壓(ya)(ya)力對(dui)鑄(zhu)錠的凝(ning)(ning)固相(xiang)變和組(zu)織(zhi)有(you)(you)十分重要的影響，如壓(ya)(ya)力能提(ti)高(gao)晶粒形核(he)速(su)率，減(jian)(jian)小臨界(jie)形核(he)半(ban)徑，增(zeng)大冷卻速(su)率，細化(hua)枝晶組(zu)織(zhi)，減(jian)(jian)輕或(huo)消除凝(ning)(ning)固缺陷（疏松、縮孔、氣孔和偏析(xi)）以(yi)及改變析(xi)出相(xiang)形貌和類型等(deng)(deng)。由于鋼(gang)(gang)鐵材(cai)料固／液相(xiang)線溫度(du)較高(gao)，加壓(ya)(ya)難(nan)度(du)相(xiang)對(dui)較大，不過，較低(di)壓(ya)(ya)力依然具有(you)(you)改善鑄(zhu)型和鑄(zhu)錠間換熱條件、打破液相(xiang)中氮氣泡等(deng)(deng)壓(ya)(ya)力平(ping)衡的能力，進而達到改善鋼(gang)(gang)鐵凝(ning)(ning)固組(zu)織(zhi)，減(jian)(jian)輕或(huo)消除凝(ning)(ning)固缺陷等(deng)(deng)目的。
一、枝晶組織
枝(zhi)晶組(zu)織的出現和生(sheng)長(chang)與液(ye)相中(zhong)的成(cheng)分過冷(leng)密(mi)不可分，當凝固界(jie)(jie)面出現擾動(dong)導致液(ye)相出現局部(bu)成(cheng)分過冷(leng)時，液(ye)相中(zhong)就具備了促使(shi)(shi)界(jie)(jie)面發生(sheng)波(bo)動(dong)的驅動(dong)力，進一(yi)步增大了凝固界(jie)(jie)面的不穩定性，從(cong)而(er)使(shi)(shi)凝固界(jie)(jie)面從(cong)平面狀(zhuang)向樹枝(zhi)狀(zhuang)轉變(bian)，形成(cheng)枝(zhi)晶組(zu)織，液(ye)相中(zhong)成(cheng)分過冷(leng)的判(pan)據為
式(shi)中(zhong)(zhong)，GrL為(wei)(wei)(wei)液(ye)相(xiang)溫(wen)度梯度；v為(wei)(wei)(wei)凝(ning)(ning)固速率；m為(wei)(wei)(wei)液(ye)相(xiang)線(xian)斜率；CL為(wei)(wei)(wei)凝(ning)(ning)固界面處(chu)液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)(shu)；DL為(wei)(wei)(wei)液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)；ko為(wei)(wei)(wei)溶(rong)(rong)質(zhi)分(fen)(fen)配(pei)系(xi)數(shu)(shu)。在(zai)不考慮(lv)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻（即(ji)GrL保持恒(heng)定(ding)）情況下(xia)(xia)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)可通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)(bian)液(ye)相(xiang)線(xian)斜率、擴(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)和(he)溶(rong)(rong)質(zhi)分(fen)(fen)配(pei)系(xi)數(shu)(shu)等(deng)凝(ning)(ning)固參數(shu)(shu)，改(gai)變(bian)(bian)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)形(xing)貌甚至凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)組(zu)(zu)成。Zhang等(deng)對比了高(gao)錳鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常壓(ya)(ya)(ya)(ya)和(he)6GPa下(xia)(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。發現(xian)高(gao)錳鋼(gang)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)包(bao)含(han)細小等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)和(he)柱狀晶(jing)(jing)(jing)，與常壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)截然不同(tong)（圖2-107).晶(jing)(jing)(jing)粒(li)尺寸統計結果表(biao)明(ming)，高(gao)錳鋼(gang)在(zai)常壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)尺寸為(wei)(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)為(wei)(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)細化(hua)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)可達21倍之多，主要(yao)歸因(yin)于增(zeng)(zeng)加凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)降低了液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)質(zhi)擴(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)以(yi)及增(zeng)(zeng)大了擴(kuo)散(san)(san)激活能(neng)，進而增(zeng)(zeng)大了液(ye)相(xiang)成分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)度，在(zai)抑制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)生長(chang)的(de)(de)同(tong)時(shi)增(zeng)(zeng)大了形(xing)核率［129,153],從而使得高(gao)錳鋼(gang)凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)逐步(bu)向枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)轉變(bian)(bian)，且(qie)細化(hua)十分(fen)(fen)顯(xian)著。Kashchiev和(he)Vasudevan等(deng)的(de)(de)研究(jiu)表(biao)明(ming)。在(zai)凝(ning)(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)，當固相(xiang)摩爾體積小于液(ye)相(xiang)摩爾體積時(shi)，加壓(ya)(ya)(ya)(ya)有助于提(ti)高(gao)形(xing)核率，起到(dao)細化(hua)凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)作用，大多數(shu)(shu)金(jin)屬合金(jin)屬于此類；反之，加壓(ya)(ya)(ya)(ya)將抑制晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)形(xing)核，如水凝(ning)(ning)固成冰。此外(wai)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)還能(neng)夠抑制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)梯度方向的(de)(de)生長(chang),從而導致枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和(he)微觀偏析呈現(xian)方向性。
為(wei)了(le)準確地論述壓(ya)力對凝固組(zu)織的影(ying)響規律，本節將(jiang)以19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)和M42工具鋼(gang)加(jia)壓(ya)凝固組(zu)織為(wei)例，詳細(xi)分(fen)析(xi)壓(ya)力對枝(zhi)晶組(zu)織、析(xi)出(chu)相(xiang)等的影(ying)響。
1. 柱狀晶向等(deng)軸晶轉變（CET)
鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)織(zhi)主(zhu)要由晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)貌、尺(chi)寸以及(ji)取(qu)向(xiang)(xiang)分(fen)布等(deng)(deng)(deng)(deng)構成(cheng)(cheng)，在(zai)(zai)(zai)合金(jin)成(cheng)(cheng)分(fen)一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況下，它主(zhu)要取(qu)決(jue)于(yu)(yu)鋼液在(zai)(zai)(zai)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻條件(jian)（包括(kuo)澆(jiao)注溫度(du)(du)和(he)鑄(zhu)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻效果等(deng)(deng)(deng)(deng)。鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)典型(xing)(xing)宏觀組(zu)織(zhi)可分(fen)為(wei)(wei)三(san)個區(qu)(qu)(qu)：表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)、柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)以及(ji)中心等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。表層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)是由于(yu)(yu)鋼液在(zai)(zai)(zai)鑄(zhu)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)激冷(leng)作用下，具有較大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)冷(leng)度(du)(du)，進(jin)而(er)在(zai)(zai)(zai)鑄(zhu)型(xing)(xing)壁面(mian)以異(yi)質形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方式大量形(xing)(xing)(xing)核并長(chang)大，最后形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)細(xi)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，即表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。隨著(zhu)凝(ning)(ning)固的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)行，表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)逐步(bu)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)金(jin)屬外殼，使得傳熱具備單向(xiang)(xiang)性(xing)(xing)，有助于(yu)(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)沿傳熱方向(xiang)(xiang)生(sheng)長(chang)，呈(cheng)現出方向(xiang)(xiang)性(xing)(xing)，從而(er)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，也(ye)導致了表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域窄小(xiao)，厚度(du)(du)通常為(wei)(wei)幾毫米。在(zai)(zai)(zai)后續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)程(cheng)中，伴(ban)隨著(zhu)凝(ning)(ning)固潛(qian)熱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)釋(shi)放，凝(ning)(ning)固前沿溫度(du)(du)梯度(du)(du)減小(xiao)，傳熱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)單向(xiang)(xiang)性(xing)(xing)減弱，成(cheng)(cheng)分(fen)過(guo)(guo)冷(leng)度(du)(du)增(zeng)大，進(jin)而(er)使得晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)生(sheng)長(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)性(xing)(xing)減弱，抑(yi)制了柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)，同(tong)時也(ye)促進(jin)了鑄(zhu)錠(ding)心部異(yi)質形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發生(sheng)，從而(er)有助于(yu)(yu)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉變，最終形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)中心等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。
因此(ci)(ci)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)有兩(liang)類(lei)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)織，即等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)，通常采用枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)和(he)(he)(he)CET位置(zhi)(zhi)(zhi)對其進行表(biao)(biao)征。圖2-108(a)給出了(le)(le)凝固(gu)壓(ya)(ya)力分別(bie)為(wei)0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa的(de)(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)縱剖面(mian)上的(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)織；CET位置(zhi)(zhi)(zhi)到(dao)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)距(ju)離的(de)(de)(de)(de)統計平均值(zhi)分別(bie)為(wei)19.8mm、22.1mm和(he)(he)(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)量可達7.6mm,如圖2-108(b)所示。統計結果表(biao)(biao)明，隨著壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，CET 位置(zhi)(zhi)(zhi)逐漸由邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)(xin)部(bu)(bu)移(yi)動，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區區域(yu)(yu)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，中心(xin)(xin)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區區域(yu)(yu)減(jian)小。根據柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)(zhuan)變的(de)(de)(de)(de)阻擋判(pan)據可知［156],當柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)處等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)積分數大(da)(da)于(yu)臨界(jie)值(zhi)時(shi)，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)生長(chang)受到(dao)抑制(zhi)而(er)(er)停止，此(ci)(ci)時(shi)發生柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區向(xiang)中心(xin)(xin)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區轉(zhuan)(zhuan)變。因此(ci)(ci)，CET轉(zhuan)(zhuan)變很大(da)(da)程(cheng)度上取決于(yu)中心(xin)(xin)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)和(he)(he)(he)長(chang)大(da)(da)。由于(yu)壓(ya)(ya)力強(qiang)化冷(leng)(leng)卻(que)效(xiao)果十分明顯(xian)，增(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)力加(jia)快了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)，增(zeng)(zeng)大(da)(da)了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)溫度梯度，從(cong)(cong)(cong)而(er)(er)降低(di)了(le)(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)前沿的(de)(de)(de)(de)成分過冷(leng)(leng)度，此(ci)(ci)時(shi)，等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)的(de)(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)和(he)(he)(he)長(chang)大(da)(da)就會(hui)受到(dao)嚴重阻礙(ai)和(he)(he)(he)抑制(zhi);反之(zhi)，降低(di)壓(ya)(ya)力，有助于(yu)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)處的(de)(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)和(he)(he)(he)長(chang)大(da)(da)，從(cong)(cong)(cong)而(er)(er)提前并(bing)加(jia)快了(le)(le)CET.因此(ci)(ci)，當壓(ya)(ya)力從(cong)(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)1.2MPa時(shi)，壓(ya)(ya)力通過強(qiang)化冷(leng)(leng)卻(que)擴大(da)(da)了(le)(le)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區，促使CET轉(zhuan)(zhuan)變位置(zhi)(zhi)(zhi)在徑(jing)向(xiang)上逐漸由邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)(xin)部(bu)(bu)移(yi)動。此(ci)(ci)外，在0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)縱剖面(mian)的(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)織中均存在較窄的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)區。
