壓(ya)力(li)對鑄錠的凝(ning)(ning)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)變和(he)組(zu)(zu)織有(you)十(shi)分重要(yao)的影響，如壓(ya)力(li)能提(ti)高晶粒(li)形核速率，減小臨界形核半徑，增大(da)冷卻速率，細(xi)化枝(zhi)晶組(zu)(zu)織，減輕或(huo)消(xiao)除凝(ning)(ning)固(gu)缺(que)陷(xian)（疏松、縮(suo)孔(kong)、氣孔(kong)和(he)偏(pian)析(xi)）以及改變析(xi)出相(xiang)(xiang)(xiang)形貌和(he)類型等(deng)。由于鋼(gang)鐵材料固(gu)／液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)線溫度較(jiao)高，加壓(ya)難度相(xiang)(xiang)(xiang)對較(jiao)大(da)，不過，較(jiao)低壓(ya)力(li)依(yi)然具有(you)改善鑄型和(he)鑄錠間換熱條(tiao)件、打破(po)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中氮氣泡等(deng)壓(ya)力(li)平(ping)衡(heng)的能力(li)，進而達到改善鋼(gang)鐵凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)織，減輕或(huo)消(xiao)除凝(ning)(ning)固(gu)缺(que)陷(xian)等(deng)目(mu)的。
一、枝晶組織
枝(zhi)晶組(zu)織的(de)(de)出(chu)現(xian)和生(sheng)長(chang)與液相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)成(cheng)分過(guo)(guo)冷(leng)密不(bu)可分，當凝固界(jie)面(mian)(mian)出(chu)現(xian)擾動導(dao)致液相(xiang)出(chu)現(xian)局部成(cheng)分過(guo)(guo)冷(leng)時，液相(xiang)中(zhong)(zhong)就具備(bei)了(le)促(cu)使界(jie)面(mian)(mian)發生(sheng)波動的(de)(de)驅動力(li)，進(jin)一步增大了(le)凝固界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)不(bu)穩定性，從(cong)而使凝固界(jie)面(mian)(mian)從(cong)平面(mian)(mian)狀向(xiang)樹枝(zhi)狀轉變(bian)，形成(cheng)枝(zhi)晶組(zu)織，液相(xiang)中(zhong)(zhong)成(cheng)分過(guo)(guo)冷(leng)的(de)(de)判據為
式中(zhong)，GrL為液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)溫度梯(ti)(ti)度；v為凝(ning)固(gu)(gu)速率；m為液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)斜率；CL為凝(ning)固(gu)(gu)界面處(chu)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)質的(de)質量分(fen)(fen)數(shu)(shu)；DL為液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)質的(de)擴(kuo)(kuo)散系數(shu)(shu)；ko為溶(rong)(rong)質分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)。在(zai)(zai)(zai)不考慮壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)強化(hua)冷卻（即GrL保持恒定）情況(kuang)下(xia)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)可(ke)通過(guo)改(gai)變(bian)(bian)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)斜率、擴(kuo)(kuo)散系數(shu)(shu)和溶(rong)(rong)質分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)等凝(ning)固(gu)(gu)參數(shu)(shu)，改(gai)變(bian)(bian)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)形貌甚至凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)的(de)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)成。Zhang等對比了(le)(le)高錳鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)(zai)(zai)常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)和6GPa下(xia)的(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)。發現高錳鋼(gang)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)的(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)包(bao)含細(xi)(xi)小(xiao)等軸(zhou)晶(jing)和柱狀晶(jing)，與(yu)常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)的(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)截然(ran)不同（圖(tu)2-107).晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)統計結果(guo)表明，高錳鋼(gang)在(zai)(zai)(zai)常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)的(de)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)為（160±45)μm,6GPa下(xia)為（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)細(xi)(xi)化(hua)晶(jing)粒(li)可(ke)達21倍之多，主要歸因于增加(jia)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)降(jiang)低了(le)(le)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)質擴(kuo)(kuo)散系數(shu)(shu)以及增大(da)了(le)(le)擴(kuo)(kuo)散激活能，進而增大(da)了(le)(le)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)成分(fen)(fen)過(guo)冷度，在(zai)(zai)(zai)抑(yi)制枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)生長的(de)同時增大(da)了(le)(le)形核(he)率［129,153],從(cong)而使得高錳鋼(gang)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)逐步向枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)轉變(bian)(bian)，且細(xi)(xi)化(hua)十分(fen)(fen)顯著。Kashchiev和Vasudevan等的(de)研究表明。在(zai)(zai)(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)摩(mo)(mo)爾(er)體(ti)積小(xiao)于液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)摩(mo)(mo)爾(er)體(ti)積時，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)有助于提高形核(he)率，起到細(xi)(xi)化(hua)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)的(de)作用，大(da)多數(shu)(shu)金屬合金屬于此類；反之，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)將(jiang)抑(yi)制晶(jing)粒(li)的(de)形核(he)，如水(shui)凝(ning)固(gu)(gu)成冰。此外，壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)還能夠抑(yi)制枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)梯(ti)(ti)度方向的(de)生長,從(cong)而導致(zhi)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)和微觀偏析呈現方向性。
