壓力(li)除(chu)了能(neng)夠對溶質(zhi)平衡分配系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)、擴散系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)以及(ji)液(ye)相線斜(xie)率等(deng)參(can)數(shu)(shu)(shu)產生(sheng)影響(xiang)以外，還能(neng)改變(bian)影響(xiang)溶質(zhi)長程傳質(zhi)的(de)冷卻速率、等(deng)軸晶(jing)形(xing)核(he)以及(ji)沉積(ji)等(deng),從而(er)影響(xiang)鑄錠溶質(zhi)分布(bu)的(de)均(jun)勻性，即宏／微觀(guan)偏析；如結合平衡分配系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)和(he)形(xing)核(he)吉布(bu)斯自由(you)能(neng)隨壓力(li)的(de)變(bian)化規律，加壓會(hui)抑制枝(zhi)晶(jing)沿壓力(li)梯(ti)度方向的(de)生(sheng)長，從而(er)導致枝(zhi)晶(jing)組織和(he)微觀(guan)偏析呈現方向性等(deng)。
王(wang)書桓等(deng)71利用高(gao)溫高(gao)壓反(fan)應釜(fu)研究了壓力對于CrN12高(gao)氮(dan)鋼(gang)凝固過程中(zhong)偏析現象。他們利用LECO-TC600氮(dan)氧(yang)儀測量了CrN12鑄錠上從中(zhong)心到邊部處試樣中(zhong)的氮(dan)含量，取樣位置如圖2-71所示。
王書(shu)桓等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)偏析(xi)(xi)(xi)（圖2-72).對比(bi)不(bu)同(tong)壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)結果，可以(yi)發現1MPa下(xia)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)內部(bu)氮(dan)(dan)(dan)偏析(xi)(xi)(xi)嚴重，隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)提高，氮(dan)(dan)(dan)宏(hong)觀偏析(xi)(xi)(xi)得到了很大改善。當壓(ya)力(li)提高到1.6MPa時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)偏析(xi)(xi)(xi)程度明顯小于1.0MPa和1.2MPa下(xia)凝(ning)固的(de)(de)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)，各部(bu)位氮(dan)(dan)(dan)含(han)量在0.360%左右(you)，表明增大壓(ya)力(li)提高了氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)飽和溶解度。因此，在凝(ning)固過程中提高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)可以(yi)對氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)析(xi)(xi)(xi)出(chu)起到抑制作用(yong)，對氮(dan)(dan)(dan)由固相到液相的(de)(de)傳質起到阻礙(ai)作用(yong)，使整個鑄(zhu)(zhu)錠(ding)中氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)分壓(ya)趨于均勻(yun)，從而減輕(qing)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析(xi)(xi)(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究報道，在(zai)元素(su)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)過(guo)(guo)(guo)(guo)程中，由于各(ge)元素(su)的(de)(de)(de)(de)溶質分(fen)配系數均(jun)小于1,其偏(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成過(guo)(guo)(guo)(guo)程和(he)最終偏(pian)析(xi)(xi)類(lei)型均(jun)相(xiang)(xiang)似。因(yin)此，在(zai)偏(pian)析(xi)(xi)形(xing)成規律(lv)和(he)類(lei)型的(de)(de)(de)(de)預(yu)(yu)測(ce)過(guo)(guo)(guo)(guo)程中，可(ke)對(dui)合(he)(he)金體(ti)系進(jin)行簡(jian)化，選(xuan)取主要合(he)(he)金元素(su)進(jin)行偏(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)。以19Cr14Mn0.9N 含(han)(han)氮(dan)(dan)奧氏體(ti)不銹鋼(gang)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)(guo)程為(wei)例，其鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8存在(zai)區(qu)間較窄，結合(he)(he)Wu等在(zai)多相(xiang)(xiang)和(he)單相(xiang)(xiang)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)研(yan)(yan)究。可(ke)將(jiang)該凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)(guo)程簡(jian)化為(wei)單相(xiang)(xiang)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)。