為了進(jin)一步研究壓力對CET的(de)影(ying)響規律，在(zai)不(bu)考(kao)慮壓力強化冷卻效果(guo)的(de)前提下，對枝晶尖端生長速(su)率v.隨壓力的(de)變(bian)化規律進(jin)行(xing)理論計算，可采用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。
綜上所述，凝固壓(ya)(ya)力(li)的增(zeng)加會對枝晶尖端(duan)生長速率產生重要影響(xiang)，且壓(ya)(ya)力(li)的增(zeng)量越大，影響(xiang)越明顯。結合實驗和KGT模型理(li)論計算可(ke)知，低壓(ya)(ya)下，當(dang)凝固壓(ya)(ya)力(li)從0.5MPa 增(zeng)加至1.2MPa時，壓(ya)(ya)力(li)主要通過強化冷卻的方式，使得鑄錠CET位置逐漸(jian)由邊(bian)部向心部移動。
2. 枝晶間距
相鄰(lin)同次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)臂之間的(de)垂直(zhi)距(ju)離稱為(wei)(wei)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)的(de)大(da)小(xiao)表征(zheng)了枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織細(xi)(xi)化程度，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)越(yue)小(xiao)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織越(yue)細(xi)(xi)密［162],通常考(kao)慮的(de)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)有一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)入1和二(er)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)λ2.一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)與凝固(gu)速率v和溫度梯度Gr的(de)關系為(wei)(wei)
由式(shi)（2-191)可(ke)知，合金體系一定時，分析(xi)局部(bu)區(qu)(qu)域冷卻速(su)率v.和(he)(he)溫度(du)梯度(du)Gr隨壓力(li)的(de)變化趨勢，有(you)助于(yu)(yu)闡明壓力(li)對一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間距λ1的(de)影響規律(lv)。因(yin)局部(bu)區(qu)(qu)域冷卻速(su)率vc和(he)(he)溫度(du)梯度(du)Gr的(de)測量難(nan)度(du)較大(da)，可(ke)用模擬計算(suan)的(de)方式(shi)獲得。在不同凝固壓力(li)下的(de)組織模擬過程中，不考慮(lv)疏松縮孔對晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)分布的(de)影響，模擬結果如圖2-110所示。為(wei)(wei)(wei)了更準確地找到(dao)CET位置，使用平均(jun)縱(zong)橫比(bi)（晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)最短邊(bian)與最長邊(bian)的(de)比(bi)率）來區(qu)(qu)分柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和(he)(he)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)：當晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)縱(zong)橫比(bi)大(da)于(yu)(yu)0.4時，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)為(wei)(wei)(wei)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)；當晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)縱(zong)橫比(bi)小于(yu)(yu)0.4時，則(ze)為(wei)(wei)(wei)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)。根據阻擋判據，等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體積分數的(de)臨界值(zhi)設定為(wei)(wei)(wei)0.49，以此(ci)作(zuo)為(wei)(wei)(wei)依據，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)在0.5MPa、0.85MPa 和(he)(he)1.2MPa 壓力(li)下，CET 位置在徑向上離鑄錠邊(bian)部(bu)的(de)平均(jun)距離分別為(wei)(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)(he)25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)底部(bu)溫度梯度 Gr和冷卻速(su)率(lv)v.隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)變化(hua)規律，如圖2-111所示。在(zai)某一壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)條件下，vc和Gr沿(yan)徑(jing)向由鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)到(dao)心(xin)部(bu)均呈現逐漸減小(xiao)的(de)(de)趨(qu)勢，結(jie)合式（2-190)可知，一次(ci)枝晶(jing)間距(ju)(ju)入1與v.和Gr成(cheng)反比，因而(er)1沿(yan)徑(jing)向由邊部(bu)到(dao)心(xin)部(bu)逐漸增(zeng)大(da)(da)。當壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)(jia)至1.2MPa時(shi)，在(zai)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)冷卻的(de)(de)作用下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)內各單(dan)元體(ti)的(de)(de)vc和Gr隨(sui)(sui)之(zhi)增(zeng)大(da)(da)，且對鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊緣處的(de)(de)單(dan)元體(ti)影響最(zui)大(da)(da)，在(zai)沿(yan)徑(jing)向向心(xin)部(bu)移動(dong)的(de)(de)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)對vc和Gr的(de)(de)影響逐步減弱。結(jie)合式（2-190)可知，一次(ci)枝晶(jing)間距(ju)(ju)入1隨(sui)(sui)著(zhu)vc和Gr的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)呈冪函數減小(xiao)。因此，隨(sui)(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)增(zeng)加(jia)(jia)，一次(ci)枝晶(jing)間距(ju)(ju)入1減小(xiao)，且越靠(kao)近鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)，入減小(xiao)趨(qu)勢越明(ming)顯，即壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)對柱(zhu)狀晶(jing)一次(ci)枝晶(jing)間距(ju)(ju)的(de)(de)影響大(da)(da)于中(zhong)(zhong)心(xin)等軸晶(jing)區。
由邊(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)逐漸增大(da)，結合式（2-192)可知，鑄錠心(xin)部(bu)(bu)的二次(ci)枝(zhi)晶間距(ju)入2大(da)于邊(bian)部(bu)(bu)；壓(ya)力(li)從0.5MPa增加至1.2MPa時，LST明顯減小(xiao)，二次(ci)枝(zhi)晶間距(ju)入2也隨之減小(xiao)。
圖(tu)2-112 不同(tong)壓力(li)下距(ju)(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)底部130mm處LST計(ji)算值由于(yu)(yu)等軸(zhou)晶(jing)(jing)的一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)臂(bei)彼此(ci)相交(jiao)且(qie)沿徑向(xiang)以(yi)幾乎相同(tong)的速率向(xiang)四周生(sheng)長，同(tong)時(shi)不同(tong)等軸(zhou)晶(jing)(jing)間(jian)不存在任何確定的位(wei)向(xiang)關(guan)系，難以(yi)通過實驗(yan)對等軸(zhou)晶(jing)(jing)的一(yi)次晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)進行(xing)測(ce)量(liang)，因此(ci)只(zhi)對CET前柱狀晶(jing)(jing)的一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)進行(xing)測(ce)量(liang)。圖(tu)2-113給出(chu)了距(ju)(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)底部115mm的高度(du)處一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)入1和(he)二次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)x2的變化規律，在某一(yi)壓力(li)下，沿徑向(xiang)由鑄錠(ding)邊部向(xiang)心部移動(dong)的過程中，1和(he)x2逐漸增(zeng)大；當壓力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時(shi)，1和(he)入2均(jun)呈減(jian)小的趨(qu)(qu)勢(shi)。基于(yu)(yu)埋設熱電(dian)偶的測(ce)溫結果(guo)和(he)式(shi)（2-195)可(ke)得，2nd和(he)4h測(ce)溫位(wei)置(zhi)處局部凝(ning)固時(shi)間(jian)隨壓力(li)的增(zeng)加(jia)而縮短，如(ru)圖(tu)2-113(a)所示，從(cong)而導致x2的減(jian)小。對比(bi)可(ke)知，枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)（λ和(he)ん）和(he)局部凝(ning)固時(shi)間(jian)沿徑向(xiang)和(he)隨壓力(li)變化趨(qu)(qu)勢(shi)的實驗(yan)與模擬結果(guo)一(yi)致。
綜上所述，增加壓(ya)力能(neng)夠明顯(xian)減小(xiao)枝晶(jing)間距（x1和(he)x2),縮(suo)短局部(bu)凝(ning)固時間，細(xi)化(hua)凝(ning)固組織。鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)和(he)心部(bu)試(shi)樣的(de)枝晶(jing)形(xing)貌如(ru)圖2-114所示，進一步佐證了增加壓(ya)力具有明顯(xian)細(xi)化(hua)枝晶(jing)組織的(de)作用(yong)，且對(dui)柱狀(zhuang)晶(jing)的(de)影響大于中心等軸(zhou)晶(jing)。
3. 晶粒(li)數
鑄錠內晶粒數與晶粒臨界(jie)形核(he)半徑和(he)形核(he)率有直接的關系(xi)，晶粒臨界(jie)形核(he)半徑為：
其中，Nm為(wei)與液相線溫度、凝固潛熱(re)、擴散激(ji)活能以及表面(mian)張力(li)有(you)關(guan)的(de)(de)系數。圖2-114給出了(le) 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄(zhu)錠等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數隨壓(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)規(gui)律。壓(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)加(jia)到(dao)1.2MPa時(shi)(shi)，中心等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區的(de)(de)寬(kuan)度逐漸減小，最小值(zhi)為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠180mm(高(gao)(gao)）x56mm(寬(kuan)）等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數隨壓(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)規(gui)律如圖2-115所示。當凝固壓(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)加(jia)到(dao)0.85MPa時(shi)(shi)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數目從(cong)9166增(zeng)加(jia)到(dao)9551;當凝固壓(ya)力(li)進一(yi)步增(zeng)加(jia)到(dao)1.2MPa時(shi)(shi)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數目增(zeng)加(jia)到(dao)10128.因此，提(ti)高(gao)(gao)凝固壓(ya)力(li)，鑄(zhu)錠等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數明(ming)顯(xian)增(zeng)大。
在低壓(ya)下，如壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增至1.2MPa時(shi)(shi)，液相線溫(wen)度(du)(du)、凝固潛熱(re)、擴散(san)激(ji)活能(neng)以及表面張力(li)(li)(li)的(de)(de)變(bian)量(liang)(liang)非常(chang)小(xiao)，幾乎(hu)可(ke)以忽略，這(zhe)樣可(ke)以假(jia)設Nm在0.5MPa、晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)0.85MPa和1.2MPa下相等，近似為(wei)常(chang)數(shu)。提(ti)高(gao)壓(ya)力(li)(li)(li)能(neng)夠明顯地增大鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)越大，單位時(shi)(shi)間內(nei)從糊(hu)狀區內(nei)導出結晶(jing)(jing)(jing)(jing)潛熱(re)的(de)(de)量(liang)(liang)越大，進(jin)而提(ti)高(gao)了(le)糊(hu)狀區內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)(du)；反之亦然，這(zhe)意味著(zhu)糊(hu)狀區過(guo)冷(leng)度(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)隨壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)變(bian)化趨勢(shi)相同(tong)，即隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)提(ti)高(gao)而增大。結合式（2-193)和式（2-197)可(ke)知，隨著(zhu)糊(hu)狀區內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)(du)ΔT的(de)(de)增加，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)臨(lin)界形核半徑rk減小(xiao)，形核率Na增大，有(you)助于提(ti)高(gao)鑄(zhu)錠(ding)(ding)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)。因此，增加壓(ya)力(li)(li)(li)有(you)利于增加晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)。
