壓(ya)(ya)力(li)除了能夠對溶質(zhi)平衡(heng)分(fen)配系數、擴(kuo)散(san)系數以及(ji)液相線斜率(lv)等參數產生影(ying)響以外，還能改變影(ying)響溶質(zhi)長程傳質(zhi)的(de)冷卻速率(lv)、等軸晶形核以及(ji)沉(chen)積等,從而影(ying)響鑄錠溶質(zhi)分(fen)布的(de)均勻性(xing)，即宏／微觀(guan)偏(pian)(pian)析；如結合(he)平衡(heng)分(fen)配系數和形核吉布斯自由能隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)變化規律(lv)，加壓(ya)(ya)會抑制枝(zhi)晶沿壓(ya)(ya)力(li)梯度方向的(de)生長，從而導致枝(zhi)晶組織和微觀(guan)偏(pian)(pian)析呈現方向性(xing)等。
王(wang)書桓等71利用(yong)高(gao)溫高(gao)壓反應釜研究了壓力(li)對于CrN12高(gao)氮(dan)鋼(gang)凝固(gu)過程中偏(pian)析現象。他們(men)利用(yong)LECO-TC600氮(dan)氧儀(yi)測(ce)量(liang)了CrN12鑄錠(ding)上從中心到邊部處試樣中的(de)氮(dan)含量(liang)，取樣位置(zhi)如圖2-71所示(shi)。
王書桓(huan)等研究(jiu)了(le)(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)的(de)(de)氮(dan)偏(pian)析(xi)（圖2-72).對比(bi)不同壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)的(de)(de)結果，可以發現1MPa下(xia)(xia)鑄錠內部(bu)(bu)氮(dan)偏(pian)析(xi)嚴(yan)重，隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)提(ti)高(gao)，氮(dan)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)得到(dao)(dao)了(le)(le)很大改善(shan)。當壓(ya)(ya)力(li)提(ti)高(gao)到(dao)(dao)1.6MPa時，氮(dan)的(de)(de)偏(pian)析(xi)程度明顯(xian)小于(yu)1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)(xia)凝固(gu)的(de)(de)鑄錠，各部(bu)(bu)位氮(dan)含量在0.360%左右，表明增(zeng)大壓(ya)(ya)力(li)提(ti)高(gao)了(le)(le)氮(dan)的(de)(de)飽和(he)溶解度。因此，在凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)提(ti)高(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)可以對氮(dan)的(de)(de)析(xi)出(chu)起到(dao)(dao)抑制(zhi)作用，對氮(dan)由固(gu)相到(dao)(dao)液(ye)相的(de)(de)傳(chuan)質起到(dao)(dao)阻礙作用，使整個鑄錠中(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)分壓(ya)(ya)趨于(yu)均勻，從而減輕(qing)氮(dan)的(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等(deng)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)報(bao)道(dao)，在(zai)元(yuan)素(su)(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，由于各(ge)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)溶質(zhi)分(fen)配系數均(jun)小于1,其(qi)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)形成過(guo)(guo)程(cheng)和(he)(he)最終偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)類型(xing)均(jun)相(xiang)(xiang)似。因(yin)此(ci)，在(zai)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)形成規律(lv)(lv)和(he)(he)類型(xing)的(de)(de)(de)(de)預測(ce)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)對(dui)(dui)合(he)金體(ti)系進行(xing)(xing)(xing)簡化，選取主要合(he)金元(yuan)素(su)(su)進行(xing)(xing)(xing)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬。以19Cr14Mn0.9N 含(han)氮(dan)(dan)奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)為(wei)例(li)，其(qi)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8存在(zai)區(qu)間(jian)較(jiao)窄(zhai)，結合(he)Wu等(deng)在(zai)多(duo)相(xiang)(xiang)和(he)(he)單相(xiang)(xiang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬研(yan)究(jiu)。可(ke)將該(gai)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)簡化為(wei)單相(xiang)(xiang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)。