壓(ya)力(li)對鑄錠的(de)凝(ning)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)變和(he)組織有十分重要的(de)影響，如壓(ya)力(li)能提(ti)高(gao)(gao)晶粒形核速(su)率(lv)，減(jian)(jian)小臨界形核半徑，增(zeng)大冷卻速(su)率(lv)，細化枝(zhi)晶組織，減(jian)(jian)輕或消(xiao)除凝(ning)固(gu)缺陷(xian)（疏松、縮(suo)孔、氣(qi)孔和(he)偏析）以及(ji)改變析出相(xiang)(xiang)(xiang)形貌(mao)和(he)類(lei)型等(deng)。由于鋼鐵(tie)材(cai)料固(gu)／液相(xiang)(xiang)(xiang)線溫度(du)較高(gao)(gao)，加壓(ya)難度(du)相(xiang)(xiang)(xiang)對較大，不過，較低壓(ya)力(li)依然具有改善(shan)鑄型和(he)鑄錠間換熱條件、打破液相(xiang)(xiang)(xiang)中氮氣(qi)泡等(deng)壓(ya)力(li)平衡(heng)的(de)能力(li)，進而達到改善(shan)鋼鐵(tie)凝(ning)固(gu)組織，減(jian)(jian)輕或消(xiao)除凝(ning)固(gu)缺陷(xian)等(deng)目(mu)的(de)。

一、枝晶組織

  枝晶組(zu)(zu)織的(de)出現(xian)和生長(chang)與液(ye)相(xiang)中的(de)成(cheng)(cheng)分(fen)過(guo)冷密不可分(fen)，當凝(ning)(ning)固界面出現(xian)擾動(dong)導致液(ye)相(xiang)出現(xian)局(ju)部成(cheng)(cheng)分(fen)過(guo)冷時(shi)，液(ye)相(xiang)中就具備了促使界面發生波動(dong)的(de)驅動(dong)力(li)，進一(yi)步增大了凝(ning)(ning)固界面的(de)不穩定性，從而使凝(ning)(ning)固界面從平面狀向樹枝狀轉變，形(xing)成(cheng)(cheng)枝晶組(zu)(zu)織，液(ye)相(xiang)中成(cheng)(cheng)分(fen)過(guo)冷的(de)判據(ju)為

  式中(zhong)(zhong)(zhong)，GrL為(wei)液(ye)相溫度(du)(du)梯度(du)(du)；v為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)速(su)率；m為(wei)液(ye)相線(xian)斜率；CL為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)界(jie)面處液(ye)相中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)的質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)；DL為(wei)液(ye)相中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)的擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數(shu)；ko為(wei)溶(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配(pei)(pei)系數(shu)。在(zai)不考慮壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)(hua)(hua)冷卻(que)（即GrL保持(chi)恒定）情況下(xia)(xia)，壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)可(ke)通過(guo)(guo)改(gai)變(bian)(bian)液(ye)相線(xian)斜率、擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數(shu)和(he)(he)(he)溶(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配(pei)(pei)系數(shu)等(deng)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)參數(shu)，改(gai)變(bian)(bian)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)形(xing)貌甚至(zhi)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的組(zu)成。Zhang等(deng)對比了高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)(ya)和(he)(he)(he)6GPa下(xia)(xia)的凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)。發(fa)現(xian)高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)的凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)包含細小等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)柱狀晶(jing)(jing)(jing)，與常(chang)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)的凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)截然(ran)不同（圖2-107).晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺寸(cun)(cun)統計結果表(biao)明，高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)的晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺寸(cun)(cun)為(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)為(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)細化(hua)(hua)(hua)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)可(ke)達21倍之(zhi)多(duo)，主要歸因于(yu)(yu)增(zeng)加凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)降(jiang)低了液(ye)相中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數(shu)以及(ji)增(zeng)大(da)(da)了擴(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能，進而(er)增(zeng)大(da)(da)了液(ye)相成分(fen)過(guo)(guo)冷度(du)(du)，在(zai)抑制枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)生(sheng)(sheng)長的同時(shi)增(zeng)大(da)(da)了形(xing)核(he)率［129,153],從(cong)而(er)使得高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)逐步向(xiang)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)織(zhi)轉變(bian)(bian)，且細化(hua)(hua)(hua)十分(fen)顯著。Kashchiev和(he)(he)(he)Vasudevan等(deng)的研究(jiu)表(biao)明。在(zai)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，當固(gu)(gu)相摩爾體(ti)積小于(yu)(yu)液(ye)相摩爾體(ti)積時(shi)，加壓(ya)(ya)(ya)有助于(yu)(yu)提(ti)高(gao)(gao)形(xing)核(he)率，起到細化(hua)(hua)(hua)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的作用(yong)，大(da)(da)多(duo)數(shu)金屬合金屬于(yu)(yu)此類；反之(zhi)，加壓(ya)(ya)(ya)將抑制晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的形(xing)核(he)，如水凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)成冰。此外，壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)還能夠抑制枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)梯度(du)(du)方(fang)向(xiang)的生(sheng)(sheng)長,從(cong)而(er)導致(zhi)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)織(zhi)和(he)(he)(he)微觀偏析呈現(xian)方(fang)向(xiang)性。

  為了準確(que)地(di)論(lun)述(shu)壓力對凝固組(zu)織(zhi)的影響規律，本(ben)節將(jiang)以(yi)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼和(he)M42工具鋼加(jia)壓凝固組(zu)織(zhi)為例(li)，詳細分析壓力對枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)、析出(chu)相等的影響。

 1. 柱狀晶向等軸晶轉(zhuan)變（CET)

   鑄錠(ding)的(de)(de)宏觀組織(zhi)主要由(you)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)形(xing)(xing)(xing)貌、尺寸以(yi)及(ji)取向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)布等(deng)(deng)(deng)構成(cheng)(cheng)，在(zai)(zai)合金成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)一定的(de)(de)情況下，它主要取決于(yu)鋼液在(zai)(zai)凝(ning)固過程中的(de)(de)冷(leng)(leng)卻條件（包括澆注溫(wen)度(du)和(he)鑄型的(de)(de)冷(leng)(leng)卻效果等(deng)(deng)(deng)。鑄錠(ding)的(de)(de)典型宏觀組織(zhi)可分(fen)(fen)為(wei)三個區(qu)(qu)(qu)：表(biao)(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)、柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)以(yi)及(ji)中心(xin)(xin)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。表(biao)(biao)層的(de)(de)細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)是由(you)于(yu)鋼液在(zai)(zai)鑄型的(de)(de)激(ji)冷(leng)(leng)作用下，具有較大的(de)(de)過冷(leng)(leng)度(du)，進(jin)而(er)在(zai)(zai)鑄型壁面以(yi)異質形(xing)(xing)(xing)核(he)的(de)(de)方(fang)式(shi)大量(liang)形(xing)(xing)(xing)核(he)并長(chang)大，最后形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)細小(xiao)的(de)(de)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，即(ji)表(biao)(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。隨著凝(ning)固的(de)(de)進(jin)行，表(biao)(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)逐步形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)金屬外殼，使得(de)傳熱具備單(dan)向(xiang)(xiang)(xiang)性，有助(zhu)于(yu)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)沿(yan)傳熱方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)生(sheng)長(chang)，呈(cheng)現出方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)性，從(cong)而(er)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，也導(dao)致了(le)表(biao)(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域窄(zhai)小(xiao)，厚度(du)通常為(wei)幾毫米。在(zai)(zai)后續的(de)(de)凝(ning)固過程中，伴隨著凝(ning)固潛熱的(de)(de)釋放，凝(ning)固前(qian)沿(yan)溫(wen)度(du)梯度(du)減小(xiao)，傳熱的(de)(de)單(dan)向(xiang)(xiang)(xiang)性減弱，成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過冷(leng)(leng)度(du)增大，進(jin)而(er)使得(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)生(sheng)長(chang)的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)性減弱，抑(yi)制了(le)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)生(sheng)長(chang)，同時也促進(jin)了(le)鑄錠(ding)心(xin)(xin)部異質形(xing)(xing)(xing)核(he)的(de)(de)發生(sheng)，從(cong)而(er)有助(zhu)于(yu)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)轉變，最終形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)中心(xin)(xin)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。

   因(yin)此(ci)(ci)(ci)，鑄(zhu)錠有(you)兩(liang)類枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)，即等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通(tong)常采用枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距和(he)CET位(wei)置(zhi)對其進行表征。圖2-108(a)給出了(le)凝固壓(ya)力(li)分(fen)(fen)別(bie)(bie)為0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa的(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠縱剖面上的(de)(de)(de)宏觀(guan)(guan)組(zu)(zu)織(zhi)；CET位(wei)置(zhi)到(dao)鑄(zhu)錠邊(bian)部距離的(de)(de)(de)統計平均值(zhi)(zhi)分(fen)(fen)別(bie)(bie)為19.8mm、22.1mm和(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)量可達7.6mm,如圖2-108(b)所示(shi)。統計結果表明，隨著(zhu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，CET 位(wei)置(zhi)逐漸由(you)邊(bian)部向(xiang)心部移動，柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)區(qu)(qu)域增(zeng)(zeng)大(da)，中(zhong)(zhong)(zhong)心等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)區(qu)(qu)域減小。根據(ju)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉變(bian)的(de)(de)(de)阻擋判(pan)據(ju)可知［156],當柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)積(ji)分(fen)(fen)數大(da)于(yu)臨界值(zhi)(zhi)時，柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端生長(chang)受(shou)到(dao)抑制而(er)停止，此(ci)(ci)(ci)時發(fa)生柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)向(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)心等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)轉變(bian)。因(yin)此(ci)(ci)(ci)，CET轉變(bian)很大(da)程(cheng)度上取決于(yu)中(zhong)(zhong)(zhong)心等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)形(xing)核和(he)長(chang)大(da)。由(you)于(yu)壓(ya)力(li)強化冷(leng)卻效果十分(fen)(fen)明顯，增(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)加(jia)快了(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)冷(leng)卻，增(zeng)(zeng)大(da)了(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)溫(wen)度梯度，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前沿的(de)(de)(de)成分(fen)(fen)過冷(leng)度，此(ci)(ci)(ci)時，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端的(de)(de)(de)形(xing)核和(he)長(chang)大(da)就(jiu)會受(shou)到(dao)嚴重阻礙和(he)抑制;反之(zhi)，降(jiang)低(di)壓(ya)力(li)，有(you)助(zhu)于(yu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處的(de)(de)(de)形(xing)核和(he)長(chang)大(da)，從(cong)而(er)提(ti)前并加(jia)快了(le)CET.因(yin)此(ci)(ci)(ci)，當壓(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)1.2MPa時，壓(ya)力(li)通(tong)過強化冷(leng)卻擴大(da)了(le)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)，促使(shi)CET轉變(bian)位(wei)置(zhi)在(zai)徑向(xiang)上逐漸由(you)邊(bian)部向(xiang)心部移動。此(ci)(ci)(ci)外，在(zai)0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠縱剖面的(de)(de)(de)宏觀(guan)(guan)組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)均存在(zai)較(jiao)窄的(de)(de)(de)表層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。

為了(le)進(jin)一步研究壓力對(dui)CET的(de)(de)影響規律，在(zai)不考慮壓力強化(hua)冷卻效果的(de)(de)前提下，對(dui)枝晶尖(jian)端生長(chang)速(su)率(lv)v.隨壓力的(de)(de)變(bian)化(hua)規律進(jin)行(xing)理論計算，可采用KGT模型，,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。

