壓力(li)對鑄錠的(de)凝(ning)固相變和(he)組織(zhi)(zhi)有(you)(you)十分重要(yao)的(de)影響，如壓力(li)能(neng)提高晶粒形核(he)速(su)率，減(jian)(jian)小臨(lin)界形核(he)半徑，增大冷卻速(su)率，細化枝晶組織(zhi)(zhi)，減(jian)(jian)輕(qing)或消(xiao)除凝(ning)固缺(que)陷（疏松(song)、縮孔(kong)、氣(qi)孔(kong)和(he)偏析）以及改(gai)變析出(chu)相形貌(mao)和(he)類型(xing)等(deng)。由(you)于鋼鐵材料固／液相線溫度較(jiao)高，加壓難度相對較(jiao)大，不過，較(jiao)低壓力(li)依然具有(you)(you)改(gai)善鑄型(xing)和(he)鑄錠間換(huan)熱條件、打(da)破液相中(zhong)氮氣(qi)泡(pao)等(deng)壓力(li)平衡的(de)能(neng)力(li)，進(jin)而達到改(gai)善鋼鐵凝(ning)固組織(zhi)(zhi)，減(jian)(jian)輕(qing)或消(xiao)除凝(ning)固缺(que)陷等(deng)目(mu)的(de)。

一(yi)、枝晶組織(zhi)

  枝(zhi)晶(jing)組(zu)織的(de)(de)出(chu)現和生長與液相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)密不(bu)可分(fen)(fen)，當(dang)凝固(gu)界面(mian)出(chu)現擾動導致液相(xiang)(xiang)(xiang)出(chu)現局部(bu)成(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)時，液相(xiang)(xiang)(xiang)中就具備(bei)了促使(shi)界面(mian)發生波動的(de)(de)驅動力，進一步增大(da)了凝固(gu)界面(mian)的(de)(de)不(bu)穩定性，從(cong)而(er)使(shi)凝固(gu)界面(mian)從(cong)平面(mian)狀向樹枝(zhi)狀轉(zhuan)變，形成(cheng)枝(zhi)晶(jing)組(zu)織，液相(xiang)(xiang)(xiang)中成(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)的(de)(de)判據為

  式中(zhong)(zhong)，GrL為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫(wen)度梯度；v為(wei)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)速率(lv)(lv)；m為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)線斜率(lv)(lv)；CL為(wei)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)界面處(chu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)溶質(zhi)的(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)；DL為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)溶質(zhi)的(de)(de)(de)擴散系數(shu)；ko為(wei)溶質(zhi)分(fen)配(pei)系數(shu)。在(zai)不(bu)考慮(lv)壓(ya)(ya)力強化(hua)冷卻(que)（即(ji)GrL保持恒定）情況下(xia)(xia)(xia)，壓(ya)(ya)力可(ke)通過改變液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)線斜率(lv)(lv)、擴散系數(shu)和溶質(zhi)分(fen)配(pei)系數(shu)等(deng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)參數(shu)，改變枝晶(jing)(jing)形貌(mao)甚至凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)的(de)(de)(de)組成。Zhang等(deng)對比了(le)高錳(meng)鋼（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常壓(ya)(ya)和6GPa下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)。發現(xian)高錳(meng)鋼高壓(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)包含細(xi)小(xiao)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和柱狀晶(jing)(jing)，與常壓(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)截然不(bu)同(tong)（圖2-107).晶(jing)(jing)粒尺(chi)寸(cun)統計結果(guo)表明(ming)(ming)，高錳(meng)鋼在(zai)常壓(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒尺(chi)寸(cun)為(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)(xia)為(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)力細(xi)化(hua)晶(jing)(jing)粒可(ke)達21倍之多，主要歸因于(yu)增(zeng)加(jia)(jia)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)力降低了(le)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)溶質(zhi)擴散系數(shu)以及(ji)增(zeng)大(da)了(le)擴散激活(huo)能，進而(er)增(zeng)大(da)了(le)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)成分(fen)過冷度，在(zai)抑(yi)制枝晶(jing)(jing)生(sheng)長的(de)(de)(de)同(tong)時(shi)增(zeng)大(da)了(le)形核(he)(he)率(lv)(lv)［129,153],從(cong)而(er)使得高錳(meng)鋼凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)逐步向(xiang)枝晶(jing)(jing)組織(zhi)轉變，且細(xi)化(hua)十分(fen)顯著。Kashchiev和Vasudevan等(deng)的(de)(de)(de)研究表明(ming)(ming)。在(zai)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)摩(mo)爾體(ti)(ti)積小(xiao)于(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)摩(mo)爾體(ti)(ti)積時(shi)，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)有助于(yu)提(ti)高形核(he)(he)率(lv)(lv)，起到細(xi)化(hua)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)的(de)(de)(de)作用，大(da)多數(shu)金(jin)屬合金(jin)屬于(yu)此(ci)類；反之，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)將抑(yi)制晶(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)形核(he)(he)，如水(shui)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)成冰。此(ci)外，壓(ya)(ya)力還(huan)能夠(gou)抑(yi)制枝晶(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)力梯度方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)長,從(cong)而(er)導致枝晶(jing)(jing)組織(zhi)和微觀偏析呈現(xian)方(fang)向(xiang)性。

  為(wei)了準確地論述壓力對凝固(gu)組織的影響規律，本節將以(yi)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)和M42工(gong)具鋼(gang)加(jia)壓凝固(gu)組織為(wei)例，詳(xiang)細分析(xi)壓力對枝晶組織、析(xi)出(chu)相等的影響。

 1. 柱狀晶向等軸晶轉變（CET)

   鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)宏觀組織主要由(you)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)形(xing)貌(mao)、尺寸以(yi)及(ji)取(qu)(qu)向(xiang)分(fen)布等(deng)(deng)構(gou)成(cheng)(cheng)，在(zai)(zai)合(he)金成(cheng)(cheng)分(fen)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下，它主要取(qu)(qu)決(jue)于(yu)鋼液(ye)在(zai)(zai)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻條件（包(bao)括(kuo)澆注溫度(du)和鑄(zhu)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻效果等(deng)(deng)。鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)典型(xing)(xing)宏觀組織可分(fen)為三個區(qu)(qu)(qu)：表(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)、柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)以(yi)及(ji)中(zhong)(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。表(biao)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)是(shi)由(you)于(yu)鋼液(ye)在(zai)(zai)鑄(zhu)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)激冷(leng)作用(yong)下，具有較大的(de)(de)(de)(de)過冷(leng)度(du)，進而在(zai)(zai)鑄(zhu)型(xing)(xing)壁(bi)面(mian)以(yi)異質(zhi)形(xing)核(he)的(de)(de)(de)(de)方(fang)式大量(liang)形(xing)核(he)并(bing)長大，最后形(xing)成(cheng)(cheng)細(xi)小的(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，即(ji)表(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。隨著(zhu)(zhu)凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)(de)進行，表(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)逐(zhu)步形(xing)成(cheng)(cheng)金屬外殼(ke)，使(shi)得傳(chuan)(chuan)熱(re)具備單向(xiang)性(xing)(xing)，有助于(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)沿(yan)傳(chuan)(chuan)熱(re)方(fang)向(xiang)生長，呈現出方(fang)向(xiang)性(xing)(xing)，從而形(xing)成(cheng)(cheng)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，也(ye)導致了表(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域窄小，厚度(du)通常為幾毫米。在(zai)(zai)后續的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)，伴(ban)隨著(zhu)(zhu)凝(ning)固(gu)潛熱(re)的(de)(de)(de)(de)釋放，凝(ning)固(gu)前沿(yan)溫度(du)梯度(du)減小，傳(chuan)(chuan)熱(re)的(de)(de)(de)(de)單向(xiang)性(xing)(xing)減弱，成(cheng)(cheng)分(fen)過冷(leng)度(du)增大，進而使(shi)得晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)生長的(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)性(xing)(xing)減弱，抑制了柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)生長，同時也(ye)促進了鑄(zhu)錠(ding)心(xin)部異質(zhi)形(xing)核(he)的(de)(de)(de)(de)發生，從而有助于(yu)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉變，最終形(xing)成(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。

   因此(ci)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)有兩類(lei)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)織，即等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)，通(tong)常(chang)采用枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)和(he)(he)(he)CET位(wei)(wei)(wei)置對其(qi)進行表(biao)征。圖(tu)2-108(a)給出(chu)了(le)(le)凝固壓(ya)(ya)力(li)分別為0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa的(de)(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)縱(zong)剖(pou)面上(shang)的(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)(zu)織；CET位(wei)(wei)(wei)置到(dao)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)距(ju)離的(de)(de)(de)(de)統計(ji)(ji)平均值分別為19.8mm、22.1mm和(he)(he)(he)27.4mm,增量可達7.6mm,如圖(tu)2-108(b)所示(shi)。統計(ji)(ji)結果表(biao)明，隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)，CET 位(wei)(wei)(wei)置逐(zhu)漸(jian)由(you)(you)邊(bian)部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移動，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域增大(da)(da)，中(zhong)心(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域減小。根據柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變(bian)的(de)(de)(de)(de)阻(zu)擋判據可知(zhi)［156],當(dang)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)處等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積分數大(da)(da)于(yu)臨界(jie)值時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)生(sheng)長受到(dao)抑(yi)制而(er)停(ting)止，此(ci)時發生(sheng)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向(xiang)中(zhong)心(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)變(bian)。因此(ci)，CET轉(zhuan)變(bian)很大(da)(da)程度上(shang)取決于(yu)中(zhong)心(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)形核和(he)(he)(he)長大(da)(da)。由(you)(you)于(yu)壓(ya)(ya)力(li)強化(hua)冷(leng)(leng)卻(que)(que)效果十分明顯，增加(jia)壓(ya)(ya)力(li)加(jia)快了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)(que)，增大(da)(da)了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)溫度梯度，從而(er)降低了(le)(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)前沿(yan)的(de)(de)(de)(de)成分過冷(leng)(leng)度，此(ci)時，等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)的(de)(de)(de)(de)形核和(he)(he)(he)長大(da)(da)就會受到(dao)嚴重阻(zu)礙和(he)(he)(he)抑(yi)制;反之(zhi)，降低壓(ya)(ya)力(li)，有助于(yu)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)處的(de)(de)(de)(de)形核和(he)(he)(he)長大(da)(da)，從而(er)提前并加(jia)快了(le)(le)CET.因此(ci)，當(dang)壓(ya)(ya)力(li)從0.5MPa增加(jia)到(dao)1.2MPa時，壓(ya)(ya)力(li)通(tong)過強化(hua)冷(leng)(leng)卻(que)(que)擴大(da)(da)了(le)(le)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促使CET轉(zhuan)變(bian)位(wei)(wei)(wei)置在(zai)徑向(xiang)上(shang)逐(zhu)漸(jian)由(you)(you)邊(bian)部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移動。此(ci)外，在(zai)0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)縱(zong)剖(pou)面的(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)(zu)織中(zhong)均存在(zai)較窄的(de)(de)(de)(de)表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。