為了準確(que)地論述壓(ya)力(li)對(dui)凝(ning)固組織的影(ying)響規律，本節將以19Cr14Mn0.9N含氮鋼和M42工(gong)具鋼加壓(ya)凝(ning)固組織為例(li)，詳細分(fen)析壓(ya)力(li)對(dui)枝晶組織、析出相等的影(ying)響。
1. 柱(zhu)狀晶向等(deng)軸晶轉變（CET)
鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)宏觀組織主(zhu)要(yao)由晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)(de)形貌、尺寸以及取向分(fen)(fen)布等(deng)(deng)構成，在合金成分(fen)(fen)一(yi)定的(de)(de)(de)情況下，它主(zhu)要(yao)取決于(yu)鋼液(ye)在凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程中的(de)(de)(de)冷(leng)卻條件(jian)（包括澆注溫度(du)和鑄(zhu)型的(de)(de)(de)冷(leng)卻效(xiao)果等(deng)(deng)。鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)典型宏觀組織可分(fen)(fen)為(wei)三個(ge)區(qu)(qu)(qu)(qu)：表層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)以及中心等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)。表層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)是由于(yu)鋼液(ye)在鑄(zhu)型的(de)(de)(de)激冷(leng)作用下，具(ju)有(you)較大(da)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)冷(leng)度(du)，進而(er)在鑄(zhu)型壁面以異(yi)質(zhi)形核的(de)(de)(de)方(fang)式大(da)量形核并長(chang)大(da)，最(zui)后形成細(xi)(xi)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)，即表層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)。隨(sui)著凝固(gu)(gu)的(de)(de)(de)進行，表層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)逐步(bu)形成金屬外殼，使得傳(chuan)熱(re)具(ju)備單(dan)(dan)向性(xing)，有(you)助(zhu)于(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)沿(yan)(yan)傳(chuan)熱(re)方(fang)向生(sheng)長(chang)，呈現出方(fang)向性(xing)，從而(er)形成柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)，也導致了表層(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)(qu)域窄小(xiao)(xiao)，厚度(du)通常(chang)為(wei)幾(ji)毫米。在后續的(de)(de)(de)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程中，伴(ban)隨(sui)著凝固(gu)(gu)潛熱(re)的(de)(de)(de)釋(shi)放(fang)，凝固(gu)(gu)前(qian)沿(yan)(yan)溫度(du)梯度(du)減(jian)小(xiao)(xiao)，傳(chuan)熱(re)的(de)(de)(de)單(dan)(dan)向性(xing)減(jian)弱，成分(fen)(fen)過(guo)(guo)冷(leng)度(du)增大(da)，進而(er)使得晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)生(sheng)長(chang)的(de)(de)(de)方(fang)向性(xing)減(jian)弱，抑(yi)制了柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)，同(tong)時也促進了鑄(zhu)錠(ding)心部異(yi)質(zhi)形核的(de)(de)(de)發生(sheng)，從而(er)有(you)助(zhu)于(yu)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉變，最(zui)終形成中心等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)。
因(yin)此(ci)，鑄(zhu)(zhu)錠有(you)(you)兩類枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織，即等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)(he)柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通(tong)常采用枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距(ju)和(he)(he)(he)(he)CET位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)對其進行表(biao)征。圖(tu)2-108(a)給(gei)出了(le)(le)凝固壓力(li)分(fen)(fen)別為(wei)0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)(he)1.2MPa的(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠縱剖面(mian)上的(de)(de)(de)宏觀組(zu)織；CET位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)到(dao)鑄(zhu)(zhu)錠邊(bian)部(bu)(bu)距(ju)離(li)的(de)(de)(de)統計(ji)平均(jun)值分(fen)(fen)別為(wei)19.8mm、22.1mm和(he)(he)(he)(he)27.4mm,增(zeng)量可(ke)(ke)達7.6mm,如圖(tu)2-108(b)所示。統計(ji)結果表(biao)明，隨(sui)著壓力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大，CET 位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)逐漸由邊(bian)部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移動，柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域增(zeng)大，中心(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域減小(xiao)。