壓(ya)力(li)對鑄(zhu)錠的(de)凝固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)變(bian)和(he)組(zu)織(zhi)有十分重要的(de)影(ying)響，如壓(ya)力(li)能提高晶粒形核速(su)(su)率，減小臨界形核半徑，增大冷卻速(su)(su)率，細化枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)，減輕或消除凝固(gu)(gu)缺(que)陷(xian)（疏(shu)松、縮孔(kong)、氣(qi)孔(kong)和(he)偏析(xi)(xi)）以(yi)及改變(bian)析(xi)(xi)出相(xiang)(xiang)形貌和(he)類(lei)型等(deng)。由于鋼(gang)鐵材(cai)料固(gu)(gu)／液相(xiang)(xiang)線溫度較高，加壓(ya)難度相(xiang)(xiang)對較大，不過，較低壓(ya)力(li)依然(ran)具有改善鑄(zhu)型和(he)鑄(zhu)錠間換(huan)熱(re)條件、打破液相(xiang)(xiang)中(zhong)氮氣(qi)泡等(deng)壓(ya)力(li)平衡的(de)能力(li)，進而達(da)到改善鋼(gang)鐵凝固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)，減輕或消除凝固(gu)(gu)缺(que)陷(xian)等(deng)目(mu)的(de)。
一、枝晶組織
枝晶組織的(de)(de)出現和生長與液相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)成分(fen)過(guo)(guo)冷密不可分(fen)，當(dang)凝固界面出現擾動導致(zhi)液相(xiang)(xiang)出現局部成分(fen)過(guo)(guo)冷時，液相(xiang)(xiang)中(zhong)就(jiu)具備了促使(shi)界面發生波動的(de)(de)驅動力，進一步增大了凝固界面的(de)(de)不穩定性(xing)，從(cong)而(er)使(shi)凝固界面從(cong)平面狀(zhuang)向樹枝狀(zhuang)轉變，形成枝晶組織，液相(xiang)(xiang)中(zhong)成分(fen)過(guo)(guo)冷的(de)(de)判據為
式中，GrL為(wei)(wei)液相(xiang)溫度(du)(du)梯度(du)(du)；v為(wei)(wei)凝(ning)固(gu)(gu)速率(lv)(lv)；m為(wei)(wei)液相(xiang)線(xian)斜(xie)(xie)率(lv)(lv)；CL為(wei)(wei)凝(ning)固(gu)(gu)界(jie)面(mian)處液相(xiang)中溶(rong)(rong)質的(de)(de)(de)質量分數(shu)；DL為(wei)(wei)液相(xiang)中溶(rong)(rong)質的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)；ko為(wei)(wei)溶(rong)(rong)質分配(pei)系(xi)數(shu)。在不(bu)(bu)考慮壓(ya)(ya)(ya)力(li)強化(hua)冷(leng)卻（即(ji)GrL保(bao)持(chi)恒定）情(qing)況下(xia)(xia)(xia)，壓(ya)(ya)(ya)力(li)可通(tong)過改變液相(xiang)線(xian)斜(xie)(xie)率(lv)(lv)、擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)和(he)(he)溶(rong)(rong)質分配(pei)系(xi)數(shu)等(deng)凝(ning)固(gu)(gu)參(can)數(shu)，改變枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)形貌甚至凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)成(cheng)。Zhang等(deng)對比了(le)高(gao)(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在常壓(ya)(ya)(ya)和(he)(he)6GPa下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。發現高(gao)(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)包含細小等(deng)軸晶(jing)(jing)和(he)(he)柱狀晶(jing)(jing)，與(yu)常壓(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)截然不(bu)(bu)同（圖(tu)2-107).晶(jing)(jing)粒(li)尺寸(cun)統計結果(guo)表明(ming)，高(gao)(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)在常壓(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)尺寸(cun)為(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)(xia)為(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)力(li)細化(hua)晶(jing)(jing)粒(li)可達21倍(bei)之多(duo)，主要(yao)歸因(yin)于(yu)增(zeng)加凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)降低了(le)液相(xiang)中溶(rong)(rong)質擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)以(yi)及增(zeng)大(da)了(le)擴(kuo)(kuo)散激活(huo)能，進而增(zeng)大(da)了(le)液相(xiang)成(cheng)分過冷(leng)度(du)(du)，在抑制枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)生長(chang)的(de)(de)(de)同時增(zeng)大(da)了(le)形核(he)率(lv)(lv)［129,153],從(cong)而使得高(gao)(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)逐步向枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)轉變，且(qie)細化(hua)十(shi)分顯(xian)著。Kashchiev和(he)(he)Vasudevan等(deng)的(de)(de)(de)研究表明(ming)。在凝(ning)固(gu)(gu)過程中，當固(gu)(gu)相(xiang)摩爾體(ti)積小于(yu)液相(xiang)摩爾體(ti)積時，加壓(ya)(ya)(ya)有(you)助(zhu)于(yu)提高(gao)(gao)形核(he)率(lv)(lv)，起到細化(hua)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)作(zuo)用，大(da)多(duo)數(shu)金屬(shu)(shu)合金屬(shu)(shu)于(yu)此類；反(fan)之，加壓(ya)(ya)(ya)將(jiang)抑制晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)形核(he)，如水凝(ning)固(gu)(gu)成(cheng)冰。此外，壓(ya)(ya)(ya)力(li)還能夠抑制枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)力(li)梯度(du)(du)方向的(de)(de)(de)生長(chang),從(cong)而導致枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)微觀偏析(xi)呈現方向性(xing)。
為了(le)準確地論述壓力(li)對(dui)凝固(gu)組織(zhi)的影響(xiang)規(gui)律，本節將以19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼和M42工具鋼加壓凝固(gu)組織(zhi)為例，詳細分(fen)析壓力(li)對(dui)枝(zhi)晶組織(zhi)、析出(chu)相等(deng)的影響(xiang)。
1. 柱狀(zhuang)晶向等(deng)軸晶轉變（CET)
鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)宏(hong)觀組(zu)織主(zhu)要(yao)由(you)晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)貌、尺(chi)寸以及取向(xiang)分布等(deng)(deng)(deng)構成(cheng)(cheng)，在合金成(cheng)(cheng)分一定的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)，它主(zhu)要(yao)取決于(yu)(yu)(yu)鋼液(ye)在凝(ning)固過(guo)程中的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)(leng)卻條件（包括澆注溫度(du)和鑄(zhu)(zhu)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)(leng)卻效果等(deng)(deng)(deng)。鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)典型(xing)(xing)宏(hong)觀組(zu)織可分為(wei)三個區(qu)(qu)(qu)：表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)、柱(zhu)狀晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)以及中心(xin)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。表(biao)層(ceng)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)是由(you)于(yu)(yu)(yu)鋼液(ye)在鑄(zhu)(zhu)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)激(ji)冷(leng)(leng)(leng)作(zuo)用(yong)下(xia)，具有(you)較大的(de)(de)(de)過(guo)冷(leng)(leng)(leng)度(du)，進(jin)而在鑄(zhu)(zhu)型(xing)(xing)壁面以異質(zhi)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)核(he)的(de)(de)(de)方(fang)(fang)式(shi)大量形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)核(he)并(bing)長(chang)大，最后(hou)(hou)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)細(xi)(xi)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，即表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固的(de)(de)(de)進(jin)行(xing)，表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)逐步形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)金屬外殼，使(shi)得傳(chuan)熱(re)具備(bei)單(dan)向(xiang)性(xing)，有(you)助于(yu)(yu)(yu)晶(jing)(jing)粒(li)沿傳(chuan)熱(re)方(fang)(fang)向(xiang)生(sheng)長(chang)，呈(cheng)現出方(fang)(fang)向(xiang)性(xing)，從(cong)(cong)而形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，也導致了表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域窄小(xiao)(xiao)，厚度(du)通常(chang)為(wei)幾毫米。在后(hou)(hou)續的(de)(de)(de)凝(ning)固過(guo)程中，伴隨(sui)著(zhu)凝(ning)固潛熱(re)的(de)(de)(de)釋(shi)放(fang)，凝(ning)固前沿溫度(du)梯度(du)減小(xiao)(xiao)，傳(chuan)熱(re)的(de)(de)(de)單(dan)向(xiang)性(xing)減弱，成(cheng)(cheng)分過(guo)冷(leng)(leng)(leng)度(du)增大，進(jin)而使(shi)得晶(jing)(jing)粒(li)生(sheng)長(chang)的(de)(de)(de)方(fang)(fang)向(xiang)性(xing)減弱，抑制了柱(zhu)狀晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)，同時也促進(jin)了鑄(zhu)(zhu)錠心(xin)部異質(zhi)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)核(he)的(de)(de)(de)發(fa)生(sheng)，從(cong)(cong)而有(you)助于(yu)(yu)(yu)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)向(xiang)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)轉變，最終(zhong)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)中心(xin)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。
因(yin)(yin)此(ci)，鑄(zhu)錠(ding)有兩(liang)類(lei)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織(zhi)，即(ji)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通常(chang)采用枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距和(he)CET位置對其進行表(biao)征(zheng)。圖2-108(a)給出了凝固(gu)壓(ya)力(li)分(fen)別為(wei)0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa的(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)縱剖面(mian)上的(de)(de)宏觀組(zu)織(zhi)；CET位置到(dao)(dao)鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)距離的(de)(de)統計(ji)平(ping)均(jun)值(zhi)分(fen)別為(wei)19.8mm、22.1mm和(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)量可達7.6mm,如圖2-108(b)所示(shi)。統計(ji)結果(guo)表(biao)明，隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，CET 位置逐漸由邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移(yi)動(dong)，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，中心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)減小。根據(ju)(ju)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉變(bian)(bian)的(de)(de)阻擋判據(ju)(ju)可知［156],當柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)處等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數大(da)(da)于臨(lin)界值(zhi)時(shi)，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)生長(chang)(chang)受到(dao)(dao)抑制而停止(zhi)，此(ci)時(shi)發生柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向(xiang)中心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉變(bian)(bian)。因(yin)(yin)此(ci)，CET轉變(bian)(bian)很大(da)(da)程度上取決于中心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)形核和(he)長(chang)(chang)大(da)(da)。由于壓(ya)力(li)強(qiang)化冷(leng)卻(que)效果(guo)十分(fen)明顯，增(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)加(jia)快(kuai)了鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)冷(leng)卻(que)，增(zeng)(zeng)大(da)(da)了鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)溫度梯度，從而降低(di)了枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前沿的(de)(de)成(cheng)分(fen)過(guo)冷(leng)度，此(ci)時(shi)，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)的(de)(de)形核和(he)長(chang)(chang)大(da)(da)就會受到(dao)(dao)嚴重阻礙和(he)抑制;反之，降低(di)壓(ya)力(li)，有助于等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)處的(de)(de)形核和(he)長(chang)(chang)大(da)(da)，從而提前并加(jia)快(kuai)了CET.因(yin)(yin)此(ci)，當壓(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)(dao)1.2MPa時(shi)，壓(ya)力(li)通過(guo)強(qiang)化冷(leng)卻(que)擴大(da)(da)了柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促使CET轉變(bian)(bian)位置在(zai)徑(jing)向(xiang)上逐漸由邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移(yi)動(dong)。此(ci)外，在(zai)0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa下(xia)，19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)縱剖面(mian)的(de)(de)宏觀組(zu)織(zhi)中均(jun)存在(zai)較窄的(de)(de)表(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。
