)乎其微(wei)(wei)，即保(bao)持恒定值(zhi)。隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)逐漸(jian)增大(da)到50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)才(cai)開(kai)始產(chan)生(sheng)較為(wei)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)，鎢(wu)、釩和(he)(he)鉻元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)甚至在100MPa壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)仍未產(chan)生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)(hua)。因(yin)此低(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)，元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)可(ke)忽略不計。
的(de)增大而(er)降(jiang)低，鉻(ge)(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)的(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數則(ze)隨著凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓力(li)(li)的(de)增大而(er)增加(jia)(jia)，如圖(tu)2-128所示。即增大凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓力(li)(li)具有提高奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)γ相中合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉬、鎢(wu)和釩(fan)的(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm,降(jiang)低其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)以及減小元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm和增大其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)的(de)作(zuo)用。與M2C差別在于(yu)，在奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)相γ中，較(jiao)(jiao)小的(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓力(li)(li)便可(ke)發(fa)揮比(bi)較(jiao)(jiao)明(ming)顯(xian)(xian)(xian)的(de)作(zuo)用，例如：當凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓力(li)(li)大于(yu)2MPa時，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數隨壓力(li)(li)的(de)增加(jia)(jia)而(er)明(ming)顯(xian)(xian)(xian)增大；鉬和釩(fan)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)則(ze)在10MPa時開始隨壓力(li)(li)增加(jia)(jia)而(er)明(ming)顯(xian)(xian)(xian)減小。可(ke)見，在相同溫(wen)度下(xia)，相比(bi)于(yu)M2C相，合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)釩(fan)、鎢(wu)、鉬和鉻(ge)(ge)在奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)γ相中的(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)情況受(shou)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓力(li)(li)的(de)影響更為明(ming)顯(xian)(xian)(xian)。但在0.1~2MPa的(de)壓力(li)(li)范(fan)圍內(nei)，合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)在奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)相γ中的(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數幾乎保持不變(bian)（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時，各元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm也未發(fa)生明(ming)顯(xian)(xian)(xian)變(bian)化。
綜(zong)上所述，在(zai)低壓下，影響(xiang)M2C形(xing)核率(lv)的(de)主要(yao)因素是隨凝固壓力(li)(li)增(zeng)大(da)而(er)顯(xian)著減小的(de)形(xing)核功(gong)。增(zeng)加凝固壓力(li)(li)可(ke)顯(xian)著改善換熱條件強化(hua)鑄錠冷(leng)卻、提高鑄錠過(guo)冷(leng)度ΔT,進而(er)降(jiang)低共(gong)晶(jing)反應過(guo)程中奧氏體相(xiang)γ和M2C相(xiang)的(de)形(xing)核功(gong)ΔG*,最終增(zeng)大(da)M2C的(de)形(xing)核率(lv)、減小M2C相(xiang)鄰碳化(hua)物(wu)的(de)間(jian)距。
此外，增加壓(ya)力使(shi)M2C形(xing)核率大(da)(da)大(da)(da)增加，同時(shi)強化了(le)鑄錠(ding)冷卻，顯著降低了(le)局(ju)部凝固時(shi)間LST,導(dao)致加壓(ya)下鑄錠(ding)同位(wei)置的(de)凝固相(xiang)對較快，M2C共晶碳(tan)化物(wu)生長(chang)時(shi)間變短(duan)，導(dao)致M42凝固組織(zhi)中M2C碳(tan)化物(wu)的(de)尺寸減小(xiao)。這對于(yu)后續的(de)熱處理(li)碳(tan)化物(wu)的(de)溶解具有積極的(de)意義。
圖2-129為不同凝(ning)固壓力(li)(li)下M2C共晶(jing)碳(tan)化物在熱(re)處(chu)(chu)理(li)過(guo)程中的元素擴散示意圖。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固壓力(li)(li)的增大，碳(tan)化物由長條狀(zhuang)轉(zhuan)變為短(duan)棒狀(zhuang)，在縱向和(he)橫(heng)向上的尺寸均顯著(zhu)減小。因此，在熱(re)處(chu)(chu)理(li)過(guo)程中，碳(tan)化物中的元素由內(nei)向外擴散的平均距離也相應隨(sui)著(zhu)凝(ning)固壓力(li)(li)的增大而顯著(zhu)減小，熱(re)處(chu)(chu)理(li)效果(guo)更加明顯，熱(re)處(chu)(chu)理(li)后M42組織的成(cheng)分更加均勻(yun)，進而有(you)利于提高M42高速鋼的質量(liang)。
b. 碳化物成分
