壓(ya)力(li)對(dui)鑄錠的凝(ning)(ning)固相變和(he)組(zu)織(zhi)有十分重要的影響，如壓(ya)力(li)能提高晶(jing)粒形核(he)速率(lv)，減小臨界形核(he)半徑，增大(da)冷(leng)卻速率(lv)，細化枝晶(jing)組(zu)織(zhi)，減輕或(huo)消除凝(ning)(ning)固缺陷（疏松、縮孔(kong)、氣孔(kong)和(he)偏析）以及改變析出相形貌和(he)類型等(deng)。由于鋼鐵材料固／液(ye)相線溫度較高，加壓(ya)難(nan)度相對(dui)較大(da)，不過，較低壓(ya)力(li)依(yi)然具(ju)有改善鑄型和(he)鑄錠間換熱條件、打破液(ye)相中氮氣泡等(deng)壓(ya)力(li)平衡的能力(li)，進(jin)而達到改善鋼鐵凝(ning)(ning)固組(zu)織(zhi)，減輕或(huo)消除凝(ning)(ning)固缺陷等(deng)目的。
一、枝晶組(zu)織
枝晶組織的出現和(he)生(sheng)長(chang)與液相中的成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷密不可分(fen)(fen)，當凝(ning)(ning)固(gu)界(jie)面(mian)出現擾動(dong)導致(zhi)液相出現局部成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷時，液相中就具備了(le)促使界(jie)面(mian)發生(sheng)波動(dong)的驅動(dong)力，進一步增大了(le)凝(ning)(ning)固(gu)界(jie)面(mian)的不穩定性，從而使凝(ning)(ning)固(gu)界(jie)面(mian)從平面(mian)狀向(xiang)樹枝狀轉(zhuan)變，形成(cheng)(cheng)枝晶組織，液相中成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷的判據為(wei)
式中(zhong)，GrL為(wei)(wei)(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)溫度(du)梯度(du)；v為(wei)(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)速率(lv)(lv)；m為(wei)(wei)(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)線斜(xie)率(lv)(lv)；CL為(wei)(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)界(jie)面處液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶質(zhi)的(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)；DL為(wei)(wei)(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶質(zhi)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)；ko為(wei)(wei)(wei)溶質(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)。在(zai)(zai)(zai)不考慮壓(ya)力(li)(li)強化(hua)冷卻(que)（即GrL保持恒(heng)定）情況下(xia)，壓(ya)力(li)(li)可(ke)通過(guo)改變(bian)液(ye)相(xiang)(xiang)線斜(xie)率(lv)(lv)、擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)和(he)溶質(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)等(deng)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)參(can)數(shu)(shu)，改變(bian)枝(zhi)晶(jing)(jing)形貌甚至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)(zu)(zu)成(cheng)。Zhang等(deng)對比(bi)了(le)高(gao)錳(meng)鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)(zai)(zai)常壓(ya)和(he)6GPa下(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)。發現高(gao)錳(meng)鋼(gang)高(gao)壓(ya)下(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)包(bao)含細(xi)小等(deng)軸晶(jing)(jing)和(he)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)，與常壓(ya)下(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)截(jie)然不同（圖(tu)2-107).晶(jing)(jing)粒(li)尺寸(cun)統計結果表明(ming)，高(gao)錳(meng)鋼(gang)在(zai)(zai)(zai)常壓(ya)下(xia)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)尺寸(cun)為(wei)(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)為(wei)(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)力(li)(li)細(xi)化(hua)晶(jing)(jing)粒(li)可(ke)達21倍之多(duo)，主要歸因于增(zeng)加凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)降(jiang)低了(le)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶質(zhi)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)以及增(zeng)大(da)了(le)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能(neng)，進而增(zeng)大(da)了(le)液(ye)相(xiang)(xiang)成(cheng)分(fen)過(guo)冷度(du)，在(zai)(zai)(zai)抑制枝(zhi)晶(jing)(jing)生(sheng)長的(de)(de)(de)同時增(zeng)大(da)了(le)形核率(lv)(lv)［129,153],從而使得高(gao)錳(meng)鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)逐(zhu)步向枝(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)轉變(bian)，且細(xi)化(hua)十分(fen)顯著。Kashchiev和(he)Vasudevan等(deng)的(de)(de)(de)研究表明(ming)。在(zai)(zai)(zai)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)摩(mo)(mo)爾(er)體積(ji)小于液(ye)相(xiang)(xiang)摩(mo)(mo)爾(er)體積(ji)時，加壓(ya)有助于提高(gao)形核率(lv)(lv)，起到細(xi)化(hua)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)作用，大(da)多(duo)數(shu)(shu)金屬合金屬于此類；反之，加壓(ya)將抑制晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)形核，如水(shui)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)成(cheng)冰(bing)。此外，壓(ya)力(li)(li)還能(neng)夠抑制枝(zhi)晶(jing)(jing)沿壓(ya)力(li)(li)梯度(du)方向的(de)(de)(de)生(sheng)長,從而導致枝(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)和(he)微觀偏析(xi)呈現方向性(xing)。
為(wei)了(le)準確地論述(shu)壓(ya)(ya)力(li)對凝固組織(zhi)(zhi)的影(ying)響(xiang)規(gui)律，本節將以(yi)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼和M42工具鋼加壓(ya)(ya)凝固組織(zhi)(zhi)為(wei)例，詳細分(fen)析(xi)壓(ya)(ya)力(li)對枝晶組織(zhi)(zhi)、析(xi)出相等的影(ying)響(xiang)。
1. 柱狀(zhuang)晶向等軸晶轉變(bian)（CET)
鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)織(zhi)主要(yao)由晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)(de)(de)形貌、尺(chi)寸以及(ji)取向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)布(bu)等構成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)，在(zai)合金成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)一定的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)，它主要(yao)取決于鋼液在(zai)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)條件（包(bao)括澆注溫(wen)度(du)和鑄(zhu)型的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)效果等。鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)典型宏觀組(zu)織(zhi)可(ke)分(fen)為三(san)個(ge)區(qu)(qu)(qu)：表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)、柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)以及(ji)中(zhong)(zhong)心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。表層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)是由于鋼液在(zai)鑄(zhu)型的(de)(de)(de)(de)(de)激冷(leng)作用下(xia)，具有(you)較大的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)冷(leng)度(du)，進(jin)(jin)而(er)在(zai)鑄(zhu)型壁面以異(yi)質(zhi)形核(he)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式大量(liang)形核(he)并(bing)長大，最后形成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)細(xi)小的(de)(de)(de)(de)(de)等軸(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)。隨著凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)行(xing)，表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)逐步形成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)金屬(shu)外殼，使(shi)得傳(chuan)(chuan)熱具備單(dan)向(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)，有(you)助于晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒沿(yan)傳(chuan)(chuan)熱方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)生長，呈現出方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)，從(cong)而(er)形成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，也導致(zhi)了(le)表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域窄小，厚度(du)通常為幾(ji)毫米(mi)。在(zai)后續(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)，伴隨著凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)潛熱的(de)(de)(de)(de)(de)釋放，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)前沿(yan)溫(wen)度(du)梯度(du)減(jian)小，傳(chuan)(chuan)熱的(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)向(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)減(jian)弱，成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)過(guo)冷(leng)度(du)增大，進(jin)(jin)而(er)使(shi)得晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒生長的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)減(jian)弱，抑(yi)制了(le)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)生長，同時也促(cu)進(jin)(jin)了(le)鑄(zhu)錠(ding)(ding)心(xin)部異(yi)質(zhi)形核(he)的(de)(de)(de)(de)(de)發生，從(cong)而(er)有(you)助于柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉變，最終形成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。
因(yin)(yin)此(ci)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)有(you)兩類枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組織(zhi)，即等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通(tong)常采用枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)和(he)CET位(wei)(wei)(wei)置對其進行表征。圖2-108(a)給(gei)出了凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)分(fen)別(bie)為0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa的(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)縱(zong)剖面上(shang)的(de)(de)(de)宏觀組織(zhi)；CET位(wei)(wei)(wei)置到(dao)(dao)鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊(bian)部(bu)距(ju)離(li)的(de)(de)(de)統計平(ping)均值分(fen)別(bie)為19.8mm、22.1mm和(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)(zeng)量可達7.6mm,如(ru)圖2-108(b)所示。統計結果表明，隨著壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，CET 位(wei)(wei)(wei)置逐漸(jian)由邊(bian)部(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)移動，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)區(qu)(qu)(qu)域增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，中(zhong)心(xin)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)區(qu)(qu)(qu)域減(jian)小。根據(ju)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)的(de)(de)(de)阻擋判據(ju)可知［156],當(dang)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)處等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數(shu)大(da)于(yu)臨界值時(shi)，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)生長(chang)受到(dao)(dao)抑制而(er)停止，此(ci)時(shi)發(fa)生柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)向(xiang)中(zhong)心(xin)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)。因(yin)(yin)此(ci)，CET轉(zhuan)(zhuan)變(bian)很(hen)大(da)程(cheng)度上(shang)取決于(yu)中(zhong)心(xin)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)和(he)長(chang)大(da)。由于(yu)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)強(qiang)化冷(leng)卻(que)效果十分(fen)明顯，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)加(jia)快了鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)了鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)溫度梯度，從而(er)降低(di)了枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前(qian)沿的(de)(de)(de)成分(fen)過冷(leng)度，此(ci)時(shi)，等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)的(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)和(he)長(chang)大(da)就會(hui)受到(dao)(dao)嚴重(zhong)阻礙(ai)和(he)抑制;反(fan)之，降低(di)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)，有(you)助于(yu)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)(duan)處的(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)和(he)長(chang)大(da)，從而(er)提前(qian)并(bing)加(jia)快了CET.因(yin)(yin)此(ci)，當(dang)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)(dao)1.2MPa時(shi)，壓(ya)力(li)(li)(li)(li)通(tong)過強(qiang)化冷(leng)卻(que)擴(kuo)大(da)了柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，促使CET轉(zhuan)(zhuan)變(bian)位(wei)(wei)(wei)置在徑向(xiang)上(shang)逐漸(jian)由邊(bian)部(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)移動。此(ci)外，在0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)縱(zong)剖面的(de)(de)(de)宏觀組織(zhi)中(zhong)均存在較窄的(de)(de)(de)表層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。