距離(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)底部(bu)(bu)(bu)130mm的(de)(de)(de)高度(du)處，晶粒(li)數(shu)隨壓力(li)的(de)(de)(de)變化規(gui)律如圖2-116所(suo)示(shi)。在某一凝固壓力(li)下，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)晶粒(li)數(shu)目最大(da)(da)，隨著離(li)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)距離(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，由(you)于(yu)糊(hu)狀(zhuang)區(qu)內過(guo)(guo)冷(leng)度(du)的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)，晶粒(li)數(shu)也(ye)隨之減(jian)少。隨著壓力(li)提高，晶粒(li)數(shu)均(jun)呈(cheng)增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨勢(shi)(shi)，且(qie)柱狀(zhuang)晶區(qu)內軸向(xiang)切(qie)片上(shang)晶粒(li)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明顯(xian)大(da)(da)于(yu)中心等軸晶區(qu)。因為在壓力(li)強化冷(leng)卻的(de)(de)(de)作(zuo)用下，整個鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)均(jun)有增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨勢(shi)(shi)，導致(zhi)糊(hu)狀(zhuang)區(qu)內過(guo)(guo)冷(leng)度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)。同時，由(you)于(yu)距離(li)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)和鑄(zhu)(zhu)(zhu)型換熱(re)界面越(yue)近(jin)(jin)，溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)受界面換熱(re)的(de)(de)(de)影(ying)響越(yue)大(da)(da)，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)隨壓力(li)變化趨勢(shi)(shi)越(yue)明顯(xian)，進而增(zeng)(zeng)加(jia)凝固壓力(li)，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明顯(xian)大(da)(da)于(yu)心部(bu)(bu)(bu)，從(cong)而導致(zhi)離(li)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)較(jiao)近(jin)(jin)的(de)(de)(de)柱狀(zhuang)晶區(qu)內晶粒(li)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明顯(xian)大(da)(da)于(yu)中心等軸晶區(qu)。
二、疏松(song)縮孔
鑄錠產生(sheng)(sheng)疏(shu)松(song)(song)縮(suo)(suo)(suo)孔的基本原因(yin)是(shi)鑄錠從澆(jiao)注(zhu)溫度(du)冷(leng)卻(que)至(zhi)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)時產生(sheng)(sheng)的體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)（液態收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)和凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)之(zhi)和）大(da)于固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)態收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)。當鋼液從澆(jiao)注(zhu)溫度(du)冷(leng)卻(que)至(zhi)液相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)時所產生(sheng)(sheng)的體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)為(wei)液態收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)，鋼液進一步(bu)從液相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)冷(leng)卻(que)至(zhi)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)時（即(ji)發生(sheng)(sheng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)變時）所產生(sheng)(sheng)的體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)為(wei)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)［87],固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)態收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)是(shi)指固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)在冷(leng)卻(que)過(guo)程(cheng)中所產生(sheng)(sheng)的體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)。疏(shu)松(song)(song)縮(suo)(suo)(suo)孔的出現嚴重降低了鑄錠的力(li)學和耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性能以(yi)及成材率，是(shi)鑄錠的嚴重缺陷之(zhi)一。
在(zai)(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過程(cheng)中鑄錠內(nei)出現(xian)體(ti)積(ji)小而(er)彌散(san)的(de)(de)空洞為(wei)疏松，體(ti)積(ji)大且集中的(de)(de)為(wei)縮(suo)孔(kong)。疏松由(you)在(zai)(zai)糊狀區內(nei)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)分數降到一定程(cheng)度時，液(ye)(ye)(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)困難，液(ye)(ye)(ye)態收縮(suo)與(yu)凝(ning)固(gu)(gu)收縮(suo)之(zhi)和超過固(gu)(gu)態收縮(suo)的(de)(de)那部分收縮(suo)量無法得到補(bu)縮(suo)所導(dao)致，因而(er)疏松的(de)(de)形成與(yu)枝晶(jing)間液(ye)(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)流(liu)動(dong)有密切關聯［72,87].在(zai)(zai)糊狀區內(nei)，體(ti)收縮(suo)主要由(you)凝(ning)固(gu)(gu)收縮(suo)組成，且為(wei)枝晶(jing)間液(ye)(ye)(ye)體(ti)流(liu)動(dong)的(de)(de)主要驅動(dong)力，因而(er)枝晶(jing)間液(ye)(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)流(liu)速(su)u可表示(shi)為(wei)
式中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為鋼液(ye)(ye)靜壓(ya)力，Pf=pgh;Ps為凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力）。結合(he)式（2-202)可知，增加(jia)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力，Px增大，強化了枝(zhi)晶(jing)間(jian)液(ye)(ye)相的補縮能力，進而有助于避免疏(shu)松的形成［91].此(ci)外，糊狀區越(yue)寬，枝(zhi)晶(jing)網狀結構(gou)越(yue)復雜，枝(zhi)晶(jing)間(jian)補縮的距離越(yue)長阻力越(yue)大，滲透率K越(yue)小(xiao)，疏(shu)松越(yue)容易(yi)形成。因(yin)此(ci)，疏(shu)松易(yi)于在糊狀區較(jiao)寬的鑄(zhu)錠以(yi)體(ti)積(ji)凝(ning)固(gu)(gu)或同(tong)時(shi)凝(ning)固(gu)(gu)方(fang)式凝(ning)固(gu)(gu)時(shi)形成。相比(bi)之下，縮孔(kong)傾向于在糊狀區較(jiao)窄(zhai)的鑄(zhu)錠以(yi)逐層凝(ning)固(gu)(gu)方(fang)式的凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中出(chu)現。
不同凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)下（0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)縱剖面(mian)(mian)上疏(shu)松(song)(song)縮(suo)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)分(fen)布情(qing)況(kuang)如圖2-117所(suo)示。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)，疏(shu)松(song)(song)和縮(suo)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)總(zong)面(mian)(mian)積(ji)大(da)幅度(du)(du)(du)減小(xiao)，且(qie)疏(shu)松(song)(song)逐(zhu)漸消失。由于(yu)(yu)(yu)壓(ya)力(li)(li)具有(you)顯著(zhu)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)化冷卻效(xiao)果，增(zeng)(zeng)大(da)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)，強(qiang)化了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)(zhu)型間的(de)(de)(de)(de)界面(mian)(mian)換熱(re)，加(jia)(jia)(jia)快(kuai)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷卻速率，從而(er)增(zeng)(zeng)大(da)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)Gr;在合金體系一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下，糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)隨之確定(ding)(ding)，那么糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)的(de)(de)(de)(de)寬度(du)(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)Gr的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)減小(xiao)171],進而(er)導致枝(zhi)晶網狀(zhuang)(zhuang)結構的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)受到抑制。凝(ning)固(gu)(gu)方式(shi)逐(zhu)漸由體積(ji)凝(ning)固(gu)(gu)向逐(zhu)層(ceng)凝(ning)固(gu)(gu)過渡，增(zeng)(zeng)大(da)了(le)滲透率K,從而(er)降低和縮(suo)短(duan)枝(zhi)晶間補(bu)縮(suo)時液相流動的(de)(de)(de)(de)阻力(li)(li)和距(ju)離。此外，基于(yu)(yu)(yu)以上理(li)論分(fen)析并(bing)結合判據(ju)式(shi)（2-202)可知，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)等(deng)效(xiao)于(yu)(yu)(yu)增(zeng)(zeng)大(da)了(le)Px,使其遠大(da)于(yu)(yu)(yu)枝(zhi)晶間液相補(bu)縮(suo)時所(suo)需(xu)壓(ya)力(li)(li)。因此，加(jia)(jia)(jia)壓(ya)有(you)利于(yu)(yu)(yu)枝(zhi)晶間液相的(de)(de)(de)(de)補(bu)縮(suo)行為(wei)，且(qie)有(you)助于(yu)(yu)(yu)大(da)幅度(du)(du)(du)減小(xiao)或消除疏(shu)松(song)(song)缺(que)陷(xian)。
三、凝固(gu)析出(chu)相
根據相(xiang)(xiang)所含非金屬(shu)元(yuan)素的種類(lei)，可將(jiang)凝固析出相(xiang)(xiang)分(fen)為(wei)氮化(hua)(hua)物(wu)、碳化(hua)(hua)物(wu)等(deng)，與碳化(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)比，氮化(hua)(hua)物(wu)尺(chi)寸一(yi)般較小(xiao)，為(wei)了更加清楚直觀地論述(shu)增加壓(ya)力對凝固析出相(xiang)(xiang)的影響(xiang)，本(ben)節將(jiang)著重以高速鋼M42中碳化(hua)(hua)物(wu)為(wei)例(li)，闡述(shu)壓(ya)力對凝固析出相(xiang)(xiang)的類(lei)型、形貌(mao)、成分(fen)等(deng)影響(xiang)規律。
高(gao)速鋼(gang)(gang)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)數量(liang)繁多、種類(lei)(lei)各(ge)異。不(bu)同(tong)(tong)(tong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)特(te)性(xing)不(bu)同(tong)(tong)(tong)、成(cheng)(cheng)(cheng)分不(bu)同(tong)(tong)(tong)、形貌(mao)(mao)也各(ge)有差異；按(an)照碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)形貌(mao)(mao)特(te)征及(ji)生成(cheng)(cheng)(cheng)機制的(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)，可(ke)將高(gao)速鋼(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)分為(wei)一(yi)次碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)和(he)二(er)次碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)兩大部分。一(yi)次碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)又稱為(wei)“初生碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)直接從液相(xiang)中(zhong)析出(chu)的(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，包括(kuo)各(ge)種先共晶(jing)和(he)共晶(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等不(bu)同(tong)(tong)(tong)類(lei)(lei)型。一(yi)次碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)尺(chi)寸比較(jiao)大，屬(shu)于微米級別(bie)，在(zai)后(hou)續(xu)熱(re)加工(gong)和(he)熱(re)處理工(gong)藝中(zhong)將被破碎或(huo)(huo)分解成(cheng)(cheng)(cheng)尺(chi)寸較(jiao)小的(de)顆粒(li)狀存在(zai)于鋼(gang)(gang)中(zhong)。二(er)次碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)是指在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)或(huo)(huo)熱(re)處理時從固相(xiang)基(ji)體(ti)(ti)(ti)（高(gao)溫鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)、奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)、馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)等）中(zhong)析出(chu)的(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，分為(wei)M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)同(tong)(tong)(tong)類(lei)(lei)型。高(gao)速鋼(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)成(cheng)(cheng)(cheng)分波動范圍較(jiao)大，不(bu)同(tong)(tong)(tong)鋼(gang)(gang)種、不(bu)同(tong)(tong)(tong)條件產生的(de)同(tong)(tong)(tong)一(yi)類(lei)(lei)型的(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)也會有不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)分，甚至同(tong)(tong)(tong)一(yi)粒(li)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)部位，也會有成(cheng)(cheng)(cheng)分的(de)差異。各(ge)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)形貌(mao)(mao)、成(cheng)(cheng)(cheng)分及(ji)分布見(jian)表2-14.