氮(dan)(dan)作為(wei)含(han)(han)氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)特征元素(su)，其溶質分(fen)配系數較小，偏(pian)析(xi)(xi)較嚴(yan)重，在(zai)壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮(dan)(dan)鋼(gang)偏(pian)析(xi)(xi)影(ying)響的(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)(guo)程中，可(ke)將(jiang)氮(dan)(dan)作為(wei)主要元素(su)，且(qie)忽(hu)略其他元素(su)偏(pian)析(xi)(xi)對(dui)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)(guo)程的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。基于壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)(guo)程中的(de)(de)(de)(de)熱(re)力(li)(li)學(xue)參(can)數、動力(li)(li)學(xue)參(can)數以及界面(mian)換熱(re)系數的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律(lv)，對(dui)三種情況下 19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)(guo)程進(jin)行模擬(ni)分(fen)析(xi)(xi)，預(yu)(yu)測(ce)壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)偏(pian)析(xi)(xi)程度(du)和(he)類(lei)型的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律(lv)，三種情況（C1、C2和(he)C3)的(de)(de)(de)(de)參(can)數設(she)置見表2-13。
凝固(gu)20s后，三種凝固(gu)條件下的(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶一(yi)次枝晶尖端(duan)位(wei)置（TIP)、柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶和(he)(he)等(deng)軸(zhou)晶體積分(fen)(fen)數以(yi)及液相和(he)(he)等(deng)軸(zhou)晶速率分(fen)(fen)布情況如圖2-73所示。對比圖2-73(a)和(he)(he)（b)可以(yi)看出，當等(deng)軸(zhou)晶最(zui)大形核密度(du)從(cong)3x10°m-3增(zeng)至5x10°m-3時(shi)，柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶一(yi)次枝晶尖端(duan)發生了較為(wei)明顯的(de)變化(hua)，尤其是在鑄錠底部位(wei)置，且等(deng)軸(zhou)晶最(zui)大體積分(fen)(fen)數由0.514增(zeng)至0.618.此外，等(deng)軸(zhou)晶和(he)(he)液相的(de)最(zui)大速率增(zeng)加幅度(du)較小，分(fen)(fen)別從(cong)0.01246m/s和(he)(he)0.0075m/s增(zeng)至0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s.
在三(san)種凝(ning)固條件(jian)下(xia)，鑄錠凝(ning)固結束(shu)后柱狀晶(jing)(jing)向等(deng)軸晶(jing)(jing)轉(zhuan)變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所(suo)示(shi)。隨著(zhu)等(deng)軸晶(jing)(jing)最大形(xing)核密度的(de)(de)增加(jia)（對比C1和C2),液相(xiang)中(zhong)的(de)(de)等(deng)軸晶(jing)(jing)形(xing)核速(su)率加(jia)快，極大地縮短(duan)了柱狀晶(jing)(jing)前沿等(deng)軸晶(jing)(jing)體積分數(shu)到達阻擋(dang)分數(shu)（0.49)的(de)(de)時間，進而(er)促進了CET轉(zhuan)變，擴大了等(deng)軸晶(jing)(jing)區域。
增加(jia)(jia)(jia)壓力(li)還能(neng)增加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最大(da)(da)(da)(da)(da)形核(he)密度，從而(er)(er)加(jia)(jia)(jia)劇偏析(xi)。凝固結(jie)束后氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)(hong)觀(guan)(guan)偏析(xi)如圖2-75所示(shi)。隨(sui)著等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最大(da)(da)(da)(da)(da)形核(he)速率的(de)增加(jia)(jia)(jia)，氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)(hong)觀(guan)(guan)偏析(xi)范圍C從-0.07~0.116 擴大(da)(da)(da)(da)(da)至－0.072~0.137,氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)(hong)觀(guan)(guan)偏析(xi)加(jia)(jia)(jia)劇；此(ci)外，鑄錠底部負(fu)偏析(xi)區域也隨(sui)之增大(da)(da)(da)(da)(da)，鑄錠內(nei)部氮(dan)(dan)最大(da)(da)(da)(da)(da)偏析(xi)位(wei)置(zhi)(zhi)逐步向(xiang)上(shang)移動。因此(ci)，在(zai)增加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最大(da)(da)(da)(da)(da)形核(he)密度方面(mian)，增加(jia)(jia)(jia)壓力(li)能(neng)夠(gou)擴大(da)(da)(da)(da)(da)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)區域，從而(er)(er)增大(da)(da)(da)(da)(da)負(fu)偏析(xi)范圍，提升氮(dan)(dan)最大(da)(da)(da)(da)(da)偏析(xi)位(wei)置(zhi)(zhi)的(de)高度，以及加(jia)(jia)(jia)劇氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)(hong)觀(guan)(guan)偏析(xi)。