為了進一步研(yan)究壓(ya)力(li)對CET的影響規律(lv)(lv)，在(zai)不(bu)考慮壓(ya)力(li)強(qiang)化(hua)冷卻效果的前提下，對枝晶尖端生長速率v.隨壓(ya)力(li)的變化(hua)規律(lv)(lv)進行理論計(ji)算，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)上所述，凝(ning)固壓力(li)的增加會對枝晶尖端(duan)生長速率產生重要影響，且壓力(li)的增量越大，影響越明顯。結合(he)實驗(yan)和KGT模型理論(lun)計算可(ke)知，低壓下，當凝(ning)固壓力(li)從(cong)0.5MPa 增加至1.2MPa時(shi)，壓力(li)主(zhu)要通過強化冷(leng)卻(que)的方(fang)式，使(shi)得鑄(zhu)錠CET位(wei)置逐漸由邊(bian)部(bu)向(xiang)心部(bu)移動。

 2. 枝晶間距

  相鄰同次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)臂之間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)垂直距(ju)(ju)(ju)離(li)稱為(wei)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)，枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)的(de)(de)大小(xiao)表征了枝晶(jing)(jing)(jing)組織(zhi)細化程度，枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)越小(xiao)，枝晶(jing)(jing)(jing)組織(zhi)越細密［162],通常考慮的(de)(de)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)有一次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)入1和二次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)λ2.一次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)與凝固速率(lv)v和溫(wen)度梯度Gr的(de)(de)關系為(wei)

  由式(shi)(shi)（2-191)可知，合金體系一定(ding)時(shi)，分(fen)析局(ju)部(bu)區(qu)域冷卻(que)速率v.和(he)溫度(du)(du)梯度(du)(du)Gr隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)(de)變(bian)化趨勢，有(you)助于闡明壓(ya)(ya)力對一次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)λ1的(de)(de)影響規律。因局(ju)部(bu)區(qu)域冷卻(que)速率vc和(he)溫度(du)(du)梯度(du)(du)Gr的(de)(de)測(ce)量難(nan)度(du)(du)較大，可用(yong)模擬計算(suan)的(de)(de)方(fang)式(shi)(shi)獲(huo)得。在(zai)不(bu)同(tong)凝(ning)固壓(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)組織模擬過程中，不(bu)考慮疏松縮孔對晶(jing)區(qu)分(fen)布的(de)(de)影響，模擬結(jie)果如圖2-110所示。為(wei)了更準(zhun)確地找(zhao)到CET位(wei)置，使用(yong)平(ping)均縱橫(heng)(heng)比（晶(jing)粒最(zui)短邊與最(zui)長邊的(de)(de)比率）來(lai)區(qu)分(fen)柱狀晶(jing)和(he)等軸晶(jing)：當(dang)晶(jing)粒的(de)(de)縱橫(heng)(heng)比大于0.4時(shi)，晶(jing)粒為(wei)等軸晶(jing)；當(dang)晶(jing)粒的(de)(de)縱橫(heng)(heng)比小于0.4時(shi)，則為(wei)柱狀晶(jing)。根據阻擋判(pan)據，等軸晶(jing)體積分(fen)數的(de)(de)臨界(jie)值設(she)定(ding)為(wei)0.49，以此作(zuo)為(wei)依據，19Cr14Mn0.9N含氮鋼在(zai)0.5MPa、0.85MPa 和(he)1.2MPa 壓(ya)(ya)力下(xia)，CET 位(wei)置在(zai)徑向上離鑄錠邊部(bu)的(de)(de)平(ping)均距(ju)離分(fen)別為(wei)18.1mm、19.8mm和(he)25.3mm.

  19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)底部溫度(du)梯度(du) Gr和(he)冷卻(que)速率v.隨(sui)壓(ya)力(li)的(de)變化(hua)規律，如圖2-111所示(shi)。在(zai)某一壓(ya)力(li)條件下，vc和(he)Gr沿(yan)徑(jing)(jing)(jing)向由鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊部到(dao)心(xin)部均(jun)呈現逐(zhu)漸減(jian)(jian)小(xiao)的(de)趨勢，結(jie)合式(shi)（2-190)可(ke)知，一次(ci)枝(zhi)晶間(jian)距入(ru)1與v.和(he)Gr成反比(bi)，因(yin)而1沿(yan)徑(jing)(jing)(jing)向由邊部到(dao)心(xin)部逐(zhu)漸增(zeng)(zeng)大(da)。當壓(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)加至1.2MPa時，在(zai)壓(ya)力(li)強化(hua)冷卻(que)的(de)作用(yong)下，鑄(zhu)錠(ding)(ding)內各單元(yuan)(yuan)體的(de)vc和(he)Gr隨(sui)之增(zeng)(zeng)大(da)，且對(dui)鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊緣處的(de)單元(yuan)(yuan)體影(ying)響(xiang)最大(da)，在(zai)沿(yan)徑(jing)(jing)(jing)向向心(xin)部移(yi)動的(de)過程中，壓(ya)力(li)對(dui)vc和(he)Gr的(de)影(ying)響(xiang)逐(zhu)步減(jian)(jian)弱。結(jie)合式(shi)（2-190)可(ke)知，一次(ci)枝(zhi)晶間(jian)距入(ru)1隨(sui)著(zhu)vc和(he)Gr的(de)增(zeng)(zeng)大(da)呈冪函(han)數減(jian)(jian)小(xiao)。因(yin)此，隨(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)增(zeng)(zeng)加，一次(ci)枝(zhi)晶間(jian)距入(ru)1減(jian)(jian)小(xiao)，且越靠近鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊部，入(ru)減(jian)(jian)小(xiao)趨勢越明顯，即壓(ya)力(li)對(dui)柱狀(zhuang)晶一次(ci)枝(zhi)晶間(jian)距的(de)影(ying)響(xiang)大(da)于中心(xin)等(deng)軸晶區。

  由邊(bian)部(bu)到心部(bu)逐漸增(zeng)大(da)，結(jie)合式(shi)（2-192)可知，鑄錠(ding)心部(bu)的二(er)次枝晶間距入2大(da)于邊(bian)部(bu)；壓力從0.5MPa增(zeng)加至(zhi)1.2MPa時，LST明(ming)顯減(jian)小，二(er)次枝晶間距入2也隨之減(jian)小。

  圖2-112 不(bu)同(tong)壓(ya)力下(xia)距(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)底部130mm處(chu)LST計算值由(you)于(yu)等軸(zhou)晶(jing)的(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)臂彼此(ci)相交且沿徑向(xiang)以幾乎(hu)相同(tong)的(de)速率向(xiang)四周生長(chang)，同(tong)時(shi)不(bu)同(tong)等軸(zhou)晶(jing)間不(bu)存(cun)在(zai)任(ren)何(he)確定的(de)位(wei)向(xiang)關(guan)系，難以通(tong)過實驗(yan)對等軸(zhou)晶(jing)的(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)次(ci)晶(jing)間距(ju)進行(xing)(xing)測(ce)(ce)量(liang)，因此(ci)只對CET前(qian)柱狀晶(jing)的(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)間距(ju)進行(xing)(xing)測(ce)(ce)量(liang)。圖2-113給出(chu)了距(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)底部115mm的(de)高度處(chu)一(yi)(yi)(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)間距(ju)入1和(he)(he)(he)二次(ci)枝(zhi)晶(jing)間距(ju)x2的(de)變化規律(lv)，在(zai)某(mou)一(yi)(yi)(yi)(yi)壓(ya)力下(xia)，沿徑向(xiang)由(you)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部向(xiang)心部移動的(de)過程中，1和(he)(he)(he)x2逐漸增(zeng)大；當壓(ya)力從(cong)0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時(shi)，1和(he)(he)(he)入2均呈減(jian)小的(de)趨勢。基于(yu)埋設熱(re)電偶(ou)的(de)測(ce)(ce)溫結(jie)果和(he)(he)(he)式（2-195)可得，2nd和(he)(he)(he)4h測(ce)(ce)溫位(wei)置處(chu)局(ju)部凝(ning)固時(shi)間隨壓(ya)力的(de)增(zeng)加而縮(suo)短，如圖2-113(a)所示，從(cong)而導致x2的(de)減(jian)小。對比可知，枝(zhi)晶(jing)間距(ju)（λ和(he)(he)(he)ん）和(he)(he)(he)局(ju)部凝(ning)固時(shi)間沿徑向(xiang)和(he)(he)(he)隨壓(ya)力變化趨勢的(de)實驗(yan)與模擬(ni)結(jie)果一(yi)(yi)(yi)(yi)致。

  綜(zong)上(shang)所述(shu)，增(zeng)加(jia)壓力能夠明顯減(jian)小枝(zhi)晶間距（x1和(he)x2),縮(suo)短局部(bu)(bu)凝(ning)固(gu)時間，細(xi)化凝(ning)固(gu)組(zu)織。鑄(zhu)錠邊(bian)部(bu)(bu)和(he)心部(bu)(bu)試樣的枝(zhi)晶形貌如圖(tu)2-114所示(shi)，進一步(bu)佐證了增(zeng)加(jia)壓力具有明顯細(xi)化枝(zhi)晶組(zu)織的作(zuo)用(yong)，且對柱狀晶的影(ying)響(xiang)大(da)于(yu)中(zhong)心等軸晶。

3. 晶粒(li)數

  鑄錠(ding)內晶粒數與晶粒臨界(jie)形(xing)核半徑和(he)形(xing)核率有(you)直接的關系(xi)，晶粒臨界(jie)形(xing)核半徑為：

  其(qi)中(zhong)，Nm為(wei)與液(ye)相線溫度、凝固(gu)潛熱、擴散(san)激活能以及(ji)表面(mian)張力(li)(li)(li)(li)有關的(de)系數(shu)。圖(tu)2-114給出了(le) 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄錠(ding)(ding)(ding)等(deng)軸(zhou)晶(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)變化(hua)規律。壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到1.2MPa時(shi)，中(zhong)心等(deng)軸(zhou)晶(jing)區(qu)的(de)寬度逐(zhu)漸減(jian)小，最小值為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄錠(ding)(ding)(ding)180mm(高(gao)）x56mm(寬）等(deng)軸(zhou)晶(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)變化(hua)規律如圖(tu)2-115所示。當凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到0.85MPa時(shi)，晶(jing)粒(li)數(shu)目(mu)從(cong)(cong)9166增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到9551;當凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)進一步增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到1.2MPa時(shi)，晶(jing)粒(li)數(shu)目(mu)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到10128.因此(ci)，提高(gao)凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)，鑄錠(ding)(ding)(ding)等(deng)軸(zhou)晶(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)明顯增(zeng)(zeng)大。