M2C具有密排(pai)六方晶(jing)體結構［172-175,179],其(qi)主要(yao)形成元(yuan)素通常是鉬、釩和(he)鎢，鉻及(ji)鐵(tie)的(de)含量(liang)則較(jiao)少。M2C 共晶(jing)碳化物一般以亞穩態存在于(yu)(yu)鋼中。尺(chi)寸較(jiao)小、片層(ceng)較(jiao)薄且沒有中間脊骨，在高溫時(shi)易發生分解反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解成尺(chi)寸較(jiao)小的(de)顆粒狀M6C和(he)MC。此外，與M6C相(xiang)反，鋼液凝固時(shi)的(de)冷(leng)卻(que)速率越(yue)快，越(yue)有利于(yu)(yu)M2C的(de)形成。因此，提高鑄錠(ding)凝固時(shi)的(de)冷(leng)卻(que)速率有利于(yu)(yu)促進M2C的(de)形成并(bing)細化M2C,同時(shi)可抑制較(jiao)大尺(chi)寸M6Cl。
M6C具有復雜立方晶體(ti)結構，其結構中除(chu)碳原子以外，鐵(tie)、鎢原子約各(ge)占一半。M6C屬于(yu)穩定型(xing)碳化物，其形(xing)態為粗大的(de)(de)骨骼狀。鋼液凝固(gu)(gu)時(shi)冷卻速(su)率越慢，M6C碳化物越易于(yu)形(xing)成和長(chang)大。因此(ci)，M6C在高速(su)鋼的(de)(de)心(xin)部往往含量較(jiao)高，而邊(bian)部較(jiao)少或沒(mei)有。加(jia)快鑄錠(ding)凝固(gu)(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻速(su)率有利于(yu)細化M6C,提高鑄錠(ding)性能(neng)。
MC具有(you)面(mian)心立(li)方結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，化(hua)(hua)學式為(wei)(wei)MC或者(zhe)M4C3,其成分以(yi)釩為(wei)(wei)主(zhu)。鋼中碳(tan)(tan)、釩含量(liang)的(de)增大(da)(da)可使MC增多(duo)，尺(chi)寸(cun)變(bian)大(da)(da)。高(gao)(gao)速(su)鋼中還有(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)。M23C6晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)為(wei)(wei)復(fu)雜面(mian)心立(li)方結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，具有(you)一定(ding)量(liang)的(de)鎢、鉬，釩含量(liang)極(ji)少，含有(you)大(da)(da)量(liang)的(de)鉻(ge)、鐵元素；與M2C相(xiang)同，M3C也是亞穩(wen)態相(xiang)。M7C3為(wei)(wei)復(fu)雜六方晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，含有(you)較多(duo)的(de)鉻(ge)、鐵，主(zhu)要存在于碳(tan)(tan)含量(liang)較高(gao)(gao)的(de)鋼中。高(gao)(gao)速(su)鋼中碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)具有(you)兩個重要的(de)特性(xing)(xing)：硬度(du)和熱穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)（加熱時溶解、聚集長大(da)(da)的(de)難度(du)）。這(zhe)些特性(xing)(xing)反映了碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)中碳(tan)(tan)和金屬原(yuan)(yuan)(yuan)子結(jie)(jie)合(he)鍵(jian)的(de)強弱，與原(yuan)(yuan)(yuan)子結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)和尺(chi)寸(cun)有(you)關。碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)晶(jing)(jing)格(ge)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)與碳(tan)(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)子半(ban)徑rc、金屬原(yuan)(yuan)(yuan)子半(ban)徑rx有(you)關，如表(biao)2-15所示，rd/rx值(zhi)越(yue)(yue)(yue)大(da)(da)，則(ze)越(yue)(yue)(yue)易形成結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)復(fu)雜的(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)(yue)(yue)小則(ze)易形成結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)簡單密堆型(xing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)（MC等(deng)）。表(biao)中熔點可作為(wei)(wei)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)熱穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)的(de)衡量(liang)指標，可見(jian)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)中原(yuan)(yuan)(yuan)子尺(chi)寸(cun)越(yue)(yue)(yue)接(jie)近(jin)，則(ze)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)越(yue)(yue)(yue)高(gao)(gao)。
1. 壓力對萊(lai)氏體的(de)影響
凝固末期(qi)，由(you)于偏(pian)析導致合金元素在枝晶(jing)(jing)間殘余(yu)液相內(nei)富集發生共晶(jing)(jing)反應，從液相中直接生成碳化物，它與奧氏(shi)體(ti)(ti)相間排列(lie)，構成萊氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)。因此高速(su)鋼(gang)的(de)(de)(de)萊氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)往(wang)往(wang)存在于枝晶(jing)(jing)間。圖2-118為(wei)M2高速(su)鋼(gang)的(de)(de)(de)低倍鑄(zhu)態組(zu)織(zhi)(zhi)，可(ke)見一般情(qing)況(kuang)下(xia)，相鄰晶(jing)(jing)粒之(zhi)間的(de)(de)(de)萊氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)較為(wei)細小，數量較少，而(er)多個晶(jing)(jing)粒之(zhi)間的(de)(de)(de)萊氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)尺寸較大，數量較多。
高速鋼的(de)萊氏(shi)體(ti)組(zu)織中含有(you)多種(zhong)類型的(de)碳化物，如M2C、M6C、MC等。M6C整體(ti)形貌類似魚骨(gu)，故又稱為“魚骨(gu)狀碳化物”，如圖2-119所(suo)(suo)示(shi)(shi)；M2C成片層狀，含有(you)M2C的(de)共(gong)晶萊氏(shi)體(ti)具有(you)“羽毛狀”、“扇狀”、“菊(ju)花狀”等形貌，如圖2-120所(suo)(suo)示(shi)(shi)；MC的(de)生(sheng)長時間較長，最終尺(chi)寸較為粗大，往往以不規則的(de)條狀出現，如圖2-120所(suo)(suo)示(shi)(shi)。
a. 碳化物種(zhong)類及分布
高速(su)鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)種類(lei)與成分(fen)(fen)和(he)(he)凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)率密(mi)不可分(fen)(fen)。M42 高速(su)工具鋼(gang)作為高鉬低(di)鎢鋼(gang)，其(qi)(qi)凝固組(zu)(zu)織碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)主(zhu)要(yao)為M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)；另(ling)外含有(you)(you)(you)少部分(fen)(fen)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，主(zhu)要(yao)存(cun)在(zai)于(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)心部區域(yu)。圖(tu)(tu)2-121~圖(tu)(tu)2-123給出了(le)M42高速(su)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠(ding)板(ban)金相組(zu)(zu)織。白色斑點狀處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)萊氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)為具有(you)(you)(you)中(zhong)(zhong)心脊(ji)骨(gu)(gu)，脊(ji)骨(gu)(gu)兩邊具有(you)(you)(you)平行分(fen)(fen)枝的(de)(de)(de)(de)(de)(de)魚骨(gu)(gu)狀M6C.M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸比M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)粗大(da)得多且(qie)結構上相互連接緊密(mi)，極不利于(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)后續碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)破碎，因此盡可能(neng)減少或避(bi)免凝固組(zu)(zu)織中(zhong)(zhong)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)生，有(you)(you)(you)助(zhu)于(yu)(yu)提升其(qi)(qi)力(li)學(xue)性能(neng)等(deng)。隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)，萊氏(shi)體(ti)（白色斑點）所占1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠(ding)板(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)面(mian)積比例逐漸減小，加壓(ya)有(you)(you)(you)助(zhu)于(yu)(yu)抑(yi)(yi)(yi)制M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成與長大(da)，其(qi)(qi)主(zhu)要(yao)原(yuan)因在(zai)于(yu)(yu)在(zai)較低(di)壓(ya)力(li)下，加壓(ya)對凝固熱力(li)學(xue)和(he)(he)動力(li)學(xue)參數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響十(shi)分(fen)(fen)有(you)(you)(you)限，但強化(hua)(hua)(hua)冷卻(que)(que)效果十(shi)分(fen)(fen)明同(tong)時凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)冷卻(que)(que)速(su)率越小，越有(you)(you)(you)利于(yu)(yu)魚骨(gu)(gu)狀M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成，且(qie)M6C越粗大(da)。因而增加壓(ya)力(li)主(zhu)要(yao)通過(guo)增大(da)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)(he)鑄(zhu)(zhu)型間界面(mian)換(huan)熱系數(shu)，提高鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)率從而細化(hua)(hua)(hua)并抑(yi)(yi)(yi)制M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成，且(qie)當壓(ya)力(li)增加到一(yi)定(ding)程度時，能(neng)夠完全抑(yi)(yi)(yi)制富含M6C的(de)(de)(de)(de)(de)(de)萊氏(shi)體(ti)形成，消除其(qi)(qi)對組(zu)(zu)織和(he)(he)性能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不良(liang)影(ying)響。
圖2-121(b)所(suo)示(shi)萊(lai)氏體組(zu)織中碳(tan)化(hua)(hua)物為長(chang)條狀(zhuang)(zhuang)或(huo)者短棒(bang)狀(zhuang)(zhuang)的(de)(de)M2C.凝(ning)固壓力不(bu)同(tong)，M2C的(de)(de)尺(chi)(chi)寸、形貌以及分布的(de)(de)緊密(mi)程度等均有(you)所(suo)不(bu)同(tong)。在0.1MPa壓力下(xia)，碳(tan)化(hua)(hua)物分枝(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)少、片層較(jiao)(jiao)長(chang)、尺(chi)(chi)寸較(jiao)(jiao)大(da)(da)、間(jian)距較(jiao)(jiao)寬、共晶(jing)萊(lai)氏體與枝(zhi)(zhi)晶(jing)臂的(de)(de)界(jie)面(mian)較(jiao)(jiao)平整；隨著壓力的(de)(de)增(zeng)加，條狀(zhuang)(zhuang)或(huo)片層狀(zhuang)(zhuang)碳(tan)化(hua)(hua)物的(de)(de)間(jian)距逐(zhu)(zhu)漸減小，且開始斷開成大(da)(da)量的(de)(de)短棒(bang)碳(tan)化(hua)(hua)物，碳(tan)化(hua)(hua)物的(de)(de)分枝(zhi)(zhi)也逐(zhu)(zhu)漸增(zeng)多(duo)，并密(mi)集分布在枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)，共晶(jing)萊(lai)氏體與枝(zhi)(zhi)晶(jing)臂的(de)(de)界(jie)面(mian)也較(jiao)(jiao)為粗糙(cao)。此外，三個壓力下(xia)的(de)(de)M2C幾乎沒有(you)晶(jing)體缺陷(xian)，明壓力很難對碳(tan)化(hua)(hua)物晶(jing)格類型產生(sheng)影響。
b. 萊(lai)氏體(ti)尺寸
萊(lai)氏(shi)(shi)體組織(zhi)存在于(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)，與(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)、形貌及分布密切相關，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)越小，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)萊(lai)氏(shi)(shi)體尺(chi)(chi)寸也相應地細小且均勻分布。圖2-124和圖2-125給出了不(bu)同(tong)壓(ya)力條件下M42鑄錠邊部(bu)和心部(bu)萊(lai)氏(shi)(shi)體形貌和尺(chi)(chi)寸分布，無論是(shi)鑄錠的(de)邊部(bu)還是(shi)心部(bu)，尺(chi)(chi)寸不(bu)一的(de)萊(lai)氏(shi)(shi)體組織(zhi)（黑色）均分布在枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)。在同(tong)一凝固壓(ya)力條件下，鑄錠邊部(bu)的(de)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)明顯小于(yu)心部(bu)，因而心部(bu)萊(lai)氏(shi)(shi)體要比邊部(bu)粗大(da)。