根(gen)據(ju)柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變的(de)(de)(de)阻擋判據(ju)可(ke)(ke)知［156],當(dang)柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)(fen)數大于臨(lin)界值時(shi)(shi)，柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端生(sheng)長受到(dao)抑制(zhi)而(er)停止(zhi)，此(ci)時(shi)(shi)發生(sheng)柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向(xiang)中心(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)變。因(yin)此(ci)，CET轉(zhuan)變很(hen)大程度(du)上取決(jue)于中心(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)(he)長大。由于壓力(li)強(qiang)化冷(leng)卻效果十分(fen)(fen)明顯(xian)，增(zeng)加壓力(li)加快了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)冷(leng)卻，增(zeng)大了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)溫度(du)梯度(du)，從而(er)降低了(le)(le)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前(qian)沿的(de)(de)(de)成分(fen)(fen)過(guo)冷(leng)度(du)，此(ci)時(shi)(shi)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)(zai)柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端的(de)(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)(he)長大就會受到(dao)嚴重(zhong)阻礙和(he)(he)(he)(he)抑制(zhi);反之，降低壓力(li)，有(you)(you)助于等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)(zai)柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處的(de)(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)(he)長大，從而(er)提前(qian)并加快了(le)(le)CET.因(yin)此(ci)，當(dang)壓力(li)從0.5MPa增(zeng)加到(dao)1.2MPa時(shi)(shi)，壓力(li)通(tong)過(guo)強(qiang)化冷(leng)卻擴大了(le)(le)柱(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促使CET轉(zhuan)變位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)在(zai)(zai)徑向(xiang)上逐漸由邊(bian)部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移動。此(ci)外，在(zai)(zai)0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠縱剖面(mian)的(de)(de)(de)宏觀組(zu)織中均(jun)存在(zai)(zai)較窄(zhai)的(de)(de)(de)表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。
為(wei)了(le)進一步研究壓力對CET的(de)影響規律，在(zai)不(bu)考慮壓力強化(hua)冷卻(que)效果的(de)前(qian)提下，對枝晶尖端(duan)生長速率(lv)v.隨(sui)壓力的(de)變化(hua)規律進行理論(lun)計算，可采用KGT模(mo)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(zong)上(shang)所述，凝固(gu)壓力的(de)增加(jia)會對(dui)枝晶尖端生(sheng)長速率(lv)產生(sheng)重要影響，且壓力的(de)增量越(yue)大(da)，影響越(yue)明顯。結合實驗(yan)和KGT模(mo)型理論計算可知，低(di)壓下，當凝固(gu)壓力從0.5MPa 增加(jia)至(zhi)1.2MPa時，壓力主要通(tong)過強化(hua)冷卻(que)的(de)方式(shi)，使得鑄錠CET位置逐漸由邊部(bu)向心(xin)部(bu)移動。
2. 枝晶(jing)間(jian)距(ju)
相(xiang)鄰同(tong)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)臂之間(jian)的(de)垂直距(ju)離稱為(wei)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)的(de)大小(xiao)表征了枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織細化程度，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)越(yue)小(xiao)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織越(yue)細密［162],通常考慮的(de)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)有一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)入1和二次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)λ2.一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)與凝固速率(lv)v和溫度梯度Gr的(de)關系為(wei)
由(you)式(shi)（2-191)可知，合(he)金體系一定時，分(fen)(fen)(fen)析(xi)局部區域冷卻速率(lv)(lv)v.和溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)Gr隨壓力(li)的(de)(de)變化趨勢(shi)，有(you)助于闡明(ming)壓力(li)對一次枝晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)(ju)λ1的(de)(de)影(ying)響(xiang)規律。因(yin)局部區域冷卻速率(lv)(lv)vc和溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)Gr的(de)(de)測(ce)量(liang)難度(du)較大(da)，可用模擬計算的(de)(de)方(fang)式(shi)獲得。在不同凝固壓力(li)下的(de)(de)組(zu)織模擬過程中(zhong)，不考(kao)慮疏松縮孔對晶(jing)(jing)(jing)區分(fen)(fen)(fen)布的(de)(de)影(ying)響(xiang)，模擬結果(guo)如圖(tu)2-110所示。為(wei)(wei)了更準確地找到(dao)CET位(wei)(wei)置(zhi)，使用平(ping)均(jun)縱橫(heng)(heng)比（晶(jing)(jing)(jing)粒最(zui)短邊(bian)與最(zui)長(chang)邊(bian)的(de)(de)比率(lv)(lv)）來(lai)區分(fen)(fen)(fen)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)：當(dang)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)縱橫(heng)(heng)比大(da)于0.4時，晶(jing)(jing)(jing)粒為(wei)(wei)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)；當(dang)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)縱橫(heng)(heng)比小(xiao)于0.4時，則為(wei)(wei)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)。