  在(zai)低壓(ya)(ya)下，如壓(ya)(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)至1.2MPa時(shi)，液相線(xian)溫(wen)度(du)(du)、凝固潛熱(re)、擴散激活能以及表面張(zhang)力(li)的(de)(de)(de)變量(liang)非常小(xiao)，幾乎可(ke)以忽略(lve)，這(zhe)樣可(ke)以假設(she)Nm在(zai)0.5MPa、晶(jing)(jing)粒數0.85MPa和1.2MPa下相等，近似為常數。提高壓(ya)(ya)力(li)能夠明(ming)顯地增(zeng)(zeng)大鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)越大，單位(wei)時(shi)間內(nei)從(cong)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)導(dao)出結晶(jing)(jing)潛熱(re)的(de)(de)(de)量(liang)越大，進而提高了糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)(du)；反之(zhi)亦(yi)然，這(zhe)意味著(zhu)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)過(guo)冷(leng)度(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)變化趨勢相同，即(ji)隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)提高而增(zeng)(zeng)大。結合(he)式（2-193)和式（2-197)可(ke)知，隨著(zhu)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)(du)ΔT的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，晶(jing)(jing)粒臨界(jie)形核半徑(jing)rk減小(xiao)，形核率(lv)Na增(zeng)(zeng)大，有助于提高鑄(zhu)錠內(nei)晶(jing)(jing)粒數。因此，增(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)力(li)有利于增(zeng)(zeng)加(jia)晶(jing)(jing)粒數。

  距(ju)離(li)(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)底部130mm的(de)(de)(de)(de)(de)高度(du)(du)處，晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化規律如圖(tu)2-116所示。在某一凝固壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)目最大(da)，隨著(zhu)離(li)(li)鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部距(ju)離(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，由于(yu)(yu)糊狀(zhuang)(zhuang)區內(nei)過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減小(xiao)，晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)也隨之減少。隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)提高，晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)均(jun)呈增(zeng)大(da)趨勢(shi)，且柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)區內(nei)軸向切片上(shang)晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量明顯(xian)大(da)于(yu)(yu)中心(xin)等軸晶(jing)區。因為在壓(ya)(ya)力(li)強(qiang)化冷(leng)卻的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下(xia)，整個鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)梯度(du)(du)均(jun)有(you)增(zeng)大(da)趨勢(shi)，導(dao)致糊狀(zhuang)(zhuang)區內(nei)過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)。同時，由于(yu)(yu)距(ju)離(li)(li)鑄(zhu)錠(ding)(ding)和鑄(zhu)型(xing)換(huan)熱(re)界面越近(jin)，溫度(du)(du)梯度(du)(du)受界面換(huan)熱(re)的(de)(de)(de)(de)(de)影響越大(da)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部溫度(du)(du)梯度(du)(du)隨壓(ya)(ya)力(li)變(bian)化趨勢(shi)越明顯(xian)，進(jin)而增(zeng)加(jia)凝固壓(ya)(ya)力(li)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部溫度(du)(du)梯度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量明顯(xian)大(da)于(yu)(yu)心(xin)部，從而導(dao)致離(li)(li)鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部較近(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)區內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量明顯(xian)大(da)于(yu)(yu)中心(xin)等軸晶(jing)區。

二(er)、疏松縮孔

  鑄(zhu)錠(ding)(ding)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)疏松縮(suo)孔(kong)的(de)基本原因是(shi)鑄(zhu)錠(ding)(ding)從澆注溫(wen)(wen)度(du)冷(leng)卻(que)(que)至固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)時產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)（液(ye)(ye)態收(shou)縮(suo)和(he)凝(ning)固(gu)(gu)收(shou)縮(suo)之(zhi)和(he)）大于固(gu)(gu)態收(shou)縮(suo)。當鋼(gang)液(ye)(ye)從澆注溫(wen)(wen)度(du)冷(leng)卻(que)(que)至液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)時所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)為液(ye)(ye)態收(shou)縮(suo)，鋼(gang)液(ye)(ye)進一步從液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)冷(leng)卻(que)(que)至固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)時（即發生(sheng)(sheng)凝(ning)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)變時）所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)為凝(ning)固(gu)(gu)收(shou)縮(suo)［87],固(gu)(gu)態收(shou)縮(suo)是(shi)指固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)在冷(leng)卻(que)(que)過程中所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)體(ti)收(shou)縮(suo)。疏松縮(suo)孔(kong)的(de)出現嚴(yan)重降低了鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)力學和(he)耐腐蝕性(xing)能以及成(cheng)材率，是(shi)鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)嚴(yan)重缺陷之(zhi)一。

 在(zai)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中鑄錠(ding)內(nei)(nei)出現體積(ji)小(xiao)而彌散的(de)空(kong)洞為疏(shu)松，體積(ji)大且集中的(de)為縮(suo)孔。疏(shu)松由在(zai)糊狀(zhuang)區內(nei)(nei)液(ye)(ye)相(xiang)體積(ji)分數降到一定程(cheng)度時，液(ye)(ye)相(xiang)流動困難，液(ye)(ye)態收(shou)縮(suo)與凝(ning)固收(shou)縮(suo)之和超過(guo)固態收(shou)縮(suo)的(de)那部分收(shou)縮(suo)量無法得到補縮(suo)所(suo)導致(zhi)，因(yin)而疏(shu)松的(de)形成(cheng)(cheng)與枝晶間液(ye)(ye)相(xiang)的(de)流動有密切關(guan)聯［72,87].在(zai)糊狀(zhuang)區內(nei)(nei)，體收(shou)縮(suo)主(zhu)要由凝(ning)固收(shou)縮(suo)組成(cheng)(cheng)，且為枝晶間液(ye)(ye)體流動的(de)主(zhu)要驅動力，因(yin)而枝晶間液(ye)(ye)相(xiang)的(de)流速u可表(biao)示為

  式(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為(wei)鋼液靜壓力(li)(li)，Pf=pgh;Ps為(wei)凝(ning)固(gu)(gu)壓力(li)(li)）。結合(he)式(shi)（2-202)可知(zhi)，增(zeng)加凝(ning)固(gu)(gu)壓力(li)(li)，Px增(zeng)大(da)，強化了枝(zhi)晶間液相的(de)(de)(de)(de)補縮(suo)能力(li)(li)，進而有助于(yu)(yu)(yu)避免疏(shu)松的(de)(de)(de)(de)形成［91].此外，糊狀(zhuang)(zhuang)區越(yue)(yue)寬，枝(zhi)晶網狀(zhuang)(zhuang)結構越(yue)(yue)復(fu)雜，枝(zhi)晶間補縮(suo)的(de)(de)(de)(de)距離越(yue)(yue)長阻力(li)(li)越(yue)(yue)大(da)，滲透率K越(yue)(yue)小，疏(shu)松越(yue)(yue)容易形成。因此，疏(shu)松易于(yu)(yu)(yu)在(zai)糊狀(zhuang)(zhuang)區較(jiao)寬的(de)(de)(de)(de)鑄錠以體積凝(ning)固(gu)(gu)或同時凝(ning)固(gu)(gu)方式(shi)凝(ning)固(gu)(gu)時形成。相比之(zhi)下，縮(suo)孔傾向于(yu)(yu)(yu)在(zai)糊狀(zhuang)(zhuang)區較(jiao)窄的(de)(de)(de)(de)鑄錠以逐層凝(ning)固(gu)(gu)方式(shi)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中出(chu)現。

  不同凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)縱剖(pou)面上疏松(song)(song)縮(suo)孔的(de)分布(bu)情況(kuang)如圖2-117所示。隨著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)加，疏松(song)(song)和(he)(he)縮(suo)孔的(de)總(zong)面積大幅(fu)度(du)減(jian)(jian)小(xiao)，且疏松(song)(song)逐(zhu)漸(jian)消失(shi)。由于壓(ya)力(li)(li)具有(you)顯著(zhu)的(de)強化冷(leng)卻(que)效(xiao)果，增(zeng)大凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)，強化了鑄(zhu)錠(ding)和(he)(he)鑄(zhu)型(xing)間的(de)界(jie)面換熱，加快了鑄(zhu)錠(ding)的(de)冷(leng)卻(que)速率(lv)，從(cong)而(er)(er)(er)增(zeng)大了鑄(zhu)錠(ding)溫度(du)梯(ti)(ti)度(du)Gr;在合金體(ti)系一(yi)定的(de)情況(kuang)下，糊狀(zhuang)區隨之確(que)定，那么糊狀(zhuang)區的(de)寬度(du)隨溫度(du)梯(ti)(ti)度(du)Gr的(de)增(zeng)大而(er)(er)(er)減(jian)(jian)小(xiao)171],進而(er)(er)(er)導(dao)致枝(zhi)晶網狀(zhuang)結構的(de)形(xing)成受到抑制。凝(ning)(ning)固(gu)方式(shi)逐(zhu)漸(jian)由體(ti)積凝(ning)(ning)固(gu)向逐(zhu)層凝(ning)(ning)固(gu)過渡，增(zeng)大了滲透率(lv)K,從(cong)而(er)(er)(er)降低和(he)(he)縮(suo)短枝(zhi)晶間補縮(suo)時液相(xiang)流動的(de)阻力(li)(li)和(he)(he)距離。此(ci)外，基于以上理論分析并結合判據式(shi)（2-202)可知，增(zeng)加凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)等效(xiao)于增(zeng)大了Px,使其遠大于枝(zhi)晶間液相(xiang)補縮(suo)時所需(xu)壓(ya)力(li)(li)。因此(ci)，加壓(ya)有(you)利于枝(zhi)晶間液相(xiang)的(de)補縮(suo)行為(wei)，且有(you)助(zhu)于大幅(fu)度(du)減(jian)(jian)小(xiao)或消除疏松(song)(song)缺陷(xian)。

三、凝固析出相(xiang)

  根據相(xiang)所含非金屬元素的(de)種類，可將凝(ning)固(gu)析出(chu)相(xiang)分(fen)為(wei)氮(dan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)、碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)等，與碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)相(xiang)比(bi)，氮(dan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)尺(chi)寸一般較小，為(wei)了更(geng)加(jia)清楚直觀地論述(shu)增加(jia)壓(ya)力對(dui)凝(ning)固(gu)析出(chu)相(xiang)的(de)影響(xiang)，本(ben)節將著重(zhong)以高速鋼(gang)M42中碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)為(wei)例，闡(chan)述(shu)壓(ya)力對(dui)凝(ning)固(gu)析出(chu)相(xiang)的(de)類型、形貌、成分(fen)等影響(xiang)規律。

  高速鋼碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)數量繁多、種類各(ge)異(yi)。不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特(te)(te)性不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)、成分不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)、形(xing)貌(mao)也(ye)各(ge)有差異(yi)；按(an)照碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)貌(mao)特(te)(te)征(zheng)及生成機制的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)，可將高速鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)分為一(yi)次碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)和二次碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)兩大部(bu)(bu)分。一(yi)次碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)又(you)稱為“初生碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝固過程中(zhong)直接(jie)從液相中(zhong)析(xi)出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)種先共(gong)晶(jing)和共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)類型(xing)。一(yi)次碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺寸(cun)比較(jiao)大，屬于(yu)微米級(ji)別(bie)，在(zai)后續熱(re)加工(gong)和熱(re)處理工(gong)藝中(zhong)將被破碎(sui)或分解成尺寸(cun)較(jiao)小的(de)(de)顆(ke)粒(li)狀存在(zai)于(yu)鋼中(zhong)。二次碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)是指(zhi)在(zai)凝固過程中(zhong)或熱(re)處理時從固相基體(ti)(ti)（高溫鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)、奧(ao)氏體(ti)(ti)、馬氏體(ti)(ti)等）中(zhong)析(xi)出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，分為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)類型(xing)。高速鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)成分波動范圍較(jiao)大，不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)鋼種、不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)條件產生的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)一(yi)類型(xing)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)也(ye)會有不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)成分，甚至(zhi)同(tong)(tong)(tong)(tong)一(yi)粒(li)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)部(bu)(bu)位，也(ye)會有成分的(de)(de)差異(yi)。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)貌(mao)、成分及分布見(jian)表2-14.