隨(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)的增大，在(zai)壓(ya)力(li)強化(hua)(hua)(hua)冷(leng)卻(que)的作用下，冷(leng)卻(que)速(su)率增大，鑄錠局部(bu)(bu)凝固時(shi)(shi)間縮(suo)短(duan)，使得(de)(de)枝晶組(zu)(zu)織得(de)(de)到(dao)(dao)了(le)明(ming)(ming)顯(xian)細(xi)化(hua)(hua)(hua)且(qie)尺(chi)寸分(fen)(fen)布更均(jun)勻(yun)(yun)，進(jin)而導致分(fen)(fen)布在(zai)枝晶間的萊(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)(zu)織也隨(sui)之細(xi)化(hua)(hua)(hua)，厚度(du)大大減小且(qie)分(fen)(fen)布更加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)。在(zai)0.1MPa 壓(ya)力(li)下，無論在(zai)邊部(bu)(bu)還是(shi)心部(bu)(bu)位置(zhi)，鑄錠的萊(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)(zu)織均(jun)較為粗大，且(qie)尺(chi)寸分(fen)(fen)布極(ji)不均(jun)勻(yun)(yun)，部(bu)(bu)分(fen)(fen)局部(bu)(bu)區域存在(zai)著(zhu)大量的黑色萊(lai)氏(shi)(shi)體，尤(you)其在(zai)多個枝晶臂交匯處(chu)，且(qie)尺(chi)寸異常粗大。當壓(ya)力(li)增加(jia)至1MPa時(shi)(shi)，粗大萊(lai)氏(shi)(shi)體得(de)(de)到(dao)(dao)明(ming)(ming)顯(xian)細(xi)化(hua)(hua)(hua)，且(qie)尺(chi)寸分(fen)(fen)布更加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)；當壓(ya)力(li)進(jin)一(yi)步增加(jia)至2MPa時(shi)(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)(zu)織得(de)(de)到(dao)(dao)進(jin)一(yi)步地改善，組(zu)(zu)織更加(jia)細(xi)密，尺(chi)寸更加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)，粗大萊(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)(zu)織基本消失。萊(lai)氏(shi)(shi)體平(ping)均(jun)尺(chi)寸隨(sui)壓(ya)力(li)的變化(hua)(hua)(hua)規律(lv)如圖2-126所示(shi)，壓(ya)力(li)從0.1MPa增加(jia)至2MPa時(shi)(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)體厚度(du)由(you)28.37μm降低至22.92μm.因此，增加(jia)壓(ya)力(li)能夠明(ming)(ming)顯(xian)細(xi)化(hua)(hua)(hua)萊(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)(zu)織，改善其分(fen)(fen)布狀態。
2. 壓力對(dui)碳(tan)化物(wu)的影響(xiang)
a. 碳化物尺(chi)寸
以高(gao)速(su)鋼中(zhong)M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物為例，M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物是通(tong)過(guo)(guo)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)反應(ying)L→y+M2C產生的(de)(de)(de)(de)。和(he)純金(jin)(jin)屬及固(gu)(gu)溶體合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)結晶(jing)(jing)過(guo)(guo)程(cheng)一樣，共(gong)(gong)晶(jing)(jing)轉變同樣需要經過(guo)(guo)形核與長大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)。結合(he)式(shi)（2-178)和(he)式(shi)（2-179),東北大(da)(da)學(xue)特殊(shu)鋼冶金(jin)(jin)研(yan)究所在(zai)控(kong)制溫度不(bu)變的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上，計算了不(bu)同壓(ya)力(li)(li)下各元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)兩相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)，探討凝固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)與擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)關系(xi)。凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)溫度T=1478K時(shi)，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)（鉬(mu)、鎢(wu)、釩和(he)鉻(ge)）在(zai)M2C相和(he)奧氏體相γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)D隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)規(gui)律如圖(tu)2-127和(he)圖(tu)2-128所示；從整體上看，隨(sui)(sui)(sui)著壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)逐漸(jian)增大(da)(da)，同溫度M2C相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)和(he)鎢(wu)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)D呈(cheng)減小趨(qu)勢，而合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)釩和(he)鉻(ge)則(ze)呈(cheng)增大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，表明提高(gao)壓(ya)力(li)(li)可增大(da)(da)M2C中(zhong)鉬(mu)、鎢(wu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm,進而降(jiang)低其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)；同時(shi)降(jiang)低釩、鉻(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm,從而提高(gao)其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)。然而，當壓(ya)力(li)(li)在(zai)0.1~2MPa范圍內變化(hua)(hua)時(shi)，各元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)微乎其微，即保持恒定(ding)值。隨(sui)(sui)(sui)著凝固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)逐漸(jian)增大(da)(da)到(dao)50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)才開始(shi)產生較為明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)，鎢(wu)、釩和(he)鉻(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)甚至在(zai)100MPa壓(ya)力(li)(li)下仍未產生變化(hua)(hua)。因此(ci)低壓(ya)下，元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)可忽略不(bu)計。
的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而降低(di)，鉻(ge)(ge)元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數則隨(sui)著(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而增(zeng)加，如圖(tu)2-128所示。即(ji)增(zeng)大(da)(da)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓力(li)(li)(li)具有提高奧氏(shi)體γ相(xiang)中合金元(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)、鎢和釩(fan)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm,降低(di)其擴(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)(li)以(yi)及(ji)減(jian)小元(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm和增(zeng)大(da)(da)其擴(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)作用。與M2C差別在(zai)于(yu)，在(zai)奧氏(shi)體相(xiang)γ中，較小的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓力(li)(li)(li)便可(ke)發(fa)揮(hui)比(bi)較明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)作用，例如：當凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓力(li)(li)(li)大(da)(da)于(yu)2MPa時(shi)，元(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數隨(sui)壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而明(ming)顯增(zeng)大(da)(da)；鉬(mu)和釩(fan)元(yuan)素(su)(su)(su)則在(zai)10MPa時(shi)開(kai)始隨(sui)壓力(li)(li)(li)增(zeng)加而明(ming)顯減(jian)小。可(ke)見，在(zai)相(xiang)同(tong)溫(wen)度下，相(xiang)比(bi)于(yu)M2C相(xiang)，合金元(yuan)素(su)(su)(su)釩(fan)、鎢、鉬(mu)和鉻(ge)(ge)在(zai)奧氏(shi)體γ相(xiang)中的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)情況受凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)更為明(ming)顯。但在(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓力(li)(li)(li)范圍(wei)內，合金元(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)奧氏(shi)體相(xiang)γ中的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數幾乎保持不(bu)變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同(tong)時(shi)，各元(yuan)素(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm也未發(fa)生明(ming)顯變化(hua)。
綜上所述，在低(di)壓(ya)下，影響M2C形核率(lv)(lv)的(de)主(zhu)要因素是隨凝(ning)固(gu)壓(ya)力增大(da)而顯著減(jian)小的(de)形核功。增加凝(ning)固(gu)壓(ya)力可顯著改善換熱條件(jian)強(qiang)化(hua)鑄(zhu)錠(ding)冷卻(que)、提高鑄(zhu)錠(ding)過(guo)(guo)冷度(du)ΔT,進而降低(di)共晶反應過(guo)(guo)程中奧氏體相(xiang)(xiang)γ和M2C相(xiang)(xiang)的(de)形核功ΔG*,最終增大(da)M2C的(de)形核率(lv)(lv)、減(jian)小M2C相(xiang)(xiang)鄰碳化(hua)物(wu)的(de)間距。
此外，增(zeng)(zeng)加壓力使M2C形核(he)率大(da)大(da)增(zeng)(zeng)加，同時強(qiang)化(hua)了鑄錠(ding)冷卻，顯著降低了局(ju)部凝固(gu)(gu)時間LST,導(dao)致加壓下(xia)鑄錠(ding)同位(wei)置的(de)(de)(de)凝固(gu)(gu)相對(dui)較(jiao)快，M2C共晶碳化(hua)物(wu)生(sheng)長時間變短，導(dao)致M42凝固(gu)(gu)組織(zhi)中M2C碳化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)尺寸減小(xiao)。這對(dui)于后續的(de)(de)(de)熱處理(li)碳化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)溶解具有(you)積極(ji)的(de)(de)(de)意義。
圖(tu)2-129為不(bu)同凝(ning)固壓力(li)下(xia)M2C共晶(jing)碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)在(zai)熱處(chu)理(li)過程中(zhong)的(de)(de)元素擴散示意圖(tu)。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固壓力(li)的(de)(de)增(zeng)大，碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)由長(chang)條(tiao)狀轉(zhuan)變為短棒狀，在(zai)縱向和(he)橫向上的(de)(de)尺寸均顯著(zhu)減小。因此，在(zai)熱處(chu)理(li)過程中(zhong)，碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)的(de)(de)元素由內(nei)向外擴散的(de)(de)平均距離也相應隨(sui)著(zhu)凝(ning)固壓力(li)的(de)(de)增(zeng)大而顯著(zhu)減小，熱處(chu)理(li)效果更加(jia)明顯，熱處(chu)理(li)后M42組織的(de)(de)成分更加(jia)均勻，進而有利于提高(gao)M42高(gao)速(su)鋼的(de)(de)質量。
b. 碳(tan)化物成分
M2C的(de)形(xing)成元素(su)(su)(su)主(zhu)要(yao)包(bao)括鉬、鎢(wu)、釩和鉻(ge)，其中(zhong)(zhong)鉬元素(su)(su)(su)是強M2C碳(tan)化(hua)物形(xing)成元素(su)(su)(su)，也是M2C中(zhong)(zhong)含(han)量(liang)最高的(de)合(he)金元素(su)(su)(su)。圖2-130給出了不(bu)同壓力下M2C中(zhong)(zhong)合(he)金元素(su)(su)(su)鉬、鎢(wu)、釩和鉻(ge)含(han)量(liang)，隨著壓力的(de)增(zeng)大(da)，M2C上的(de)合(he)金元素(su)(su)(su)鉬、鎢(wu)、釩和鉻(ge)含(han)量(liang)均(jun)逐漸減小，而鐵元素(su)(su)(su)則逐漸增(zeng)大(da)；同時，M2C碳(tan)化(hua)物之間基體中(zhong)(zhong)合(he)金元素(su)(su)(su)含(han)量(liang)則呈現相反(fan)的(de)規律：鉬、鎢(wu)、釩和鉻(ge)元素(su)(su)(su)含(han)量(liang)逐漸增(zeng)大(da)，而鐵元素(su)(su)(su)減少。這表明，增(zeng)大(da)的(de)壓力使(shi)得合(he)金元素(su)(su)(su)在M2C共晶碳(tan)化(hua)物中(zhong)(zhong)的(de)分布(bu)趨于均(jun)勻，為后續(xu)的(de)處理、熱加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)中(zhong)(zhong)碳(tan)化(hua)物的(de)破碎(sui)、溶解提供(gong)良好的(de)基礎(chu)。