2. 強化冷卻
增加壓力可(ke)通過強化冷卻(que)和(he)(he)(he)擴(kuo)大(da)“溶質截(jie)留效應”減輕或者消除氮宏觀偏析。根據圖2-73(b)和(he)(he)(he)（c)可(ke)知，在凝固20s時，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶的(de)(de)(de)沉積量隨著冷卻(que)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)(de)增大(da)而增多，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶最大(da)體積分(fen)(fen)數(shu)從0.618增加至0.692,等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶和(he)(he)(he)液相(xiang)的(de)(de)(de)最大(da)速(su)(su)率(lv)在C2凝固條(tiao)件(jian)下(xia)分(fen)(fen)別為0.01266m/s和(he)(he)(he)0.0078m/s,在C3凝固條(tiao)件(jian)下(xia)，分(fen)(fen)別為0.01221m/s和(he)(he)(he)0.0074m/s.在同一時刻下(xia)，隨著冷卻(que)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)(de)增大(da)，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶和(he)(he)(he)液相(xiang)的(de)(de)(de)最大(da)速(su)(su)率(lv)呈現出略(lve)微減小的(de)(de)(de)原因是冷卻(que)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)(de)增大(da)加快了鑄錠的(de)(de)(de)凝固進程，增大(da)了柱(zhu)狀晶區域［圖2-73(b)和(he)(he)(he)（c)],從而使殘余液相(xiang)的(de)(de)(de)冷卻(que)速(su)(su)率(lv)減小，減小了與液相(xiang)溫度(du)(du)相(xiang)關(guan)的(de)(de)(de)熱(re)浮力，進而液相(xiang)流(liu)動(dong)的(de)(de)(de)驅動(dong)力減小，降低了液相(xiang)流(liu)動(dong)速(su)(su)度(du)(du)；另外(wai)，隨著液相(xiang)流(liu)動(dong)速(su)(su)度(du)(du)的(de)(de)(de)降低，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶沉積的(de)(de)(de)阻(zu)力增大(da)，等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶流(liu)動(dong)速(su)(su)度(du)(du)隨之(zhi)減小。
從圖2-74可以看(kan)出(chu)，隨(sui)著冷卻速率的(de)(de)增(zeng)加，CET位置(zhi)有向(xiang)心(xin)移動且(qie)呈扁(bian)(bian)平化(hua)的(de)(de)趨勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測實驗結果相一致，進一步(bu)證(zheng)明本模型具有較好的(de)(de)準確性(xing)和(he)可信度。等軸(zhou)晶區(qu)形(xing)狀隨(sui)著CET轉變位置(zhi)的(de)(de)改變，也逐步(bu)呈現出(chu)扁(bian)(bian)平化(hua)和(he)減小的(de)(de)趨勢(shi)，氮(dan)的(de)(de)宏觀偏析(xi)范圍由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且(qie)氮(dan)最大偏析(xi)形(xing)成位置(zhi)向(xiang)鑄錠頂部移動（圖2-76).因此，從強化(hua)冷卻角度而言(yan)，加壓有助于(yu)抑制CET,減小等軸(zhou)晶區(qu)，緩解氮(dan)的(de)(de)宏觀偏析(xi)。
綜(zong)上所述，增加(jia)壓(ya)力(li)通過提高等軸晶最大(da)形(xing)核密度和(he)強(qiang)化冷卻(que)對(dui)氮宏(hong)觀偏析產生(sheng)了截然相反的(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)，兩(liang)者對(dui)宏(hong)觀偏析的(de)(de)(de)綜(zong)合(he)影響(xiang)(xiang)還(huan)需要(yao)進一步(bu)研(yan)究。此外，基于對(dui)凝固熱力(li)學和(he)動力(li)學以(yi)及換熱系數的(de)(de)(de)分析，壓(ya)力(li)對(dui)宏(hong)觀偏析的(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)不局限于增大(da)形(xing)核率和(he)強(qiang)化冷卻(que)這(zhe)兩(liang)方面，還(huan)能對(dui)與宏(hong)觀偏析相關的(de)(de)(de)平衡(heng)分配系數和(he)擴散速率等參(can)數產生(sheng)重要(yao)影響(xiang)(xiang)。因而，壓(ya)力(li)對(dui)宏(hong)觀偏析的(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)還(huan)需要(yao)進行更深入的(de)(de)(de)研(yan)究和(he)探(tan)討(tao)。