氮(dan)(dan)作為(wei)含(han)氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)特征(zheng)元(yuan)素(su)(su)，其(qi)溶質(zhi)分(fen)配系數較(jiao)小，偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴重，在(zai)壓(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)(dan)鋼(gang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)影(ying)響的(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)將氮(dan)(dan)作為(wei)主要元(yuan)素(su)(su)，且忽略其(qi)他元(yuan)素(su)(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)對(dui)(dui)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。基于壓(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)熱力(li)學參(can)(can)數、動力(li)學參(can)(can)數以及界面(mian)換熱系數的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律(lv)(lv)，對(dui)(dui)三種情況(kuang)下 19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)進行(xing)(xing)(xing)模(mo)擬分(fen)析(xi)(xi)(xi)，預測(ce)壓(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)度和(he)(he)類型(xing)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律(lv)(lv)，三種情況(kuang)（C1、C2和(he)(he)C3)的(de)(de)(de)(de)參(can)(can)數設置見表2-13。
凝(ning)固(gu)20s后(hou)，三種凝(ning)固(gu)條件(jian)下的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次枝(zhi)晶(jing)(jing)尖(jian)端位置(zhi)（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)和(he)(he)(he)(he)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)體(ti)積分(fen)數以(yi)及(ji)液相(xiang)(xiang)和(he)(he)(he)(he)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)速率分(fen)布情況如圖(tu)(tu)2-73所示。對比(bi)圖(tu)(tu)2-73(a)和(he)(he)(he)(he)（b)可(ke)以(yi)看(kan)出，當(dang)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)形核密度從3x10°m-3增至(zhi)5x10°m-3時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次枝(zhi)晶(jing)(jing)尖(jian)端發(fa)生了(le)較為明顯的(de)變化，尤其是在鑄錠底部位置(zhi)，且等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)體(ti)積分(fen)數由0.514增至(zhi)0.618.此(ci)外，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)(he)(he)液相(xiang)(xiang)的(de)最(zui)大(da)(da)速率增加(jia)幅度較小，分(fen)別從0.01246m/s和(he)(he)(he)(he)0.0075m/s增至(zhi)0.01266m/s和(he)(he)(he)(he)0.0078m/s.
在三(san)種(zhong)凝固條(tiao)件(jian)下，鑄錠凝固結束后(hou)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)向等軸(zhou)晶(jing)(jing)轉變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所示。隨著等軸(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)形(xing)核(he)密度的(de)增加（對比C1和C2),液相中(zhong)的(de)等軸(zhou)晶(jing)(jing)形(xing)核(he)速(su)率加快，極大(da)地縮短(duan)了柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)前沿等軸(zhou)晶(jing)(jing)體(ti)積(ji)分數(shu)到達阻(zu)擋分數(shu)（0.49)的(de)時間，進而促進了CET轉變，擴大(da)了等軸(zhou)晶(jing)(jing)區域。
增(zeng)加(jia)壓力還能(neng)增(zeng)加(jia)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)核密度，從而(er)加(jia)劇(ju)偏(pian)(pian)析。凝(ning)固結束后氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)析如圖2-75所示。隨著等(deng)軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)核速率的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)析范圍(wei)C從-0.07~0.116 擴大(da)至－0.072~0.137,氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)析加(jia)劇(ju)；此外(wai)，鑄錠(ding)底部負偏(pian)(pian)析區域也隨之增(zeng)大(da)，鑄錠(ding)內部氮(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)偏(pian)(pian)析位置(zhi)逐步向(xiang)上(shang)移(yi)動。因(yin)此，在增(zeng)加(jia)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)核密度方面，增(zeng)加(jia)壓力能(neng)夠擴大(da)等(deng)軸(zhou)晶(jing)區域，從而(er)增(zeng)大(da)負偏(pian)(pian)析范圍(wei)，提升氮(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)偏(pian)(pian)析位置(zhi)的(de)(de)(de)高度，以及加(jia)劇(ju)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)析。