在高速鋼(gang)中(zhong)，M2C共晶(jing)碳(tan)化物是(shi)通(tong)過凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)的共晶(jing)反應L→M2C+y產生(sheng)的，在這個過程(cheng)中(zhong)存在M2C碳(tan)化物相(xiang)和奧(ao)氏體γ相(xiang)之間的溶質(zhi)再分配(pei)［172].在一定(ding)溫度下，平衡分配(pei)系數可表示為固(gu)相(xiang)和液(ye)相(xiang)中(zhong)的元素濃度之比：
式中(zhong)，Cs和CL分(fen)別表示在(zai)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)，元素在(zai)固相和液相中(zhong)的平(ping)(ping)衡濃度(du)。共(gong)(gong)晶(jing)反應L→M2C+y是在(zai)凝固末期發生的，圖2-131給出了不同(tong)壓力(li)下的M42高(gao)速(su)鋼凝固時共(gong)(gong)晶(jing)反應過(guo)程(cheng)中(zhong)M2C碳(tan)化物相和奧(ao)氏體γ相中(zhong)各元素的單(dan)相平(ping)(ping)衡分(fen)配系(xi)數(shu)。
式中(zhong)，Cs和(he)C1分(fen)(fen)別(bie)表示在(zai)凝(ning)(ning)固過(guo)程(cheng)中(zhong)，元素在(zai)固相(xiang)和(he)液(ye)相(xiang)中(zhong)的平衡濃度。共晶反(fan)應L→M2C+y是(shi)在(zai)凝(ning)(ning)固末期發生(sheng)的［172,180,181],圖2-131給出(chu)了不(bu)同壓力下的M42高速(su)鋼凝(ning)(ning)固時共晶反(fan)應過(guo)程(cheng)中(zhong)M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)和(he)奧(ao)氏(shi)體y相(xiang)中(zhong)各(ge)元素的單相(xiang)平衡分(fen)(fen)配系數(shu)。
隨壓力(li)的(de)增(zeng)加，共(gong)(gong)晶(jing)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)M2C和奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)分(fen)(fen)配系數(shu)具(ju)有升高的(de)趨勢并逐漸靠近1.基(ji)于熱力(li)學分(fen)(fen)析，在(zai)M42鑄錠(ding)凝固時(shi)的(de)共(gong)(gong)晶(jing)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，增(zeng)大壓力(li)可(ke)使鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)和奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)含(han)量(liang)增(zeng)大。凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)和奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)平(ping)衡分(fen)(fen)配系數(shu)增(zeng)量(liang)變化(hua)規律如圖2-132所示，在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa時(shi)，M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)平(ping)衡分(fen)(fen)配系數(shu)增(zeng)量(liang)始(shi)終大于奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)平(ping)衡分(fen)(fen)配系數(shu)增(zeng)量(liang)。由此可(ke)知，共(gong)(gong)晶(jing)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，相(xiang)比(bi)于奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)，鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)更偏(pian)向于在(zai)M2C相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)富集。
在(zai)0.1~2MPa壓(ya)力范圍內，加(jia)壓(ya)對Mo元素(su)(su)的(de)(de)(de)平衡(heng)分配(pei)系(xi)數(shu)影響非(fei)常小，變(bian)化(hua)(hua)量為10-6~10-5,可(ke)忽略不計，因(yin)而在(zai)低壓(ya)范圍內，增加(jia)壓(ya)力不能通(tong)過(guo)改變(bian)元素(su)(su)平衡(heng)分配(pei)系(xi)數(shu)而影響相(xiang)(xiang)(xiang)成(cheng)(cheng)分。除平衡(heng)分配(pei)系(xi)數(shu)以外，鑄錠(ding)凝(ning)固(gu)過(guo)程中溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)分配(pei)情況與(yu)元素(su)(su)的(de)(de)(de)傳質(zhi)行為有關(guan)。在(zai)M42鑄錠(ding)凝(ning)固(gu)末(mo)期的(de)(de)(de)共晶反(fan)(fan)應L→M2C+y過(guo)程中存(cun)在(zai)M2C碳化(hua)(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)和奧氏(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)之間的(de)(de)(de)溶(rong)質(zhi)再(zai)分配(pei)：液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)M2C形成(cheng)(cheng)元素(su)(su)（鉬、鎢、釩和鉻）通(tong)過(guo)凝(ning)固(gu)前沿固(gu)／液(ye)界面(mian)向(xiang)M2C碳化(hua)(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)富集(ji)，同時(shi)奧氏(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)形成(cheng)(cheng)元素(su)(su)（鈷、鐵）則向(xiang)奧氏(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)富集(ji)，整(zheng)個反(fan)(fan)應發生在(zai)凝(ning)固(gu)末(mo)期的(de)(de)(de)枝晶間小熔(rong)池內，此時(shi)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)很弱，元素(su)(su)對流(liu)傳質(zhi)行為可(ke)忽略，因(yin)而溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)分配(pei)主要與(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)中元素(su)(su)的(de)(de)(de)擴(kuo)散傳質(zhi)行為有關(guan)。
根(gen)據菲克第(di)一定律(lv)公式（2-178)可知，擴(kuo)散(san)系數D與溫度T呈反比關(guan)系。圖(tu)2-133為2MPa下M2C形成(cheng)元(yuan)素的擴(kuo)散(san)系數隨(sui)溫度的變(bian)化(hua)(hua)關(guan)系。在凝固壓(ya)(ya)力不變(bian)時，溫度的降低(di)會顯著減(jian)小擴(kuo)散(san)系數，在低(di)壓(ya)(ya)范圍內(nei)，相對(dui)于(yu)凝固壓(ya)(ya)力變(bian)化(hua)(hua)，溫度變(bian)化(hua)(hua)對(dui)擴(kuo)散(san)系數D具有更明(ming)顯的影響。
增大壓力(li)具有顯(xian)著(zhu)強(qiang)化(hua)冷卻(que)和減少鑄錠(ding)局部凝(ning)固時(shi)間(jian)(jian)的(de)(de)作用。由此可知，對于0.1MPa、1MPa和2MPa壓力(li)下的(de)(de)鑄錠(ding)凝(ning)固過(guo)程，在(zai)相(xiang)同的(de)(de)凝(ning)固時(shi)間(jian)(jian)內，在(zai)較(jiao)高(gao)(gao)壓力(li)下凝(ning)固的(de)(de)鑄錠(ding)冷卻(que)更(geng)(geng)快，溫度更(geng)(geng)低，其元素擴散系數則(ze)相(xiang)對較(jiao)低，導致元素擴散速率減小，使得M2C共晶碳化(hua)物(wu)中(zhong)釩、鎢、鉻和鉬元素含量降低，碳化(hua)物(wu)間(jian)(jian)基體(ti)的(de)(de)合金元素含量升高(gao)(gao)，降低了M2C碳化(hua)物(wu)和奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)之間(jian)(jian)的(de)(de)成(cheng)分(fen)差異性(xing)，提高(gao)(gao)了M42凝(ning)固組織成(cheng)分(fen)的(de)(de)均勻性(xing)。
c. 碳(tan)化(hua)物形貌
M2C碳(tan)化物明(ming)顯(xian)具(ju)(ju)有各(ge)向(xiang)異性的(de)生長方式，形貌(mao)具(ju)(ju)有小(xiao)平面(mian)(mian)向(xiang)的(de)特(te)性。共(gong)晶(jing)(jing)組織的(de)形貌(mao)與共(gong)晶(jing)(jing)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)液／固界面(mian)(mian)結構有密切聯(lian)系，金屬相(xiang)(xiang)－金屬碳(tan)化物相(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)屬于(yu)小(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)－非小(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)［146].M2C是通過(guo)(guo)凝(ning)固末期(qi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間熔池里的(de)共(gong)晶(jing)(jing)反(fan)M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化物形成于(yu)凝(ning)固末期(qi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間殘(can)余(yu)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)，根據凝(ning)固原理(li)。枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間殘(can)余(yu)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)元(yuan)素含量明(ming)顯(xian)高(gao)于(yu)鑄錠(ding)標(biao)準含量。不(bu)同壓力(li)下枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)各(ge)相(xiang)(xiang)出(chu)現(xian)的(de)先后(hou)順序，如圖(tu)2-135所(suo)示，在不(bu)同壓力(li)下，M2C均領(ling)先奧氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ出(chu)現(xian)。這表明(ming)，在共(gong)晶(jing)(jing)反(fan)應L→y+M2C過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)，M2C是領(ling)先相(xiang)(xiang)。
在(zai)共晶(jing)凝(ning)固(gu)(gu)過程中，領(ling)先相(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)(de)(de)快速(su)(su)生長(chang)(chang)(chang)方(fang)向率(lv)先進入共生界(jie)面(mian)前(qian)方(fang)的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)(ye)(ye)體(ti)(ti)中，同時在(zai)其附近液(ye)(ye)(ye)(ye)層中排出奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)形成元(yuan)(yuan)素；隨后奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ則依(yi)靠此(ci)液(ye)(ye)(ye)(ye)層獲得(de)(de)生長(chang)(chang)(chang)組(zu)(zu)元(yuan)(yuan)，跟隨著M2C一(yi)起長(chang)(chang)(chang)大，同時也向液(ye)(ye)(ye)(ye)層中排出M2C形成元(yuan)(yuan)素，如(ru)圖(tu)2-136所示。隨著凝(ning)固(gu)(gu)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，凝(ning)固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)加，M2C相(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)均加快。一(yi)方(fang)面(mian)，M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)鄰間距隨壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大逐(zhu)漸(jian)減(jian)小(xiao)(xiao)，即奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)(ye)(ye)／固(gu)(gu)界(jie)面(mian)變(bian)窄；另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，加壓使得(de)(de)枝晶(jing)間殘余液(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素沒有足夠時間進行充(chong)分擴(kuo)散；導致奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)(ye)(ye)／固(gu)(gu)界(jie)面(mian)前(qian)沿合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素濃度急劇(ju)增(zeng)(zeng)(zeng)大，成分過冷加劇(ju)，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)長(chang)(chang)(chang)大速(su)(su)率(lv)進一(yi)步增(zeng)(zeng)(zeng)大，使得(de)(de)M2C相(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)差逐(zhu)漸(jian)縮小(xiao)(xiao)。此(ci)外，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)作為非小(xiao)(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)，其生長(chang)(chang)(chang)所需過冷度遠小(xiao)(xiao)于(yu)小(xiao)(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)，使得(de)(de)在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)過程中奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)大于(yu)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)。因此(ci)，隨著壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，枝晶(jing)間共晶(jing)組(zu)(zu)織(zhi)中奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)(de)含量(liang)相(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)(zeng)多，使得(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)(chang)空間受到“排擠”，含量(liang)相(xiang)(xiang)對減(jian)少，最終M2C碳(tan)化(hua)物(wu)逐(zhu)漸(jian)呈現出被奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ“截斷”進而變(bian)短的(de)(de)(de)(de)(de)形貌(mao)，如(ru)圖(tu)2-134所示。
