壓(ya)(ya)力(li)對鑄(zhu)錠的凝固(gu)(gu)相變(bian)和(he)組(zu)(zu)織有(you)十分重要的影響，如壓(ya)(ya)力(li)能提高晶(jing)粒(li)形核速率(lv)，減小臨(lin)界形核半徑(jing)，增大冷卻速率(lv)，細(xi)化枝晶(jing)組(zu)(zu)織，減輕或(huo)消(xiao)除凝固(gu)(gu)缺陷（疏(shu)松、縮孔、氣(qi)孔和(he)偏析(xi)）以及(ji)改變(bian)析(xi)出(chu)相形貌和(he)類型等。由于鋼(gang)鐵(tie)材(cai)料固(gu)(gu)／液相線溫(wen)度較高，加(jia)壓(ya)(ya)難度相對較大，不過，較低壓(ya)(ya)力(li)依然具有(you)改善(shan)鑄(zhu)型和(he)鑄(zhu)錠間換(huan)熱條(tiao)件、打破液相中氮(dan)氣(qi)泡等壓(ya)(ya)力(li)平衡的能力(li)，進而達到(dao)改善(shan)鋼(gang)鐵(tie)凝固(gu)(gu)組(zu)(zu)織，減輕或(huo)消(xiao)除凝固(gu)(gu)缺陷等目(mu)的。

一、枝(zhi)晶組織

  枝(zhi)晶(jing)組織(zhi)的(de)(de)出(chu)(chu)現(xian)(xian)和生(sheng)長與液(ye)相(xiang)中(zhong)的(de)(de)成(cheng)分(fen)過(guo)冷密不(bu)可(ke)分(fen)，當(dang)凝(ning)固界(jie)(jie)面出(chu)(chu)現(xian)(xian)擾動(dong)導致液(ye)相(xiang)出(chu)(chu)現(xian)(xian)局部成(cheng)分(fen)過(guo)冷時，液(ye)相(xiang)中(zhong)就具備了促使界(jie)(jie)面發生(sheng)波(bo)動(dong)的(de)(de)驅動(dong)力，進(jin)一(yi)步增大了凝(ning)固界(jie)(jie)面的(de)(de)不(bu)穩定性，從而使凝(ning)固界(jie)(jie)面從平面狀向樹枝(zhi)狀轉變，形成(cheng)枝(zhi)晶(jing)組織(zhi)，液(ye)相(xiang)中(zhong)成(cheng)分(fen)過(guo)冷的(de)(de)判據為

  式中(zhong)，GrL為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)溫度梯度；v為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)速率(lv)(lv)；m為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)(lv)；CL為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)界面處(chu)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶質的(de)(de)(de)(de)質量分數(shu)(shu)(shu)；DL為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶質的(de)(de)(de)(de)擴散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)；ko為(wei)溶質分配(pei)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。在不(bu)考慮壓(ya)(ya)(ya)力(li)強化冷卻（即GrL保持(chi)恒定）情況下，壓(ya)(ya)(ya)力(li)可通(tong)過改變液(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)(lv)、擴散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)和(he)(he)(he)溶質分配(pei)系(xi)數(shu)(shu)(shu)等(deng)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)參數(shu)(shu)(shu)，改變枝(zhi)晶形(xing)貌甚(shen)至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)組(zu)(zu)(zu)(zu)成(cheng)(cheng)。Zhang等(deng)對比了高(gao)錳(meng)鋼(gang)(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在常(chang)(chang)壓(ya)(ya)(ya)和(he)(he)(he)6GPa下的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)。發現高(gao)錳(meng)鋼(gang)(gang)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)包含細小等(deng)軸晶和(he)(he)(he)柱狀晶，與常(chang)(chang)壓(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)截然不(bu)同（圖2-107).晶粒(li)尺寸統計(ji)結(jie)果表明，高(gao)錳(meng)鋼(gang)(gang)在常(chang)(chang)壓(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)(de)(de)晶粒(li)尺寸為(wei)（160±45)μm,6GPa下為(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)力(li)細化晶粒(li)可達21倍之多，主要歸因于(yu)增加(jia)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)降(jiang)低了液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶質擴散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)以及增大了擴散(san)激活能，進而增大了液(ye)相(xiang)(xiang)成(cheng)(cheng)分過冷度，在抑制(zhi)(zhi)枝(zhi)晶生(sheng)長的(de)(de)(de)(de)同時增大了形(xing)核率(lv)(lv)［129,153],從而使得高(gao)錳(meng)鋼(gang)(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)逐(zhu)步向(xiang)枝(zhi)晶組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)轉(zhuan)變，且細化十分顯著。Kashchiev和(he)(he)(he)Vasudevan等(deng)的(de)(de)(de)(de)研究表明。在凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)，當固(gu)相(xiang)(xiang)摩爾體(ti)(ti)積(ji)小于(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)摩爾體(ti)(ti)積(ji)時，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)有助于(yu)提高(gao)形(xing)核率(lv)(lv)，起到細化凝(ning)(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)，大多數(shu)(shu)(shu)金屬合金屬于(yu)此(ci)類(lei)；反之，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)將抑制(zhi)(zhi)晶粒(li)的(de)(de)(de)(de)形(xing)核，如水凝(ning)(ning)(ning)固(gu)成(cheng)(cheng)冰。此(ci)外，壓(ya)(ya)(ya)力(li)還能夠抑制(zhi)(zhi)枝(zhi)晶沿壓(ya)(ya)(ya)力(li)梯度方向(xiang)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)長,從而導致枝(zhi)晶組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)和(he)(he)(he)微觀(guan)偏(pian)析呈現方向(xiang)性。

  為了準確地論(lun)述壓力對凝固組(zu)織(zhi)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)規律，本節(jie)將以19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)和M42工具鋼(gang)加(jia)壓凝固組(zu)織(zhi)為例，詳細(xi)分析壓力對枝晶組(zu)織(zhi)、析出相等(deng)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)。

 1. 柱狀晶向等軸晶轉(zhuan)變（CET)

   鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)宏(hong)(hong)觀(guan)組織(zhi)主(zhu)要由(you)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)形(xing)貌、尺(chi)寸以及(ji)取向(xiang)分(fen)布等(deng)構成(cheng)(cheng)，在合金(jin)(jin)成(cheng)(cheng)分(fen)一定的(de)(de)(de)情況下(xia)，它主(zhu)要取決(jue)于(yu)鋼(gang)液在凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中的(de)(de)(de)冷(leng)卻條(tiao)件(jian)（包括澆注溫度(du)(du)(du)和鑄(zhu)型的(de)(de)(de)冷(leng)卻效果(guo)等(deng)。鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)典型宏(hong)(hong)觀(guan)組織(zhi)可分(fen)為三個區(qu)(qu)：表(biao)(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)、柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)以及(ji)中心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。表(biao)(biao)層的(de)(de)(de)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)是由(you)于(yu)鋼(gang)液在鑄(zhu)型的(de)(de)(de)激冷(leng)作用下(xia)，具(ju)有較大(da)的(de)(de)(de)過(guo)冷(leng)度(du)(du)(du)，進而在鑄(zhu)型壁面以異質形(xing)核的(de)(de)(de)方(fang)式大(da)量形(xing)核并(bing)長大(da)，最后形(xing)成(cheng)(cheng)細(xi)小的(de)(de)(de)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)，即(ji)表(biao)(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。隨著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)的(de)(de)(de)進行(xing)，表(biao)(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)逐(zhu)步形(xing)成(cheng)(cheng)金(jin)(jin)屬外(wai)殼，使得傳熱(re)(re)具(ju)備單向(xiang)性(xing)，有助于(yu)晶(jing)(jing)(jing)粒沿傳熱(re)(re)方(fang)向(xiang)生長，呈現出方(fang)向(xiang)性(xing)，從而形(xing)成(cheng)(cheng)柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)，也導致了表(biao)(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)域(yu)窄小，厚度(du)(du)(du)通常為幾毫米(mi)。在后續的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中，伴(ban)隨著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)潛(qian)熱(re)(re)的(de)(de)(de)釋(shi)放，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)前沿溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)減小，傳熱(re)(re)的(de)(de)(de)單向(xiang)性(xing)減弱(ruo)，成(cheng)(cheng)分(fen)過(guo)冷(leng)度(du)(du)(du)增(zeng)大(da)，進而使得晶(jing)(jing)(jing)粒生長的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)性(xing)減弱(ruo)，抑制了柱狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)生長，同時也促進了鑄(zhu)錠心部異質形(xing)核的(de)(de)(de)發生，從而有助于(yu)柱狀晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)轉變，最終(zhong)形(xing)成(cheng)(cheng)中心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。

   因此(ci)，鑄(zhu)錠有兩類(lei)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織(zhi)，即等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通常采用枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距和(he)(he)CET位(wei)置對(dui)其(qi)進(jin)行表(biao)征。圖2-108(a)給出了(le)凝固壓(ya)(ya)力(li)分(fen)別(bie)為(wei)0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa的(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠縱剖(pou)面上(shang)的(de)(de)(de)宏觀(guan)組(zu)織(zhi)；CET位(wei)置到(dao)(dao)鑄(zhu)錠邊部距離的(de)(de)(de)統(tong)計(ji)平(ping)均值分(fen)別(bie)為(wei)19.8mm、22.1mm和(he)(he)27.4mm,增(zeng)量可達(da)7.6mm,如(ru)圖2-108(b)所(suo)示。統(tong)計(ji)結果(guo)表(biao)明(ming)(ming)，隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，CET 位(wei)置逐漸(jian)(jian)由(you)邊部向心(xin)(xin)部移動(dong)，柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區區域增(zeng)大(da)(da)，中(zhong)心(xin)(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區區域減小。根據柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉變(bian)的(de)(de)(de)阻(zu)擋判據可知(zhi)［156],當(dang)(dang)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)處(chu)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體積(ji)分(fen)數大(da)(da)于臨界值時，柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)生長(chang)(chang)受到(dao)(dao)抑(yi)制(zhi)而停(ting)止，此(ci)時發生柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區向中(zhong)心(xin)(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區轉變(bian)。因此(ci)，CET轉變(bian)很(hen)大(da)(da)程度(du)(du)上(shang)取決(jue)于中(zhong)心(xin)(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)形核(he)和(he)(he)長(chang)(chang)大(da)(da)。由(you)于壓(ya)(ya)力(li)強化冷(leng)卻效(xiao)果(guo)十(shi)分(fen)明(ming)(ming)顯，增(zeng)加壓(ya)(ya)力(li)加快(kuai)了(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)冷(leng)卻，增(zeng)大(da)(da)了(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)溫度(du)(du)梯度(du)(du)，從而降低(di)了(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前沿(yan)的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)過(guo)冷(leng)度(du)(du)，此(ci)時，等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)(zai)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)的(de)(de)(de)形核(he)和(he)(he)長(chang)(chang)大(da)(da)就會受到(dao)(dao)嚴重阻(zu)礙和(he)(he)抑(yi)制(zhi);反之，降低(di)壓(ya)(ya)力(li)，有助于等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)(zai)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)處(chu)的(de)(de)(de)形核(he)和(he)(he)長(chang)(chang)大(da)(da)，從而提前并(bing)加快(kuai)了(le)CET.因此(ci)，當(dang)(dang)壓(ya)(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)加到(dao)(dao)1.2MPa時，壓(ya)(ya)力(li)通過(guo)強化冷(leng)卻擴大(da)(da)了(le)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區，促使CET轉變(bian)位(wei)置在(zai)(zai)徑向上(shang)逐漸(jian)(jian)由(you)邊部向心(xin)(xin)部移動(dong)。此(ci)外(wai)，在(zai)(zai)0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠縱剖(pou)面的(de)(de)(de)宏觀(guan)組(zu)織(zhi)中(zhong)均存在(zai)(zai)較窄(zhai)的(de)(de)(de)表(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區。

