壓(ya)(ya)力除(chu)了能(neng)夠對溶質平衡分配系(xi)(xi)數(shu)、擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數(shu)以及液相(xiang)線斜率等參(can)數(shu)產生(sheng)影響以外，還能(neng)改變影響溶質長程(cheng)傳質的冷卻速率、等軸(zhou)晶(jing)形核以及沉積等,從而影響鑄錠溶質分布(bu)的均勻性(xing)，即宏／微(wei)觀(guan)偏(pian)析(xi)；如(ru)結合平衡分配系(xi)(xi)數(shu)和(he)形核吉布(bu)斯自由(you)能(neng)隨壓(ya)(ya)力的變化(hua)規(gui)律，加(jia)壓(ya)(ya)會抑(yi)制枝晶(jing)沿壓(ya)(ya)力梯(ti)度方向的生(sheng)長，從而導致枝晶(jing)組織和(he)微(wei)觀(guan)偏(pian)析(xi)呈現方向性(xing)等。
王(wang)書桓等(deng)71利用(yong)高(gao)溫高(gao)壓(ya)反應釜研究了(le)壓(ya)力對于(yu)CrN12高(gao)氮(dan)鋼凝固過程中偏析現象。他們利用(yong)LECO-TC600氮(dan)氧儀(yi)測量(liang)了(le)CrN12鑄錠上(shang)從中心到邊部處試樣(yang)中的(de)氮(dan)含量(liang)，取樣(yang)位置(zhi)如圖2-71所示。
王(wang)書(shu)桓等研究了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓(ya)(ya)力下(xia)(xia)的氮(dan)偏(pian)析(xi)（圖2-72).對比不同壓(ya)(ya)力下(xia)(xia)的結(jie)果(guo)，可以發現(xian)1MPa下(xia)(xia)鑄(zhu)錠內部氮(dan)偏(pian)析(xi)嚴(yan)重，隨著壓(ya)(ya)力的提(ti)(ti)高，氮(dan)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)得到(dao)(dao)(dao)了(le)很大改善。當壓(ya)(ya)力提(ti)(ti)高到(dao)(dao)(dao)1.6MPa時，氮(dan)的偏(pian)析(xi)程(cheng)度明顯小于1.0MPa和1.2MPa下(xia)(xia)凝固(gu)的鑄(zhu)錠，各(ge)部位氮(dan)含量在(zai)(zai)0.360%左右，表明增大壓(ya)(ya)力提(ti)(ti)高了(le)氮(dan)的飽和溶(rong)解(jie)度。因此，在(zai)(zai)凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)提(ti)(ti)高氮(dan)氣壓(ya)(ya)力可以對氮(dan)的析(xi)出起到(dao)(dao)(dao)抑(yi)制作(zuo)用，對氮(dan)由固(gu)相到(dao)(dao)(dao)液相的傳質起到(dao)(dao)(dao)阻礙作(zuo)用，使整個鑄(zhu)錠中(zhong)氮(dan)的分壓(ya)(ya)趨于均勻(yun)，從而減輕氮(dan)的宏觀(guan)偏(pian)析(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)報道，在(zai)元素(su)(su)(su)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，由于各元素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)溶質(zhi)分配系數(shu)均(jun)小于1,其(qi)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成過(guo)程(cheng)(cheng)和最終偏析(xi)(xi)(xi)(xi)類型均(jun)相似(si)。因此，在(zai)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)形(xing)成規(gui)律和類型的(de)(de)(de)(de)預(yu)測過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可對(dui)(dui)合(he)(he)金(jin)(jin)體系進行(xing)簡化，選取主要合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)進行(xing)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)。以(yi)(yi)19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)(dan)(dan)奧氏(shi)體不銹鋼凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)為(wei)例，其(qi)鐵素(su)(su)(su)體相8存在(zai)區間較窄(zhai)，結合(he)(he)Wu等在(zai)多相和單相偏析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)研(yan)究(jiu)。可將該凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)簡化為(wei)單相凝(ning)固(gu)(gu)。氮(dan)(dan)(dan)作(zuo)為(wei)含氮(dan)(dan)(dan)鋼的(de)(de)(de)(de)特(te)征元素(su)(su)(su)，其(qi)溶質(zhi)分配系數(shu)較小，偏析(xi)(xi)(xi)(xi)較嚴(yan)重，在(zai)壓力(li)對(dui)(dui)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)(dan)鋼偏析(xi)(xi)(xi)(xi)影響的(de)(de)(de)(de)分析(xi)(xi)(xi)(xi)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可將氮(dan)(dan)(dan)作(zuo)為(wei)主要元素(su)(su)(su)，且(qie)忽(hu)略其(qi)他元素(su)(su)(su)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)對(dui)(dui)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)影響。