壓(ya)力對(dui)鑄(zhu)錠(ding)(ding)的凝固(gu)(gu)相變和(he)組織(zhi)有十分重(zhong)要的影響，如壓(ya)力能提高晶粒(li)形核(he)速率(lv)，減(jian)小臨(lin)界(jie)形核(he)半徑(jing)，增(zeng)大(da)冷卻速率(lv)，細化枝晶組織(zhi)，減(jian)輕(qing)或(huo)消除(chu)凝固(gu)(gu)缺陷（疏松、縮(suo)孔(kong)、氣孔(kong)和(he)偏析）以及改變析出相形貌和(he)類型等。由于鋼鐵材料固(gu)(gu)／液相線溫度(du)較(jiao)高，加壓(ya)難度(du)相對(dui)較(jiao)大(da)，不(bu)過(guo)，較(jiao)低壓(ya)力依然具(ju)有改善鑄(zhu)型和(he)鑄(zhu)錠(ding)(ding)間(jian)換熱條件、打破液相中氮氣泡等壓(ya)力平衡的能力，進(jin)而達(da)到改善鋼鐵凝固(gu)(gu)組織(zhi)，減(jian)輕(qing)或(huo)消除(chu)凝固(gu)(gu)缺陷等目(mu)的。

一、枝(zhi)晶組織

  枝(zhi)晶組織的出(chu)(chu)現(xian)(xian)和生長與液(ye)相(xiang)(xiang)中的成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)密不可分(fen)(fen)，當凝固(gu)界(jie)(jie)面(mian)(mian)出(chu)(chu)現(xian)(xian)擾動導致液(ye)相(xiang)(xiang)出(chu)(chu)現(xian)(xian)局部成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)時，液(ye)相(xiang)(xiang)中就具備了促使(shi)界(jie)(jie)面(mian)(mian)發生波動的驅動力，進一步增大了凝固(gu)界(jie)(jie)面(mian)(mian)的不穩定(ding)性，從而使(shi)凝固(gu)界(jie)(jie)面(mian)(mian)從平面(mian)(mian)狀向樹枝(zhi)狀轉變，形成(cheng)(cheng)枝(zhi)晶組織，液(ye)相(xiang)(xiang)中成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)的判據為(wei)

  式中(zhong)，GrL為(wei)(wei)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫度(du)梯度(du)；v為(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)速率(lv)；m為(wei)(wei)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)；CL為(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)界面處液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質的(de)(de)(de)質量分(fen)(fen)數(shu)；DL為(wei)(wei)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系數(shu)；ko為(wei)(wei)溶(rong)質分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)。在不考慮壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)強(qiang)化冷(leng)卻（即(ji)GrL保持恒定）情(qing)況(kuang)下(xia)(xia)(xia)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)可通(tong)過改變(bian)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)、擴(kuo)(kuo)散系數(shu)和(he)(he)溶(rong)質分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)等凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)參(can)數(shu)，改變(bian)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)形貌(mao)甚至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)成。Zhang等對比了(le)(le)(le)高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在常壓(ya)(ya)(ya)(ya)和(he)(he)6GPa下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。發現高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)包含細(xi)小等軸晶(jing)(jing)和(he)(he)柱狀晶(jing)(jing)，與常壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)截然(ran)不同(tong)（圖2-107).晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)統計結果表明，高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)在常壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)為(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)(xia)為(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)細(xi)化晶(jing)(jing)粒(li)可達21倍之(zhi)多，主要歸因于(yu)增加(jia)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)降低了(le)(le)(le)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質擴(kuo)(kuo)散系數(shu)以及(ji)增大了(le)(le)(le)擴(kuo)(kuo)散激活能，進而(er)增大了(le)(le)(le)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)成分(fen)(fen)過冷(leng)度(du)，在抑制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)生長的(de)(de)(de)同(tong)時(shi)增大了(le)(le)(le)形核(he)率(lv)［129,153],從而(er)使得高(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)逐步向(xiang)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)轉(zhuan)變(bian)，且細(xi)化十(shi)分(fen)(fen)顯著。Kashchiev和(he)(he)Vasudevan等的(de)(de)(de)研究表明。在凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體積小于(yu)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體積時(shi)，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)有助于(yu)提高(gao)(gao)形核(he)率(lv)，起(qi)到(dao)細(xi)化凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)作(zuo)用，大多數(shu)金屬合金屬于(yu)此(ci)類；反之(zhi)，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)將抑制晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)形核(he)，如水凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)成冰。此(ci)外，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)還能夠(gou)抑制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)梯度(du)方向(xiang)的(de)(de)(de)生長,從而(er)導致枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和(he)(he)微觀(guan)偏析呈現方向(xiang)性。

  為了準確地論述壓力對(dui)凝固組織(zhi)的(de)(de)影(ying)(ying)響規律，本節將以(yi)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)和(he)M42工(gong)具(ju)鋼(gang)加(jia)壓凝固組織(zhi)為例，詳細(xi)分(fen)析壓力對(dui)枝晶組織(zhi)、析出相等的(de)(de)影(ying)(ying)響。

 1. 柱狀晶向等軸晶轉變（CET)

   鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)組織(zhi)主要(yao)由晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)貌、尺寸(cun)以及(ji)取向(xiang)分(fen)(fen)布等構成(cheng)(cheng)，在(zai)(zai)合金(jin)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)情況(kuang)下，它主要(yao)取決于(yu)鋼液(ye)在(zai)(zai)凝(ning)固過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻條件（包括澆注(zhu)溫(wen)度(du)(du)和(he)鑄(zhu)型的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻效(xiao)果等。鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)典型宏(hong)觀(guan)組織(zhi)可(ke)分(fen)(fen)為(wei)三個區(qu)：表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)、柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)以及(ji)中(zhong)心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。表(biao)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)是由于(yu)鋼液(ye)在(zai)(zai)鑄(zhu)型的(de)(de)(de)激冷(leng)(leng)作用(yong)下，具有較大(da)的(de)(de)(de)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)，進而(er)在(zai)(zai)鑄(zhu)型壁面以異(yi)質(zhi)形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)方(fang)式大(da)量形(xing)(xing)(xing)核并長大(da)，最(zui)后(hou)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)細(xi)(xi)(xi)小(xiao)的(de)(de)(de)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)，即表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。隨(sui)著凝(ning)固的(de)(de)(de)進行，表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)逐步(bu)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)金(jin)屬外殼(ke)，使(shi)得(de)傳(chuan)熱具備單(dan)向(xiang)性，有助于(yu)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)沿(yan)傳(chuan)熱方(fang)向(xiang)生長，呈現出方(fang)向(xiang)性，從而(er)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)，也(ye)導致了(le)表(biao)層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)的(de)(de)(de)區(qu)域窄小(xiao)，厚度(du)(du)通(tong)常(chang)為(wei)幾毫米。在(zai)(zai)后(hou)續的(de)(de)(de)凝(ning)固過(guo)程中(zhong)，伴隨(sui)著凝(ning)固潛(qian)熱的(de)(de)(de)釋放，凝(ning)固前沿(yan)溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)減小(xiao)，傳(chuan)熱的(de)(de)(de)單(dan)向(xiang)性減弱，成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)增大(da)，進而(er)使(shi)得(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)生長的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)性減弱，抑(yi)制(zhi)了(le)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)生長，同(tong)時也(ye)促進了(le)鑄(zhu)錠心(xin)部異(yi)質(zhi)形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)發生，從而(er)有助于(yu)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)轉變，最(zui)終形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)中(zhong)心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。

   因(yin)此(ci)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)有兩(liang)類枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織，即等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)，通常采用枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)和CET位(wei)置(zhi)對其進行表(biao)征(zheng)。圖2-108(a)給(gei)出了(le)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)分(fen)別為0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa的(de)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)縱剖面(mian)上的(de)宏(hong)觀組織；CET位(wei)置(zhi)到(dao)(dao)(dao)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)距(ju)離(li)的(de)統計平(ping)均值分(fen)別為19.8mm、22.1mm和27.4mm,增量可(ke)達7.6mm,如圖2-108(b)所(suo)示。統計結(jie)果表(biao)明，隨著壓(ya)力(li)(li)的(de)增大(da)，CET 位(wei)置(zhi)逐漸由邊部(bu)向心(xin)部(bu)移動(dong)，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區區域增大(da)，中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區區域減小。根據柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變(bian)(bian)的(de)阻擋判(pan)據可(ke)知(zhi)［156],當柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)(jian)端處等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數大(da)于(yu)臨(lin)界值時(shi)，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)(jian)端生長(chang)受到(dao)(dao)(dao)抑(yi)制(zhi)而(er)停止，此(ci)時(shi)發(fa)生柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區向中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區轉(zhuan)變(bian)(bian)。因(yin)此(ci)，CET轉(zhuan)變(bian)(bian)很大(da)程度(du)上取決于(yu)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)形(xing)核(he)和長(chang)大(da)。由于(yu)壓(ya)力(li)(li)強化(hua)冷(leng)(leng)卻(que)效果十分(fen)明顯，增加(jia)壓(ya)力(li)(li)加(jia)快(kuai)(kuai)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)冷(leng)(leng)卻(que)，增大(da)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)溫度(du)梯(ti)度(du)，從(cong)而(er)降低了(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)前(qian)沿(yan)的(de)成分(fen)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)，此(ci)時(shi)，等(deng)(deng)軸(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)(jian)端的(de)形(xing)核(he)和長(chang)大(da)就會受到(dao)(dao)(dao)嚴重阻礙和抑(yi)制(zhi);反之，降低壓(ya)力(li)(li)，有助于(yu)等(deng)(deng)軸(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)(jian)端處的(de)形(xing)核(he)和長(chang)大(da)，從(cong)而(er)提(ti)前(qian)并(bing)加(jia)快(kuai)(kuai)了(le)CET.因(yin)此(ci)，當壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.5MPa增加(jia)到(dao)(dao)(dao)1.2MPa時(shi)，壓(ya)力(li)(li)通過(guo)強化(hua)冷(leng)(leng)卻(que)擴大(da)了(le)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區，促使CET轉(zhuan)變(bian)(bian)位(wei)置(zhi)在(zai)徑向上逐漸由邊部(bu)向心(xin)部(bu)移動(dong)。此(ci)外(wai)，在(zai)0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa下(xia)，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)縱剖面(mian)的(de)宏(hong)觀組織中(zhong)均存在(zai)較窄的(de)表(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)區。

為了(le)進(jin)一步研究壓(ya)力對CET的影響規律，在(zai)不考慮壓(ya)力強化冷卻效果的前提下(xia)，對枝晶尖端生長速(su)率v.隨壓(ya)力的變化規律進(jin)行理論(lun)計算，可采用KGT模型，,即(ji)

  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(suo)述，凝固(gu)壓(ya)力(li)的增加(jia)(jia)會對枝晶尖端(duan)生(sheng)長(chang)速率產生(sheng)重要(yao)影響，且壓(ya)力(li)的增量(liang)越(yue)(yue)大，影響越(yue)(yue)明顯。結(jie)合(he)實驗和KGT模型理論計算可知(zhi)，低壓(ya)下，當凝固(gu)壓(ya)力(li)從0.5MPa 增加(jia)(jia)至1.2MPa時，壓(ya)力(li)主要(yao)通過強化冷卻的方式，使得鑄(zhu)錠(ding)CET位(wei)置逐漸由邊部向(xiang)心部移動。

 2. 枝晶(jing)間距(ju)