為(wei)了(le)進一(yi)步研究壓力(li)對CET的(de)影(ying)響(xiang)規(gui)律(lv)(lv)，在不考慮(lv)壓力(li)強化冷卻效果的(de)前提下，對枝(zhi)晶尖端生長速(su)率v.隨(sui)壓力(li)的(de)變化規(gui)律(lv)(lv)進行理論計算(suan)，可采用KGT模(mo)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(zong)上(shang)所述(shu)，凝固壓(ya)力的增加(jia)會對枝晶尖端(duan)生長速率(lv)產生重要影響(xiang)，且壓(ya)力的增量越大，影響(xiang)越明顯。結合實(shi)驗和KGT模型理論計算可知，低壓(ya)下，當凝固壓(ya)力從(cong)0.5MPa 增加(jia)至1.2MPa時，壓(ya)力主要通過強(qiang)化冷卻的方式，使得鑄錠CET位置逐漸(jian)由(you)邊(bian)部向心部移動。

 2. 枝晶(jing)間(jian)距

  相(xiang)鄰同次枝(zhi)晶(jing)臂之間(jian)的垂直距(ju)(ju)離稱為(wei)枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)，枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)的大小表征了(le)枝(zhi)晶(jing)組織細化(hua)程(cheng)度，枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)越小，枝(zhi)晶(jing)組織越細密(mi)［162],通常考慮的枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)有一次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)入1和二(er)次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)λ2.一次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)與凝固(gu)速(su)率(lv)v和溫(wen)度梯度Gr的關系為(wei)

  由式（2-191)可(ke)知，合金(jin)體系一定時(shi)，分(fen)析局部區(qu)域(yu)冷(leng)卻速(su)率v.和(he)(he)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)Gr隨(sui)壓(ya)力的(de)變化(hua)趨勢，有助于闡明壓(ya)力對一次枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距λ1的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)規律(lv)。因局部區(qu)域(yu)冷(leng)卻速(su)率vc和(he)(he)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)Gr的(de)測量難度(du)(du)較大，可(ke)用模擬(ni)(ni)計算的(de)方式獲得。在不同凝固壓(ya)力下(xia)的(de)組織(zhi)模擬(ni)(ni)過程中，不考慮疏松縮孔對晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)分(fen)布的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)，模擬(ni)(ni)結果(guo)如圖(tu)2-110所示。為(wei)(wei)了更準確地(di)找(zhao)到CET位置(zhi)，使用平均(jun)縱(zong)橫比(bi)(bi)(bi)（晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)最短(duan)邊(bian)與最長邊(bian)的(de)比(bi)(bi)(bi)率）來區(qu)分(fen)柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)：當(dang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)縱(zong)橫比(bi)(bi)(bi)大于0.4時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)為(wei)(wei)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)；當(dang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)縱(zong)橫比(bi)(bi)(bi)小于0.4時(shi)，則為(wei)(wei)柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)。根據(ju)阻擋判據(ju)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數的(de)臨界值設定為(wei)(wei)0.49，以此作(zuo)為(wei)(wei)依據(ju)，19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼在0.5MPa、0.85MPa 和(he)(he)1.2MPa 壓(ya)力下(xia)，CET 位置(zhi)在徑(jing)向上(shang)離鑄(zhu)錠邊(bian)部的(de)平均(jun)距離分(fen)別為(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)(he)25.3mm.

  19Cr14Mn0.9N 含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠底部溫度梯度 Gr和(he)冷(leng)卻速率v.隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的變化(hua)規律(lv)，如圖(tu)2-111所示。在某一(yi)(yi)壓(ya)(ya)力(li)(li)條(tiao)件下，vc和(he)Gr沿(yan)徑向由(you)(you)鑄(zhu)錠邊部到(dao)心(xin)部均(jun)呈現逐(zhu)漸減(jian)小的趨(qu)勢(shi)(shi)，結合(he)式（2-190)可(ke)知(zhi)，一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間距入(ru)1與v.和(he)Gr成(cheng)反比，因而(er)1沿(yan)徑向由(you)(you)邊部到(dao)心(xin)部逐(zhu)漸增大(da)。當壓(ya)(ya)力(li)(li)從0.5MPa增加至1.2MPa時，在壓(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻的作用(yong)下，鑄(zhu)錠內各單元體(ti)的vc和(he)Gr隨(sui)(sui)之增大(da)，且對(dui)(dui)(dui)鑄(zhu)錠邊緣處的單元體(ti)影(ying)響最大(da)，在沿(yan)徑向向心(xin)部移動的過程中，壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)(dui)vc和(he)Gr的影(ying)響逐(zhu)步減(jian)弱。結合(he)式（2-190)可(ke)知(zhi)，一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間距入(ru)1隨(sui)(sui)著(zhu)vc和(he)Gr的增大(da)呈冪函數減(jian)小。因此，隨(sui)(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)(li)增加，一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間距入(ru)1減(jian)小，且越靠近鑄(zhu)錠邊部，入(ru)減(jian)小趨(qu)勢(shi)(shi)越明顯，即壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)(dui)柱狀(zhuang)晶一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間距的影(ying)響大(da)于中心(xin)等軸晶區。

  由邊部(bu)到心(xin)部(bu)逐漸增大，結合式（2-192)可知(zhi)，鑄錠心(xin)部(bu)的二(er)次(ci)枝晶間距入2大于邊部(bu)；壓力從0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時，LST明(ming)顯減小，二(er)次(ci)枝晶間距入2也隨(sui)之減小。

  圖2-112 不同(tong)壓(ya)力下距(ju)(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)底部130mm處(chu)(chu)LST計(ji)算(suan)值由于等軸(zhou)(zhou)晶(jing)的(de)(de)一(yi)(yi)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)臂彼此(ci)(ci)相交(jiao)且沿徑向(xiang)以(yi)(yi)幾(ji)乎相同(tong)的(de)(de)速率向(xiang)四周生長，同(tong)時(shi)不同(tong)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)不存在任何確定的(de)(de)位向(xiang)關系，難以(yi)(yi)通過(guo)實(shi)驗對(dui)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)的(de)(de)一(yi)(yi)次(ci)(ci)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)進(jin)行測量(liang)，因此(ci)(ci)只對(dui)CET前柱(zhu)狀晶(jing)的(de)(de)一(yi)(yi)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)進(jin)行測量(liang)。圖2-113給出了距(ju)(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)底部115mm的(de)(de)高(gao)度處(chu)(chu)一(yi)(yi)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)入1和(he)二(er)次(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)x2的(de)(de)變化規律(lv)，在某一(yi)(yi)壓(ya)力下，沿徑向(xiang)由鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊(bian)部向(xiang)心部移動的(de)(de)過(guo)程中，1和(he)x2逐漸增(zeng)大；當壓(ya)力從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時(shi)，1和(he)入2均呈減小的(de)(de)趨勢。基于埋設熱(re)電(dian)偶的(de)(de)測溫(wen)結(jie)果(guo)和(he)式（2-195)可得，2nd和(he)4h測溫(wen)位置處(chu)(chu)局(ju)部凝固(gu)時(shi)間(jian)(jian)(jian)隨壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)加而(er)縮短，如圖2-113(a)所示，從而(er)導致x2的(de)(de)減小。對(dui)比可知，枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)（λ和(he)ん）和(he)局(ju)部凝固(gu)時(shi)間(jian)(jian)(jian)沿徑向(xiang)和(he)隨壓(ya)力變化趨勢的(de)(de)實(shi)驗與模擬結(jie)果(guo)一(yi)(yi)致。

  綜上所(suo)述，增加(jia)壓力能夠明顯減(jian)小(xiao)枝晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)（x1和(he)x2),縮短局(ju)部(bu)(bu)凝固時(shi)間，細化(hua)凝固組織(zhi)。鑄錠(ding)邊部(bu)(bu)和(he)心部(bu)(bu)試樣(yang)的(de)枝晶(jing)(jing)(jing)形貌如(ru)圖2-114所(suo)示，進(jin)一步佐證了增加(jia)壓力具有明顯細化(hua)枝晶(jing)(jing)(jing)組織(zhi)的(de)作(zuo)用，且對柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)的(de)影響大于中心等軸晶(jing)(jing)(jing)。

3. 晶粒數

  鑄錠內晶粒(li)(li)數與晶粒(li)(li)臨界形(xing)核(he)半徑(jing)和形(xing)核(he)率有直接的關系，晶粒(li)(li)臨界形(xing)核(he)半徑(jing)為：

  其(qi)中，Nm為(wei)與液相線(xian)溫度、凝固潛熱、擴散激活(huo)能(neng)以及表面張力(li)有關的(de)系數(shu)。圖2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄錠(ding)等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)變化(hua)規律(lv)。壓(ya)(ya)力(li)從(cong)(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加到(dao)1.2MPa時(shi)，中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)的(de)寬(kuan)度逐漸(jian)減小，最小值(zhi)為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)180mm(高(gao)）x56mm(寬(kuan)）等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)變化(hua)規律(lv)如圖2-115所示。當(dang)凝固壓(ya)(ya)力(li)從(cong)(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加到(dao)0.85MPa時(shi)，晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)目從(cong)(cong)(cong)9166增(zeng)(zeng)加到(dao)9551;當(dang)凝固壓(ya)(ya)力(li)進一步增(zeng)(zeng)加到(dao)1.2MPa時(shi)，晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)目增(zeng)(zeng)加到(dao)10128.因此(ci)，提高(gao)凝固壓(ya)(ya)力(li)，鑄錠(ding)等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)明(ming)顯增(zeng)(zeng)大。

  在低(di)壓(ya)(ya)下，如壓(ya)(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)至1.2MPa時(shi)，液相線(xian)溫(wen)度(du)(du)、凝固潛熱、擴散激活能以(yi)及表(biao)面張(zhang)力(li)(li)的(de)變量非常小(xiao)，幾乎可以(yi)忽略(lve)，這(zhe)樣可以(yi)假設(she)Nm在0.5MPa、晶粒(li)(li)數0.85MPa和1.2MPa下相等，近似為(wei)常數。提(ti)高(gao)壓(ya)(ya)力(li)(li)能夠明(ming)顯地增(zeng)大(da)(da)鑄(zhu)錠的(de)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)越大(da)(da)，單位時(shi)間(jian)內(nei)從糊狀區內(nei)導出(chu)結(jie)晶潛熱的(de)量越大(da)(da)，進而提(ti)高(gao)了(le)糊狀區內(nei)過冷度(du)(du)；反之亦然，這(zhe)意味著糊狀區過冷度(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)變化(hua)趨勢(shi)相同，即隨(sui)著壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)提(ti)高(gao)而增(zeng)大(da)(da)。結(jie)合式（2-193)和式（2-197)可知(zhi)，隨(sui)著糊狀區內(nei)過冷度(du)(du)ΔT的(de)增(zeng)加，晶粒(li)(li)臨界形核(he)半(ban)徑rk減小(xiao)，形核(he)率Na增(zeng)大(da)(da)，有助于提(ti)高(gao)鑄(zhu)錠內(nei)晶粒(li)(li)數。因此，增(zeng)加壓(ya)(ya)力(li)(li)有利于增(zeng)加晶粒(li)(li)數。