2. 強(qiang)化冷卻(que)
增(zeng)加(jia)壓(ya)力可(ke)(ke)通(tong)過強化冷(leng)卻(que)和(he)(he)擴大(da)(da)“溶質(zhi)截留效應”減(jian)輕或者消除(chu)氮宏觀偏析(xi)。根據圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)可(ke)(ke)知，在凝固20s時(shi)，等軸晶(jing)(jing)的(de)沉(chen)積(ji)量隨(sui)著(zhu)冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)(su)率的(de)增(zeng)大(da)(da)而增(zeng)多(duo)，等軸晶(jing)(jing)最大(da)(da)體積(ji)分(fen)數從0.618增(zeng)加(jia)至0.692,等軸晶(jing)(jing)和(he)(he)液相(xiang)(xiang)的(de)最大(da)(da)速(su)(su)(su)(su)率在C2凝固條件下(xia)(xia)分(fen)別為0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s,在C3凝固條件下(xia)(xia)，分(fen)別為0.01221m/s和(he)(he)0.0074m/s.在同一時(shi)刻下(xia)(xia)，隨(sui)著(zhu)冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)(su)率的(de)增(zeng)大(da)(da)，等軸晶(jing)(jing)和(he)(he)液相(xiang)(xiang)的(de)最大(da)(da)速(su)(su)(su)(su)率呈現出略微(wei)減(jian)小(xiao)的(de)原因是冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)(su)率的(de)增(zeng)大(da)(da)加(jia)快了(le)鑄錠的(de)凝固進(jin)程(cheng)，增(zeng)大(da)(da)了(le)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區域［圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)],從而使殘(can)余液相(xiang)(xiang)的(de)冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)(su)率減(jian)小(xiao)，減(jian)小(xiao)了(le)與(yu)液相(xiang)(xiang)溫度相(xiang)(xiang)關的(de)熱浮力，進(jin)而液相(xiang)(xiang)流動(dong)(dong)的(de)驅動(dong)(dong)力減(jian)小(xiao)，降低了(le)液相(xiang)(xiang)流動(dong)(dong)速(su)(su)(su)(su)度；另外，隨(sui)著(zhu)液相(xiang)(xiang)流動(dong)(dong)速(su)(su)(su)(su)度的(de)降低，等軸晶(jing)(jing)沉(chen)積(ji)的(de)阻力增(zeng)大(da)(da)，等軸晶(jing)(jing)流動(dong)(dong)速(su)(su)(su)(su)度隨(sui)之減(jian)小(xiao)。
從(cong)圖2-74可以看出，隨著冷卻速率的(de)(de)(de)增加(jia)，CET位(wei)(wei)置有向心移動且(qie)呈扁平化(hua)的(de)(de)(de)趨勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄(zhu)錠CET檢測(ce)實驗結果相一(yi)致(zhi)，進(jin)一(yi)步證明(ming)本模(mo)型具有較好的(de)(de)(de)準確(que)性和可信度。等軸(zhou)晶(jing)區形狀隨著CET轉變位(wei)(wei)置的(de)(de)(de)改變，也(ye)逐步呈現出扁平化(hua)和減小的(de)(de)(de)趨勢(shi)，氮(dan)的(de)(de)(de)宏觀偏(pian)(pian)析(xi)范(fan)圍由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且(qie)氮(dan)最大偏(pian)(pian)析(xi)形成(cheng)位(wei)(wei)置向鑄(zhu)錠頂部移動（圖2-76).因此，從(cong)強化(hua)冷卻角(jiao)度而言，加(jia)壓(ya)有助于(yu)抑制CET,減小等軸(zhou)晶(jing)區，緩解氮(dan)的(de)(de)(de)宏觀偏(pian)(pian)析(xi)。
綜(zong)上(shang)所述(shu)，增加壓力(li)通過提高(gao)等(deng)軸晶最大(da)形(xing)核(he)密度(du)和(he)強(qiang)(qiang)化(hua)冷(leng)卻對(dui)氮宏(hong)觀(guan)(guan)(guan)偏(pian)析(xi)(xi)產生(sheng)了(le)截然(ran)相反的(de)影(ying)響，兩者對(dui)宏(hong)觀(guan)(guan)(guan)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)綜(zong)合(he)影(ying)響還需要進一步研(yan)究(jiu)。此外，基于對(dui)凝固熱力(li)學和(he)動力(li)學以及換熱系(xi)(xi)數(shu)的(de)分析(xi)(xi)，壓力(li)對(dui)宏(hong)觀(guan)(guan)(guan)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)影(ying)響不局限于增大(da)形(xing)核(he)率和(he)強(qiang)(qiang)化(hua)冷(leng)卻這兩方面，還能對(dui)與宏(hong)觀(guan)(guan)(guan)偏(pian)析(xi)(xi)相關的(de)平衡分配系(xi)(xi)數(shu)和(he)擴散速率等(deng)參數(shu)產生(sheng)重要影(ying)響。因(yin)而，壓力(li)對(dui)宏(hong)觀(guan)(guan)(guan)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)影(ying)響還需要進行更深入的(de)研(yan)究(jiu)和(he)探討。