為(wei)了進一步研究(jiu)壓(ya)力(li)(li)對(dui)CET的影響規律，在(zai)不考慮壓(ya)力(li)(li)強化冷卻效果的前(qian)提下(xia)，對(dui)枝晶尖端生長速(su)率v.隨壓(ya)力(li)(li)的變化規律進行理論計(ji)算，可(ke)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(shang)所述，凝(ning)固壓(ya)力的增加會對枝晶尖端(duan)生(sheng)長速率產生(sheng)重要影響(xiang)，且壓(ya)力的增量(liang)越大(da)，影響(xiang)越明顯。結合實驗(yan)和(he)KGT模型理論計算可知，低壓(ya)下，當凝(ning)固壓(ya)力從0.5MPa 增加至1.2MPa時，壓(ya)力主要通過強化(hua)冷卻的方式，使(shi)得鑄錠CET位(wei)置逐漸由邊部向心部移動(dong)。
2. 枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)
相鄰同(tong)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂之間(jian)(jian)(jian)的(de)垂直距(ju)(ju)(ju)離稱(cheng)為枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)的(de)大小(xiao)表(biao)征了(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組織細化程度，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)越小(xiao)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組織越細密(mi)［162],通(tong)常考(kao)慮的(de)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)有一次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)入(ru)1和二次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)λ2.一次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)與(yu)凝固速(su)率v和溫度梯度Gr的(de)關系(xi)為
由(you)式（2-191)可知，合金體系(xi)一定(ding)時(shi)，分析局部(bu)區(qu)域(yu)冷卻速(su)率v.和(he)溫度梯(ti)(ti)度Gr隨壓(ya)力(li)的變化趨勢，有助于(yu)闡明壓(ya)力(li)對(dui)一次枝晶(jing)(jing)間距(ju)λ1的影響(xiang)規(gui)律(lv)。因局部(bu)區(qu)域(yu)冷卻速(su)率vc和(he)溫度梯(ti)(ti)度Gr的測量難度較大，可用模(mo)擬(ni)計算的方式獲得。在不(bu)同凝固(gu)壓(ya)力(li)下的組織模(mo)擬(ni)過程中，不(bu)考慮疏松縮孔對(dui)晶(jing)(jing)區(qu)分布的影響(xiang)，模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)如圖2-110所示。為(wei)(wei)(wei)了更準確地找到CET位置，使用平均縱橫比(bi)（晶(jing)(jing)粒(li)(li)最短邊與(yu)最長邊的比(bi)率）來(lai)區(qu)分柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)和(he)等軸(zhou)晶(jing)(jing)：當晶(jing)(jing)粒(li)(li)的縱橫比(bi)大于(yu)0.4時(shi)，晶(jing)(jing)粒(li)(li)為(wei)(wei)(wei)等軸(zhou)晶(jing)(jing)；當晶(jing)(jing)粒(li)(li)的縱橫比(bi)小于(yu)0.4時(shi)，則為(wei)(wei)(wei)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)。根(gen)據阻擋判據，等軸(zhou)晶(jing)(jing)體積分數(shu)的臨界值設定(ding)為(wei)(wei)(wei)0.49，以此作為(wei)(wei)(wei)依據，19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)在0.5MPa、0.85MPa 和(he)1.2MPa 壓(ya)力(li)下，CET 位置在徑向上(shang)離(li)鑄(zhu)錠邊部(bu)的平均距(ju)離(li)分別為(wei)(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄錠(ding)底部(bu)溫度梯度 Gr和(he)(he)冷卻速率v.隨(sui)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)變化規律，如(ru)圖2-111所示(shi)。在某一(yi)壓力(li)條件(jian)下，vc和(he)(he)Gr沿徑向(xiang)由鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)到心部(bu)均呈現逐漸(jian)減(jian)(jian)小的(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，結合式(shi)（2-190)可知(zhi)，一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)入(ru)(ru)1與v.和(he)(he)Gr成反比，因而1沿徑向(xiang)由邊(bian)部(bu)到心部(bu)逐漸(jian)增(zeng)大(da)(da)。當(dang)壓力(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時，在壓力(li)強(qiang)化冷卻的(de)(de)(de)(de)作用(yong)下，鑄錠(ding)內各單(dan)元(yuan)體的(de)(de)(de)(de)vc和(he)(he)Gr隨(sui)之(zhi)增(zeng)大(da)(da)，且對(dui)鑄錠(ding)邊(bian)緣處的(de)(de)(de)(de)單(dan)元(yuan)體影響最大(da)(da)，在沿徑向(xiang)向(xiang)心部(bu)移動的(de)(de)(de)(de)過程中(zhong)，壓力(li)對(dui)vc和(he)(he)Gr的(de)(de)(de)(de)影響逐步減(jian)(jian)弱。結合式(shi)（2-190)可知(zhi)，一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)入(ru)(ru)1隨(sui)著vc和(he)(he)Gr的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)呈冪函數減(jian)(jian)小。因此，隨(sui)著壓力(li)增(zeng)加(jia)，一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)入(ru)(ru)1減(jian)(jian)小，且越靠近鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)，入(ru)(ru)減(jian)(jian)小趨勢(shi)越明顯，即壓力(li)對(dui)柱狀晶(jing)一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)影響大(da)(da)于(yu)中(zhong)心等軸(zhou)晶(jing)區。
由邊(bian)部(bu)到心(xin)部(bu)逐漸增大(da)，結合式（2-192)可(ke)知，鑄(zhu)錠心(xin)部(bu)的二(er)次(ci)枝晶間(jian)距(ju)入(ru)2大(da)于邊(bian)部(bu)；壓力從0.5MPa增加至1.2MPa時，LST明顯(xian)減小(xiao)，二(er)次(ci)枝晶間(jian)距(ju)入(ru)2也(ye)隨之減小(xiao)。
圖(tu)2-112 不同(tong)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)距(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠底部130mm處(chu)(chu)LST計(ji)算值由(you)于等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)臂彼此(ci)相(xiang)(xiang)交且(qie)沿徑向以幾(ji)乎相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)(de)速率向四(si)周生(sheng)長，同(tong)時(shi)不同(tong)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間不存在任何確定的(de)(de)位向關系，難以通(tong)過實(shi)驗對(dui)(dui)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)進行(xing)測量，因此(ci)只對(dui)(dui)CET前柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)進行(xing)測量。圖(tu)2-113給出(chu)了距(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠底部115mm的(de)(de)高度處(chu)(chu)一(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)入(ru)1和(he)(he)(he)二(er)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)x2的(de)(de)變化(hua)規律，在某一(yi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，沿徑向由(you)鑄(zhu)錠邊部向心部移動的(de)(de)過程中，1和(he)(he)(he)x2逐漸增(zeng)大；當壓(ya)(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時(shi)，1和(he)(he)(he)入(ru)2均呈(cheng)減(jian)小的(de)(de)趨勢。基于埋設熱電偶的(de)(de)測溫(wen)結(jie)果(guo)和(he)(he)(he)式（2-195)可得，2nd和(he)(he)(he)4h測溫(wen)位置處(chu)(chu)局部凝固(gu)時(shi)間隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)縮短，如圖(tu)2-113(a)所示，從(cong)而(er)導(dao)致x2的(de)(de)減(jian)小。對(dui)(dui)比可知，枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)（λ和(he)(he)(he)ん）和(he)(he)(he)局部凝固(gu)時(shi)間沿徑向和(he)(he)(he)隨壓(ya)(ya)力(li)變化(hua)趨勢的(de)(de)實(shi)驗與模擬(ni)結(jie)果(guo)一(yi)致。
綜(zong)上所述，增加壓力能夠明顯減小枝晶間距(ju)（x1和(he)x2),縮短(duan)局部凝固時間，細化(hua)凝固組織。鑄錠(ding)邊部和(he)心(xin)部試樣的(de)枝晶形貌(mao)如圖2-114所示，進一(yi)步佐證了(le)增加壓力具(ju)有明顯細化(hua)枝晶組織的(de)作用，且(qie)對柱狀晶的(de)影響大(da)于中心(xin)等軸晶。
3. 晶粒(li)數
鑄錠(ding)內(nei)晶(jing)粒數與晶(jing)粒臨界(jie)形(xing)核半(ban)(ban)徑(jing)(jing)和形(xing)核率有直(zhi)接的關系，晶(jing)粒臨界(jie)形(xing)核半(ban)(ban)徑(jing)(jing)為：
其中，Nm為(wei)與液相線溫度(du)、凝(ning)(ning)固潛(qian)熱、擴散(san)激(ji)活能(neng)以及表(biao)面張力有關(guan)的系(xi)數(shu)。圖2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄錠等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)隨(sui)(sui)壓(ya)力的變化(hua)規律。壓(ya)力從0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到1.2MPa時，中心(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)的寬(kuan)度(du)逐漸減小，最(zui)小值為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄錠180mm(高）x56mm(寬(kuan)）等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)隨(sui)(sui)壓(ya)力的變化(hua)規律如圖2-115所示。當(dang)凝(ning)(ning)固壓(ya)力從0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到0.85MPa時，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)目從9166增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到9551;當(dang)凝(ning)(ning)固壓(ya)力進(jin)一步增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到1.2MPa時，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)目增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到10128.因(yin)此，提(ti)高凝(ning)(ning)固壓(ya)力，鑄錠等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大。
在低壓(ya)下，如壓(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)至(zhi)1.2MPa時，液相(xiang)線溫(wen)度(du)(du)(du)(du)、凝固(gu)潛(qian)熱(re)、擴散激活能以(yi)及表(biao)面(mian)張力(li)(li)的(de)變量非常小，幾乎可以(yi)忽略，這(zhe)樣可以(yi)假設(she)Nm在0.5MPa、晶粒(li)(li)數(shu)0.85MPa和(he)1.2MPa下相(xiang)等(deng)，近(jin)似為常數(shu)。提高壓(ya)力(li)(li)能夠明(ming)顯(xian)地增(zeng)(zeng)(zeng)大鑄(zhu)錠的(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)越大，單位(wei)時間內從糊狀區(qu)內導出結晶潛(qian)熱(re)的(de)量越大，進(jin)而(er)提高了糊狀區(qu)內過冷(leng)度(du)(du)(du)(du)；反(fan)之亦然，這(zhe)意味著糊狀區(qu)過冷(leng)度(du)(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)變化趨(qu)勢(shi)相(xiang)同，即隨著壓(ya)力(li)(li)的(de)提高而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大。結合式(shi)(shi)（2-193)和(he)式(shi)(shi)（2-197)可知(zhi)，隨著糊狀區(qu)內過冷(leng)度(du)(du)(du)(du)ΔT的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，晶粒(li)(li)臨界形核半徑rk減(jian)小，形核率Na增(zeng)(zeng)(zeng)大，有(you)助于提高鑄(zhu)錠內晶粒(li)(li)數(shu)。因此，增(zeng)(zeng)(zeng)加壓(ya)力(li)(li)有(you)利于增(zeng)(zeng)(zeng)加晶粒(li)(li)數(shu)。