根據阻擋判據，等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)臨界值設(she)定為(wei)(wei)0.49，以(yi)此(ci)作為(wei)(wei)依據，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼在0.5MPa、0.85MPa 和1.2MPa 壓力(li)下，CET 位(wei)(wei)置(zhi)在徑向上離鑄錠邊(bian)部的(de)(de)平(ping)均(jun)距(ju)(ju)離分(fen)(fen)(fen)別為(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠底部(bu)(bu)(bu)溫度梯度 Gr和冷卻(que)速率v.隨(sui)壓力(li)的(de)(de)變化(hua)規律，如圖2-111所示。在(zai)某一(yi)(yi)壓力(li)條件下，vc和Gr沿徑(jing)(jing)向由(you)(you)鑄(zhu)錠邊(bian)部(bu)(bu)(bu)到心部(bu)(bu)(bu)均(jun)呈現逐(zhu)漸減(jian)小(xiao)的(de)(de)趨勢(shi)，結合式（2-190)可知，一(yi)(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)入(ru)1與(yu)v.和Gr成反比，因而1沿徑(jing)(jing)向由(you)(you)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)到心部(bu)(bu)(bu)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)。當壓力(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時(shi)，在(zai)壓力(li)強化(hua)冷卻(que)的(de)(de)作用下，鑄(zhu)錠內各單元體的(de)(de)vc和Gr隨(sui)之增(zeng)大(da)，且對(dui)(dui)鑄(zhu)錠邊(bian)緣處的(de)(de)單元體影(ying)(ying)響最大(da)，在(zai)沿徑(jing)(jing)向向心部(bu)(bu)(bu)移動的(de)(de)過程中(zhong)，壓力(li)對(dui)(dui)vc和Gr的(de)(de)影(ying)(ying)響逐(zhu)步減(jian)弱(ruo)。結合式（2-190)可知，一(yi)(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)入(ru)1隨(sui)著vc和Gr的(de)(de)增(zeng)大(da)呈冪函數減(jian)小(xiao)。因此，隨(sui)著壓力(li)增(zeng)加(jia)，一(yi)(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)入(ru)1減(jian)小(xiao)，且越靠近鑄(zhu)錠邊(bian)部(bu)(bu)(bu)，入(ru)減(jian)小(xiao)趨勢(shi)越明顯，即(ji)壓力(li)對(dui)(dui)柱狀晶(jing)(jing)一(yi)(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)的(de)(de)影(ying)(ying)響大(da)于中(zhong)心等軸晶(jing)(jing)區。
由邊(bian)部(bu)到心部(bu)逐漸(jian)增大(da)，結合式（2-192)可知，鑄錠(ding)心部(bu)的二次枝晶間(jian)距入2大(da)于邊(bian)部(bu)；壓力從0.5MPa增加至(zhi)1.2MPa時，LST明顯減(jian)小，二次枝晶間(jian)距入2也隨之減(jian)小。
圖(tu)(tu)2-112 不同(tong)壓力(li)下距(ju)(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)鑄錠(ding)(ding)底(di)部(bu)(bu)130mm處LST計算值由于(yu)等軸晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)臂(bei)彼此(ci)相交(jiao)且沿徑向(xiang)以(yi)幾乎相同(tong)的(de)(de)(de)速率向(xiang)四周生(sheng)長，同(tong)時(shi)不同(tong)等軸晶(jing)(jing)間不存(cun)在(zai)任何確定的(de)(de)(de)位(wei)向(xiang)關系，難以(yi)通過(guo)實(shi)驗對等軸晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)次(ci)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)進行測(ce)(ce)量(liang)，因(yin)此(ci)只對CET前柱狀晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)進行測(ce)(ce)量(liang)。圖(tu)(tu)2-113給出(chu)了距(ju)(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)鑄錠(ding)(ding)底(di)部(bu)(bu)115mm的(de)(de)(de)高度處一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)入(ru)1和(he)二(er)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)x2的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)規律(lv)，在(zai)某一(yi)壓力(li)下，沿徑向(xiang)由鑄錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)向(xiang)心部(bu)(bu)移動的(de)(de)(de)過(guo)程中，1和(he)x2逐漸增(zeng)大；當壓力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時(shi)，1和(he)入(ru)2均(jun)呈(cheng)減(jian)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)。基(ji)于(yu)埋(mai)設熱電偶的(de)(de)(de)測(ce)(ce)溫(wen)結果和(he)式(shi)（2-195)可得，2nd和(he)4h測(ce)(ce)溫(wen)位(wei)置處局部(bu)(bu)凝固時(shi)間隨壓力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)縮短，如(ru)圖(tu)(tu)2-113(a)所示，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)x2的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)(xiao)。對比可知，枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)(ju)(ju)（λ和(he)ん）和(he)局部(bu)(bu)凝固時(shi)間沿徑向(xiang)和(he)隨壓力(li)變(bian)(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)的(de)(de)(de)實(shi)驗與模擬結果一(yi)致(zhi)。
綜(zong)上(shang)所述(shu)，增(zeng)加壓力能夠明顯減小枝(zhi)晶間(jian)距（x1和(he)x2),縮短局部凝固時間(jian)，細化凝固組織(zhi)。鑄錠邊部和(he)心(xin)部試(shi)樣的枝(zhi)晶形貌(mao)如圖2-114所示，進(jin)一步(bu)佐(zuo)證了增(zeng)加壓力具(ju)有明顯細化枝(zhi)晶組織(zhi)的作用，且對柱狀(zhuang)晶的影響(xiang)大于中心(xin)等軸(zhou)晶。
3. 晶粒(li)數
鑄錠內晶粒(li)數與晶粒(li)臨界形(xing)(xing)核(he)(he)半徑和形(xing)(xing)核(he)(he)率有直接(jie)的關系，晶粒(li)臨界形(xing)(xing)核(he)(he)半徑為：