M2C的(de)形(xing)成(cheng)(cheng)元素(su)(su)主要包括鉬、鎢(wu)(wu)、釩和鉻，其中(zhong)(zhong)鉬元素(su)(su)是強M2C碳(tan)(tan)化物(wu)形(xing)成(cheng)(cheng)元素(su)(su)，也(ye)是M2C中(zhong)(zhong)含(han)量最高(gao)的(de)合(he)金(jin)元素(su)(su)。圖(tu)2-130給出了不(bu)同壓(ya)(ya)力下M2C中(zhong)(zhong)合(he)金(jin)元素(su)(su)鉬、鎢(wu)(wu)、釩和鉻含(han)量，隨著(zhu)壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)大(da)(da)，M2C上的(de)合(he)金(jin)元素(su)(su)鉬、鎢(wu)(wu)、釩和鉻含(han)量均逐(zhu)漸減小，而(er)(er)鐵元素(su)(su)則(ze)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)(da)；同時，M2C碳(tan)(tan)化物(wu)之間(jian)基體中(zhong)(zhong)合(he)金(jin)元素(su)(su)含(han)量則(ze)呈現相反的(de)規律(lv)：鉬、鎢(wu)(wu)、釩和鉻元素(su)(su)含(han)量逐(zhu)漸增(zeng)大(da)(da)，而(er)(er)鐵元素(su)(su)減少。這表明，增(zeng)大(da)(da)的(de)壓(ya)(ya)力使(shi)得合(he)金(jin)元素(su)(su)在(zai)M2C共晶(jing)碳(tan)(tan)化物(wu)中(zhong)(zhong)的(de)分布趨于均勻，為后續的(de)處理、熱加工工藝中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)化物(wu)的(de)破碎、溶解提供良好(hao)的(de)基礎。
在(zai)高(gao)速(su)鋼中，M2C共(gong)晶(jing)碳化(hua)物(wu)是通過(guo)凝(ning)固過(guo)程中的共(gong)晶(jing)反應(ying)L→M2C+y產生的，在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程中存在(zai)M2C碳化(hua)物(wu)相和奧(ao)氏體γ相之間的溶(rong)質再分配(pei)［172].在(zai)一定溫度下(xia)，平(ping)衡(heng)分配(pei)系數可表(biao)示為固相和液相中的元素濃(nong)度之比(bi)：
式中(zhong)，Cs和CL分別表(biao)示在凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，元素在固(gu)(gu)相和液相中(zhong)的(de)(de)平(ping)衡濃(nong)度。共晶反應L→M2C+y是在凝固(gu)(gu)末期發生的(de)(de)，圖2-131給(gei)出了不同壓(ya)力下的(de)(de)M42高速鋼凝固(gu)(gu)時共晶反應過(guo)程(cheng)中(zhong)M2C碳化物相和奧氏體γ相中(zhong)各元素的(de)(de)單(dan)相平(ping)衡分配系數。
式中(zhong)(zhong)，Cs和C1分(fen)別表示在(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)，元(yuan)素(su)在(zai)固(gu)相和液相中(zhong)(zhong)的(de)平(ping)衡濃度(du)。共(gong)晶反應(ying)L→M2C+y是在(zai)凝固(gu)末期發生(sheng)的(de)［172,180,181],圖2-131給(gei)出了不同(tong)壓力(li)下的(de)M42高速鋼凝固(gu)時共(gong)晶反應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)M2C碳化物(wu)相和奧氏(shi)體y相中(zhong)(zhong)各元(yuan)素(su)的(de)單(dan)相平(ping)衡分(fen)配系數(shu)。
隨壓力的(de)增(zeng)加，共晶(jing)反應(ying)過(guo)程中鉬元(yuan)素在(zai)(zai)(zai)M2C和(he)(he)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)分配(pei)系數具有升(sheng)高(gao)的(de)趨勢并逐漸靠近1.基于(yu)熱力學分析，在(zai)(zai)(zai)M42鑄錠凝固時的(de)共晶(jing)反應(ying)過(guo)程中，增(zeng)大(da)壓力可(ke)使(shi)鉬元(yuan)素在(zai)(zai)(zai)M2C碳化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)(he)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)含量(liang)增(zeng)大(da)。凝固過(guo)程中M2C碳化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)(he)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)鉬元(yuan)素平衡分配(pei)系數增(zeng)量(liang)變化規(gui)律(lv)如(ru)圖2-132所示(shi)，在(zai)(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa時，M2C碳化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)鉬元(yuan)素平衡分配(pei)系數增(zeng)量(liang)始終(zhong)大(da)于(yu)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)平衡分配(pei)系數增(zeng)量(liang)。由此可(ke)知，共晶(jing)反應(ying)過(guo)程中，相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)于(yu)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)，鉬元(yuan)素更偏(pian)向(xiang)于(yu)在(zai)(zai)(zai)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)中富(fu)集。
在0.1~2MPa壓(ya)力(li)范圍內，加壓(ya)對Mo元素的(de)(de)平(ping)衡(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)影響非常小，變化(hua)量為10-6~10-5,可忽(hu)略(lve)不計，因(yin)而在低壓(ya)范圍內，增加壓(ya)力(li)不能通(tong)(tong)過改變元素平(ping)衡(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)而影響相成(cheng)分(fen)(fen)。除平(ping)衡(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)以外，鑄錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)過程中溶(rong)(rong)質的(de)(de)分(fen)(fen)配情況與元素的(de)(de)傳(chuan)(chuan)質行(xing)為有(you)關。在M42鑄錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)共晶反應(ying)L→M2C+y過程中存在M2C碳化(hua)物相和奧氏體γ相之間(jian)(jian)的(de)(de)溶(rong)(rong)質再分(fen)(fen)配：液相中的(de)(de)M2C形(xing)成(cheng)元素（鉬、鎢(wu)、釩和鉻(ge)）通(tong)(tong)過凝(ning)(ning)固(gu)前沿固(gu)／液界面向M2C碳化(hua)物相富集，同(tong)時奧氏體γ相形(xing)成(cheng)元素（鈷(gu)、鐵）則向奧氏體相富集，整個反應(ying)發生在凝(ning)(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)枝晶間(jian)(jian)小熔池內，此時液相流動很弱，元素對流傳(chuan)(chuan)質行(xing)為可忽(hu)略(lve)，因(yin)而溶(rong)(rong)質的(de)(de)分(fen)(fen)配主要與相中元素的(de)(de)擴散(san)傳(chuan)(chuan)質行(xing)為有(you)關。