  距(ju)離19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)鑄錠(ding)底部(bu)(bu)(bu)130mm的(de)高(gao)度(du)(du)(du)(du)(du)處(chu)，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)變(bian)化規律(lv)如圖2-116所(suo)示。在(zai)某一凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)下，鑄錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)的(de)晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)目最大(da)，隨(sui)著離鑄錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)距(ju)離的(de)增(zeng)加，由于(yu)(yu)糊狀(zhuang)區(qu)內過冷度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)減(jian)小，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)也隨(sui)之(zhi)減(jian)少。隨(sui)著壓(ya)力(li)(li)提高(gao)，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)均呈增(zeng)大(da)趨(qu)勢(shi)(shi)，且柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)內軸(zhou)向切(qie)片上(shang)晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)的(de)增(zeng)量明顯大(da)于(yu)(yu)中心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)。因為在(zai)壓(ya)力(li)(li)強化冷卻(que)的(de)作(zuo)用下，整(zheng)個鑄錠(ding)的(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)均有增(zeng)大(da)趨(qu)勢(shi)(shi)，導(dao)致糊狀(zhuang)區(qu)內過冷度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)增(zeng)加。同時，由于(yu)(yu)距(ju)離鑄錠(ding)和(he)鑄型換(huan)熱(re)(re)界面越近(jin)，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)受界面換(huan)熱(re)(re)的(de)影響越大(da)，鑄錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)變(bian)化趨(qu)勢(shi)(shi)越明顯，進(jin)而增(zeng)加凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)，鑄錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)增(zeng)量明顯大(da)于(yu)(yu)心(xin)部(bu)(bu)(bu)，從而導(dao)致離鑄錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)較近(jin)的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)(shu)的(de)增(zeng)量明顯大(da)于(yu)(yu)中心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)。

二、疏松縮(suo)孔

  鑄(zhu)錠產(chan)(chan)(chan)生(sheng)疏松縮孔(kong)的基本原因是(shi)鑄(zhu)錠從(cong)澆注(zhu)(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)冷卻至固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)(du)(du)時產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮（液(ye)態(tai)(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮和凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮之和）大于固(gu)(gu)(gu)(gu)態(tai)(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮。當鋼液(ye)從(cong)澆注(zhu)(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)冷卻至液(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)(du)(du)時所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮為液(ye)態(tai)(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮，鋼液(ye)進一步從(cong)液(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)(du)(du)冷卻至固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)(du)(du)(du)時（即發生(sheng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)變時）所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮為凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮［87],固(gu)(gu)(gu)(gu)態(tai)(tai)收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮是(shi)指固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)在冷卻過程中所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)(shou)縮。疏松縮孔(kong)的出現(xian)嚴重降低(di)了鑄(zhu)錠的力(li)學和耐(nai)腐蝕性(xing)能以及成材率，是(shi)鑄(zhu)錠的嚴重缺陷之一。

 在凝固(gu)過程(cheng)(cheng)中鑄錠內(nei)出現體(ti)(ti)積(ji)小而(er)(er)彌散的(de)(de)(de)空洞為疏松(song)，體(ti)(ti)積(ji)大且(qie)集中的(de)(de)(de)為縮(suo)(suo)孔。疏松(song)由(you)在糊(hu)狀區內(nei)液(ye)(ye)相體(ti)(ti)積(ji)分數(shu)降到(dao)一定程(cheng)(cheng)度時，液(ye)(ye)相流動困難，液(ye)(ye)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)與凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)之和超過固(gu)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)的(de)(de)(de)那部分收(shou)(shou)縮(suo)(suo)量無法得到(dao)補(bu)縮(suo)(suo)所導致，因而(er)(er)疏松(song)的(de)(de)(de)形成與枝(zhi)晶(jing)(jing)間液(ye)(ye)相的(de)(de)(de)流動有密(mi)切關聯(lian)［72,87].在糊(hu)狀區內(nei)，體(ti)(ti)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)主要由(you)凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)組成，且(qie)為枝(zhi)晶(jing)(jing)間液(ye)(ye)體(ti)(ti)流動的(de)(de)(de)主要驅動力，因而(er)(er)枝(zhi)晶(jing)(jing)間液(ye)(ye)相的(de)(de)(de)流速u可表示為

  式(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為(wei)鋼液靜壓(ya)力(li)(li)，Pf=pgh;Ps為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)）。結合式(shi)（2-202)可(ke)知，增加凝(ning)(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)，Px增大，強化了(le)枝晶間液相的(de)補縮(suo)能力(li)(li)，進而(er)有助于避免(mian)疏松(song)的(de)形(xing)成(cheng)［91].此(ci)(ci)外(wai)，糊狀(zhuang)區(qu)越(yue)寬，枝晶網狀(zhuang)結構越(yue)復雜，枝晶間補縮(suo)的(de)距離越(yue)長阻力(li)(li)越(yue)大，滲透率K越(yue)小，疏松(song)越(yue)容易形(xing)成(cheng)。因此(ci)(ci)，疏松(song)易于在(zai)糊狀(zhuang)區(qu)較寬的(de)鑄錠(ding)以(yi)體積(ji)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)或(huo)同時凝(ning)(ning)(ning)固(gu)方式(shi)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)時形(xing)成(cheng)。相比(bi)之下，縮(suo)孔傾向于在(zai)糊狀(zhuang)區(qu)較窄的(de)鑄錠(ding)以(yi)逐層凝(ning)(ning)(ning)固(gu)方式(shi)的(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過程中出(chu)現。

  不同(tong)凝(ning)固(gu)壓力(li)下(xia)（0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)(ding)縱剖面上疏(shu)松(song)縮(suo)(suo)(suo)孔(kong)的(de)(de)分布情(qing)況(kuang)如圖2-117所示(shi)。隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓力(li)的(de)(de)增加(jia)，疏(shu)松(song)和(he)(he)(he)縮(suo)(suo)(suo)孔(kong)的(de)(de)總面積大(da)(da)(da)幅(fu)(fu)度(du)(du)(du)減(jian)小，且疏(shu)松(song)逐(zhu)漸消(xiao)失。由于(yu)(yu)壓力(li)具有(you)(you)顯著的(de)(de)強(qiang)化冷卻效果(guo)，增大(da)(da)(da)凝(ning)固(gu)壓力(li)，強(qiang)化了(le)(le)(le)鑄(zhu)錠(ding)(ding)和(he)(he)(he)鑄(zhu)型間的(de)(de)界面換熱，加(jia)快(kuai)了(le)(le)(le)鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)冷卻速率，從而增大(da)(da)(da)了(le)(le)(le)鑄(zhu)錠(ding)(ding)溫度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)Gr;在合金體(ti)系一定的(de)(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，糊狀區隨(sui)之確定，那么糊狀區的(de)(de)寬度(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)Gr的(de)(de)增大(da)(da)(da)而減(jian)小171],進而導致枝(zhi)晶(jing)網狀結(jie)構的(de)(de)形成受到抑制。凝(ning)固(gu)方式(shi)逐(zhu)漸由體(ti)積凝(ning)固(gu)向逐(zhu)層(ceng)凝(ning)固(gu)過渡，增大(da)(da)(da)了(le)(le)(le)滲透率K,從而降低和(he)(he)(he)縮(suo)(suo)(suo)短枝(zhi)晶(jing)間補縮(suo)(suo)(suo)時(shi)液(ye)相(xiang)(xiang)流動的(de)(de)阻力(li)和(he)(he)(he)距離。此外(wai)，基于(yu)(yu)以(yi)上理(li)論分析并結(jie)合判(pan)據式(shi)（2-202)可(ke)知，增加(jia)凝(ning)固(gu)壓力(li)等效于(yu)(yu)增大(da)(da)(da)了(le)(le)(le)Px,使其遠大(da)(da)(da)于(yu)(yu)枝(zhi)晶(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)補縮(suo)(suo)(suo)時(shi)所需壓力(li)。因此，加(jia)壓有(you)(you)利于(yu)(yu)枝(zhi)晶(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)的(de)(de)補縮(suo)(suo)(suo)行為，且有(you)(you)助于(yu)(yu)大(da)(da)(da)幅(fu)(fu)度(du)(du)(du)減(jian)小或消(xiao)除疏(shu)松(song)缺陷(xian)。

三、凝固析出相

  根據相(xiang)(xiang)所含非金(jin)屬元素(su)的(de)種類(lei)，可將(jiang)凝(ning)固析出相(xiang)(xiang)分(fen)為(wei)氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)、碳化(hua)物(wu)(wu)等(deng)(deng)，與碳化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)比(bi)，氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)尺寸(cun)一(yi)般較小(xiao)，為(wei)了更加清(qing)楚(chu)直觀地論述增加壓力對(dui)凝(ning)固析出相(xiang)(xiang)的(de)影響(xiang)，本節(jie)將(jiang)著重以高速鋼M42中碳化(hua)物(wu)(wu)為(wei)例，闡(chan)述壓力對(dui)凝(ning)固析出相(xiang)(xiang)的(de)類(lei)型、形貌(mao)、成分(fen)等(deng)(deng)影響(xiang)規律。

  高速(su)鋼(gang)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)數(shu)量繁多、種(zhong)類(lei)各(ge)異。不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)特(te)(te)性不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)、形(xing)貌也(ye)(ye)各(ge)有(you)(you)差異；按(an)照碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)貌特(te)(te)征及生成(cheng)機制(zhi)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)，可將高速(su)鋼(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)為一(yi)次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)和(he)二(er)次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)兩大(da)部(bu)分(fen)(fen)(fen)。一(yi)次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)又稱為“初(chu)生碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)”，即在(zai)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)直接從液相中(zhong)析(xi)出的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)，包(bao)括各(ge)種(zhong)先共晶和(he)共晶碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)，有(you)(you)M6C、M2C、MC等不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)類(lei)型。一(yi)次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)尺寸(cun)比較大(da)，屬于(yu)微米級別，在(zai)后續熱加工和(he)熱處理工藝中(zhong)將被破碎或分(fen)(fen)(fen)解成(cheng)尺寸(cun)較小的(de)(de)顆粒狀存在(zai)于(yu)鋼(gang)中(zhong)。二(er)次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)是指在(zai)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)或熱處理時從固(gu)相基體（高溫鐵素體、奧氏(shi)體、馬氏(shi)體等）中(zhong)析(xi)出的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)，分(fen)(fen)(fen)為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)類(lei)型。高速(su)鋼(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)波動范圍(wei)較大(da)，不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)鋼(gang)種(zhong)、不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)條件產生的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)一(yi)類(lei)型的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)也(ye)(ye)會有(you)(you)不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)，甚(shen)至同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)一(yi)粒碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)部(bu)位，也(ye)(ye)會有(you)(you)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)差異。各(ge)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)貌、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)及分(fen)(fen)(fen)布見表2-14.