其中(zhong)，Nm為與液(ye)相線溫度(du)、凝(ning)固(gu)潛熱、擴散激活能(neng)以及表面張(zhang)力(li)(li)有關的系數(shu)(shu)。圖(tu)2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)(shu)隨壓(ya)力(li)(li)的變化(hua)(hua)規(gui)律。壓(ya)力(li)(li)從(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)1.2MPa時，中(zhong)心等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)的寬度(du)逐漸減(jian)小，最小值為56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)180mm(高）x56mm(寬）等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)(shu)隨壓(ya)力(li)(li)的變化(hua)(hua)規(gui)律如圖(tu)2-115所示。當凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)從(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)0.85MPa時，晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)(shu)目從(cong)(cong)9166增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)9551;當凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)進一步(bu)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)1.2MPa時，晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)(shu)目增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)10128.因此，提高凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)(li)，鑄(zhu)錠(ding)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒數(shu)(shu)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大。
在低壓(ya)下，如壓(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)至1.2MPa時，液相線溫(wen)度(du)、凝固潛(qian)熱、擴散(san)激活能以及表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)的(de)(de)變量非常小(xiao)，幾乎可以忽略，這樣可以假設Nm在0.5MPa、晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)0.85MPa和(he)1.2MPa下相等，近似為(wei)常數(shu)。提(ti)高(gao)壓(ya)力(li)能夠(gou)明顯地增(zeng)大鑄錠的(de)(de)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)越大，單位時間內(nei)從糊狀區內(nei)導(dao)出結(jie)(jie)晶(jing)(jing)(jing)潛(qian)熱的(de)(de)量越大，進而提(ti)高(gao)了糊狀區內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)；反之亦然，這意味著(zhu)糊狀區過(guo)冷(leng)度(du)與(yu)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)隨(sui)壓(ya)力(li)的(de)(de)變化趨勢相同，即隨(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)的(de)(de)提(ti)高(gao)而增(zeng)大。結(jie)(jie)合式（2-193)和(he)式（2-197)可知，隨(sui)著(zhu)糊狀區內(nei)過(guo)冷(leng)度(du)ΔT的(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)臨界(jie)形核(he)半徑rk減小(xiao)，形核(he)率Na增(zeng)大，有助于(yu)提(ti)高(gao)鑄錠內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)。因(yin)此，增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)有利于(yu)增(zeng)加(jia)(jia)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)。
距(ju)離(li)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠底(di)部(bu)(bu)130mm的(de)(de)高(gao)度(du)(du)(du)(du)處，晶(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)(de)變化規律如圖2-116所示。在某一凝固(gu)壓(ya)(ya)力下，鑄(zhu)錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)的(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)目最大(da)(da)，隨(sui)著離(li)鑄(zhu)錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)距(ju)離(li)的(de)(de)增(zeng)加，由(you)(you)于(yu)糊狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)(nei)過冷度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)減小，晶(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)也隨(sui)之減少。隨(sui)著壓(ya)(ya)力提高(gao)，晶(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)均(jun)呈增(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢，且柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)內(nei)(nei)軸(zhou)向切片上晶(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)的(de)(de)增(zeng)量明(ming)(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)中(zhong)心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)。因為在壓(ya)(ya)力強化冷卻的(de)(de)作用下，整個(ge)鑄(zhu)錠的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)均(jun)有增(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢，導(dao)致(zhi)糊狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)(nei)過冷度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)增(zeng)加。同(tong)時，由(you)(you)于(yu)距(ju)離(li)鑄(zhu)錠和鑄(zhu)型換熱(re)界(jie)面越近，溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)受(shou)界(jie)面換熱(re)的(de)(de)影響(xiang)越大(da)(da)，鑄(zhu)錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)壓(ya)(ya)力變化趨(qu)勢越明(ming)(ming)顯(xian)，進而(er)增(zeng)加凝固(gu)壓(ya)(ya)力，鑄(zhu)錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)增(zeng)量明(ming)(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)心部(bu)(bu)，從而(er)導(dao)致(zhi)離(li)鑄(zhu)錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)較近的(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)內(nei)(nei)晶(jing)(jing)粒(li)(li)(li)數(shu)的(de)(de)增(zeng)量明(ming)(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)中(zhong)心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)。