根(gen)據菲克(ke)第一(yi)定律公式（2-178)可知，擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)(shu)D與溫度T呈反比關(guan)系(xi)。圖2-133為(wei)2MPa下M2C形成元素(su)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)(shu)隨溫度的(de)(de)變(bian)化(hua)關(guan)系(xi)。在凝(ning)固壓力(li)不(bu)變(bian)時，溫度的(de)(de)降(jiang)低(di)會顯著減小擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)(shu)，在低(di)壓范圍內(nei)，相對于(yu)凝(ning)固壓力(li)變(bian)化(hua)，溫度變(bian)化(hua)對擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)(shu)D具有更明顯的(de)(de)影響。
增(zeng)大(da)壓(ya)力(li)具有(you)顯著強(qiang)化冷(leng)卻和(he)(he)(he)減少鑄錠(ding)局部凝(ning)固(gu)時間(jian)(jian)的(de)作(zuo)用。由此可知(zhi)，對于0.1MPa、1MPa和(he)(he)(he)2MPa壓(ya)力(li)下的(de)鑄錠(ding)凝(ning)固(gu)過(guo)程，在相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)凝(ning)固(gu)時間(jian)(jian)內，在較高(gao)(gao)壓(ya)力(li)下凝(ning)固(gu)的(de)鑄錠(ding)冷(leng)卻更快(kuai)，溫度更低，其元(yuan)(yuan)素擴散(san)系數則相(xiang)(xiang)對較低，導致(zhi)元(yuan)(yuan)素擴散(san)速(su)率減小，使得M2C共(gong)晶(jing)碳(tan)化物中釩、鎢、鉻和(he)(he)(he)鉬元(yuan)(yuan)素含量降低，碳(tan)化物間(jian)(jian)基體的(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)素含量升高(gao)(gao)，降低了M2C碳(tan)化物和(he)(he)(he)奧氏體γ相(xiang)(xiang)之間(jian)(jian)的(de)成(cheng)分(fen)差異性，提高(gao)(gao)了M42凝(ning)固(gu)組織成(cheng)分(fen)的(de)均勻性。
c. 碳化物形貌(mao)
M2C碳化物明顯(xian)具有(you)(you)各(ge)向異性(xing)的(de)生長方(fang)式(shi)，形貌具有(you)(you)小平(ping)面(mian)向的(de)特性(xing)。共(gong)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)織的(de)形貌與共(gong)晶(jing)(jing)(jing)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)液(ye)／固(gu)界面(mian)結構有(you)(you)密(mi)切(qie)聯系，金屬相(xiang)(xiang)(xiang)－金屬碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)屬于小平(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)－非小平(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)［146].M2C是通過(guo)(guo)凝(ning)固(gu)末(mo)期(qi)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)熔池里的(de)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)反(fan)M2C共(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳化物形成于凝(ning)固(gu)末(mo)期(qi)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)，根據(ju)凝(ning)固(gu)原理(li)。枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)元素含量明顯(xian)高于鑄錠標準含量。不同壓力下枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)各(ge)相(xiang)(xiang)(xiang)出現的(de)先(xian)后(hou)順序(xu)，如圖2-135所示，在(zai)不同壓力下，M2C均領先(xian)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ出現。這表明，在(zai)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)反(fan)應L→y+M2C過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，M2C是領先(xian)相(xiang)(xiang)(xiang)。
在共晶(jing)凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)，領(ling)先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)快(kuai)(kuai)速(su)(su)(su)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)方(fang)向(xiang)率(lv)先進入共生(sheng)(sheng)界(jie)面(mian)前方(fang)的(de)液(ye)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)，同(tong)時在其附(fu)近(jin)液(ye)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)排出(chu)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)形成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)；隨(sui)(sui)后奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此(ci)液(ye)層(ceng)(ceng)獲得(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)組元(yuan)(yuan)，跟隨(sui)(sui)著M2C一(yi)(yi)起長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)大(da)(da)，同(tong)時也向(xiang)液(ye)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)排出(chu)M2C形成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)，如圖(tu)2-136所(suo)示。隨(sui)(sui)著凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，凝(ning)(ning)固(gu)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)均加(jia)快(kuai)(kuai)。