壓(ya)力除(chu)了能(neng)夠對(dui)溶質(zhi)平衡分配系數(shu)、擴散(san)系數(shu)以及(ji)液相(xiang)線斜率等參數(shu)產生影響(xiang)以外，還能(neng)改變影響(xiang)溶質(zhi)長(chang)程傳質(zhi)的(de)冷卻(que)速率、等軸(zhou)晶形(xing)核(he)以及(ji)沉積(ji)等,從(cong)而影響(xiang)鑄錠溶質(zhi)分布的(de)均(jun)勻(yun)性(xing)，即宏／微(wei)(wei)觀偏(pian)析(xi)(xi)；如結合平衡分配系數(shu)和(he)形(xing)核(he)吉(ji)布斯自由能(neng)隨壓(ya)力的(de)變化規律，加壓(ya)會抑(yi)制枝晶沿壓(ya)力梯度方(fang)向(xiang)的(de)生長(chang)，從(cong)而導致枝晶組織和(he)微(wei)(wei)觀偏(pian)析(xi)(xi)呈現方(fang)向(xiang)性(xing)等。
王書桓等71利用高(gao)溫高(gao)壓(ya)反應釜研(yan)究了(le)壓(ya)力對于CrN12高(gao)氮鋼凝固過(guo)程(cheng)中偏析現象(xiang)。他們利用LECO-TC600氮氧儀測量了(le)CrN12鑄錠上從中心到邊部處試樣(yang)中的(de)氮含(han)量，取樣(yang)位置如(ru)圖(tu)2-71所示。
王書桓等研(yan)究了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)氮(dan)(dan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)（圖(tu)2-72).對比(bi)不同壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)結果(guo)，可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)1MPa下(xia)鑄錠內部氮(dan)(dan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)嚴重，隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)提高，氮(dan)(dan)宏觀偏(pian)(pian)析(xi)(xi)得到(dao)(dao)(dao)了(le)很大改善。當(dang)壓(ya)(ya)力(li)提高到(dao)(dao)(dao)1.6MPa時，氮(dan)(dan)的(de)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)程(cheng)度明顯(xian)小于(yu)1.0MPa和1.2MPa下(xia)凝固的(de)鑄錠，各部位氮(dan)(dan)含量在0.360%左右，表明增大壓(ya)(ya)力(li)提高了(le)氮(dan)(dan)的(de)飽和溶解度。因此，在凝固過程(cheng)中提高氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)可(ke)以(yi)對氮(dan)(dan)的(de)析(xi)(xi)出起到(dao)(dao)(dao)抑(yi)制(zhi)作(zuo)用，對氮(dan)(dan)由固相到(dao)(dao)(dao)液相的(de)傳(chuan)質(zhi)起到(dao)(dao)(dao)阻礙作(zuo)用，使整個(ge)鑄錠中氮(dan)(dan)的(de)分壓(ya)(ya)趨(qu)于(yu)均勻，從而減(jian)輕氮(dan)(dan)的(de)宏觀偏(pian)(pian)析(xi)(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究報道，在(zai)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，由于各元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)質(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)均小于1,其偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)形成過(guo)(guo)(guo)程(cheng)和最終偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)類型均相(xiang)(xiang)似。因此，在(zai)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)形成規律(lv)和類型的(de)(de)(de)(de)(de)預測過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，可對合金體(ti)系(xi)進(jin)行(xing)(xing)簡化，選取(qu)主要合金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)進(jin)行(xing)(xing)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)。以19Cr14Mn0.9N 含(han)(han)氮(dan)(dan)奧氏體(ti)不銹鋼凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)為(wei)例，其鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8存在(zai)區間較(jiao)窄，結合Wu等在(zai)多相(xiang)(xiang)和單(dan)相(xiang)(xiang)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)研(yan)究。可將該凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)簡化為(wei)單(dan)相(xiang)(xiang)凝固(gu)。氮(dan)(dan)作為(wei)含(han)(han)氮(dan)(dan)鋼的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)征元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，其溶(rong)質(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)較(jiao)小，偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴重，在(zai)壓(ya)力(li)對19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮(dan)(dan)鋼偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)影(ying)(ying)響(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，可將氮(dan)(dan)作為(wei)主要元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，且忽(hu)略其他元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)對凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)。