  相鄰同次(ci)枝(zhi)晶臂之間(jian)(jian)的(de)垂直距離稱為(wei)枝(zhi)晶間(jian)(jian)距，枝(zhi)晶間(jian)(jian)距的(de)大小(xiao)表(biao)征了枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)(zhi)細化程度，枝(zhi)晶間(jian)(jian)距越(yue)(yue)小(xiao)，枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)(zhi)越(yue)(yue)細密［162],通常考(kao)慮的(de)枝(zhi)晶間(jian)(jian)距有一次(ci)枝(zhi)晶間(jian)(jian)距入1和二次(ci)枝(zhi)晶間(jian)(jian)距λ2.一次(ci)枝(zhi)晶間(jian)(jian)距與(yu)凝(ning)固速率v和溫度梯度Gr的(de)關系為(wei)

  由式（2-191)可知，合金體系一定時(shi)(shi)，分(fen)析(xi)局(ju)部(bu)區(qu)域冷卻(que)速率(lv)v.和(he)溫度(du)(du)梯度(du)(du)Gr隨壓(ya)力的(de)變化(hua)趨勢(shi)，有助于闡明壓(ya)力對一次枝晶(jing)間距λ1的(de)影響規律。因(yin)局(ju)部(bu)區(qu)域冷卻(que)速率(lv)vc和(he)溫度(du)(du)梯度(du)(du)Gr的(de)測量難度(du)(du)較大，可用模擬計(ji)算的(de)方式獲得。在(zai)不同凝(ning)固壓(ya)力下(xia)(xia)的(de)組織模擬過(guo)程中，不考慮疏松縮孔對晶(jing)區(qu)分(fen)布的(de)影響，模擬結果如(ru)圖2-110所示。為(wei)(wei)了更準確地找(zhao)到CET位置，使(shi)用平(ping)均(jun)縱橫比(bi)（晶(jing)粒(li)最短邊(bian)與最長邊(bian)的(de)比(bi)率(lv)）來區(qu)分(fen)柱(zhu)狀晶(jing)和(he)等軸晶(jing)：當晶(jing)粒(li)的(de)縱橫比(bi)大于0.4時(shi)(shi)，晶(jing)粒(li)為(wei)(wei)等軸晶(jing)；當晶(jing)粒(li)的(de)縱橫比(bi)小于0.4時(shi)(shi)，則為(wei)(wei)柱(zhu)狀晶(jing)。根(gen)據(ju)阻擋判據(ju)，等軸晶(jing)體積分(fen)數的(de)臨界(jie)值設定為(wei)(wei)0.49，以此作為(wei)(wei)依據(ju)，19Cr14Mn0.9N含氮鋼在(zai)0.5MPa、0.85MPa 和(he)1.2MPa 壓(ya)力下(xia)(xia)，CET 位置在(zai)徑向(xiang)上離鑄錠邊(bian)部(bu)的(de)平(ping)均(jun)距離分(fen)別為(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)25.3mm.

  19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄錠(ding)(ding)底部(bu)(bu)(bu)溫度(du)梯(ti)度(du) Gr和(he)冷卻速率v.隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)變化規律(lv)，如圖2-111所示。在(zai)某一(yi)壓(ya)力(li)(li)條件(jian)下(xia)，vc和(he)Gr沿徑向由鑄錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)(bu)到心部(bu)(bu)(bu)均呈現逐漸減小(xiao)(xiao)的(de)趨勢，結合式（2-190)可知，一(yi)次枝晶(jing)間距入1與(yu)v.和(he)Gr成反比，因而1沿徑向由邊部(bu)(bu)(bu)到心部(bu)(bu)(bu)逐漸增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)。當壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加至1.2MPa時(shi)，在(zai)壓(ya)力(li)(li)強化冷卻的(de)作用下(xia)，鑄錠(ding)(ding)內各單元(yuan)體(ti)的(de)vc和(he)Gr隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且對鑄錠(ding)(ding)邊緣處(chu)的(de)單元(yuan)體(ti)影響(xiang)最(zui)大(da)，在(zai)沿徑向向心部(bu)(bu)(bu)移動(dong)的(de)過程(cheng)中，壓(ya)力(li)(li)對vc和(he)Gr的(de)影響(xiang)逐步(bu)減弱。結合式（2-190)可知，一(yi)次枝晶(jing)間距入1隨(sui)(sui)著vc和(he)Gr的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)呈冪函(han)數減小(xiao)(xiao)。因此(ci)，隨(sui)(sui)著壓(ya)力(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)加，一(yi)次枝晶(jing)間距入1減小(xiao)(xiao)，且越(yue)靠近鑄錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)(bu)，入減小(xiao)(xiao)趨勢越(yue)明顯，即壓(ya)力(li)(li)對柱狀晶(jing)一(yi)次枝晶(jing)間距的(de)影響(xiang)大(da)于(yu)中心等軸晶(jing)區。

  由邊(bian)部(bu)到心部(bu)逐(zhu)漸增大，結合式(shi)（2-192)可知，鑄錠心部(bu)的二(er)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距入(ru)2大于邊(bian)部(bu)；壓力(li)從0.5MPa增加至1.2MPa時，LST明顯減小，二(er)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距入(ru)2也(ye)隨之減小。

  圖(tu)2-112 不同壓(ya)(ya)力(li)下(xia)距(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)鑄錠(ding)底部(bu)130mm處(chu)LST計(ji)算值由于(yu)等軸(zhou)晶的(de)(de)(de)一(yi)次枝(zhi)晶臂彼此(ci)相交且沿徑向(xiang)以(yi)幾乎相同的(de)(de)(de)速(su)率向(xiang)四周生長，同時(shi)(shi)不同等軸(zhou)晶間(jian)(jian)不存在任(ren)何確定的(de)(de)(de)位向(xiang)關(guan)系，難(nan)以(yi)通過實驗(yan)對(dui)等軸(zhou)晶的(de)(de)(de)一(yi)次晶間(jian)(jian)距(ju)進(jin)行測(ce)量(liang)，因此(ci)只(zhi)對(dui)CET前柱狀晶的(de)(de)(de)一(yi)次枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)進(jin)行測(ce)量(liang)。圖(tu)2-113給(gei)出(chu)了距(ju)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)鑄錠(ding)底部(bu)115mm的(de)(de)(de)高度處(chu)一(yi)次枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)入1和(he)(he)(he)(he)二(er)次枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)x2的(de)(de)(de)變化規律(lv)，在某一(yi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，沿徑向(xiang)由鑄錠(ding)邊部(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)移動的(de)(de)(de)過程中(zhong)，1和(he)(he)(he)(he)x2逐(zhu)漸增大；當壓(ya)(ya)力(li)從0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時(shi)(shi)，1和(he)(he)(he)(he)入2均呈減小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)趨勢(shi)。基于(yu)埋(mai)設熱電偶的(de)(de)(de)測(ce)溫結果(guo)和(he)(he)(he)(he)式（2-195)可得，2nd和(he)(he)(he)(he)4h測(ce)溫位置處(chu)局部(bu)凝(ning)固時(shi)(shi)間(jian)(jian)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)增加(jia)而縮短，如(ru)圖(tu)2-113(a)所(suo)示，從而導致x2的(de)(de)(de)減小(xiao)(xiao)。對(dui)比(bi)可知，枝(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)（λ和(he)(he)(he)(he)ん）和(he)(he)(he)(he)局部(bu)凝(ning)固時(shi)(shi)間(jian)(jian)沿徑向(xiang)和(he)(he)(he)(he)隨壓(ya)(ya)力(li)變化趨勢(shi)的(de)(de)(de)實驗(yan)與模擬(ni)結果(guo)一(yi)致。

  綜上所(suo)(suo)述，增(zeng)加壓力能夠明顯(xian)減小枝(zhi)晶間(jian)距（x1和x2),縮短局部凝(ning)固時(shi)間(jian)，細化凝(ning)固組織。鑄錠(ding)邊(bian)部和心(xin)部試樣的(de)枝(zhi)晶形貌如圖2-114所(suo)(suo)示(shi)，進一步佐證了增(zeng)加壓力具有(you)明顯(xian)細化枝(zhi)晶組織的(de)作用，且對(dui)柱狀(zhuang)晶的(de)影(ying)響大(da)于(yu)中心(xin)等(deng)軸(zhou)晶。

3. 晶粒數

  鑄錠內晶(jing)(jing)粒數與晶(jing)(jing)粒臨(lin)界形(xing)核半徑和形(xing)核率有直接的關(guan)系，晶(jing)(jing)粒臨(lin)界形(xing)核半徑為：

  其中(zhong)，Nm為(wei)與液相線溫度(du)、凝(ning)(ning)固潛熱、擴散激活(huo)能以(yi)及表面張力(li)(li)(li)有關的(de)(de)系數(shu)。圖2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄錠(ding)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)變(bian)化規律(lv)。壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)(jia)到1.2MPa時，中(zhong)心等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區的(de)(de)寬(kuan)度(du)逐漸減小，最小值為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄錠(ding)180mm(高）x56mm(寬(kuan)）等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)變(bian)化規律(lv)如圖2-115所示(shi)。當(dang)凝(ning)(ning)固壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)(jia)到0.85MPa時，晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)目從9166增(zeng)加(jia)(jia)到9551;當(dang)凝(ning)(ning)固壓(ya)力(li)(li)(li)進一步增(zeng)加(jia)(jia)到1.2MPa時，晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)目增(zeng)加(jia)(jia)到10128.因(yin)此，提高凝(ning)(ning)固壓(ya)力(li)(li)(li)，鑄錠(ding)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)明顯(xian)增(zeng)大(da)。

  在低(di)壓下(xia)，如壓力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)至(zhi)1.2MPa時，液相線溫(wen)度(du)(du)(du)、凝(ning)固潛(qian)(qian)熱、擴(kuo)散激活能以(yi)及表面張力(li)(li)的(de)變量(liang)非常小，幾乎可以(yi)忽略(lve)，這(zhe)樣可以(yi)假設(she)Nm在0.5MPa、晶(jing)粒數(shu)(shu)(shu)0.85MPa和(he)1.2MPa下(xia)相等，近似為常數(shu)(shu)(shu)。提(ti)高(gao)壓力(li)(li)能夠明顯地增(zeng)大(da)(da)鑄(zhu)錠(ding)的(de)溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)越(yue)大(da)(da)，單位時間內(nei)(nei)從糊狀區內(nei)(nei)導(dao)出結晶(jing)潛(qian)(qian)熱的(de)量(liang)越(yue)大(da)(da)，進而提(ti)高(gao)了(le)糊狀區內(nei)(nei)過(guo)冷度(du)(du)(du)；反之亦(yi)然，這(zhe)意味著糊狀區過(guo)冷度(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)隨(sui)壓力(li)(li)的(de)變化趨勢相同，即隨(sui)著壓力(li)(li)的(de)提(ti)高(gao)而增(zeng)大(da)(da)。結合式（2-193)和(he)式（2-197)可知，隨(sui)著糊狀區內(nei)(nei)過(guo)冷度(du)(du)(du)ΔT的(de)增(zeng)加，晶(jing)粒臨界形(xing)核(he)半徑rk減小，形(xing)核(he)率Na增(zeng)大(da)(da)，有助(zhu)于提(ti)高(gao)鑄(zhu)錠(ding)內(nei)(nei)晶(jing)粒數(shu)(shu)(shu)。因此，增(zeng)加壓力(li)(li)有利(li)于增(zeng)加晶(jing)粒數(shu)(shu)(shu)。