二、疏松縮孔
鑄(zhu)(zhu)錠產生(sheng)疏松(song)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)孔(kong)的基本原因是(shi)鑄(zhu)(zhu)錠從澆注溫(wen)(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻至(zhi)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)度(du)時(shi)產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)（液(ye)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)和(he)凝(ning)固(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)之(zhi)和(he)）大于固(gu)(gu)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)。當鋼(gang)液(ye)從澆注溫(wen)(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻至(zhi)液(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)度(du)時(shi)所(suo)產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)為液(ye)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)，鋼(gang)液(ye)進一(yi)步從液(ye)相(xiang)(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻至(zhi)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)度(du)時(shi)（即發生(sheng)凝(ning)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)變時(shi)）所(suo)產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)為凝(ning)固(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)［87],固(gu)(gu)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)是(shi)指(zhi)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)在冷(leng)(leng)卻過程(cheng)中(zhong)所(suo)產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)。疏松(song)縮(suo)(suo)(suo)(suo)(suo)孔(kong)的出現嚴重(zhong)降(jiang)低了(le)鑄(zhu)(zhu)錠的力學和(he)耐腐(fu)蝕性能以及成材(cai)率，是(shi)鑄(zhu)(zhu)錠的嚴重(zhong)缺陷之(zhi)一(yi)。
在凝固過程中(zhong)鑄錠(ding)內出現體(ti)積(ji)小(xiao)而(er)(er)彌(mi)散的(de)(de)空洞為(wei)疏(shu)松(song)，體(ti)積(ji)大且集中(zhong)的(de)(de)為(wei)縮(suo)(suo)孔(kong)。疏(shu)松(song)由在糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區內液相體(ti)積(ji)分(fen)數降到一定程度時，液相流(liu)動(dong)(dong)困難，液態(tai)收(shou)縮(suo)(suo)與(yu)凝固收(shou)縮(suo)(suo)之和超(chao)過固態(tai)收(shou)縮(suo)(suo)的(de)(de)那部分(fen)收(shou)縮(suo)(suo)量無法(fa)得到補(bu)縮(suo)(suo)所(suo)導致，因(yin)而(er)(er)疏(shu)松(song)的(de)(de)形成與(yu)枝晶間(jian)液相的(de)(de)流(liu)動(dong)(dong)有密切關(guan)聯(lian)［72,87].在糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區內，體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)主(zhu)要由凝固收(shou)縮(suo)(suo)組成，且為(wei)枝晶間(jian)液體(ti)流(liu)動(dong)(dong)的(de)(de)主(zhu)要驅動(dong)(dong)力，因(yin)而(er)(er)枝晶間(jian)液相的(de)(de)流(liu)速(su)u可(ke)表示為(wei)
式(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其(qi)中，Pt為鋼(gang)液(ye)靜壓(ya)力(li)，Pf=pgh;Ps為凝(ning)(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)）。結合(he)式(shi)（2-202)可知，增(zeng)加凝(ning)(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)，Px增(zeng)大，強(qiang)化了枝晶間液(ye)相的(de)(de)(de)(de)(de)補縮能(neng)力(li)，進而有(you)助于(yu)避免疏(shu)松(song)的(de)(de)(de)(de)(de)形成［91].此外，糊狀(zhuang)區(qu)越(yue)寬(kuan)，枝晶網狀(zhuang)結構越(yue)復(fu)雜，枝晶間補縮的(de)(de)(de)(de)(de)距(ju)離(li)越(yue)長阻力(li)越(yue)大，滲透(tou)率(lv)K越(yue)小，疏(shu)松(song)越(yue)容易(yi)形成。因此，疏(shu)松(song)易(yi)于(yu)在糊狀(zhuang)區(qu)較寬(kuan)的(de)(de)(de)(de)(de)鑄錠以體積凝(ning)(ning)(ning)固(gu)或(huo)同時凝(ning)(ning)(ning)固(gu)方(fang)式(shi)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)時形成。相比之下，縮孔傾向于(yu)在糊狀(zhuang)區(qu)較窄的(de)(de)(de)(de)(de)鑄錠以逐層凝(ning)(ning)(ning)固(gu)方(fang)式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)過(guo)程中出現(xian)。