  M2C具有密排六方晶(jing)體結構［172-175,179],其(qi)主要(yao)形成(cheng)(cheng)(cheng)元(yuan)素通常(chang)是鉬、釩和(he)鎢，鉻(ge)及鐵的(de)(de)含量(liang)則(ze)較(jiao)少。M2C 共晶(jing)碳(tan)化物一般以亞穩態存在于鋼中(zhong)。尺寸(cun)較(jiao)小、片層較(jiao)薄且(qie)沒有中(zhong)間脊骨(gu)，在高溫時(shi)易發生分(fen)解反(fan)應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)解成(cheng)(cheng)(cheng)尺寸(cun)較(jiao)小的(de)(de)顆(ke)粒(li)狀M6C和(he)MC。此外，與M6C相反(fan)，鋼液凝固(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻速率(lv)越快，越有利于M2C的(de)(de)形成(cheng)(cheng)(cheng)。因此，提高鑄錠凝固(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻速率(lv)有利于促進(jin)M2C的(de)(de)形成(cheng)(cheng)(cheng)并細化M2C,同時(shi)可抑制較(jiao)大尺寸(cun)M6Cl。

  M6C具有復雜立方晶體結構(gou)(gou)，其(qi)結構(gou)(gou)中除碳(tan)原(yuan)子以外，鐵、鎢原(yuan)子約各占一(yi)半(ban)。M6C屬于穩定型碳(tan)化物(wu)，其(qi)形(xing)態為(wei)粗大的(de)骨骼狀。鋼液凝固(gu)時(shi)冷卻(que)(que)速率(lv)越慢(man)，M6C碳(tan)化物(wu)越易(yi)于形(xing)成和長大。因此，M6C在(zai)高速鋼的(de)心部往(wang)往(wang)含量(liang)較高，而邊(bian)部較少(shao)或沒有。加快鑄錠凝固(gu)時(shi)的(de)冷卻(que)(que)速率(lv)有利(li)于細化M6C,提高鑄錠性能。

  MC具有(you)(you)(you)(you)面心(xin)立方結(jie)(jie)構(gou)，化(hua)(hua)(hua)學式為(wei)(wei)(wei)MC或(huo)者M4C3,其成(cheng)分以釩(fan)為(wei)(wei)(wei)主(zhu)。鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)、釩(fan)含量(liang)的(de)(de)增(zeng)大(da)可使MC增(zeng)多，尺寸(cun)變大(da)。高(gao)速鋼中(zhong)還有(you)(you)(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)(deng)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)。M23C6晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)構(gou)為(wei)(wei)(wei)復雜(za)(za)面心(xin)立方結(jie)(jie)構(gou)，具有(you)(you)(you)(you)一定(ding)量(liang)的(de)(de)鎢、鉬，釩(fan)含量(liang)極少，含有(you)(you)(you)(you)大(da)量(liang)的(de)(de)鉻、鐵元素；與M2C相同，M3C也是亞穩(wen)(wen)(wen)態(tai)相。M7C3為(wei)(wei)(wei)復雜(za)(za)六方晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)構(gou)，含有(you)(you)(you)(you)較多的(de)(de)鉻、鐵，主(zhu)要存在于碳(tan)(tan)(tan)含量(liang)較高(gao)的(de)(de)鋼中(zhong)。高(gao)速鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)具有(you)(you)(you)(you)兩個重要的(de)(de)特性(xing)：硬度(du)和熱(re)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)性(xing)（加熱(re)時溶解(jie)、聚集長大(da)的(de)(de)難度(du)）。這些特性(xing)反映(ying)了碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)和金(jin)屬原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)結(jie)(jie)合鍵的(de)(de)強弱(ruo)，與原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)結(jie)(jie)構(gou)和尺寸(cun)有(you)(you)(you)(you)關。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)晶(jing)格結(jie)(jie)構(gou)與碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半徑rc、金(jin)屬原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半徑rx有(you)(you)(you)(you)關，如表2-15所(suo)示，rd/rx值越大(da)，則(ze)越易形成(cheng)結(jie)(jie)構(gou)復雜(za)(za)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)(deng)），越小則(ze)易形成(cheng)結(jie)(jie)構(gou)簡單密堆型(xing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)（MC等(deng)(deng)）。表中(zhong)熔(rong)點可作為(wei)(wei)(wei)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)熱(re)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)性(xing)的(de)(de)衡量(liang)指標(biao)，可見碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)尺寸(cun)越接近，則(ze)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)性(xing)越高(gao)。

 1. 壓力(li)對萊氏體的(de)影響

  凝固末期，由于偏析導(dao)致合金(jin)元(yuan)素在枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)內富集發生共晶(jing)(jing)反應，從液(ye)相(xiang)(xiang)中直接生成碳化物，它與(yu)奧氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)間(jian)(jian)(jian)排(pai)列，構(gou)成萊(lai)氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)。因此高(gao)速鋼的萊(lai)氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)往(wang)往(wang)存在于枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)。圖2-118為M2高(gao)速鋼的低倍鑄態組織(zhi)(zhi)，可見(jian)一般情況下，相(xiang)(xiang)鄰晶(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)(jian)(jian)的萊(lai)氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)較為細小(xiao)，數(shu)量(liang)較少，而多個晶(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)(jian)(jian)的萊(lai)氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)尺寸(cun)較大(da)，數(shu)量(liang)較多。

  高(gao)速鋼的(de)(de)萊氏體(ti)組織中含有(you)多種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)(de)碳化(hua)物(wu)，如M2C、M6C、MC等(deng)。M6C整體(ti)形(xing)貌類(lei)似魚(yu)骨(gu)，故又稱(cheng)為“魚(yu)骨(gu)狀(zhuang)(zhuang)碳化(hua)物(wu)”，如圖(tu)2-119所(suo)示(shi)；M2C成片層狀(zhuang)(zhuang)，含有(you)M2C的(de)(de)共晶萊氏體(ti)具有(you)“羽毛(mao)狀(zhuang)(zhuang)”、“扇狀(zhuang)(zhuang)”、“菊花(hua)狀(zhuang)(zhuang)”等(deng)形(xing)貌，如圖(tu)2-120所(suo)示(shi)；MC的(de)(de)生長時間較長，最終尺(chi)寸較為粗大，往往以不(bu)規(gui)則(ze)的(de)(de)條(tiao)狀(zhuang)(zhuang)出現，如圖(tu)2-120所(suo)示(shi)。

  a. 碳化物種類(lei)及分布

   高(gao)速鋼(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)種類與(yu)成分(fen)(fen)和(he)凝(ning)(ning)固過程中(zhong)的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)速率密(mi)不可分(fen)(fen)。M42 高(gao)速工具鋼(gang)(gang)作為(wei)高(gao)鉬低鎢鋼(gang)(gang)，其凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)主要為(wei)M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)；另外含有(you)少部(bu)分(fen)(fen)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)，主要存(cun)在(zai)于(yu)鑄錠(ding)的(de)(de)(de)心部(bu)區域。圖(tu)2-121~圖(tu)2-123給出了M42高(gao)速鋼(gang)(gang)鑄錠(ding)在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)(xia)1/4圓鑄錠(ding)板(ban)金相組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)。白(bai)色斑點狀(zhuang)處的(de)(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)為(wei)具有(you)中(zhong)心脊(ji)骨(gu)(gu)，脊(ji)骨(gu)(gu)兩邊具有(you)平行分(fen)(fen)枝的(de)(de)(de)魚骨(gu)(gu)狀(zhuang)M6C.M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)比M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)粗(cu)大(da)得多(duo)且結構上相互連(lian)接(jie)緊密(mi)，極不利于(yu)鑄錠(ding)的(de)(de)(de)后續碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)破碎，因此盡可能(neng)減(jian)少或避(bi)免凝(ning)(ning)固組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)產(chan)生，有(you)助于(yu)提升其力(li)(li)學(xue)性(xing)能(neng)等。隨著壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增大(da)，萊(lai)氏體(ti)（白(bai)色斑點）所占1/4圓鑄錠(ding)板(ban)的(de)(de)(de)面積比例逐漸減(jian)小，加(jia)壓(ya)(ya)有(you)助于(yu)抑(yi)制M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成與(yu)長大(da)，其主要原(yuan)因在(zai)于(yu)在(zai)較低壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)，加(jia)壓(ya)(ya)對凝(ning)(ning)固熱(re)力(li)(li)學(xue)和(he)動力(li)(li)學(xue)參(can)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)影響(xiang)十(shi)分(fen)(fen)有(you)限(xian)，但強(qiang)化(hua)(hua)(hua)冷(leng)卻(que)效果十(shi)分(fen)(fen)明同時凝(ning)(ning)固過程中(zhong)冷(leng)卻(que)速率越(yue)小，越(yue)有(you)利于(yu)魚骨(gu)(gu)狀(zhuang)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成，且M6C越(yue)粗(cu)大(da)。因而增加(jia)壓(ya)(ya)力(li)(li)主要通過增大(da)鑄錠(ding)和(he)鑄型(xing)間界面換熱(re)系(xi)數(shu)(shu)，提高(gao)鑄錠(ding)的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)速率從而細化(hua)(hua)(hua)并抑(yi)制M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成，且當(dang)壓(ya)(ya)力(li)(li)增加(jia)到一定程度時，能(neng)夠完全抑(yi)制富含M6C的(de)(de)(de)萊(lai)氏體(ti)形(xing)成，消除(chu)其對組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)和(he)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)不良影響(xiang)。

   圖(tu)2-121(b)所示萊氏(shi)體(ti)組織中碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)為長條狀或者短棒狀的(de)M2C.凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)不(bu)同(tong)，M2C的(de)尺(chi)寸(cun)、形貌以及分(fen)(fen)布(bu)的(de)緊密(mi)程(cheng)度(du)等均有所不(bu)同(tong)。在(zai)0.1MPa壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)，碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)分(fen)(fen)枝(zhi)較(jiao)少(shao)、片層(ceng)較(jiao)長、尺(chi)寸(cun)較(jiao)大、間(jian)距較(jiao)寬、共晶(jing)萊氏(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂(bei)的(de)界(jie)面較(jiao)平整；隨著壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)增加，條狀或片層(ceng)狀碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)間(jian)距逐(zhu)漸(jian)減小，且開(kai)始斷開(kai)成大量的(de)短棒碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)，碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)分(fen)(fen)枝(zhi)也(ye)逐(zhu)漸(jian)增多，并密(mi)集分(fen)(fen)布(bu)在(zai)枝(zhi)晶(jing)間(jian)，共晶(jing)萊氏(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂(bei)的(de)界(jie)面也(ye)較(jiao)為粗糙。此外，三個壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)M2C幾乎沒有晶(jing)體(ti)缺(que)陷，明壓(ya)(ya)力(li)(li)很難對碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)晶(jing)格類型產生(sheng)影響(xiang)。

  b. 萊氏體尺寸

   萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)存(cun)在于枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)，與枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距、形貌(mao)及分布密切相關(guan)，枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距越小，枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)萊(lai)氏體(ti)尺(chi)寸也相應地細小且(qie)均(jun)勻分布。圖2-124和(he)圖2-125給出(chu)了不同(tong)壓力條件(jian)下M42鑄錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)和(he)心部(bu)(bu)萊(lai)氏體(ti)形貌(mao)和(he)尺(chi)寸分布，無論是鑄錠的邊(bian)(bian)部(bu)(bu)還(huan)是心部(bu)(bu)，尺(chi)寸不一的萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)（黑色(se)）均(jun)分布在枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)。在同(tong)一凝(ning)固壓力條件(jian)下，鑄錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)的枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距明顯小于心部(bu)(bu)，因而心部(bu)(bu)萊(lai)氏體(ti)要(yao)比(bi)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)粗大。

   隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，在壓(ya)(ya)力(li)強化(hua)冷卻的(de)(de)作用下(xia)，冷卻速率增(zeng)大(da)(da)，鑄錠(ding)局部(bu)凝固(gu)時(shi)間縮短，使得枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)得到(dao)了(le)明(ming)顯細化(hua)且(qie)(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)(bu)更(geng)均勻，進(jin)(jin)而導致分(fen)(fen)布(bu)(bu)在枝(zhi)晶間的(de)(de)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)也(ye)隨之(zhi)細化(hua)，厚度大(da)(da)大(da)(da)減小且(qie)(qie)分(fen)(fen)布(bu)(bu)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)均勻。在0.1MPa 壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，無論在邊(bian)部(bu)還是心(xin)部(bu)位置，鑄錠(ding)的(de)(de)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)均較為(wei)粗大(da)(da)，且(qie)(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)(bu)極不均勻，部(bu)分(fen)(fen)局部(bu)區(qu)域存(cun)在著(zhu)大(da)(da)量(liang)的(de)(de)黑色萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)，尤其在多個枝(zhi)晶臂交匯處，且(qie)(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)異常粗大(da)(da)。當壓(ya)(ya)力(li)增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)至(zhi)1MPa時(shi)，粗大(da)(da)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)得到(dao)明(ming)顯細化(hua)，且(qie)(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)(bu)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)均勻；當壓(ya)(ya)力(li)進(jin)(jin)一(yi)步增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)至(zhi)2MPa時(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)得到(dao)進(jin)(jin)一(yi)步地(di)改善，組(zu)織(zhi)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)細密，尺(chi)寸(cun)(cun)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)均勻，粗大(da)(da)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)基本消失。萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)平均尺(chi)寸(cun)(cun)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)變化(hua)規律(lv)如圖2-126所示，壓(ya)(ya)力(li)從(cong)0.1MPa增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)至(zhi)2MPa時(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)厚度由28.37μm降低至(zhi)22.92μm.因此，增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)能夠(gou)明(ming)顯細化(hua)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)，改善其分(fen)(fen)布(bu)(bu)狀(zhuang)態(tai)。

 2. 壓(ya)力對碳化(hua)物的影響

  a. 碳化物尺寸

   以高速(su)鋼(gang)(gang)中(zhong)M2C共(gong)晶碳化(hua)(hua)物為例，M2C共(gong)晶碳化(hua)(hua)物是通過凝固過程中(zhong)的(de)(de)共(gong)晶反(fan)應L→y+M2C產(chan)生(sheng)的(de)(de)。和(he)(he)純金屬及(ji)固溶體合金的(de)(de)結(jie)晶過程一樣，共(gong)晶轉變(bian)同(tong)(tong)(tong)樣需要經過形核與長(chang)大的(de)(de)過程。結(jie)合式（2-178)和(he)(he)式（2-179),東北大學(xue)特殊鋼(gang)(gang)冶金研究所在(zai)控制溫(wen)度(du)不(bu)變(bian)的(de)(de)基礎(chu)上，計算了不(bu)同(tong)(tong)(tong)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下各元(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)兩相(xiang)中(zhong)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，探(tan)討凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)與擴(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)(ji)活(huo)能(neng)(neng)的(de)(de)關系(xi)。凝固過程中(zhong)溫(wen)度(du)T=1478K時，合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)（鉬(mu)、鎢(wu)(wu)、釩和(he)(he)鉻）在(zai)M2C相(xiang)和(he)(he)奧氏體相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)D隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)規律如圖2-127和(he)(he)圖2-128所示；從整體上看，隨著壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)逐漸(jian)增大，同(tong)(tong)(tong)溫(wen)度(du)M2C相(xiang)中(zhong)的(de)(de)合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)和(he)(he)鎢(wu)(wu)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)D呈(cheng)減小趨(qu)勢(shi)，而(er)(er)合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)釩和(he)(he)鉻則呈(cheng)增大的(de)(de)趨(qu)勢(shi)，表明提高壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)可增大M2C中(zhong)鉬(mu)、鎢(wu)(wu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)(ji)活(huo)能(neng)(neng)ΔGm,進而(er)(er)降(jiang)低其擴(kuo)散(san)(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)；同(tong)(tong)(tong)時降(jiang)低釩、鉻元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)(ji)活(huo)能(neng)(neng)ΔGm,從而(er)(er)提高其擴(kuo)散(san)(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)。然而(er)(er)，當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)在(zai)0.1~2MPa范圍內變(bian)化(hua)(hua)時，各元(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)微(wei)乎其微(wei)，即保持恒定值。隨著凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)逐漸(jian)增大到50MPa,元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)才開始產(chan)生(sheng)較為明顯的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，鎢(wu)(wu)、釩和(he)(he)鉻元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)甚至在(zai)100MPa壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下仍(reng)未產(chan)生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)。因此低壓(ya)(ya)(ya)下，元(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)可忽略不(bu)計。

  的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而降低，鉻元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數則隨(sui)著凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而增(zeng)加(jia)(jia)，如圖2-128所示。即(ji)增(zeng)大(da)凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)具有(you)提高奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)鉬、鎢和(he)釩(fan)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活能(neng)ΔGm,降低其擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)(li)以及減(jian)(jian)小元素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活能(neng)ΔGm和(he)增(zeng)大(da)其擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)作用。與(yu)M2C差別在(zai)(zai)于，在(zai)(zai)奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ中(zhong)，較小的(de)(de)(de)(de)凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)便(bian)可(ke)發揮比較明(ming)顯(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)作用，例如：當凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)大(da)于2MPa時(shi)(shi)，元素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而明(ming)顯(xian)(xian)(xian)增(zeng)大(da)；鉬和(he)釩(fan)元素(su)(su)則在(zai)(zai)10MPa時(shi)(shi)開始隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)增(zeng)加(jia)(jia)而明(ming)顯(xian)(xian)(xian)減(jian)(jian)小。可(ke)見(jian)，在(zai)(zai)相(xiang)(xiang)同(tong)溫(wen)度(du)下，相(xiang)(xiang)比于M2C相(xiang)(xiang)，合(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)釩(fan)、鎢、鉬和(he)鉻在(zai)(zai)奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)情況受凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影響更為明(ming)顯(xian)(xian)(xian)。但在(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)范圍內，合(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)在(zai)(zai)奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系數幾乎保持(chi)不(bu)變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同(tong)時(shi)(shi)，各元素(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活能(neng)ΔGm也未發生明(ming)顯(xian)(xian)(xian)變化。

   綜上所述，在低壓(ya)下，影響M2C形(xing)核(he)率的主要因(yin)素是隨凝(ning)固壓(ya)力增大(da)而顯(xian)著減小(xiao)的形(xing)核(he)功。增加(jia)凝(ning)固壓(ya)力可顯(xian)著改善換熱(re)條件(jian)強化(hua)鑄錠(ding)(ding)冷(leng)卻、提高(gao)鑄錠(ding)(ding)過冷(leng)度ΔT,進而降(jiang)低共晶(jing)反應過程中奧(ao)氏體相γ和M2C相的形(xing)核(he)功ΔG*,最終增大(da)M2C的形(xing)核(he)率、減小(xiao)M2C相鄰碳化(hua)物的間距。

  此外(wai)，增(zeng)加壓(ya)力使M2C形(xing)核(he)率大(da)大(da)增(zeng)加，同時(shi)強(qiang)化了鑄錠冷卻，顯著降低了局部凝(ning)固時(shi)間(jian)LST,導(dao)致加壓(ya)下(xia)鑄錠同位置的凝(ning)固相對較(jiao)快，M2C共(gong)晶碳(tan)化物生(sheng)長時(shi)間(jian)變(bian)短，導(dao)致M42凝(ning)固組織(zhi)中M2C碳(tan)化物的尺(chi)寸減小。這對于后續的熱處理(li)碳(tan)化物的溶解(jie)具有積極的意(yi)義(yi)。

  圖2-129為不同凝固(gu)壓(ya)(ya)力下M2C共晶碳化物(wu)在(zai)熱處(chu)理過(guo)程(cheng)中的(de)元素擴(kuo)散示(shi)意圖。隨著(zhu)凝固(gu)壓(ya)(ya)力的(de)增大，碳化物(wu)由(you)長條狀轉(zhuan)變為短棒狀，在(zai)縱向和(he)橫向上的(de)尺寸均(jun)顯著(zhu)減(jian)小。因此(ci)，在(zai)熱處(chu)理過(guo)程(cheng)中，碳化物(wu)中的(de)元素由(you)內向外擴(kuo)散的(de)平(ping)均(jun)距離也相應隨著(zhu)凝固(gu)壓(ya)(ya)力的(de)增大而顯著(zhu)減(jian)小，熱處(chu)理效果更(geng)加明顯，熱處(chu)理后M42組織的(de)成(cheng)分更(geng)加均(jun)勻(yun)，進而有(you)利于提高(gao)M42高(gao)速(su)鋼的(de)質量。

  b. 碳化物成分

   M2C的(de)(de)形(xing)成元(yuan)素(su)(su)主要包(bao)括鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)和鉻，其中(zhong)鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)是強M2C碳化(hua)物(wu)(wu)形(xing)成元(yuan)素(su)(su)，也是M2C中(zhong)含量(liang)最高(gao)的(de)(de)合金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)。圖2-130給出了不同(tong)壓(ya)力下(xia)M2C中(zhong)合金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)和鉻含量(liang)，隨著壓(ya)力的(de)(de)增大(da)，M2C上的(de)(de)合金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)和鉻含量(liang)均逐(zhu)漸減小，而(er)鐵元(yuan)素(su)(su)則逐(zhu)漸增大(da)；同(tong)時，M2C碳化(hua)物(wu)(wu)之間(jian)基體(ti)中(zhong)合金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)含量(liang)則呈現相反的(de)(de)規律：鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)和鉻元(yuan)素(su)(su)含量(liang)逐(zhu)漸增大(da)，而(er)鐵元(yuan)素(su)(su)減少(shao)。這表明，增大(da)的(de)(de)壓(ya)力使(shi)得(de)合金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)在M2C共晶(jing)碳化(hua)物(wu)(wu)中(zhong)的(de)(de)分(fen)布趨(qu)于均勻(yun)，為后續的(de)(de)處理、熱加(jia)工工藝中(zhong)碳化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)破碎、溶解提供良好(hao)的(de)(de)基礎(chu)。