基于壓(ya)力(li)對凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)熱力(li)學(xue)參(can)數(shu)(shu)、動力(li)學(xue)參(can)數(shu)(shu)以及界(jie)面換熱系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)規律(lv)，對三種情況下 19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮(dan)(dan)鋼的(de)(de)(de)(de)(de)凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)進(jin)行(xing)(xing)模(mo)擬(ni)分(fen)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)，預測壓(ya)力(li)對偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)程(cheng)度和類型的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)規律(lv)，三種情況（C1、C2和C3)的(de)(de)(de)(de)(de)參(can)數(shu)(shu)設置見表2-13。
凝固20s后，三種凝固條件下的柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端位(wei)置(zhi)（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和(he)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)積分數(shu)以及液相和(he)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)速(su)率(lv)(lv)分布情況如圖2-73所示。對(dui)比圖2-73(a)和(he)（b)可以看出，當等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)最(zui)大(da)形(xing)核密(mi)度從(cong)3x10°m-3增(zeng)至(zhi)5x10°m-3時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端發生(sheng)了較為明顯的變化，尤其是(shi)在鑄錠底(di)部位(wei)置(zhi)，且等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)最(zui)大(da)體(ti)積分數(shu)由0.514增(zeng)至(zhi)0.618.此外(wai)，等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)和(he)液相的最(zui)大(da)速(su)率(lv)(lv)增(zeng)加(jia)幅度較小，分別從(cong)0.01246m/s和(he)0.0075m/s增(zeng)至(zhi)0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在三種凝固條件(jian)下，鑄錠凝固結束后柱狀晶(jing)向等(deng)軸(zhou)晶(jing)轉變(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖(tu)2-74所示。隨(sui)著等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)(da)形核(he)密度(du)的(de)增加(jia)（對(dui)比C1和(he)C2),液相(xiang)中的(de)等(deng)軸(zhou)晶(jing)形核(he)速(su)率加(jia)快，極(ji)大(da)(da)地縮短了柱狀晶(jing)前沿等(deng)軸(zhou)晶(jing)體積(ji)分(fen)數到達(da)阻擋分(fen)數（0.49)的(de)時間，進而(er)促進了CET轉變(bian)，擴大(da)(da)了等(deng)軸(zhou)晶(jing)區(qu)域(yu)。
增(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓力還能(neng)增(zeng)加(jia)(jia)(jia)等軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形核(he)密度，從(cong)(cong)而(er)加(jia)(jia)(jia)劇(ju)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)。凝固結束后氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)如圖2-75所(suo)示。隨(sui)著(zhu)等軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形核(he)速率(lv)的(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)(jia)，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)范(fan)圍(wei)C從(cong)(cong)-0.07~0.116 擴(kuo)大(da)(da)(da)(da)至(zhi)－0.072~0.137,氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)加(jia)(jia)(jia)劇(ju)；此外(wai)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)底部(bu)負(fu)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)區域也隨(sui)之增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)內部(bu)氮(dan)(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)位置逐步向上移動。因此，在增(zeng)加(jia)(jia)(jia)等軸(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形核(he)密度方(fang)面，增(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓力能(neng)夠擴(kuo)大(da)(da)(da)(da)等軸(zhou)晶(jing)區域，從(cong)(cong)而(er)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)負(fu)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)范(fan)圍(wei)，提升氮(dan)(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)位置的(de)(de)高度，以(yi)及加(jia)(jia)(jia)劇(ju)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)。