不同凝(ning)固壓(ya)(ya)力下(xia)（0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)縱剖面上疏(shu)松(song)(song)縮孔的(de)(de)(de)分(fen)布情(qing)(qing)況如圖2-117所示(shi)。隨著(zhu)凝(ning)固壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，疏(shu)松(song)(song)和(he)縮孔的(de)(de)(de)總面積大(da)幅度(du)(du)減小，且疏(shu)松(song)(song)逐(zhu)漸消失。由(you)于(yu)壓(ya)(ya)力具有顯著(zhu)的(de)(de)(de)強(qiang)化(hua)(hua)冷卻效果，增(zeng)大(da)凝(ning)固壓(ya)(ya)力，強(qiang)化(hua)(hua)了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)鑄(zhu)(zhu)型(xing)間(jian)的(de)(de)(de)界面換熱，加(jia)(jia)快了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)冷卻速率，從而增(zeng)大(da)了(le)(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)溫度(du)(du)梯度(du)(du)Gr;在(zai)合(he)金體系一定的(de)(de)(de)情(qing)(qing)況下(xia)，糊狀區隨之(zhi)確定，那么糊狀區的(de)(de)(de)寬(kuan)度(du)(du)隨溫度(du)(du)梯度(du)(du)Gr的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而減小171],進而導致枝晶(jing)網狀結構的(de)(de)(de)形成(cheng)受到(dao)抑(yi)制(zhi)。凝(ning)固方式(shi)(shi)逐(zhu)漸由(you)體積凝(ning)固向逐(zhu)層(ceng)凝(ning)固過(guo)渡，增(zeng)大(da)了(le)(le)滲(shen)透率K,從而降低和(he)縮短(duan)枝晶(jing)間(jian)補縮時液(ye)相流動(dong)的(de)(de)(de)阻力和(he)距離。此(ci)(ci)外，基于(yu)以上理(li)論分(fen)析并結合(he)判據(ju)式(shi)(shi)（2-202)可知，增(zeng)加(jia)(jia)凝(ning)固壓(ya)(ya)力等效于(yu)增(zeng)大(da)了(le)(le)Px,使其遠大(da)于(yu)枝晶(jing)間(jian)液(ye)相補縮時所需(xu)壓(ya)(ya)力。因此(ci)(ci)，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)有利于(yu)枝晶(jing)間(jian)液(ye)相的(de)(de)(de)補縮行為，且有助于(yu)大(da)幅度(du)(du)減小或消除疏(shu)松(song)(song)缺陷(xian)。
三(san)、凝固析出相
根據相(xiang)所含非金屬元素(su)的(de)種類，可將凝固(gu)析(xi)出(chu)相(xiang)分為(wei)氮化(hua)物、碳化(hua)物等，與碳化(hua)物相(xiang)比，氮化(hua)物尺寸一(yi)般較小(xiao)，為(wei)了(le)更加清(qing)楚直觀(guan)地論述增加壓力對(dui)凝固(gu)析(xi)出(chu)相(xiang)的(de)影響(xiang)，本節將著重(zhong)以(yi)高速鋼M42中(zhong)碳化(hua)物為(wei)例，闡述壓力對(dui)凝固(gu)析(xi)出(chu)相(xiang)的(de)類型、形貌、成分等影響(xiang)規律。
高(gao)速鋼(gang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)數量繁(fan)多、種(zhong)類(lei)各異。不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)特性不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)、成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)、形(xing)貌(mao)也(ye)各有(you)差(cha)異；按(an)照碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)形(xing)貌(mao)特征及生(sheng)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)機制的(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)，可將(jiang)高(gao)速鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)分(fen)為一次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)和(he)二次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)兩大部分(fen)。一次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)又稱為“初生(sheng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)直接從(cong)液相中(zhong)(zhong)析出的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，包(bao)括各種(zhong)先共晶(jing)和(he)共晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，有(you)M6C、M2C、MC等不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)類(lei)型。一次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)尺(chi)寸比(bi)較大，屬于微米級(ji)別，在(zai)后續(xu)熱加工和(he)熱處理工藝中(zhong)(zhong)將(jiang)被破(po)碎或(huo)分(fen)解成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)尺(chi)寸較小(xiao)的(de)顆(ke)粒(li)狀存在(zai)于鋼(gang)中(zhong)(zhong)。二次(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)是指在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)或(huo)熱處理時從(cong)固相基體（高(gao)溫鐵(tie)素(su)體、奧(ao)氏(shi)體、馬(ma)氏(shi)體等）中(zhong)(zhong)析出的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，分(fen)為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)類(lei)型。高(gao)速鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)波(bo)動范圍較大，不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)鋼(gang)種(zhong)、不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)條(tiao)件產生(sheng)的(de)同(tong)(tong)(tong)一類(lei)型的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)也(ye)會(hui)有(you)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)，甚至同(tong)(tong)(tong)一粒(li)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)部位，也(ye)會(hui)有(you)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)的(de)差(cha)異。各碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)形(xing)貌(mao)、成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)及分(fen)布(bu)見表2-14.