  距(ju)離(li)(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)130mm的(de)(de)(de)(de)(de)高度(du)(du)(du)處，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)規(gui)律(lv)如圖(tu)2-116所示。在(zai)某一凝固壓(ya)力(li)(li)下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數目最大(da)(da)，隨著離(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)距(ju)離(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，由于(yu)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)內(nei)過冷度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減小，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數也隨之減少。隨著壓(ya)力(li)(li)提高，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數均呈增(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢，且柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)內(nei)軸向切(qie)片上(shang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量明顯(xian)大(da)(da)于(yu)中(zhong)心等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。因為在(zai)壓(ya)力(li)(li)強化(hua)冷卻的(de)(de)(de)(de)(de)作用下，整個鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)均有(you)增(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢，導致糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)內(nei)過冷度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加。同時，由于(yu)距(ju)離(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)(zhu)型換(huan)熱界面越近(jin)，溫度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)受界面換(huan)熱的(de)(de)(de)(de)(de)影響越大(da)(da)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)溫度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)隨壓(ya)力(li)(li)變化(hua)趨(qu)勢越明顯(xian)，進(jin)而增(zeng)加凝固壓(ya)力(li)(li)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)溫度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量明顯(xian)大(da)(da)于(yu)心部(bu)，從(cong)而導致離(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)較近(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量明顯(xian)大(da)(da)于(yu)中(zhong)心等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。

二、疏松縮孔

  鑄錠產(chan)(chan)(chan)生(sheng)疏松縮(suo)(suo)(suo)孔的(de)基本原(yuan)因(yin)是(shi)(shi)鑄錠從(cong)(cong)澆注溫(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻(que)至固(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)時(shi)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的(de)體收(shou)縮(suo)(suo)(suo)（液(ye)(ye)(ye)(ye)態收(shou)縮(suo)(suo)(suo)和凝固(gu)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)之和）大于固(gu)態收(shou)縮(suo)(suo)(suo)。當鋼液(ye)(ye)(ye)(ye)從(cong)(cong)澆注溫(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻(que)至液(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)時(shi)所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的(de)體收(shou)縮(suo)(suo)(suo)為(wei)(wei)液(ye)(ye)(ye)(ye)態收(shou)縮(suo)(suo)(suo)，鋼液(ye)(ye)(ye)(ye)進(jin)一步從(cong)(cong)液(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻(que)至固(gu)相(xiang)(xiang)線溫(wen)度(du)時(shi)（即發(fa)生(sheng)凝固(gu)相(xiang)(xiang)變時(shi)）所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的(de)體收(shou)縮(suo)(suo)(suo)為(wei)(wei)凝固(gu)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)［87],固(gu)態收(shou)縮(suo)(suo)(suo)是(shi)(shi)指固(gu)相(xiang)(xiang)在冷(leng)(leng)卻(que)過程(cheng)中所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的(de)體收(shou)縮(suo)(suo)(suo)。疏松縮(suo)(suo)(suo)孔的(de)出現(xian)嚴(yan)重降低了鑄錠的(de)力(li)學(xue)和耐腐蝕性(xing)能(neng)以及成材率(lv)，是(shi)(shi)鑄錠的(de)嚴(yan)重缺陷(xian)之一。

 在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)鑄錠內出現體(ti)(ti)(ti)積小而(er)彌散的(de)空洞為(wei)疏(shu)松，體(ti)(ti)(ti)積大且(qie)集中(zhong)的(de)為(wei)縮孔。疏(shu)松由在糊狀區(qu)內液相體(ti)(ti)(ti)積分(fen)數降到一定程度時，液相流(liu)(liu)動(dong)困難，液態收(shou)縮與凝(ning)固(gu)收(shou)縮之和超(chao)過固(gu)態收(shou)縮的(de)那部(bu)分(fen)收(shou)縮量無法得到補縮所導致(zhi)，因而(er)疏(shu)松的(de)形成與枝(zhi)晶間液相的(de)流(liu)(liu)動(dong)有密切關(guan)聯［72,87].在糊狀區(qu)內，體(ti)(ti)(ti)收(shou)縮主要由凝(ning)固(gu)收(shou)縮組成，且(qie)為(wei)枝(zhi)晶間液體(ti)(ti)(ti)流(liu)(liu)動(dong)的(de)主要驅動(dong)力，因而(er)枝(zhi)晶間液相的(de)流(liu)(liu)速u可(ke)表示為(wei)

  式(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其(qi)中，Pt為(wei)(wei)鋼液靜(jing)壓力，Pf=pgh;Ps為(wei)(wei)凝(ning)(ning)固壓力）。結(jie)(jie)合式(shi)（2-202)可知，增加凝(ning)(ning)固壓力，Px增大，強化了枝(zhi)晶(jing)間液相的(de)(de)補(bu)縮能(neng)力，進而有助于避免(mian)疏(shu)松的(de)(de)形成［91].此外，糊狀區越(yue)寬，枝(zhi)晶(jing)網狀結(jie)(jie)構(gou)越(yue)復雜，枝(zhi)晶(jing)間補(bu)縮的(de)(de)距離越(yue)長阻(zu)力越(yue)大，滲(shen)透率K越(yue)小，疏(shu)松越(yue)容易形成。因(yin)此，疏(shu)松易于在(zai)糊狀區較(jiao)(jiao)寬的(de)(de)鑄錠(ding)以體積(ji)凝(ning)(ning)固或同時凝(ning)(ning)固方式(shi)凝(ning)(ning)固時形成。相比之下(xia)，縮孔傾向于在(zai)糊狀區較(jiao)(jiao)窄的(de)(de)鑄錠(ding)以逐層凝(ning)(ning)固方式(shi)的(de)(de)凝(ning)(ning)固過程(cheng)中出現(xian)。

  不同(tong)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄錠(ding)(ding)縱剖面上(shang)疏松(song)縮(suo)孔的(de)分布情況如圖(tu)2-117所(suo)示。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)增(zeng)加(jia)(jia)，疏松(song)和(he)縮(suo)孔的(de)總面積大(da)(da)(da)(da)幅(fu)度減小(xiao)，且疏松(song)逐(zhu)漸消失(shi)。由于(yu)(yu)(yu)(yu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)具有顯(xian)著(zhu)的(de)強化(hua)冷(leng)卻(que)效果，增(zeng)大(da)(da)(da)(da)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)，強化(hua)了(le)鑄錠(ding)(ding)和(he)鑄型(xing)間的(de)界面換熱，加(jia)(jia)快了(le)鑄錠(ding)(ding)的(de)冷(leng)卻(que)速率(lv)，從(cong)而增(zeng)大(da)(da)(da)(da)了(le)鑄錠(ding)(ding)溫度梯度Gr;在合金體(ti)系一(yi)定(ding)的(de)情況下，糊狀區隨之確定(ding)，那么糊狀區的(de)寬度隨溫度梯度Gr的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)而減小(xiao)171],進而導(dao)致枝(zhi)晶網狀結(jie)構的(de)形(xing)成受到抑制(zhi)。凝(ning)固(gu)方(fang)式逐(zhu)漸由體(ti)積凝(ning)固(gu)向逐(zhu)層凝(ning)固(gu)過渡，增(zeng)大(da)(da)(da)(da)了(le)滲透率(lv)K,從(cong)而降低和(he)縮(suo)短(duan)枝(zhi)晶間補(bu)縮(suo)時(shi)液相流動的(de)阻力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)距離。此外，基于(yu)(yu)(yu)(yu)以上(shang)理論(lun)分析并(bing)結(jie)合判據(ju)式（2-202)可知，增(zeng)加(jia)(jia)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)等效于(yu)(yu)(yu)(yu)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)了(le)Px,使其遠大(da)(da)(da)(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)枝(zhi)晶間液相補(bu)縮(suo)時(shi)所(suo)需壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)。因此，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)有利(li)于(yu)(yu)(yu)(yu)枝(zhi)晶間液相的(de)補(bu)縮(suo)行為，且有助(zhu)于(yu)(yu)(yu)(yu)大(da)(da)(da)(da)幅(fu)度減小(xiao)或消除疏松(song)缺陷。

三、凝固析(xi)出(chu)相

  根據相(xiang)(xiang)所含非(fei)金(jin)屬元素的種(zhong)類，可(ke)將凝(ning)(ning)固析出相(xiang)(xiang)分為氮化物、碳化物等(deng)，與(yu)碳化物相(xiang)(xiang)比，氮化物尺(chi)寸一般較小(xiao)，為了更加(jia)清楚(chu)直觀地論述(shu)增加(jia)壓力對凝(ning)(ning)固析出相(xiang)(xiang)的影響(xiang)，本節將著重以(yi)高速鋼M42中碳化物為例，闡述(shu)壓力對凝(ning)(ning)固析出相(xiang)(xiang)的類型、形貌、成(cheng)分等(deng)影響(xiang)規律。

  高(gao)(gao)速(su)鋼(gang)(gang)(gang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)數量繁多、種類(lei)各(ge)異(yi)。不同(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特(te)性不同(tong)(tong)(tong)、成(cheng)(cheng)分(fen)不同(tong)(tong)(tong)、形貌(mao)也各(ge)有(you)差(cha)異(yi)；按照碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形貌(mao)特(te)征及(ji)生成(cheng)(cheng)機制的(de)(de)不同(tong)(tong)(tong)，可(ke)將高(gao)(gao)速(su)鋼(gang)(gang)(gang)中碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)為一(yi)(yi)次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)和(he)(he)二次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)兩大部(bu)分(fen)。一(yi)(yi)次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)又稱為“初(chu)生碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝(ning)固(gu)過程中直接(jie)從液相中析出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，包(bao)括(kuo)各(ge)種先共(gong)晶和(he)(he)共(gong)晶碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，有(you)M6C、M2C、MC等(deng)不同(tong)(tong)(tong)類(lei)型。一(yi)(yi)次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺寸比較(jiao)大，屬于微米級(ji)別，在(zai)后續熱(re)加工和(he)(he)熱(re)處理(li)工藝中將被破碎或分(fen)解成(cheng)(cheng)尺寸較(jiao)小的(de)(de)顆粒(li)狀存(cun)在(zai)于鋼(gang)(gang)(gang)中。二次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是指(zhi)在(zai)凝(ning)固(gu)過程中或熱(re)處理(li)時(shi)從固(gu)相基體（高(gao)(gao)溫鐵素(su)體、奧(ao)氏體、馬(ma)氏體等(deng)）中析出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，分(fen)為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等(deng)不同(tong)(tong)(tong)類(lei)型。高(gao)(gao)速(su)鋼(gang)(gang)(gang)中碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)成(cheng)(cheng)分(fen)波(bo)動(dong)范(fan)圍較(jiao)大，不同(tong)(tong)(tong)鋼(gang)(gang)(gang)種、不同(tong)(tong)(tong)條件產生的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)一(yi)(yi)類(lei)型的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)也會有(you)不同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)成(cheng)(cheng)分(fen)，甚至同(tong)(tong)(tong)一(yi)(yi)粒(li)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)不同(tong)(tong)(tong)部(bu)位，也會有(you)成(cheng)(cheng)分(fen)的(de)(de)差(cha)異(yi)。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形貌(mao)、成(cheng)(cheng)分(fen)及(ji)分(fen)布見表2-14.