   綜上所述，凝(ning)固(gu)壓(ya)力的增(zeng)加會對枝晶(jing)尖端生長(chang)速率產(chan)生重要(yao)影響，且壓(ya)力的增(zeng)量越(yue)大，影響越(yue)明顯(xian)。結(jie)合實驗和KGT模型理論計算可知，低(di)壓(ya)下，當凝(ning)固(gu)壓(ya)力從0.5MPa 增(zeng)加至1.2MPa時，壓(ya)力主要(yao)通(tong)過強化冷卻(que)的方式，使得鑄錠CET位置逐漸由(you)邊部向(xiang)心部移動。

 2. 枝(zhi)晶(jing)間距

  相(xiang)鄰同(tong)次枝(zhi)晶臂之間(jian)(jian)的垂直距(ju)(ju)(ju)離稱為(wei)枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)，枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)的大小表征了枝(zhi)晶組織細(xi)化程度，枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)越(yue)小，枝(zhi)晶組織越(yue)細(xi)密［162],通常考慮的枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)有一次枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)入1和二次枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)λ2.一次枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)與凝固速率v和溫度梯度Gr的關系為(wei)

  由式（2-191)可知(zhi)，合金體系一定時(shi)，分(fen)析局部(bu)區(qu)域(yu)(yu)冷卻速率v.和溫(wen)度(du)梯度(du)Gr隨壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)變化趨勢，有(you)助于闡(chan)明壓(ya)力(li)對一次枝晶(jing)(jing)(jing)間距λ1的(de)(de)(de)影響規律。因局部(bu)區(qu)域(yu)(yu)冷卻速率vc和溫(wen)度(du)梯度(du)Gr的(de)(de)(de)測(ce)量難度(du)較大，可用(yong)(yong)模擬計算的(de)(de)(de)方式獲得。在不(bu)同凝固壓(ya)力(li)下的(de)(de)(de)組織(zhi)模擬過程中，不(bu)考慮疏(shu)松(song)縮孔對晶(jing)(jing)(jing)區(qu)分(fen)布的(de)(de)(de)影響，模擬結果如圖(tu)2-110所示。為了更準確地找到(dao)CET位置，使用(yong)(yong)平(ping)均縱橫比（晶(jing)(jing)(jing)粒(li)最短邊與最長邊的(de)(de)(de)比率）來區(qu)分(fen)柱狀晶(jing)(jing)(jing)和等軸晶(jing)(jing)(jing)：當晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)縱橫比大于0.4時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)為等軸晶(jing)(jing)(jing)；當晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)縱橫比小于0.4時(shi)，則為柱狀晶(jing)(jing)(jing)。根據阻(zu)擋判據，等軸晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數的(de)(de)(de)臨界值設定為0.49，以(yi)此作為依據，19Cr14Mn0.9N含氮鋼在0.5MPa、0.85MPa 和1.2MPa 壓(ya)力(li)下，CET 位置在徑(jing)向上(shang)離鑄錠邊部(bu)的(de)(de)(de)平(ping)均距離分(fen)別為18.1mm、19.8mm和25.3mm.

  19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄錠底部(bu)(bu)溫(wen)度梯度 Gr和(he)(he)冷(leng)卻(que)速(su)率v.隨(sui)壓力(li)(li)(li)的變化(hua)規律(lv)，如圖2-111所示(shi)。在(zai)某(mou)一(yi)壓力(li)(li)(li)條件下，vc和(he)(he)Gr沿徑向由(you)鑄錠邊(bian)部(bu)(bu)到(dao)(dao)心(xin)部(bu)(bu)均呈現逐(zhu)漸減(jian)小的趨勢(shi)，結合式（2-190)可(ke)知，一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距入(ru)(ru)1與v.和(he)(he)Gr成反(fan)比(bi)，因而1沿徑向由(you)邊(bian)部(bu)(bu)到(dao)(dao)心(xin)部(bu)(bu)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)(da)(da)。當壓力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時，在(zai)壓力(li)(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻(que)的作用下，鑄錠內各單元(yuan)體的vc和(he)(he)Gr隨(sui)之增(zeng)大(da)(da)(da)，且對(dui)鑄錠邊(bian)緣處的單元(yuan)體影(ying)響(xiang)最大(da)(da)(da)，在(zai)沿徑向向心(xin)部(bu)(bu)移動的過程中，壓力(li)(li)(li)對(dui)vc和(he)(he)Gr的影(ying)響(xiang)逐(zhu)步(bu)減(jian)弱(ruo)。結合式（2-190)可(ke)知，一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距入(ru)(ru)1隨(sui)著vc和(he)(he)Gr的增(zeng)大(da)(da)(da)呈冪函(han)數減(jian)小。因此(ci)，隨(sui)著壓力(li)(li)(li)增(zeng)加，一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距入(ru)(ru)1減(jian)小，且越靠近鑄錠邊(bian)部(bu)(bu)，入(ru)(ru)減(jian)小趨勢(shi)越明顯，即壓力(li)(li)(li)對(dui)柱狀晶(jing)(jing)一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距的影(ying)響(xiang)大(da)(da)(da)于中心(xin)等軸晶(jing)(jing)區(qu)。

  由邊部到心(xin)部逐(zhu)漸增大，結合式（2-192)可(ke)知，鑄錠心(xin)部的二(er)次枝(zhi)晶(jing)間距入(ru)2大于邊部；壓力(li)從0.5MPa增加(jia)至(zhi)1.2MPa時，LST明(ming)顯減(jian)小，二(er)次枝(zhi)晶(jing)間距入(ru)2也隨之減(jian)小。

  圖2-112 不同(tong)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)距(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)鑄錠底(di)部(bu)130mm處LST計算(suan)值(zhi)由于(yu)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)(ci)(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂(bei)彼此(ci)相交且沿徑向(xiang)以幾乎相同(tong)的(de)(de)速率向(xiang)四周生長，同(tong)時(shi)不同(tong)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)不存在(zai)(zai)任何(he)確定(ding)的(de)(de)位向(xiang)關系，難以通過(guo)實(shi)驗(yan)對(dui)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)(ci)(ci)(ci)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)進行測量，因(yin)此(ci)只對(dui)CET前柱狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次(ci)(ci)(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)進行測量。圖2-113給(gei)出了距(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)鑄錠底(di)部(bu)115mm的(de)(de)高度處一(yi)次(ci)(ci)(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)入1和(he)二(er)次(ci)(ci)(ci)(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)x2的(de)(de)變化規律(lv)，在(zai)(zai)某一(yi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)，沿徑向(xiang)由鑄錠邊部(bu)向(xiang)心部(bu)移動的(de)(de)過(guo)程中，1和(he)x2逐漸增大；當壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)從(cong)0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時(shi)，1和(he)入2均呈減小的(de)(de)趨(qu)勢。基于(yu)埋(mai)設熱(re)電偶的(de)(de)測溫(wen)結果和(he)式（2-195)可得，2nd和(he)4h測溫(wen)位置處局(ju)部(bu)凝固時(shi)間(jian)(jian)(jian)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增加(jia)而(er)縮短，如(ru)圖2-113(a)所示，從(cong)而(er)導致(zhi)x2的(de)(de)減小。對(dui)比可知，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)（λ和(he)ん）和(he)局(ju)部(bu)凝固時(shi)間(jian)(jian)(jian)沿徑向(xiang)和(he)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)變化趨(qu)勢的(de)(de)實(shi)驗(yan)與模擬(ni)結果一(yi)致(zhi)。

  綜(zong)上所述(shu)，增(zeng)加(jia)壓力(li)能夠(gou)明顯減(jian)小枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間距（x1和x2),縮短(duan)局(ju)部凝固(gu)時間，細(xi)化凝固(gu)組織(zhi)。鑄錠邊部和心部試樣的(de)(de)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)形(xing)貌如圖(tu)2-114所示，進一步(bu)佐證了(le)增(zeng)加(jia)壓力(li)具有明顯細(xi)化枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組織(zhi)的(de)(de)作用(yong)，且對柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)影(ying)響大(da)于中心等軸晶(jing)(jing)(jing)。

3. 晶粒數

  鑄錠(ding)內晶粒(li)(li)數與晶粒(li)(li)臨界形核半徑(jing)和形核率有直接的(de)關系，晶粒(li)(li)臨界形核半徑(jing)為：

  其中，Nm為與液相線溫度、凝固(gu)潛熱、擴散激(ji)活能以及表面張力(li)(li)有關的(de)系數(shu)(shu)。圖2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄(zhu)錠等軸(zhou)晶(jing)區(qu)內晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)隨(sui)壓力(li)(li)的(de)變化(hua)規律。壓力(li)(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加到(dao)1.2MPa時，中心等軸(zhou)晶(jing)區(qu)的(de)寬度逐漸減小，最(zui)小值為56mm.19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠180mm(高）x56mm(寬）等軸(zhou)晶(jing)區(qu)內晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)隨(sui)壓力(li)(li)的(de)變化(hua)規律如(ru)圖2-115所示。當凝固(gu)壓力(li)(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加到(dao)0.85MPa時，晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)目(mu)(mu)從(cong)9166增(zeng)(zeng)加到(dao)9551;當凝固(gu)壓力(li)(li)進一步增(zeng)(zeng)加到(dao)1.2MPa時，晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)目(mu)(mu)增(zeng)(zeng)加到(dao)10128.因(yin)此，提高凝固(gu)壓力(li)(li)，鑄(zhu)錠等軸(zhou)晶(jing)區(qu)內晶(jing)粒(li)數(shu)(shu)明顯增(zeng)(zeng)大。

  在(zai)低壓(ya)下，如壓(ya)力從0.5MPa增(zeng)至1.2MPa時，液(ye)相(xiang)線溫(wen)度(du)(du)(du)、凝固潛熱、擴散(san)激活能以(yi)及表(biao)面張力的(de)變量(liang)非常小(xiao)(xiao)，幾乎可(ke)(ke)以(yi)忽略，這(zhe)樣可(ke)(ke)以(yi)假設Nm在(zai)0.5MPa、晶(jing)粒(li)(li)數(shu)0.85MPa和1.2MPa下相(xiang)等，近(jin)似為(wei)常數(shu)。提(ti)高壓(ya)力能夠(gou)明顯(xian)地增(zeng)大(da)鑄錠的(de)溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)越(yue)(yue)大(da)，單位時間內(nei)(nei)(nei)從糊(hu)狀區(qu)內(nei)(nei)(nei)導出結晶(jing)潛熱的(de)量(liang)越(yue)(yue)大(da)，進而(er)提(ti)高了糊(hu)狀區(qu)內(nei)(nei)(nei)過(guo)冷度(du)(du)(du)；反之亦然，這(zhe)意味著糊(hu)狀區(qu)過(guo)冷度(du)(du)(du)與(yu)溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)隨(sui)壓(ya)力的(de)變化趨(qu)勢相(xiang)同，即(ji)隨(sui)著壓(ya)力的(de)提(ti)高而(er)增(zeng)大(da)。結合式(shi)(shi)（2-193)和式(shi)(shi)（2-197)可(ke)(ke)知，隨(sui)著糊(hu)狀區(qu)內(nei)(nei)(nei)過(guo)冷度(du)(du)(du)ΔT的(de)增(zeng)加，晶(jing)粒(li)(li)臨(lin)界形(xing)核半(ban)徑rk減小(xiao)(xiao)，形(xing)核率(lv)Na增(zeng)大(da)，有(you)助于提(ti)高鑄錠內(nei)(nei)(nei)晶(jing)粒(li)(li)數(shu)。因此，增(zeng)加壓(ya)力有(you)利于增(zeng)加晶(jing)粒(li)(li)數(shu)。