距(ju)離(li)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠(ding)底部(bu)130mm的(de)(de)(de)高(gao)度(du)(du)處，晶(jing)(jing)粒數隨(sui)壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變化規(gui)律如圖(tu)2-116所示(shi)。在(zai)某一凝固壓力(li)(li)(li)下，鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒數目最大(da)，隨(sui)著(zhu)離(li)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)距(ju)離(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，由(you)于糊狀(zhuang)區內(nei)過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)(de)減小，晶(jing)(jing)粒數也隨(sui)之減少。隨(sui)著(zhu)壓力(li)(li)(li)提高(gao)，晶(jing)(jing)粒數均(jun)呈增(zeng)(zeng)大(da)趨(qu)勢(shi)，且柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區內(nei)軸(zhou)向(xiang)切片上晶(jing)(jing)粒數的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)于中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區。因(yin)為在(zai)壓力(li)(li)(li)強化冷(leng)卻的(de)(de)(de)作用下，整個鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)均(jun)有增(zeng)(zeng)大(da)趨(qu)勢(shi)，導致(zhi)糊狀(zhuang)區內(nei)過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加。同時，由(you)于距(ju)離(li)鑄(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)型(xing)換(huan)熱界(jie)面越(yue)近(jin)，溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)受界(jie)面換(huan)熱的(de)(de)(de)影響越(yue)大(da)，鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)隨(sui)壓力(li)(li)(li)變化趨(qu)勢(shi)越(yue)明(ming)顯(xian)，進而(er)增(zeng)(zeng)加凝固壓力(li)(li)(li)，鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)于心部(bu)，從(cong)而(er)導致(zhi)離(li)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)較近(jin)的(de)(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區內(nei)晶(jing)(jing)粒數的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)于中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區。
二、疏(shu)松縮(suo)孔
鑄錠(ding)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)疏松縮(suo)孔的(de)基本原因是(shi)鑄錠(ding)從澆注(zhu)溫(wen)度(du)(du)冷(leng)卻至(zhi)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)時(shi)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)(ti)收縮(suo)（液(ye)態收縮(suo)和凝固(gu)(gu)(gu)收縮(suo)之和）大于固(gu)(gu)(gu)態收縮(suo)。當鋼(gang)液(ye)從澆注(zhu)溫(wen)度(du)(du)冷(leng)卻至(zhi)液(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)時(shi)所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)(ti)收縮(suo)為液(ye)態收縮(suo)，鋼(gang)液(ye)進一(yi)步從液(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)冷(leng)卻至(zhi)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)時(shi)（即發生(sheng)(sheng)(sheng)凝固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)變時(shi)）所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)(ti)收縮(suo)為凝固(gu)(gu)(gu)收縮(suo)［87],固(gu)(gu)(gu)態收縮(suo)是(shi)指固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)在冷(leng)卻過程中(zhong)所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)體(ti)(ti)收縮(suo)。疏松縮(suo)孔的(de)出現(xian)嚴重降(jiang)低了鑄錠(ding)的(de)力學(xue)和耐腐蝕性能以及成材率，是(shi)鑄錠(ding)的(de)嚴重缺陷之一(yi)。
在凝固(gu)過程中(zhong)鑄錠內(nei)出(chu)現體積小而彌散的(de)(de)空(kong)洞為(wei)疏松(song)，體積大且(qie)(qie)集中(zhong)的(de)(de)為(wei)縮(suo)(suo)孔。疏松(song)由(you)在糊狀區內(nei)液(ye)相(xiang)體積分(fen)數降到一定程度時，液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)(dong)困難，液(ye)態(tai)收縮(suo)(suo)與(yu)凝固(gu)收縮(suo)(suo)之和超過固(gu)態(tai)收縮(suo)(suo)的(de)(de)那部(bu)分(fen)收縮(suo)(suo)量無法得到補縮(suo)(suo)所導致，因而疏松(song)的(de)(de)形成與(yu)枝晶(jing)間(jian)液(ye)相(xiang)的(de)(de)流(liu)動(dong)(dong)(dong)有密切關聯［72,87].在糊狀區內(nei)，體收縮(suo)(suo)主(zhu)要由(you)凝固(gu)收縮(suo)(suo)組成，且(qie)(qie)為(wei)枝晶(jing)間(jian)液(ye)體流(liu)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)主(zhu)要驅動(dong)(dong)(dong)力(li)，因而枝晶(jing)間(jian)液(ye)相(xiang)的(de)(de)流(liu)速(su)u可表(biao)示為(wei)
式中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為鋼液靜壓(ya)力(li)(li)，Pf=pgh;Ps為凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)）。結合式（2-202)可知(zhi)，增加凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)，Px增大，強化(hua)了枝晶間液相(xiang)的補縮(suo)能力(li)(li)，進而有助于避(bi)免疏松的形成［91].此外(wai)，糊狀(zhuang)(zhuang)區越(yue)寬，枝晶網狀(zhuang)(zhuang)結構越(yue)復雜(za)，枝晶間補縮(suo)的距離越(yue)長阻力(li)(li)越(yue)大，滲透率K越(yue)小，疏松越(yue)容易形成。因此，疏松易于在(zai)糊狀(zhuang)(zhuang)區較(jiao)寬的鑄(zhu)錠以體(ti)積凝(ning)(ning)固(gu)(gu)或同時凝(ning)(ning)固(gu)(gu)方式凝(ning)(ning)固(gu)(gu)時形成。相(xiang)比之下，縮(suo)孔(kong)傾向于在(zai)糊狀(zhuang)(zhuang)區較(jiao)窄(zhai)的鑄(zhu)錠以逐(zhu)層凝(ning)(ning)固(gu)(gu)方式的凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過程(cheng)中出(chu)現。
不同(tong)凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)（0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)縱剖面上疏(shu)松縮孔的(de)分布(bu)情況如圖2-117所示。隨著(zhu)凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)增(zeng)(zeng)加，疏(shu)松和(he)(he)(he)(he)縮孔的(de)總面積大(da)(da)(da)幅度(du)減小，且(qie)疏(shu)松逐漸消失。由于(yu)(yu)(yu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)具有(you)顯著(zhu)的(de)強化冷卻(que)效果(guo)，增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力(li)，強化了(le)鑄(zhu)錠(ding)和(he)(he)(he)(he)鑄(zhu)型間(jian)(jian)的(de)界(jie)面換熱(re)，加快了(le)鑄(zhu)錠(ding)的(de)冷卻(que)速率(lv)，從(cong)而增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)鑄(zhu)錠(ding)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)Gr;在合金體系一(yi)定的(de)情況下(xia)，糊狀(zhuang)(zhuang)區隨之(zhi)確定，那(nei)么糊狀(zhuang)(zhuang)區的(de)寬度(du)隨溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)Gr的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)而減小171],進而導致枝晶網狀(zhuang)(zhuang)結(jie)構的(de)形成(cheng)受到抑制。凝(ning)(ning)固方式逐漸由體積凝(ning)(ning)固向逐層(ceng)凝(ning)(ning)固過渡，增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)滲(shen)透率(lv)K,從(cong)而降低和(he)(he)(he)(he)縮短(duan)枝晶間(jian)(jian)補縮時液相流動的(de)阻力(li)和(he)(he)(he)(he)距離。此外，基(ji)于(yu)(yu)(yu)以上理論分析并結(jie)合判據式（2-202)可知(zhi)，增(zeng)(zeng)加凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力(li)等效于(yu)(yu)(yu)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)Px,使其遠大(da)(da)(da)于(yu)(yu)(yu)枝晶間(jian)(jian)液相補縮時所需壓(ya)(ya)(ya)力(li)。因此，加壓(ya)(ya)(ya)有(you)利于(yu)(yu)(yu)枝晶間(jian)(jian)液相的(de)補縮行為，且(qie)有(you)助于(yu)(yu)(yu)大(da)(da)(da)幅度(du)減小或(huo)消除(chu)疏(shu)松缺陷。
三(san)、凝固析出相
根據相(xiang)所含非金(jin)屬元素的(de)種類，可將(jiang)凝(ning)固析(xi)(xi)出相(xiang)分為氮化(hua)物(wu)、碳(tan)化(hua)物(wu)等(deng)，與碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)比，氮化(hua)物(wu)尺寸一般較小，為了更加清楚直觀地論述增加壓力對(dui)凝(ning)固析(xi)(xi)出相(xiang)的(de)影響，本節將(jiang)著重(zhong)以(yi)高(gao)速鋼M42中碳(tan)化(hua)物(wu)為例(li)，闡述壓力對(dui)凝(ning)固析(xi)(xi)出相(xiang)的(de)類型(xing)、形貌(mao)、成分等(deng)影響規律(lv)。
高(gao)速鋼(gang)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)數量繁多(duo)、種(zhong)類各(ge)異。不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)特(te)(te)性不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)、成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)、形(xing)貌也(ye)各(ge)有(you)差異；按照碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)貌特(te)(te)征及生成(cheng)(cheng)(cheng)機制的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)，可將高(gao)速鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)分(fen)為一(yi)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)和二(er)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)兩大部分(fen)。一(yi)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)又稱為“初生碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)直接從(cong)液(ye)相中(zhong)(zhong)析出的(de)(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)種(zhong)先共(gong)晶(jing)和共(gong)晶(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，有(you)M6C、M2C、MC等(deng)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)類型(xing)。一(yi)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)尺寸比(bi)較大，屬于微米級別(bie)，在(zai)后續熱(re)加工(gong)和熱(re)處理工(gong)藝中(zhong)(zhong)將被破碎或分(fen)解成(cheng)(cheng)(cheng)尺寸較小的(de)(de)(de)(de)顆粒狀存在(zai)于鋼(gang)中(zhong)(zhong)。二(er)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)是(shi)指(zhi)在(zai)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)或熱(re)處理時(shi)從(cong)固(gu)相基(ji)體(ti)（高(gao)溫鐵素體(ti)、奧氏(shi)體(ti)、馬氏(shi)體(ti)等(deng)）中(zhong)(zhong)析出的(de)(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，分(fen)為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等(deng)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)類型(xing)。高(gao)速鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)波動(dong)范圍(wei)較大，不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)鋼(gang)種(zhong)、不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)條件產生的(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)一(yi)類型(xing)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)也(ye)會(hui)(hui)有(you)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)，甚(shen)至同(tong)(tong)一(yi)粒碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)部位(wei)，也(ye)會(hui)(hui)有(you)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)(de)差異。各(ge)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)貌、成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)及分(fen)布見表2-14.