一(yi)(yi)方(fang)面(mian)，M2C碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)距隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)逐漸減(jian)小(xiao)，即奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)／固(gu)界(jie)面(mian)變(bian)窄；另一(yi)(yi)方(fang)面(mian)，加(jia)壓(ya)(ya)使(shi)(shi)(shi)得(de)枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)沒有足夠時間(jian)進行充分擴散；導致奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)／固(gu)界(jie)面(mian)前沿合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)濃度(du)急劇(ju)(ju)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，成(cheng)分過冷加(jia)劇(ju)(ju)，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)大(da)(da)速(su)(su)(su)率(lv)進一(yi)(yi)步增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，使(shi)(shi)(shi)得(de)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)差逐漸縮小(xiao)。此(ci)外(wai)，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作為非小(xiao)平(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)所(suo)需過冷度(du)遠小(xiao)于小(xiao)平(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)M2C碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)，使(shi)(shi)(shi)得(de)在凝(ning)(ning)固(gu)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)的(de)過程中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)大(da)(da)于M2C碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)。因此(ci)，隨(sui)(sui)著壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，枝(zhi)晶(jing)間(jian)共晶(jing)組織中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)含(han)量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)多，使(shi)(shi)(shi)得(de)M2C碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)空間(jian)受到“排擠(ji)”，含(han)量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對減(jian)少，最終M2C碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)逐漸呈(cheng)現(xian)出(chu)被奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進而變(bian)短的(de)形貌(mao)，如圖(tu)2-134所(suo)示。
四、夾(jia)雜物分布
夾雜物(wu)是(shi)影響鋼(gang)錠質量的一個重要因素(su)。鋼(gang)中夾雜物(wu)主要包括冶(ye)煉過程(cheng)中進(jin)行脫氧處理(li)形成(cheng)的脫氧產物(wu)、凝(ning)固(gu)過程(cheng)元素(su)溶(rong)解(jie)度下(xia)降形成(cheng)的氧化(hua)物(wu)、氮化(hua)物(wu)、硫(liu)化(hua)物(wu)等化(hua)合物(wu)以及爐渣和(he)由(you)于(yu)沖(chong)刷而進(jin)入鋼(gang)液的耐火(huo)材料。
根(gen)據夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的來源，可以(yi)將鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)的夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分為(wei)兩類:①外生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大(da)部分為(wei)復合氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)，主要是(shi)由(you)于(yu)鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)接(jie)觸空氣生(sheng)成氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以(yi)及進(jin)(jin)入(ru)鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)的爐渣、耐(nai)火材料組成。外生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外形(xing)不規則(ze)、尺寸大(da)、構成復雜(za)(za)(za)，常(chang)常(chang)位于(yu)鋼(gang)(gang)(gang)的表層(ceng)，具(ju)有嚴(yan)重的危(wei)害性。②內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由(you)于(yu)脫氧(yang)、鋼(gang)(gang)(gang)水鈣處(chu)理等(deng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化反應(ying)而(er)形(xing)成的夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)中(zhong)數(shu)量較多，分布(bu)均勻，顆(ke)粒(li)細小(xiao)。由(you)于(yu)形(xing)成時間不同，內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可分為(wei)：鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)脫氧(yang)時期生(sheng)成的氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱(cheng)為(wei)原生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或(huo)一(yi)次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度降低造成化學反應(ying)平衡的移動進(jin)(jin)而(er)析出(chu)二次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)于(yu)溶(rong)質元(yuan)素偏析和溶(rong)解度變化而(er)析出(chu)的三次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚(shen)至四(si)次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)作(zuo)為凝固組(zu)織的(de)(de)重(zhong)要組(zu)成部分(fen)，其特性至關(guan)重(zhong)要，對(dui)于(yu)(yu)進一(yi)步揭示加(jia)(jia)(jia)(jia)壓冶金的(de)(de)優勢十分(fen)關(guan)鍵。