四、夾雜物分布
夾雜物(wu)(wu)是影響鋼(gang)錠質量的一個重要(yao)因素。鋼(gang)中(zhong)夾雜物(wu)(wu)主要(yao)包括冶煉過程(cheng)中(zhong)進行脫氧(yang)處理形成(cheng)的脫氧(yang)產物(wu)(wu)、凝固過程(cheng)元(yuan)素溶解度下降形成(cheng)的氧(yang)化物(wu)(wu)、氮化物(wu)(wu)、硫(liu)化物(wu)(wu)等(deng)化合(he)物(wu)(wu)以及(ji)爐(lu)渣和由(you)于沖刷而進入鋼(gang)液的耐火材料。
根據夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來(lai)源，可以將鋼(gang)(gang)中的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)為兩類:①外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)大部分(fen)為復合(he)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)，主要是由(you)于(yu)鋼(gang)(gang)液(ye)接觸(chu)空氣生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)以及進(jin)入鋼(gang)(gang)液(ye)的(de)爐渣、耐火材料組成(cheng)。外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)形(xing)不規則、尺寸大、構成(cheng)復雜(za)(za)(za)，常常位于(yu)鋼(gang)(gang)的(de)表(biao)層(ceng)，具有嚴重的(de)危害(hai)性。②內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)是由(you)于(yu)脫(tuo)氧(yang)(yang)、鋼(gang)(gang)水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)反應而形(xing)成(cheng)的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)(gang)液(ye)中數(shu)量較多，分(fen)布均勻(yun)，顆(ke)粒細(xi)小。由(you)于(yu)形(xing)成(cheng)時間不同，內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)可分(fen)為：鋼(gang)(gang)液(ye)脫(tuo)氧(yang)(yang)時期生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)的(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為原生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)或一次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度降低造成(cheng)化(hua)(hua)學反應平衡的(de)移動進(jin)而析(xi)出(chu)二次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)于(yu)溶質元(yuan)素偏析(xi)和溶解度變化(hua)(hua)而析(xi)出(chu)的(de)三次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾雜(za)物(wu)(wu)(wu)作(zuo)為凝固組織的(de)(de)重要(yao)組成部(bu)分，其特性至關(guan)(guan)(guan)重要(yao)，對于(yu)進一步(bu)揭示加(jia)(jia)(jia)壓(ya)冶金的(de)(de)優勢十(shi)分關(guan)(guan)(guan)鍵。非金屬夾雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特性（數(shu)量(liang)、尺(chi)寸和(he)分布(bu)等(deng)(deng)）對鋼的(de)(de)性能（力(li)(li)(li)(li)學性能和(he)腐(fu)蝕等(deng)(deng)）有重要(yao)影(ying)響。同時(shi)，改(gai)善(shan)鋼中夾雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)分布(bu)情況并盡可能徹底地去除非金屬夾雜(za)物(wu)(wu)(wu)可以(yi)有效地減少缺陷和(he)提(ti)高(gao)性能。為了(le)改(gai)善(shan)夾雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)分布(bu)，施(shi)加(jia)(jia)(jia)在夾雜(za)物(wu)(wu)(wu)上的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)包括重力(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)、曳(ye)力(li)(li)(li)(li)，附(fu)加(jia)(jia)(jia)質量(liang)力(li)(li)(li)(li)、升(sheng)力(li)(li)(li)(li)和(he)反彈(dan)力(li)(li)(li)(li)等(deng)(deng)起著關(guan)(guan)(guan)鍵作(zuo)用。這(zhe)些力(li)(li)(li)(li)主要(yao)是(shi)通(tong)過溫度(du)、流場(chang)、重力(li)(li)(li)(li)場(chang)和(he)電磁場(chang)等(deng)(deng)物(wu)(wu)(wu)理場(chang)來(lai)確定。因此，可以(yi)通(tong)過采(cai)取一系列措(cuo)施(shi)優化物(wu)(wu)(wu)理場(chang)來(lai)改(gai)善(shan)夾雜(za)物(wu)(wu)(wu)分布(bu)。例如(ru)，鋼包中使用的(de)(de)氣體攪拌、連鑄(zhu)(zhu)過程(cheng)中添(tian)加(jia)(jia)(jia)磁場(chang)。對于(yu)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)冶金，壓(ya)力(li)(li)(li)(li)是(shi)關(guan)(guan)(guan)鍵因素。目前，已經證實加(jia)(jia)(jia)壓(ya)會在各個(ge)方面(mian)影(ying)響凝固過程(cheng)中的(de)(de)物(wu)(wu)(wu)理場(chang)，包括加(jia)(jia)(jia)壓(ya)通(tong)過加(jia)(jia)(jia)快鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)冷卻速率和(he)加(jia)(jia)(jia)強鑄(zhu)(zhu)錠與鑄(zhu)(zhu)模之間的(de)(de)熱交(jiao)換來(lai)改(gai)變(bian)溫度(du)場(chang)，通(tong)過改(gai)變(bian)糊狀區域的(de)(de)大(da)小和(he)枝晶結(jie)構影(ying)響流場(chang)等(deng)(deng)。
因此(ci)，可以(yi)認(ren)為在凝固(gu)(gu)過程中壓力具有改變(bian)夾(jia)雜(za)物分(fen)(fen)布的(de)能力，并且壓力對(dui)夾(jia)雜(za)物分(fen)(fen)布的(de)影(ying)(ying)響(xiang)機制非常復雜(za)，然(ran)而，關于加壓對(dui)夾(jia)雜(za)物分(fen)(fen)布變(bian)化的(de)影(ying)(ying)響(xiang)研究相對(dui)較少。這表明(ming)加壓對(dui)凝固(gu)(gu)組織(zhi)的(de)影(ying)(ying)響(xiang)機理(li)尚未全面(mian)闡明(ming)。
1. 夾(jia)雜物分布分析模型
在實(shi)際凝固過(guo)程中(zhong)，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的受力(li)情況、運動軌跡(ji)很難通過(guo)實(shi)驗進行測(ce)量。數(shu)值模擬提(ti)供了一(yi)種(zhong)(zhong)可以深入(ru)了解某些無法(fa)(fa)通過(guo)實(shi)驗評估的現象的方(fang)法(fa)(fa)。這些現象包括(kuo)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的運動軌跡(ji)，作用于夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的力(li)和夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的速度等。根據電渣、連(lian)鑄和鋼包精煉等過(guo)程中(zhong)的相關研究，數(shu)值模擬是一(yi)種(zhong)(zhong)非常有(you)效的研究夾(jia)雜(za)(za)物(wu)運動行為的方(fang)法(fa)(fa)。
鋼液凝固過程涉(she)及熱量傳遞(di)、質量傳輸、動(dong)量傳輸、相(xiang)轉(zhuan)變和(he)晶粒形核長大等(deng)一(yi)系列復(fu)雜(za)的物(wu)理(li)化學現象(xiang)，同(tong)時(shi)存(cun)在金屬(shu)固相(xiang)、金屬(shu)液相(xiang)、氣相(xiang)和(he)夾雜(za)物(wu)相(xiang)等(deng)多(duo)個(ge)相(xiang)之間的相(xiang)互(hu)作用，適(shi)合應用歐(ou)(ou)(ou)拉多(duo)項流模型(xing)進(jin)行計算(suan)求解。其中，根據(ju)對夾雜(za)物(wu)運(yun)動(dong)行為處理(li)方式，夾雜(za)物(wu)分(fen)布分(fen)析模型(xing)可以分(fen)為歐(ou)(ou)(ou)拉－拉格朗(lang)日(ri)模型(xing)和(he)歐(ou)(ou)(ou)拉－歐(ou)(ou)(ou)拉模型(xing)。
a. 歐(ou)拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗日模型歐(ou)拉(la)(la)－
拉格朗日(ri)離(li)散相模(mo)型(xing)(xing)是在(zai)歐拉模(mo)型(xing)(xing)的基礎(chu)上(shang)，將(jiang)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)相處理成離(li)散相，而流體(ti)相處理為連續相。根據球型(xing)(xing)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)的受力分析，基于(yu)(yu)牛頓第二定律，建(jian)(jian)立(li)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)運(yun)動(dong)模(mo)型(xing)(xing)，并(bing)與鋼液凝(ning)固(gu)模(mo)型(xing)(xing)耦合，從而模(mo)擬夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)在(zai)凝(ning)固(gu)過程(cheng)運(yun)動(dong)行為。該模(mo)型(xing)(xing)可以(yi)跟蹤每個夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)顆粒并(bing)獲得其速(su)度、運(yun)動(dong)軌跡以(yi)及夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)去除過程(cheng)中的動(dong)力學(xue)行為。此外(wai)，該模(mo)型(xing)(xing)是基于(yu)(yu)離(li)散相體(ti)積(ji)比(bi)例相對較低的基本假(jia)設而建(jian)(jian)立(li)。
夾雜物(wu)在鋼液(ye)中的(de)運(yun)(yun)動，主(zhu)要是各種力(li)(li)(li)的(de)共同作用造成(cheng)的(de)。夾雜物(wu)在鋼液(ye)中受力(li)(li)(li)情況如圖2-137所示。可以看出(chu)，夾雜物(wu)顆粒(li)受到(dao)主(zhu)要作用力(li)(li)(li)分別為：由(you)于(yu)顆粒(li)自身(shen)性質(zhi)引起的(de)力(li)(li)(li)，如重力(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)等；由(you)于(yu)顆粒(li)與流(liu)體之間存(cun)在相對運(yun)(yun)動而(er)產生的(de)力(li)(li)(li)，如升力(li)(li)(li)（Saffman)、附加質(zhi)量力(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)和Magnus力(li)(li)(li)等；細小夾雜物(wu)在高溫條(tiao)件下受的(de)布朗（Brown)力(li)(li)(li)等。
（1)曳力。
在(zai)鋼液流(liu)場(chang)內黏(nian)性(xing)流(liu)體(ti)與顆(ke)粒之間存在(zai)相(xiang)對運(yun)動，由黏(nian)性(xing)流(liu)體(ti)施加(jia)的曳(ye)力使得夾雜(za)物顆(ke)粒趨向于跟隨流(liu)體(ti)運(yun)動。曳(ye)力是夾雜(za)物顆(ke)粒在(zai)凝固過程(cheng)中的主要受力之一。計算公式如下：
（2)浮(fu)力和(he)重(zhong)力。
在豎直方向上，夾雜物顆粒受到與相對運動無(wu)關的力(li)(li)，包括(kuo)重力(li)(li)和浮(fu)力(li)(li)，其
（3)附加質量力。
當(dang)鋼(gang)液與夾(jia)雜物顆(ke)(ke)粒存在相對運(yun)動時，夾(jia)雜物顆(ke)(ke)粒會帶動其附(fu)近(jin)的(de)部分(fen)鋼(gang)液做(zuo)加(jia)速運(yun)動，此時推動夾(jia)雜物顆(ke)(ke)粒運(yun)動的(de)力(li)(li)大于其顆(ke)(ke)粒本身(shen)慣性(xing)力(li)(li)，這部分(fen)大于夾(jia)雜物顆(ke)(ke)粒本身(shen)慣性(xing)力(li)(li)的(de)力(li)(li)即(ji)為附(fu)加(jia)質量(liang)力(li)(li)。其計算公式為
通過運(yun)用歐拉－拉格朗日(ri)模(mo)型對(dui)鋼(gang)液凝(ning)固(gu)過程(cheng)進行模(mo)擬計(ji)算時，可以(yi)得出隨著溫度場和(he)流場的變化，每個球形(xing)夾雜物顆(ke)粒在(zai)鋼(gang)液中的運(yun)動軌跡和(he)分布。
b. 歐拉(la)－歐拉(la)模型
拉(la)(la)格朗日(ri)模型是(shi)研(yan)究夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆粒在(zai)(zai)鋼液中運動行(xing)為主(zhu)要的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法，但在(zai)(zai)實際(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)應用中存在(zai)(zai)一些不足，例如，拉(la)(la)格朗日(ri)模型是(shi)針對單一粒子(zi)進行(xing)計算(suan)(suan)，當同時追蹤多個粒子(zi)時，計算(suan)(suan)量過(guo)大，難以進行(xing)。相(xiang)(xiang)較于(yu)拉(la)(la)格朗日(ri)模型，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模型中夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)控制方(fang)(fang)程(cheng)與流體(ti)連續相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)控制方(fang)(fang)程(cheng)相(xiang)(xiang)似，運算(suan)(suan)相(xiang)(xiang)對高效，能夠同時描述(shu)多種夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆粒在(zai)(zai)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)特(te)征。歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模型與歐(ou)(ou)拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗日(ri)模型相(xiang)(xiang)比，主(zhu)要差(cha)別是(shi)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)動量方(fang)(fang)程(cheng)存在(zai)(zai)差(cha)別，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模型的(de)(de)(de)(de)(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)動量方(fang)(fang)程(cheng)表達式(shi)為