基于壓力(li)對(dui)(dui)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)熱力(li)學(xue)參數(shu)、動力(li)學(xue)參數(shu)以(yi)(yi)及界面換熱系數(shu)的(de)(de)(de)(de)影響規(gui)律，對(dui)(dui)三種情(qing)況下(xia) 19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)(dan)鋼的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)進行(xing)模擬(ni)分析(xi)(xi)(xi)(xi)，預(yu)測壓力(li)對(dui)(dui)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)度和類型的(de)(de)(de)(de)影響規(gui)律，三種情(qing)況（C1、C2和C3)的(de)(de)(de)(de)參數(shu)設(she)置見表2-13。
凝固20s后，三種(zhong)凝固條件下的柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)一次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖端位置（TIP)、柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)積(ji)分(fen)(fen)數以及液相和(he)(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)速率(lv)分(fen)(fen)布情況(kuang)如(ru)圖2-73所示。對比(bi)圖2-73(a)和(he)(he)（b)可以看出，當等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)最大(da)形核密(mi)度(du)從3x10°m-3增至(zhi)(zhi)5x10°m-3時，柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)一次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖端發生了較為明顯的變化(hua)，尤其是在鑄錠底部位置，且等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)最大(da)體(ti)(ti)積(ji)分(fen)(fen)數由0.514增至(zhi)(zhi)0.618.此外，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)液相的最大(da)速率(lv)增加幅度(du)較小，分(fen)(fen)別從0.01246m/s和(he)(he)0.0075m/s增至(zhi)(zhi)0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s.
在(zai)三種凝固(gu)條件下，鑄錠(ding)凝固(gu)結(jie)束(shu)后柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)向等軸(zhou)晶(jing)轉變(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所示。隨著等軸(zhou)晶(jing)最大(da)形(xing)核(he)密度的(de)增(zeng)加(jia)（對比C1和C2),液相(xiang)中的(de)等軸(zhou)晶(jing)形(xing)核(he)速率加(jia)快(kuai)，極大(da)地(di)縮短了(le)(le)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)前沿等軸(zhou)晶(jing)體(ti)積分數到達(da)阻擋分數（0.49)的(de)時間，進(jin)而(er)促進(jin)了(le)(le)CET轉變(bian)，擴(kuo)大(da)了(le)(le)等軸(zhou)晶(jing)區域。
增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓力(li)還(huan)能增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)(da)形核密度，從而(er)加(jia)(jia)劇偏(pian)析(xi)(xi)。凝固結束后(hou)氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)如圖(tu)2-75所示。隨著等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)(da)形核速率的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)范圍C從-0.07~0.116 擴(kuo)大(da)(da)至(zhi)－0.072~0.137,氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)加(jia)(jia)劇；此(ci)外，鑄(zhu)(zhu)錠底部(bu)負(fu)偏(pian)析(xi)(xi)區域也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，鑄(zhu)(zhu)錠內(nei)部(bu)氮(dan)最大(da)(da)偏(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)逐步向上移動。因此(ci)，在增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)(da)形核密度方面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓力(li)能夠擴(kuo)大(da)(da)等(deng)軸(zhou)晶(jing)區域，從而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)負(fu)偏(pian)析(xi)(xi)范圍，提升氮(dan)最大(da)(da)偏(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)的(de)高度，以(yi)及加(jia)(jia)劇氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)。