非金屬夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)特性（數量(liang)、尺寸和(he)(he)分(fen)布(bu)等(deng)(deng)）對(dui)鋼(gang)(gang)的(de)(de)性能（力(li)(li)學性能和(he)(he)腐蝕等(deng)(deng)）有重(zhong)要影響。同時，改(gai)(gai)善鋼(gang)(gang)中(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)分(fen)布(bu)情況并盡可能徹(che)底地(di)去除非金屬夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)可以(yi)有效地(di)減少缺(que)陷和(he)(he)提高性能。為了改(gai)(gai)善夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)分(fen)布(bu)，施(shi)(shi)加(jia)(jia)(jia)(jia)在夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)上的(de)(de)力(li)(li)包(bao)括(kuo)重(zhong)力(li)(li)、浮力(li)(li)、曳(ye)力(li)(li)，附加(jia)(jia)(jia)(jia)質量(liang)力(li)(li)、升力(li)(li)和(he)(he)反彈力(li)(li)等(deng)(deng)起著關(guan)鍵作(zuo)用。這(zhe)些力(li)(li)主要是通(tong)(tong)過(guo)溫度、流場(chang)(chang)、重(zhong)力(li)(li)場(chang)(chang)和(he)(he)電磁(ci)場(chang)(chang)等(deng)(deng)物(wu)(wu)理場(chang)(chang)來(lai)(lai)確定。因此，可以(yi)通(tong)(tong)過(guo)采取一(yi)系列措(cuo)施(shi)(shi)優化物(wu)(wu)理場(chang)(chang)來(lai)(lai)改(gai)(gai)善夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)分(fen)布(bu)。例(li)如，鋼(gang)(gang)包(bao)中(zhong)使用的(de)(de)氣體攪拌、連鑄(zhu)過(guo)程中(zhong)添加(jia)(jia)(jia)(jia)磁(ci)場(chang)(chang)。對(dui)于(yu)(yu)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓冶金，壓力(li)(li)是關(guan)鍵因素。目前，已經證實(shi)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓會(hui)在各個方面影響凝固過(guo)程中(zhong)的(de)(de)物(wu)(wu)理場(chang)(chang)，包(bao)括(kuo)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓通(tong)(tong)過(guo)加(jia)(jia)(jia)(jia)快鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)冷卻速率和(he)(he)加(jia)(jia)(jia)(jia)強鑄(zhu)錠(ding)與鑄(zhu)模之間的(de)(de)熱(re)交換來(lai)(lai)改(gai)(gai)變(bian)溫度場(chang)(chang)，通(tong)(tong)過(guo)改(gai)(gai)變(bian)糊狀區(qu)域的(de)(de)大小和(he)(he)枝晶結構影響流場(chang)(chang)等(deng)(deng)。
因此，可(ke)以認為(wei)在凝(ning)(ning)固過(guo)程(cheng)中(zhong)壓力具有改(gai)變夾(jia)雜物(wu)分(fen)布(bu)的(de)能力，并且壓力對(dui)夾(jia)雜物(wu)分(fen)布(bu)的(de)影響機(ji)制非常復雜，然而(er)，關于加壓對(dui)夾(jia)雜物(wu)分(fen)布(bu)變化的(de)影響研究相(xiang)對(dui)較少(shao)。這表明(ming)加壓對(dui)凝(ning)(ning)固組(zu)織的(de)影響機(ji)理尚未全面闡明(ming)。
1. 夾雜物分(fen)布(bu)分(fen)析(xi)模型
在(zai)實(shi)(shi)際凝固過程中，夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)受(shou)力(li)情況、運動(dong)(dong)軌(gui)跡很難(nan)通過實(shi)(shi)驗(yan)(yan)進(jin)行測量(liang)。數(shu)值(zhi)模擬提供了一(yi)種可以深入(ru)了解某些無法(fa)通過實(shi)(shi)驗(yan)(yan)評估的(de)(de)現象(xiang)的(de)(de)方法(fa)。這些現象(xiang)包括(kuo)夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)運動(dong)(dong)軌(gui)跡，作用(yong)于夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)力(li)和夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)速度等。根(gen)據電渣、連鑄和鋼包精煉等過程中的(de)(de)相關(guan)研(yan)究，數(shu)值(zhi)模擬是一(yi)種非(fei)常有效的(de)(de)研(yan)究夾(jia)雜(za)(za)物運動(dong)(dong)行為的(de)(de)方法(fa)。
鋼液(ye)凝固過程涉(she)及熱量傳(chuan)遞、質量傳(chuan)輸(shu)(shu)、動量傳(chuan)輸(shu)(shu)、相轉變和晶粒形(xing)核長(chang)大等一系列(lie)復雜(za)(za)的物(wu)(wu)(wu)理化學現象，同時(shi)存(cun)在金(jin)屬固相、金(jin)屬液(ye)相、氣相和夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)相等多個(ge)相之間的相互作用，適合應用歐拉(la)多項流模型(xing)(xing)進行計算(suan)求解。其中，根(gen)據對(dui)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)運動行為處(chu)理方式(shi)，夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)分(fen)布分(fen)析模型(xing)(xing)可以分(fen)為歐拉(la)－拉(la)格朗(lang)日模型(xing)(xing)和歐拉(la)－歐拉(la)模型(xing)(xing)。
a. 歐(ou)拉－拉格(ge)朗日模型歐(ou)拉－