為(wei)了進(jin)一步研究壓力對(dui)CET的(de)影響(xiang)規律，在(zai)不考慮(lv)壓力強化冷卻(que)效果(guo)的(de)前提(ti)下，對(dui)枝晶尖端生長速率v.隨壓力的(de)變化規律進(jin)行理論計算，可采用KGT模型(xing)，,即(ji)
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(suo)述(shu)，凝(ning)固壓力的(de)增(zeng)加會對枝晶尖端生長速率產(chan)生重要影(ying)響，且壓力的(de)增(zeng)量越大，影(ying)響越明顯(xian)。結(jie)合(he)實驗(yan)和(he)KGT模(mo)型理論計算可知，低壓下，當凝(ning)固壓力從0.5MPa 增(zeng)加至1.2MPa時，壓力主要通(tong)過強化冷卻(que)的(de)方式(shi)，使得鑄錠(ding)CET位置(zhi)逐漸由(you)邊部(bu)(bu)向心(xin)部(bu)(bu)移動。
2. 枝(zhi)晶間距
相鄰同次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)臂之間的(de)垂直距(ju)(ju)離稱為(wei)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)的(de)大小表征了枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組織細化程度，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)越小，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組織越細密［162],通常考慮(lv)的(de)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)有一次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)入(ru)1和二次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)λ2.一次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)與凝固速率(lv)v和溫度梯度Gr的(de)關系(xi)為(wei)
由式(shi)（2-191)可知，合金(jin)體(ti)系(xi)一(yi)定(ding)時(shi)，分(fen)析局部(bu)區(qu)域冷卻(que)速率(lv)v.和(he)溫度梯度Gr隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)(de)變化趨勢(shi)，有助(zhu)于闡明壓(ya)(ya)力對一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間距λ1的(de)(de)影響規律。因局部(bu)區(qu)域冷卻(que)速率(lv)vc和(he)溫度梯度Gr的(de)(de)測量難度較大(da)，可用模(mo)擬計算的(de)(de)方式(shi)獲得。在(zai)不同凝固(gu)壓(ya)(ya)力下的(de)(de)組織模(mo)擬過程中，不考慮(lv)疏松縮孔對晶(jing)(jing)(jing)區(qu)分(fen)布的(de)(de)影響，模(mo)擬結果如圖2-110所(suo)示(shi)。為(wei)(wei)了更準(zhun)確地找到(dao)CET位(wei)置，使(shi)用平均(jun)縱(zong)橫(heng)比(bi)（晶(jing)(jing)(jing)粒最短邊與最長邊的(de)(de)比(bi)率(lv)）來(lai)區(qu)分(fen)柱狀晶(jing)(jing)(jing)和(he)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)：當晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)縱(zong)橫(heng)比(bi)大(da)于0.4時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)粒為(wei)(wei)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)；當晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)縱(zong)橫(heng)比(bi)小于0.4時(shi)，則為(wei)(wei)柱狀晶(jing)(jing)(jing)。根(gen)據(ju)阻擋判據(ju)，等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)體(ti)積分(fen)數(shu)的(de)(de)臨界值設定(ding)為(wei)(wei)0.49，以此作為(wei)(wei)依(yi)據(ju)，19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼在(zai)0.5MPa、0.85MPa 和(he)1.2MPa 壓(ya)(ya)力下，CET 位(wei)置在(zai)徑向(xiang)上(shang)離鑄(zhu)錠邊部(bu)的(de)(de)平均(jun)距離分(fen)別(bie)為(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠底部溫度梯(ti)度 Gr和(he)(he)(he)冷卻(que)(que)速率(lv)v.隨(sui)壓力(li)(li)的(de)變化規律，如圖2-111所示。在(zai)某一(yi)(yi)壓力(li)(li)條件下(xia)，vc和(he)(he)(he)Gr沿徑向(xiang)由鑄(zhu)(zhu)錠邊部到心(xin)部均呈現逐(zhu)(zhu)漸減(jian)小(xiao)的(de)趨勢(shi)，結合式(shi)（2-190)可知(zhi)，一(yi)(yi)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)入(ru)1與(yu)v.和(he)(he)(he)Gr成(cheng)反比(bi)，因而1沿徑向(xiang)由邊部到心(xin)部逐(zhu)(zhu)漸增大。當壓力(li)(li)從0.5MPa增加(jia)至(zhi)1.2MPa時，在(zai)壓力(li)(li)強化冷卻(que)(que)的(de)作(zuo)用下(xia)，鑄(zhu)(zhu)錠內(nei)各單元體(ti)的(de)vc和(he)(he)(he)Gr隨(sui)之增大，且(qie)對鑄(zhu)(zhu)錠邊緣處的(de)單元體(ti)影(ying)響最大，在(zai)沿徑向(xiang)向(xiang)心(xin)部移(yi)動的(de)過(guo)程中，壓力(li)(li)對vc和(he)(he)(he)Gr的(de)影(ying)響逐(zhu)(zhu)步減(jian)弱(ruo)。結合式(shi)（2-190)可知(zhi)，一(yi)(yi)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)入(ru)1隨(sui)著vc和(he)(he)(he)Gr的(de)增大呈冪(mi)函數減(jian)小(xiao)。因此(ci)，隨(sui)著壓力(li)(li)增加(jia)，一(yi)(yi)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)入(ru)1減(jian)小(xiao)，且(qie)越靠近鑄(zhu)(zhu)錠邊部，入(ru)減(jian)小(xiao)趨勢(shi)越明顯，即(ji)壓力(li)(li)對柱狀晶(jing)(jing)(jing)一(yi)(yi)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)的(de)影(ying)響大于中心(xin)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區。
由邊(bian)部到心部逐漸增大(da)，結合式（2-192)可知，鑄(zhu)錠心部的二次枝晶(jing)間(jian)距入2大(da)于邊(bian)部；壓力(li)從0.5MPa增加至1.2MPa時，LST明顯減小(xiao)，二次枝晶(jing)間(jian)距入2也隨之減小(xiao)。
圖(tu)2-112 不同壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)距(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠底(di)部(bu)130mm處LST計算值由于等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂(bei)彼此(ci)(ci)相交且沿(yan)(yan)徑(jing)向(xiang)(xiang)以幾乎相同的(de)(de)速(su)率向(xiang)(xiang)四(si)周生長，同時不同等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)間(jian)不存在(zai)任何確定的(de)(de)位向(xiang)(xiang)關系(xi)，難以通過實驗對(dui)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)進(jin)行測(ce)量(liang)，因此(ci)(ci)只對(dui)CET前柱狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)進(jin)行測(ce)量(liang)。圖(tu)2-113給出了距(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠底(di)部(bu)115mm的(de)(de)高度處一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)入1和(he)(he)(he)二次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)x2的(de)(de)變化(hua)(hua)規律，在(zai)某(mou)一(yi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)，沿(yan)(yan)徑(jing)向(xiang)(xiang)由鑄(zhu)錠邊部(bu)向(xiang)(xiang)心(xin)部(bu)移動(dong)的(de)(de)過程中，1和(he)(he)(he)x2逐(zhu)漸(jian)增大；當壓(ya)(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增加至1.2MPa時，1和(he)(he)(he)入2均呈減小的(de)(de)趨(qu)勢(shi)。基(ji)于埋設(she)熱(re)電(dian)偶的(de)(de)測(ce)溫結果和(he)(he)(he)式（2-195)可(ke)得，2nd和(he)(he)(he)4h測(ce)溫位置(zhi)處局(ju)部(bu)凝固時間(jian)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增加而(er)(er)縮短，如圖(tu)2-113(a)所示，從(cong)而(er)(er)導致x2的(de)(de)減小。對(dui)比可(ke)知，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)（λ和(he)(he)(he)ん）和(he)(he)(he)局(ju)部(bu)凝固時間(jian)沿(yan)(yan)徑(jing)向(xiang)(xiang)和(he)(he)(he)隨壓(ya)(ya)力(li)變化(hua)(hua)趨(qu)勢(shi)的(de)(de)實驗與模擬結果一(yi)致。
綜(zong)上所述，增加(jia)(jia)壓力(li)能夠明顯(xian)減小(xiao)枝晶(jing)(jing)間(jian)距（x1和(he)x2),縮短局(ju)部(bu)凝固(gu)時間(jian)，細化凝固(gu)組(zu)織(zhi)。鑄錠邊部(bu)和(he)心部(bu)試樣的枝晶(jing)(jing)形(xing)貌如圖(tu)2-114所示，進一步(bu)佐證了(le)增加(jia)(jia)壓力(li)具有明顯(xian)細化枝晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)的作用，且對柱狀晶(jing)(jing)的影響大(da)于(yu)中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)。
3. 晶粒(li)數
鑄錠內晶粒(li)數與晶粒(li)臨(lin)界形(xing)核(he)半(ban)徑(jing)和形(xing)核(he)率(lv)有直接的(de)關系，晶粒(li)臨(lin)界形(xing)核(he)半(ban)徑(jing)為：
其中，Nm為與液(ye)相線溫度(du)、凝(ning)固(gu)潛熱、擴散激活能以及(ji)表面(mian)張力(li)(li)有關(guan)的(de)系數(shu)。圖(tu)2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)變(bian)化(hua)(hua)規律(lv)(lv)。壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.5MPa增加到(dao)(dao)1.2MPa時，中心(xin)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)的(de)寬(kuan)度(du)逐(zhu)漸減小，最小值為56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)180mm(高）x56mm(寬(kuan)）等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)變(bian)化(hua)(hua)規律(lv)(lv)如圖(tu)2-115所示。當(dang)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.5MPa增加到(dao)(dao)0.85MPa時，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)目從(cong)9166增加到(dao)(dao)9551;當(dang)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)進(jin)一步(bu)增加到(dao)(dao)1.2MPa時，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)目增加到(dao)(dao)10128.因此，提高凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)明顯增大。
在低壓(ya)(ya)下，如(ru)壓(ya)(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增至1.2MPa時(shi)，液(ye)相(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)、凝固潛(qian)熱(re)、擴散激活能(neng)以及表面張力(li)的變(bian)量非常小，幾(ji)乎可(ke)以忽(hu)略，這(zhe)樣可(ke)以假(jia)設Nm在0.5MPa、晶(jing)粒(li)數(shu)0.85MPa和1.2MPa下相(xiang)等，近似為常數(shu)。提(ti)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)力(li)能(neng)夠明顯地增大(da)鑄(zhu)錠的溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)（圖2-111),溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)越(yue)大(da)，單位時(shi)間內(nei)從(cong)糊狀區(qu)內(nei)導出結(jie)晶(jing)潛(qian)熱(re)的量越(yue)大(da)，進而提(ti)高(gao)(gao)了(le)糊狀區(qu)內(nei)過冷度(du)(du)(du)；反(fan)之亦然，這(zhe)意味(wei)著糊狀區(qu)過冷度(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力(li)的變(bian)化趨勢相(xiang)同，即(ji)隨(sui)(sui)著壓(ya)(ya)力(li)的提(ti)高(gao)(gao)而增大(da)。結(jie)合式（2-193)和式（2-197)可(ke)知(zhi)，隨(sui)(sui)著糊狀區(qu)內(nei)過冷度(du)(du)(du)ΔT的增加(jia)，晶(jing)粒(li)臨界形核半(ban)徑rk減小，形核率Na增大(da)，有(you)助于提(ti)高(gao)(gao)鑄(zhu)錠內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)。因此，增加(jia)壓(ya)(ya)力(li)有(you)利(li)于增加(jia)晶(jing)粒(li)數(shu)。