M2C具有密排六方晶(jing)體結構［172-175,179],其(qi)主要形(xing)(xing)成元素通(tong)常是(shi)鉬(mu)、釩和(he)鎢，鉻及(ji)鐵的(de)含量(liang)則較(jiao)少。M2C 共晶(jing)碳化物一(yi)般以亞(ya)穩(wen)態存(cun)在于(yu)鋼中。尺(chi)寸(cun)較(jiao)小、片層較(jiao)薄(bo)且沒有中間脊骨，在高溫時(shi)易發(fa)生分(fen)解(jie)反(fan)應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)解(jie)成尺(chi)寸(cun)較(jiao)小的(de)顆粒(li)狀M6C和(he)MC。此外，與(yu)M6C相反(fan)，鋼液凝(ning)(ning)固時(shi)的(de)冷卻速(su)率越(yue)快，越(yue)有利于(yu)M2C的(de)形(xing)(xing)成。因此，提高鑄錠凝(ning)(ning)固時(shi)的(de)冷卻速(su)率有利于(yu)促進(jin)M2C的(de)形(xing)(xing)成并細化M2C,同時(shi)可抑制較(jiao)大尺(chi)寸(cun)M6Cl。
M6C具有復雜立方晶體結(jie)構，其結(jie)構中除(chu)碳原(yuan)子以外，鐵、鎢(wu)原(yuan)子約各占一半。M6C屬于(yu)穩定型(xing)碳化物，其形態為粗大(da)的(de)(de)骨(gu)骼狀。鋼(gang)液凝固(gu)(gu)時(shi)冷卻速率越(yue)慢，M6C碳化物越(yue)易于(yu)形成和長大(da)。因此，M6C在高(gao)速鋼(gang)的(de)(de)心(xin)部(bu)往往含量較高(gao)，而邊(bian)部(bu)較少或(huo)沒有。加(jia)快鑄錠(ding)凝固(gu)(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻速率有利于(yu)細化M6C,提(ti)高(gao)鑄錠(ding)性能。
MC具(ju)有面(mian)心立方結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)，化學(xue)式為(wei)MC或者M4C3,其成(cheng)分以釩(fan)為(wei)主。鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)、釩(fan)含(han)量(liang)的(de)增大可使MC增多(duo)(duo)，尺寸(cun)變大。高速鋼中(zhong)還(huan)有M23C6、M3C、M7C3等碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)。M23C6晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)為(wei)復(fu)(fu)(fu)雜面(mian)心立方結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)，具(ju)有一定量(liang)的(de)鎢、鉬，釩(fan)含(han)量(liang)極少(shao)，含(han)有大量(liang)的(de)鉻、鐵(tie)(tie)元素；與(yu)M2C相同，M3C也是(shi)亞(ya)穩態相。M7C3為(wei)復(fu)(fu)(fu)雜六方晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)，含(han)有較多(duo)(duo)的(de)鉻、鐵(tie)(tie)，主要存在(zai)于碳(tan)(tan)(tan)含(han)量(liang)較高的(de)鋼中(zhong)。高速鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)具(ju)有兩個重(zhong)要的(de)特性：硬度和熱穩定性（加熱時溶解、聚集長大的(de)難(nan)度）。這(zhe)些特性反(fan)映了碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)和金屬原(yuan)(yuan)子(zi)結(jie)(jie)(jie)合鍵的(de)強弱，與(yu)原(yuan)(yuan)子(zi)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)和尺寸(cun)有關。碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)的(de)晶(jing)(jing)格結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)與(yu)碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)(yuan)子(zi)半徑rc、金屬原(yuan)(yuan)子(zi)半徑rx有關，如表(biao)2-15所(suo)示，rd/rx值越(yue)大，則越(yue)易形成(cheng)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)復(fu)(fu)(fu)雜的(de)碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)（M23C6、M3C等），越(yue)小則易形成(cheng)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)簡單密堆型碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)（MC等）。表(biao)中(zhong)熔點(dian)可作為(wei)碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)熱穩定性的(de)衡量(liang)指標，可見碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)中(zhong)原(yuan)(yuan)子(zi)尺寸(cun)越(yue)接近，則碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)穩定性越(yue)高。
1. 壓力對萊氏(shi)體的(de)影響
凝固末期，由(you)于(yu)偏析導致合金(jin)元素(su)在枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)殘(can)余液相內富集發(fa)生共晶(jing)(jing)反(fan)應(ying)，從液相中直接生成(cheng)碳化物，它與奧(ao)氏(shi)體(ti)相間(jian)(jian)排列，構成(cheng)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)。因此高速鋼(gang)的(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)往(wang)往(wang)存在于(yu)枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)。圖2-118為M2高速鋼(gang)的(de)低倍鑄態組(zu)(zu)織(zhi)，可見一般情況下，相鄰晶(jing)(jing)粒之間(jian)(jian)的(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)較為細小，數量較少(shao)，而多個晶(jing)(jing)粒之間(jian)(jian)的(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)尺寸較大(da)，數量較多。
高速(su)鋼的(de)萊(lai)氏體(ti)組織(zhi)中含有多種(zhong)類型的(de)碳化物，如(ru)M2C、M6C、MC等。M6C整體(ti)形貌類似魚骨(gu)，故又稱為“魚骨(gu)狀(zhuang)碳化物”，如(ru)圖(tu)2-119所(suo)示(shi)(shi)；M2C成片(pian)層狀(zhuang)，含有M2C的(de)共晶萊(lai)氏體(ti)具有“羽(yu)毛狀(zhuang)”、“扇狀(zhuang)”、“菊花(hua)狀(zhuang)”等形貌，如(ru)圖(tu)2-120所(suo)示(shi)(shi)；MC的(de)生長(chang)時間較(jiao)長(chang)，最(zui)終尺寸較(jiao)為粗大(da)，往往以不(bu)規則(ze)的(de)條(tiao)狀(zhuang)出(chu)現，如(ru)圖(tu)2-120所(suo)示(shi)(shi)。
a. 碳化物種類及分布
高速(su)鋼(gang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)種類與成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)和(he)(he)凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)冷卻(que)速(su)率密不(bu)可分(fen)(fen)。M42 高速(su)工具(ju)鋼(gang)作(zuo)為(wei)高鉬低(di)鎢(wu)鋼(gang)，其(qi)凝固組(zu)織碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)主要(yao)為(wei)M2C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)；另(ling)外含有(you)少(shao)部(bu)分(fen)(fen)M6C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，主要(yao)存在(zai)于鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)心部(bu)區域。圖(tu)2-121~圖(tu)2-123給出了(le)M42高速(su)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)1/4圓(yuan)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)板金相組(zu)織。白(bai)色(se)斑點狀處的(de)(de)(de)萊(lai)氏(shi)體組(zu)織中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)為(wei)具(ju)有(you)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)心脊骨(gu)，脊骨(gu)兩邊具(ju)有(you)平行分(fen)(fen)枝的(de)(de)(de)魚骨(gu)狀M6C.M6C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)尺寸(cun)比(bi)M2C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)粗(cu)大得多且結構上相互連接(jie)緊密，極不(bu)利(li)(li)于鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)后(hou)續碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)破(po)碎，因(yin)此(ci)盡(jin)可能(neng)(neng)減少(shao)或避(bi)免凝固組(zu)織中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)M6C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)產生，有(you)助于提升其(qi)力(li)學性能(neng)(neng)等。隨(sui)著壓力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大，萊(lai)氏(shi)體（白(bai)色(se)斑點）所(suo)占1/4圓(yuan)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)板的(de)(de)(de)面(mian)積(ji)比(bi)例逐(zhu)漸(jian)減小(xiao)，加(jia)壓有(you)助于抑制M6C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)與長大，其(qi)主要(yao)原因(yin)在(zai)于在(zai)較低(di)壓力(li)下(xia)，加(jia)壓對凝固熱力(li)學和(he)(he)動力(li)學參數的(de)(de)(de)影響十分(fen)(fen)有(you)限，但強化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)冷卻(que)效果(guo)十分(fen)(fen)明同時(shi)(shi)凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)冷卻(que)速(su)率越小(xiao)，越有(you)利(li)(li)于魚骨(gu)狀M6C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且M6C越粗(cu)大。因(yin)而增(zeng)加(jia)壓力(li)主要(yao)通過增(zeng)大鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)和(he)(he)鑄(zhu)(zhu)型間界(jie)面(mian)換熱系數，提高鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)冷卻(que)速(su)率從而細化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)并抑制M6C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且當壓力(li)增(zeng)加(jia)到一定程(cheng)度(du)時(shi)(shi)，能(neng)(neng)夠完全抑制富(fu)含M6C的(de)(de)(de)萊(lai)氏(shi)體形(xing)成(cheng)(cheng)，消除其(qi)對組(zu)織和(he)(he)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)不(bu)良影響。
圖2-121(b)所示萊(lai)氏體組織中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化物為(wei)長(chang)條狀(zhuang)(zhuang)或(huo)者短棒狀(zhuang)(zhuang)的(de)(de)(de)(de)M2C.凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)不同(tong)，M2C的(de)(de)(de)(de)尺寸、形(xing)貌以及分(fen)(fen)布的(de)(de)(de)(de)緊(jin)密程(cheng)度等均(jun)有(you)所不同(tong)。在0.1MPa壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，碳(tan)(tan)(tan)化物分(fen)(fen)枝較(jiao)(jiao)少(shao)、片(pian)層較(jiao)(jiao)長(chang)、尺寸較(jiao)(jiao)大(da)、間距較(jiao)(jiao)寬、共晶(jing)萊(lai)氏體與(yu)枝晶(jing)臂的(de)(de)(de)(de)界(jie)面(mian)較(jiao)(jiao)平(ping)整；隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)增加，條狀(zhuang)(zhuang)或(huo)片(pian)層狀(zhuang)(zhuang)碳(tan)(tan)(tan)化物的(de)(de)(de)(de)間距逐漸減小，且開始斷開成(cheng)大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)短棒碳(tan)(tan)(tan)化物，碳(tan)(tan)(tan)化物的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)枝也逐漸增多(duo)，并密集分(fen)(fen)布在枝晶(jing)間，共晶(jing)萊(lai)氏體與(yu)枝晶(jing)臂的(de)(de)(de)(de)界(jie)面(mian)也較(jiao)(jiao)為(wei)粗糙(cao)。此外，三個壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)M2C幾(ji)乎(hu)沒有(you)晶(jing)體缺(que)陷，明壓(ya)(ya)力(li)很難(nan)對碳(tan)(tan)(tan)化物晶(jing)格類型(xing)產生影響。
b. 萊氏體尺寸(cun)
萊氏體(ti)(ti)組織存在(zai)(zai)于枝(zhi)晶間，與(yu)枝(zhi)晶間距(ju)、形(xing)貌及(ji)分布(bu)密切相(xiang)關，枝(zhi)晶間距(ju)越小(xiao)(xiao)，枝(zhi)晶間萊氏體(ti)(ti)尺(chi)寸(cun)也相(xiang)應地(di)細小(xiao)(xiao)且均勻分布(bu)。圖(tu)2-124和圖(tu)2-125給(gei)出了不同壓力條(tiao)件下M42鑄(zhu)(zhu)錠邊(bian)部(bu)和心部(bu)萊氏體(ti)(ti)形(xing)貌和尺(chi)寸(cun)分布(bu)，無論是鑄(zhu)(zhu)錠的邊(bian)部(bu)還(huan)是心部(bu)，尺(chi)寸(cun)不一的萊氏體(ti)(ti)組織（黑色）均分布(bu)在(zai)(zai)枝(zhi)晶間。在(zai)(zai)同一凝固壓力條(tiao)件下，鑄(zhu)(zhu)錠邊(bian)部(bu)的枝(zhi)晶間距(ju)明(ming)顯小(xiao)(xiao)于心部(bu)，因(yin)而心部(bu)萊氏體(ti)(ti)要比邊(bian)部(bu)粗大。