  M2C具有(you)密(mi)排六方晶體(ti)結構［172-175,179],其(qi)主要形(xing)成元素通(tong)常是鉬、釩和(he)鎢，鉻及鐵的(de)(de)含量則較(jiao)少。M2C 共(gong)晶碳化物一般以亞穩態存在于(yu)鋼中。尺(chi)寸(cun)(cun)(cun)較(jiao)小、片層(ceng)較(jiao)薄(bo)且沒有(you)中間脊骨(gu)，在高溫(wen)時易發(fa)生分(fen)解反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)解成尺(chi)寸(cun)(cun)(cun)較(jiao)小的(de)(de)顆粒狀M6C和(he)MC。此(ci)外，與M6C相反，鋼液凝固(gu)時的(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速率(lv)越(yue)快，越(yue)有(you)利于(yu)M2C的(de)(de)形(xing)成。因此(ci)，提高鑄(zhu)錠凝固(gu)時的(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速率(lv)有(you)利于(yu)促(cu)進M2C的(de)(de)形(xing)成并(bing)細化M2C,同時可抑制較(jiao)大尺(chi)寸(cun)(cun)(cun)M6Cl。

  M6C具有復(fu)雜立(li)方晶體結(jie)構，其(qi)結(jie)構中除碳原子(zi)以外，鐵、鎢原子(zi)約各(ge)占(zhan)一半(ban)。M6C屬于穩定型碳化(hua)物，其(qi)形態為粗大的骨骼狀。鋼(gang)液凝固時冷卻(que)速(su)率(lv)越慢，M6C碳化(hua)物越易于形成和長大。因(yin)此，M6C在(zai)高速(su)鋼(gang)的心部(bu)往往含量較高，而邊部(bu)較少或沒有。加快鑄錠(ding)凝固時的冷卻(que)速(su)率(lv)有利于細化(hua)M6C,提高鑄錠(ding)性能。

  MC具有(you)面心立方(fang)(fang)結(jie)(jie)構(gou)(gou)，化(hua)(hua)學式為(wei)MC或者M4C3,其成分以釩(fan)為(wei)主。鋼(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)、釩(fan)含量(liang)的(de)增(zeng)大可(ke)使MC增(zeng)多(duo)，尺寸變(bian)大。高(gao)速鋼(gang)(gang)中(zhong)還有(you)M23C6、M3C、M7C3等碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)。M23C6晶體結(jie)(jie)構(gou)(gou)為(wei)復雜面心立方(fang)(fang)結(jie)(jie)構(gou)(gou)，具有(you)一定量(liang)的(de)鎢(wu)、鉬，釩(fan)含量(liang)極少，含有(you)大量(liang)的(de)鉻(ge)、鐵元素(su)；與(yu)M2C相同，M3C也是亞穩態相。M7C3為(wei)復雜六方(fang)(fang)晶體結(jie)(jie)構(gou)(gou)，含有(you)較多(duo)的(de)鉻(ge)、鐵，主要存在(zai)于碳(tan)(tan)(tan)含量(liang)較高(gao)的(de)鋼(gang)(gang)中(zhong)。高(gao)速鋼(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)具有(you)兩個重要的(de)特(te)性(xing)：硬度(du)和(he)熱穩定性(xing)（加熱時溶解、聚集長大的(de)難度(du)）。這些特(te)性(xing)反映了碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)和(he)金屬原(yuan)子(zi)(zi)結(jie)(jie)合鍵的(de)強弱，與(yu)原(yuan)子(zi)(zi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)和(he)尺寸有(you)關。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)晶格(ge)結(jie)(jie)構(gou)(gou)與(yu)碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)(ban)徑rc、金屬原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)(ban)徑rx有(you)關，如表(biao)2-15所示，rd/rx值越(yue)(yue)大，則(ze)越(yue)(yue)易形成結(jie)(jie)構(gou)(gou)復雜的(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)（M23C6、M3C等），越(yue)(yue)小則(ze)易形成結(jie)(jie)構(gou)(gou)簡單密堆型碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)（MC等）。表(biao)中(zhong)熔點可(ke)作為(wei)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)熱穩定性(xing)的(de)衡量(liang)指標，可(ke)見碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)中(zhong)原(yuan)子(zi)(zi)尺寸越(yue)(yue)接近，則(ze)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)穩定性(xing)越(yue)(yue)高(gao)。

 1. 壓(ya)力對萊(lai)氏體(ti)的影響

  凝固(gu)末期(qi)，由(you)于偏析導致合金(jin)元素(su)在(zai)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)殘余液(ye)相(xiang)內富集發生(sheng)共晶(jing)(jing)(jing)反應，從液(ye)相(xiang)中直接生(sheng)成(cheng)碳化物，它與奧氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)間(jian)排列，構成(cheng)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)。因(yin)此高速鋼的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)往往存(cun)在(zai)于枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)。圖2-118為M2高速鋼的(de)低倍鑄態組(zu)(zu)織(zhi)，可見一般情況(kuang)下，相(xiang)鄰晶(jing)(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)較(jiao)為細小，數量較(jiao)少，而多個晶(jing)(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)尺寸較(jiao)大，數量較(jiao)多。

  高速(su)鋼(gang)的(de)萊氏體(ti)組織中含(han)有(you)(you)多種類型的(de)碳化物，如M2C、M6C、MC等。M6C整體(ti)形貌類似魚骨(gu)，故又稱(cheng)為“魚骨(gu)狀碳化物”，如圖(tu)2-119所(suo)示；M2C成片層(ceng)狀，含(han)有(you)(you)M2C的(de)共晶萊氏體(ti)具有(you)(you)“羽毛狀”、“扇(shan)狀”、“菊花狀”等形貌，如圖(tu)2-120所(suo)示；MC的(de)生長時(shi)間(jian)較長，最終尺寸(cun)較為粗大，往往以不規則的(de)條狀出現(xian)，如圖(tu)2-120所(suo)示。

  a. 碳化物種(zhong)類及(ji)分(fen)布

   高(gao)速(su)鋼中(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)種類與成(cheng)分和凝固過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)冷卻速(su)率(lv)密不(bu)可(ke)分。M42 高(gao)速(su)工具鋼作為(wei)高(gao)鉬低鎢(wu)鋼，其凝固組(zu)織(zhi)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)主要為(wei)M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)；另外含(han)有(you)少部(bu)分M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)，主要存在(zai)于(yu)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)(de)心部(bu)區(qu)域(yu)。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)速(su)鋼鑄(zhu)(zhu)錠在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠板(ban)(ban)金相組(zu)織(zhi)。白(bai)色(se)斑(ban)點狀(zhuang)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)萊氏體(ti)組(zu)織(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)為(wei)具有(you)中(zhong)心脊骨，脊骨兩邊具有(you)平(ping)行分枝的(de)(de)(de)(de)(de)魚骨狀(zhuang)M6C.M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)尺寸比M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)粗(cu)大得(de)多且結構上(shang)相互連接(jie)緊密，極不(bu)利(li)于(yu)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)(de)后(hou)續碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)破碎，因此盡可(ke)能減(jian)少或避免凝固組(zu)織(zhi)中(zhong)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)產生(sheng)，有(you)助于(yu)提(ti)升(sheng)其力(li)學(xue)性(xing)能等(deng)。隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)大，萊氏體(ti)（白(bai)色(se)斑(ban)點）所占1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠板(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)面積比例逐漸減(jian)小，加(jia)壓(ya)有(you)助于(yu)抑(yi)制M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)與長大，其主要原因在(zai)于(yu)在(zai)較低壓(ya)力(li)下，加(jia)壓(ya)對(dui)凝固熱力(li)學(xue)和動(dong)力(li)學(xue)參數的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響十分有(you)限(xian)，但強化(hua)冷卻效果十分明(ming)同時(shi)凝固過程中(zhong)冷卻速(su)率(lv)越(yue)小，越(yue)有(you)利(li)于(yu)魚骨狀(zhuang)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)，且M6C越(yue)粗(cu)大。因而(er)(er)增(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)主要通過增(zeng)大鑄(zhu)(zhu)錠和鑄(zhu)(zhu)型間界面換熱系數，提(ti)高(gao)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)(de)冷卻速(su)率(lv)從而(er)(er)細(xi)化(hua)并(bing)抑(yi)制M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)，且當壓(ya)力(li)增(zeng)加(jia)到一定(ding)程度時(shi)，能夠完全抑(yi)制富含(han)M6C的(de)(de)(de)(de)(de)萊氏體(ti)形(xing)成(cheng)，消除其對(dui)組(zu)織(zhi)和性(xing)能的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)良影(ying)響。

   圖2-121(b)所示(shi)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織中(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)為長條狀或者(zhe)短棒(bang)(bang)狀的(de)(de)M2C.凝固壓(ya)力不同，M2C的(de)(de)尺寸(cun)、形貌以及分布(bu)的(de)(de)緊密程(cheng)度(du)等均有(you)所不同。在0.1MPa壓(ya)力下，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)分枝較(jiao)少、片層(ceng)較(jiao)長、尺寸(cun)較(jiao)大、間(jian)距較(jiao)寬、共晶(jing)萊(lai)氏(shi)體(ti)與(yu)枝晶(jing)臂的(de)(de)界面(mian)較(jiao)平整(zheng)；隨(sui)著壓(ya)力的(de)(de)增加，條狀或片層(ceng)狀碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)間(jian)距逐(zhu)漸(jian)減小，且(qie)開始斷(duan)開成大量(liang)的(de)(de)短棒(bang)(bang)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)分枝也(ye)逐(zhu)漸(jian)增多，并密集分布(bu)在枝晶(jing)間(jian)，共晶(jing)萊(lai)氏(shi)體(ti)與(yu)枝晶(jing)臂的(de)(de)界面(mian)也(ye)較(jiao)為粗(cu)糙(cao)。此外，三(san)個壓(ya)力下的(de)(de)M2C幾(ji)乎沒有(you)晶(jing)體(ti)缺陷，明壓(ya)力很難對碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)晶(jing)格類(lei)型產生影響。

  b. 萊(lai)氏體尺寸

   萊氏體(ti)(ti)組(zu)織存在于枝(zhi)(zhi)晶(jing)間，與(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距(ju)、形貌及分(fen)(fen)布(bu)密(mi)切相關，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距(ju)越小，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間萊氏體(ti)(ti)尺寸也(ye)相應(ying)地細小且(qie)均勻分(fen)(fen)布(bu)。圖2-124和(he)圖2-125給出了不(bu)同(tong)(tong)壓力條(tiao)件下M42鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)和(he)心(xin)部(bu)(bu)萊氏體(ti)(ti)形貌和(he)尺寸分(fen)(fen)布(bu)，無論(lun)是(shi)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)邊部(bu)(bu)還(huan)是(shi)心(xin)部(bu)(bu)，尺寸不(bu)一的(de)萊氏體(ti)(ti)組(zu)織（黑色）均分(fen)(fen)布(bu)在枝(zhi)(zhi)晶(jing)間。在同(tong)(tong)一凝(ning)固壓力條(tiao)件下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)的(de)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距(ju)明顯小于心(xin)部(bu)(bu)，因而(er)心(xin)部(bu)(bu)萊氏體(ti)(ti)要(yao)比邊部(bu)(bu)粗大。