2. 強化冷(leng)卻
增(zeng)加壓(ya)力可通(tong)過強化冷(leng)卻和(he)(he)擴(kuo)大(da)“溶質截留(liu)效應”減(jian)(jian)輕或者(zhe)消(xiao)除氮宏觀偏析。根據圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)可知，在(zai)凝(ning)固(gu)20s時，等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶的(de)沉積(ji)量隨(sui)(sui)著冷(leng)卻速率(lv)的(de)增(zeng)大(da)而增(zeng)多(duo)，等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶最大(da)體積(ji)分(fen)數從(cong)0.618增(zeng)加至0.692,等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶和(he)(he)液(ye)相(xiang)的(de)最大(da)速率(lv)在(zai)C2凝(ning)固(gu)條件(jian)下分(fen)別為0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s,在(zai)C3凝(ning)固(gu)條件(jian)下，分(fen)別為0.01221m/s和(he)(he)0.0074m/s.在(zai)同一(yi)時刻(ke)下，隨(sui)(sui)著冷(leng)卻速率(lv)的(de)增(zeng)大(da)，等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶和(he)(he)液(ye)相(xiang)的(de)最大(da)速率(lv)呈現(xian)出略(lve)微(wei)減(jian)(jian)小(xiao)的(de)原因是冷(leng)卻速率(lv)的(de)增(zeng)大(da)加快了(le)鑄錠的(de)凝(ning)固(gu)進程，增(zeng)大(da)了(le)柱狀晶區域(yu)［圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)],從(cong)而使殘余液(ye)相(xiang)的(de)冷(leng)卻速率(lv)減(jian)(jian)小(xiao)，減(jian)(jian)小(xiao)了(le)與液(ye)相(xiang)溫(wen)度(du)相(xiang)關(guan)的(de)熱浮(fu)力，進而液(ye)相(xiang)流(liu)動的(de)驅動力減(jian)(jian)小(xiao)，降低了(le)液(ye)相(xiang)流(liu)動速度(du)；另外，隨(sui)(sui)著液(ye)相(xiang)流(liu)動速度(du)的(de)降低，等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶沉積(ji)的(de)阻力增(zeng)大(da)，等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶流(liu)動速度(du)隨(sui)(sui)之減(jian)(jian)小(xiao)。
從(cong)圖(tu)2-74可以看(kan)出，隨著(zhu)冷卻速率(lv)的(de)(de)增(zeng)加(jia)，CET位(wei)置有(you)(you)向心移動(dong)且(qie)(qie)呈扁平化的(de)(de)趨勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄(zhu)錠(ding)(ding)CET檢測實驗結果相一致，進一步(bu)證明本模型具(ju)有(you)(you)較好的(de)(de)準確性和可信度。等(deng)軸(zhou)晶(jing)區形(xing)狀隨著(zhu)CET轉(zhuan)變位(wei)置的(de)(de)改變，也逐步(bu)呈現出扁平化和減(jian)小(xiao)的(de)(de)趨勢(shi)，氮(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析(xi)(xi)范圍由－0.072~0.137減(jian)少至(zhi)－0.067~0.130,且(qie)(qie)氮(dan)(dan)最大(da)偏析(xi)(xi)形(xing)成(cheng)位(wei)置向鑄(zhu)錠(ding)(ding)頂部移動(dong)（圖(tu)2-76).因此，從(cong)強(qiang)化冷卻角度而言，加(jia)壓有(you)(you)助于抑制CET,減(jian)小(xiao)等(deng)軸(zhou)晶(jing)區，緩解氮(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析(xi)(xi)。
綜上(shang)所(suo)述(shu)，增加(jia)壓力通過提高等軸晶(jing)最大(da)形核密度和(he)(he)強(qiang)化冷卻(que)(que)對氮宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析產生了(le)截然(ran)相反的(de)影(ying)(ying)(ying)響(xiang)，兩者對宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析的(de)綜合影(ying)(ying)(ying)響(xiang)還(huan)需要進一步研究。此外，基(ji)于對凝固熱力學和(he)(he)動力學以及換熱系數(shu)的(de)分析，壓力對宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析的(de)影(ying)(ying)(ying)響(xiang)不局限于增大(da)形核率和(he)(he)強(qiang)化冷卻(que)(que)這兩方面(mian)，還(huan)能對與宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析相關的(de)平衡(heng)分配(pei)系數(shu)和(he)(he)擴(kuo)散速率等參數(shu)產生重要影(ying)(ying)(ying)響(xiang)。因而(er)，壓力對宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析的(de)影(ying)(ying)(ying)響(xiang)還(huan)需要進行更深入的(de)研究和(he)(he)探討。