隨著壓力(li)的增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，在(zai)(zai)壓力(li)強(qiang)化(hua)(hua)冷卻的作(zuo)用下(xia)，冷卻速率增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，鑄(zhu)錠(ding)局(ju)(ju)部(bu)(bu)凝固時(shi)(shi)間縮(suo)短(duan)，使得(de)(de)枝(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)得(de)(de)到(dao)了(le)明(ming)顯(xian)(xian)細(xi)化(hua)(hua)且尺(chi)(chi)寸分(fen)布(bu)更(geng)均(jun)(jun)勻(yun)(yun)，進(jin)(jin)而導致分(fen)布(bu)在(zai)(zai)枝(zhi)晶(jing)間的萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)也隨之細(xi)化(hua)(hua)，厚度(du)大(da)(da)(da)(da)大(da)(da)(da)(da)減小且分(fen)布(bu)更(geng)加(jia)均(jun)(jun)勻(yun)(yun)。在(zai)(zai)0.1MPa 壓力(li)下(xia)，無論在(zai)(zai)邊部(bu)(bu)還是心部(bu)(bu)位置，鑄(zhu)錠(ding)的萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)均(jun)(jun)較為粗大(da)(da)(da)(da)，且尺(chi)(chi)寸分(fen)布(bu)極不(bu)均(jun)(jun)勻(yun)(yun)，部(bu)(bu)分(fen)局(ju)(ju)部(bu)(bu)區域(yu)存在(zai)(zai)著大(da)(da)(da)(da)量的黑色萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)，尤其在(zai)(zai)多個枝(zhi)晶(jing)臂交匯處(chu)，且尺(chi)(chi)寸異常粗大(da)(da)(da)(da)。當(dang)壓力(li)增(zeng)加(jia)至(zhi)1MPa時(shi)(shi)，粗大(da)(da)(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)得(de)(de)到(dao)明(ming)顯(xian)(xian)細(xi)化(hua)(hua)，且尺(chi)(chi)寸分(fen)布(bu)更(geng)加(jia)均(jun)(jun)勻(yun)(yun)；當(dang)壓力(li)進(jin)(jin)一步增(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時(shi)(shi)，萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)得(de)(de)到(dao)進(jin)(jin)一步地改善(shan)，組(zu)織(zhi)更(geng)加(jia)細(xi)密，尺(chi)(chi)寸更(geng)加(jia)均(jun)(jun)勻(yun)(yun)，粗大(da)(da)(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)基本消失(shi)。萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)平均(jun)(jun)尺(chi)(chi)寸隨壓力(li)的變(bian)化(hua)(hua)規(gui)律如圖2-126所示，壓力(li)從(cong)0.1MPa增(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時(shi)(shi)，萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)厚度(du)由(you)28.37μm降低至(zhi)22.92μm.因(yin)此，增(zeng)加(jia)壓力(li)能夠(gou)明(ming)顯(xian)(xian)細(xi)化(hua)(hua)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)，改善(shan)其分(fen)布(bu)狀態。
2. 壓力對碳化(hua)物的影(ying)響
a. 碳化物尺寸
以(yi)高速(su)鋼(gang)中(zhong)(zhong)(zhong)M2C共晶碳化(hua)(hua)(hua)物為例，M2C共晶碳化(hua)(hua)(hua)物是通過(guo)(guo)(guo)凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)共晶反應(ying)L→y+M2C產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。和純金屬及固(gu)溶體(ti)(ti)合金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)晶過(guo)(guo)(guo)程一樣，共晶轉變(bian)(bian)同(tong)樣需要經(jing)過(guo)(guo)(guo)形核與(yu)長大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程。結(jie)合式（2-178)和式（2-179),東北大(da)(da)(da)學(xue)特(te)殊鋼(gang)冶(ye)金研(yan)究所(suo)在(zai)控制溫(wen)度不變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，計(ji)算(suan)了不同(tong)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)各(ge)元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)在(zai)兩相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)，探討(tao)凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)與(yu)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活(huo)(huo)能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)。凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)溫(wen)度T=1478K時(shi)，合金元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)（鉬(mu)、鎢、釩和鉻）在(zai)M2C相(xiang)和奧氏體(ti)(ti)相(xiang)γ中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)D隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)規律如圖(tu)2-127和圖(tu)2-128所(suo)示；從(cong)整體(ti)(ti)上看，隨(sui)著壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)逐漸(jian)增大(da)(da)(da)，同(tong)溫(wen)度M2C相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合金元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)鉬(mu)和鎢的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)D呈減小趨(qu)勢，而(er)合金元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)釩和鉻則呈增大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，表(biao)明提(ti)高壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)可增大(da)(da)(da)M2C中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)、鎢元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活(huo)(huo)能ΔGm,進而(er)降低(di)其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能力(li)(li)；同(tong)時(shi)降低(di)釩、鉻元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活(huo)(huo)能ΔGm,從(cong)而(er)提(ti)高其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能力(li)(li)。然而(er)，當壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)在(zai)0.1~2MPa范圍內變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)時(shi)，各(ge)元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)微(wei)乎其(qi)微(wei)，即保持恒定值。隨(sui)著凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)逐漸(jian)增大(da)(da)(da)到50MPa,元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)鉬(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)才開始產(chan)(chan)生(sheng)較為明顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)，鎢、釩和鉻元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)甚至在(zai)100MPa壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)仍未產(chan)(chan)生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)。因此(ci)低(di)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)，元素(su)(su)(su)(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)可忽略不計(ji)。
的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)降低(di)(di)，鉻(ge)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系數則隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)增(zeng)加，如圖(tu)2-128所示(shi)。即增(zeng)大(da)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)具有提高奧(ao)氏體γ相(xiang)中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)鉬、鎢和(he)釩的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)激活能ΔGm,降低(di)(di)其擴(kuo)散(san)能力(li)(li)(li)以及減(jian)小(xiao)(xiao)元(yuan)(yuan)素(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)激活能ΔGm和(he)增(zeng)大(da)其擴(kuo)散(san)能力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)。與M2C差別在(zai)(zai)于，在(zai)(zai)奧(ao)氏體相(xiang)γ中(zhong)，較(jiao)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)便可發(fa)揮(hui)比較(jiao)明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)，例如：當(dang)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)大(da)于2MPa時，元(yuan)(yuan)素(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系數隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)明(ming)顯(xian)增(zeng)大(da)；鉬和(he)釩元(yuan)(yuan)素(su)則在(zai)(zai)10MPa時開始隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)增(zeng)加而(er)明(ming)顯(xian)減(jian)小(xiao)(xiao)。可見，在(zai)(zai)相(xiang)同溫度下，相(xiang)比于M2C相(xiang)，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)釩、鎢、鉬和(he)鉻(ge)在(zai)(zai)奧(ao)氏體γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)情況(kuang)受凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影響更為明(ming)顯(xian)。但在(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)范圍內，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)在(zai)(zai)奧(ao)氏體相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系數幾乎保持不變(bian)（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時，各元(yuan)(yuan)素(su)擴(kuo)散(san)激活能ΔGm也未發(fa)生(sheng)明(ming)顯(xian)變(bian)化。
綜上(shang)所述，在低(di)(di)壓下，影(ying)響M2C形(xing)核率的主要(yao)因素是隨(sui)凝固壓力增大(da)而顯著減小(xiao)的形(xing)核功(gong)。增加凝固壓力可顯著改善換熱條件強化鑄(zhu)錠冷(leng)卻、提高鑄(zhu)錠過冷(leng)度ΔT,進而降低(di)(di)共晶反應過程中(zhong)奧氏(shi)體相γ和(he)M2C相的形(xing)核功(gong)ΔG*,最終增大(da)M2C的形(xing)核率、減小(xiao)M2C相鄰碳(tan)化物的間距。
此外(wai)，增(zeng)加(jia)壓力使M2C形核率(lv)大大增(zeng)加(jia)，同時強化了鑄錠(ding)(ding)冷卻，顯(xian)著(zhu)降低了局部凝(ning)固時間(jian)LST,導致加(jia)壓下鑄錠(ding)(ding)同位置的凝(ning)固相(xiang)對較快(kuai)，M2C共晶(jing)碳化物生長時間(jian)變短，導致M42凝(ning)固組織中M2C碳化物的尺寸減小。這對于后續的熱(re)處理(li)碳化物的溶解具有積極的意義。
圖(tu)2-129為(wei)不同凝固壓(ya)力下M2C共晶碳化(hua)物(wu)在(zai)熱(re)處(chu)(chu)理過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)元(yuan)(yuan)素(su)擴散示(shi)意(yi)圖(tu)。隨(sui)著(zhu)(zhu)凝固壓(ya)力的(de)增(zeng)大，碳化(hua)物(wu)由(you)長條狀轉變(bian)為(wei)短棒狀，在(zai)縱向和橫向上的(de)尺寸均顯(xian)著(zhu)(zhu)減小。因此，在(zai)熱(re)處(chu)(chu)理過(guo)程中(zhong)(zhong)，碳化(hua)物(wu)中(zhong)(zhong)的(de)元(yuan)(yuan)素(su)由(you)內向外擴散的(de)平均距離也相應隨(sui)著(zhu)(zhu)凝固壓(ya)力的(de)增(zeng)大而(er)顯(xian)著(zhu)(zhu)減小，熱(re)處(chu)(chu)理效果更加(jia)明顯(xian)，熱(re)處(chu)(chu)理后M42組織的(de)成(cheng)分更加(jia)均勻(yun)，進而(er)有利于提高M42高速鋼(gang)的(de)質量。
b. 碳(tan)化物成分
M2C的(de)(de)形成元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)主要(yao)包(bao)括(kuo)鉬(mu)、鎢(wu)、釩(fan)(fan)和鉻，其中(zhong)(zhong)鉬(mu)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)是強(qiang)M2C碳化物(wu)形成元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)，也是M2C中(zhong)(zhong)含量最高(gao)的(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)。圖2-130給出了不(bu)同(tong)壓力下M2C中(zhong)(zhong)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)、鎢(wu)、釩(fan)(fan)和鉻含量，隨著壓力的(de)(de)增(zeng)大，M2C上的(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)、鎢(wu)、釩(fan)(fan)和鉻含量均逐(zhu)漸減(jian)小(xiao)，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)則(ze)逐(zhu)漸增(zeng)大；同(tong)時，M2C碳化物(wu)之間基體中(zhong)(zhong)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)含量則(ze)呈現(xian)相反的(de)(de)規(gui)律：鉬(mu)、鎢(wu)、釩(fan)(fan)和鉻元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)含量逐(zhu)漸增(zeng)大，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)減(jian)少。這表明，增(zeng)大的(de)(de)壓力使(shi)得合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)M2C共晶(jing)碳化物(wu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)分布(bu)趨于(yu)均勻(yun)，為后續的(de)(de)處理、熱加(jia)工(gong)工(gong)藝中(zhong)(zhong)碳化物(wu)的(de)(de)破碎、溶解提供(gong)良(liang)好(hao)的(de)(de)基礎。