  在高(gao)速鋼(gang)中，M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化物(wu)是通(tong)過凝固過程(cheng)(cheng)中的共(gong)晶(jing)(jing)反應(ying)L→M2C+y產生(sheng)的，在這個過程(cheng)(cheng)中存(cun)在M2C碳(tan)(tan)化物(wu)相(xiang)和(he)奧氏(shi)體γ相(xiang)之(zhi)間(jian)的溶質再(zai)分(fen)配［172].在一定(ding)溫度(du)(du)下，平(ping)衡分(fen)配系數可表示為固相(xiang)和(he)液(ye)相(xiang)中的元素濃(nong)度(du)(du)之(zhi)比：

   式(shi)中，Cs和(he)CL分(fen)別表示(shi)在(zai)凝固(gu)過程中，元素在(zai)固(gu)相(xiang)(xiang)和(he)液相(xiang)(xiang)中的(de)平衡(heng)濃度(du)。共晶反(fan)(fan)應L→M2C+y是在(zai)凝固(gu)末期發生(sheng)的(de)，圖2-131給(gei)出了不同壓(ya)力下的(de)M42高速鋼凝固(gu)時共晶反(fan)(fan)應過程中M2C碳(tan)化物相(xiang)(xiang)和(he)奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)中各元素的(de)單(dan)相(xiang)(xiang)平衡(heng)分(fen)配(pei)系數。

  式中(zhong)(zhong)(zhong)，Cs和C1分別表示在(zai)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，元素在(zai)固相和液(ye)相中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)平衡濃度。共晶反(fan)應(ying)(ying)L→M2C+y是(shi)在(zai)凝(ning)固末期發生的(de)［172,180,181],圖(tu)2-131給出(chu)了不同壓力下(xia)的(de)M42高速鋼凝(ning)固時共晶反(fan)應(ying)(ying)過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳化物相和奧氏體y相中(zhong)(zhong)(zhong)各元素的(de)單相平衡分配(pei)系數(shu)。

  隨壓力的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，共晶(jing)反應(ying)過程中(zhong)鉬(mu)(mu)元(yuan)素(su)在(zai)M2C和(he)奧氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)分配(pei)(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)具有升高的(de)(de)趨(qu)勢(shi)并逐(zhu)漸靠(kao)近(jin)1.基于熱(re)力學分析(xi)，在(zai)M42鑄錠凝(ning)固時的(de)(de)共晶(jing)反應(ying)過程中(zhong)，增(zeng)(zeng)大壓力可使(shi)鉬(mu)(mu)元(yuan)素(su)在(zai)M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)(xiang)和(he)奧氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)含量增(zeng)(zeng)大。凝(ning)固過程中(zhong)M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)(xiang)和(he)奧氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)素(su)平(ping)衡分配(pei)(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)增(zeng)(zeng)量變化規律如圖2-132所(suo)示，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa時，M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)素(su)平(ping)衡分配(pei)(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)增(zeng)(zeng)量始終大于奧氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)平(ping)衡分配(pei)(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)增(zeng)(zeng)量。由此可知，共晶(jing)反應(ying)過程中(zhong)，相(xiang)(xiang)比于奧氏體(ti)γ相(xiang)(xiang)，鉬(mu)(mu)元(yuan)素(su)更偏向于在(zai)M2C相(xiang)(xiang)中(zhong)富集。

  在(zai)0.1~2MPa壓力范圍內(nei)，加(jia)壓對(dui)(dui)Mo元(yuan)(yuan)素(su)的(de)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)影響非常(chang)小(xiao)，變化量為(wei)10-6~10-5,可(ke)忽(hu)略不(bu)計，因(yin)而(er)在(zai)低壓范圍內(nei)，增加(jia)壓力不(bu)能通(tong)過改(gai)變元(yuan)(yuan)素(su)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)而(er)影響相(xiang)(xiang)(xiang)成分(fen)(fen)。除平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)以外，鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固過程(cheng)(cheng)中(zhong)溶質(zhi)的(de)分(fen)(fen)配情況與元(yuan)(yuan)素(su)的(de)傳(chuan)質(zhi)行為(wei)有關。在(zai)M42鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固末(mo)期的(de)共(gong)晶(jing)反應L→M2C+y過程(cheng)(cheng)中(zhong)存(cun)在(zai)M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)之間的(de)溶質(zhi)再分(fen)(fen)配：液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)M2C形成元(yuan)(yuan)素(su)（鉬(mu)、鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)）通(tong)過凝(ning)(ning)固前(qian)沿(yan)固／液界面向(xiang)M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，同時奧(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)形成元(yuan)(yuan)素(su)（鈷、鐵(tie)）則向(xiang)奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，整個反應發生在(zai)凝(ning)(ning)固末(mo)期的(de)枝晶(jing)間小(xiao)熔池(chi)內(nei)，此時液相(xiang)(xiang)(xiang)流動(dong)很弱，元(yuan)(yuan)素(su)對(dui)(dui)流傳(chuan)質(zhi)行為(wei)可(ke)忽(hu)略，因(yin)而(er)溶質(zhi)的(de)分(fen)(fen)配主要(yao)與相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)擴散傳(chuan)質(zhi)行為(wei)有關。

  根據菲克第一定律公式（2-178)可知(zhi)，擴散(san)(san)系(xi)數D與(yu)溫度(du)T呈反比關系(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形成元素的擴散(san)(san)系(xi)數隨溫度(du)的變(bian)化關系(xi)。在凝(ning)固(gu)壓(ya)力不變(bian)時，溫度(du)的降(jiang)低(di)會顯(xian)著減小擴散(san)(san)系(xi)數，在低(di)壓(ya)范圍內，相對于凝(ning)固(gu)壓(ya)力變(bian)化，溫度(du)變(bian)化對擴散(san)(san)系(xi)數D具有(you)更明顯(xian)的影響。

  增大壓(ya)力(li)具有顯著(zhu)強化(hua)(hua)冷卻和(he)(he)減少(shao)鑄錠(ding)局部凝(ning)(ning)固(gu)時間的作用。由此可知，對于(yu)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa壓(ya)力(li)下的鑄錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)過程，在(zai)相同的凝(ning)(ning)固(gu)時間內(nei)，在(zai)較高壓(ya)力(li)下凝(ning)(ning)固(gu)的鑄錠(ding)冷卻更快，溫(wen)度(du)更低(di)(di)，其元素(su)擴散(san)系數(shu)則相對較低(di)(di)，導致元素(su)擴散(san)速率減小(xiao)，使得M2C共晶(jing)碳化(hua)(hua)物中釩、鎢、鉻和(he)(he)鉬(mu)元素(su)含量降低(di)(di)，碳化(hua)(hua)物間基體的合(he)金元素(su)含量升高，降低(di)(di)了M2C碳化(hua)(hua)物和(he)(he)奧氏體γ相之間的成(cheng)分(fen)差異性(xing)，提高了M42凝(ning)(ning)固(gu)組織成(cheng)分(fen)的均勻性(xing)。

  c. 碳化物形貌

   M2C碳化物(wu)明顯(xian)(xian)具有各向(xiang)異性(xing)的(de)(de)(de)生長方式，形(xing)(xing)貌(mao)具有小平面(mian)向(xiang)的(de)(de)(de)特性(xing)。共晶(jing)組織的(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌(mao)與共晶(jing)過程中(zhong)液(ye)／固界面(mian)結構有密切聯系，金屬相(xiang)(xiang)－金屬碳化物(wu)相(xiang)(xiang)共晶(jing)屬于(yu)(yu)小平面(mian)相(xiang)(xiang)－非小平面(mian)相(xiang)(xiang)共晶(jing)［146].M2C是通(tong)過凝(ning)固末期(qi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間熔池里的(de)(de)(de)共晶(jing)反M2C共晶(jing)碳化物(wu)形(xing)(xing)成于(yu)(yu)凝(ning)固末期(qi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)，根(gen)據凝(ning)固原(yuan)理。枝(zhi)(zhi)晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)元素(su)含量明顯(xian)(xian)高于(yu)(yu)鑄錠標(biao)準(zhun)含量。不同壓力下枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)各相(xiang)(xiang)出現(xian)的(de)(de)(de)先(xian)后順序(xu)，如圖2-135所(suo)示，在不同壓力下，M2C均領(ling)先(xian)奧氏體相(xiang)(xiang)γ出現(xian)。這表明，在共晶(jing)反應L→y+M2C過程中(zhong)，M2C是領(ling)先(xian)相(xiang)(xiang)。

  在(zai)共(gong)晶(jing)凝(ning)固過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)快速(su)(su)生(sheng)長(chang)方(fang)向率(lv)先進(jin)入共(gong)生(sheng)界(jie)面(mian)前方(fang)的(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)，同(tong)時在(zai)其附近(jin)液(ye)層中(zhong)排(pai)出(chu)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)形(xing)(xing)成元(yuan)(yuan)素；隨后奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此液(ye)層獲得生(sheng)長(chang)組元(yuan)(yuan)，跟隨著(zhu)(zhu)M2C一起長(chang)大，同(tong)時也向液(ye)層中(zhong)排(pai)出(chu)M2C形(xing)(xing)成元(yuan)(yuan)素，如圖2-136所示。隨著(zhu)(zhu)凝(ning)固壓力的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大，凝(ning)固速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)均加(jia)快。一方(fang)面(mian)，M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)距隨壓力的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大逐漸減(jian)小(xiao)，即(ji)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液(ye)／固界(jie)面(mian)變(bian)窄(zhai)；另一方(fang)面(mian)，加(jia)壓使(shi)(shi)得枝晶(jing)間(jian)殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)素沒有足夠時間(jian)進(jin)行(xing)充分擴(kuo)散；導致奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液(ye)／固界(jie)面(mian)前沿合(he)金元(yuan)(yuan)素濃度急劇增(zeng)(zeng)大，成分過(guo)(guo)冷加(jia)劇，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)大速(su)(su)率(lv)進(jin)一步增(zeng)(zeng)大，使(shi)(shi)得M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)差逐漸縮小(xiao)。此外，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作(zuo)為非小(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)長(chang)所需過(guo)(guo)冷度遠小(xiao)于(yu)小(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)，使(shi)(shi)得在(zai)凝(ning)固速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)大于(yu)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)。因(yin)此，隨著(zhu)(zhu)壓力的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大，枝晶(jing)間(jian)共(gong)晶(jing)組織中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)多(duo)，使(shi)(shi)得M2C碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)空間(jian)受(shou)到“排(pai)擠”，含量(liang)(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對減(jian)少，最終(zhong)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)逐漸呈現(xian)出(chu)被奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進(jin)而變(bian)短(duan)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌，如圖2-134所示。

四、夾(jia)雜(za)物分布

   夾(jia)雜物是影響鋼錠質量(liang)的一個重(zhong)要(yao)(yao)因素(su)。鋼中(zhong)夾(jia)雜物主要(yao)(yao)包括冶煉(lian)過程中(zhong)進行脫氧(yang)處(chu)理(li)形成的脫氧(yang)產物、凝固過程元素(su)溶解度下降(jiang)形成的氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物、氮化(hua)(hua)(hua)物、硫(liu)化(hua)(hua)(hua)物等化(hua)(hua)(hua)合物以(yi)及爐渣和(he)由于沖刷而(er)進入鋼液的耐火材料。