  M2C具有(you)(you)密排六(liu)方晶(jing)體結構(gou)［172-175,179],其主(zhu)要形(xing)成(cheng)(cheng)元素通常是鉬、釩和(he)鎢，鉻及鐵的(de)(de)含(han)量則較少。M2C 共(gong)晶(jing)碳化物一般以亞(ya)穩態存在于鋼中。尺(chi)(chi)寸較小(xiao)、片層較薄且沒(mei)有(you)(you)中間(jian)脊骨，在高溫時(shi)易發生分解(jie)反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解(jie)成(cheng)(cheng)尺(chi)(chi)寸較小(xiao)的(de)(de)顆粒(li)狀M6C和(he)MC。此(ci)外，與M6C相反，鋼液凝固(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻速(su)(su)率越快，越有(you)(you)利(li)于M2C的(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)。因(yin)此(ci)，提(ti)高鑄錠(ding)凝固(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻速(su)(su)率有(you)(you)利(li)于促(cu)進M2C的(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)并細化M2C,同時(shi)可抑制較大尺(chi)(chi)寸M6Cl。

  M6C具有復雜立方(fang)晶體結構，其結構中除碳原子(zi)以外，鐵、鎢(wu)原子(zi)約各占一半。M6C屬于穩(wen)定(ding)型碳化(hua)(hua)物，其形(xing)態為粗(cu)大的骨(gu)骼(ge)狀。鋼液凝固(gu)時(shi)冷(leng)卻速率越慢(man)，M6C碳化(hua)(hua)物越易于形(xing)成和長大。因(yin)此，M6C在高(gao)速鋼的心部往(wang)往(wang)含(han)量較高(gao)，而(er)邊部較少或沒有。加快(kuai)鑄錠凝固(gu)時(shi)的冷(leng)卻速率有利于細化(hua)(hua)M6C,提高(gao)鑄錠性能。

  MC具(ju)有(you)(you)面心立方結(jie)構(gou)(gou)(gou)，化(hua)(hua)學式(shi)為(wei)(wei)(wei)MC或者M4C3,其成(cheng)分以釩為(wei)(wei)(wei)主。鋼中(zhong)碳、釩含量的(de)增(zeng)大可使MC增(zeng)多(duo)，尺寸變大。高速鋼中(zhong)還(huan)有(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)。M23C6晶(jing)體結(jie)構(gou)(gou)(gou)為(wei)(wei)(wei)復雜面心立方結(jie)構(gou)(gou)(gou)，具(ju)有(you)(you)一定(ding)量的(de)鎢、鉬(mu)，釩含量極少(shao)，含有(you)(you)大量的(de)鉻、鐵元素(su)；與M2C相同，M3C也是(shi)亞穩態相。M7C3為(wei)(wei)(wei)復雜六方晶(jing)體結(jie)構(gou)(gou)(gou)，含有(you)(you)較多(duo)的(de)鉻、鐵，主要(yao)存在于碳含量較高的(de)鋼中(zhong)。高速鋼中(zhong)碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)具(ju)有(you)(you)兩(liang)個重要(yao)的(de)特性(xing)：硬度和(he)熱穩定(ding)性(xing)（加熱時溶(rong)解、聚集長大的(de)難度）。這些特性(xing)反映了碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)中(zhong)碳和(he)金(jin)屬(shu)原(yuan)子(zi)(zi)結(jie)合鍵的(de)強弱(ruo)，與原(yuan)子(zi)(zi)結(jie)構(gou)(gou)(gou)和(he)尺寸有(you)(you)關。碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)晶(jing)格結(jie)構(gou)(gou)(gou)與碳原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)rc、金(jin)屬(shu)原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)rx有(you)(you)關，如(ru)表(biao)2-15所示，rd/rx值越(yue)(yue)大，則越(yue)(yue)易(yi)形成(cheng)結(jie)構(gou)(gou)(gou)復雜的(de)碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)(yue)小(xiao)則易(yi)形成(cheng)結(jie)構(gou)(gou)(gou)簡單密堆型(xing)碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)（MC等(deng)）。表(biao)中(zhong)熔點(dian)可作為(wei)(wei)(wei)碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)熱穩定(ding)性(xing)的(de)衡量指(zhi)標，可見(jian)碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)中(zhong)原(yuan)子(zi)(zi)尺寸越(yue)(yue)接近，則碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)穩定(ding)性(xing)越(yue)(yue)高。

 1. 壓力對(dui)萊氏體的影響(xiang)

  凝固末期(qi)，由(you)于偏析導致合金元素在(zai)(zai)枝晶間(jian)(jian)(jian)殘余液相(xiang)內富(fu)集發生(sheng)共晶反(fan)應，從液相(xiang)中直接生(sheng)成碳化物，它與(yu)奧氏(shi)體(ti)相(xiang)間(jian)(jian)(jian)排列，構(gou)成萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)。因此高速鋼(gang)的(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)往(wang)往(wang)存在(zai)(zai)于枝晶間(jian)(jian)(jian)。圖2-118為M2高速鋼(gang)的(de)低倍鑄(zhu)態組(zu)(zu)織(zhi)，可見一般情(qing)況下，相(xiang)鄰晶粒之間(jian)(jian)(jian)的(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)較(jiao)為細小，數(shu)量(liang)較(jiao)少，而多(duo)個(ge)晶粒之間(jian)(jian)(jian)的(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)尺寸較(jiao)大，數(shu)量(liang)較(jiao)多(duo)。

  高速鋼的(de)萊氏體組織中含有(you)多(duo)種(zhong)類型的(de)碳化物，如(ru)(ru)M2C、M6C、MC等。M6C整體形貌類似魚(yu)骨，故(gu)又稱(cheng)為“魚(yu)骨狀(zhuang)(zhuang)碳化物”，如(ru)(ru)圖(tu)2-119所(suo)示(shi)；M2C成片層(ceng)狀(zhuang)(zhuang)，含有(you)M2C的(de)共晶萊氏體具有(you)“羽毛狀(zhuang)(zhuang)”、“扇(shan)狀(zhuang)(zhuang)”、“菊花(hua)狀(zhuang)(zhuang)”等形貌，如(ru)(ru)圖(tu)2-120所(suo)示(shi)；MC的(de)生(sheng)長時(shi)間較長，最終尺寸較為粗大，往(wang)往(wang)以不規(gui)則的(de)條狀(zhuang)(zhuang)出(chu)現，如(ru)(ru)圖(tu)2-120所(suo)示(shi)。

  a. 碳化物種(zhong)類(lei)及分布

   高(gao)(gao)速(su)鋼中碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)種類與成(cheng)(cheng)分和(he)(he)凝固(gu)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻速(su)率密不可分。M42 高(gao)(gao)速(su)工具鋼作為高(gao)(gao)鉬低(di)鎢鋼，其(qi)凝固(gu)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)主(zhu)要(yao)(yao)為M2C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)；另外含(han)(han)有(you)少部(bu)分M6C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)，主(zhu)要(yao)(yao)存(cun)在(zai)于(yu)鑄錠的(de)(de)(de)心(xin)部(bu)區(qu)域。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)(gao)速(su)鋼鑄錠在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下1/4圓鑄錠板金相組(zu)(zu)(zu)織(zhi)。白(bai)色(se)斑點狀(zhuang)處的(de)(de)(de)萊(lai)(lai)氏體組(zu)(zu)(zu)織(zhi)中的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)為具有(you)中心(xin)脊(ji)骨(gu)(gu)(gu)，脊(ji)骨(gu)(gu)(gu)兩邊(bian)具有(you)平行分枝的(de)(de)(de)魚骨(gu)(gu)(gu)狀(zhuang)M6C.M6C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)尺寸比(bi)M2C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)粗(cu)大得(de)多且(qie)結構上(shang)相互連接(jie)緊(jin)密，極不利于(yu)鑄錠的(de)(de)(de)后(hou)續碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)破碎，因此盡可能(neng)(neng)減少或避免凝固(gu)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)中M6C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)，有(you)助(zhu)于(yu)提升其(qi)力(li)學性能(neng)(neng)等。隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大，萊(lai)(lai)氏體（白(bai)色(se)斑點）所占1/4圓鑄錠板的(de)(de)(de)面積比(bi)例逐漸減小，加壓(ya)有(you)助(zhu)于(yu)抑制M6C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)與長(chang)大，其(qi)主(zhu)要(yao)(yao)原因在(zai)于(yu)在(zai)較低(di)壓(ya)力(li)下，加壓(ya)對凝固(gu)熱(re)力(li)學和(he)(he)動(dong)力(li)學參(can)數(shu)的(de)(de)(de)影響(xiang)十分有(you)限，但強化(hua)(hua)(hua)冷(leng)(leng)卻效果十分明同時凝固(gu)過(guo)程(cheng)中冷(leng)(leng)卻速(su)率越小，越有(you)利于(yu)魚骨(gu)(gu)(gu)狀(zhuang)M6C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)M6C越粗(cu)大。因而(er)增(zeng)加壓(ya)力(li)主(zhu)要(yao)(yao)通(tong)過(guo)增(zeng)大鑄錠和(he)(he)鑄型(xing)間界面換熱(re)系數(shu)，提高(gao)(gao)鑄錠的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻速(su)率從而(er)細(xi)化(hua)(hua)(hua)并抑制M6C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)當壓(ya)力(li)增(zeng)加到一定程(cheng)度時，能(neng)(neng)夠完全(quan)抑制富含(han)(han)M6C的(de)(de)(de)萊(lai)(lai)氏體形(xing)成(cheng)(cheng)，消除(chu)其(qi)對組(zu)(zu)(zu)織(zhi)和(he)(he)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)不良影響(xiang)。

   圖2-121(b)所示萊氏(shi)體(ti)組織(zhi)中碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)(wu)為長(chang)條狀(zhuang)或者短棒狀(zhuang)的(de)(de)(de)M2C.凝固壓(ya)力(li)不同，M2C的(de)(de)(de)尺(chi)寸、形貌以及分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)緊密程度等均有(you)所不同。在0.1MPa壓(ya)力(li)下(xia)，碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)(wu)分(fen)枝(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)少、片(pian)層較(jiao)(jiao)(jiao)長(chang)、尺(chi)寸較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)、間(jian)距(ju)較(jiao)(jiao)(jiao)寬、共晶(jing)(jing)萊氏(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)(jing)臂的(de)(de)(de)界(jie)面較(jiao)(jiao)(jiao)平整；隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增加，條狀(zhuang)或片(pian)層狀(zhuang)碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)間(jian)距(ju)逐(zhu)漸(jian)減小，且開始斷開成大(da)量的(de)(de)(de)短棒碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)(wu)，碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)分(fen)枝(zhi)也(ye)逐(zhu)漸(jian)增多，并(bing)密集分(fen)布(bu)在枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)，共晶(jing)(jing)萊氏(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)(jing)臂的(de)(de)(de)界(jie)面也(ye)較(jiao)(jiao)(jiao)為粗糙。此外(wai)，三個壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)M2C幾乎沒有(you)晶(jing)(jing)體(ti)缺陷(xian)，明壓(ya)力(li)很難(nan)對碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)(wu)(wu)晶(jing)(jing)格類(lei)型產(chan)生影響。

  b. 萊(lai)氏體尺寸

   萊氏體(ti)組織(zhi)存在于枝晶(jing)間(jian)，與枝晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)、形貌及分布密切(qie)相關，枝晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)越(yue)小，枝晶(jing)間(jian)萊氏體(ti)尺寸(cun)也相應地細小且均勻分布。圖2-124和(he)圖2-125給出(chu)了不同壓(ya)力(li)條件(jian)下(xia)M42鑄(zhu)錠邊部(bu)和(he)心部(bu)萊氏體(ti)形貌和(he)尺寸(cun)分布，無論是(shi)鑄(zhu)錠的(de)邊部(bu)還是(shi)心部(bu)，尺寸(cun)不一的(de)萊氏體(ti)組織(zhi)（黑色）均分布在枝晶(jing)間(jian)。在同一凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)條件(jian)下(xia)，鑄(zhu)錠邊部(bu)的(de)枝晶(jing)間(jian)距(ju)(ju)明顯小于心部(bu)，因而(er)心部(bu)萊氏體(ti)要比邊部(bu)粗大。