拉格(ge)朗日離散(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是在歐拉模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)的基礎上，將夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)處理成離散(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，而(er)流體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)處理為(wei)連續相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。根據球型(xing)(xing)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的受力(li)分(fen)析，基于牛頓(dun)第(di)二定律，建(jian)立夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)運(yun)動模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)，并與鋼液凝固模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)耦合，從而(er)模(mo)(mo)(mo)擬夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在凝固過(guo)程運(yun)動行(xing)(xing)為(wei)。該(gai)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)可以跟蹤(zong)每個夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)顆粒并獲得(de)其(qi)速度、運(yun)動軌跡(ji)以及夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)去(qu)除過(guo)程中(zhong)的動力(li)學行(xing)(xing)為(wei)。此外，該(gai)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是基于離散(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)積比例相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對較(jiao)低(di)的基本假設而(er)建(jian)立。
夾雜(za)(za)物在(zai)鋼(gang)液中的運動，主(zhu)要是各種力(li)(li)的共同作(zuo)用造成的。夾雜(za)(za)物在(zai)鋼(gang)液中受力(li)(li)情況如圖2-137所示(shi)。可以看(kan)出，夾雜(za)(za)物顆粒受到(dao)主(zhu)要作(zuo)用力(li)(li)分別為：由(you)于(yu)顆粒自身性(xing)質引起的力(li)(li)，如重力(li)(li)、浮力(li)(li)等；由(you)于(yu)顆粒與流(liu)體之間存(cun)在(zai)相(xiang)對運動而產生的力(li)(li)，如升力(li)(li)（Saffman)、附加質量(liang)力(li)(li)、曳力(li)(li)和Magnus力(li)(li)等；細小夾雜(za)(za)物在(zai)高溫條件(jian)下受的布朗（Brown)力(li)(li)等。
（1)曳(ye)力。
在鋼液流場內黏性流體(ti)與顆(ke)粒(li)之間存在相對(dui)運動，由黏性流體(ti)施加(jia)的(de)曳(ye)力(li)使(shi)得(de)夾(jia)雜(za)物顆(ke)粒(li)趨(qu)向于跟隨流體(ti)運動。曳(ye)力(li)是夾(jia)雜(za)物顆(ke)粒(li)在凝(ning)固過程中(zhong)的(de)主要受力(li)之一(yi)。計算公(gong)式如(ru)下：
（2)浮力和重力。
在(zai)豎(shu)直方向上，夾雜物(wu)顆粒受到與相(xiang)對(dui)運動(dong)無關的力(li)，包括重(zhong)力(li)和浮力(li)，其
（3)附加質量力。
當鋼液與夾雜(za)(za)物(wu)顆(ke)粒(li)存(cun)在(zai)相對運(yun)動時，夾雜(za)(za)物(wu)顆(ke)粒(li)會帶動其附近的(de)部分鋼液做加速(su)運(yun)動，此時推動夾雜(za)(za)物(wu)顆(ke)粒(li)運(yun)動的(de)力大(da)于其顆(ke)粒(li)本(ben)身慣(guan)性力，這部分大(da)于夾雜(za)(za)物(wu)顆(ke)粒(li)本(ben)身慣(guan)性力的(de)力即(ji)為附加質量力。其計算公式為
通(tong)過運用(yong)歐拉－拉格(ge)朗日模型對鋼液凝固過程進行模擬計算時，可以得出隨著溫度場和流場的變(bian)化，每(mei)個球(qiu)形夾雜物顆粒(li)在鋼液中的運動軌(gui)跡和分(fen)布。
b. 歐拉－歐拉模型(xing)
拉(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)是研(yan)究(jiu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆(ke)(ke)粒在(zai)鋼液中(zhong)運動行為主要的(de)(de)方法，但在(zai)實際的(de)(de)應用中(zhong)存在(zai)一些不足，例如，拉(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)是針對(dui)單(dan)一粒子進行計(ji)算(suan)(suan)，當同時(shi)追蹤多個粒子時(shi)，計(ji)算(suan)(suan)量(liang)過大，難以進行。相(xiang)(xiang)較于拉(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)，歐拉(la)(la)－歐拉(la)(la)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)中(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)的(de)(de)控(kong)制(zhi)方程(cheng)(cheng)與(yu)流(liu)體(ti)連續相(xiang)(xiang)的(de)(de)控(kong)制(zhi)方程(cheng)(cheng)相(xiang)(xiang)似，運算(suan)(suan)相(xiang)(xiang)對(dui)高效，能夠同時(shi)描述多種(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆(ke)(ke)粒在(zai)凝固過程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)分布(bu)特征。歐拉(la)(la)－歐拉(la)(la)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)與(yu)歐拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)相(xiang)(xiang)比(bi)，主要差別是夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)的(de)(de)動量(liang)方程(cheng)(cheng)存在(zai)差別，歐拉(la)(la)－歐拉(la)(la)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)動量(liang)方程(cheng)(cheng)表達式為
2. 模鑄過程中夾雜物的受(shou)力分析
模(mo)鑄過程中，夾雜物(wu)所(suo)受(shou)作用力包括熱(re)浮力、重力、附加質量力、升(sheng)力以及相間作用力等，具體(ti)受(shou)力情況如圖2-138所(suo)示。