   隨(sui)(sui)著壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，在(zai)壓(ya)(ya)力強化冷卻(que)的(de)作用下，冷卻(que)速率(lv)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，鑄錠(ding)局部凝固時間(jian)縮短(duan)，使得(de)(de)枝晶組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)得(de)(de)到了(le)明(ming)顯(xian)(xian)細(xi)化且(qie)尺寸分布(bu)更均(jun)勻，進(jin)而(er)導致分布(bu)在(zai)枝晶間(jian)的(de)萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)也(ye)隨(sui)(sui)之細(xi)化，厚(hou)度(du)大(da)(da)大(da)(da)減(jian)小且(qie)分布(bu)更加(jia)(jia)(jia)均(jun)勻。在(zai)0.1MPa 壓(ya)(ya)力下，無論(lun)在(zai)邊部還是心部位置(zhi)，鑄錠(ding)的(de)萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)均(jun)較為粗(cu)大(da)(da)，且(qie)尺寸分布(bu)極不(bu)均(jun)勻，部分局部區域(yu)存在(zai)著大(da)(da)量的(de)黑色萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)，尤其在(zai)多個枝晶臂交匯處(chu)，且(qie)尺寸異常粗(cu)大(da)(da)。當(dang)壓(ya)(ya)力增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至(zhi)(zhi)1MPa時，粗(cu)大(da)(da)萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)得(de)(de)到明(ming)顯(xian)(xian)細(xi)化，且(qie)尺寸分布(bu)更加(jia)(jia)(jia)均(jun)勻；當(dang)壓(ya)(ya)力進(jin)一步增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至(zhi)(zhi)2MPa時，萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)得(de)(de)到進(jin)一步地改善(shan)，組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)更加(jia)(jia)(jia)細(xi)密，尺寸更加(jia)(jia)(jia)均(jun)勻，粗(cu)大(da)(da)萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)基本消失。萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)平均(jun)尺寸隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力的(de)變(bian)化規律如圖(tu)2-126所示，壓(ya)(ya)力從0.1MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至(zhi)(zhi)2MPa時，萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)厚(hou)度(du)由(you)28.37μm降低(di)至(zhi)(zhi)22.92μm.因此，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)力能夠明(ming)顯(xian)(xian)細(xi)化萊氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，改善(shan)其分布(bu)狀態。

 2. 壓力對碳化物的影響(xiang)

  a. 碳化物尺寸(cun)

   以高速鋼(gang)中(zhong)(zhong)(zhong)M2C共晶(jing)碳化(hua)(hua)物為例(li)，M2C共晶(jing)碳化(hua)(hua)物是通過(guo)(guo)凝固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)共晶(jing)反應L→y+M2C產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)。和(he)(he)(he)純金(jin)(jin)屬及固(gu)溶(rong)體(ti)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)結(jie)晶(jing)過(guo)(guo)程一(yi)樣，共晶(jing)轉變(bian)同(tong)樣需要經過(guo)(guo)形核與(yu)長大(da)的(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程。結(jie)合(he)式（2-178)和(he)(he)(he)式（2-179),東北大(da)學特殊鋼(gang)冶金(jin)(jin)研究所在(zai)控制(zhi)溫(wen)度(du)不(bu)變(bian)的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上，計(ji)(ji)算了不(bu)同(tong)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素在(zai)兩相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)，探討凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)與(yu)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)激活能的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)。凝固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)溫(wen)度(du)T=1478K時(shi)，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素（鉬(mu)、鎢(wu)(wu)、釩(fan)(fan)和(he)(he)(he)鉻）在(zai)M2C相(xiang)和(he)(he)(he)奧氏體(ti)相(xiang)γ中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)D隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)規(gui)律(lv)如圖2-127和(he)(he)(he)圖2-128所示；從整(zheng)體(ti)上看，隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)逐漸(jian)增(zeng)大(da)，同(tong)溫(wen)度(du)M2C相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素鉬(mu)和(he)(he)(he)鎢(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)D呈減小(xiao)趨勢，而合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素釩(fan)(fan)和(he)(he)(he)鉻則呈增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)(de)趨勢，表(biao)明提(ti)高壓(ya)(ya)力(li)可增(zeng)大(da)M2C中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)、鎢(wu)(wu)元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)激活能ΔGm,進而降(jiang)(jiang)低(di)其擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)能力(li)；同(tong)時(shi)降(jiang)(jiang)低(di)釩(fan)(fan)、鉻元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)激活能ΔGm,從而提(ti)高其擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)能力(li)。然而，當壓(ya)(ya)力(li)在(zai)0.1~2MPa范(fan)圍內變(bian)化(hua)(hua)時(shi)，各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)微乎(hu)其微，即(ji)保持恒定值。隨著(zhu)凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)逐漸(jian)增(zeng)大(da)到50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)素鉬(mu)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)才(cai)開(kai)始產生(sheng)較(jiao)為明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，鎢(wu)(wu)、釩(fan)(fan)和(he)(he)(he)鉻元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)甚至在(zai)100MPa壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)仍未產生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)。因此(ci)低(di)壓(ya)(ya)下(xia)(xia)，元(yuan)(yuan)(yuan)素擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)可忽略不(bu)計(ji)(ji)。

  的(de)(de)增(zeng)(zeng)大而(er)(er)(er)降低，鉻元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)擴散(san)(san)系數(shu)則(ze)隨(sui)著凝(ning)(ning)固壓力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大而(er)(er)(er)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，如圖2-128所示(shi)。即增(zeng)(zeng)大凝(ning)(ning)固壓力(li)具有(you)提高奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素鉬、鎢和(he)釩(fan)的(de)(de)擴散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm,降低其擴散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)以(yi)及減小元(yuan)(yuan)(yuan)素鉻的(de)(de)擴散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm和(he)增(zeng)(zeng)大其擴散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)的(de)(de)作(zuo)用。與(yu)M2C差(cha)別在于，在奧(ao)氏體(ti)相(xiang)γ中(zhong)，較小的(de)(de)凝(ning)(ning)固壓力(li)便可(ke)發揮(hui)比(bi)較明(ming)(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)作(zuo)用，例如：當凝(ning)(ning)固壓力(li)大于2MPa時(shi)，元(yuan)(yuan)(yuan)素鉻的(de)(de)擴散(san)(san)系數(shu)隨(sui)壓力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而(er)(er)(er)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)增(zeng)(zeng)大；鉬和(he)釩(fan)元(yuan)(yuan)(yuan)素則(ze)在10MPa時(shi)開始(shi)隨(sui)壓力(li)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而(er)(er)(er)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)減小。可(ke)見(jian)，在相(xiang)同溫度下，相(xiang)比(bi)于M2C相(xiang)，合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素釩(fan)、鎢、鉬和(he)鉻在奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)擴散(san)(san)情況(kuang)受凝(ning)(ning)固壓力(li)的(de)(de)影響更為(wei)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)。但在0.1~2MPa的(de)(de)壓力(li)范(fan)圍內，合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素在奧(ao)氏體(ti)相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)擴散(san)(san)系數(shu)幾乎(hu)保持(chi)不變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時(shi)，各元(yuan)(yuan)(yuan)素擴散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm也未發生明(ming)(ming)顯(xian)(xian)變化。

   綜上所述，在低壓(ya)下，影響(xiang)M2C形(xing)(xing)核(he)(he)率的主(zhu)要因素是(shi)隨凝固壓(ya)力增大而顯(xian)著(zhu)減小(xiao)的形(xing)(xing)核(he)(he)功(gong)。增加凝固壓(ya)力可顯(xian)著(zhu)改善(shan)換熱條(tiao)件強化鑄(zhu)錠冷卻、提高鑄(zhu)錠過冷度ΔT,進而降低共晶反應過程(cheng)中(zhong)奧氏體相γ和M2C相的形(xing)(xing)核(he)(he)功(gong)ΔG*,最(zui)終增大M2C的形(xing)(xing)核(he)(he)率、減小(xiao)M2C相鄰(lin)碳化物的間距(ju)。

  此外，增加(jia)(jia)壓(ya)(ya)力使M2C形核率大大增加(jia)(jia)，同時(shi)強化(hua)了鑄錠冷卻，顯著(zhu)降(jiang)低了局部凝(ning)固(gu)時(shi)間(jian)LST,導(dao)致加(jia)(jia)壓(ya)(ya)下(xia)鑄錠同位置的凝(ning)固(gu)相對較快，M2C共晶碳(tan)化(hua)物(wu)生(sheng)長時(shi)間(jian)變短(duan)，導(dao)致M42凝(ning)固(gu)組織中M2C碳(tan)化(hua)物(wu)的尺(chi)寸(cun)減小。這對于后續的熱處理碳(tan)化(hua)物(wu)的溶解具(ju)有(you)積(ji)極(ji)的意(yi)義(yi)。

  圖2-129為不同凝(ning)固壓力下M2C共晶碳(tan)化(hua)物(wu)在(zai)熱處(chu)(chu)理過程(cheng)中的(de)(de)元素擴散示意圖。隨(sui)著(zhu)(zhu)凝(ning)固壓力的(de)(de)增大(da)(da)，碳(tan)化(hua)物(wu)由長條狀(zhuang)轉變為短(duan)棒狀(zhuang)，在(zai)縱向和橫向上的(de)(de)尺寸(cun)均顯著(zhu)(zhu)減(jian)小(xiao)。因此，在(zai)熱處(chu)(chu)理過程(cheng)中，碳(tan)化(hua)物(wu)中的(de)(de)元素由內向外擴散的(de)(de)平均距離也相(xiang)應隨(sui)著(zhu)(zhu)凝(ning)固壓力的(de)(de)增大(da)(da)而(er)顯著(zhu)(zhu)減(jian)小(xiao)，熱處(chu)(chu)理效(xiao)果(guo)更(geng)加明顯，熱處(chu)(chu)理后M42組織的(de)(de)成分更(geng)加均勻，進而(er)有利于提高(gao)M42高(gao)速鋼的(de)(de)質量。

  b. 碳化物(wu)成分

   M2C的(de)(de)形成元(yuan)(yuan)素(su)(su)主要包括鉬、鎢、釩(fan)(fan)和(he)鉻(ge)，其中(zhong)鉬元(yuan)(yuan)素(su)(su)是(shi)強M2C碳(tan)化物(wu)形成元(yuan)(yuan)素(su)(su)，也是(shi)M2C中(zhong)含(han)(han)量最高的(de)(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)。圖2-130給(gei)出了不同壓(ya)力(li)下M2C中(zhong)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬、鎢、釩(fan)(fan)和(he)鉻(ge)含(han)(han)量，隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，M2C上的(de)(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬、鎢、釩(fan)(fan)和(he)鉻(ge)含(han)(han)量均(jun)逐漸(jian)(jian)減(jian)小，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)素(su)(su)則逐漸(jian)(jian)增(zeng)(zeng)大；同時，M2C碳(tan)化物(wu)之間(jian)基(ji)體中(zhong)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)含(han)(han)量則呈現(xian)相反的(de)(de)規律：鉬、鎢、釩(fan)(fan)和(he)鉻(ge)元(yuan)(yuan)素(su)(su)含(han)(han)量逐漸(jian)(jian)增(zeng)(zeng)大，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)素(su)(su)減(jian)少。這表明，增(zeng)(zeng)大的(de)(de)壓(ya)力(li)使得合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)M2C共晶(jing)碳(tan)化物(wu)中(zhong)的(de)(de)分布趨于均(jun)勻，為后續的(de)(de)處理、熱(re)加(jia)工工藝中(zhong)碳(tan)化物(wu)的(de)(de)破(po)碎、溶(rong)解提(ti)供良(liang)好的(de)(de)基(ji)礎。