2. 強(qiang)化(hua)冷(leng)卻
增(zeng)加壓力(li)(li)可通過強化冷卻和(he)擴(kuo)大(da)(da)(da)“溶質截留效應”減(jian)(jian)輕或(huo)者消除氮宏(hong)觀偏析。根(gen)據圖2-73(b)和(he)（c)可知，在凝(ning)固20s時，等(deng)軸(zhou)晶的沉(chen)積(ji)量隨(sui)著冷卻速(su)(su)率的增(zeng)大(da)(da)(da)而增(zeng)多，等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)(da)(da)體積(ji)分(fen)數(shu)從0.618增(zeng)加至0.692,等(deng)軸(zhou)晶和(he)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的最(zui)(zui)大(da)(da)(da)速(su)(su)率在C2凝(ning)固條件下(xia)(xia)分(fen)別為0.01266m/s和(he)0.0078m/s,在C3凝(ning)固條件下(xia)(xia)，分(fen)別為0.01221m/s和(he)0.0074m/s.在同一時刻下(xia)(xia)，隨(sui)著冷卻速(su)(su)率的增(zeng)大(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶和(he)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的最(zui)(zui)大(da)(da)(da)速(su)(su)率呈現出略微減(jian)(jian)小的原因是冷卻速(su)(su)率的增(zeng)大(da)(da)(da)加快了(le)鑄錠的凝(ning)固進(jin)(jin)程，增(zeng)大(da)(da)(da)了(le)柱狀晶區(qu)域［圖2-73(b)和(he)（c)],從而使殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的冷卻速(su)(su)率減(jian)(jian)小，減(jian)(jian)小了(le)與液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫度相(xiang)(xiang)(xiang)關的熱浮力(li)(li)，進(jin)(jin)而液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)的驅動(dong)(dong)力(li)(li)減(jian)(jian)小，降低了(le)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)(su)度；另外，隨(sui)著液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)(su)度的降低，等(deng)軸(zhou)晶沉(chen)積(ji)的阻力(li)(li)增(zeng)大(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶流(liu)動(dong)(dong)速(su)(su)度隨(sui)之減(jian)(jian)小。
從(cong)圖(tu)2-74可(ke)以(yi)看出(chu)，隨(sui)著(zhu)冷卻速率的(de)增加(jia)，CET位置有向心移動(dong)且(qie)(qie)呈(cheng)扁平化的(de)趨(qu)勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測實驗結果相一致，進(jin)一步(bu)證明本模型具有較好的(de)準確性和可(ke)信度。等(deng)(deng)軸晶區(qu)形(xing)狀隨(sui)著(zhu)CET轉變(bian)位置的(de)改變(bian)，也逐(zhu)步(bu)呈(cheng)現出(chu)扁平化和減(jian)(jian)小(xiao)的(de)趨(qu)勢(shi)，氮的(de)宏(hong)(hong)觀偏(pian)(pian)析范(fan)圍(wei)由(you)－0.072~0.137減(jian)(jian)少至－0.067~0.130,且(qie)(qie)氮最大(da)偏(pian)(pian)析形(xing)成(cheng)位置向鑄錠頂部移動(dong)（圖(tu)2-76).因此(ci)，從(cong)強化冷卻角度而言，加(jia)壓有助于(yu)抑制CET,減(jian)(jian)小(xiao)等(deng)(deng)軸晶區(qu)，緩(huan)解氮的(de)宏(hong)(hong)觀偏(pian)(pian)析。
綜(zong)上(shang)所述，增(zeng)加壓(ya)力(li)通過(guo)提高(gao)等軸晶最大形核密度(du)和強化(hua)冷卻(que)對氮宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)產生(sheng)了截然相(xiang)反(fan)的(de)(de)影(ying)響，兩者(zhe)對宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)的(de)(de)綜(zong)合影(ying)響還需要進一(yi)步研究。此外，基于對凝固熱(re)力(li)學(xue)和動力(li)學(xue)以及換熱(re)系數(shu)(shu)的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)(xi)，壓(ya)力(li)對宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)的(de)(de)影(ying)響不局(ju)限于增(zeng)大形核率和強化(hua)冷卻(que)這(zhe)兩方面，還能對與宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)相(xiang)關的(de)(de)平衡分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)和擴散速率等參數(shu)(shu)產生(sheng)重要影(ying)響。因(yin)而，壓(ya)力(li)對宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)的(de)(de)影(ying)響還需要進行更深(shen)入的(de)(de)研究和探討。