  距離(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)底部(bu)(bu)130mm的(de)(de)(de)高度(du)(du)(du)(du)(du)處，晶(jing)(jing)粒數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)規律(lv)如圖2-116所示。在(zai)某一凝固壓(ya)(ya)力下，鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒數(shu)目最大(da)(da)，隨(sui)著(zhu)(zhu)離(li)鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)距離(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，由于(yu)(yu)(yu)(yu)糊狀區(qu)內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)減(jian)小，晶(jing)(jing)粒數(shu)也隨(sui)之減(jian)少。隨(sui)著(zhu)(zhu)壓(ya)(ya)力提高，晶(jing)(jing)粒數(shu)均(jun)呈增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨勢(shi)(shi)，且柱狀晶(jing)(jing)區(qu)內(nei)軸向切片上晶(jing)(jing)粒數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)中(zhong)心等(deng)軸晶(jing)(jing)區(qu)。因為在(zai)壓(ya)(ya)力強化(hua)(hua)冷(leng)卻(que)的(de)(de)(de)作用下，整個鑄錠(ding)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)均(jun)有增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨勢(shi)(shi)，導致(zhi)糊狀區(qu)內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)。同時，由于(yu)(yu)(yu)(yu)距離(li)鑄錠(ding)和鑄型換熱(re)界(jie)面越近，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)受(shou)界(jie)面換熱(re)的(de)(de)(de)影響越大(da)(da)，鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)壓(ya)(ya)力變化(hua)(hua)趨勢(shi)(shi)越明(ming)(ming)顯(xian)，進(jin)而(er)(er)增(zeng)(zeng)加(jia)凝固壓(ya)(ya)力，鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)心部(bu)(bu)，從(cong)而(er)(er)導致(zhi)離(li)鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)較近的(de)(de)(de)柱狀晶(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)粒數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)中(zhong)心等(deng)軸晶(jing)(jing)區(qu)。

二(er)、疏松縮孔

  鑄(zhu)錠(ding)產(chan)生(sheng)(sheng)疏(shu)(shu)松縮(suo)(suo)孔(kong)的基本原因是鑄(zhu)錠(ding)從澆注溫(wen)(wen)度(du)(du)冷(leng)(leng)卻(que)(que)至(zhi)(zhi)固(gu)相線(xian)溫(wen)(wen)度(du)(du)時產(chan)生(sheng)(sheng)的體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)（液(ye)態收(shou)縮(suo)(suo)和(he)(he)凝固(gu)收(shou)縮(suo)(suo)之和(he)(he)）大于(yu)固(gu)態收(shou)縮(suo)(suo)。當鋼液(ye)從澆注溫(wen)(wen)度(du)(du)冷(leng)(leng)卻(que)(que)至(zhi)(zhi)液(ye)相線(xian)溫(wen)(wen)度(du)(du)時所產(chan)生(sheng)(sheng)的體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)為(wei)(wei)液(ye)態收(shou)縮(suo)(suo)，鋼液(ye)進(jin)一步(bu)從液(ye)相線(xian)溫(wen)(wen)度(du)(du)冷(leng)(leng)卻(que)(que)至(zhi)(zhi)固(gu)相線(xian)溫(wen)(wen)度(du)(du)時（即發生(sheng)(sheng)凝固(gu)相變時）所產(chan)生(sheng)(sheng)的體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)為(wei)(wei)凝固(gu)收(shou)縮(suo)(suo)［87],固(gu)態收(shou)縮(suo)(suo)是指(zhi)固(gu)相在冷(leng)(leng)卻(que)(que)過程中所產(chan)生(sheng)(sheng)的體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)。疏(shu)(shu)松縮(suo)(suo)孔(kong)的出現嚴重(zhong)降低(di)了鑄(zhu)錠(ding)的力(li)學(xue)和(he)(he)耐(nai)腐蝕性(xing)能以(yi)及成材率，是鑄(zhu)錠(ding)的嚴重(zhong)缺陷之一。

 在凝(ning)固(gu)過程中鑄錠內(nei)出現體(ti)積(ji)(ji)小而(er)彌散的(de)(de)空洞為(wei)疏松，體(ti)積(ji)(ji)大且集(ji)中的(de)(de)為(wei)縮(suo)(suo)孔。疏松由在糊(hu)狀區內(nei)液(ye)(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)(ji)分數降到(dao)一定程度時(shi)，液(ye)(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)困難，液(ye)(ye)態收縮(suo)(suo)與凝(ning)固(gu)收縮(suo)(suo)之和超過固(gu)態收縮(suo)(suo)的(de)(de)那部分收縮(suo)(suo)量(liang)無法得到(dao)補縮(suo)(suo)所導致，因而(er)疏松的(de)(de)形(xing)成與枝晶(jing)(jing)間液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)流(liu)動(dong)(dong)有密切關聯［72,87].在糊(hu)狀區內(nei)，體(ti)收縮(suo)(suo)主要由凝(ning)固(gu)收縮(suo)(suo)組成，且為(wei)枝晶(jing)(jing)間液(ye)(ye)體(ti)流(liu)動(dong)(dong)的(de)(de)主要驅(qu)動(dong)(dong)力，因而(er)枝晶(jing)(jing)間液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)流(liu)速u可表示為(wei)

  式中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為鋼液靜壓力，Pf=pgh;Ps為凝固(gu)(gu)壓力）。結合式（2-202)可知，增加(jia)凝固(gu)(gu)壓力，Px增大，強化(hua)了(le)枝晶(jing)間(jian)液相的補(bu)縮能力，進而(er)有助于(yu)避免(mian)疏松(song)的形成［91].此外(wai)，糊(hu)狀區越(yue)寬，枝晶(jing)網(wang)狀結構越(yue)復雜(za)，枝晶(jing)間(jian)補(bu)縮的距(ju)離越(yue)長阻力越(yue)大，滲透率K越(yue)小，疏松(song)越(yue)容易形成。因此，疏松(song)易于(yu)在糊(hu)狀區較寬的鑄(zhu)錠(ding)(ding)以(yi)體積(ji)凝固(gu)(gu)或同時凝固(gu)(gu)方式凝固(gu)(gu)時形成。相比之下，縮孔(kong)傾向于(yu)在糊(hu)狀區較窄的鑄(zhu)錠(ding)(ding)以(yi)逐層凝固(gu)(gu)方式的凝固(gu)(gu)過程中出現(xian)。

  不同凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠縱剖面上疏(shu)松(song)(song)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)分(fen)布(bu)情(qing)況(kuang)如圖2-117所(suo)示(shi)。隨(sui)著(zhu)(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)，疏(shu)松(song)(song)和(he)(he)(he)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)總(zong)面積(ji)大(da)幅(fu)度(du)(du)(du)減小(xiao)，且疏(shu)松(song)(song)逐漸消(xiao)(xiao)失。由于(yu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)具有顯著(zhu)(zhu)的(de)(de)強(qiang)化(hua)冷卻(que)效果，增(zeng)大(da)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)，強(qiang)化(hua)了(le)鑄錠和(he)(he)(he)鑄型間的(de)(de)界面換熱，加(jia)快了(le)鑄錠的(de)(de)冷卻(que)速(su)率，從而(er)增(zeng)大(da)了(le)鑄錠溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)Gr;在合金體(ti)系一定(ding)的(de)(de)情(qing)況(kuang)下，糊狀區隨(sui)之確定(ding)，那么糊狀區的(de)(de)寬度(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)Gr的(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)減小(xiao)171],進而(er)導致枝晶(jing)網(wang)狀結構的(de)(de)形成(cheng)受到抑制。凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)方式逐漸由體(ti)積(ji)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)向逐層凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過渡，增(zeng)大(da)了(le)滲(shen)透率K,從而(er)降低(di)和(he)(he)(he)縮(suo)(suo)短枝晶(jing)間補(bu)縮(suo)(suo)時液(ye)相流(liu)動的(de)(de)阻力(li)(li)和(he)(he)(he)距(ju)離(li)。此外，基于(yu)以上理論分(fen)析并結合判據式（2-202)可(ke)知，增(zeng)加(jia)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)等效于(yu)增(zeng)大(da)了(le)Px,使其遠大(da)于(yu)枝晶(jing)間液(ye)相補(bu)縮(suo)(suo)時所(suo)需壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)。因此，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)有利于(yu)枝晶(jing)間液(ye)相的(de)(de)補(bu)縮(suo)(suo)行為，且有助于(yu)大(da)幅(fu)度(du)(du)(du)減小(xiao)或消(xiao)(xiao)除(chu)疏(shu)松(song)(song)缺陷。

三、凝固析(xi)出相

  根據相(xiang)(xiang)(xiang)所含非金屬元(yuan)素的種(zhong)類(lei)，可將凝固(gu)析出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)為(wei)氮化(hua)(hua)物(wu)(wu)、碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)等(deng)，與(yu)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)比，氮化(hua)(hua)物(wu)(wu)尺寸一(yi)般較(jiao)小，為(wei)了更加(jia)清楚(chu)直觀地論述增加(jia)壓(ya)力對凝固(gu)析出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)的影響，本節將著重以高(gao)速鋼M42中(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)為(wei)例，闡述壓(ya)力對凝固(gu)析出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)的類(lei)型(xing)、形貌、成(cheng)分(fen)等(deng)影響規律。

  高(gao)速(su)鋼碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)數量繁多、種(zhong)(zhong)(zhong)類(lei)(lei)(lei)各(ge)異(yi)。不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)特性不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)、成(cheng)分(fen)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)、形貌(mao)也各(ge)有(you)差異(yi)；按照碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形貌(mao)特征及生成(cheng)機制的(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)，可將高(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)為(wei)一次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)和二(er)次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)兩大部(bu)分(fen)。一次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)又稱為(wei)“初生碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)”，即在凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)直(zhi)接從(cong)液(ye)相中(zhong)(zhong)(zhong)析出的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)種(zhong)(zhong)(zhong)先共(gong)晶和共(gong)晶碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，有(you)M6C、M2C、MC等不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)類(lei)(lei)(lei)型。一次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)尺(chi)寸比較大，屬于微米級別，在后續熱加工和熱處理(li)工藝中(zhong)(zhong)(zhong)將被(bei)破碎或分(fen)解成(cheng)尺(chi)寸較小的(de)(de)(de)顆粒狀(zhuang)存在于鋼中(zhong)(zhong)(zhong)。二(er)次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是指在凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)或熱處理(li)時從(cong)固相基(ji)體(ti)（高(gao)溫鐵素體(ti)、奧氏體(ti)、馬氏體(ti)等）中(zhong)(zhong)(zhong)析出的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，分(fen)為(wei)M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)類(lei)(lei)(lei)型。高(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)成(cheng)分(fen)波動范(fan)圍較大，不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)鋼種(zhong)(zhong)(zhong)、不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)條件產生的(de)(de)(de)同(tong)(tong)(tong)一類(lei)(lei)(lei)型的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)也會有(you)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)，甚(shen)至同(tong)(tong)(tong)一粒碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)部(bu)位(wei)，也會有(you)成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)差異(yi)。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形貌(mao)、成(cheng)分(fen)及分(fen)布(bu)見(jian)表(biao)2-14.