   隨著壓(ya)力的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)(da)，在壓(ya)力強化(hua)(hua)(hua)冷卻的(de)作(zuo)用下，冷卻速率增(zeng)大(da)(da)(da)(da)(da)，鑄錠局部凝固時(shi)間縮(suo)短，使得枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)得到(dao)了明顯(xian)細(xi)化(hua)(hua)(hua)且尺(chi)寸分(fen)(fen)布更(geng)均(jun)(jun)勻(yun)(yun)，進(jin)而導(dao)致分(fen)(fen)布在枝(zhi)晶間的(de)萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)也隨之細(xi)化(hua)(hua)(hua)，厚(hou)度大(da)(da)(da)(da)(da)大(da)(da)(da)(da)(da)減小且分(fen)(fen)布更(geng)加均(jun)(jun)勻(yun)(yun)。在0.1MPa 壓(ya)力下，無論在邊(bian)部還是心部位置，鑄錠的(de)萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)均(jun)(jun)較為粗(cu)大(da)(da)(da)(da)(da)，且尺(chi)寸分(fen)(fen)布極不(bu)均(jun)(jun)勻(yun)(yun)，部分(fen)(fen)局部區域存在著大(da)(da)(da)(da)(da)量的(de)黑(hei)色萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)，尤其在多個枝(zhi)晶臂交匯處，且尺(chi)寸異常粗(cu)大(da)(da)(da)(da)(da)。當(dang)壓(ya)力增(zeng)加至(zhi)1MPa時(shi)，粗(cu)大(da)(da)(da)(da)(da)萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)得到(dao)明顯(xian)細(xi)化(hua)(hua)(hua)，且尺(chi)寸分(fen)(fen)布更(geng)加均(jun)(jun)勻(yun)(yun)；當(dang)壓(ya)力進(jin)一步(bu)增(zeng)加至(zhi)2MPa時(shi)，萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)得到(dao)進(jin)一步(bu)地改善(shan)(shan)，組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)更(geng)加細(xi)密，尺(chi)寸更(geng)加均(jun)(jun)勻(yun)(yun)，粗(cu)大(da)(da)(da)(da)(da)萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)基本消失。萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)平均(jun)(jun)尺(chi)寸隨壓(ya)力的(de)變化(hua)(hua)(hua)規律如圖(tu)2-126所示，壓(ya)力從0.1MPa增(zeng)加至(zhi)2MPa時(shi)，萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)厚(hou)度由28.37μm降低至(zhi)22.92μm.因(yin)此，增(zeng)加壓(ya)力能夠明顯(xian)細(xi)化(hua)(hua)(hua)萊氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)，改善(shan)(shan)其分(fen)(fen)布狀(zhuang)態。

 2. 壓力對碳(tan)化物(wu)的(de)影響(xiang)

  a. 碳化物尺寸(cun)

   以(yi)高速鋼中(zhong)M2C共(gong)晶碳化(hua)物(wu)為(wei)例，M2C共(gong)晶碳化(hua)物(wu)是(shi)通過(guo)凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)共(gong)晶反應L→y+M2C產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)。和(he)(he)純金(jin)屬及固(gu)溶(rong)體(ti)合金(jin)的(de)(de)(de)(de)結晶過(guo)程一樣(yang)，共(gong)晶轉變(bian)(bian)同樣(yang)需要經過(guo)形核與長大的(de)(de)(de)(de)過(guo)程。結合式（2-178)和(he)(he)式（2-179),東北(bei)大學特殊鋼冶金(jin)研(yan)究所在(zai)控制溫度(du)不變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)基礎上(shang)，計(ji)算了不同壓(ya)(ya)力(li)(li)下各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)在(zai)兩相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)，探討凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)與擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)的(de)(de)(de)(de)關系(xi)。凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)溫度(du)T=1478K時(shi)，合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)（鉬(mu)(mu)、鎢(wu)(wu)、釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)(ge)）在(zai)M2C相和(he)(he)奧氏體(ti)相γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)D隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)規律如圖2-127和(he)(he)圖2-128所示(shi)；從整體(ti)上(shang)看，隨(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)逐(zhu)漸(jian)增大，同溫度(du)M2C相中(zhong)的(de)(de)(de)(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)鉬(mu)(mu)和(he)(he)鎢(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)D呈減小(xiao)趨勢，而(er)(er)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)(ge)則呈增大的(de)(de)(de)(de)趨勢，表明(ming)提高壓(ya)(ya)力(li)(li)可(ke)增大M2C中(zhong)鉬(mu)(mu)、鎢(wu)(wu)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)ΔGm,進而(er)(er)降低其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)；同時(shi)降低釩(fan)、鉻(ge)(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)ΔGm,從而(er)(er)提高其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)(li)。然而(er)(er)，當壓(ya)(ya)力(li)(li)在(zai)0.1~2MPa范圍(wei)內變(bian)(bian)化(hua)時(shi)，各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)微乎其(qi)微，即保持恒定值。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)逐(zhu)漸(jian)增大到50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)鉬(mu)(mu)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)才開始產(chan)(chan)生較(jiao)為(wei)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)，鎢(wu)(wu)、釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)甚至在(zai)100MPa壓(ya)(ya)力(li)(li)下仍未產(chan)(chan)生變(bian)(bian)化(hua)。因此低壓(ya)(ya)下，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)可(ke)忽略不計(ji)。

  的增大(da)而(er)降低，鉻(ge)元(yuan)素的擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數則(ze)隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力的增大(da)而(er)增加，如圖2-128所示。即增大(da)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力具有提高奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體γ相(xiang)中合(he)金元(yuan)素鉬(mu)、鎢和(he)釩(fan)的擴(kuo)散(san)(san)(san)激活(huo)(huo)能(neng)ΔGm,降低其擴(kuo)散(san)(san)(san)能(neng)力以及減小元(yuan)素鉻(ge)的擴(kuo)散(san)(san)(san)激活(huo)(huo)能(neng)ΔGm和(he)增大(da)其擴(kuo)散(san)(san)(san)能(neng)力的作用。與M2C差別(bie)在(zai)(zai)(zai)于(yu)，在(zai)(zai)(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體相(xiang)γ中，較(jiao)小的凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力便可發揮比(bi)較(jiao)明(ming)顯的作用，例如：當凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力大(da)于(yu)2MPa時(shi)，元(yuan)素鉻(ge)的擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數隨(sui)壓(ya)(ya)力的增加而(er)明(ming)顯增大(da)；鉬(mu)和(he)釩(fan)元(yuan)素則(ze)在(zai)(zai)(zai)10MPa時(shi)開始隨(sui)壓(ya)(ya)力增加而(er)明(ming)顯減小。可見(jian)，在(zai)(zai)(zai)相(xiang)同溫度(du)下(xia)，相(xiang)比(bi)于(yu)M2C相(xiang)，合(he)金元(yuan)素釩(fan)、鎢、鉬(mu)和(he)鉻(ge)在(zai)(zai)(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體γ相(xiang)中的擴(kuo)散(san)(san)(san)情況受(shou)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力的影響更為明(ming)顯。但在(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa的壓(ya)(ya)力范圍內，合(he)金元(yuan)素在(zai)(zai)(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體相(xiang)γ中的擴(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數幾乎保(bao)持不變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時(shi)，各元(yuan)素擴(kuo)散(san)(san)(san)激活(huo)(huo)能(neng)ΔGm也未(wei)發生明(ming)顯變化。

   綜(zong)上所述，在低壓下，影響M2C形(xing)核(he)率的主要因素是隨凝固(gu)壓力增大而(er)顯(xian)著減小的形(xing)核(he)功。增加凝固(gu)壓力可顯(xian)著改善換熱條件(jian)強(qiang)化(hua)(hua)鑄錠冷卻、提(ti)高鑄錠過冷度ΔT,進而(er)降低共晶反應過程中奧氏體相(xiang)γ和M2C相(xiang)的形(xing)核(he)功ΔG*,最終增大M2C的形(xing)核(he)率、減小M2C相(xiang)鄰碳化(hua)(hua)物(wu)的間(jian)距。

  此外，增加壓力使(shi)M2C形核率大大增加，同時強(qiang)化了鑄(zhu)錠冷卻(que)，顯著降低了局部凝(ning)固時間LST,導致加壓下(xia)鑄(zhu)錠同位置的(de)凝(ning)固相對較快，M2C共晶碳化物(wu)生長時間變短，導致M42凝(ning)固組織中M2C碳化物(wu)的(de)尺寸(cun)減(jian)小。這對于(yu)后續的(de)熱處理(li)碳化物(wu)的(de)溶解具有積極的(de)意義。

  圖2-129為不(bu)同凝(ning)固(gu)壓力下M2C共(gong)晶碳化物(wu)在熱處理(li)過程中的(de)(de)(de)元素擴散(san)示(shi)意(yi)圖。隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓力的(de)(de)(de)增(zeng)大，碳化物(wu)由(you)長條狀(zhuang)轉變為短棒(bang)狀(zhuang)，在縱向和橫向上的(de)(de)(de)尺寸(cun)均顯著減小。因(yin)此，在熱處理(li)過程中，碳化物(wu)中的(de)(de)(de)元素由(you)內向外(wai)擴散(san)的(de)(de)(de)平均距離也相應隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓力的(de)(de)(de)增(zeng)大而顯著減小，熱處理(li)效果更加(jia)明顯，熱處理(li)后M42組織的(de)(de)(de)成分更加(jia)均勻，進而有利于提高M42高速鋼的(de)(de)(de)質量(liang)。

  b. 碳化物成分

   M2C的形成元(yuan)素(su)主要包括(kuo)鉬(mu)、鎢(wu)、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)，其中(zhong)(zhong)鉬(mu)元(yuan)素(su)是強(qiang)M2C碳(tan)化物(wu)形成元(yuan)素(su)，也是M2C中(zhong)(zhong)含(han)量最(zui)高的合(he)金元(yuan)素(su)。圖2-130給出了不同(tong)(tong)壓(ya)力(li)下(xia)M2C中(zhong)(zhong)合(he)金元(yuan)素(su)鉬(mu)、鎢(wu)、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)含(han)量，隨著壓(ya)力(li)的增(zeng)大(da)，M2C上的合(he)金元(yuan)素(su)鉬(mu)、鎢(wu)、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)含(han)量均(jun)逐(zhu)漸減(jian)小，而鐵元(yuan)素(su)則逐(zhu)漸增(zeng)大(da)；同(tong)(tong)時，M2C碳(tan)化物(wu)之間基體中(zhong)(zhong)合(he)金元(yuan)素(su)含(han)量則呈(cheng)現相反的規律：鉬(mu)、鎢(wu)、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)元(yuan)素(su)含(han)量逐(zhu)漸增(zeng)大(da)，而鐵元(yuan)素(su)減(jian)少。這表(biao)明(ming)，增(zeng)大(da)的壓(ya)力(li)使(shi)得合(he)金元(yuan)素(su)在M2C共晶碳(tan)化物(wu)中(zhong)(zhong)的分布趨于均(jun)勻(yun)，為后續的處理、熱(re)加工工藝中(zhong)(zhong)碳(tan)化物(wu)的破碎(sui)、溶(rong)解提供良(liang)好(hao)的基礎。