流(liu)場(chang)對夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布有關鍵影(ying)響，這直接歸因(yin)(yin)于作用(yong)于夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)阻力(li)(li)(li)(li)(li)。以0.1MPa下(xia)H13鑄(zhu)錠凝固為(wei)(wei)例，鋼(gang)液(ye)(ye)、夾(jia)雜物(wu)(wu)和(he)等軸晶(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)場(chang)和(he)速率(lv)均顯示(shi)(shi)在圖(tu)2-139中。隨著凝固的(de)(de)(de)(de)(de)進行，鋼(gang)液(ye)(ye)受熱浮(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)逆時(shi)針運(yun)(yun)動(dong)，如圖(tu)2-139(a)所(suo)示(shi)(shi)。同時(shi)，隨著重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)浮(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)合力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增加，等軸晶(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)沉(chen)降連續發生(sheng)在柱狀晶(jing)（tip)的(de)(de)(de)(de)(de)尖端，如圖(tu)2-139(b)所(suo)示(shi)(shi)。如圖(tu)2-139(c)所(suo)示(shi)(shi)，夾(jia)雜物(wu)(wu)流(liu)場(chang)中出現逆時(shi)針運(yun)(yun)動(dong)，與鋼(gang)液(ye)(ye)相似。這種運(yun)(yun)動(dong)行為(wei)(wei)主要是由(you)作用(yong)在夾(jia)雜物(wu)(wu)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)合力(li)(li)(li)(li)(li)引起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)。根(gen)據模擬結果，凝固過程中重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)，浮(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)阻力(li)(li)(li)(li)(li)在改變夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)行為(wei)(wei)中起(qi)著關鍵作用(yong)，因(yin)(yin)為(wei)(wei)它們比(bi)附加質量力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)升力(li)(li)(li)(li)(li)大了三(san)個數量級。重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)浮(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)均為(wei)(wei)垂直方(fang)向(xiang)，因(yin)(yin)為(wei)(wei)夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)密度低于液(ye)(ye)體的(de)(de)(de)(de)(de)密度，故其合力(li)(li)(li)(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)垂直向(xiang)上(shang)，如圖(tu)2-139(d)所(suo)示(shi)(shi)。
在(zai)(zai)整個(ge)凝固過程(cheng)中(zhong)，Fbg保持不(bu)變，并使夾(jia)雜(za)物(wu)上(shang)浮(fu)。相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)之(zhi)下，曳(ye)力(li)(li)Fdp是(shi)向下的力(li)(li)，具有驅(qu)(qu)動夾(jia)雜(za)物(wu)向下沉(chen)的能力(li)(li)。并且其變化是(shi)復雜(za)的。根據等式（2-204)可知(zhi)，曳(ye)力(li)(li)與鋼液(ye)(ye)和(he)夾(jia)雜(za)物(wu)之(zhi)間的速度差密切(qie)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)。在(zai)(zai)頂部和(he)底部，鋼液(ye)(ye)和(he)夾(jia)雜(za)物(wu)速度差很小(xiao)，與Fbg相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，Fdp可以(yi)忽略不(bu)計(ji)。在(zai)(zai)柱狀晶(jing)尖端附近的曳(ye)力(li)(li)Fdp大(da)于(yu)Fbg,是(shi)導致夾(jia)雜(za)物(wu)下沉(chen)的關(guan)鍵因素。在(zai)(zai)鑄錠的中(zhong)心(xin)，Fdp小(xiao)于(yu)Fbg,Fbg占主導，促使夾(jia)雜(za)物(wu)上(shang)浮(fu)。因此，模鑄過程(cheng)中(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)形(xing)成逆時針運動，這主要是(shi)由重(zhong)力(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)和(he)曳(ye)力(li)(li)的綜(zong)合(he)作用所驅(qu)(qu)動。
3. 模鑄過程中壓力對夾雜物(wu)分(fen)布的影響
利用歐拉－歐拉模(mo)型在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下獲(huo)得(de)了H13鑄錠夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)體積分數(shu)的(de)(de)(de)(de)等值線，如(ru)(ru)圖2-140所(suo)示。每個鑄錠中都存在(zai)(zai)三個主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)集區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)（I、和(he)III),其中，II區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)富(fu)(fu)集度最(zui)(zui)低，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)集度最(zui)(zui)高，I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)次之。三個夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)集區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)主(zhu)要(yao)由夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)逆時針運(yun)動(dong)以及(ji)被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕(bu)集的(de)(de)(de)(de)綜合(he)作用所(suo)導致。以0.1MPa 壓力(li)下夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分布為(wei)例，遠離糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)(zai)逆時針運(yun)動(dong)過程中逐漸上(shang)浮(fu)并富(fu)(fu)集到鑄錠頂部，如(ru)(ru)圖 2-140(c)所(suo)示。