距(ju)離19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)底部130mm的(de)(de)(de)高度(du)(du)(du)(du)處，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)變(bian)化規律如(ru)圖2-116所示。在某一(yi)凝(ning)固壓(ya)(ya)力下，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)目最大(da)(da)，隨(sui)著離鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部距(ju)離的(de)(de)(de)增加(jia)，由(you)于糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)內過冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)減小(xiao)，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)也(ye)隨(sui)之減少。隨(sui)著壓(ya)(ya)力提高，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)均呈(cheng)增大(da)(da)趨(qu)勢(shi)，且柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)內軸向切片(pian)上晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)增量明(ming)顯(xian)大(da)(da)于中心(xin)(xin)等軸晶(jing)(jing)區(qu)(qu)。因為在壓(ya)(ya)力強化冷(leng)(leng)卻的(de)(de)(de)作(zuo)用下，整(zheng)個鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)均有增大(da)(da)趨(qu)勢(shi)，導致糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)內過冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增加(jia)。同時，由(you)于距(ju)離鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)(zhu)(zhu)型(xing)換(huan)熱(re)界面越近，溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)受界面換(huan)熱(re)的(de)(de)(de)影響越大(da)(da)，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)壓(ya)(ya)力變(bian)化趨(qu)勢(shi)越明(ming)顯(xian)，進而增加(jia)凝(ning)固壓(ya)(ya)力，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增量明(ming)顯(xian)大(da)(da)于心(xin)(xin)部，從而導致離鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部較近的(de)(de)(de)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)增量明(ming)顯(xian)大(da)(da)于中心(xin)(xin)等軸晶(jing)(jing)區(qu)(qu)。
二(er)、疏松縮(suo)孔
鑄錠產生(sheng)(sheng)(sheng)疏松(song)縮(suo)(suo)(suo)孔(kong)的(de)(de)(de)基本原(yuan)因是(shi)(shi)鑄錠從(cong)澆注溫(wen)(wen)度(du)(du)冷卻(que)至固(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)(du)時產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)（液(ye)(ye)態(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)和(he)(he)凝固(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)之(zhi)(zhi)和(he)(he)）大于固(gu)態(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)。當鋼液(ye)(ye)從(cong)澆注溫(wen)(wen)度(du)(du)冷卻(que)至液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)(du)時所(suo)產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)為液(ye)(ye)態(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)，鋼液(ye)(ye)進一步從(cong)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)(du)冷卻(que)至固(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)(du)時（即(ji)發生(sheng)(sheng)(sheng)凝固(gu)相(xiang)(xiang)變時）所(suo)產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)為凝固(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)［87],固(gu)態(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)是(shi)(shi)指固(gu)相(xiang)(xiang)在冷卻(que)過程中所(suo)產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)。疏松(song)縮(suo)(suo)(suo)孔(kong)的(de)(de)(de)出現嚴重降低了(le)鑄錠的(de)(de)(de)力學(xue)和(he)(he)耐(nai)腐蝕(shi)性能以及成材率(lv)，是(shi)(shi)鑄錠的(de)(de)(de)嚴重缺陷之(zhi)(zhi)一。
在(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)鑄錠內出現體(ti)(ti)積(ji)(ji)小而彌散的(de)(de)空洞為疏(shu)松(song)，體(ti)(ti)積(ji)(ji)大(da)且集中(zhong)的(de)(de)為縮(suo)孔。疏(shu)松(song)由(you)在(zai)糊(hu)狀區(qu)內液(ye)(ye)相(xiang)體(ti)(ti)積(ji)(ji)分(fen)數降到(dao)(dao)一定程度時，液(ye)(ye)相(xiang)流動困難，液(ye)(ye)態(tai)(tai)收縮(suo)與凝固(gu)收縮(suo)之和超過(guo)固(gu)態(tai)(tai)收縮(suo)的(de)(de)那部(bu)分(fen)收縮(suo)量無(wu)法(fa)得到(dao)(dao)補縮(suo)所導致，因(yin)而疏(shu)松(song)的(de)(de)形成與枝晶間液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)流動有密切關聯［72,87].在(zai)糊(hu)狀區(qu)內，體(ti)(ti)收縮(suo)主(zhu)要由(you)凝固(gu)收縮(suo)組成，且為枝晶間液(ye)(ye)體(ti)(ti)流動的(de)(de)主(zhu)要驅動力，因(yin)而枝晶間液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)流速(su)u可(ke)表示為
式(shi)(shi)中(zhong)，PΔx＝Ps+Pf(其中(zhong)，Pt為鋼液靜壓(ya)力，Pf=pgh;Ps為凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力）。結(jie)合式(shi)(shi)（2-202)可知，增(zeng)加凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力，Px增(zeng)大，強化了枝晶(jing)(jing)間(jian)液相的(de)補縮能力，進(jin)而有(you)助于(yu)避免疏松(song)的(de)形(xing)成(cheng)［91].此(ci)外，糊狀區(qu)越(yue)(yue)寬，枝晶(jing)(jing)網狀結(jie)構(gou)越(yue)(yue)復雜，枝晶(jing)(jing)間(jian)補縮的(de)距(ju)離越(yue)(yue)長阻力越(yue)(yue)大，滲透(tou)率K越(yue)(yue)小，疏松(song)越(yue)(yue)容易形(xing)成(cheng)。因此(ci)，疏松(song)易于(yu)在糊狀區(qu)較寬的(de)鑄錠(ding)(ding)以(yi)(yi)體積(ji)凝(ning)(ning)固(gu)或同時凝(ning)(ning)固(gu)方式(shi)(shi)凝(ning)(ning)固(gu)時形(xing)成(cheng)。相比之下，縮孔傾向于(yu)在糊狀區(qu)較窄的(de)鑄錠(ding)(ding)以(yi)(yi)逐層凝(ning)(ning)固(gu)方式(shi)(shi)的(de)凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)出現。
不(bu)同凝(ning)固壓(ya)力(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)縱剖面(mian)(mian)上疏松(song)縮(suo)孔(kong)(kong)的(de)(de)分布情(qing)(qing)況如(ru)圖2-117所(suo)示。隨(sui)(sui)著凝(ning)固壓(ya)力(li)的(de)(de)增加(jia)(jia)，疏松(song)和(he)(he)縮(suo)孔(kong)(kong)的(de)(de)總面(mian)(mian)積大(da)幅(fu)度(du)(du)減(jian)小，且(qie)疏松(song)逐漸(jian)消(xiao)失。由于(yu)(yu)壓(ya)力(li)具有(you)(you)顯(xian)著的(de)(de)強(qiang)化冷(leng)卻效果(guo)，增大(da)凝(ning)固壓(ya)力(li)，強(qiang)化了(le)鑄(zhu)錠(ding)和(he)(he)鑄(zhu)型間(jian)的(de)(de)界面(mian)(mian)換熱，加(jia)(jia)快了(le)鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)冷(leng)卻速率，從(cong)而增大(da)了(le)鑄(zhu)錠(ding)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)Gr;在合金體(ti)系(xi)一(yi)定的(de)(de)情(qing)(qing)況下，糊(hu)狀區(qu)隨(sui)(sui)之確定，那么(me)糊(hu)狀區(qu)的(de)(de)寬度(du)(du)隨(sui)(sui)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)Gr的(de)(de)增大(da)而減(jian)小171],進而導(dao)致枝晶網狀結構的(de)(de)形(xing)成受到抑制。凝(ning)固方(fang)式(shi)逐漸(jian)由體(ti)積凝(ning)固向逐層凝(ning)固過渡，增大(da)了(le)滲(shen)透(tou)率K,從(cong)而降低和(he)(he)縮(suo)短枝晶間(jian)補縮(suo)時(shi)液相流動的(de)(de)阻力(li)和(he)(he)距離。此(ci)外，基于(yu)(yu)以上理(li)論分析并結合判據式(shi)（2-202)可知，增加(jia)(jia)凝(ning)固壓(ya)力(li)等效于(yu)(yu)增大(da)了(le)Px,使其(qi)遠大(da)于(yu)(yu)枝晶間(jian)液相補縮(suo)時(shi)所(suo)需壓(ya)力(li)。因此(ci)，加(jia)(jia)壓(ya)有(you)(you)利于(yu)(yu)枝晶間(jian)液相的(de)(de)補縮(suo)行為，且(qie)有(you)(you)助于(yu)(yu)大(da)幅(fu)度(du)(du)減(jian)小或消(xiao)除(chu)疏松(song)缺陷。
三、凝(ning)固析出相
根據相(xiang)(xiang)所含非金屬元素的(de)種類，可將凝固析(xi)出相(xiang)(xiang)分(fen)為氮化(hua)(hua)(hua)物(wu)、碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)等，與碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)比，氮化(hua)(hua)(hua)物(wu)尺寸一般(ban)較(jiao)小，為了更加清楚(chu)直觀(guan)地(di)論(lun)述(shu)(shu)增加壓(ya)力(li)(li)對(dui)凝固析(xi)出相(xiang)(xiang)的(de)影(ying)響，本(ben)節將著重(zhong)以高速鋼M42中碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)為例，闡述(shu)(shu)壓(ya)力(li)(li)對(dui)凝固析(xi)出相(xiang)(xiang)的(de)類型、形(xing)貌、成(cheng)分(fen)等影(ying)響規律。
高(gao)速(su)鋼碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)數量繁多、種類各(ge)異(yi)。不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)、成(cheng)分(fen)(fen)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)、形貌也各(ge)有差異(yi)；按照(zhao)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)形貌特(te)征及生(sheng)成(cheng)機制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)，可將高(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)分(fen)(fen)為(wei)一次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)和二次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)兩(liang)大部(bu)分(fen)(fen)。一次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)又(you)稱(cheng)為(wei)“初生(sheng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)”，即在(zai)凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)直接從液(ye)相中(zhong)(zhong)析(xi)(xi)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)，包括(kuo)各(ge)種先(xian)共晶(jing)和共晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等(deng)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)類型(xing)。一次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)尺寸比較(jiao)大，屬于(yu)微米級別，在(zai)后續熱(re)加工和熱(re)處(chu)理工藝(yi)中(zhong)(zhong)將被(bei)破(po)碎或(huo)分(fen)(fen)解成(cheng)尺寸較(jiao)小的(de)(de)(de)(de)(de)顆粒狀存(cun)在(zai)于(yu)鋼中(zhong)(zhong)。二次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)是指在(zai)凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)或(huo)熱(re)處(chu)理時從固相基體（高(gao)溫鐵(tie)素(su)體、奧氏體、馬氏體等(deng)）中(zhong)(zhong)析(xi)(xi)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)，分(fen)(fen)為(wei)M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等(deng)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)類型(xing)。高(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)成(cheng)分(fen)(fen)波動(dong)范圍較(jiao)大，不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)鋼種、不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)條(tiao)件產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)(tong)一類型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)也會有不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)，甚至(zhi)同(tong)(tong)(tong)一粒碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)部(bu)位，也會有成(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)差異(yi)。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)形貌、成(cheng)分(fen)(fen)及分(fen)(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(yao)形成(cheng)(cheng)元素通常(chang)是鉬、釩和鎢(wu)，鉻及鐵的含量(liang)則(ze)較少。M2C 共晶(jing)碳化(hua)物一(yi)般以(yi)亞穩(wen)態存在(zai)于鋼中。尺(chi)寸(cun)較小(xiao)(xiao)、片層較薄且沒有中間脊(ji)骨，在(zai)高溫時(shi)(shi)易(yi)發(fa)生分(fen)解反(fan)應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)解成(cheng)(cheng)尺(chi)寸(cun)較小(xiao)(xiao)的顆(ke)粒狀M6C和MC。此外，與M6C相反(fan)，鋼液(ye)凝固時(shi)(shi)的冷卻(que)速率越快，越有利于M2C的形成(cheng)(cheng)。因此，提高鑄錠凝固時(shi)(shi)的冷卻(que)速率有利于促進M2C的形成(cheng)(cheng)并細化(hua)M2C,同時(shi)(shi)可抑制較大尺(chi)寸(cun)M6Cl。