   根據夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來源(yuan)，可(ke)以將鋼(gang)中的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)為(wei)兩(liang)類:①外(wai)(wai)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)(wai)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大部分(fen)為(wei)復合(he)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)，主(zhu)要是(shi)由于鋼(gang)液接觸(chu)空氣生(sheng)成(cheng)(cheng)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以及進(jin)入鋼(gang)液的(de)爐渣(zha)、耐火材料(liao)組成(cheng)(cheng)。外(wai)(wai)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)(wai)形不規則、尺寸大、構成(cheng)(cheng)復雜(za)(za)(za)，常常位于鋼(gang)的(de)表層，具有嚴重的(de)危害性。②內生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由于脫氧(yang)、鋼(gang)水(shui)鈣處(chu)理等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)(hua)反應而(er)形成(cheng)(cheng)的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)液中數量較(jiao)多，分(fen)布均勻(yun)，顆粒細小。由于形成(cheng)(cheng)時間不同，內生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)分(fen)為(wei)：鋼(gang)液脫氧(yang)時期生(sheng)成(cheng)(cheng)的(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為(wei)原(yuan)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或一次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度降低(di)造成(cheng)(cheng)化(hua)(hua)(hua)學反應平衡(heng)的(de)移動進(jin)而(er)析(xi)(xi)出二次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由于溶質元素偏(pian)析(xi)(xi)和溶解度變化(hua)(hua)(hua)而(er)析(xi)(xi)出的(de)三(san)次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。

   夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)作(zuo)為凝固組織的(de)重要組成部分(fen)(fen)，其特性(xing)(xing)至(zhi)關重要，對于進一(yi)步揭示加(jia)壓(ya)冶金的(de)優勢(shi)十分(fen)(fen)關鍵(jian)(jian)。非金屬夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)特性(xing)(xing)（數量、尺寸和(he)(he)分(fen)(fen)布(bu)等）對鋼(gang)的(de)性(xing)(xing)能(neng)（力(li)(li)學(xue)性(xing)(xing)能(neng)和(he)(he)腐蝕等）有重要影響。同(tong)時，改善(shan)(shan)鋼(gang)中夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)分(fen)(fen)布(bu)情況并盡可能(neng)徹底地去除非金屬夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)可以(yi)有效地減少(shao)缺陷和(he)(he)提高(gao)性(xing)(xing)能(neng)。為了改善(shan)(shan)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)分(fen)(fen)布(bu)，施(shi)加(jia)在(zai)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)上的(de)力(li)(li)包(bao)括重力(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)、曳力(li)(li)，附(fu)加(jia)質量力(li)(li)、升力(li)(li)和(he)(he)反(fan)彈力(li)(li)等起著(zhu)關鍵(jian)(jian)作(zuo)用(yong)。這些力(li)(li)主(zhu)要是通過(guo)(guo)溫(wen)度、流場、重力(li)(li)場和(he)(he)電(dian)磁(ci)場等物(wu)(wu)(wu)理場來(lai)確定(ding)。因(yin)此，可以(yi)通過(guo)(guo)采(cai)取一(yi)系(xi)列措施(shi)優化物(wu)(wu)(wu)理場來(lai)改善(shan)(shan)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)布(bu)。例(li)如，鋼(gang)包(bao)中使用(yong)的(de)氣(qi)體攪拌(ban)、連鑄過(guo)(guo)程(cheng)中添加(jia)磁(ci)場。對于加(jia)壓(ya)冶金，壓(ya)力(li)(li)是關鍵(jian)(jian)因(yin)素(su)。目前(qian)，已經證實加(jia)壓(ya)會在(zai)各個方面影響凝固過(guo)(guo)程(cheng)中的(de)物(wu)(wu)(wu)理場，包(bao)括加(jia)壓(ya)通過(guo)(guo)加(jia)快鑄錠(ding)的(de)冷卻速率和(he)(he)加(jia)強鑄錠(ding)與鑄模之間的(de)熱(re)交換(huan)來(lai)改變溫(wen)度場，通過(guo)(guo)改變糊狀區域(yu)的(de)大(da)小和(he)(he)枝(zhi)晶結構影響流場等。

   因此，可以認為(wei)在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)壓(ya)力(li)具有改變夾雜物(wu)(wu)分布的能力(li)，并且壓(ya)力(li)對(dui)夾雜物(wu)(wu)分布的影響(xiang)機(ji)制非(fei)常復雜，然而，關于加壓(ya)對(dui)夾雜物(wu)(wu)分布變化(hua)的影響(xiang)研究相(xiang)對(dui)較少。這表(biao)明(ming)加壓(ya)對(dui)凝(ning)固(gu)組織的影響(xiang)機(ji)理(li)尚未全(quan)面闡明(ming)。

 1. 夾雜物分布分析模型

   在(zai)實際(ji)凝固過程中(zhong)，夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)受力(li)情況(kuang)、運(yun)動(dong)軌(gui)跡很難(nan)通過實驗進行測(ce)量。數值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)提供(gong)了(le)一種可以(yi)深入(ru)了(le)解某些(xie)無法通過實驗評估的(de)(de)(de)(de)現象的(de)(de)(de)(de)方法。這些(xie)現象包括夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)軌(gui)跡，作用于(yu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)力(li)和夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)速(su)度等。根據電(dian)渣(zha)、連鑄和鋼包精煉等過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)關研究(jiu)，數值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)是一種非常有效的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜物運(yun)動(dong)行為的(de)(de)(de)(de)方法。

   鋼液(ye)凝固(gu)過程涉及熱量(liang)(liang)傳遞、質量(liang)(liang)傳輸(shu)、動(dong)量(liang)(liang)傳輸(shu)、相轉(zhuan)變和晶(jing)粒形核長大(da)等一系列(lie)復雜(za)的(de)(de)物(wu)(wu)理化(hua)學現象，同時存在金屬(shu)固(gu)相、金屬(shu)液(ye)相、氣相和夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)相等多個(ge)相之間的(de)(de)相互(hu)作用(yong)，適合(he)應用(yong)歐(ou)拉多項(xiang)流(liu)模型(xing)進(jin)行(xing)計算求解。其(qi)中，根據(ju)對(dui)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)運動(dong)行(xing)為處理方式，夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)分(fen)布分(fen)析(xi)模型(xing)可以分(fen)為歐(ou)拉－拉格朗日模型(xing)和歐(ou)拉－歐(ou)拉模型(xing)。

 a. 歐拉－拉格朗(lang)日模型歐拉－

   拉(la)(la)格(ge)朗日離散相(xiang)模(mo)型(xing)(xing)是(shi)在(zai)歐拉(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)的(de)基(ji)礎(chu)上，將夾(jia)雜(za)物相(xiang)處(chu)理成(cheng)離散相(xiang)，而(er)流體(ti)相(xiang)處(chu)理為(wei)連續相(xiang)。根據球型(xing)(xing)夾(jia)雜(za)物的(de)受(shou)力分析，基(ji)于牛頓第二定律，建立夾(jia)雜(za)物運(yun)動模(mo)型(xing)(xing)，并與鋼(gang)液凝固(gu)模(mo)型(xing)(xing)耦(ou)合，從而(er)模(mo)擬夾(jia)雜(za)物在(zai)凝固(gu)過程運(yun)動行為(wei)。該模(mo)型(xing)(xing)可以跟蹤每個夾(jia)雜(za)物顆粒并獲得其速度、運(yun)動軌跡以及(ji)夾(jia)雜(za)物去除過程中的(de)動力學(xue)行為(wei)。此外，該模(mo)型(xing)(xing)是(shi)基(ji)于離散相(xiang)體(ti)積(ji)比例相(xiang)對較(jiao)低的(de)基(ji)本假設而(er)建立。

   夾(jia)雜(za)物(wu)在(zai)鋼(gang)液(ye)(ye)中的(de)運動(dong)，主要是各種力(li)(li)(li)的(de)共同(tong)作用造成的(de)。夾(jia)雜(za)物(wu)在(zai)鋼(gang)液(ye)(ye)中受力(li)(li)(li)情況如圖2-137所(suo)示。可以看出，夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)(li)受到主要作用力(li)(li)(li)分別(bie)為：由于顆(ke)粒(li)(li)自身性質(zhi)引起的(de)力(li)(li)(li)，如重力(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)等；由于顆(ke)粒(li)(li)與(yu)流體(ti)之間存(cun)在(zai)相(xiang)對(dui)運動(dong)而產生的(de)力(li)(li)(li)，如升力(li)(li)(li)（Saffman)、附加質(zhi)量(liang)力(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)和(he)Magnus力(li)(li)(li)等；細小夾(jia)雜(za)物(wu)在(zai)高溫條件下受的(de)布朗（Brown)力(li)(li)(li)等。

（1)曳力。

   在鋼(gang)液流場內黏性流體與顆粒之間(jian)存在相對運動，由黏性流體施加的曳(ye)力(li)使得夾雜(za)物(wu)顆粒趨向于跟(gen)隨流體運動。曳(ye)力(li)是夾雜(za)物(wu)顆粒在凝固過程中(zhong)的主要受(shou)力(li)之一。計算公式(shi)如下：

（2)浮(fu)力(li)和重力(li)。

   在豎直方向上(shang)，夾雜物顆粒受(shou)到與相(xiang)對運動無(wu)關的(de)力，包括重力和浮(fu)力，其

（3)附加(jia)質量力。

   當(dang)鋼液(ye)與夾雜物顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)存在相對運動時，夾雜物顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)會帶動其附(fu)近的部(bu)分鋼液(ye)做加速運動，此時推動夾雜物顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)運動的力(li)大于其顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)本身(shen)慣(guan)性(xing)力(li)，這部(bu)分大于夾雜物顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)本身(shen)慣(guan)性(xing)力(li)的力(li)即為附(fu)加質量(liang)力(li)。其計算公式(shi)為

  通(tong)過運用歐拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗(lang)日模(mo)型對鋼液凝固(gu)過程進行(xing)模(mo)擬計(ji)算(suan)時，可以得出隨(sui)著溫度場和流(liu)場的變(bian)化，每(mei)個球形夾雜物顆粒在鋼液中的運動軌跡和分布。

 b. 歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)型

   拉(la)(la)格朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)型是(shi)研(yan)究夾雜(za)(za)物顆粒在鋼液中運(yun)(yun)動(dong)行(xing)為(wei)(wei)主要的(de)方法，但(dan)在實際的(de)應用(yong)中存在一些不足，例如，拉(la)(la)格朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)型是(shi)針對(dui)(dui)單一粒子進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)，當同時追(zhui)蹤(zong)多個粒子時，計(ji)算(suan)量(liang)過大，難以進(jin)行(xing)。相較于(yu)拉(la)(la)格朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)型，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)(mo)(mo)型中夾雜(za)(za)物相的(de)控(kong)制方程(cheng)(cheng)與(yu)流體(ti)連續(xu)相的(de)控(kong)制方程(cheng)(cheng)相似，運(yun)(yun)算(suan)相對(dui)(dui)高效(xiao)，能(neng)夠(gou)同時描述多種(zhong)夾雜(za)(za)物顆粒在凝固過程(cheng)(cheng)中的(de)分(fen)布特征(zheng)。歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)(mo)(mo)型與(yu)歐(ou)(ou)拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)型相比，主要差別(bie)是(shi)夾雜(za)(za)物相的(de)動(dong)量(liang)方程(cheng)(cheng)存在差別(bie)，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)(mo)(mo)型的(de)夾雜(za)(za)物動(dong)量(liang)方程(cheng)(cheng)表達式為(wei)(wei)