  在(zai)高速鋼中，M2C共晶(jing)碳化(hua)物是通過凝(ning)固過程(cheng)中的(de)(de)共晶(jing)反應(ying)L→M2C+y產(chan)生的(de)(de)，在(zai)這個過程(cheng)中存在(zai)M2C碳化(hua)物相和(he)奧氏體γ相之間的(de)(de)溶(rong)質再分(fen)配［172].在(zai)一定溫度下(xia)，平衡分(fen)配系數(shu)可(ke)表示為固相和(he)液相中的(de)(de)元素濃(nong)度之比：

   式(shi)中，Cs和(he)(he)(he)CL分別表示在凝(ning)固(gu)過程(cheng)中，元素(su)在固(gu)相(xiang)和(he)(he)(he)液(ye)相(xiang)中的(de)平(ping)衡(heng)濃(nong)度。共晶(jing)反應L→M2C+y是在凝(ning)固(gu)末期(qi)發生的(de)，圖2-131給(gei)出了不同壓(ya)力(li)下的(de)M42高(gao)速鋼凝(ning)固(gu)時共晶(jing)反應過程(cheng)中M2C碳化物相(xiang)和(he)(he)(he)奧氏體(ti)γ相(xiang)中各元素(su)的(de)單相(xiang)平(ping)衡(heng)分配系數。

  式(shi)中(zhong)(zhong)，Cs和C1分(fen)別表示在(zai)(zai)凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)，元素(su)在(zai)(zai)固(gu)相和液相中(zhong)(zhong)的(de)平衡濃度。共(gong)晶(jing)反應(ying)L→M2C+y是在(zai)(zai)凝固(gu)末(mo)期發生的(de)［172,180,181],圖2-131給出了不同壓力下的(de)M42高(gao)速鋼凝固(gu)時共(gong)晶(jing)反應(ying)過程中(zhong)(zhong)M2C碳化物相和奧氏(shi)體(ti)y相中(zhong)(zhong)各(ge)元素(su)的(de)單相平衡分(fen)配(pei)系數。

  隨壓力的增加，共晶反應過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)鉬(mu)元素在(zai)(zai)M2C和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)中(zhong)(zhong)的分(fen)(fen)配(pei)(pei)系(xi)(xi)數具有升(sheng)高的趨勢(shi)并(bing)逐漸靠近1.基于(yu)(yu)(yu)熱(re)力學(xue)分(fen)(fen)析(xi)，在(zai)(zai)M42鑄錠(ding)凝固時(shi)(shi)的共晶反應過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，增大壓力可使鉬(mu)元素在(zai)(zai)M2C碳(tan)化(hua)(hua)物相(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)中(zhong)(zhong)的含量(liang)增大。凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)M2C碳(tan)化(hua)(hua)物相(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)中(zhong)(zhong)的鉬(mu)元素平衡分(fen)(fen)配(pei)(pei)系(xi)(xi)數增量(liang)變化(hua)(hua)規律如圖(tu)2-132所(suo)示(shi)，在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa時(shi)(shi)，M2C碳(tan)化(hua)(hua)物相(xiang)中(zhong)(zhong)的鉬(mu)元素平衡分(fen)(fen)配(pei)(pei)系(xi)(xi)數增量(liang)始終大于(yu)(yu)(yu)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)中(zhong)(zhong)的平衡分(fen)(fen)配(pei)(pei)系(xi)(xi)數增量(liang)。由此(ci)可知，共晶反應過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，相(xiang)比于(yu)(yu)(yu)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)，鉬(mu)元素更偏向于(yu)(yu)(yu)在(zai)(zai)M2C相(xiang)中(zhong)(zhong)富集(ji)。

  在(zai)(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa壓力范(fan)圍內(nei)，加(jia)壓對(dui)Mo元(yuan)素(su)的(de)平衡分配系數(shu)影響非常小，變化(hua)量為(wei)(wei)10-6~10-5,可忽略(lve)不(bu)(bu)計，因而在(zai)(zai)(zai)(zai)低壓范(fan)圍內(nei)，增(zeng)加(jia)壓力不(bu)(bu)能通過改變元(yuan)素(su)平衡分配系數(shu)而影響相(xiang)成(cheng)分。除平衡分配系數(shu)以外，鑄錠凝固過程(cheng)中(zhong)溶質的(de)分配情況與元(yuan)素(su)的(de)傳(chuan)質行(xing)為(wei)(wei)有關。在(zai)(zai)(zai)(zai)M42鑄錠凝固末期(qi)的(de)共晶反(fan)應(ying)(ying)L→M2C+y過程(cheng)中(zhong)存在(zai)(zai)(zai)(zai)M2C碳化(hua)物相(xiang)和(he)奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)之間的(de)溶質再分配：液相(xiang)中(zhong)的(de)M2C形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)（鉬、鎢、釩(fan)和(he)鉻）通過凝固前沿固／液界面向M2C碳化(hua)物相(xiang)富集，同(tong)時奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)（鈷、鐵(tie)）則向奧氏(shi)體(ti)相(xiang)富集，整個反(fan)應(ying)(ying)發生在(zai)(zai)(zai)(zai)凝固末期(qi)的(de)枝晶間小熔池內(nei)，此時液相(xiang)流(liu)動很弱，元(yuan)素(su)對(dui)流(liu)傳(chuan)質行(xing)為(wei)(wei)可忽略(lve)，因而溶質的(de)分配主要(yao)與相(xiang)中(zhong)元(yuan)素(su)的(de)擴散傳(chuan)質行(xing)為(wei)(wei)有關。

  根據菲(fei)克第一(yi)定律公式（2-178)可知，擴(kuo)(kuo)散系數(shu)D與(yu)溫度(du)T呈反比關(guan)系。圖2-133為(wei)2MPa下M2C形(xing)成(cheng)元素的擴(kuo)(kuo)散系數(shu)隨溫度(du)的變化(hua)關(guan)系。在凝固(gu)壓(ya)力不變時，溫度(du)的降低(di)會顯(xian)著減小(xiao)擴(kuo)(kuo)散系數(shu)，在低(di)壓(ya)范圍內，相對(dui)于凝固(gu)壓(ya)力變化(hua)，溫度(du)變化(hua)對(dui)擴(kuo)(kuo)散系數(shu)D具有更明顯(xian)的影響。

  增大(da)壓(ya)力具(ju)有(you)顯著強化冷(leng)(leng)卻和(he)減少鑄錠(ding)局(ju)部凝固時間的(de)作用。由此可知(zhi)，對于0.1MPa、1MPa和(he)2MPa壓(ya)力下的(de)鑄錠(ding)凝固過程，在(zai)相同(tong)的(de)凝固時間內(nei)，在(zai)較高壓(ya)力下凝固的(de)鑄錠(ding)冷(leng)(leng)卻更快(kuai)，溫度更低(di)(di)，其元素擴(kuo)散系(xi)數則相對較低(di)(di)，導(dao)致元素擴(kuo)散速率(lv)減小，使(shi)得M2C共晶碳(tan)(tan)化物(wu)中(zhong)釩、鎢、鉻和(he)鉬元素含量降低(di)(di)，碳(tan)(tan)化物(wu)間基體的(de)合金(jin)元素含量升(sheng)高，降低(di)(di)了(le)M2C碳(tan)(tan)化物(wu)和(he)奧氏體γ相之間的(de)成分差異(yi)性，提高了(le)M42凝固組織(zhi)成分的(de)均勻(yun)性。

  c. 碳化物(wu)形貌

   M2C碳(tan)化(hua)物(wu)明顯(xian)具(ju)有(you)各向異性的(de)(de)(de)生長方式，形貌(mao)具(ju)有(you)小平(ping)面(mian)向的(de)(de)(de)特(te)性。共(gong)(gong)晶(jing)(jing)組織的(de)(de)(de)形貌(mao)與共(gong)(gong)晶(jing)(jing)過程(cheng)中(zhong)液／固(gu)界面(mian)結(jie)構有(you)密切聯系，金(jin)屬(shu)(shu)相－金(jin)屬(shu)(shu)碳(tan)化(hua)物(wu)相共(gong)(gong)晶(jing)(jing)屬(shu)(shu)于小平(ping)面(mian)相－非小平(ping)面(mian)相共(gong)(gong)晶(jing)(jing)［146].M2C是通(tong)過凝(ning)固(gu)末期枝(zhi)晶(jing)(jing)間熔(rong)池里的(de)(de)(de)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)反(fan)M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)物(wu)形成(cheng)于凝(ning)固(gu)末期枝(zhi)晶(jing)(jing)間殘余液相中(zhong)，根據凝(ning)固(gu)原理(li)。枝(zhi)晶(jing)(jing)間殘余液相中(zhong)元素(su)含(han)量明顯(xian)高于鑄錠標準含(han)量。不同壓(ya)力(li)下(xia)枝(zhi)晶(jing)(jing)間液相中(zhong)各相出現(xian)(xian)的(de)(de)(de)先后順序，如圖2-135所(suo)示，在不同壓(ya)力(li)下(xia)，M2C均(jun)領先奧氏體相γ出現(xian)(xian)。這表明，在共(gong)(gong)晶(jing)(jing)反(fan)應(ying)L→y+M2C過程(cheng)中(zhong)，M2C是領先相。

  在(zai)(zai)(zai)共(gong)(gong)晶凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)快速(su)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)方(fang)向(xiang)率(lv)先進入共(gong)(gong)生(sheng)界面(mian)前(qian)方(fang)的(de)(de)液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)(zhong)，同時在(zai)(zai)(zai)其附近(jin)液(ye)(ye)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)排(pai)出奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)；隨后奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則(ze)依靠此(ci)液(ye)(ye)層(ceng)(ceng)獲(huo)得生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)組元(yuan)，跟(gen)隨著(zhu)M2C一起長(chang)(chang)(chang)(chang)大，同時也向(xiang)液(ye)(ye)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)排(pai)出M2C形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)，如圖2-136所示(shi)(shi)。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)大，凝(ning)固(gu)速(su)率(lv)增(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)均加(jia)快。一方(fang)面(mian)，M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間距隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)大逐漸減小(xiao)(xiao)，即奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)液(ye)(ye)／固(gu)界面(mian)變窄；另(ling)一方(fang)面(mian)，加(jia)壓(ya)使(shi)得枝(zhi)晶間殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)合金(jin)元(yuan)素(su)(su)沒(mei)有足夠時間進行充(chong)分擴散；導致(zhi)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)液(ye)(ye)／固(gu)界面(mian)前(qian)沿合金(jin)元(yuan)素(su)(su)濃度(du)急(ji)劇(ju)增(zeng)大，成(cheng)分過(guo)冷(leng)加(jia)劇(ju)，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)(chang)(chang)大速(su)率(lv)進一步增(zeng)大，使(shi)得M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)差(cha)逐漸縮小(xiao)(xiao)。此(ci)外，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作為非小(xiao)(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)所需過(guo)冷(leng)度(du)遠小(xiao)(xiao)于小(xiao)(xiao)平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)M2C碳化(hua)物，使(shi)得在(zai)(zai)(zai)凝(ning)固(gu)速(su)率(lv)增(zeng)大的(de)(de)過(guo)程中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)增(zeng)量(liang)大于M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)增(zeng)量(liang)。因此(ci)，隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)大，枝(zhi)晶間共(gong)(gong)晶組織中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)多，使(shi)得M2C碳化(hua)物的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)空間受到“排(pai)擠(ji)”，含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對減少，最終M2C碳化(hua)物逐漸呈現(xian)出被(bei)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進而變短(duan)的(de)(de)形(xing)貌，如圖2-134所示(shi)(shi)。