M6C具有(you)(you)復(fu)雜立方晶體結(jie)構(gou)(gou)，其(qi)結(jie)構(gou)(gou)中(zhong)除(chu)碳(tan)(tan)原(yuan)(yuan)子以外(wai)，鐵(tie)、鎢(wu)原(yuan)(yuan)子約各占(zhan)一(yi)半(ban)。M6C屬(shu)于穩定型(xing)碳(tan)(tan)化物，其(qi)形(xing)態為(wei)粗(cu)大(da)的骨骼狀(zhuang)。鋼(gang)(gang)液凝(ning)固(gu)時冷卻(que)速率越慢，M6C碳(tan)(tan)化物越易于形(xing)成和(he)長(chang)大(da)。因此(ci)，M6C在高(gao)速鋼(gang)(gang)的心部往(wang)往(wang)含量(liang)較高(gao)，而邊部較少或沒有(you)(you)。加快鑄錠凝(ning)固(gu)時的冷卻(que)速率有(you)(you)利于細(xi)化M6C,提高(gao)鑄錠性能。
MC具(ju)有(you)面心立(li)方結(jie)(jie)(jie)構(gou)，化(hua)(hua)(hua)(hua)學式(shi)為MC或者M4C3,其成分(fen)以(yi)釩為主(zhu)。鋼(gang)中(zhong)碳(tan)、釩含(han)量的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)可使MC增(zeng)多(duo)，尺(chi)寸變大(da)。高(gao)(gao)(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)還有(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)。M23C6晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)為復(fu)雜面心立(li)方結(jie)(jie)(jie)構(gou)，具(ju)有(you)一定(ding)量的(de)(de)(de)(de)鎢、鉬(mu)，釩含(han)量極少，含(han)有(you)大(da)量的(de)(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)元素(su)；與(yu)M2C相(xiang)同，M3C也是亞(ya)穩(wen)態相(xiang)。M7C3為復(fu)雜六方晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)，含(han)有(you)較多(duo)的(de)(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)，主(zhu)要(yao)存在于碳(tan)含(han)量較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)鋼(gang)中(zhong)。高(gao)(gao)(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)具(ju)有(you)兩個重要(yao)的(de)(de)(de)(de)特性(xing)：硬度和熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)（加熱(re)時溶解、聚集長(chang)大(da)的(de)(de)(de)(de)難度）。這些特性(xing)反映了碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)中(zhong)碳(tan)和金屬原(yuan)子結(jie)(jie)(jie)合鍵(jian)的(de)(de)(de)(de)強弱，與(yu)原(yuan)子結(jie)(jie)(jie)構(gou)和尺(chi)寸有(you)關(guan)。碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)格結(jie)(jie)(jie)構(gou)與(yu)碳(tan)原(yuan)子半徑(jing)rc、金屬原(yuan)子半徑(jing)rx有(you)關(guan)，如表2-15所示，rd/rx值越(yue)(yue)大(da)，則越(yue)(yue)易(yi)形成結(jie)(jie)(jie)構(gou)復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)(yue)小(xiao)則易(yi)形成結(jie)(jie)(jie)構(gou)簡(jian)單密(mi)堆型(xing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)（MC等(deng)）。表中(zhong)熔點可作為碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)(de)(de)(de)衡量指標，可見(jian)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)中(zhong)原(yuan)子尺(chi)寸越(yue)(yue)接近(jin)，則碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)穩(wen)定(ding)性(xing)越(yue)(yue)高(gao)(gao)(gao)。
1. 壓力對萊(lai)氏體(ti)的影響
凝固(gu)末期，由于偏(pian)析導(dao)致合金元素在枝晶間(jian)(jian)(jian)殘余液相內富集發(fa)生(sheng)共晶反應，從液相中(zhong)直接生(sheng)成碳化物，它與奧氏(shi)(shi)體(ti)相間(jian)(jian)(jian)排列，構成萊氏(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)(zhi)。因此高(gao)速鋼(gang)的萊氏(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)(zhi)往(wang)往(wang)存在于枝晶間(jian)(jian)(jian)。圖2-118為M2高(gao)速鋼(gang)的低倍鑄態(tai)組織(zhi)(zhi)，可(ke)見(jian)一般情況下(xia)，相鄰晶粒(li)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)的萊氏(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)(zhi)較為細小，數量較少(shao)，而多個晶粒(li)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)的萊氏(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)(zhi)尺寸較大(da)，數量較多。
高速鋼的(de)萊(lai)氏體組織中含(han)有多種類型的(de)碳化物，如(ru)M2C、M6C、MC等。M6C整體形貌類似(si)魚骨，故又稱(cheng)為“魚骨狀(zhuang)碳化物”，如(ru)圖2-119所(suo)(suo)示(shi)；M2C成片層(ceng)狀(zhuang)，含(han)有M2C的(de)共(gong)晶萊(lai)氏體具有“羽(yu)毛狀(zhuang)”、“扇狀(zhuang)”、“菊花狀(zhuang)”等形貌，如(ru)圖2-120所(suo)(suo)示(shi)；MC的(de)生長時間較(jiao)長，最終(zhong)尺寸較(jiao)為粗大(da)，往(wang)往(wang)以不規則的(de)條(tiao)狀(zhuang)出現(xian)，如(ru)圖2-120所(suo)(suo)示(shi)。
a. 碳化物種類及分布
高(gao)速鋼中(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)種類與成(cheng)(cheng)分(fen)和凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻速率(lv)(lv)(lv)密不(bu)可分(fen)。M42 高(gao)速工具(ju)鋼作(zuo)為高(gao)鉬低(di)鎢鋼，其凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)織(zhi)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)主要(yao)為M2C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)；另外含有少部分(fen)M6C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)，主要(yao)存在于(yu)(yu)鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)心部區域。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)速鋼鑄錠(ding)(ding)在0.1MPa、1MPa和2MPa下1/4圓(yuan)鑄錠(ding)(ding)板(ban)金相組(zu)織(zhi)。白色斑(ban)點(dian)狀處的(de)(de)(de)(de)萊(lai)氏(shi)體組(zu)織(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)為具(ju)有中(zhong)心脊骨(gu)，脊骨(gu)兩邊具(ju)有平行分(fen)枝的(de)(de)(de)(de)魚骨(gu)狀M6C.M6C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)尺寸比M2C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)粗大(da)(da)(da)得多(duo)且(qie)結構上相互連接(jie)緊密，極(ji)不(bu)利于(yu)(yu)鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)后續碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)破碎，因(yin)(yin)此盡可能減(jian)少或避免凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)織(zhi)中(zhong)M6C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)產生(sheng)，有助(zhu)于(yu)(yu)提升其力學(xue)(xue)性能等。隨著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)(da)，萊(lai)氏(shi)體（白色斑(ban)點(dian)）所(suo)占(zhan)1/4圓(yuan)鑄錠(ding)(ding)板(ban)的(de)(de)(de)(de)面積比例逐漸減(jian)小，加(jia)壓(ya)有助(zhu)于(yu)(yu)抑制M6C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)與長(chang)大(da)(da)(da)，其主要(yao)原因(yin)(yin)在于(yu)(yu)在較低(di)壓(ya)力下，加(jia)壓(ya)對凝(ning)(ning)固(gu)熱(re)力學(xue)(xue)和動力學(xue)(xue)參(can)數的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)十分(fen)有限，但(dan)強化(hua)(hua)冷(leng)卻效果十分(fen)明(ming)同時凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)冷(leng)卻速率(lv)(lv)(lv)越小，越有利于(yu)(yu)魚骨(gu)狀M6C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)M6C越粗大(da)(da)(da)。因(yin)(yin)而增加(jia)壓(ya)力主要(yao)通過增大(da)(da)(da)鑄錠(ding)(ding)和鑄型間界面換熱(re)系(xi)數，提高(gao)鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻速率(lv)(lv)(lv)從而細化(hua)(hua)并(bing)抑制M6C共(gong)(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)當(dang)壓(ya)力增加(jia)到一定程度時，能夠完全抑制富(fu)含M6C的(de)(de)(de)(de)萊(lai)氏(shi)體形(xing)成(cheng)(cheng)，消除其對組(zu)織(zhi)和性能的(de)(de)(de)(de)不(bu)良影(ying)響(xiang)。
圖(tu)2-121(b)所(suo)示萊氏體(ti)(ti)組織中碳(tan)化(hua)物(wu)為長(chang)條狀或(huo)者短棒狀的(de)(de)(de)M2C.凝固壓(ya)力(li)(li)不同(tong)，M2C的(de)(de)(de)尺寸、形貌以及分(fen)布的(de)(de)(de)緊(jin)密(mi)程度等均(jun)有所(suo)不同(tong)。在0.1MPa壓(ya)力(li)(li)下，碳(tan)化(hua)物(wu)分(fen)枝(zhi)較(jiao)少、片層較(jiao)長(chang)、尺寸較(jiao)大、間距較(jiao)寬、共晶(jing)(jing)(jing)萊氏體(ti)(ti)與(yu)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂(bei)的(de)(de)(de)界面較(jiao)平整；隨著壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增加，條狀或(huo)片層狀碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)間距逐漸(jian)減小(xiao)，且(qie)開始斷開成大量的(de)(de)(de)短棒碳(tan)化(hua)物(wu)，碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)分(fen)枝(zhi)也逐漸(jian)增多，并密(mi)集分(fen)布在枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間，共晶(jing)(jing)(jing)萊氏體(ti)(ti)與(yu)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂(bei)的(de)(de)(de)界面也較(jiao)為粗糙(cao)。此外，三個壓(ya)力(li)(li)下的(de)(de)(de)M2C幾乎沒有晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)缺(que)陷，明壓(ya)力(li)(li)很難對碳(tan)化(hua)物(wu)晶(jing)(jing)(jing)格類型產(chan)生影響(xiang)。
b. 萊氏體尺寸(cun)
萊氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)織存在于(yu)枝晶(jing)(jing)(jing)間，與枝晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)、形貌及分布(bu)密切相(xiang)關，枝晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)越小，枝晶(jing)(jing)(jing)間萊氏(shi)體(ti)(ti)尺(chi)(chi)寸(cun)也相(xiang)應地細小且均勻分布(bu)。圖2-124和(he)圖2-125給(gei)出了不同壓(ya)力條件下M42鑄(zhu)(zhu)錠邊部(bu)和(he)心部(bu)萊氏(shi)體(ti)(ti)形貌和(he)尺(chi)(chi)寸(cun)分布(bu)，無論是鑄(zhu)(zhu)錠的邊部(bu)還(huan)是心部(bu)，尺(chi)(chi)寸(cun)不一的萊氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)織（黑色）均分布(bu)在枝晶(jing)(jing)(jing)間。在同一凝固壓(ya)力條件下，鑄(zhu)(zhu)錠邊部(bu)的枝晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)明(ming)顯小于(yu)心部(bu)，因(yin)而(er)心部(bu)萊氏(shi)體(ti)(ti)要比邊部(bu)粗大(da)。