  M2C具有(you)密(mi)排六方晶(jing)體(ti)結構(gou)［172-175,179],其主要(yao)形成(cheng)元(yuan)素通(tong)常是(shi)鉬(mu)、釩(fan)和鎢(wu)，鉻及鐵的(de)含量則較(jiao)少。M2C 共晶(jing)碳化(hua)物一般以亞穩態存(cun)在于鋼中(zhong)。尺寸較(jiao)小、片層較(jiao)薄(bo)且(qie)沒有(you)中(zhong)間脊骨，在高溫時易發生(sheng)分解反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解成(cheng)尺寸較(jiao)小的(de)顆粒狀M6C和MC。此(ci)外，與M6C相反，鋼液凝固時的(de)冷(leng)卻(que)速率(lv)越快，越有(you)利于M2C的(de)形成(cheng)。因此(ci)，提(ti)高鑄錠凝固時的(de)冷(leng)卻(que)速率(lv)有(you)利于促進M2C的(de)形成(cheng)并細化(hua)M2C,同時可(ke)抑制較(jiao)大尺寸M6Cl。

  M6C具有(you)復雜立方晶(jing)體(ti)結(jie)構，其結(jie)構中除碳原子(zi)(zi)以外，鐵、鎢原子(zi)(zi)約各占一半(ban)。M6C屬(shu)于穩(wen)定型碳化(hua)物，其形態為粗大的(de)骨骼狀。鋼液凝(ning)固(gu)時冷卻速率越慢，M6C碳化(hua)物越易(yi)于形成和長大。因此，M6C在(zai)高速鋼的(de)心部(bu)往往含量較高，而邊部(bu)較少或沒有(you)。加(jia)快鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固(gu)時的(de)冷卻速率有(you)利(li)于細化(hua)M6C,提(ti)高鑄(zhu)錠(ding)性能。

  MC具有面心立方(fang)(fang)結構(gou)(gou)，化(hua)(hua)(hua)學(xue)式為MC或者(zhe)M4C3,其(qi)成分(fen)以釩為主。鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)、釩含(han)(han)量(liang)的增大可(ke)使(shi)MC增多，尺寸變大。高(gao)速(su)鋼中(zhong)還有M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)。M23C6晶(jing)體結構(gou)(gou)為復(fu)(fu)雜(za)面心立方(fang)(fang)結構(gou)(gou)，具有一定(ding)量(liang)的鎢、鉬，釩含(han)(han)量(liang)極(ji)少，含(han)(han)有大量(liang)的鉻、鐵元素；與M2C相同，M3C也(ye)是亞穩態(tai)相。M7C3為復(fu)(fu)雜(za)六方(fang)(fang)晶(jing)體結構(gou)(gou)，含(han)(han)有較(jiao)多的鉻、鐵，主要存在(zai)于碳(tan)(tan)(tan)(tan)含(han)(han)量(liang)較(jiao)高(gao)的鋼中(zhong)。高(gao)速(su)鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)具有兩(liang)個(ge)重要的特(te)(te)性(xing)：硬度(du)和(he)熱(re)穩定(ding)性(xing)（加熱(re)時(shi)溶(rong)解、聚集長大的難度(du)）。這(zhe)些特(te)(te)性(xing)反映(ying)了碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)和(he)金屬原子結合鍵的強(qiang)弱，與原子結構(gou)(gou)和(he)尺寸有關(guan)。碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的晶(jing)格(ge)結構(gou)(gou)與碳(tan)(tan)(tan)(tan)原子半徑rc、金屬原子半徑rx有關(guan)，如(ru)表2-15所(suo)示，rd/rx值越(yue)大，則越(yue)易形(xing)成結構(gou)(gou)復(fu)(fu)雜(za)的碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)小(xiao)則易形(xing)成結構(gou)(gou)簡單密堆型碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)（MC等(deng)）。表中(zhong)熔(rong)點可(ke)作為碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)熱(re)穩定(ding)性(xing)的衡量(liang)指標，可(ke)見碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)中(zhong)原子尺寸越(yue)接(jie)近，則碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)穩定(ding)性(xing)越(yue)高(gao)。

 1. 壓力對(dui)萊氏體的影響(xiang)

  凝固末期，由于偏析導致(zhi)合金(jin)元素在枝(zhi)晶間殘(can)余液相內富集發(fa)生(sheng)共晶反應，從(cong)液相中直接生(sheng)成碳化物，它與奧氏(shi)(shi)體(ti)相間排列，構成萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織。因此高速(su)鋼(gang)的萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織往往存(cun)在于枝(zhi)晶間。圖2-118為(wei)M2高速(su)鋼(gang)的低倍鑄(zhu)態組(zu)(zu)織，可(ke)見一般情況下，相鄰晶粒(li)之間的萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織較(jiao)(jiao)為(wei)細小(xiao)，數(shu)量較(jiao)(jiao)少，而多(duo)個晶粒(li)之間的萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)織尺寸(cun)較(jiao)(jiao)大，數(shu)量較(jiao)(jiao)多(duo)。

  高速鋼的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)組織(zhi)中含有多(duo)種類(lei)型的(de)碳化(hua)物，如(ru)M2C、M6C、MC等。M6C整體(ti)形貌(mao)類(lei)似魚(yu)骨(gu)，故又稱(cheng)為“魚(yu)骨(gu)狀碳化(hua)物”，如(ru)圖2-119所(suo)示；M2C成(cheng)片(pian)層狀，含有M2C的(de)共(gong)晶萊(lai)氏(shi)體(ti)具有“羽毛狀”、“扇狀”、“菊花狀”等形貌(mao)，如(ru)圖2-120所(suo)示；MC的(de)生長時(shi)間(jian)較(jiao)長，最終尺寸較(jiao)為粗大，往往以不規(gui)則的(de)條狀出現，如(ru)圖2-120所(suo)示。

  a. 碳化物種類及分布

   高(gao)(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)種類與成(cheng)分(fen)和(he)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)冷(leng)卻速(su)率(lv)密不可(ke)分(fen)。M42 高(gao)(gao)速(su)工(gong)具鋼(gang)作為高(gao)(gao)鉬低(di)鎢(wu)鋼(gang)，其凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)主(zhu)要為M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)；另外含(han)有(you)少部(bu)分(fen)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，主(zhu)要存在(zai)于(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)心(xin)部(bu)區域。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)(gao)速(su)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板(ban)金(jin)相組織。白色(se)斑點狀(zhuang)處的(de)(de)萊氏體組織中(zhong)的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)為具有(you)中(zhong)心(xin)脊骨(gu)，脊骨(gu)兩邊(bian)具有(you)平行分(fen)枝的(de)(de)魚骨(gu)狀(zhuang)M6C.M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺寸(cun)比(bi)M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)粗大(da)得多且結構上相互連(lian)接緊密，極不利于(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)后續碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)破碎(sui)，因(yin)此盡(jin)可(ke)能(neng)(neng)(neng)減少或避免(mian)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織中(zhong)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)產(chan)生(sheng)，有(you)助于(yu)(yu)提(ti)升(sheng)其力(li)(li)(li)學性能(neng)(neng)(neng)等。隨著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增大(da)，萊氏體（白色(se)斑點）所(suo)占1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板(ban)的(de)(de)面積(ji)比(bi)例逐漸減小，加壓(ya)(ya)(ya)有(you)助于(yu)(yu)抑(yi)制M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形成(cheng)與長大(da)，其主(zhu)要原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)在(zai)較低(di)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下，加壓(ya)(ya)(ya)對凝(ning)(ning)固(gu)(gu)熱(re)力(li)(li)(li)學和(he)動(dong)力(li)(li)(li)學參數(shu)的(de)(de)影(ying)響十分(fen)有(you)限(xian)，但強化(hua)(hua)(hua)(hua)冷(leng)卻效(xiao)果(guo)十分(fen)明同時凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)冷(leng)卻速(su)率(lv)越(yue)(yue)小，越(yue)(yue)有(you)利于(yu)(yu)魚骨(gu)狀(zhuang)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形成(cheng)，且M6C越(yue)(yue)粗大(da)。因(yin)而增加壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)主(zhu)要通過(guo)增大(da)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)鑄(zhu)(zhu)(zhu)型間界(jie)面換熱(re)系(xi)數(shu)，提(ti)高(gao)(gao)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)冷(leng)卻速(su)率(lv)從而細化(hua)(hua)(hua)(hua)并(bing)抑(yi)制M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形成(cheng)，且當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)增加到(dao)一定(ding)程(cheng)度(du)時，能(neng)(neng)(neng)夠完全(quan)抑(yi)制富含(han)M6C的(de)(de)萊氏體形成(cheng)，消(xiao)除其對組織和(he)性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)不良(liang)影(ying)響。

   圖2-121(b)所示萊(lai)氏(shi)體(ti)組織中(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)為(wei)長條狀(zhuang)或者短棒狀(zhuang)的M2C.凝固壓力(li)不同(tong)，M2C的尺寸、形(xing)貌(mao)以及分(fen)(fen)布的緊密程(cheng)度等均有所不同(tong)。在(zai)0.1MPa壓力(li)下，碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)分(fen)(fen)枝(zhi)較(jiao)(jiao)少、片層較(jiao)(jiao)長、尺寸較(jiao)(jiao)大(da)、間(jian)距較(jiao)(jiao)寬、共晶(jing)萊(lai)氏(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂的界面(mian)較(jiao)(jiao)平整；隨著壓力(li)的增加(jia)，條狀(zhuang)或片層狀(zhuang)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的間(jian)距逐漸(jian)減小，且開始(shi)斷開成大(da)量的短棒碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)，碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的分(fen)(fen)枝(zhi)也(ye)逐漸(jian)增多，并(bing)密集分(fen)(fen)布在(zai)枝(zhi)晶(jing)間(jian)，共晶(jing)萊(lai)氏(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂的界面(mian)也(ye)較(jiao)(jiao)為(wei)粗(cu)糙(cao)。此(ci)外，三個壓力(li)下的M2C幾乎(hu)沒有晶(jing)體(ti)缺陷，明壓力(li)很難對碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)晶(jing)格類型產生影(ying)響。

  b. 萊氏體尺寸

   萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組織(zhi)存在于枝晶間(jian)(jian)，與枝晶間(jian)(jian)距、形貌及(ji)分(fen)(fen)布(bu)密切相關，枝晶間(jian)(jian)距越小(xiao)(xiao)，枝晶間(jian)(jian)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體尺寸(cun)也相應(ying)地細小(xiao)(xiao)且(qie)均(jun)(jun)勻(yun)分(fen)(fen)布(bu)。圖2-124和(he)圖2-125給(gei)出了不同壓(ya)力(li)條件下M42鑄錠邊(bian)部(bu)和(he)心(xin)部(bu)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體形貌和(he)尺寸(cun)分(fen)(fen)布(bu)，無論是(shi)鑄錠的(de)(de)邊(bian)部(bu)還(huan)是(shi)心(xin)部(bu)，尺寸(cun)不一的(de)(de)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組織(zhi)（黑色）均(jun)(jun)分(fen)(fen)布(bu)在枝晶間(jian)(jian)。在同一凝固壓(ya)力(li)條件下，鑄錠邊(bian)部(bu)的(de)(de)枝晶間(jian)(jian)距明(ming)顯(xian)小(xiao)(xiao)于心(xin)部(bu)，因而心(xin)部(bu)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體要比邊(bian)部(bu)粗(cu)大。