在高(gao)速(su)鋼(gang)中，M2C共晶碳(tan)化物是通過(guo)凝固(gu)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)共晶反(fan)應L→M2C+y產生的(de)(de)，在這個過(guo)程(cheng)中存在M2C碳(tan)化物相(xiang)和(he)(he)奧氏體γ相(xiang)之間的(de)(de)溶質再(zai)分配［172].在一(yi)定溫度(du)下，平衡分配系數可表示(shi)為固(gu)相(xiang)和(he)(he)液相(xiang)中的(de)(de)元素濃度(du)之比：
式中，Cs和CL分(fen)別表示在(zai)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)中，元素(su)在(zai)固(gu)相(xiang)和液相(xiang)中的平(ping)衡(heng)濃度。共晶反應L→M2C+y是在(zai)凝(ning)固(gu)末期發(fa)生的，圖2-131給出了(le)不同壓力下(xia)的M42高速(su)鋼(gang)凝(ning)固(gu)時共晶反應過(guo)程(cheng)中M2C碳化物(wu)相(xiang)和奧氏體γ相(xiang)中各元素(su)的單相(xiang)平(ping)衡(heng)分(fen)配系數(shu)。
式中(zhong)，Cs和(he)(he)C1分別表示(shi)在凝(ning)固過(guo)程中(zhong)，元(yuan)素在固相(xiang)和(he)(he)液相(xiang)中(zhong)的平(ping)衡濃度。共(gong)晶反應L→M2C+y是在凝(ning)固末期(qi)發(fa)生(sheng)的［172,180,181],圖2-131給出了(le)不同壓力(li)下的M42高速(su)鋼凝(ning)固時共(gong)晶反應過(guo)程中(zhong)M2C碳化物相(xiang)和(he)(he)奧氏體(ti)y相(xiang)中(zhong)各元(yuan)素的單相(xiang)平(ping)衡分配系數。
隨壓力的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，共(gong)晶(jing)反應過程中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素在(zai)(zai)M2C和(he)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)具有升高(gao)的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)并逐(zhu)漸靠近(jin)1.基(ji)于(yu)熱力學(xue)分(fen)(fen)析(xi)，在(zai)(zai)M42鑄錠(ding)凝固時的(de)(de)(de)共(gong)晶(jing)反應過程中(zhong)(zhong)(zhong)，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)壓力可使鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素在(zai)(zai)M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)含量增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)。凝固過程中(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素平衡分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)增(zeng)(zeng)(zeng)量變化(hua)規律如圖2-132所示，在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa時，M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素平衡分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)增(zeng)(zeng)(zeng)量始終大(da)于(yu)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)平衡分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)增(zeng)(zeng)(zeng)量。由此(ci)可知，共(gong)晶(jing)反應過程中(zhong)(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)于(yu)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素更(geng)偏向(xiang)于(yu)在(zai)(zai)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)富(fu)集。
在0.1~2MPa壓力范(fan)(fan)圍內，加(jia)壓對Mo元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)平衡(heng)分(fen)配系數(shu)影(ying)響非常小，變化量為10-6~10-5,可忽略不計，因而在低壓范(fan)(fan)圍內，增加(jia)壓力不能通過改變元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)平衡(heng)分(fen)配系數(shu)而影(ying)響相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)成(cheng)(cheng)分(fen)。除平衡(heng)分(fen)配系數(shu)以外，鑄錠凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)配情況(kuang)與元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)質(zhi)行(xing)為有關。在M42鑄錠凝(ning)(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)(de)共晶(jing)反應L→M2C+y過程(cheng)中(zhong)存在M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)溶(rong)質(zhi)再(zai)分(fen)配：液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)M2C形成(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)（鉬、鎢、釩(fan)和鉻）通過凝(ning)(ning)固(gu)前(qian)沿(yan)固(gu)／液界面向(xiang)M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，同時奧(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)形成(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)（鈷(gu)、鐵）則(ze)向(xiang)奧(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，整個反應發生在凝(ning)(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)(de)枝晶(jing)間(jian)(jian)小熔(rong)池(chi)內，此時液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)(liu)動很(hen)弱，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對流(liu)(liu)傳(chuan)(chuan)質(zhi)行(xing)為可忽略，因而溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)配主要與相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)擴散傳(chuan)(chuan)質(zhi)行(xing)為有關。
根據菲克第一定律公式（2-178)可知，擴散(san)系(xi)(xi)數(shu)D與溫度(du)(du)T呈反比關系(xi)(xi)。圖2-133為(wei)2MPa下(xia)M2C形成元素(su)的擴散(san)系(xi)(xi)數(shu)隨(sui)溫度(du)(du)的變化(hua)關系(xi)(xi)。在(zai)凝固壓(ya)力不(bu)變時，溫度(du)(du)的降低(di)會(hui)顯著減小擴散(san)系(xi)(xi)數(shu)，在(zai)低(di)壓(ya)范(fan)圍內，相對于凝固壓(ya)力變化(hua)，溫度(du)(du)變化(hua)對擴散(san)系(xi)(xi)數(shu)D具有更明顯的影響。
增(zeng)大壓(ya)力具有(you)顯(xian)著(zhu)強化(hua)(hua)冷卻和減(jian)少鑄(zhu)(zhu)錠局部凝固時間的(de)(de)(de)作(zuo)用。由此(ci)可知，對于0.1MPa、1MPa和2MPa壓(ya)力下的(de)(de)(de)鑄(zhu)(zhu)錠凝固過程，在相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)凝固時間內，在較(jiao)高(gao)壓(ya)力下凝固的(de)(de)(de)鑄(zhu)(zhu)錠冷卻更快(kuai)，溫度更低(di)，其元(yuan)素(su)擴(kuo)散系數(shu)則相(xiang)(xiang)對較(jiao)低(di)，導致元(yuan)素(su)擴(kuo)散速(su)率(lv)減(jian)小，使得M2C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)中釩、鎢、鉻和鉬元(yuan)素(su)含量降低(di)，碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)間基(ji)體的(de)(de)(de)合(he)金元(yuan)素(su)含量升高(gao)，降低(di)了(le)(le)M2C碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)和奧(ao)氏體γ相(xiang)(xiang)之間的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)差異性(xing)(xing)，提(ti)高(gao)了(le)(le)M42凝固組織成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)均勻性(xing)(xing)。
c. 碳化物形(xing)貌
M2C碳(tan)化物(wu)明(ming)顯(xian)具(ju)有各向(xiang)異性的生長方式，形貌(mao)具(ju)有小平面向(xiang)的特(te)性。共(gong)晶(jing)(jing)組織的形貌(mao)與共(gong)晶(jing)(jing)過程中液(ye)／固界面結(jie)構有密(mi)切聯系(xi)，金屬相(xiang)－金屬碳(tan)化物(wu)相(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)屬于小平面相(xiang)－非小平面相(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)［146].M2C是通(tong)過凝(ning)固末期(qi)枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)熔(rong)池里的共(gong)晶(jing)(jing)反M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化物(wu)形成(cheng)于凝(ning)固末期(qi)枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)中，根據(ju)凝(ning)固原理(li)。枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)中元素含量(liang)明(ming)顯(xian)高于鑄錠標準(zhun)含量(liang)。不(bu)同(tong)壓力下枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)液(ye)相(xiang)中各相(xiang)出現的先(xian)(xian)后順序，如(ru)圖2-135所示，在(zai)不(bu)同(tong)壓力下，M2C均領先(xian)(xian)奧氏體相(xiang)γ出現。這表明(ming)，在(zai)共(gong)晶(jing)(jing)反應(ying)L→y+M2C過程中，M2C是領先(xian)(xian)相(xiang)。
在共(gong)晶凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)快(kuai)速(su)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)方(fang)向(xiang)率(lv)先進(jin)入(ru)共(gong)生(sheng)(sheng)界面(mian)前方(fang)的(de)(de)(de)液體(ti)(ti)(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)，同(tong)時在其(qi)附近液層中(zhong)(zhong)(zhong)排出奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)；隨后奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依(yi)靠此液層獲得生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)組(zu)元(yuan)(yuan)，跟(gen)隨著M2C一起長(chang)(chang)(chang)(chang)大(da)，同(tong)時也向(xiang)液層中(zhong)(zhong)(zhong)排出M2C形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)，如圖(tu)2-136所示(shi)。隨著凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，凝(ning)固(gu)(gu)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)加，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)均加快(kuai)。一方(fang)面(mian)，M2C碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)距隨壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)逐(zhu)(zhu)漸減(jian)小(xiao)，即奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液／固(gu)(gu)界面(mian)變窄；另一方(fang)面(mian)，加壓(ya)使得枝(zhi)晶間(jian)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)合金元(yuan)(yuan)素(su)沒(mei)有足夠時間(jian)進(jin)行充分擴散；導致奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液／固(gu)(gu)界面(mian)前沿合金元(yuan)(yuan)素(su)濃度急劇增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，成(cheng)分過(guo)冷加劇，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)(chang)(chang)大(da)速(su)率(lv)進(jin)一步增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，使得M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)差逐(zhu)(zhu)漸縮小(xiao)。此外(wai)，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作為非小(xiao)平(ping)(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其(qi)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)所需(xu)過(guo)冷度遠小(xiao)于小(xiao)平(ping)(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)，使得在凝(ning)固(gu)(gu)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)的(de)(de)(de)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)大(da)于M2C碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)。因此，隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，枝(zhi)晶間(jian)共(gong)晶組(zu)織中(zhong)(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)增(zeng)(zeng)(zeng)多(duo)，使得M2C碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)空間(jian)受到(dao)“排擠”，含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)減(jian)少，最(zui)終M2C碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)逐(zhu)(zhu)漸呈現出被奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進(jin)而變短的(de)(de)(de)形(xing)貌，如圖(tu)2-134所示(shi)。