  在(zai)(zai)(zai)高速鋼(gang)中(zhong)，M2C共晶(jing)碳(tan)化物(wu)是通過(guo)凝固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)的共晶(jing)反應L→M2C+y產生(sheng)的，在(zai)(zai)(zai)這個過(guo)程中(zhong)存(cun)在(zai)(zai)(zai)M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)和奧氏體γ相(xiang)之間(jian)的溶(rong)質再(zai)分配［172].在(zai)(zai)(zai)一定溫度下，平衡分配系數(shu)可表示為固(gu)(gu)相(xiang)和液相(xiang)中(zhong)的元(yuan)素濃度之比：

   式中(zhong)(zhong)，Cs和(he)CL分別表示在凝(ning)(ning)固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，元素(su)在固相(xiang)和(he)液相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)平(ping)衡濃度。共晶反應L→M2C+y是在凝(ning)(ning)固末期發生(sheng)的(de)(de)(de)，圖2-131給出了不同壓(ya)力(li)下的(de)(de)(de)M42高速鋼凝(ning)(ning)固時共晶反應過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)M2C碳化物相(xiang)和(he)奧氏體γ相(xiang)中(zhong)(zhong)各(ge)元素(su)的(de)(de)(de)單(dan)相(xiang)平(ping)衡分配系(xi)數。

  式中(zhong)(zhong)，Cs和(he)C1分(fen)別(bie)表示在凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)，元素在固(gu)相(xiang)和(he)液相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)平衡(heng)濃(nong)度。共晶反應(ying)L→M2C+y是在凝固(gu)末期(qi)發生的(de)［172,180,181],圖(tu)2-131給出了不同壓(ya)力下(xia)的(de)M42高(gao)速鋼凝固(gu)時(shi)共晶反應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)M2C碳化物相(xiang)和(he)奧氏體y相(xiang)中(zhong)(zhong)各元素的(de)單(dan)相(xiang)平衡(heng)分(fen)配系數。

  隨壓力的(de)增(zeng)加，共晶(jing)(jing)反(fan)應過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)鉬(mu)元(yuan)(yuan)素在(zai)M2C和(he)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)分配系(xi)數具有(you)升高的(de)趨勢并逐漸靠近1.基(ji)于(yu)熱(re)力學(xue)分析，在(zai)M42鑄錠凝固時的(de)共晶(jing)(jing)反(fan)應過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，增(zeng)大(da)壓力可使(shi)鉬(mu)元(yuan)(yuan)素在(zai)M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)含量增(zeng)大(da)。凝固過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)元(yuan)(yuan)素平(ping)(ping)衡分配系(xi)數增(zeng)量變化(hua)規律如圖(tu)2-132所示，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa時，M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)元(yuan)(yuan)素平(ping)(ping)衡分配系(xi)數增(zeng)量始終大(da)于(yu)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)平(ping)(ping)衡分配系(xi)數增(zeng)量。由此可知，共晶(jing)(jing)反(fan)應過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比于(yu)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，鉬(mu)元(yuan)(yuan)素更偏(pian)向于(yu)在(zai)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)富集(ji)。

  在0.1~2MPa壓(ya)力(li)范圍內，加壓(ya)對Mo元素(su)的(de)平(ping)衡(heng)分配(pei)系數影響非常(chang)小，變化(hua)量(liang)為10-6~10-5,可忽略不(bu)計(ji)，因(yin)(yin)而在低壓(ya)范圍內，增(zeng)加壓(ya)力(li)不(bu)能通過改變元素(su)平(ping)衡(heng)分配(pei)系數而影響相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)成分。除平(ping)衡(heng)分配(pei)系數以外(wai)，鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程中溶質(zhi)的(de)分配(pei)情況(kuang)與元素(su)的(de)傳(chuan)質(zhi)行為有關(guan)。在M42鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)末期的(de)共晶(jing)反應(ying)L→M2C+y過程中存在M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)之間的(de)溶質(zhi)再分配(pei)：液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)M2C形成元素(su)（鉬、鎢、釩和鉻）通過凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)前沿固(gu)(gu)(gu)／液界面向M2C碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，同時(shi)奧氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)形成元素(su)（鈷、鐵）則向奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，整個反應(ying)發生(sheng)在凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)末期的(de)枝晶(jing)間小熔池內，此時(shi)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)流動很弱，元素(su)對流傳(chuan)質(zhi)行為可忽略，因(yin)(yin)而溶質(zhi)的(de)分配(pei)主要(yao)與相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中元素(su)的(de)擴散傳(chuan)質(zhi)行為有關(guan)。

  根據(ju)菲(fei)克第一定律公(gong)式（2-178)可知，擴散(san)系(xi)(xi)數D與溫(wen)度(du)T呈反比關系(xi)(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形成(cheng)元素的(de)(de)擴散(san)系(xi)(xi)數隨溫(wen)度(du)的(de)(de)變化關系(xi)(xi)。在凝(ning)固壓力不變時，溫(wen)度(du)的(de)(de)降低(di)會顯著減小擴散(san)系(xi)(xi)數，在低(di)壓范圍內，相對(dui)于(yu)凝(ning)固壓力變化，溫(wen)度(du)變化對(dui)擴散(san)系(xi)(xi)數D具有更明顯的(de)(de)影響。

  增大壓力(li)具有顯著(zhu)強化(hua)冷(leng)卻和減少鑄(zhu)錠局部凝(ning)(ning)固時間的(de)作(zuo)用(yong)。由此可知，對于0.1MPa、1MPa和2MPa壓力(li)下(xia)的(de)鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固過程，在相(xiang)(xiang)同的(de)凝(ning)(ning)固時間內，在較高壓力(li)下(xia)凝(ning)(ning)固的(de)鑄(zhu)錠冷(leng)卻更快(kuai)，溫度更低(di)，其元素(su)擴散系數則相(xiang)(xiang)對較低(di)，導致元素(su)擴散速率減小，使(shi)得M2C共晶碳化(hua)物(wu)中釩(fan)、鎢、鉻和鉬元素(su)含(han)量降低(di)，碳化(hua)物(wu)間基體的(de)合金元素(su)含(han)量升高，降低(di)了(le)M2C碳化(hua)物(wu)和奧(ao)氏體γ相(xiang)(xiang)之(zhi)間的(de)成分差異性(xing)，提(ti)高了(le)M42凝(ning)(ning)固組織(zhi)成分的(de)均勻性(xing)。

  c. 碳化物(wu)形貌(mao)

   M2C碳(tan)化物明(ming)顯(xian)具有(you)(you)各(ge)向(xiang)異(yi)性的(de)(de)生長方式，形(xing)貌具有(you)(you)小平(ping)面向(xiang)的(de)(de)特性。共(gong)晶(jing)(jing)(jing)組織的(de)(de)形(xing)貌與共(gong)晶(jing)(jing)(jing)過(guo)程中(zhong)(zhong)液(ye)(ye)／固(gu)界面結構有(you)(you)密切聯系，金屬(shu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)－金屬(shu)碳(tan)化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)屬(shu)于小平(ping)面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)－非小平(ping)面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)［146].M2C是通過(guo)凝固(gu)末(mo)期(qi)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)熔池里的(de)(de)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)反M2C共(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化物形(xing)成于凝固(gu)末(mo)期(qi)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)，根據凝固(gu)原理(li)。枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)元素含量(liang)明(ming)顯(xian)高于鑄錠(ding)標準含量(liang)。不同壓力(li)下枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)各(ge)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)出現的(de)(de)先后順(shun)序，如圖2-135所示，在不同壓力(li)下，M2C均領先奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ出現。這表明(ming)，在共(gong)晶(jing)(jing)(jing)反應L→y+M2C過(guo)程中(zhong)(zhong)，M2C是領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。

  在(zai)共(gong)晶(jing)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)，領先(xian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)快速(su)(su)(su)生(sheng)(sheng)(sheng)長方向率(lv)(lv)(lv)(lv)先(xian)進(jin)入共(gong)生(sheng)(sheng)(sheng)界(jie)(jie)面(mian)(mian)前方的(de)(de)液體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)，同(tong)時在(zai)其(qi)附近液層中(zhong)排(pai)出(chu)(chu)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)；隨后(hou)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此(ci)(ci)液層獲得(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長組(zu)元(yuan)(yuan)，跟隨著(zhu)(zhu)M2C一(yi)起長大(da)，同(tong)時也向液層中(zhong)排(pai)出(chu)(chu)M2C形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)，如圖2-136所(suo)(suo)示(shi)。隨著(zhu)(zhu)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)，凝(ning)固(gu)速(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)(lv)增(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長速(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)(lv)均(jun)加(jia)快。一(yi)方面(mian)(mian)，M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰(lin)間(jian)(jian)距隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)逐漸(jian)減小(xiao)，即奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)液／固(gu)界(jie)(jie)面(mian)(mian)變窄；另一(yi)方面(mian)(mian)，加(jia)壓(ya)(ya)使(shi)得(de)枝晶(jing)間(jian)(jian)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)沒有(you)足夠(gou)時間(jian)(jian)進(jin)行充分擴(kuo)散；導(dao)致奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)液／固(gu)界(jie)(jie)面(mian)(mian)前沿合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)濃度急劇增(zeng)大(da)，成(cheng)分過冷(leng)加(jia)劇，奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長大(da)速(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)(lv)進(jin)一(yi)步增(zeng)大(da)，使(shi)得(de)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長速(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)(lv)差逐漸(jian)縮小(xiao)。此(ci)(ci)外，奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作為非小(xiao)平(ping)面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)長所(suo)(suo)需過冷(leng)度遠(yuan)小(xiao)于(yu)小(xiao)平(ping)面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)M2C碳化物，使(shi)得(de)在(zai)凝(ning)固(gu)速(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)(lv)增(zeng)大(da)的(de)(de)過程(cheng)中(zhong)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長速(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)(lv)增(zeng)量(liang)(liang)大(da)于(yu)M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長速(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)(lv)增(zeng)量(liang)(liang)。因此(ci)(ci)，隨著(zhu)(zhu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)，枝晶(jing)間(jian)(jian)共(gong)晶(jing)組(zu)織中(zhong)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)含量(liang)(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)增(zeng)多，使(shi)得(de)M2C碳化物的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長空間(jian)(jian)受到(dao)“排(pai)擠”，含量(liang)(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)減少，最終M2C碳化物逐漸(jian)呈現出(chu)(chu)被(bei)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截(jie)斷”進(jin)而變短的(de)(de)形(xing)貌，如圖2-134所(suo)(suo)示(shi)。

四、夾雜(za)物分(fen)布

   夾雜物(wu)是影響(xiang)鋼錠(ding)質量的(de)(de)一(yi)個重要因素。鋼中(zhong)夾雜物(wu)主要包括冶煉過程中(zhong)進行脫氧處理形(xing)成的(de)(de)脫氧產物(wu)、凝固過程元素溶解(jie)度下(xia)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)以及爐渣和(he)由(you)于沖(chong)刷而(er)進入鋼液的(de)(de)耐火材料。