   隨著壓(ya)(ya)力(li)(li)的增大(da)(da)，在(zai)(zai)壓(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)(hua)冷卻(que)的作用(yong)下，冷卻(que)速(su)率增大(da)(da)，鑄錠局部凝(ning)固時間縮短，使得(de)枝(zhi)(zhi)晶組織(zhi)(zhi)得(de)到了明顯(xian)細化(hua)(hua)且尺(chi)寸(cun)(cun)分布(bu)(bu)更(geng)均(jun)(jun)勻，進(jin)而導致(zhi)分布(bu)(bu)在(zai)(zai)枝(zhi)(zhi)晶間的萊氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)也隨之細化(hua)(hua)，厚度大(da)(da)大(da)(da)減小且分布(bu)(bu)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)均(jun)(jun)勻。在(zai)(zai)0.1MPa 壓(ya)(ya)力(li)(li)下，無(wu)論(lun)在(zai)(zai)邊部還是心部位置，鑄錠的萊氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)均(jun)(jun)較為粗大(da)(da)，且尺(chi)寸(cun)(cun)分布(bu)(bu)極不均(jun)(jun)勻，部分局部區域存在(zai)(zai)著大(da)(da)量的黑色萊氏(shi)體(ti)(ti)，尤(you)其(qi)在(zai)(zai)多個枝(zhi)(zhi)晶臂交匯處，且尺(chi)寸(cun)(cun)異常粗大(da)(da)。當(dang)壓(ya)(ya)力(li)(li)增加(jia)(jia)(jia)(jia)至(zhi)(zhi)1MPa時，粗大(da)(da)萊氏(shi)體(ti)(ti)得(de)到明顯(xian)細化(hua)(hua)，且尺(chi)寸(cun)(cun)分布(bu)(bu)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)均(jun)(jun)勻；當(dang)壓(ya)(ya)力(li)(li)進(jin)一(yi)步增加(jia)(jia)(jia)(jia)至(zhi)(zhi)2MPa時，萊氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)得(de)到進(jin)一(yi)步地改善(shan)，組織(zhi)(zhi)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)細密(mi)，尺(chi)寸(cun)(cun)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)均(jun)(jun)勻，粗大(da)(da)萊氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)基本消失。萊氏(shi)體(ti)(ti)平均(jun)(jun)尺(chi)寸(cun)(cun)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)的變化(hua)(hua)規律(lv)如(ru)圖(tu)2-126所(suo)示，壓(ya)(ya)力(li)(li)從0.1MPa增加(jia)(jia)(jia)(jia)至(zhi)(zhi)2MPa時，萊氏(shi)體(ti)(ti)厚度由28.37μm降低(di)至(zhi)(zhi)22.92μm.因此，增加(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)(li)能夠明顯(xian)細化(hua)(hua)萊氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)，改善(shan)其(qi)分布(bu)(bu)狀態。

 2. 壓力對(dui)碳化物的影響

  a. 碳化物尺寸(cun)

   以(yi)高(gao)速(su)鋼中(zhong)M2C共(gong)晶碳化(hua)(hua)物為例，M2C共(gong)晶碳化(hua)(hua)物是通過(guo)凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)晶反應L→y+M2C產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。和純金(jin)屬及固(gu)溶體合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)晶過(guo)程一(yi)樣，共(gong)晶轉變同樣需要經過(guo)形核與長大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程。結(jie)(jie)合(he)式(shi)（2-178)和式(shi)（2-179),東(dong)北大(da)學特殊鋼冶金(jin)研究所在(zai)控(kong)制(zhi)溫(wen)度(du)不變的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，計算了不同壓力(li)(li)(li)下(xia)各(ge)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)兩相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)，探討凝(ning)固(gu)壓力(li)(li)(li)與擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激活能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)。凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)溫(wen)度(du)T=1478K時，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)（鉬(mu)、鎢(wu)、釩(fan)和鉻(ge)）在(zai)M2C相(xiang)和奧(ao)氏體相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)D隨(sui)壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)規律如(ru)圖2-127和圖2-128所示；從(cong)整體上看(kan)，隨(sui)著壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)逐漸(jian)增大(da)，同溫(wen)度(du)M2C相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)和鎢(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)D呈(cheng)減小趨勢，而(er)(er)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)釩(fan)和鉻(ge)則呈(cheng)增大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，表(biao)明(ming)提(ti)高(gao)壓力(li)(li)(li)可增大(da)M2C中(zhong)鉬(mu)、鎢(wu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激活能ΔGm,進而(er)(er)降低(di)其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能力(li)(li)(li)；同時降低(di)釩(fan)、鉻(ge)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激活能ΔGm,從(cong)而(er)(er)提(ti)高(gao)其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能力(li)(li)(li)。然而(er)(er)，當壓力(li)(li)(li)在(zai)0.1~2MPa范圍(wei)內(nei)變化(hua)(hua)時，各(ge)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)微(wei)乎(hu)其微(wei)，即保持恒定值。隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓力(li)(li)(li)逐漸(jian)增大(da)到(dao)50MPa,元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)才開始產(chan)生(sheng)較為明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)，鎢(wu)、釩(fan)和鉻(ge)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)甚至在(zai)100MPa壓力(li)(li)(li)下(xia)仍(reng)未產(chan)生(sheng)變化(hua)(hua)。因此低(di)壓下(xia)，元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)隨(sui)壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)可忽略(lve)不計。

  的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而(er)降低(di)，鉻元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數(shu)則隨著凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而(er)增(zeng)加(jia)，如(ru)圖2-128所示(shi)。即增(zeng)大凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力具有提(ti)高奧氏(shi)(shi)體(ti)γ相(xiang)中(zhong)合金(jin)元(yuan)(yuan)素鉬(mu)、鎢(wu)和釩的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)ΔGm,降低(di)其擴(kuo)散(san)能(neng)力以及(ji)減小(xiao)元(yuan)(yuan)素鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)ΔGm和增(zeng)大其擴(kuo)散(san)能(neng)力的(de)(de)(de)(de)作用。與(yu)M2C差別在(zai)于，在(zai)奧氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)γ中(zhong)，較(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力便可發揮(hui)比(bi)較(jiao)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)作用，例(li)如(ru)：當凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力大于2MPa時(shi)(shi)，元(yuan)(yuan)素鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數(shu)隨壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)增(zeng)大；鉬(mu)和釩元(yuan)(yuan)素則在(zai)10MPa時(shi)(shi)開始隨壓(ya)(ya)(ya)力增(zeng)加(jia)而(er)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)減小(xiao)。可見(jian)，在(zai)相(xiang)同溫度下(xia)，相(xiang)比(bi)于M2C相(xiang)，合金(jin)元(yuan)(yuan)素釩、鎢(wu)、鉬(mu)和鉻在(zai)奧氏(shi)(shi)體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)情況(kuang)受凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)影響更為(wei)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)。但在(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力范(fan)圍(wei)內，合金(jin)元(yuan)(yuan)素在(zai)奧氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數(shu)幾乎保持不變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時(shi)(shi)，各元(yuan)(yuan)素擴(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)ΔGm也未發生明(ming)(ming)顯(xian)(xian)變化。

   綜(zong)上所(suo)述，在低壓下，影(ying)響(xiang)M2C形(xing)核(he)(he)率的主要因素是(shi)隨凝固壓力增(zeng)大而顯著減小的形(xing)核(he)(he)功。增(zeng)加凝固壓力可顯著改善(shan)換熱(re)條(tiao)件強化(hua)鑄(zhu)錠(ding)冷卻、提高鑄(zhu)錠(ding)過冷度(du)ΔT,進(jin)而降低共晶(jing)反應過程中奧氏體相(xiang)γ和M2C相(xiang)的形(xing)核(he)(he)功ΔG*,最(zui)終增(zeng)大M2C的形(xing)核(he)(he)率、減小M2C相(xiang)鄰碳化(hua)物的間(jian)距(ju)。

  此(ci)外，增加壓(ya)(ya)力使(shi)M2C形核率大大增加，同(tong)時強(qiang)化了鑄錠冷(leng)卻，顯著(zhu)降低了局部凝(ning)固(gu)時間(jian)LST,導(dao)(dao)致(zhi)加壓(ya)(ya)下鑄錠同(tong)位(wei)置的(de)(de)凝(ning)固(gu)相對較快，M2C共(gong)晶碳(tan)化物(wu)生長(chang)時間(jian)變短，導(dao)(dao)致(zhi)M42凝(ning)固(gu)組織中(zhong)M2C碳(tan)化物(wu)的(de)(de)尺(chi)寸減小。這對于后續(xu)的(de)(de)熱處理碳(tan)化物(wu)的(de)(de)溶解具有(you)積極的(de)(de)意義。

  圖(tu)2-129為不同凝固壓力(li)下M2C共晶碳化物在(zai)(zai)熱處理(li)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)元素(su)擴散示意圖(tu)。隨著凝固壓力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)，碳化物由長條狀轉變(bian)為短(duan)棒狀，在(zai)(zai)縱向和橫(heng)向上的(de)(de)(de)尺寸均(jun)顯(xian)著減(jian)小。因(yin)此(ci)，在(zai)(zai)熱處理(li)過(guo)程中(zhong)，碳化物中(zhong)的(de)(de)(de)元素(su)由內向外擴散的(de)(de)(de)平均(jun)距離(li)也相(xiang)應(ying)隨著凝固壓力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)顯(xian)著減(jian)小，熱處理(li)效果(guo)更加明顯(xian)，熱處理(li)后M42組織(zhi)的(de)(de)(de)成分更加均(jun)勻，進而(er)有利(li)于提高M42高速鋼的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)。

  b. 碳化物成(cheng)分

   M2C的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)主(zhu)要包括鉬、鎢、釩(fan)和(he)(he)(he)鉻，其中(zhong)鉬元(yuan)素(su)(su)是強(qiang)M2C碳化物形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)，也是M2C中(zhong)含(han)量最(zui)高的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)。圖2-130給出了不同(tong)壓力下M2C中(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉬、鎢、釩(fan)和(he)(he)(he)鉻含(han)量，隨著壓力的(de)(de)(de)增大(da)，M2C上的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉬、鎢、釩(fan)和(he)(he)(he)鉻含(han)量均逐漸減小(xiao)，而(er)鐵元(yuan)素(su)(su)則(ze)逐漸增大(da)；同(tong)時(shi)，M2C碳化物之間基(ji)(ji)體中(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)含(han)量則(ze)呈現相反(fan)的(de)(de)(de)規(gui)律(lv)：鉬、鎢、釩(fan)和(he)(he)(he)鉻元(yuan)素(su)(su)含(han)量逐漸增大(da)，而(er)鐵元(yuan)素(su)(su)減少(shao)。這表明，增大(da)的(de)(de)(de)壓力使得合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)在M2C共(gong)晶(jing)碳化物中(zhong)的(de)(de)(de)分布趨于均勻，為后續(xu)的(de)(de)(de)處理(li)、熱加工工藝(yi)中(zhong)碳化物的(de)(de)(de)破(po)碎、溶解提供良好的(de)(de)(de)基(ji)(ji)礎。