四(si)、夾雜物分布
夾雜物是影響鋼(gang)錠質量的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)。鋼(gang)中夾雜物主(zhu)要(yao)包括(kuo)冶煉過程中進行脫氧處理(li)形成(cheng)(cheng)的(de)脫氧產物、凝固過程元素(su)溶解度下降形成(cheng)(cheng)的(de)氧化(hua)物、氮化(hua)物、硫化(hua)物等化(hua)合物以(yi)及爐渣和(he)由于沖刷而進入(ru)鋼(gang)液的(de)耐(nai)火(huo)材料。
根(gen)據夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來源，可(ke)以將(jiang)鋼中(zhong)的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)為(wei)兩類:①外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)大(da)部分(fen)為(wei)復合(he)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜，主要是由(you)于(yu)(yu)鋼液接觸(chu)空氣(qi)生(sheng)(sheng)成氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)以及進入鋼液的(de)爐渣、耐火(huo)材料(liao)組成。外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)外形不規則、尺寸大(da)、構(gou)成復雜，常常位于(yu)(yu)鋼的(de)表層，具有嚴重的(de)危害(hai)性。②內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)是由(you)于(yu)(yu)脫氧(yang)、鋼水鈣(gai)處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)反(fan)應而(er)形成的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼液中(zhong)數量較多(duo)，分(fen)布(bu)均勻，顆粒細小。由(you)于(yu)(yu)形成時間不同，內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)分(fen)為(wei)：鋼液脫氧(yang)時期生(sheng)(sheng)成的(de)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為(wei)原(yuan)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)或一次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度(du)降低造(zao)成化(hua)(hua)學反(fan)應平衡(heng)的(de)移動進而(er)析出二次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)于(yu)(yu)溶質元(yuan)素(su)偏析和溶解度(du)變(bian)化(hua)(hua)而(er)析出的(de)三(san)次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四(si)次夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾(jia)(jia)雜(za)(za)物作(zuo)(zuo)為凝固組織的(de)(de)(de)(de)重要(yao)組成(cheng)部分(fen)，其特(te)(te)性(xing)至關(guan)(guan)重要(yao)，對于(yu)進一(yi)步揭示(shi)加(jia)壓(ya)冶金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)優(you)勢十(shi)分(fen)關(guan)(guan)鍵。非金(jin)(jin)屬夾(jia)(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)(de)(de)特(te)(te)性(xing)（數量、尺(chi)寸(cun)和分(fen)布(bu)等(deng)）對鋼的(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)（力(li)(li)(li)(li)學性(xing)能(neng)(neng)和腐蝕等(deng)）有(you)重要(yao)影(ying)(ying)響。同時，改(gai)(gai)(gai)善鋼中(zhong)(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)情況并盡可能(neng)(neng)徹底地去除(chu)非金(jin)(jin)屬夾(jia)(jia)雜(za)(za)物可以(yi)有(you)效地減少缺陷和提高性(xing)能(neng)(neng)。為了改(gai)(gai)(gai)善夾(jia)(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)，施(shi)加(jia)在夾(jia)(jia)雜(za)(za)物上(shang)的(de)(de)(de)(de)力(li)(li)(li)(li)包(bao)括重力(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)(li)，附加(jia)質量力(li)(li)(li)(li)、升力(li)(li)(li)(li)和反彈(dan)力(li)(li)(li)(li)等(deng)起著關(guan)(guan)鍵作(zuo)(zuo)用。這些力(li)(li)(li)(li)主(zhu)要(yao)是(shi)通(tong)過溫度、流場(chang)(chang)、重力(li)(li)(li)(li)場(chang)(chang)和電磁(ci)場(chang)(chang)等(deng)物理場(chang)(chang)來(lai)確定(ding)。因此，可以(yi)通(tong)過采(cai)取一(yi)系列(lie)措施(shi)優(you)化物理場(chang)(chang)來(lai)改(gai)(gai)(gai)善夾(jia)(jia)雜(za)(za)物分(fen)布(bu)。例如，鋼包(bao)中(zhong)(zhong)使(shi)用的(de)(de)(de)(de)氣(qi)體攪拌、連鑄(zhu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)添加(jia)磁(ci)場(chang)(chang)。對于(yu)加(jia)壓(ya)冶金(jin)(jin)，壓(ya)力(li)(li)(li)(li)是(shi)關(guan)(guan)鍵因素。目前，已(yi)經證(zheng)實加(jia)壓(ya)會在各個方面影(ying)(ying)響凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)物理場(chang)(chang)，包(bao)括加(jia)壓(ya)通(tong)過加(jia)快鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷卻速率和加(jia)強鑄(zhu)錠(ding)與鑄(zhu)模之間的(de)(de)(de)(de)熱交換來(lai)改(gai)(gai)(gai)變(bian)溫度場(chang)(chang)，通(tong)過改(gai)(gai)(gai)變(bian)糊(hu)狀區域(yu)的(de)(de)(de)(de)大小和枝(zhi)晶結構影(ying)(ying)響流場(chang)(chang)等(deng)。
因此，可以認(ren)為在凝固過程(cheng)中壓(ya)力(li)具有(you)改(gai)變夾雜物(wu)(wu)分(fen)布的(de)能力(li)，并且(qie)壓(ya)力(li)對(dui)(dui)夾雜物(wu)(wu)分(fen)布的(de)影響機(ji)制非(fei)常復雜，然而，關于(yu)加壓(ya)對(dui)(dui)夾雜物(wu)(wu)分(fen)布變化(hua)的(de)影響研究相對(dui)(dui)較少。這(zhe)表明(ming)(ming)加壓(ya)對(dui)(dui)凝固組織(zhi)的(de)影響機(ji)理尚未(wei)全面闡明(ming)(ming)。
1. 夾雜物分(fen)(fen)布(bu)分(fen)(fen)析模型
在實(shi)際凝固過(guo)程中(zhong)，夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)受力(li)情況、運(yun)(yun)動(dong)軌跡很難通(tong)過(guo)實(shi)驗進行測量。數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)提供(gong)了一種可(ke)以深入(ru)了解某些無法通(tong)過(guo)實(shi)驗評估的(de)(de)現(xian)(xian)象的(de)(de)方法。這些現(xian)(xian)象包括(kuo)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)軌跡，作用(yong)于夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)力(li)和(he)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)速度等(deng)(deng)。根據電渣、連鑄和(he)鋼包精煉等(deng)(deng)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)相(xiang)關研究(jiu)，數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)是(shi)一種非常有效的(de)(de)研究(jiu)夾(jia)(jia)雜物(wu)運(yun)(yun)動(dong)行為(wei)的(de)(de)方法。
鋼液凝固過程(cheng)涉及熱(re)量傳遞、質(zhi)量傳輸(shu)、動量傳輸(shu)、相(xiang)轉變和(he)(he)晶粒形核長(chang)大等一系列復雜(za)的物(wu)理(li)化學(xue)現(xian)象，同(tong)時存在金(jin)屬固相(xiang)、金(jin)屬液相(xiang)、氣(qi)相(xiang)和(he)(he)夾(jia)雜(za)物(wu)相(xiang)等多個相(xiang)之間的相(xiang)互作用(yong)，適合應用(yong)歐(ou)(ou)拉多項流模(mo)型(xing)進行(xing)(xing)計算(suan)求(qiu)解(jie)。其中(zhong)，根據(ju)對夾(jia)雜(za)物(wu)運(yun)動行(xing)(xing)為(wei)處理(li)方式，夾(jia)雜(za)物(wu)分(fen)布分(fen)析模(mo)型(xing)可(ke)以分(fen)為(wei)歐(ou)(ou)拉－拉格朗日模(mo)型(xing)和(he)(he)歐(ou)(ou)拉－歐(ou)(ou)拉模(mo)型(xing)。
a. 歐拉－拉格朗日模型(xing)歐拉－
拉格(ge)朗日(ri)離(li)散(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)模型(xing)是在歐拉模型(xing)的(de)(de)基礎上，將夾雜(za)(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)處理成離(li)散(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)，而(er)流體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)處理為連(lian)續相(xiang)(xiang)(xiang)。根據球型(xing)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)受力分析，基于牛頓第(di)二(er)定律，建(jian)立(li)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)運動(dong)(dong)模型(xing)，并(bing)與鋼液凝固模型(xing)耦(ou)合，從(cong)而(er)模擬夾雜(za)(za)物(wu)(wu)在凝固過程運動(dong)(dong)行為。該(gai)模型(xing)可(ke)以(yi)跟蹤每個夾雜(za)(za)物(wu)(wu)顆(ke)粒(li)并(bing)獲(huo)得其(qi)速度(du)、運動(dong)(dong)軌跡以(yi)及夾雜(za)(za)物(wu)(wu)去除過程中的(de)(de)動(dong)(dong)力學(xue)行為。此外，該(gai)模型(xing)是基于離(li)散(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)(ti)積比例相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)較低的(de)(de)基本假設而(er)建(jian)立(li)。
夾(jia)雜物(wu)(wu)在(zai)鋼(gang)液中的(de)運動，主(zhu)要是各(ge)種力(li)(li)的(de)共同作用造成的(de)。夾(jia)雜物(wu)(wu)在(zai)鋼(gang)液中受(shou)力(li)(li)情況如(ru)圖(tu)2-137所示。可以(yi)看出，夾(jia)雜物(wu)(wu)顆(ke)粒(li)(li)受(shou)到主(zhu)要作用力(li)(li)分別為：由(you)于(yu)顆(ke)粒(li)(li)自(zi)身(shen)性質(zhi)引起(qi)的(de)力(li)(li)，如(ru)重力(li)(li)、浮力(li)(li)等；由(you)于(yu)顆(ke)粒(li)(li)與(yu)流體之間存(cun)在(zai)相對運動而產生的(de)力(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)（Saffman)、附加質(zhi)量力(li)(li)、曳力(li)(li)和Magnus力(li)(li)等；細小夾(jia)雜物(wu)(wu)在(zai)高溫(wen)條件下受(shou)的(de)布朗(lang)（Brown)力(li)(li)等。
（1)曳力(li)。
在(zai)鋼液流(liu)場內黏性(xing)(xing)流(liu)體與(yu)顆粒(li)之間存在(zai)相對運動(dong)，由黏性(xing)(xing)流(liu)體施加的曳(ye)力(li)使(shi)得夾(jia)雜物顆粒(li)趨(qu)向于跟(gen)隨流(liu)體運動(dong)。曳(ye)力(li)是夾(jia)雜物顆粒(li)在(zai)凝固過程中的主要受力(li)之一。計算公式如下：
（2)浮力和重力。
在豎直方向上(shang)，夾雜物顆(ke)粒受到(dao)與相(xiang)對運(yun)動無關的力，包括重力和(he)浮(fu)力，其(qi)
（3)附加質(zhi)量力。
當鋼(gang)液與夾雜物(wu)顆粒(li)存在(zai)相對運(yun)動時，夾雜物(wu)顆粒(li)會帶(dai)動其(qi)附近的部(bu)分鋼(gang)液做加(jia)(jia)速運(yun)動，此時推(tui)動夾雜物(wu)顆粒(li)運(yun)動的力大于其(qi)顆粒(li)本身(shen)(shen)慣性(xing)力，這部(bu)分大于夾雜物(wu)顆粒(li)本身(shen)(shen)慣性(xing)力的力即為附加(jia)(jia)質量(liang)力。其(qi)計算(suan)公式(shi)為
通過運用歐拉(la)－拉(la)格朗(lang)日模型對鋼液(ye)凝固(gu)過程進(jin)行模擬計算時(shi)，可(ke)以得出隨著溫度場(chang)和流場(chang)的變(bian)化，每(mei)個球形夾雜(za)物(wu)顆粒在鋼液(ye)中的運動軌跡和分布。
b. 歐(ou)拉(la)(la)－歐(ou)拉(la)(la)模型
拉格(ge)朗日(ri)(ri)模(mo)型(xing)(xing)是研究(jiu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)顆(ke)粒(li)在(zai)鋼液中運動(dong)行(xing)(xing)為主(zhu)(zhu)要(yao)的(de)方法，但在(zai)實際的(de)應用中存在(zai)一(yi)些不(bu)足，例(li)如，拉格(ge)朗日(ri)(ri)模(mo)型(xing)(xing)是針對(dui)單一(yi)粒(li)子進(jin)(jin)行(xing)(xing)計(ji)算(suan)，當同時(shi)(shi)追蹤(zong)多個粒(li)子時(shi)(shi)，計(ji)算(suan)量過大，難(nan)以進(jin)(jin)行(xing)(xing)。相較于拉格(ge)朗日(ri)(ri)模(mo)型(xing)(xing)，歐(ou)拉－歐(ou)拉模(mo)型(xing)(xing)中夾雜(za)(za)物(wu)(wu)相的(de)控(kong)(kong)制方程與流(liu)體連(lian)續相的(de)控(kong)(kong)制方程相似，運算(suan)相對(dui)高效，能夠同時(shi)(shi)描(miao)述多種夾雜(za)(za)物(wu)(wu)顆(ke)粒(li)在(zai)凝(ning)固過程中的(de)分布(bu)特征(zheng)。歐(ou)拉－歐(ou)拉模(mo)型(xing)(xing)與歐(ou)拉－拉格(ge)朗日(ri)(ri)模(mo)型(xing)(xing)相比，主(zhu)(zhu)要(yao)差別(bie)是夾雜(za)(za)物(wu)(wu)相的(de)動(dong)量方程存在(zai)差別(bie)，歐(ou)拉－歐(ou)拉模(mo)型(xing)(xing)的(de)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)動(dong)量方程表達式為