隨(sui)(sui)著壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)，在(zai)(zai)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)強化(hua)冷卻的(de)(de)(de)作用下，冷卻速(su)率增(zeng)大(da)，鑄錠(ding)局(ju)(ju)部凝(ning)固時(shi)間縮短(duan)，使得枝(zhi)晶組織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)得到(dao)了明(ming)顯細(xi)化(hua)且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)分(fen)布(bu)更(geng)(geng)均(jun)勻(yun)(yun)(yun)，進而(er)導致分(fen)布(bu)在(zai)(zai)枝(zhi)晶間的(de)(de)(de)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)也隨(sui)(sui)之細(xi)化(hua)，厚度(du)大(da)大(da)減小(xiao)且(qie)(qie)分(fen)布(bu)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)(yun)。在(zai)(zai)0.1MPa 壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下，無論在(zai)(zai)邊部還是心部位置，鑄錠(ding)的(de)(de)(de)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)均(jun)較(jiao)為粗大(da)，且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)分(fen)布(bu)極不均(jun)勻(yun)(yun)(yun)，部分(fen)局(ju)(ju)部區域存在(zai)(zai)著大(da)量的(de)(de)(de)黑色萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)，尤其在(zai)(zai)多個枝(zhi)晶臂交匯(hui)處，且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)異常(chang)粗大(da)。當(dang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)增(zeng)加(jia)至(zhi)(zhi)1MPa時(shi)，粗大(da)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)得到(dao)明(ming)顯細(xi)化(hua)，且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)分(fen)布(bu)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)(yun)；當(dang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)進一(yi)(yi)步增(zeng)加(jia)至(zhi)(zhi)2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)得到(dao)進一(yi)(yi)步地改(gai)(gai)善，組織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)更(geng)(geng)加(jia)細(xi)密，尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)勻(yun)(yun)(yun)，粗大(da)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)基本(ben)消失。萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)平均(jun)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變化(hua)規(gui)律如圖2-126所示，壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)從0.1MPa增(zeng)加(jia)至(zhi)(zhi)2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)厚度(du)由28.37μm降(jiang)低(di)至(zhi)(zhi)22.92μm.因此，增(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)能夠明(ming)顯細(xi)化(hua)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，改(gai)(gai)善其分(fen)布(bu)狀態。
2. 壓力(li)對碳化(hua)物的影響(xiang)
a. 碳化物尺(chi)寸
以高(gao)(gao)速鋼中(zhong)M2C共晶碳化物為例，M2C共晶碳化物是通(tong)過(guo)(guo)凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)共晶反應(ying)L→y+M2C產生的(de)(de)(de)(de)(de)。和(he)(he)(he)純金(jin)屬(shu)及固(gu)溶體(ti)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)結晶過(guo)(guo)程一樣，共晶轉變(bian)(bian)同(tong)(tong)樣需要經過(guo)(guo)形核與(yu)(yu)長大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程。結合(he)式（2-178)和(he)(he)(he)式（2-179),東北大(da)學特殊鋼冶金(jin)研究所在控制溫度(du)不變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，計(ji)算了不同(tong)(tong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)各(ge)元(yuan)素(su)(su)在兩相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)，探討凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)與(yu)(yu)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活(huo)能的(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)。凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)溫度(du)T=1478K時(shi)(shi)，合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)（鉬(mu)(mu)、鎢(wu)(wu)(wu)、釩(fan)(fan)和(he)(he)(he)鉻(ge)）在M2C相和(he)(he)(he)奧氏體(ti)相γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)D隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化規律如圖(tu)2-127和(he)(he)(he)圖(tu)2-128所示；從整體(ti)上看，隨(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)逐(zhu)漸增大(da)，同(tong)(tong)溫度(du)M2C相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)鉬(mu)(mu)和(he)(he)(he)鎢(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)D呈(cheng)(cheng)減小趨勢(shi)，而(er)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)釩(fan)(fan)和(he)(he)(he)鉻(ge)則呈(cheng)(cheng)增大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，表明提(ti)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)可(ke)增大(da)M2C中(zhong)鉬(mu)(mu)、鎢(wu)(wu)(wu)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活(huo)能ΔGm,進而(er)降低(di)其擴(kuo)(kuo)散(san)(san)能力(li)(li)；同(tong)(tong)時(shi)(shi)降低(di)釩(fan)(fan)、鉻(ge)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活(huo)能ΔGm,從而(er)提(ti)高(gao)(gao)其擴(kuo)(kuo)散(san)(san)能力(li)(li)。然而(er)，當(dang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)在0.1~2MPa范圍(wei)內(nei)變(bian)(bian)化時(shi)(shi)，各(ge)元(yuan)素(su)(su)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化微乎其微，即(ji)保持恒定值。隨(sui)著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)逐(zhu)漸增大(da)到(dao)50MPa,元(yuan)素(su)(su)鉬(mu)(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)才開始產生較為明顯的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化，鎢(wu)(wu)(wu)、釩(fan)(fan)和(he)(he)(he)鉻(ge)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)甚(shen)至在100MPa壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)仍未產生變(bian)(bian)化。因此低(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)，元(yuan)素(su)(su)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)(xi)(xi)數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化可(ke)忽略(lve)不計(ji)。
的(de)(de)(de)增大(da)而(er)降低，鉻(ge)元素的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)則(ze)(ze)隨著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增大(da)而(er)增加，如圖2-128所示(shi)。即增大(da)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)具(ju)有(you)提高奧氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中合(he)金元素鉬、鎢(wu)(wu)和(he)釩的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm,降低其擴(kuo)散(san)(san)能(neng)力(li)以及減小元素鉻(ge)的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm和(he)增大(da)其擴(kuo)散(san)(san)能(neng)力(li)的(de)(de)(de)作用。與M2C差(cha)別(bie)在(zai)(zai)(zai)于，在(zai)(zai)(zai)奧氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ中，較小的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)便可發(fa)揮比較明顯的(de)(de)(de)作用，例如：當凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)大(da)于2MPa時，元素鉻(ge)的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)隨壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增加而(er)明顯增大(da)；鉬和(he)釩元素則(ze)(ze)在(zai)(zai)(zai)10MPa時開始(shi)隨壓(ya)力(li)增加而(er)明顯減小。可見，在(zai)(zai)(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)溫度下，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比于M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，合(he)金元素釩、鎢(wu)(wu)、鉬和(he)鉻(ge)在(zai)(zai)(zai)奧氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)情況受凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)影響更為明顯。但在(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)范(fan)圍內，合(he)金元素在(zai)(zai)(zai)奧氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ中的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)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(tong)時，各元素擴(kuo)散(san)(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm也未發(fa)生明顯變(bian)化。
綜上所述，在(zai)低壓下(xia)，影響M2C形(xing)核(he)率的(de)主要因素是隨(sui)凝固壓力增大而顯著減小的(de)形(xing)核(he)功。增加凝固壓力可顯著改善換熱條件強化鑄(zhu)錠(ding)冷(leng)卻、提(ti)高鑄(zhu)錠(ding)過(guo)冷(leng)度ΔT,進而降低共晶(jing)反應(ying)過(guo)程中(zhong)奧氏體相γ和M2C相的(de)形(xing)核(he)功ΔG*,最終增大M2C的(de)形(xing)核(he)率、減小M2C相鄰碳化物的(de)間(jian)距。
此外，增加壓力使(shi)M2C形核率大大增加，同時強化了鑄錠冷卻(que)，顯著降低了局(ju)部凝固(gu)時間(jian)LST,導致(zhi)加壓下鑄錠同位置的(de)(de)凝固(gu)相(xiang)對較快，M2C共(gong)晶碳化物生長時間(jian)變(bian)短，導致(zhi)M42凝固(gu)組織中M2C碳化物的(de)(de)尺(chi)寸減小。這對于后續的(de)(de)熱處理碳化物的(de)(de)溶解(jie)具有積極(ji)的(de)(de)意義。
圖2-129為不同凝固(gu)(gu)壓力(li)下M2C共晶碳化物(wu)在(zai)熱處理過程中(zhong)的元素擴散示意圖。隨著(zhu)凝固(gu)(gu)壓力(li)的增大，碳化物(wu)由(you)長(chang)條狀(zhuang)轉變為短棒狀(zhuang)，在(zai)縱向(xiang)和橫(heng)向(xiang)上的尺寸(cun)均(jun)顯著(zhu)減小。因此(ci)，在(zai)熱處理過程中(zhong)，碳化物(wu)中(zhong)的元素由(you)內向(xiang)外擴散的平均(jun)距離也相應(ying)隨著(zhu)凝固(gu)(gu)壓力(li)的增大而(er)顯著(zhu)減小，熱處理效果更(geng)加明顯，熱處理后M42組(zu)織的成(cheng)分更(geng)加均(jun)勻，進而(er)有(you)利(li)于提高M42高速鋼的質量。
b. 碳化物成分
M2C的(de)(de)形成元素(su)主要包括鉬、鎢、釩和(he)鉻(ge)，其中鉬元素(su)是強M2C碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物形成元素(su)，也是M2C中含(han)量(liang)最(zui)高的(de)(de)合(he)金(jin)元素(su)。圖2-130給出了(le)不同(tong)壓(ya)力下M2C中合(he)金(jin)元素(su)鉬、鎢、釩和(he)鉻(ge)含(han)量(liang)，隨著壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，M2C上的(de)(de)合(he)金(jin)元素(su)鉬、鎢、釩和(he)鉻(ge)含(han)量(liang)均逐(zhu)漸(jian)減小，而鐵(tie)元素(su)則逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)(da)；同(tong)時，M2C碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物之(zhi)間基體中合(he)金(jin)元素(su)含(han)量(liang)則呈現(xian)相反的(de)(de)規律：鉬、鎢、釩和(he)鉻(ge)元素(su)含(han)量(liang)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)(da)，而鐵(tie)元素(su)減少。這表明，增(zeng)大(da)(da)的(de)(de)壓(ya)力使得合(he)金(jin)元素(su)在(zai)M2C共晶碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物中的(de)(de)分布(bu)趨于均勻，為后(hou)續(xu)的(de)(de)處理、熱(re)加工工藝中碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物的(de)(de)破碎、溶解提供良好的(de)(de)基礎。