  在(zai)高速(su)鋼中，M2C共(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)化物(wu)是通過凝固過程中的(de)(de)共(gong)(gong)晶(jing)反應L→M2C+y產生的(de)(de)，在(zai)這個(ge)過程中存在(zai)M2C碳(tan)化物(wu)相和奧氏體γ相之間的(de)(de)溶質再分配(pei)(pei)［172].在(zai)一定(ding)溫度下(xia)，平衡分配(pei)(pei)系數可表示為(wei)固相和液相中的(de)(de)元素濃度之比：

   式中(zhong)(zhong)(zhong)，Cs和(he)(he)CL分別表示(shi)在凝(ning)(ning)固過程中(zhong)(zhong)(zhong)，元素(su)在固相(xiang)和(he)(he)液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)平衡(heng)濃度。共晶反應(ying)L→M2C+y是在凝(ning)(ning)固末(mo)期發生的(de)，圖2-131給出了(le)不同壓力下的(de)M42高(gao)速鋼凝(ning)(ning)固時共晶反應(ying)過程中(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳(tan)化物相(xiang)和(he)(he)奧氏體γ相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)各(ge)元素(su)的(de)單相(xiang)平衡(heng)分配系數。

  式(shi)中，Cs和(he)C1分別(bie)表示在(zai)凝固過程中，元素在(zai)固相(xiang)和(he)液相(xiang)中的平(ping)(ping)衡濃(nong)度。共(gong)晶反應(ying)L→M2C+y是在(zai)凝固末(mo)期(qi)發生的［172,180,181],圖2-131給(gei)出了不同(tong)壓(ya)力下的M42高速鋼凝固時共(gong)晶反應(ying)過程中M2C碳化(hua)物相(xiang)和(he)奧氏體(ti)y相(xiang)中各元素的單(dan)相(xiang)平(ping)(ping)衡分配系數。

  隨壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，共(gong)(gong)晶反應過程中(zhong)鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)M2C和奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)分(fen)(fen)配(pei)系(xi)數具有(you)升高的(de)(de)趨(qu)勢并逐漸靠近1.基于(yu)(yu)熱力(li)學分(fen)(fen)析，在(zai)M42鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固時(shi)的(de)(de)共(gong)(gong)晶反應過程中(zhong)，增(zeng)(zeng)大壓(ya)力(li)可使鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)M2C碳(tan)(tan)化(hua)物相(xiang)和奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)含(han)量增(zeng)(zeng)大。凝(ning)(ning)固過程中(zhong)M2C碳(tan)(tan)化(hua)物相(xiang)和奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)平(ping)衡分(fen)(fen)配(pei)系(xi)數增(zeng)(zeng)量變化(hua)規(gui)律如圖2-132所示，在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa時(shi)，M2C碳(tan)(tan)化(hua)物相(xiang)中(zhong)的(de)(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)平(ping)衡分(fen)(fen)配(pei)系(xi)數增(zeng)(zeng)量始終大于(yu)(yu)奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)平(ping)衡分(fen)(fen)配(pei)系(xi)數增(zeng)(zeng)量。由此可知，共(gong)(gong)晶反應過程中(zhong)，相(xiang)比于(yu)(yu)奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相(xiang)，鉬(mu)元(yuan)素(su)(su)(su)更偏(pian)向于(yu)(yu)在(zai)M2C相(xiang)中(zhong)富(fu)集(ji)。

  在(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa壓(ya)(ya)力范圍(wei)內，加(jia)壓(ya)(ya)對(dui)Mo元(yuan)素(su)的(de)平(ping)衡分(fen)配系數(shu)影(ying)響非常(chang)小，變化(hua)量(liang)為(wei)(wei)(wei)(wei)10-6~10-5,可(ke)忽(hu)略不計，因而(er)在(zai)(zai)(zai)低壓(ya)(ya)范圍(wei)內，增加(jia)壓(ya)(ya)力不能(neng)通過(guo)(guo)改變元(yuan)素(su)平(ping)衡分(fen)配系數(shu)而(er)影(ying)響相(xiang)成分(fen)。除平(ping)衡分(fen)配系數(shu)以(yi)外，鑄(zhu)錠(ding)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)溶質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)分(fen)配情(qing)況(kuang)與元(yuan)素(su)的(de)傳質(zhi)(zhi)(zhi)行為(wei)(wei)(wei)(wei)有(you)關。在(zai)(zai)(zai)M42鑄(zhu)錠(ding)凝固(gu)(gu)末(mo)期(qi)的(de)共晶(jing)反(fan)應L→M2C+y過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)存(cun)在(zai)(zai)(zai)M2C碳化(hua)物相(xiang)和奧氏體γ相(xiang)之間(jian)的(de)溶質(zhi)(zhi)(zhi)再分(fen)配：液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)M2C形成元(yuan)素(su)（鉬、鎢、釩(fan)和鉻）通過(guo)(guo)凝固(gu)(gu)前沿固(gu)(gu)／液(ye)界面向M2C碳化(hua)物相(xiang)富集，同時奧氏體γ相(xiang)形成元(yuan)素(su)（鈷、鐵(tie)）則(ze)向奧氏體相(xiang)富集，整(zheng)個反(fan)應發生在(zai)(zai)(zai)凝固(gu)(gu)末(mo)期(qi)的(de)枝(zhi)晶(jing)間(jian)小熔池內，此(ci)時液(ye)相(xiang)流動很弱，元(yuan)素(su)對(dui)流傳質(zhi)(zhi)(zhi)行為(wei)(wei)(wei)(wei)可(ke)忽(hu)略，因而(er)溶質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)分(fen)配主要與相(xiang)中(zhong)(zhong)元(yuan)素(su)的(de)擴散傳質(zhi)(zhi)(zhi)行為(wei)(wei)(wei)(wei)有(you)關。

  根據菲克第一定律公式（2-178)可知，擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)D與溫(wen)度(du)(du)T呈反比關系(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形(xing)成元素的(de)擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)隨溫(wen)度(du)(du)的(de)變化(hua)關系(xi)。在(zai)(zai)凝(ning)固(gu)壓力不(bu)變時，溫(wen)度(du)(du)的(de)降低會顯著減小(xiao)擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)，在(zai)(zai)低壓范圍內，相對(dui)于(yu)凝(ning)固(gu)壓力變化(hua)，溫(wen)度(du)(du)變化(hua)對(dui)擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)D具有更明顯的(de)影響。

  增(zeng)大壓力具(ju)有顯著強化冷(leng)卻(que)(que)和減少鑄(zhu)錠(ding)局部凝固(gu)時間的(de)作(zuo)用。由(you)此可知，對于0.1MPa、1MPa和2MPa壓力下的(de)鑄(zhu)錠(ding)凝固(gu)過(guo)程，在相同的(de)凝固(gu)時間內(nei)，在較高壓力下凝固(gu)的(de)鑄(zhu)錠(ding)冷(leng)卻(que)(que)更快(kuai)，溫度更低(di)，其(qi)元素(su)(su)擴散系數則相對較低(di)，導致元素(su)(su)擴散速率減小，使得M2C共(gong)晶碳(tan)化物(wu)(wu)中釩、鎢、鉻(ge)和鉬元素(su)(su)含量(liang)降(jiang)低(di)，碳(tan)化物(wu)(wu)間基體的(de)合金元素(su)(su)含量(liang)升高，降(jiang)低(di)了M2C碳(tan)化物(wu)(wu)和奧(ao)氏體γ相之間的(de)成分(fen)差異性(xing)(xing)，提(ti)高了M42凝固(gu)組織成分(fen)的(de)均勻性(xing)(xing)。

  c. 碳化(hua)物形貌

   M2C碳化物明顯具有(you)(you)各向(xiang)異性(xing)的(de)生長方式，形貌具有(you)(you)小(xiao)平(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)向(xiang)的(de)特性(xing)。共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)組織的(de)形貌與共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)過(guo)程(cheng)中(zhong)液／固(gu)界面(mian)(mian)(mian)結構有(you)(you)密切(qie)聯系，金屬(shu)(shu)相(xiang)－金屬(shu)(shu)碳化物相(xiang)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)屬(shu)(shu)于(yu)小(xiao)平(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)相(xiang)－非(fei)小(xiao)平(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)相(xiang)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)［146].M2C是(shi)通過(guo)凝固(gu)末(mo)期(qi)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)熔池里的(de)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)反M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳化物形成于(yu)凝固(gu)末(mo)期(qi)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)殘(can)余液相(xiang)中(zhong)，根據凝固(gu)原理。枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)殘(can)余液相(xiang)中(zhong)元素含量明顯高于(yu)鑄錠(ding)標準含量。不(bu)同(tong)壓(ya)力(li)下(xia)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)液相(xiang)中(zhong)各相(xiang)出(chu)(chu)現的(de)先(xian)后(hou)順序(xu)，如圖2-135所示，在不(bu)同(tong)壓(ya)力(li)下(xia)，M2C均領(ling)先(xian)奧氏體相(xiang)γ出(chu)(chu)現。這表明，在共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)反應L→y+M2C過(guo)程(cheng)中(zhong)，M2C是(shi)領(ling)先(xian)相(xiang)。

  在共晶凝固(gu)過程中，領先相(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)快速生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)方(fang)向率(lv)先進入共生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)界面(mian)前方(fang)的(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)中，同時(shi)在其附(fu)近液(ye)層中排(pai)出(chu)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)形成(cheng)元(yuan)(yuan)素；隨(sui)后奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此液(ye)層獲得生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)組元(yuan)(yuan)，跟隨(sui)著(zhu)M2C一(yi)起(qi)長(chang)大，同時(shi)也向液(ye)層中排(pai)出(chu)M2C形成(cheng)元(yuan)(yuan)素，如圖2-136所示(shi)。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大，凝固(gu)速率(lv)增(zeng)(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)速率(lv)均加(jia)快。一(yi)方(fang)面(mian)，M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)(jian)距隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大逐(zhu)漸減(jian)小(xiao)(xiao)，即奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液(ye)／固(gu)界面(mian)變窄；另一(yi)方(fang)面(mian)，加(jia)壓(ya)(ya)使(shi)得枝(zhi)晶間(jian)(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素沒(mei)有(you)足(zu)夠(gou)時(shi)間(jian)(jian)進行充分擴(kuo)散；導致奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液(ye)／固(gu)界面(mian)前沿合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素濃度急劇增(zeng)(zeng)大，成(cheng)分過冷加(jia)劇，奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)大速率(lv)進一(yi)步(bu)增(zeng)(zeng)大，使(shi)得M2C相(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)速率(lv)差逐(zhu)漸縮小(xiao)(xiao)。此外，奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)作為非小(xiao)(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)所需過冷度遠小(xiao)(xiao)于小(xiao)(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)M2C碳(tan)化物(wu)，使(shi)得在凝固(gu)速率(lv)增(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)過程中奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)速率(lv)增(zeng)(zeng)量大于M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)速率(lv)增(zeng)(zeng)量。因(yin)此，隨(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大，枝(zhi)晶間(jian)(jian)共晶組織中奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)含量相(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)多(duo)，使(shi)得M2C碳(tan)化物(wu)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)空間(jian)(jian)受到“排(pai)擠”，含量相(xiang)(xiang)(xiang)對減(jian)少，最終M2C碳(tan)化物(wu)逐(zhu)漸呈現(xian)出(chu)被奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進而變短的(de)(de)(de)形貌，如圖2-134所示(shi)。