2. 模鑄過程中(zhong)夾雜物(wu)的受力分析(xi)
模鑄過程中，夾雜物(wu)所受(shou)(shou)作用力(li)(li)(li)(li)(li)包(bao)括熱(re)浮力(li)(li)(li)(li)(li)、重力(li)(li)(li)(li)(li)、附加質量力(li)(li)(li)(li)(li)、升力(li)(li)(li)(li)(li)以及(ji)相間作用力(li)(li)(li)(li)(li)等，具體受(shou)(shou)力(li)(li)(li)(li)(li)情況如圖(tu)2-138所示。
流(liu)場對(dui)夾雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分布有關鍵影(ying)響，這直接歸(gui)因于(yu)(yu)作用于(yu)(yu)夾雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻(zu)力(li)(li)。以0.1MPa下(xia)H13鑄錠(ding)凝固(gu)為(wei)例(li)，鋼(gang)液(ye)、夾雜(za)物(wu)和(he)等軸晶的(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)場和(he)速(su)率均顯示(shi)(shi)在圖2-139中(zhong)。隨著(zhu)凝固(gu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進行(xing)，鋼(gang)液(ye)受熱浮力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)逆時針運動(dong)，如(ru)(ru)圖2-139(a)所(suo)示(shi)(shi)。同時，隨著(zhu)重力(li)(li)和(he)浮力(li)(li)合力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)，等軸晶的(de)(de)(de)(de)(de)(de)沉降連續發生在柱(zhu)狀晶（tip)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尖端(duan)，如(ru)(ru)圖2-139(b)所(suo)示(shi)(shi)。如(ru)(ru)圖2-139(c)所(suo)示(shi)(shi)，夾雜(za)物(wu)流(liu)場中(zhong)出現逆時針運動(dong)，與鋼(gang)液(ye)相似(si)。這種運動(dong)行(xing)為(wei)主要是(shi)由(you)作用在夾雜(za)物(wu)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合力(li)(li)引起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。根據模(mo)擬結果，凝固(gu)過程中(zhong)重力(li)(li)，浮力(li)(li)和(he)阻(zu)力(li)(li)在改(gai)變夾雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運動(dong)行(xing)為(wei)中(zhong)起(qi)著(zhu)關鍵作用，因為(wei)它們比附加(jia)質量力(li)(li)和(he)升力(li)(li)大了(le)三個數(shu)量級。重力(li)(li)和(he)浮力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)均為(wei)垂直方(fang)向(xiang)，因為(wei)夾雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)密度(du)(du)低于(yu)(yu)液(ye)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)密度(du)(du)，故其合力(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)垂直向(xiang)上，如(ru)(ru)圖2-139(d)所(suo)示(shi)(shi)。
在整(zheng)個凝固(gu)過程中(zhong)，Fbg保(bao)持(chi)不變，并(bing)使(shi)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)上浮(fu)。相比之下(xia)，曳(ye)(ye)力(li)Fdp是(shi)向(xiang)下(xia)的(de)(de)力(li)，具(ju)有驅動夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)向(xiang)下(xia)沉(chen)的(de)(de)能力(li)。并(bing)且其變化是(shi)復雜(za)(za)的(de)(de)。根據(ju)等式（2-204)可(ke)知，曳(ye)(ye)力(li)與鋼液和夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)之間的(de)(de)速度(du)差(cha)密切相關(guan)。在頂部(bu)和底部(bu)，鋼液和夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)速度(du)差(cha)很小，與Fbg相比，Fdp可(ke)以忽(hu)略(lve)不計。在柱狀晶(jing)尖端(duan)附近的(de)(de)曳(ye)(ye)力(li)Fdp大于Fbg,是(shi)導致夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)下(xia)沉(chen)的(de)(de)關(guan)鍵因素(su)。在鑄錠(ding)的(de)(de)中(zhong)心(xin)，Fdp小于Fbg,Fbg占(zhan)主(zhu)導，促使(shi)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)上浮(fu)。因此，模鑄過程中(zhong)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)形(xing)成逆時(shi)針運動，這主(zhu)要是(shi)由重力(li)、浮(fu)力(li)和曳(ye)(ye)力(li)的(de)(de)綜(zong)合作用所(suo)驅動。
3. 模鑄(zhu)過程中壓力對夾雜物分布的(de)影響
利用(yong)歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)型(xing)在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下獲得了(le)H13鑄(zhu)錠(ding)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體積分(fen)數的(de)(de)等值線，如(ru)圖(tu)2-140所示。每個(ge)鑄(zhu)錠(ding)中都存(cun)在三個(ge)主要的(de)(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)（I、和(he)III),其中，II區(qu)(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)度最(zui)低，III區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)度最(zui)高，I區(qu)(qu)(qu)次之(zhi)。三個(ge)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)主要由夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)逆(ni)時(shi)(shi)針運(yun)動以及被糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕(bu)集(ji)的(de)(de)綜合(he)作用(yong)所導致。以0.1MPa 壓力下夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)布(bu)為(wei)例，遠(yuan)離(li)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在逆(ni)時(shi)(shi)針運(yun)動過程中逐漸上浮并富(fu)(fu)(fu)集(ji)到鑄(zhu)錠(ding)頂部(bu)，如(ru)圖(tu) 2-140(c)所示。鑄(zhu)錠(ding)頂部(bu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)的(de)(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)一部(bu)分(fen)被糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕(bu)獲，形成了(le)I區(qu)(qu)(qu)，其余部(bu)分(fen)沿逆(ni)時(shi)(shi)針方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)移動，運(yun)動方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)幾乎垂直(zhi)于糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)量(liang)。與之(zhi)相比，在II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內，夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)運(yun)動方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)與糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)量(liang)成鈍角，因(yin)而(er)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)更加(jia)趨(qu)向(xiang)(xiang)于被II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)所捕(bu)獲，如(ru)圖(tu)2-141所示，導致夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)II和(he)III的(de)(de)形成。同時(shi)(shi)，III區(qu)(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)程度最(zui)高，原因(yin)是糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)較寬，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)捕(bu)獲能力越強(qiang)，富(fu)(fu)(fu)集(ji)趨(qu)勢更明(ming)顯。
隨著壓力從(cong)0.1MPa增加到2MPa,I、II和III區夾雜(za)物的(de)富集(ji)度降低，如2-140(b)所(suo)示(shi)，夾雜(za)物體積分(fen)數的(de)最(zui)大增量 4max隨壓力的(de)增加而減小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分(fen)別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明隨著凝固壓力增加至2MPa,鑄錠中夾雜(za)物分(fen)布更加均勻。
糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕獲(huo)夾雜(za)(za)物(wu)和夾雜(za)(za)物(wu)從(cong)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)逃脫的(de)能力(li)(li)對夾雜(za)(za)物(wu)分布至關重要。結(jie)合(he)液(ye)相線／固(gu)相線溫(wen)度(du)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)變(bian)化規(gui)律可(ke)(ke)知，凝固(gu)區(qu)(qu)(qu)間變(bian)化很小，當壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.1MPa增(zeng)(zeng)加(jia)到2MPa時可(ke)(ke)以忽略不計。因此(ci)，糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)寬度(du)主要由溫(wen)度(du)梯度(du)決定(ding)。如圖2-142(b)所(suo)示，由于增(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)(li)后提(ti)高了冷卻速(su)率導致(zhi)高壓(ya)下(xia)(xia)溫(wen)度(du)梯度(du)更大。在(zai)較高壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)，糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)域(yu)的(de)長度(du)變(bian)短［150].另外，以圖2-142(a)中的(de)A點為例，凝固(gu)時間隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而顯著減少，在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)(xia)分別為292s、272s和247s,凝固(gu)速(su)率隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而增(zeng)(zeng)加(jia)。進而表(biao)明，在(zai)較高的(de)凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)的(de)長度(du)較小且凝固(gu)速(su)率較高，因此(ci)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕獲(huo)夾雜(za)(za)物(wu)的(de)能力(li)(li)變(bian)弱。
A、B和(he)C點夾雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)速度(du)(du)(du)隨液相(xiang)體(ti)(ti)積(ji)分(fen)(fen)數的(de)變化(hua)如圖2-143所示。高溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)通過增(zeng)大(da)熱浮(fu)力(li)來(lai)強化(hua)鋼液對流。另(ling)外，研究了(le)糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)中(zhong)夾雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)速度(du)(du)(du)隨曳力(li)改的(de)相(xiang)應(ying)變化(hua)。凝(ning)固(gu)初期(qi)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)中(zhong)的(de)夾雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)運動(dong)速度(du)(du)(du)隨著(zhu)(zhu)壓力(li)的(de)增(zeng)加而增(zeng)大(da)，在凝(ning)固(gu)后期(qi)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)內夾雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)幾乎完全停(ting)止運動(dong)時液相(xiang)體(ti)(ti)積(ji)分(fen)(fen)數隨著(zhu)(zhu)壓力(li)的(de)增(zeng)加而降(jiang)低(di)。以點A為例(li)，凝(ning)固(gu)初期(qi)（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下夾雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)速度(du)(du)(du)分(fen)(fen)別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)1.52×10-3m/s.當糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)速度(du)(du)(du)降(jiang)低(di)到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下的(de)液相(xiang)體(ti)(ti)積(ji)分(fen)(fen)數分(fen)(fen)別為0.74、0.68和(he)0.62.這意味著(zhu)(zhu)夾雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)從糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)逸出的(de)能力(li)隨壓力(li)增(zeng)加而增(zeng)強。
綜(zong)上所(suo)述，增加壓力可以顯著(zhu)抑(yi)制糊(hu)狀區中夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)富集，并通過(guo)降低糊(hu)狀區捕(bu)獲夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)能(neng)力，提高(gao)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)從糊(hu)狀區中逸出的(de)能(neng)力，使鑄錠內夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)分布更加均(jun)勻。