鑄錠頂部富(fu)(fu)集的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)一(yi)部分被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕(bu)獲(huo)，形成了I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，其余部分沿逆時針方向移(yi)動(dong)，運(yun)動(dong)方向幾乎垂(chui)直于糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法(fa)向量。與之相比，在(zai)(zai)II和(he)III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)，夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)運(yun)動(dong)方向與糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法(fa)向量成鈍角，因而夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)更(geng)加趨向于被II和(he)III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)所(suo)捕(bu)獲(huo)，如(ru)(ru)圖2-141所(suo)示，導致夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)集區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)II和(he)III的(de)(de)(de)(de)形成。同時，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)富(fu)(fu)集程度最(zui)(zui)高，原因是糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)較寬(kuan)，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)捕(bu)獲(huo)能力(li)越強，富(fu)(fu)集趨勢(shi)更(geng)明顯(xian)。
隨(sui)著壓力(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)加(jia)到2MPa,I、II和III區夾(jia)雜(za)物的富集(ji)度降(jiang)低(di)，如2-140(b)所示，夾(jia)雜(za)物體積分數的最大增(zeng)(zeng)量 4max隨(sui)壓力(li)的增(zeng)(zeng)加(jia)而減(jian)小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明(ming)隨(sui)著凝固壓力(li)增(zeng)(zeng)加(jia)至2MPa,鑄(zhu)錠中夾(jia)雜(za)物分布(bu)更加(jia)均勻。
糊狀區(qu)(qu)捕獲夾(jia)雜(za)物和夾(jia)雜(za)物從糊狀區(qu)(qu)逃脫的(de)(de)(de)能(neng)力(li)(li)對(dui)夾(jia)雜(za)物分布至關重(zhong)要。結合液(ye)相線／固相線溫度(du)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規(gui)律可知，凝(ning)(ning)固區(qu)(qu)間(jian)變(bian)化(hua)很(hen)小，當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)從0.1MPa增(zeng)加到2MPa時可以(yi)忽略不計(ji)。因此，糊狀區(qu)(qu)寬度(du)主(zhu)要由溫度(du)梯(ti)(ti)度(du)決(jue)定(ding)。如(ru)圖2-142(b)所示，由于(yu)增(zeng)加壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)后提高(gao)了冷卻速率導(dao)致高(gao)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)溫度(du)梯(ti)(ti)度(du)更大。在(zai)較高(gao)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)，糊狀區(qu)(qu)域的(de)(de)(de)長度(du)變(bian)短［150].另外，以(yi)圖2-142(a)中的(de)(de)(de)A點為例，凝(ning)(ning)固時間(jian)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加而顯著(zhu)減少，在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分別(bie)為292s、272s和247s,凝(ning)(ning)固速率隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加而增(zeng)加。進而表明(ming)，在(zai)較高(gao)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)糊狀區(qu)(qu)的(de)(de)(de)長度(du)較小且凝(ning)(ning)固速率較高(gao)，因此糊狀區(qu)(qu)捕獲夾(jia)雜(za)物的(de)(de)(de)能(neng)力(li)(li)變(bian)弱。
A、B和C點夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)(du)隨(sui)液相體積(ji)分(fen)數的(de)變化(hua)如圖2-143所示(shi)。高溫度(du)(du)梯度(du)(du)通過增(zeng)大熱浮力來強(qiang)化(hua)鋼液對流。另外，研究了糊(hu)(hu)狀區中(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)速(su)度(du)(du)隨(sui)曳力改的(de)相應(ying)變化(hua)。凝(ning)固(gu)初期，糊(hu)(hu)狀區中(zhong)的(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)運動速(su)度(du)(du)隨(sui)著(zhu)(zhu)壓(ya)力的(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)大，在凝(ning)固(gu)后期，糊(hu)(hu)狀區內夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)幾乎完全停止運動時(shi)液相體積(ji)分(fen)數隨(sui)著(zhu)(zhu)壓(ya)力的(de)增(zeng)加(jia)而降低(di)。以點A為例，凝(ning)固(gu)初期（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和2MPa下夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)(du)分(fen)別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和1.52×10-3m/s.當糊(hu)(hu)狀區夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)速(su)度(du)(du)降低(di)到5x10-5m/s時(shi)，0.1MPa、1MPa和2MPa下的(de)液相體積(ji)分(fen)數分(fen)別為0.74、0.68和0.62.這意味著(zhu)(zhu)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)從糊(hu)(hu)狀區逸出(chu)的(de)能力隨(sui)壓(ya)力增(zeng)加(jia)而增(zeng)強(qiang)。
綜(zong)上所述，增加壓力(li)可(ke)以顯著抑制糊(hu)狀區中夾雜(za)物的富集，并通過降(jiang)低糊(hu)狀區捕獲夾雜(za)物的能力(li)，提高夾雜(za)物從糊(hu)狀區中逸出的能力(li)，使鑄錠內夾雜(za)物分布更加均勻。