四、夾雜(za)物(wu)分布

   夾(jia)雜物(wu)是(shi)影響鋼錠質量的(de)(de)一個(ge)重要(yao)因素。鋼中夾(jia)雜物(wu)主(zhu)要(yao)包括冶煉過程中進行脫(tuo)氧(yang)處理形(xing)成的(de)(de)脫(tuo)氧(yang)產物(wu)、凝固過程元素溶解度下降形(xing)成的(de)(de)氧(yang)化(hua)物(wu)、氮(dan)化(hua)物(wu)、硫化(hua)物(wu)等化(hua)合物(wu)以(yi)及爐(lu)渣(zha)和由于沖刷而(er)進入鋼液的(de)(de)耐火(huo)材料(liao)。

   根(gen)據(ju)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)來源，可以(yi)將鋼(gang)中的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分為兩(liang)類(lei):①外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)大部(bu)分為復(fu)合氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)，主要是由于(yu)鋼(gang)液接(jie)觸空氣生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)以(yi)及進入鋼(gang)液的(de)(de)爐渣、耐火(huo)材料組(zu)成(cheng)(cheng)。外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)形不(bu)規則(ze)、尺寸大、構成(cheng)(cheng)復(fu)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)，常常位于(yu)鋼(gang)的(de)(de)表層，具(ju)有嚴(yan)重的(de)(de)危(wei)害性。②內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)是由于(yu)脫氧(yang)(yang)、鋼(gang)水(shui)鈣處理(li)等物(wu)(wu)(wu)(wu)化反應而形成(cheng)(cheng)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)液中數量較多，分布均勻(yun)，顆粒細小(xiao)。由于(yu)形成(cheng)(cheng)時間不(bu)同，內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)可分為：鋼(gang)液脫氧(yang)(yang)時期生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)的(de)(de)氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為原(yuan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)或一次(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；溫(wen)度降低造成(cheng)(cheng)化學反應平(ping)衡的(de)(de)移動進而析(xi)出二(er)次(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；由于(yu)溶(rong)質元素偏析(xi)和(he)溶(rong)解度變化而析(xi)出的(de)(de)三次(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。

   夾雜(za)物(wu)作(zuo)為(wei)(wei)凝(ning)固(gu)組織的(de)(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)要組成部分(fen)(fen)，其特性至關(guan)重(zhong)(zhong)要，對于進一(yi)步揭示加(jia)壓(ya)(ya)冶金(jin)的(de)(de)(de)(de)優勢十分(fen)(fen)關(guan)鍵(jian)(jian)。非金(jin)屬夾雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)特性（數量(liang)(liang)、尺寸和(he)分(fen)(fen)布等(deng)）對鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)性能(neng)（力(li)(li)學性能(neng)和(he)腐蝕等(deng)）有重(zhong)(zhong)要影(ying)響(xiang)。同時，改(gai)(gai)善(shan)鋼(gang)中(zhong)夾雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)布情況并盡可(ke)能(neng)徹底地去除非金(jin)屬夾雜(za)物(wu)可(ke)以(yi)有效(xiao)地減(jian)少缺陷和(he)提高(gao)性能(neng)。為(wei)(wei)了改(gai)(gai)善(shan)夾雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)布，施加(jia)在夾雜(za)物(wu)上的(de)(de)(de)(de)力(li)(li)包括重(zhong)(zhong)力(li)(li)、浮力(li)(li)、曳力(li)(li)，附(fu)加(jia)質量(liang)(liang)力(li)(li)、升力(li)(li)和(he)反彈力(li)(li)等(deng)起著關(guan)鍵(jian)(jian)作(zuo)用。這些力(li)(li)主要是(shi)通過(guo)溫(wen)度、流場(chang)、重(zhong)(zhong)力(li)(li)場(chang)和(he)電磁(ci)場(chang)等(deng)物(wu)理場(chang)來(lai)確定(ding)。因此，可(ke)以(yi)通過(guo)采取一(yi)系列措施優化物(wu)理場(chang)來(lai)改(gai)(gai)善(shan)夾雜(za)物(wu)分(fen)(fen)布。例(li)如(ru)，鋼(gang)包中(zhong)使(shi)用的(de)(de)(de)(de)氣體攪拌(ban)、連鑄過(guo)程中(zhong)添加(jia)磁(ci)場(chang)。對于加(jia)壓(ya)(ya)冶金(jin)，壓(ya)(ya)力(li)(li)是(shi)關(guan)鍵(jian)(jian)因素。目前，已經證實加(jia)壓(ya)(ya)會在各個方(fang)面影(ying)響(xiang)凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)物(wu)理場(chang)，包括加(jia)壓(ya)(ya)通過(guo)加(jia)快鑄錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷卻速率和(he)加(jia)強鑄錠(ding)與鑄模之間(jian)的(de)(de)(de)(de)熱(re)交換來(lai)改(gai)(gai)變溫(wen)度場(chang)，通過(guo)改(gai)(gai)變糊狀區域的(de)(de)(de)(de)大小和(he)枝晶結構影(ying)響(xiang)流場(chang)等(deng)。

   因此，可以認為在凝(ning)固過程中壓力(li)具有改變夾雜(za)物(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)布(bu)的(de)能力(li)，并且壓力(li)對(dui)(dui)夾雜(za)物(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)布(bu)的(de)影響機(ji)制(zhi)非常復雜(za)，然而，關于(yu)加壓對(dui)(dui)夾雜(za)物(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)布(bu)變化的(de)影響研究相對(dui)(dui)較少。這表明加壓對(dui)(dui)凝(ning)固組織的(de)影響機(ji)理尚未全面闡(chan)明。

 1. 夾雜物(wu)分布分析模型

   在實(shi)(shi)際(ji)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)受力情況、運動軌(gui)(gui)跡(ji)很難通過實(shi)(shi)驗進行測(ce)量。數(shu)值模擬提供了一種可以深入(ru)了解某些無(wu)法通過實(shi)(shi)驗評估的(de)現象的(de)方(fang)法。這些現象包括夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)運動軌(gui)(gui)跡(ji)，作用于夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)力和(he)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)速度等。根據電渣、連鑄和(he)鋼包精煉等過程(cheng)中的(de)相(xiang)關研究(jiu)，數(shu)值模擬是一種非常有(you)效的(de)研究(jiu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)運動行為的(de)方(fang)法。

   鋼液凝固(gu)過程涉及熱(re)量傳(chuan)遞、質量傳(chuan)輸、動量傳(chuan)輸、相(xiang)(xiang)(xiang)轉變和(he)晶粒形核長(chang)大(da)等一(yi)系列復雜的(de)物(wu)(wu)(wu)理化(hua)學現象(xiang)，同時存在金屬固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)、金屬液相(xiang)(xiang)(xiang)、氣相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)等多(duo)個相(xiang)(xiang)(xiang)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用，適(shi)合應用歐(ou)拉(la)多(duo)項流模(mo)型進(jin)行計算求解。其中，根據對(dui)夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)運動行為處理方(fang)式，夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)分(fen)布(bu)分(fen)析模(mo)型可以分(fen)為歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗日模(mo)型和(he)歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)型。

 a. 歐拉(la)－拉(la)格朗日模型歐拉(la)－

   拉格朗日離散(san)相(xiang)模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是在(zai)歐拉模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)的基(ji)礎上，將(jiang)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)相(xiang)處理(li)成離散(san)相(xiang)，而(er)流體(ti)相(xiang)處理(li)為連續相(xiang)。根據(ju)球型(xing)(xing)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的受力(li)分析，基(ji)于(yu)牛頓第(di)二定律，建立夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)運動模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)，并與鋼液凝(ning)固模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)耦合，從而(er)模(mo)(mo)(mo)(mo)擬夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)在(zai)凝(ning)固過程運動行為。該模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)可以(yi)跟(gen)蹤每個夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)粒并獲得(de)其速度、運動軌(gui)跡以(yi)及(ji)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)去除(chu)過程中的動力(li)學行為。此外(wai)，該模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是基(ji)于(yu)離散(san)相(xiang)體(ti)積比例相(xiang)對較低的基(ji)本(ben)假(jia)設而(er)建立。

   夾雜物(wu)在鋼液中(zhong)的運(yun)動(dong)，主(zhu)要是各種(zhong)力(li)(li)(li)的共同作用(yong)造成的。夾雜物(wu)在鋼液中(zhong)受力(li)(li)(li)情(qing)況如(ru)圖2-137所示。可(ke)以(yi)看出(chu)，夾雜物(wu)顆(ke)(ke)粒受到主(zhu)要作用(yong)力(li)(li)(li)分別為：由(you)于顆(ke)(ke)粒自(zi)身性質引起的力(li)(li)(li)，如(ru)重力(li)(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)(li)等；由(you)于顆(ke)(ke)粒與(yu)流體之間(jian)存在相(xiang)對運(yun)動(dong)而產生的力(li)(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)(li)（Saffman)、附加質量力(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)和Magnus力(li)(li)(li)等；細小夾雜物(wu)在高溫(wen)條件下受的布朗(lang)（Brown)力(li)(li)(li)等。

（1)曳(ye)力。

   在鋼液流(liu)場(chang)內黏性流(liu)體(ti)(ti)與顆粒之(zhi)(zhi)間存在相對運動，由黏性流(liu)體(ti)(ti)施加(jia)的曳(ye)力使(shi)得(de)夾(jia)雜物(wu)(wu)顆粒趨向于(yu)跟(gen)隨流(liu)體(ti)(ti)運動。曳(ye)力是夾(jia)雜物(wu)(wu)顆粒在凝固過程(cheng)中的主要受力之(zhi)(zhi)一。計算公式如下：

（2)浮力和重力。

   在豎直方(fang)向上，夾雜(za)物顆粒受(shou)到與相對運動無關的力(li)，包括重(zhong)力(li)和(he)浮力(li)，其

（3)附(fu)加質量力。

   當鋼液(ye)與夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)存在相對運動(dong)(dong)時，夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)會帶動(dong)(dong)其附近的部(bu)分鋼液(ye)做加速運動(dong)(dong)，此時推動(dong)(dong)夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)運動(dong)(dong)的力(li)(li)大(da)于其顆(ke)粒(li)本身(shen)慣性(xing)力(li)(li)，這部(bu)分大(da)于夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)本身(shen)慣性(xing)力(li)(li)的力(li)(li)即為(wei)附加質量力(li)(li)。其計(ji)算(suan)公式為(wei)