在(zai)(zai)高速鋼中(zhong)，M2C共晶(jing)碳化物是通(tong)過凝固過程(cheng)中(zhong)的共晶(jing)反應(ying)L→M2C+y產生(sheng)的，在(zai)(zai)這個(ge)過程(cheng)中(zhong)存在(zai)(zai)M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)和奧氏體γ相(xiang)(xiang)(xiang)之間的溶質再分配［172].在(zai)(zai)一定溫度(du)下(xia)，平衡分配系數(shu)可(ke)表示為固相(xiang)(xiang)(xiang)和液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的元素濃度(du)之比：
式中，Cs和CL分別(bie)表示在(zai)(zai)(zai)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)中，元(yuan)素(su)在(zai)(zai)(zai)固(gu)相和液相中的(de)平(ping)衡濃度。共晶反(fan)(fan)應L→M2C+y是在(zai)(zai)(zai)凝(ning)固(gu)末期(qi)發生(sheng)的(de)，圖2-131給(gei)出了不同壓力下的(de)M42高(gao)速鋼凝(ning)固(gu)時共晶反(fan)(fan)應過(guo)程(cheng)中M2C碳化(hua)物相和奧氏體γ相中各元(yuan)素(su)的(de)單(dan)相平(ping)衡分配(pei)系數。
式中(zhong)(zhong)，Cs和C1分(fen)別表示在(zai)凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)，元(yuan)素在(zai)固(gu)相(xiang)和液相(xiang)中(zhong)(zhong)的平(ping)衡(heng)濃度(du)。共(gong)晶反(fan)應L→M2C+y是(shi)在(zai)凝固(gu)末期發生的［172,180,181],圖2-131給出了(le)不同壓力下的M42高速鋼凝固(gu)時共(gong)晶反(fan)應過程中(zhong)(zhong)M2C碳化(hua)物相(xiang)和奧氏體y相(xiang)中(zhong)(zhong)各(ge)元(yuan)素的單相(xiang)平(ping)衡(heng)分(fen)配系數(shu)。
隨(sui)壓力的(de)增加(jia)，共(gong)晶(jing)反應(ying)(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)鉬元(yuan)素(su)在M2C和(he)奧氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)分配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)具有升高(gao)的(de)趨勢(shi)并逐(zhu)漸靠近1.基于熱力學分析，在M42鑄錠凝固時的(de)共(gong)晶(jing)反應(ying)(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)，增大壓力可使(shi)鉬元(yuan)素(su)在M2C碳化(hua)物相(xiang)和(he)奧氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)含量(liang)增大。凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)M2C碳化(hua)物相(xiang)和(he)奧氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)鉬元(yuan)素(su)平衡分配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)增量(liang)變化(hua)規律如(ru)圖2-132所示，在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa時，M2C碳化(hua)物相(xiang)中(zhong)的(de)鉬元(yuan)素(su)平衡分配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)增量(liang)始終(zhong)大于奧氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)平衡分配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)增量(liang)。由此(ci)可知，共(gong)晶(jing)反應(ying)(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)，相(xiang)比(bi)于奧氏體(ti)γ相(xiang)，鉬元(yuan)素(su)更偏向于在M2C相(xiang)中(zhong)富集。
在(zai)(zai)0.1~2MPa壓力范圍內，加壓對Mo元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)平衡(heng)分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)(shu)(shu)影響非常小，變化量為10-6~10-5,可(ke)忽略(lve)不(bu)計(ji)，因而(er)在(zai)(zai)低壓范圍內，增加壓力不(bu)能通過改(gai)變元(yuan)(yuan)素(su)(su)平衡(heng)分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)(shu)(shu)而(er)影響相成分(fen)。除(chu)平衡(heng)分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)(shu)(shu)以外，鑄錠凝固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)情況與元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)傳(chuan)質(zhi)行為有(you)關(guan)。在(zai)(zai)M42鑄錠凝固(gu)(gu)末(mo)期(qi)的(de)(de)(de)共晶反應(ying)L→M2C+y過程(cheng)中(zhong)(zhong)存(cun)在(zai)(zai)M2C碳化物相和奧氏(shi)體(ti)γ相之間的(de)(de)(de)溶(rong)質(zhi)再分(fen)配(pei)：液相中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)M2C形成元(yuan)(yuan)素(su)(su)（鉬、鎢(wu)、釩和鉻）通過凝固(gu)(gu)前沿固(gu)(gu)／液界(jie)面向(xiang)M2C碳化物相富集，同時奧氏(shi)體(ti)γ相形成元(yuan)(yuan)素(su)(su)（鈷、鐵）則向(xiang)奧氏(shi)體(ti)相富集，整個反應(ying)發(fa)生在(zai)(zai)凝固(gu)(gu)末(mo)期(qi)的(de)(de)(de)枝晶間小熔(rong)池內，此時液相流(liu)動很弱，元(yuan)(yuan)素(su)(su)對流(liu)傳(chuan)質(zhi)行為可(ke)忽略(lve)，因而(er)溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)主要與相中(zhong)(zhong)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)擴散傳(chuan)質(zhi)行為有(you)關(guan)。
根(gen)據菲克(ke)第一定律(lv)公式（2-178)可(ke)知，擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數D與溫(wen)度T呈(cheng)反比關系(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形成(cheng)元素的擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數隨溫(wen)度的變(bian)化關系(xi)。在(zai)凝固壓力(li)不變(bian)時，溫(wen)度的降低會顯著減(jian)小擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數，在(zai)低壓范圍內(nei)，相對于凝固壓力(li)變(bian)化，溫(wen)度變(bian)化對擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數D具有更明(ming)顯的影響。
增大壓(ya)力具有顯著強化(hua)(hua)冷卻和(he)(he)減少鑄(zhu)錠局部凝固時(shi)間(jian)(jian)的(de)(de)作(zuo)用(yong)。由此(ci)可知，對于(yu)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa壓(ya)力下的(de)(de)鑄(zhu)錠凝固過(guo)程，在相同的(de)(de)凝固時(shi)間(jian)(jian)內，在較高(gao)壓(ya)力下凝固的(de)(de)鑄(zhu)錠冷卻更(geng)快，溫度更(geng)低(di)，其元(yuan)(yuan)素擴散(san)系數則(ze)相對較低(di)，導致元(yuan)(yuan)素擴散(san)速率減小，使得M2C共(gong)晶碳化(hua)(hua)物(wu)中釩、鎢、鉻和(he)(he)鉬元(yuan)(yuan)素含量(liang)降低(di)，碳化(hua)(hua)物(wu)間(jian)(jian)基體(ti)的(de)(de)合金元(yuan)(yuan)素含量(liang)升高(gao)，降低(di)了(le)M2C碳化(hua)(hua)物(wu)和(he)(he)奧(ao)氏體(ti)γ相之間(jian)(jian)的(de)(de)成(cheng)分差異性(xing)，提高(gao)了(le)M42凝固組織(zhi)成(cheng)分的(de)(de)均(jun)勻性(xing)。
c. 碳化(hua)物形貌(mao)
M2C碳化物明(ming)顯(xian)具有(you)各向異性的(de)生長方式，形貌具有(you)小平面向的(de)特性。共(gong)晶(jing)組織的(de)形貌與共(gong)晶(jing)過程中(zhong)(zhong)液(ye)／固(gu)(gu)(gu)界面結構有(you)密切聯系，金屬(shu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)－金屬(shu)碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)屬(shu)于(yu)小平面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)－非小平面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)［146].M2C是通過凝固(gu)(gu)(gu)末期(qi)枝晶(jing)間熔池里的(de)共(gong)晶(jing)反M2C共(gong)晶(jing)碳化物形成于(yu)凝固(gu)(gu)(gu)末期(qi)枝晶(jing)間殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)，根(gen)據凝固(gu)(gu)(gu)原理。枝晶(jing)間殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)元素含量(liang)明(ming)顯(xian)高于(yu)鑄錠標準含量(liang)。不(bu)同壓(ya)力(li)下枝晶(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)各相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)出現的(de)先(xian)后順(shun)序，如圖2-135所示(shi)，在不(bu)同壓(ya)力(li)下，M2C均(jun)領(ling)先(xian)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ出現。這(zhe)表明(ming)，在共(gong)晶(jing)反應L→y+M2C過程中(zhong)(zhong)，M2C是領(ling)先(xian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。
在(zai)(zai)共晶(jing)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，領先(xian)相(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)快速(su)生(sheng)長(chang)方(fang)(fang)(fang)向率(lv)先(xian)進入共生(sheng)界(jie)面前方(fang)(fang)(fang)的(de)液(ye)(ye)體(ti)中(zhong)(zhong)，同時在(zai)(zai)其附近(jin)液(ye)(ye)層(ceng)中(zhong)(zhong)排出奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)形成(cheng)(cheng)元素；隨后奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ則(ze)依靠此液(ye)(ye)層(ceng)獲得生(sheng)長(chang)組(zu)元，跟(gen)隨著(zhu)M2C一起(qi)長(chang)大(da)，同時也向液(ye)(ye)層(ceng)中(zhong)(zhong)排出M2C形成(cheng)(cheng)元素，如圖(tu)2-136所示。隨著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)均加(jia)快。一方(fang)(fang)(fang)面，M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰(lin)間距隨壓(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)大(da)逐漸減(jian)小，即(ji)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)(ye)／固(gu)(gu)界(jie)面變窄；另一方(fang)(fang)(fang)面，加(jia)壓(ya)使(shi)得枝晶(jing)間殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)合金元素沒有足夠時間進行充分擴散(san)；導(dao)致(zhi)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)(ye)／固(gu)(gu)界(jie)面前沿合金元素濃度急劇增(zeng)(zeng)大(da)，成(cheng)(cheng)分過(guo)(guo)冷加(jia)劇，奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)大(da)速(su)率(lv)進一步增(zeng)(zeng)大(da)，使(shi)得M2C相(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)差逐漸縮(suo)小。此外(wai)，奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)作為非小平面相(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)長(chang)所需過(guo)(guo)冷度遠小于小平面相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)，使(shi)得在(zai)(zai)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)大(da)的(de)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)量大(da)于M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)量。因此，隨著(zhu)壓(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，枝晶(jing)間共晶(jing)組(zu)織中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)含量相(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)多，使(shi)得M2C碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)生(sheng)長(chang)空間受(shou)到“排擠(ji)”，含量相(xiang)(xiang)(xiang)對減(jian)少，最終M2C碳(tan)化(hua)物(wu)逐漸呈現出被奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷(duan)”進而變短(duan)的(de)形貌，如圖(tu)2-134所示。
四(si)、夾雜(za)物(wu)分布
夾(jia)雜物(wu)是(shi)影(ying)響鋼錠質量的(de)(de)一個重要因素(su)。鋼中(zhong)夾(jia)雜物(wu)主(zhu)要包括(kuo)冶(ye)煉(lian)過程(cheng)中(zhong)進行脫氧處理形(xing)成的(de)(de)脫氧產物(wu)、凝固過程(cheng)元素(su)溶(rong)解度(du)下降形(xing)成的(de)(de)氧化(hua)物(wu)、氮化(hua)物(wu)、硫化(hua)物(wu)等化(hua)合物(wu)以(yi)及爐(lu)渣(zha)和(he)由(you)于沖刷而進入鋼液的(de)(de)耐火材料。