   根據夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)來(lai)源，可(ke)以將鋼(gang)中的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)分為兩類:①外(wai)(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。外(wai)(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)大部分為復合氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)，主要是由于(yu)鋼(gang)液接觸空氣(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)(cheng)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)以及進入鋼(gang)液的(de)(de)(de)爐渣、耐(nai)火材料組成(cheng)(cheng)(cheng)。外(wai)(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)外(wai)(wai)形(xing)不規則、尺寸大、構成(cheng)(cheng)(cheng)復雜(za)(za)(za)，常常位于(yu)鋼(gang)的(de)(de)(de)表層，具有嚴重的(de)(de)(de)危(wei)害性。②內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)是由于(yu)脫氧(yang)、鋼(gang)水鈣(gai)處(chu)理等物(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)而(er)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)液中數量較多，分布均勻(yun)，顆粒(li)細小。由于(yu)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)時間(jian)不同，內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)可(ke)分為：鋼(gang)液脫氧(yang)時期生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，也稱為原生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)或一次夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)；溫度降低造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)化(hua)(hua)學(xue)反(fan)應(ying)平衡(heng)的(de)(de)(de)移(yi)動進而(er)析出二次夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)；由于(yu)溶(rong)質(zhi)元素偏析和溶(rong)解度變化(hua)(hua)而(er)析出的(de)(de)(de)三(san)次夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)甚至(zhi)四次夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。

   夾雜(za)(za)物(wu)作為(wei)(wei)凝(ning)固組(zu)織的(de)(de)(de)重要(yao)組(zu)成(cheng)部分，其特性至關(guan)(guan)重要(yao)，對(dui)(dui)于進一(yi)步(bu)揭(jie)示加(jia)壓(ya)冶金的(de)(de)(de)優勢十分關(guan)(guan)鍵(jian)(jian)。非(fei)金屬夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)特性（數(shu)量(liang)、尺寸和(he)(he)分布(bu)等(deng)）對(dui)(dui)鋼的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)（力(li)(li)(li)(li)(li)學性能(neng)(neng)和(he)(he)腐(fu)蝕等(deng)）有(you)重要(yao)影響(xiang)。同時，改(gai)善鋼中(zhong)(zhong)夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)分布(bu)情(qing)況并(bing)盡可(ke)能(neng)(neng)徹底地(di)去除非(fei)金屬夾雜(za)(za)物(wu)可(ke)以有(you)效地(di)減少缺陷和(he)(he)提高性能(neng)(neng)。為(wei)(wei)了改(gai)善夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)分布(bu)，施加(jia)在夾雜(za)(za)物(wu)上的(de)(de)(de)力(li)(li)(li)(li)(li)包括(kuo)重力(li)(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)(li)(li)，附加(jia)質量(liang)力(li)(li)(li)(li)(li)、升力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)反彈力(li)(li)(li)(li)(li)等(deng)起著關(guan)(guan)鍵(jian)(jian)作用。這些(xie)力(li)(li)(li)(li)(li)主要(yao)是(shi)通(tong)過(guo)溫度(du)、流(liu)場(chang)、重力(li)(li)(li)(li)(li)場(chang)和(he)(he)電磁場(chang)等(deng)物(wu)理場(chang)來確定(ding)。因此，可(ke)以通(tong)過(guo)采取(qu)一(yi)系列(lie)措(cuo)施優化(hua)物(wu)理場(chang)來改(gai)善夾雜(za)(za)物(wu)分布(bu)。例如，鋼包中(zhong)(zhong)使用的(de)(de)(de)氣體攪拌、連鑄過(guo)程中(zhong)(zhong)添(tian)加(jia)磁場(chang)。對(dui)(dui)于加(jia)壓(ya)冶金，壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)關(guan)(guan)鍵(jian)(jian)因素。目前，已(yi)經證實加(jia)壓(ya)會在各個(ge)方面影響(xiang)凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)物(wu)理場(chang)，包括(kuo)加(jia)壓(ya)通(tong)過(guo)加(jia)快鑄錠的(de)(de)(de)冷(leng)卻速率和(he)(he)加(jia)強鑄錠與鑄模之間的(de)(de)(de)熱(re)交換(huan)來改(gai)變(bian)(bian)溫度(du)場(chang)，通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)(bian)糊狀區域的(de)(de)(de)大小和(he)(he)枝晶(jing)結構影響(xiang)流(liu)場(chang)等(deng)。

   因此，可以認為在凝固過程中壓(ya)力(li)具有改(gai)變夾雜(za)(za)物(wu)分布的(de)(de)(de)能力(li)，并且壓(ya)力(li)對(dui)夾雜(za)(za)物(wu)分布的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)機制(zhi)非常復雜(za)(za)，然而，關于(yu)加壓(ya)對(dui)夾雜(za)(za)物(wu)分布變化的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)研究相對(dui)較少。這表(biao)明加壓(ya)對(dui)凝固組織的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)機理尚(shang)未全面闡明。

 1. 夾雜(za)物(wu)分(fen)布(bu)分(fen)析(xi)模型

   在實(shi)際(ji)凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)，夾(jia)雜物的(de)受力情(qing)況、運動軌(gui)跡(ji)很難通(tong)過實(shi)驗進(jin)行測量。數值模擬(ni)提供(gong)了一(yi)種可以深入(ru)了解(jie)某(mou)些無法通(tong)過實(shi)驗評估的(de)現(xian)象的(de)方法。這(zhe)些現(xian)象包括(kuo)夾(jia)雜物的(de)運動軌(gui)跡(ji)，作用于夾(jia)雜物的(de)力和夾(jia)雜物的(de)速度等。根據(ju)電渣、連鑄和鋼(gang)包精煉等過程(cheng)中(zhong)的(de)相關研究，數值模擬(ni)是一(yi)種非常(chang)有效的(de)研究夾(jia)雜物運動行為的(de)方法。

   鋼液凝(ning)固過程涉及(ji)熱量傳(chuan)遞、質量傳(chuan)輸(shu)、動(dong)(dong)量傳(chuan)輸(shu)、相(xiang)轉(zhuan)變(bian)和晶粒形(xing)核(he)長大等(deng)一(yi)系(xi)列復雜的(de)(de)物理化學現象，同時存在金(jin)屬固相(xiang)、金(jin)屬液相(xiang)、氣相(xiang)和夾雜物相(xiang)等(deng)多(duo)個(ge)相(xiang)之間的(de)(de)相(xiang)互作用(yong)，適合(he)應(ying)用(yong)歐拉多(duo)項(xiang)流模型(xing)進行計算求解(jie)。其中，根據(ju)對夾雜物運動(dong)(dong)行為處理方式(shi)，夾雜物分(fen)布(bu)分(fen)析模型(xing)可以分(fen)為歐拉－拉格(ge)朗日模型(xing)和歐拉－歐拉模型(xing)。

 a. 歐拉－拉格朗日模型歐拉－

   拉(la)格朗日離散(san)相(xiang)模(mo)(mo)(mo)型是(shi)在歐拉(la)模(mo)(mo)(mo)型的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上，將夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)相(xiang)處理成(cheng)離散(san)相(xiang)，而(er)流體相(xiang)處理為(wei)連續相(xiang)。根(gen)據球型夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)受(shou)力分析，基(ji)于(yu)牛頓第二定律(lv)，建立夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)運動(dong)模(mo)(mo)(mo)型，并(bing)與鋼液(ye)凝固(gu)模(mo)(mo)(mo)型耦合，從而(er)模(mo)(mo)(mo)擬夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)在凝固(gu)過(guo)程運動(dong)行為(wei)。該(gai)模(mo)(mo)(mo)型可以(yi)跟蹤每個(ge)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)顆粒并(bing)獲得(de)其速度、運動(dong)軌跡以(yi)及夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)去除(chu)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力學行為(wei)。此外，該(gai)模(mo)(mo)(mo)型是(shi)基(ji)于(yu)離散(san)相(xiang)體積比例相(xiang)對(dui)較低的(de)(de)(de)(de)基(ji)本假(jia)設而(er)建立。

   夾(jia)雜物在(zai)鋼(gang)液中的(de)(de)運動，主(zhu)(zhu)要是(shi)各種(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)共同作用造成的(de)(de)。夾(jia)雜物在(zai)鋼(gang)液中受力(li)(li)(li)(li)(li)(li)情況(kuang)如(ru)圖2-137所示。可以看出，夾(jia)雜物顆粒(li)(li)受到主(zhu)(zhu)要作用力(li)(li)(li)(li)(li)(li)分(fen)別為(wei)：由于顆粒(li)(li)自身性質(zhi)引起的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，如(ru)重力(li)(li)(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)(li)(li)等(deng)；由于顆粒(li)(li)與流體之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)相對運動而產生的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)(li)(li)(li)(li)（Saffman)、附加質(zhi)量力(li)(li)(li)(li)(li)(li)、曳(ye)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和Magnus力(li)(li)(li)(li)(li)(li)等(deng)；細小夾(jia)雜物在(zai)高溫條件(jian)下受的(de)(de)布朗（Brown)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)等(deng)。

（1)曳力。

   在(zai)鋼(gang)液流(liu)(liu)場內黏性流(liu)(liu)體(ti)(ti)與(yu)顆粒之間存在(zai)相對運動(dong)，由黏性流(liu)(liu)體(ti)(ti)施加的曳力使得(de)夾雜(za)物(wu)顆粒趨向于跟隨流(liu)(liu)體(ti)(ti)運動(dong)。曳力是夾雜(za)物(wu)顆粒在(zai)凝固過程中的主(zhu)要受力之一。計(ji)算公式如(ru)下：

（2)浮力(li)和重力(li)。

   在豎直方向上，夾雜物顆(ke)粒受(shou)到與相對(dui)運動無關的力，包括重力和(he)浮力，其

（3)附加質(zhi)量力。

   當鋼液與(yu)夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)存在相對運動(dong)時，夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)會帶動(dong)其附近(jin)的(de)部(bu)分(fen)鋼液做加(jia)速(su)運動(dong)，此時推動(dong)夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)運動(dong)的(de)力(li)(li)(li)大于其顆(ke)粒(li)本(ben)身慣(guan)性力(li)(li)(li)，這部(bu)分(fen)大于夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)本(ben)身慣(guan)性力(li)(li)(li)的(de)力(li)(li)(li)即為附加(jia)質量力(li)(li)(li)。其計(ji)算(suan)公式為

  通過(guo)運用歐拉－拉格(ge)朗日模(mo)型對(dui)鋼(gang)液凝固(gu)過(guo)程進行(xing)模(mo)擬計算時，可以得(de)出隨著溫度場和(he)流(liu)場的變化，每個球(qiu)形夾雜物顆粒在(zai)鋼(gang)液中的運動(dong)軌跡和(he)分布。

 b. 歐(ou)拉－歐(ou)拉模型

   拉(la)(la)(la)格(ge)朗日(ri)模(mo)型(xing)(xing)是研究夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆(ke)粒(li)(li)在(zai)鋼液中(zhong)運動行(xing)為主要的(de)方法，但在(zai)實際的(de)應用中(zhong)存在(zai)一(yi)些不足，例如，拉(la)(la)(la)格(ge)朗日(ri)模(mo)型(xing)(xing)是針對(dui)(dui)單一(yi)粒(li)(li)子(zi)進(jin)行(xing)計(ji)算，當同時(shi)追(zhui)蹤(zong)多個(ge)粒(li)(li)子(zi)時(shi)，計(ji)算量過(guo)大(da)，難以進(jin)行(xing)。相(xiang)較于拉(la)(la)(la)格(ge)朗日(ri)模(mo)型(xing)(xing)，歐(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)中(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)的(de)控制方程(cheng)(cheng)與流體連續(xu)相(xiang)的(de)控制方程(cheng)(cheng)相(xiang)似，運算相(xiang)對(dui)(dui)高效，能夠同時(shi)描述多種夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆(ke)粒(li)(li)在(zai)凝固過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)分布特征。歐(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)與歐(ou)拉(la)(la)(la)－拉(la)(la)(la)格(ge)朗日(ri)模(mo)型(xing)(xing)相(xiang)比，主要差別(bie)是夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)的(de)動量方程(cheng)(cheng)存在(zai)差別(bie)，歐(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)動量方程(cheng)(cheng)表(biao)達式(shi)為