 2. 模鑄(zhu)過程中夾雜物的受(shou)力(li)分析

  模鑄過程中(zhong)，夾雜(za)物所(suo)受(shou)作用力(li)(li)包括熱(re)浮力(li)(li)、重力(li)(li)、附加質量力(li)(li)、升(sheng)力(li)(li)以及相間作用力(li)(li)等，具體受(shou)力(li)(li)情況如圖2-138所(suo)示。

   流(liu)場對夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)分布有關鍵(jian)(jian)影響，這(zhe)直(zhi)接歸(gui)因于(yu)作(zuo)用(yong)(yong)于(yu)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)阻力(li)(li)(li)(li)。以0.1MPa下H13鑄錠凝(ning)固(gu)為(wei)(wei)例，鋼液(ye)、夾(jia)雜(za)物(wu)和(he)等軸(zhou)晶(jing)的(de)流(liu)場和(he)速率均顯示(shi)在(zai)圖(tu)(tu)(tu)2-139中(zhong)(zhong)。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固(gu)的(de)進(jin)行(xing)，鋼液(ye)受熱浮(fu)力(li)(li)(li)(li)的(de)驅動(dong)逆時(shi)(shi)針運(yun)動(dong)，如圖(tu)(tu)(tu)2-139(a)所示(shi)。同時(shi)(shi)，隨(sui)著(zhu)重力(li)(li)(li)(li)和(he)浮(fu)力(li)(li)(li)(li)合(he)力(li)(li)(li)(li)的(de)增加，等軸(zhou)晶(jing)的(de)沉降連續發生(sheng)在(zai)柱狀晶(jing)（tip)的(de)尖端，如圖(tu)(tu)(tu)2-139(b)所示(shi)。如圖(tu)(tu)(tu)2-139(c)所示(shi)，夾(jia)雜(za)物(wu)流(liu)場中(zhong)(zhong)出現逆時(shi)(shi)針運(yun)動(dong)，與(yu)鋼液(ye)相(xiang)似。這(zhe)種運(yun)動(dong)行(xing)為(wei)(wei)主要是由作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)夾(jia)雜(za)物(wu)上(shang)的(de)合(he)力(li)(li)(li)(li)引起的(de)。根(gen)據模(mo)擬結果(guo)，凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)重力(li)(li)(li)(li)，浮(fu)力(li)(li)(li)(li)和(he)阻力(li)(li)(li)(li)在(zai)改變(bian)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)運(yun)動(dong)行(xing)為(wei)(wei)中(zhong)(zhong)起著(zhu)關鍵(jian)(jian)作(zuo)用(yong)(yong)，因為(wei)(wei)它們比附加質(zhi)量力(li)(li)(li)(li)和(he)升力(li)(li)(li)(li)大了三個數量級。重力(li)(li)(li)(li)和(he)浮(fu)力(li)(li)(li)(li)的(de)方向(xiang)(xiang)均為(wei)(wei)垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)，因為(wei)(wei)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)密(mi)度低(di)于(yu)液(ye)體的(de)密(mi)度，故其合(he)力(li)(li)(li)(li)Fbg的(de)方向(xiang)(xiang)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)上(shang)，如圖(tu)(tu)(tu)2-139(d)所示(shi)。

   在整個凝固(gu)過程中，Fbg保(bao)持不(bu)變，并使夾(jia)雜(za)(za)物上浮。相(xiang)(xiang)比之下(xia)(xia)，曳(ye)力(li)Fdp是(shi)(shi)向下(xia)(xia)的(de)(de)力(li)，具有(you)驅動夾(jia)雜(za)(za)物向下(xia)(xia)沉的(de)(de)能力(li)。并且(qie)其變化是(shi)(shi)復雜(za)(za)的(de)(de)。根據等式（2-204)可(ke)知，曳(ye)力(li)與(yu)鋼液(ye)和夾(jia)雜(za)(za)物之間的(de)(de)速度差密切相(xiang)(xiang)關。在頂部(bu)(bu)和底(di)部(bu)(bu)，鋼液(ye)和夾(jia)雜(za)(za)物速度差很小，與(yu)Fbg相(xiang)(xiang)比，Fdp可(ke)以忽略不(bu)計(ji)。在柱狀晶尖端附近的(de)(de)曳(ye)力(li)Fdp大(da)于(yu)(yu)Fbg,是(shi)(shi)導致夾(jia)雜(za)(za)物下(xia)(xia)沉的(de)(de)關鍵(jian)因素。在鑄錠的(de)(de)中心(xin)，Fdp小于(yu)(yu)Fbg,Fbg占主(zhu)(zhu)導，促使夾(jia)雜(za)(za)物上浮。因此，模鑄過程中夾(jia)雜(za)(za)物形成逆時針運動，這主(zhu)(zhu)要是(shi)(shi)由重力(li)、浮力(li)和曳(ye)力(li)的(de)(de)綜合作用(yong)所驅動。

 3. 模鑄(zhu)過程中壓力對夾雜物分布的影響

   利(li)用歐拉－歐拉模型在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下獲(huo)得了H13鑄(zhu)錠(ding)(ding)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)體積(ji)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)等值線(xian)，如(ru)圖2-140所(suo)示。每個鑄(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)(zhong)都存在三個主(zhu)要的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)（I、和(he)III),其中(zhong)(zhong)，II區(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)度最(zui)(zui)低，III區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)度最(zui)(zui)高(gao)，I區(qu)(qu)(qu)次之(zhi)。三個夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)域(yu)主(zhu)要由(you)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)逆(ni)(ni)時針運(yun)動(dong)以及被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕(bu)集(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)綜合(he)作用所(suo)導(dao)致。以0.1MPa 壓力下夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)分(fen)布為(wei)例，遠離糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)在逆(ni)(ni)時針運(yun)動(dong)過程(cheng)中(zhong)(zhong)逐(zhu)漸上浮(fu)并富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)到鑄(zhu)錠(ding)(ding)頂(ding)部，如(ru)圖 2-140(c)所(suo)示。鑄(zhu)錠(ding)(ding)頂(ding)部富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)一部分(fen)被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕(bu)獲(huo)，形成(cheng)了I區(qu)(qu)(qu)，其余部分(fen)沿逆(ni)(ni)時針方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)移動(dong)，運(yun)動(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)幾乎垂直于糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)量(liang)。與(yu)之(zhi)相(xiang)比，在II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)，夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)與(yu)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)量(liang)成(cheng)鈍(dun)角(jiao)，因而夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)更加趨(qu)向(xiang)(xiang)于被II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)所(suo)捕(bu)獲(huo)，如(ru)圖2-141所(suo)示，導(dao)致夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)II和(he)III的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)。同時，III區(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)程(cheng)度最(zui)(zui)高(gao)，原因是糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)較寬，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)捕(bu)獲(huo)能力越強，富(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)趨(qu)勢更明顯(xian)。

   隨(sui)著壓(ya)力(li)從0.1MPa增加(jia)(jia)到2MPa,I、II和(he)III區夾雜(za)物(wu)(wu)的富集度降低，如2-140(b)所示，夾雜(za)物(wu)(wu)體積分(fen)(fen)數的最大增量 4max隨(sui)壓(ya)力(li)的增加(jia)(jia)而(er)減小，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下分(fen)(fen)別為4.1x10-5、3.5x10-5和(he)1.8x10-5,表(biao)明隨(sui)著凝固壓(ya)力(li)增加(jia)(jia)至2MPa,鑄錠中(zhong)夾雜(za)物(wu)(wu)分(fen)(fen)布更(geng)加(jia)(jia)均勻。

   糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕(bu)獲夾雜物和(he)夾雜物從糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)逃(tao)脫的(de)(de)(de)能(neng)力對夾雜物分布至關重(zhong)要。結合液(ye)相線／固(gu)相線溫度(du)(du)隨(sui)壓(ya)力的(de)(de)(de)變化規律可知，凝(ning)固(gu)區(qu)(qu)間(jian)變化很小(xiao)，當壓(ya)力從0.1MPa增(zeng)加(jia)(jia)到2MPa時可以忽略(lve)不計。因此，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)寬度(du)(du)主要由溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)決(jue)定。如圖2-142(b)所示，由于增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力后提高了冷卻速(su)率(lv)導(dao)致高壓(ya)下溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)更(geng)大。在(zai)(zai)較高壓(ya)力下，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)域的(de)(de)(de)長度(du)(du)變短［150].另(ling)外，以圖2-142(a)中的(de)(de)(de)A點(dian)為(wei)例，凝(ning)固(gu)時間(jian)隨(sui)壓(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而顯著減(jian)少(shao)，在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下分別為(wei)292s、272s和(he)247s,凝(ning)固(gu)速(su)率(lv)隨(sui)壓(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而增(zeng)加(jia)(jia)。進而表(biao)明(ming)，在(zai)(zai)較高的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)壓(ya)力下糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)長度(du)(du)較小(xiao)且凝(ning)固(gu)速(su)率(lv)較高，因此糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕(bu)獲夾雜物的(de)(de)(de)能(neng)力變弱。

   A、B和C點夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度隨液(ye)相體積(ji)(ji)分(fen)數(shu)的(de)變化如圖2-143所示。高溫度梯度通過增大熱浮(fu)力(li)(li)來強化鋼(gang)液(ye)對流。另外(wai)，研究(jiu)了(le)糊狀(zhuang)區(qu)(qu)中夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)速(su)度隨曳力(li)(li)改的(de)相應變化。凝(ning)固(gu)初期，糊狀(zhuang)區(qu)(qu)中的(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)運動(dong)速(su)度隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)增加而增大，在凝(ning)固(gu)后期，糊狀(zhuang)區(qu)(qu)內夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)幾乎完全停止運動(dong)時液(ye)相體積(ji)(ji)分(fen)數(shu)隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)增加而降低。以點A為(wei)例(li)，凝(ning)固(gu)初期（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和2MPa下夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度分(fen)別為(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和1.52×10-3m/s.當糊狀(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)速(su)度降低到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和2MPa下的(de)液(ye)相體積(ji)(ji)分(fen)數(shu)分(fen)別為(wei)0.74、0.68和0.62.這意味著(zhu)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)從(cong)糊狀(zhuang)區(qu)(qu)逸出的(de)能力(li)(li)隨壓(ya)力(li)(li)增加而增強。

   綜上所述，增加壓力(li)可以顯著抑制糊狀(zhuang)區中夾雜(za)物的富(fu)集(ji)，并通過降低糊狀(zhuang)區捕獲夾雜(za)物的能力(li)，提高夾雜(za)物從糊狀(zhuang)區中逸出的能力(li)，使鑄錠內(nei)夾雜(za)物分(fen)布(bu)更加均勻。