根據(ju)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)來(lai)源，可(ke)以(yi)(yi)將鋼(gang)中的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)為兩類:①外生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)大(da)部分(fen)(fen)為復合氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)，主要是(shi)由于鋼(gang)液(ye)接觸空氣(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)以(yi)(yi)及(ji)進入鋼(gang)液(ye)的(de)(de)(de)爐渣、耐火材料組成(cheng)(cheng)。外生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)外形不(bu)規(gui)則(ze)、尺寸大(da)、構成(cheng)(cheng)復雜(za)(za)，常常位(wei)于鋼(gang)的(de)(de)(de)表層(ceng)，具有嚴重(zhong)的(de)(de)(de)危害(hai)性。②內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由于脫氧(yang)、鋼(gang)水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)化反(fan)應(ying)而(er)(er)(er)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)液(ye)中數量較多，分(fen)(fen)布均(jun)勻，顆粒細小(xiao)。由于形成(cheng)(cheng)時(shi)間不(bu)同，內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)分(fen)(fen)為：鋼(gang)液(ye)脫氧(yang)時(shi)期生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為原生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)或一次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度降低造成(cheng)(cheng)化學反(fan)應(ying)平(ping)衡的(de)(de)(de)移動進而(er)(er)(er)析出(chu)二次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；由于溶(rong)質元(yuan)素偏析和溶(rong)解度變化而(er)(er)(er)析出(chu)的(de)(de)(de)三(san)次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)甚(shen)至四次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)作(zuo)為凝(ning)固組(zu)織的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)要組(zu)成部(bu)分(fen)(fen)，其(qi)特性至關(guan)(guan)(guan)重(zhong)(zhong)要，對于進一步(bu)揭示加(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)(ye)金(jin)的(de)(de)(de)優勢(shi)十分(fen)(fen)關(guan)(guan)(guan)鍵。非(fei)(fei)金(jin)屬(shu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)特性（數量、尺寸和(he)(he)分(fen)(fen)布等）對鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)性能(neng)（力(li)(li)學性能(neng)和(he)(he)腐蝕等）有重(zhong)(zhong)要影響。同時，改善(shan)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)布情況(kuang)并盡可(ke)能(neng)徹底地去(qu)除非(fei)(fei)金(jin)屬(shu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)可(ke)以有效地減少缺陷和(he)(he)提(ti)高性能(neng)。為了改善(shan)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)布，施加(jia)在(zai)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)上(shang)的(de)(de)(de)力(li)(li)包(bao)括重(zhong)(zhong)力(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)、曳力(li)(li)，附加(jia)質量力(li)(li)、升(sheng)力(li)(li)和(he)(he)反彈力(li)(li)等起著關(guan)(guan)(guan)鍵作(zuo)用(yong)。這些力(li)(li)主(zhu)要是通(tong)(tong)過(guo)溫度(du)、流(liu)場(chang)(chang)、重(zhong)(zhong)力(li)(li)場(chang)(chang)和(he)(he)電(dian)磁場(chang)(chang)等物(wu)(wu)理(li)(li)場(chang)(chang)來(lai)確(que)定。因此，可(ke)以通(tong)(tong)過(guo)采取一系(xi)列(lie)措(cuo)施優化物(wu)(wu)理(li)(li)場(chang)(chang)來(lai)改善(shan)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)分(fen)(fen)布。例如(ru)，鋼(gang)(gang)包(bao)中(zhong)(zhong)使用(yong)的(de)(de)(de)氣(qi)體(ti)攪拌(ban)、連鑄過(guo)程中(zhong)(zhong)添加(jia)磁場(chang)(chang)。對于加(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)(ye)金(jin)，壓(ya)(ya)力(li)(li)是關(guan)(guan)(guan)鍵因素(su)。目(mu)前，已經證實加(jia)壓(ya)(ya)會在(zai)各個(ge)方(fang)面影響凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)物(wu)(wu)理(li)(li)場(chang)(chang)，包(bao)括加(jia)壓(ya)(ya)通(tong)(tong)過(guo)加(jia)快鑄錠的(de)(de)(de)冷(leng)卻速率和(he)(he)加(jia)強(qiang)鑄錠與鑄模之間的(de)(de)(de)熱交換來(lai)改變(bian)溫度(du)場(chang)(chang)，通(tong)(tong)過(guo)改變(bian)糊狀區域的(de)(de)(de)大小和(he)(he)枝晶結構影響流(liu)場(chang)(chang)等。
因此，可以認為(wei)在凝固過程(cheng)中壓(ya)力(li)(li)具有改變夾雜(za)物分布(bu)(bu)的能力(li)(li)，并且壓(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)(dui)(dui)夾雜(za)物分布(bu)(bu)的影響機制(zhi)非常復雜(za)，然而，關于加壓(ya)對(dui)(dui)(dui)(dui)夾雜(za)物分布(bu)(bu)變化的影響研(yan)究相對(dui)(dui)(dui)(dui)較少。這表明加壓(ya)對(dui)(dui)(dui)(dui)凝固組織的影響機理尚未(wei)全(quan)面闡(chan)明。
1. 夾雜(za)物分(fen)(fen)布(bu)分(fen)(fen)析模型
在實際凝(ning)固過(guo)程(cheng)中(zhong)，夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)受力情(qing)況、運(yun)(yun)動(dong)軌(gui)跡很(hen)難(nan)通(tong)過(guo)實驗進行測量。數(shu)值模擬(ni)提供了一種可以深入(ru)了解某些無法通(tong)過(guo)實驗評(ping)估(gu)的(de)(de)(de)(de)現(xian)象的(de)(de)(de)(de)方法。這(zhe)些現(xian)象包(bao)括夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)軌(gui)跡，作用于夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)力和夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)等。根(gen)據(ju)電渣、連鑄和鋼包(bao)精煉等過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)相關研究，數(shu)值模擬(ni)是一種非(fei)常有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)研究夾(jia)雜(za)物(wu)運(yun)(yun)動(dong)行為的(de)(de)(de)(de)方法。
鋼液凝固(gu)過程涉及(ji)熱量(liang)(liang)傳遞、質量(liang)(liang)傳輸(shu)、動(dong)量(liang)(liang)傳輸(shu)、相轉(zhuan)變和(he)晶(jing)粒形核長大等(deng)一系(xi)列復(fu)雜的物理(li)化(hua)學現象，同時存在金屬(shu)固(gu)相、金屬(shu)液相、氣相和(he)夾(jia)雜物相等(deng)多個相之間(jian)的相互作用，適合應用歐拉(la)多項流模(mo)(mo)型進(jin)行計算求解。其中，根據對夾(jia)雜物運動(dong)行為處理(li)方式，夾(jia)雜物分布分析模(mo)(mo)型可以分為歐拉(la)－拉(la)格朗(lang)日模(mo)(mo)型和(he)歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)(mo)型。
a. 歐拉－拉格朗日模型歐拉－
拉(la)格(ge)朗日(ri)離散(san)相(xiang)(xiang)(xiang)模(mo)型是在(zai)歐拉(la)模(mo)型的基(ji)(ji)礎上，將夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)處理成離散(san)相(xiang)(xiang)(xiang)，而(er)流體相(xiang)(xiang)(xiang)處理為(wei)連續(xu)相(xiang)(xiang)(xiang)。根(gen)據(ju)球型夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的受力分析，基(ji)(ji)于牛頓(dun)第二定律，建立(li)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)運(yun)(yun)動模(mo)型，并與鋼液凝固模(mo)型耦合，從而(er)模(mo)擬夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)在(zai)凝固過程(cheng)運(yun)(yun)動行為(wei)。該模(mo)型可以跟蹤每個(ge)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆(ke)粒并獲得其速(su)度、運(yun)(yun)動軌跡以及夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)去除過程(cheng)中的動力學(xue)行為(wei)。此外，該模(mo)型是基(ji)(ji)于離散(san)相(xiang)(xiang)(xiang)體積比例相(xiang)(xiang)(xiang)對較低的基(ji)(ji)本假設而(er)建立(li)。
夾(jia)(jia)雜物(wu)在鋼液中的(de)(de)運動，主要(yao)是各種(zhong)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)共同作用(yong)造(zao)成的(de)(de)。夾(jia)(jia)雜物(wu)在鋼液中受力(li)(li)(li)(li)情況如(ru)圖2-137所(suo)示。可以看(kan)出，夾(jia)(jia)雜物(wu)顆粒受到主要(yao)作用(yong)力(li)(li)(li)(li)分(fen)別為：由于顆粒自身(shen)性質引起的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)，如(ru)重力(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)等(deng)；由于顆粒與流(liu)體(ti)之(zhi)間存在相對運動而產生的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)(li)(li)（Saffman)、附加質量力(li)(li)(li)(li)、曳(ye)力(li)(li)(li)(li)和Magnus力(li)(li)(li)(li)等(deng)；細(xi)小夾(jia)(jia)雜物(wu)在高溫條件下(xia)受的(de)(de)布朗（Brown)力(li)(li)(li)(li)等(deng)。
（1)曳力(li)。
在鋼液流(liu)(liu)場內黏(nian)性流(liu)(liu)體與(yu)顆(ke)粒之(zhi)間存在相對(dui)運動，由黏(nian)性流(liu)(liu)體施(shi)加(jia)的曳(ye)力使得夾雜(za)物(wu)顆(ke)粒趨向于跟隨流(liu)(liu)體運動。曳(ye)力是夾雜(za)物(wu)顆(ke)粒在凝固過程(cheng)中的主要受力之(zhi)一。計算公式(shi)如下：
（2)浮力和重力。
在豎(shu)直方向上，夾雜物(wu)顆粒受到與相對運動(dong)無關的力，包(bao)括重力和(he)浮力，其(qi)
（3)附加(jia)質量(liang)力。
當鋼液與夾雜物(wu)(wu)(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)存在(zai)相對(dui)運(yun)動(dong)(dong)時，夾雜物(wu)(wu)(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)會(hui)帶(dai)動(dong)(dong)其附近(jin)的(de)部(bu)(bu)分(fen)鋼液做加速運(yun)動(dong)(dong)，此(ci)時推(tui)動(dong)(dong)夾雜物(wu)(wu)(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)運(yun)動(dong)(dong)的(de)力(li)大(da)于其顆(ke)(ke)粒(li)(li)本身慣性力(li)，這(zhe)部(bu)(bu)分(fen)大(da)于夾雜物(wu)(wu)(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)本身慣性力(li)的(de)力(li)即為附加質量力(li)。其計(ji)算公(gong)式為
通過運用歐拉－拉格朗日模型對鋼液凝固過程進行(xing)模擬計算時，可以得出(chu)隨著(zhu)溫(wen)度場和(he)流場的變化，每個球形夾雜物(wu)顆粒在鋼液中的運動軌(gui)跡和(he)分布。
b. 歐(ou)拉－歐(ou)拉模型
拉(la)(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)是(shi)研究夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)顆粒(li)(li)在鋼(gang)液中運動行(xing)為主要的(de)方(fang)法，但在實(shi)際的(de)應用中存在一(yi)些(xie)不足，例如，拉(la)(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)是(shi)針(zhen)對(dui)單一(yi)粒(li)(li)子進(jin)行(xing)計算，當同時(shi)追蹤多個粒(li)(li)子時(shi)，計算量過(guo)大，難以進(jin)行(xing)。相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)較于拉(la)(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)，歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)中夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)控(kong)制(zhi)方(fang)程(cheng)與(yu)流體連(lian)續(xu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)控(kong)制(zhi)方(fang)程(cheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)似(si)，運算相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)高效，能夠(gou)同時(shi)描述多種夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)顆粒(li)(li)在凝固(gu)過(guo)程(cheng)中的(de)分布特征。歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)與(yu)歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－拉(la)(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，主要差別是(shi)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)動量方(fang)程(cheng)存在差別，歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)動量方(fang)程(cheng)表達(da)式為