 2. 模鑄過程中夾雜物(wu)的受力分析

  模鑄過程中，夾雜物所(suo)受作用(yong)力(li)包括熱浮(fu)力(li)、重力(li)、附加(jia)質量力(li)、升力(li)以及相間(jian)作用(yong)力(li)等，具體受力(li)情況如圖2-138所(suo)示。

   流場(chang)對夾雜(za)(za)物的(de)(de)(de)(de)分布有(you)關鍵影響(xiang)，這直接歸因(yin)于作(zuo)用(yong)(yong)于夾雜(za)(za)物的(de)(de)(de)(de)阻力(li)(li)。以(yi)0.1MPa下(xia)H13鑄錠(ding)凝固為(wei)例，鋼液(ye)、夾雜(za)(za)物和(he)等軸晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)流場(chang)和(he)速率(lv)均顯示在(zai)圖(tu)(tu)2-139中。隨著(zhu)凝固的(de)(de)(de)(de)進行(xing)，鋼液(ye)受熱浮(fu)(fu)(fu)(fu)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)驅動逆時(shi)針(zhen)運動，如圖(tu)(tu)2-139(a)所(suo)(suo)示。同時(shi)，隨著(zhu)重(zhong)力(li)(li)和(he)浮(fu)(fu)(fu)(fu)力(li)(li)合(he)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增加，等軸晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)沉降連續發生(sheng)在(zai)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)（tip)的(de)(de)(de)(de)尖端(duan)，如圖(tu)(tu)2-139(b)所(suo)(suo)示。如圖(tu)(tu)2-139(c)所(suo)(suo)示，夾雜(za)(za)物流場(chang)中出現逆時(shi)針(zhen)運動，與(yu)鋼液(ye)相(xiang)似。這種運動行(xing)為(wei)主要(yao)是由(you)作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)夾雜(za)(za)物上的(de)(de)(de)(de)合(he)力(li)(li)引起的(de)(de)(de)(de)。根據模擬結(jie)果(guo)，凝固過程中重(zhong)力(li)(li)，浮(fu)(fu)(fu)(fu)力(li)(li)和(he)阻力(li)(li)在(zai)改變夾雜(za)(za)物的(de)(de)(de)(de)運動行(xing)為(wei)中起著(zhu)關鍵作(zuo)用(yong)(yong)，因(yin)為(wei)它們比附(fu)加質量力(li)(li)和(he)升力(li)(li)大了三(san)個數量級。重(zhong)力(li)(li)和(he)浮(fu)(fu)(fu)(fu)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)均為(wei)垂直方向(xiang)(xiang)(xiang)，因(yin)為(wei)夾雜(za)(za)物的(de)(de)(de)(de)密(mi)度低(di)于液(ye)體的(de)(de)(de)(de)密(mi)度，故其(qi)合(he)力(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)上，如圖(tu)(tu)2-139(d)所(suo)(suo)示。

   在整個凝固過程中，Fbg保持不變(bian)，并(bing)(bing)使夾雜(za)(za)物(wu)上浮。相(xiang)(xiang)比(bi)之下，曳(ye)(ye)力(li)(li)Fdp是(shi)向(xiang)下的(de)(de)力(li)(li)，具有(you)驅動夾雜(za)(za)物(wu)向(xiang)下沉(chen)的(de)(de)能力(li)(li)。并(bing)(bing)且其變(bian)化(hua)是(shi)復(fu)雜(za)(za)的(de)(de)。根據等式（2-204)可知(zhi)，曳(ye)(ye)力(li)(li)與鋼液和夾雜(za)(za)物(wu)之間的(de)(de)速度(du)差(cha)密切(qie)相(xiang)(xiang)關。在頂(ding)部和底部，鋼液和夾雜(za)(za)物(wu)速度(du)差(cha)很小(xiao)，與Fbg相(xiang)(xiang)比(bi)，Fdp可以忽略不計(ji)。在柱狀晶尖端附近的(de)(de)曳(ye)(ye)力(li)(li)Fdp大于Fbg,是(shi)導致夾雜(za)(za)物(wu)下沉(chen)的(de)(de)關鍵因(yin)素。在鑄錠的(de)(de)中心，Fdp小(xiao)于Fbg,Fbg占主(zhu)導，促使夾雜(za)(za)物(wu)上浮。因(yin)此，模鑄過程中夾雜(za)(za)物(wu)形(xing)成逆時針運(yun)動，這主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)重力(li)(li)、浮力(li)(li)和曳(ye)(ye)力(li)(li)的(de)(de)綜(zong)合(he)作用所驅動。

 3. 模(mo)鑄過程中壓力(li)對夾雜物分布(bu)的影(ying)響

   利用歐(ou)(ou)拉－歐(ou)(ou)拉模型在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下獲得了(le)H13鑄(zhu)錠(ding)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)體積分數的(de)(de)等值線(xian)，如圖2-140所(suo)(suo)示。每個(ge)鑄(zhu)錠(ding)中都存(cun)在(zai)三個(ge)主要的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)（I、和III),其中，II區(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度最低，III區(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度最高(gao)，I區(qu)(qu)(qu)(qu)次之。三個(ge)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)域主要由(you)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)逆(ni)時(shi)針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)以及被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)捕集(ji)(ji)(ji)的(de)(de)綜合作用所(suo)(suo)導(dao)致(zhi)。以0.1MPa 壓力下夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)分布為例，遠離糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)在(zai)逆(ni)時(shi)針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)過程中逐(zhu)漸上浮并富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)到鑄(zhu)錠(ding)頂部(bu)，如圖 2-140(c)所(suo)(suo)示。鑄(zhu)錠(ding)頂部(bu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)一部(bu)分被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)捕獲，形成(cheng)了(le)I區(qu)(qu)(qu)(qu)，其余部(bu)分沿逆(ni)時(shi)針(zhen)方(fang)向(xiang)移動(dong)(dong)，運(yun)動(dong)(dong)方(fang)向(xiang)幾乎垂直于糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量(liang)。與之相比，在(zai)II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)域內，夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)(dong)方(fang)向(xiang)與糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量(liang)成(cheng)鈍角，因而夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)更(geng)加趨向(xiang)于被II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)域內糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)所(suo)(suo)捕獲，如圖2-141所(suo)(suo)示，導(dao)致(zhi)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)II和III的(de)(de)形成(cheng)。同時(shi)，III區(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)程度最高(gao)，原因是糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)較寬(kuan)，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)捕獲能力越(yue)強，富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)趨勢更(geng)明顯(xian)。

   隨(sui)著(zhu)壓(ya)力從0.1MPa增加(jia)(jia)到(dao)2MPa,I、II和III區夾雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)富集度降低，如2-140(b)所示，夾雜(za)物(wu)(wu)體積(ji)分數的(de)(de)最大增量 4max隨(sui)壓(ya)力的(de)(de)增加(jia)(jia)而減小(xiao)，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表(biao)明隨(sui)著(zhu)凝(ning)固壓(ya)力增加(jia)(jia)至2MPa,鑄錠中夾雜(za)物(wu)(wu)分布更加(jia)(jia)均勻。

   糊(hu)狀區(qu)(qu)捕獲夾(jia)雜物(wu)和(he)夾(jia)雜物(wu)從糊(hu)狀區(qu)(qu)逃脫的(de)(de)能力對夾(jia)雜物(wu)分(fen)布至關重要。結合液相線／固相線溫度(du)(du)隨壓(ya)力的(de)(de)變(bian)化(hua)規律可知(zhi)，凝(ning)(ning)固區(qu)(qu)間變(bian)化(hua)很小，當(dang)壓(ya)力從0.1MPa增(zeng)加到2MPa時(shi)可以忽略不計。因此(ci)，糊(hu)狀區(qu)(qu)寬度(du)(du)主要由(you)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)決定。如圖2-142(b)所示(shi)，由(you)于增(zeng)加壓(ya)力后提(ti)高(gao)(gao)了冷卻速率導(dao)致高(gao)(gao)壓(ya)下(xia)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)更(geng)大。在較高(gao)(gao)壓(ya)力下(xia)，糊(hu)狀區(qu)(qu)域的(de)(de)長(chang)度(du)(du)變(bian)短［150].另外，以圖2-142(a)中(zhong)的(de)(de)A點(dian)為(wei)例，凝(ning)(ning)固時(shi)間隨壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)加而(er)(er)顯著減少，在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)分(fen)別為(wei)292s、272s和(he)247s,凝(ning)(ning)固速率隨壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)加而(er)(er)增(zeng)加。進而(er)(er)表(biao)明，在較高(gao)(gao)的(de)(de)凝(ning)(ning)固壓(ya)力下(xia)糊(hu)狀區(qu)(qu)的(de)(de)長(chang)度(du)(du)較小且凝(ning)(ning)固速率較高(gao)(gao)，因此(ci)糊(hu)狀區(qu)(qu)捕獲夾(jia)雜物(wu)的(de)(de)能力變(bian)弱。

   A、B和(he)C點夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)隨(sui)液(ye)相(xiang)體積(ji)分(fen)數的變化(hua)如圖2-143所(suo)示(shi)。高溫度(du)梯度(du)通過(guo)增大熱(re)浮力(li)(li)來強化(hua)鋼(gang)液(ye)對流(liu)。另外，研究了糊(hu)(hu)(hu)狀區中(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的速(su)度(du)隨(sui)曳力(li)(li)改(gai)的相(xiang)應變化(hua)。凝(ning)(ning)固初(chu)期(qi)，糊(hu)(hu)(hu)狀區中(zhong)的夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)(dong)速(su)度(du)隨(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的增加而增大，在(zai)凝(ning)(ning)固后期(qi)，糊(hu)(hu)(hu)狀區內夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)幾乎完全停止運(yun)動(dong)(dong)時液(ye)相(xiang)體積(ji)分(fen)數隨(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的增加而降低。以(yi)點A為(wei)(wei)例，凝(ning)(ning)固初(chu)期(qi)（f=0.98),在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)分(fen)別為(wei)(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)1.52×10-3m/s.當(dang)糊(hu)(hu)(hu)狀區夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的速(su)度(du)降低到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)的液(ye)相(xiang)體積(ji)分(fen)數分(fen)別為(wei)(wei)0.74、0.68和(he)0.62.這(zhe)意味著(zhu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)從糊(hu)(hu)(hu)狀區逸出的能力(li)(li)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)增加而增強。

   綜(zong)上(shang)所述(shu)，增加(jia)壓力(li)可以(yi)顯著(zhu)抑制糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區中(zhong)(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)富(fu)集(ji)，并通過降低(di)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區捕獲夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)能力(li)，提高夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)從糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區中(zhong)(zhong)逸出的(de)能力(li)，使鑄錠內夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)分布更加(jia)均勻。