四、夾雜物分布

   夾雜(za)物(wu)(wu)是影(ying)響鋼錠(ding)質量的一個重(zhong)要因素(su)。鋼中夾雜(za)物(wu)(wu)主要包括冶(ye)煉過程(cheng)中進(jin)行脫(tuo)(tuo)氧(yang)處理形(xing)成的脫(tuo)(tuo)氧(yang)產(chan)物(wu)(wu)、凝固過程(cheng)元素(su)溶(rong)解度下降形(xing)成的氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)、氮化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)、硫(liu)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)等化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)以(yi)及(ji)爐渣和由于沖(chong)刷(shua)而進(jin)入鋼液的耐火(huo)材料(liao)。

   根(gen)據夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)來源，可以將鋼(gang)中的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分為(wei)兩(liang)類:①外(wai)生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大部分為(wei)復(fu)合(he)氧化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)，主要是(shi)由(you)于(yu)(yu)鋼(gang)液接觸(chu)空(kong)氣(qi)生成(cheng)氧化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以及進入鋼(gang)液的(de)(de)爐(lu)渣、耐(nai)火材(cai)料組成(cheng)。外(wai)生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)形(xing)不規則、尺寸(cun)大、構成(cheng)復(fu)雜(za)(za)，常常位于(yu)(yu)鋼(gang)的(de)(de)表層，具有(you)嚴重(zhong)的(de)(de)危(wei)害(hai)性。②內(nei)生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由(you)于(yu)(yu)脫氧、鋼(gang)水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)反應而(er)形(xing)成(cheng)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)鋼(gang)液中數(shu)量較多(duo)，分布均勻，顆粒細小。由(you)于(yu)(yu)形(xing)成(cheng)時(shi)間不同，內(nei)生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可分為(wei)：鋼(gang)液脫氧時(shi)期生成(cheng)的(de)(de)氧化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為(wei)原生夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或一(yi)次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫(wen)度降低造成(cheng)化(hua)學反應平衡的(de)(de)移動(dong)進而(er)析(xi)(xi)出(chu)(chu)二次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)于(yu)(yu)溶(rong)質元素偏析(xi)(xi)和(he)溶(rong)解度變化(hua)而(er)析(xi)(xi)出(chu)(chu)的(de)(de)三次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。

   夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)作(zuo)(zuo)為凝固(gu)組織的(de)重(zhong)(zhong)要組成部(bu)分(fen)，其特性至關重(zhong)(zhong)要，對(dui)于進一步揭示加(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)金(jin)(jin)的(de)優勢十分(fen)關鍵。非金(jin)(jin)屬(shu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)特性（數量、尺寸和(he)(he)分(fen)布(bu)等(deng)(deng)）對(dui)鋼(gang)的(de)性能（力(li)(li)(li)學(xue)性能和(he)(he)腐蝕等(deng)(deng)）有重(zhong)(zhong)要影(ying)(ying)響。同時，改善鋼(gang)中(zhong)(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)分(fen)布(bu)情況并盡(jin)可能徹底地(di)去除非金(jin)(jin)屬(shu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)可以有效地(di)減少缺陷和(he)(he)提高性能。為了改善夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)分(fen)布(bu)，施(shi)加(jia)(jia)在夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)上的(de)力(li)(li)(li)包(bao)括重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)，附加(jia)(jia)質量力(li)(li)(li)、升力(li)(li)(li)和(he)(he)反彈力(li)(li)(li)等(deng)(deng)起(qi)著關鍵作(zuo)(zuo)用。這些力(li)(li)(li)主要是通過(guo)(guo)溫度、流場(chang)、重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)場(chang)和(he)(he)電磁(ci)場(chang)等(deng)(deng)物(wu)(wu)理場(chang)來確(que)定。因此，可以通過(guo)(guo)采取一系列措施(shi)優化物(wu)(wu)理場(chang)來改善夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)分(fen)布(bu)。例(li)如，鋼(gang)包(bao)中(zhong)(zhong)使用的(de)氣體(ti)攪拌(ban)、連(lian)鑄過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)添加(jia)(jia)磁(ci)場(chang)。對(dui)于加(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)金(jin)(jin)，壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)是關鍵因素。目(mu)前，已(yi)經證實(shi)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)會在各個方面(mian)影(ying)(ying)響凝固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)物(wu)(wu)理場(chang)，包(bao)括加(jia)(jia)壓(ya)(ya)通過(guo)(guo)加(jia)(jia)快鑄錠的(de)冷卻速率和(he)(he)加(jia)(jia)強鑄錠與鑄模之間的(de)熱交換來改變溫度場(chang)，通過(guo)(guo)改變糊(hu)狀(zhuang)區域的(de)大(da)小(xiao)和(he)(he)枝晶結構影(ying)(ying)響流場(chang)等(deng)(deng)。

   因此(ci)，可以認為在凝(ning)固(gu)過程中壓(ya)力(li)具(ju)有改變(bian)夾雜(za)物(wu)分(fen)布(bu)的(de)能力(li)，并且壓(ya)力(li)對(dui)夾雜(za)物(wu)分(fen)布(bu)的(de)影響機(ji)制非常復雜(za)，然(ran)而，關于加(jia)壓(ya)對(dui)夾雜(za)物(wu)分(fen)布(bu)變(bian)化的(de)影響研究相對(dui)較少(shao)。這表(biao)明加(jia)壓(ya)對(dui)凝(ning)固(gu)組織的(de)影響機(ji)理尚未(wei)全面闡明。

 1. 夾(jia)雜物(wu)分(fen)布分(fen)析(xi)模型

   在(zai)實際凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)受(shou)力(li)情況、運(yun)動軌跡很難(nan)通(tong)過(guo)實驗(yan)進行測量(liang)。數值(zhi)模(mo)擬(ni)提供了一種(zhong)(zhong)可(ke)以(yi)深入了解某些(xie)無法通(tong)過(guo)實驗(yan)評估的(de)(de)(de)(de)現(xian)象的(de)(de)(de)(de)方(fang)法。這些(xie)現(xian)象包括(kuo)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)運(yun)動軌跡，作(zuo)用于夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)力(li)和(he)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)速(su)度等。根據電渣、連(lian)鑄(zhu)和(he)鋼包精煉等過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)相關研究，數值(zhi)模(mo)擬(ni)是一種(zhong)(zhong)非常有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)研究夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)運(yun)動行為的(de)(de)(de)(de)方(fang)法。

   鋼(gang)液(ye)凝固(gu)過程涉及熱量傳(chuan)遞、質量傳(chuan)輸、動量傳(chuan)輸、相(xiang)(xiang)轉變和晶粒形核長大等一系列復(fu)雜(za)的(de)物(wu)理化(hua)學現象，同時存在(zai)金屬固(gu)相(xiang)(xiang)、金屬液(ye)相(xiang)(xiang)、氣(qi)相(xiang)(xiang)和夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)相(xiang)(xiang)等多個相(xiang)(xiang)之間的(de)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用，適合應用歐拉多項流模型(xing)進行計算求解。其中，根據(ju)對夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)運(yun)動行為處理方式(shi)，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)分(fen)布分(fen)析模型(xing)可以分(fen)為歐拉－拉格朗日模型(xing)和歐拉－歐拉模型(xing)。

 a. 歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗日模型歐(ou)拉(la)－

   拉格(ge)朗日離(li)散相(xiang)模(mo)型(xing)(xing)是在歐拉模(mo)型(xing)(xing)的基礎上，將夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)相(xiang)處理成離(li)散相(xiang)，而流體相(xiang)處理為連(lian)續相(xiang)。根(gen)據球(qiu)型(xing)(xing)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)的受力分(fen)析，基于(yu)牛頓第二定律，建(jian)(jian)立夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)運動模(mo)型(xing)(xing)，并與鋼液(ye)凝固(gu)(gu)模(mo)型(xing)(xing)耦合，從而模(mo)擬(ni)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)在凝固(gu)(gu)過程運動行(xing)為。該(gai)模(mo)型(xing)(xing)可以跟蹤每個夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)顆粒并獲得其速度、運動軌跡以及夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)去(qu)除過程中的動力學行(xing)為。此外，該(gai)模(mo)型(xing)(xing)是基于(yu)離(li)散相(xiang)體積比例相(xiang)對較低的基本假設而建(jian)(jian)立。

   夾雜(za)物(wu)在(zai)(zai)鋼(gang)液中的(de)(de)運動(dong)，主(zhu)要是(shi)各種力(li)(li)(li)的(de)(de)共同作(zuo)用造(zao)成(cheng)的(de)(de)。夾雜(za)物(wu)在(zai)(zai)鋼(gang)液中受力(li)(li)(li)情(qing)況如(ru)圖2-137所示。可以(yi)看出，夾雜(za)物(wu)顆(ke)(ke)(ke)粒受到(dao)主(zhu)要作(zuo)用力(li)(li)(li)分別為：由于顆(ke)(ke)(ke)粒自身性(xing)質(zhi)引起(qi)的(de)(de)力(li)(li)(li)，如(ru)重力(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)等；由于顆(ke)(ke)(ke)粒與流(liu)體之(zhi)間(jian)存在(zai)(zai)相(xiang)對(dui)運動(dong)而產生的(de)(de)力(li)(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)(li)（Saffman)、附加(jia)質(zhi)量力(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)和(he)Magnus力(li)(li)(li)等；細小夾雜(za)物(wu)在(zai)(zai)高(gao)溫(wen)條件下(xia)受的(de)(de)布朗(lang)（Brown)力(li)(li)(li)等。

（1)曳力。

   在鋼液流(liu)場內黏性流(liu)體(ti)與顆(ke)粒之間存在相對運(yun)動，由黏性流(liu)體(ti)施加的曳力使得(de)夾雜物顆(ke)粒趨(qu)向(xiang)于跟隨流(liu)體(ti)運(yun)動。曳力是(shi)夾雜物顆(ke)粒在凝固過程中的主要(yao)受力之一。計(ji)算公式如下(xia)：

（2)浮力和重力。

   在豎直方向(xiang)上，夾雜物顆粒受到(dao)與(yu)相對運動(dong)無關的力，包括重力和浮力，其

（3)附(fu)加質量力。

   當鋼(gang)液與(yu)夾(jia)雜物(wu)顆(ke)粒(li)(li)存在相對運動時(shi)，夾(jia)雜物(wu)顆(ke)粒(li)(li)會(hui)帶(dai)動其(qi)(qi)附(fu)近(jin)的部(bu)分鋼(gang)液做加速運動，此時(shi)推(tui)動夾(jia)雜物(wu)顆(ke)粒(li)(li)運動的力大于其(qi)(qi)顆(ke)粒(li)(li)本身慣性力，這部(bu)分大于夾(jia)雜物(wu)顆(ke)粒(li)(li)本身慣性力的力即為(wei)附(fu)加質(zhi)量力。其(qi)(qi)計算公式為(wei)

  通過運用歐拉－拉格朗日模型對(dui)鋼(gang)液凝固(gu)過程進行模擬(ni)計算時，可以得出隨著溫度場和流(liu)場的(de)變化，每個球形(xing)夾(jia)雜(za)物顆(ke)粒在鋼(gang)液中的(de)運動軌跡和分布。

 b. 歐拉－歐拉模型(xing)