2. 模鑄過程(cheng)中(zhong)夾雜物的(de)受力(li)分析
模鑄(zhu)過程(cheng)中，夾(jia)雜物所受(shou)作(zuo)用力(li)包(bao)括熱浮力(li)、重力(li)、附加質量力(li)、升(sheng)力(li)以及相間作(zuo)用力(li)等，具體受(shou)力(li)情況如圖2-138所示。
流場(chang)(chang)對夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)分布有(you)關鍵影響，這直(zhi)接歸因(yin)于作(zuo)(zuo)用于夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)阻力(li)(li)。以0.1MPa下(xia)H13鑄錠凝固為(wei)(wei)(wei)例，鋼(gang)液(ye)(ye)、夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)和(he)等軸晶的(de)(de)(de)流場(chang)(chang)和(he)速率均顯(xian)示(shi)在(zai)圖2-139中(zhong)(zhong)。隨著凝固的(de)(de)(de)進行(xing)，鋼(gang)液(ye)(ye)受熱浮力(li)(li)的(de)(de)(de)驅動逆時(shi)(shi)針(zhen)運(yun)動，如(ru)圖2-139(a)所(suo)示(shi)。同時(shi)(shi)，隨著重(zhong)力(li)(li)和(he)浮力(li)(li)合(he)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，等軸晶的(de)(de)(de)沉降連續(xu)發(fa)生在(zai)柱狀晶（tip)的(de)(de)(de)尖端，如(ru)圖2-139(b)所(suo)示(shi)。如(ru)圖2-139(c)所(suo)示(shi)，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)流場(chang)(chang)中(zhong)(zhong)出現逆時(shi)(shi)針(zhen)運(yun)動，與鋼(gang)液(ye)(ye)相似。這種運(yun)動行(xing)為(wei)(wei)(wei)主要是由作(zuo)(zuo)用在(zai)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)上的(de)(de)(de)合(he)力(li)(li)引起的(de)(de)(de)。根據模擬(ni)結果(guo)，凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)重(zhong)力(li)(li)，浮力(li)(li)和(he)阻力(li)(li)在(zai)改變(bian)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)運(yun)動行(xing)為(wei)(wei)(wei)中(zhong)(zhong)起著關鍵作(zuo)(zuo)用，因(yin)為(wei)(wei)(wei)它們比附(fu)加(jia)(jia)質量力(li)(li)和(he)升力(li)(li)大了(le)三個數量級。重(zhong)力(li)(li)和(he)浮力(li)(li)的(de)(de)(de)方向均為(wei)(wei)(wei)垂(chui)直(zhi)方向，因(yin)為(wei)(wei)(wei)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)密度低(di)于液(ye)(ye)體的(de)(de)(de)密度，故其合(he)力(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)方向垂(chui)直(zhi)向上，如(ru)圖2-139(d)所(suo)示(shi)。
在整個凝固過程(cheng)中，Fbg保持不變，并使夾(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)上浮(fu)。相(xiang)比之(zhi)下(xia)，曳力(li)(li)Fdp是(shi)(shi)向(xiang)下(xia)的(de)力(li)(li)，具有驅動(dong)夾(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)向(xiang)下(xia)沉(chen)的(de)能力(li)(li)。并且其(qi)變化是(shi)(shi)復雜的(de)。根據等(deng)式（2-204)可(ke)知(zhi)，曳力(li)(li)與(yu)鋼液和(he)(he)夾(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)之(zhi)間的(de)速度差密切相(xiang)關(guan)(guan)。在頂部和(he)(he)底部，鋼液和(he)(he)夾(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)速度差很小(xiao)，與(yu)Fbg相(xiang)比，Fdp可(ke)以忽略不計。在柱狀晶尖(jian)端附近的(de)曳力(li)(li)Fdp大于(yu)Fbg,是(shi)(shi)導(dao)致夾(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)下(xia)沉(chen)的(de)關(guan)(guan)鍵因素。在鑄錠(ding)的(de)中心，Fdp小(xiao)于(yu)Fbg,Fbg占主導(dao)，促使夾(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)上浮(fu)。因此，模(mo)鑄過程(cheng)中夾(jia)(jia)(jia)雜物(wu)(wu)形成逆時針運動(dong)，這主要是(shi)(shi)由重力(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)和(he)(he)曳力(li)(li)的(de)綜合作(zuo)用(yong)所(suo)驅動(dong)。
3. 模鑄(zhu)過程中壓力對夾雜物(wu)分布的影響(xiang)
利用歐拉－歐拉模(mo)型在(zai)(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下獲(huo)(huo)得了H13鑄(zhu)錠夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)體積分(fen)(fen)數的(de)等值線，如圖2-140所(suo)示(shi)。每個(ge)鑄(zhu)錠中都存在(zai)(zai)(zai)三個(ge)主要的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)（I、和(he)III),其中，II區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)度最(zui)低，III區(qu)(qu)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)度最(zui)高(gao)，I區(qu)(qu)次之(zhi)。三個(ge)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)域主要由夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)逆(ni)時(shi)(shi)針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)(dong)以及被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)綜合(he)作(zuo)用所(suo)導(dao)致。以0.1MPa 壓力下夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)分(fen)(fen)布為(wei)例(li)，遠離糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)在(zai)(zai)(zai)逆(ni)時(shi)(shi)針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)(dong)過程中逐漸(jian)上浮并富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)到鑄(zhu)錠頂部，如圖 2-140(c)所(suo)示(shi)。鑄(zhu)錠頂部富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)一部分(fen)(fen)被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕獲(huo)(huo)，形(xing)成(cheng)了I區(qu)(qu)，其余部分(fen)(fen)沿逆(ni)時(shi)(shi)針(zhen)方(fang)向(xiang)(xiang)移動(dong)(dong)(dong)，運(yun)動(dong)(dong)(dong)方(fang)向(xiang)(xiang)幾乎垂直于(yu)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)量。與之(zhi)相(xiang)比，在(zai)(zai)(zai)II和(he)III區(qu)(qu)域內，夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)(dong)(dong)方(fang)向(xiang)(xiang)與糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)量成(cheng)鈍角，因而夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)更加(jia)趨(qu)向(xiang)(xiang)于(yu)被(bei)II和(he)III區(qu)(qu)域內糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)所(suo)捕獲(huo)(huo)，如圖2-141所(suo)示(shi)，導(dao)致夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)II和(he)III的(de)形(xing)成(cheng)。同時(shi)(shi)，III區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)程度最(zui)高(gao)，原因是糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)較寬，糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)捕獲(huo)(huo)能力越強(qiang)，富(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)趨(qu)勢更明顯。
隨著壓力(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到2MPa,I、II和III區夾雜物(wu)的(de)富集度降低(di)，如(ru)2-140(b)所示(shi)，夾雜物(wu)體積分數的(de)最大(da)增(zeng)(zeng)量 4max隨壓力(li)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而減小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表(biao)明隨著凝固壓力(li)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至2MPa,鑄錠中夾雜物(wu)分布更(geng)加(jia)(jia)均(jun)勻。
糊狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)捕獲(huo)夾雜物(wu)(wu)和(he)(he)夾雜物(wu)(wu)從(cong)(cong)糊狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)逃脫的(de)(de)能(neng)力(li)(li)(li)(li)對夾雜物(wu)(wu)分布至關(guan)重要(yao)。結(jie)合液相(xiang)線(xian)／固(gu)相(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)變(bian)化規律可知，凝固(gu)區(qu)間變(bian)化很(hen)小，當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從(cong)(cong)0.1MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到2MPa時(shi)可以忽略(lve)不計。因(yin)此(ci)，糊狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)寬度(du)(du)(du)主要(yao)由溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)決定。如圖2-142(b)所(suo)示，由于增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)后提高(gao)了冷卻速(su)(su)率導(dao)致(zhi)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)下溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)更大。在較高(gao)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下，糊狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)域的(de)(de)長(chang)度(du)(du)(du)變(bian)短［150].另(ling)外，以圖2-142(a)中的(de)(de)A點為例(li)，凝固(gu)時(shi)間隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)顯著(zhu)減少，在0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下分別(bie)為292s、272s和(he)(he)247s,凝固(gu)速(su)(su)率隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。進而(er)(er)表明，在較高(gao)的(de)(de)凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下糊狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)的(de)(de)長(chang)度(du)(du)(du)較小且凝固(gu)速(su)(su)率較高(gao)，因(yin)此(ci)糊狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)捕獲(huo)夾雜物(wu)(wu)的(de)(de)能(neng)力(li)(li)(li)(li)變(bian)弱。
A、B和C點夾雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)(du)(du)隨液相體(ti)積(ji)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)變化(hua)如(ru)圖(tu)2-143所示。高溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)通過增(zeng)大(da)熱浮力(li)(li)來強(qiang)化(hua)鋼液對流。另(ling)外，研究了糊狀(zhuang)區(qu)中(zhong)夾雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)(du)隨曳(ye)力(li)(li)改的(de)(de)(de)(de)相應變化(hua)。凝固(gu)(gu)初期(qi)，糊狀(zhuang)區(qu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)夾雜(za)物(wu)(wu)運(yun)動速(su)度(du)(du)(du)隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)大(da)，在凝固(gu)(gu)后期(qi)，糊狀(zhuang)區(qu)內夾雜(za)物(wu)(wu)幾乎完全停(ting)止(zhi)運(yun)動時液相體(ti)積(ji)分(fen)(fen)數隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而降低(di)。以點A為例，凝固(gu)(gu)初期(qi)（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和2MPa下夾雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和1.52×10-3m/s.當(dang)糊狀(zhuang)區(qu)夾雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)(du)降低(di)到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和2MPa下的(de)(de)(de)(de)液相體(ti)積(ji)分(fen)(fen)數分(fen)(fen)別為0.74、0.68和0.62.這意味著(zhu)夾雜(za)物(wu)(wu)從(cong)糊狀(zhuang)區(qu)逸(yi)出的(de)(de)(de)(de)能力(li)(li)隨壓(ya)力(li)(li)增(zeng)加(jia)而增(zeng)強(qiang)。
綜上所(suo)述(shu)，增加壓(ya)力(li)可(ke)以顯著抑(yi)制糊(hu)狀區(qu)(qu)中夾(jia)(jia)雜物(wu)的富(fu)集，并通過降低糊(hu)狀區(qu)(qu)捕獲夾(jia)(jia)雜物(wu)的能(neng)力(li)，提高夾(jia)(jia)雜物(wu)從糊(hu)狀區(qu)(qu)中逸出的能(neng)力(li)，使鑄錠內夾(jia)(jia)雜物(wu)分布更加均勻。