2. 模鑄過程中(zhong)夾雜物的受力分(fen)析
模鑄過程(cheng)中，夾雜物所受作(zuo)用力(li)(li)包括熱浮力(li)(li)、重力(li)(li)、附(fu)加質(zhi)量力(li)(li)、升力(li)(li)以(yi)及(ji)相間作(zuo)用力(li)(li)等，具體受力(li)(li)情況如圖2-138所示。
流場對夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)分布有關(guan)(guan)鍵影響，這直接歸因于作用(yong)于夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)阻(zu)力(li)(li)(li)。以(yi)0.1MPa下H13鑄錠(ding)凝固(gu)為(wei)例，鋼(gang)液、夾(jia)(jia)(jia)雜物和(he)(he)等軸(zhou)晶的(de)(de)(de)(de)流場和(he)(he)速率均顯示(shi)在(zai)(zai)圖(tu)(tu)2-139中(zhong)(zhong)。隨著凝固(gu)的(de)(de)(de)(de)進行(xing)(xing)，鋼(gang)液受熱(re)浮(fu)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)逆時(shi)針運(yun)(yun)動(dong)，如圖(tu)(tu)2-139(a)所示(shi)。同時(shi)，隨著重(zhong)力(li)(li)(li)和(he)(he)浮(fu)力(li)(li)(li)合(he)(he)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增加，等軸(zhou)晶的(de)(de)(de)(de)沉降(jiang)連續發生在(zai)(zai)柱狀晶（tip)的(de)(de)(de)(de)尖端，如圖(tu)(tu)2-139(b)所示(shi)。如圖(tu)(tu)2-139(c)所示(shi)，夾(jia)(jia)(jia)雜物流場中(zhong)(zhong)出(chu)現(xian)逆時(shi)針運(yun)(yun)動(dong)，與鋼(gang)液相(xiang)似。這種運(yun)(yun)動(dong)行(xing)(xing)為(wei)主要是由作用(yong)在(zai)(zai)夾(jia)(jia)(jia)雜物上的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)力(li)(li)(li)引(yin)起的(de)(de)(de)(de)。根據模擬結果，凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)重(zhong)力(li)(li)(li)，浮(fu)力(li)(li)(li)和(he)(he)阻(zu)力(li)(li)(li)在(zai)(zai)改變夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)行(xing)(xing)為(wei)中(zhong)(zhong)起著關(guan)(guan)鍵作用(yong)，因為(wei)它們比附加質量力(li)(li)(li)和(he)(he)升力(li)(li)(li)大了三個(ge)數(shu)量級。重(zhong)力(li)(li)(li)和(he)(he)浮(fu)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)方向均為(wei)垂直方向，因為(wei)夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)密(mi)度低于液體的(de)(de)(de)(de)密(mi)度，故(gu)其合(he)(he)力(li)(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)(de)方向垂直向上，如圖(tu)(tu)2-139(d)所示(shi)。
在整個凝固過程中，Fbg保持(chi)不(bu)變，并(bing)使夾(jia)雜(za)物上(shang)浮。相比之下(xia)(xia)，曳力(li)(li)Fdp是(shi)向下(xia)(xia)的(de)力(li)(li)，具有驅動(dong)夾(jia)雜(za)物向下(xia)(xia)沉的(de)能力(li)(li)。并(bing)且其變化是(shi)復(fu)雜(za)的(de)。根據(ju)等式（2-204)可知，曳力(li)(li)與(yu)鋼液和夾(jia)雜(za)物之間的(de)速(su)(su)度差密切相關。在頂部(bu)和底部(bu)，鋼液和夾(jia)雜(za)物速(su)(su)度差很小，與(yu)Fbg相比，Fdp可以忽略不(bu)計。在柱(zhu)狀(zhuang)晶尖端附近(jin)的(de)曳力(li)(li)Fdp大于(yu)Fbg,是(shi)導致夾(jia)雜(za)物下(xia)(xia)沉的(de)關鍵因素。在鑄錠的(de)中心，Fdp小于(yu)Fbg,Fbg占主導，促使夾(jia)雜(za)物上(shang)浮。因此(ci)，模鑄過程中夾(jia)雜(za)物形(xing)成(cheng)逆時針(zhen)運動(dong)，這主要是(shi)由重力(li)(li)、浮力(li)(li)和曳力(li)(li)的(de)綜(zong)合作用(yong)所驅動(dong)。
3. 模鑄過程中壓力(li)對(dui)夾雜物(wu)分布的(de)影響(xiang)
利(li)用(yong)歐拉(la)－歐拉(la)模型在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)獲(huo)(huo)(huo)得了H13鑄錠(ding)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)體積(ji)分(fen)數的(de)(de)(de)等值線，如圖(tu)2-140所(suo)(suo)示。每個鑄錠(ding)中(zhong)都存在(zai)三個主(zhu)要的(de)(de)(de)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)（I、和III),其(qi)中(zhong)，II區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)度最(zui)低，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)度最(zui)高(gao)，I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)次之(zhi)。三個夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)主(zhu)要由夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)逆時(shi)(shi)針運(yun)動(dong)(dong)以(yi)及(ji)被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕(bu)集(ji)的(de)(de)(de)綜合(he)作用(yong)所(suo)(suo)導致。以(yi)0.1MPa 壓力下(xia)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)分(fen)布為例，遠(yuan)離糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)在(zai)逆時(shi)(shi)針運(yun)動(dong)(dong)過(guo)程(cheng)中(zhong)逐漸上浮并富(fu)(fu)(fu)集(ji)到鑄錠(ding)頂部，如圖(tu) 2-140(c)所(suo)(suo)示。鑄錠(ding)頂部富(fu)(fu)(fu)集(ji)的(de)(de)(de)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)一部分(fen)被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕(bu)獲(huo)(huo)(huo)，形成了I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，其(qi)余部分(fen)沿逆時(shi)(shi)針方向(xiang)(xiang)移(yi)動(dong)(dong)，運(yun)動(dong)(dong)方向(xiang)(xiang)幾乎垂(chui)直于糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)量(liang)。與(yu)之(zhi)相(xiang)比(bi)，在(zai)II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內，夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)運(yun)動(dong)(dong)方向(xiang)(xiang)與(yu)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)量(liang)成鈍(dun)角(jiao)，因而(er)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)更加趨(qu)向(xiang)(xiang)于被(bei)II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)所(suo)(suo)捕(bu)獲(huo)(huo)(huo)，如圖(tu)2-141所(suo)(suo)示，導致夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)II和III的(de)(de)(de)形成。同(tong)時(shi)(shi)，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)程(cheng)度最(zui)高(gao)，原因是糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)較寬(kuan)，糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)捕(bu)獲(huo)(huo)(huo)能力越強，富(fu)(fu)(fu)集(ji)趨(qu)勢更明顯。
隨著(zhu)壓力從0.1MPa增加(jia)(jia)(jia)到(dao)2MPa,I、II和III區夾雜(za)物的富(fu)集度降低(di)，如2-140(b)所示，夾雜(za)物體積(ji)分(fen)數的最大(da)增量(liang) 4max隨壓力的增加(jia)(jia)(jia)而減小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分(fen)別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明隨著(zhu)凝(ning)固壓力增加(jia)(jia)(jia)至(zhi)2MPa,鑄(zhu)錠中(zhong)夾雜(za)物分(fen)布更加(jia)(jia)(jia)均勻。
糊狀區(qu)(qu)(qu)(qu)捕獲夾雜(za)(za)物和(he)(he)(he)夾雜(za)(za)物從糊狀區(qu)(qu)(qu)(qu)逃脫的(de)能力對夾雜(za)(za)物分布至關重要。結合液相(xiang)線／固(gu)相(xiang)線溫(wen)度(du)隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)變(bian)化(hua)(hua)規律(lv)可知，凝(ning)固(gu)區(qu)(qu)(qu)(qu)間變(bian)化(hua)(hua)很小，當壓(ya)(ya)力從0.1MPa增(zeng)加(jia)到2MPa時可以忽略不計。因此，糊狀區(qu)(qu)(qu)(qu)寬度(du)主要由溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)決定。如(ru)圖2-142(b)所示，由于增(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)力后提高了冷卻(que)速率導致(zhi)高壓(ya)(ya)下溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)更大。在較(jiao)高壓(ya)(ya)力下，糊狀區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)的(de)長(chang)度(du)變(bian)短［150].另外，以圖2-142(a)中(zhong)的(de)A點為例，凝(ning)固(gu)時間隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)加(jia)而(er)顯(xian)著減(jian)少，在0.1MPa、1MPa和(he)(he)(he)2MPa下分別為292s、272s和(he)(he)(he)247s,凝(ning)固(gu)速率隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)。進而(er)表明，在較(jiao)高的(de)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力下糊狀區(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)長(chang)度(du)較(jiao)小且凝(ning)固(gu)速率較(jiao)高，因此糊狀區(qu)(qu)(qu)(qu)捕獲夾雜(za)(za)物的(de)能力變(bian)弱。
A、B和(he)(he)C點夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)隨液相(xiang)(xiang)體(ti)積(ji)分(fen)數的(de)(de)變化(hua)(hua)如圖2-143所示。高(gao)溫度(du)梯度(du)通(tong)過增(zeng)(zeng)大(da)(da)熱浮力(li)(li)來強化(hua)(hua)鋼液對(dui)流。另外，研究了糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)中夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)速(su)度(du)隨曳力(li)(li)改的(de)(de)相(xiang)(xiang)應變化(hua)(hua)。凝固初期(qi)(qi)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)中的(de)(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)運動速(su)度(du)隨著(zhu)壓力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而增(zeng)(zeng)大(da)(da)，在凝固后期(qi)(qi)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)內夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)幾乎完全(quan)停(ting)止運動時(shi)液相(xiang)(xiang)體(ti)積(ji)分(fen)數隨著(zhu)壓力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而降低。以點A為例，凝固初期(qi)(qi)（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)分(fen)別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)(he)1.52×10-3m/s.當糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)速(su)度(du)降低到5x10-5m/s時(shi)，0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)的(de)(de)液相(xiang)(xiang)體(ti)積(ji)分(fen)數分(fen)別為0.74、0.68和(he)(he)0.62.這(zhe)意(yi)味著(zhu)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)從(cong)糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)逸(yi)出的(de)(de)能力(li)(li)隨壓力(li)(li)增(zeng)(zeng)加(jia)而增(zeng)(zeng)強。
綜上所述，增(zeng)加(jia)壓力(li)可以顯著抑制糊狀(zhuang)區(qu)中(zhong)夾雜(za)物(wu)的(de)富集，并通過(guo)降低(di)糊狀(zhuang)區(qu)捕獲夾雜(za)物(wu)的(de)能(neng)力(li)，提高夾雜(za)物(wu)從(cong)糊狀(zhuang)區(qu)中(zhong)逸出(chu)的(de)能(neng)力(li)，使鑄(zhu)錠內夾雜(za)物(wu)分布更加(jia)均勻(yun)。