  通(tong)過運用(yong)歐拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗日模型對(dui)鋼液(ye)凝固過程進(jin)行模擬計算時(shi)，可以得出隨著溫度場和流(liu)場的(de)(de)變化(hua)，每(mei)個球形夾雜物顆粒在鋼液(ye)中的(de)(de)運動(dong)軌跡和分布。

 b. 歐拉－歐拉模型

   拉(la)(la)(la)格(ge)朗(lang)日模(mo)型是研究夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)(li)在(zai)鋼液中(zhong)運(yun)動(dong)行(xing)為主要的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法，但在(zai)實際的(de)(de)(de)(de)應用中(zhong)存在(zai)一(yi)些不足，例(li)如，拉(la)(la)(la)格(ge)朗(lang)日模(mo)型是針對(dui)單一(yi)粒(li)(li)子進行(xing)計算(suan)，當(dang)同時追蹤(zong)多(duo)個粒(li)(li)子時，計算(suan)量(liang)過大，難以進行(xing)。相(xiang)(xiang)(xiang)較于拉(la)(la)(la)格(ge)朗(lang)日模(mo)型，歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型中(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)控制方(fang)(fang)程與流(liu)體連續相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)控制方(fang)(fang)程相(xiang)(xiang)(xiang)似，運(yun)算(suan)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)高效(xiao)，能夠同時描述多(duo)種夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)(li)在(zai)凝固過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)分布特(te)征。歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型與歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－拉(la)(la)(la)格(ge)朗(lang)日模(mo)型相(xiang)(xiang)(xiang)比，主要差別(bie)(bie)是夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)動(dong)量(liang)方(fang)(fang)程存在(zai)差別(bie)(bie)，歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)(la)模(mo)型的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)動(dong)量(liang)方(fang)(fang)程表達式為

 2. 模鑄(zhu)過(guo)程(cheng)中夾雜物的受力分析

  模鑄過程中，夾雜物(wu)所(suo)受作用力(li)包括熱浮力(li)、重力(li)、附加質量力(li)、升力(li)以及相間作用力(li)等，具體受力(li)情(qing)況如圖(tu)2-138所(suo)示。

   流場對夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)分布有關鍵影響，這直接歸因(yin)于作用(yong)(yong)于夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)阻力(li)(li)(li)(li)。以(yi)0.1MPa下(xia)H13鑄錠凝(ning)固為(wei)例，鋼液(ye)、夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)和(he)(he)(he)等軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)流場和(he)(he)(he)速率均(jun)顯(xian)示(shi)在(zai)(zai)圖(tu)2-139中(zhong)(zhong)。隨著凝(ning)固的(de)(de)進行，鋼液(ye)受熱浮力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)驅動逆(ni)時(shi)(shi)(shi)針運(yun)動，如(ru)(ru)(ru)圖(tu)2-139(a)所示(shi)。同時(shi)(shi)(shi)，隨著重(zhong)力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)浮力(li)(li)(li)(li)合力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加，等軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)沉降連(lian)續發生在(zai)(zai)柱狀(zhuang)晶(jing)（tip)的(de)(de)尖端，如(ru)(ru)(ru)圖(tu)2-139(b)所示(shi)。如(ru)(ru)(ru)圖(tu)2-139(c)所示(shi)，夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)流場中(zhong)(zhong)出現逆(ni)時(shi)(shi)(shi)針運(yun)動，與鋼液(ye)相似(si)。這種(zhong)運(yun)動行為(wei)主(zhu)要是由作用(yong)(yong)在(zai)(zai)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)上的(de)(de)合力(li)(li)(li)(li)引起的(de)(de)。根據模擬結果，凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)，浮力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)阻力(li)(li)(li)(li)在(zai)(zai)改變(bian)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)運(yun)動行為(wei)中(zhong)(zhong)起著關鍵作用(yong)(yong)，因(yin)為(wei)它們比附加質量(liang)力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)升力(li)(li)(li)(li)大了三個數量(liang)級。重(zhong)力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)浮力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)方向(xiang)(xiang)均(jun)為(wei)垂直方向(xiang)(xiang)，因(yin)為(wei)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)密度(du)低于液(ye)體的(de)(de)密度(du)，故(gu)其合力(li)(li)(li)(li)Fbg的(de)(de)方向(xiang)(xiang)垂直向(xiang)(xiang)上，如(ru)(ru)(ru)圖(tu)2-139(d)所示(shi)。

   在(zai)整個凝固過程中(zhong)，Fbg保(bao)持(chi)不變，并使(shi)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)上浮。相(xiang)比(bi)之下，曳(ye)(ye)力(li)(li)Fdp是(shi)向下的(de)力(li)(li)，具(ju)有驅動(dong)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)向下沉的(de)能力(li)(li)。并且其變化是(shi)復雜(za)的(de)。根據等式（2-204)可(ke)知，曳(ye)(ye)力(li)(li)與鋼液和(he)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)之間的(de)速度(du)差密切相(xiang)關。在(zai)頂部和(he)底部，鋼液和(he)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速度(du)差很小，與Fbg相(xiang)比(bi)，Fdp可(ke)以忽略(lve)不計。在(zai)柱狀(zhuang)晶尖端附近的(de)曳(ye)(ye)力(li)(li)Fdp大于Fbg,是(shi)導致(zhi)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)下沉的(de)關鍵因素。在(zai)鑄錠的(de)中(zhong)心，Fdp小于Fbg,Fbg占主(zhu)導，促(cu)使(shi)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)上浮。因此，模(mo)鑄過程中(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)形(xing)成逆時(shi)針運(yun)動(dong)，這主(zhu)要是(shi)由重力(li)(li)、浮力(li)(li)和(he)曳(ye)(ye)力(li)(li)的(de)綜合作(zuo)用所驅動(dong)。

 3. 模鑄過程(cheng)中(zhong)壓力對夾雜物分布(bu)的影響(xiang)

   利(li)用歐拉－歐拉模型在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下獲得(de)了H13鑄錠(ding)(ding)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)體(ti)積(ji)分數的等值線，如(ru)圖2-140所示(shi)(shi)。每個(ge)鑄錠(ding)(ding)中(zhong)都存在(zai)(zai)三個(ge)主(zhu)要的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)（I、和(he)(he)III),其(qi)中(zhong)，II區(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)的富(fu)集(ji)(ji)(ji)度(du)最低(di)，III區(qu)(qu)(qu)的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)度(du)最高，I區(qu)(qu)(qu)次(ci)之(zhi)。三個(ge)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)域主(zhu)要由夾雜(za)(za)物(wu)(wu)逆時(shi)針運(yun)動(dong)以(yi)及被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕集(ji)(ji)(ji)的綜合作用所導致。以(yi)0.1MPa 壓力(li)(li)下夾雜(za)(za)物(wu)(wu)分布(bu)為例，遠離糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)在(zai)(zai)逆時(shi)針運(yun)動(dong)過程中(zhong)逐漸上浮并(bing)富(fu)集(ji)(ji)(ji)到鑄錠(ding)(ding)頂(ding)(ding)部(bu)，如(ru)圖 2-140(c)所示(shi)(shi)。鑄錠(ding)(ding)頂(ding)(ding)部(bu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)一部(bu)分被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕獲，形成(cheng)了I區(qu)(qu)(qu)，其(qi)余部(bu)分沿逆時(shi)針方(fang)向移動(dong)，運(yun)動(dong)方(fang)向幾乎垂直于糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向量。與之(zhi)相比，在(zai)(zai)II和(he)(he)III區(qu)(qu)(qu)域內，夾雜(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)方(fang)向與糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向量成(cheng)鈍角(jiao)，因而(er)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)更加趨向于被(bei)II和(he)(he)III區(qu)(qu)(qu)域內糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)所捕獲，如(ru)圖2-141所示(shi)(shi)，導致夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)II和(he)(he)III的形成(cheng)。同時(shi)，III區(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)的富(fu)集(ji)(ji)(ji)程度(du)最高，原因是糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)較寬(kuan)，糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)捕獲能力(li)(li)越強，富(fu)集(ji)(ji)(ji)趨勢更明顯。

   隨著壓(ya)力從(cong)0.1MPa增(zeng)加(jia)到2MPa,I、II和(he)III區夾雜物(wu)的(de)(de)富集(ji)度降(jiang)低(di)，如2-140(b)所示，夾雜物(wu)體(ti)積分數的(de)(de)最大增(zeng)量 4max隨壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)加(jia)而減小(xiao)，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下分別(bie)為(wei)4.1x10-5、3.5x10-5和(he)1.8x10-5,表明(ming)隨著凝(ning)固壓(ya)力增(zeng)加(jia)至2MPa,鑄錠(ding)中夾雜物(wu)分布更加(jia)均勻。

   糊狀(zhuang)區(qu)捕獲夾雜物(wu)和(he)(he)夾雜物(wu)從糊狀(zhuang)區(qu)逃脫的(de)(de)(de)(de)(de)能力(li)(li)(li)(li)(li)對夾雜物(wu)分布至(zhi)關重要。結合液相(xiang)線／固(gu)相(xiang)線溫度(du)(du)(du)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化規(gui)律可(ke)知，凝(ning)固(gu)區(qu)間變化很小，當(dang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)從0.1MPa增加(jia)到(dao)2MPa時可(ke)以(yi)忽(hu)略不計(ji)。因此(ci)，糊狀(zhuang)區(qu)寬度(du)(du)(du)主要由溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)決定。如圖(tu)2-142(b)所(suo)示，由于增加(jia)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)后提高了冷卻(que)速率(lv)導致高壓(ya)(ya)下(xia)溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)更大。在(zai)較(jiao)高壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)，糊狀(zhuang)區(qu)域的(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)(du)(du)變短(duan)［150].另外，以(yi)圖(tu)2-142(a)中的(de)(de)(de)(de)(de)A點為例，凝(ning)固(gu)時間隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)而顯著(zhu)減少，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)分別為292s、272s和(he)(he)247s,凝(ning)固(gu)速率(lv)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)而增加(jia)。進而表明(ming)，在(zai)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)糊狀(zhuang)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)(du)(du)較(jiao)小且凝(ning)固(gu)速率(lv)較(jiao)高，因此(ci)糊狀(zhuang)區(qu)捕獲夾雜物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)能力(li)(li)(li)(li)(li)變弱。

   A、B和C點夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)(du)(du)隨(sui)液(ye)相(xiang)體積分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)變化如圖(tu)2-143所示。高(gao)溫度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)通過(guo)增(zeng)(zeng)大熱浮力來強化鋼液(ye)對流。另外，研究了(le)糊狀(zhuang)區中夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)(du)隨(sui)曳力改的(de)(de)(de)相(xiang)應變化。凝(ning)(ning)固初期，糊狀(zhuang)區中的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)運動速(su)度(du)(du)(du)隨(sui)著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)大，在凝(ning)(ning)固后期，糊狀(zhuang)區內夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)幾乎完全(quan)停止運動時(shi)液(ye)相(xiang)體積分(fen)數(shu)隨(sui)著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加而降低。以點A為(wei)例，凝(ning)(ning)固初期（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)速(su)度(du)(du)(du)分(fen)別為(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和1.52×10-3m/s.當(dang)糊狀(zhuang)區夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)(du)降低到(dao)5x10-5m/s時(shi)，0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)的(de)(de)(de)液(ye)相(xiang)體積分(fen)數(shu)分(fen)別為(wei)0.74、0.68和0.62.這意味著(zhu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)從糊狀(zhuang)區逸出的(de)(de)(de)能力隨(sui)壓(ya)力增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)強。

   綜上所述(shu)，增加壓力(li)可以(yi)顯(xian)著(zhu)抑制(zhi)糊狀區(qu)(qu)中夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的富集，并通過降(jiang)低糊狀區(qu)(qu)捕(bu)獲(huo)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的能力(li)，提高夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)從糊狀區(qu)(qu)中逸出的能力(li)，使鑄(zhu)錠內夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)分布更加均勻。