   拉格朗(lang)日(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是(shi)研究(jiu)夾雜(za)物顆(ke)粒在(zai)鋼液中運(yun)動(dong)行為(wei)主要的(de)(de)方法，但在(zai)實際的(de)(de)應用(yong)中存在(zai)一(yi)些不足，例如，拉格朗(lang)日(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是(shi)針對(dui)單一(yi)粒子(zi)進行計(ji)算(suan)(suan)，當同時(shi)追蹤多個粒子(zi)時(shi)，計(ji)算(suan)(suan)量(liang)過大，難以(yi)進行。相(xiang)較于(yu)拉格朗(lang)日(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)，歐拉－歐拉模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)中夾雜(za)物相(xiang)的(de)(de)控制方程與(yu)(yu)流(liu)體(ti)連續相(xiang)的(de)(de)控制方程相(xiang)似，運(yun)算(suan)(suan)相(xiang)對(dui)高(gao)效，能夠同時(shi)描述多種夾雜(za)物顆(ke)粒在(zai)凝(ning)固過程中的(de)(de)分布特征。歐拉－歐拉模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)與(yu)(yu)歐拉－拉格朗(lang)日(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)相(xiang)比，主要差別是(shi)夾雜(za)物相(xiang)的(de)(de)動(dong)量(liang)方程存在(zai)差別，歐拉－歐拉模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)夾雜(za)物動(dong)量(liang)方程表(biao)達式(shi)為(wei)

 2. 模鑄過程中夾(jia)雜物的受力分析

  模鑄(zhu)過程中(zhong)，夾(jia)雜(za)物(wu)所(suo)受作(zuo)用(yong)(yong)力(li)包(bao)括(kuo)熱浮力(li)、重力(li)、附加(jia)質量力(li)、升力(li)以及相間作(zuo)用(yong)(yong)力(li)等，具(ju)體受力(li)情況(kuang)如圖2-138所(suo)示(shi)。

   流場(chang)對(dui)夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)分布有關鍵(jian)影響，這(zhe)直接(jie)歸因(yin)于(yu)作用(yong)(yong)于(yu)夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)阻力(li)(li)(li)。以0.1MPa下H13鑄錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)為(wei)例，鋼(gang)液、夾(jia)雜物(wu)(wu)和等(deng)軸晶的(de)(de)(de)流場(chang)和速率均顯(xian)示(shi)(shi)在圖(tu)2-139中(zhong)。隨著凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)的(de)(de)(de)進行，鋼(gang)液受(shou)熱浮(fu)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)逆時針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)，如圖(tu)2-139(a)所(suo)(suo)示(shi)(shi)。同時，隨著重力(li)(li)(li)和浮(fu)力(li)(li)(li)合(he)(he)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增加，等(deng)軸晶的(de)(de)(de)沉降連續發生在柱狀晶（tip)的(de)(de)(de)尖端(duan)，如圖(tu)2-139(b)所(suo)(suo)示(shi)(shi)。如圖(tu)2-139(c)所(suo)(suo)示(shi)(shi)，夾(jia)雜物(wu)(wu)流場(chang)中(zhong)出現逆時針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)，與鋼(gang)液相似。這(zhe)種運(yun)動(dong)(dong)行為(wei)主要是由(you)作用(yong)(yong)在夾(jia)雜物(wu)(wu)上的(de)(de)(de)合(he)(he)力(li)(li)(li)引起(qi)的(de)(de)(de)。根(gen)據(ju)模擬結果(guo)，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程中(zhong)重力(li)(li)(li)，浮(fu)力(li)(li)(li)和阻力(li)(li)(li)在改變夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)行為(wei)中(zhong)起(qi)著關鍵(jian)作用(yong)(yong)，因(yin)為(wei)它們比附加質量力(li)(li)(li)和升力(li)(li)(li)大了三個數量級(ji)。重力(li)(li)(li)和浮(fu)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)均為(wei)垂直方(fang)向(xiang)，因(yin)為(wei)夾(jia)雜物(wu)(wu)的(de)(de)(de)密度低于(yu)液體的(de)(de)(de)密度，故其合(he)(he)力(li)(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)垂直向(xiang)上，如圖(tu)2-139(d)所(suo)(suo)示(shi)(shi)。

   在整個凝固過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，Fbg保持不變(bian)，并使(shi)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)上浮。相(xiang)比(bi)(bi)之下，曳力(li)(li)(li)(li)Fdp是(shi)向下的(de)力(li)(li)(li)(li)，具有驅動夾(jia)雜(za)(za)物(wu)向下沉的(de)能力(li)(li)(li)(li)。并且其變(bian)化是(shi)復雜(za)(za)的(de)。根據等式（2-204)可(ke)知(zhi)，曳力(li)(li)(li)(li)與(yu)鋼液和夾(jia)雜(za)(za)物(wu)之間的(de)速度(du)差密切(qie)相(xiang)關。在頂(ding)部和底(di)部，鋼液和夾(jia)雜(za)(za)物(wu)速度(du)差很小，與(yu)Fbg相(xiang)比(bi)(bi)，Fdp可(ke)以忽(hu)略不計。在柱狀晶尖端附近的(de)曳力(li)(li)(li)(li)Fdp大于(yu)Fbg,是(shi)導(dao)(dao)致夾(jia)雜(za)(za)物(wu)下沉的(de)關鍵因(yin)素。在鑄(zhu)錠的(de)中(zhong)(zhong)心，Fdp小于(yu)Fbg,Fbg占主(zhu)導(dao)(dao)，促使(shi)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)上浮。因(yin)此(ci)，模鑄(zhu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)形(xing)成逆時(shi)針運動，這主(zhu)要是(shi)由重力(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)和曳力(li)(li)(li)(li)的(de)綜合作用所驅動。

 3. 模鑄(zhu)過(guo)程(cheng)中(zhong)壓力對(dui)夾雜物分布(bu)的(de)影響

   利用歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模型在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下獲(huo)(huo)得(de)了H13鑄(zhu)錠(ding)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)體積分(fen)數的(de)(de)等值(zhi)線(xian)，如(ru)圖2-140所(suo)示。每(mei)個(ge)鑄(zhu)錠(ding)中都(dou)存在(zai)(zai)三(san)個(ge)主要的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)富(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)（I、和III),其中，II區(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)度最(zui)低，III區(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)富(fu)(fu)集(ji)度最(zui)高(gao)(gao)，I區(qu)(qu)(qu)(qu)次之。三(san)個(ge)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)富(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)主要由夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)逆(ni)時針(zhen)運動(dong)以及被(bei)(bei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)捕集(ji)的(de)(de)綜合作用所(suo)導致(zhi)。以0.1MPa 壓力(li)下夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)分(fen)布為例，遠離糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)在(zai)(zai)逆(ni)時針(zhen)運動(dong)過(guo)程中逐漸上浮(fu)并富(fu)(fu)集(ji)到鑄(zhu)錠(ding)頂部，如(ru)圖 2-140(c)所(suo)示。鑄(zhu)錠(ding)頂部富(fu)(fu)集(ji)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)一部分(fen)被(bei)(bei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)捕獲(huo)(huo)，形成(cheng)了I區(qu)(qu)(qu)(qu)，其余部分(fen)沿逆(ni)時針(zhen)方向(xiang)(xiang)移動(dong)，運動(dong)方向(xiang)(xiang)幾乎垂直于(yu)(yu)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)量(liang)(liang)。與之相比，在(zai)(zai)II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內(nei)，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)運動(dong)方向(xiang)(xiang)與糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)量(liang)(liang)成(cheng)鈍角(jiao)，因而夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)更(geng)(geng)加(jia)趨向(xiang)(xiang)于(yu)(yu)被(bei)(bei)II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內(nei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)所(suo)捕獲(huo)(huo)，如(ru)圖2-141所(suo)示，導致(zhi)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)富(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)II和III的(de)(de)形成(cheng)。同時，III區(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)程度最(zui)高(gao)(gao)，原因是(shi)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)較寬，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)捕獲(huo)(huo)能力(li)越強，富(fu)(fu)集(ji)趨勢更(geng)(geng)明顯。

   隨著(zhu)壓力從0.1MPa增(zeng)加到(dao)2MPa,I、II和(he)III區夾雜(za)(za)物(wu)的(de)富集度降(jiang)低，如2-140(b)所示，夾雜(za)(za)物(wu)體積分數的(de)最大增(zeng)量 4max隨壓力的(de)增(zeng)加而減小，在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下分別為4.1x10-5、3.5x10-5和(he)1.8x10-5,表明隨著(zhu)凝(ning)固壓力增(zeng)加至2MPa,鑄錠中(zhong)夾雜(za)(za)物(wu)分布更加均勻。

   糊(hu)(hu)狀區(qu)捕(bu)獲(huo)夾(jia)(jia)雜物(wu)和(he)夾(jia)(jia)雜物(wu)從糊(hu)(hu)狀區(qu)逃脫(tuo)的(de)(de)能(neng)力(li)(li)(li)(li)對夾(jia)(jia)雜物(wu)分(fen)布至關重要。結合液(ye)相線(xian)／固(gu)(gu)(gu)相線(xian)溫度(du)(du)隨壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)變化規律可(ke)知，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)區(qu)間變化很(hen)小，當(dang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從0.1MPa增(zeng)加(jia)到(dao)2MPa時可(ke)以忽略不計。因此，糊(hu)(hu)狀區(qu)寬度(du)(du)主(zhu)要由(you)(you)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)決定。如圖2-142(b)所(suo)示，由(you)(you)于增(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)后提高了(le)冷卻速率導(dao)致(zhi)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)更大(da)。在(zai)(zai)較高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)，糊(hu)(hu)狀區(qu)域的(de)(de)長度(du)(du)變短［150].另外，以圖2-142(a)中的(de)(de)A點為例，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)時間隨壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而顯著(zhu)減少，在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)分(fen)別為292s、272s和(he)247s,凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)速率隨壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)。進而表明，在(zai)(zai)較高的(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)糊(hu)(hu)狀區(qu)的(de)(de)長度(du)(du)較小且凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)速率較高，因此糊(hu)(hu)狀區(qu)捕(bu)獲(huo)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)能(neng)力(li)(li)(li)(li)變弱(ruo)。

   A、B和(he)C點夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)速(su)度(du)隨(sui)液相(xiang)(xiang)體(ti)積分數(shu)的(de)變(bian)化如(ru)圖2-143所示。高(gao)溫度(du)梯度(du)通(tong)過增(zeng)(zeng)大熱浮(fu)力(li)來強(qiang)化鋼液對流。另(ling)外，研究了糊(hu)狀區中(zhong)(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)速(su)度(du)隨(sui)曳(ye)力(li)改的(de)相(xiang)(xiang)應變(bian)化。凝固初期，糊(hu)狀區中(zhong)(zhong)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)運動速(su)度(du)隨(sui)著壓力(li)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)大，在凝固后(hou)期，糊(hu)狀區內夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)幾乎完全停止運動時(shi)液相(xiang)(xiang)體(ti)積分數(shu)隨(sui)著壓力(li)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)降低(di)。以點A為(wei)例，凝固初期（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)速(su)度(du)分別(bie)為(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)1.52×10-3m/s.當糊(hu)狀區夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)速(su)度(du)降低(di)到(dao)5x10-5m/s時(shi)，0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)的(de)液相(xiang)(xiang)體(ti)積分數(shu)分別(bie)為(wei)0.74、0.68和(he)0.62.這意味著夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)從糊(hu)狀區逸出的(de)能力(li)隨(sui)壓力(li)增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)強(qiang)。

   綜上(shang)所述(shu)，增加壓力可以顯著抑制糊狀(zhuang)(zhuang)區中夾(jia)(jia)雜物(wu)的富集，并通過(guo)降(jiang)低糊狀(zhuang)(zhuang)區捕獲夾(jia)(jia)雜物(wu)的能力，提(ti)高(gao)夾(jia)(jia)雜物(wu)從糊狀(zhuang)(zhuang)區中逸出(chu)的能力，使(shi)鑄錠內夾(jia)(jia)雜物(wu)分布更加均勻。