M2C具有密排六方晶體結構［172-175,179],其主要形(xing)(xing)成(cheng)元素(su)通(tong)常是(shi)鉬、釩和鎢(wu)，鉻(ge)及鐵的(de)(de)含量則較少。M2C 共晶碳化(hua)物一般以亞穩態存在于鋼中(zhong)。尺寸較小、片層較薄(bo)且(qie)沒有中(zhong)間脊骨，在高(gao)溫時(shi)易發生分解反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解成(cheng)尺寸較小的(de)(de)顆粒狀M6C和MC。此外，與M6C相反，鋼液凝固(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)率越(yue)快，越(yue)有利于M2C的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)。因(yin)此，提高(gao)鑄錠凝固(gu)時(shi)的(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)率有利于促進(jin)M2C的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)并細化(hua)M2C,同時(shi)可抑(yi)制較大尺寸M6Cl。
M6C具有(you)(you)復(fu)雜立方晶體結(jie)構(gou)，其(qi)結(jie)構(gou)中除(chu)碳(tan)原(yuan)子(zi)(zi)以外，鐵、鎢原(yuan)子(zi)(zi)約各占一半(ban)。M6C屬于穩定型碳(tan)化物(wu)，其(qi)形(xing)態為粗大(da)的骨骼狀。鋼液(ye)凝(ning)固時(shi)冷卻(que)速(su)率(lv)越慢(man)，M6C碳(tan)化物(wu)越易于形(xing)成和長(chang)大(da)。因此(ci)，M6C在(zai)高(gao)(gao)速(su)鋼的心部往(wang)往(wang)含量較高(gao)(gao)，而邊部較少(shao)或(huo)沒有(you)(you)。加快鑄(zhu)錠凝(ning)固時(shi)的冷卻(que)速(su)率(lv)有(you)(you)利于細化M6C,提高(gao)(gao)鑄(zhu)錠性能。
MC具有(you)(you)(you)面心立方結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，化(hua)(hua)學式為(wei)MC或者(zhe)M4C3,其(qi)成(cheng)分以釩為(wei)主。鋼(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)、釩含(han)(han)(han)(han)量(liang)的(de)(de)(de)增大(da)(da)可使MC增多，尺寸變大(da)(da)。高速(su)鋼(gang)(gang)中(zhong)還有(you)(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)。M23C6晶體結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)為(wei)復雜面心立方結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，具有(you)(you)(you)一定(ding)(ding)量(liang)的(de)(de)(de)鎢、鉬，釩含(han)(han)(han)(han)量(liang)極少，含(han)(han)(han)(han)有(you)(you)(you)大(da)(da)量(liang)的(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)元素(su)；與(yu)M2C相同，M3C也是(shi)亞穩(wen)態相。M7C3為(wei)復雜六(liu)方晶體結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，含(han)(han)(han)(han)有(you)(you)(you)較多的(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)，主要(yao)存在于碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)含(han)(han)(han)(han)量(liang)較高的(de)(de)(de)鋼(gang)(gang)中(zhong)。高速(su)鋼(gang)(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)具有(you)(you)(you)兩個重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)特性(xing)(xing)：硬度和(he)熱(re)(re)穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)(xing)（加熱(re)(re)時溶解、聚集長大(da)(da)的(de)(de)(de)難度）。這些特性(xing)(xing)反映了碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)和(he)金屬原子(zi)(zi)結(jie)(jie)(jie)(jie)合鍵的(de)(de)(de)強弱，與(yu)原子(zi)(zi)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)和(he)尺寸有(you)(you)(you)關。碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)晶格結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)與(yu)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)原子(zi)(zi)半(ban)徑rc、金屬原子(zi)(zi)半(ban)徑rx有(you)(you)(you)關，如表(biao)2-15所示，rd/rx值越(yue)大(da)(da)，則越(yue)易(yi)形(xing)成(cheng)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)復雜的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)小則易(yi)形(xing)成(cheng)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)簡單密(mi)堆型碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)（MC等(deng)）。表(biao)中(zhong)熔(rong)點可作為(wei)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)熱(re)(re)穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)衡量(liang)指標，可見碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)原子(zi)(zi)尺寸越(yue)接近，則碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)(xing)越(yue)高。
1. 壓力對萊氏體的影響
凝固末期(qi)，由于偏析導致合金元素在枝晶(jing)間(jian)殘余液相內富(fu)集發(fa)生共(gong)晶(jing)反應，從液相中直接生成碳化物，它與奧氏(shi)(shi)體(ti)相間(jian)排列(lie)，構(gou)成萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。因此高(gao)速鋼的萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)往(wang)往(wang)存在于枝晶(jing)間(jian)。圖2-118為M2高(gao)速鋼的低倍鑄態(tai)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，可見一(yi)般情況(kuang)下，相鄰(lin)晶(jing)粒(li)之(zhi)間(jian)的萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)較(jiao)為細小(xiao)，數(shu)(shu)量較(jiao)少，而多(duo)個(ge)晶(jing)粒(li)之(zhi)間(jian)的萊氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)尺寸(cun)較(jiao)大，數(shu)(shu)量較(jiao)多(duo)。
高(gao)速(su)鋼的(de)(de)萊氏(shi)體組織(zhi)中(zhong)含有(you)(you)多種類型的(de)(de)碳化(hua)物，如M2C、M6C、MC等(deng)。M6C整體形貌(mao)(mao)類似魚骨，故又稱為(wei)(wei)“魚骨狀碳化(hua)物”，如圖(tu)(tu)2-119所示(shi)；M2C成片層狀，含有(you)(you)M2C的(de)(de)共晶萊氏(shi)體具有(you)(you)“羽毛狀”、“扇狀”、“菊花狀”等(deng)形貌(mao)(mao)，如圖(tu)(tu)2-120所示(shi)；MC的(de)(de)生長時間較長，最終尺(chi)寸較為(wei)(wei)粗大(da)，往往以不規(gui)則的(de)(de)條狀出(chu)現，如圖(tu)(tu)2-120所示(shi)。
a. 碳(tan)化物種類及分布
高(gao)(gao)(gao)(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)種類(lei)與成(cheng)分(fen)(fen)(fen)和凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)率密(mi)不(bu)可(ke)分(fen)(fen)(fen)。M42 高(gao)(gao)(gao)(gao)速(su)工具鋼(gang)作為高(gao)(gao)(gao)(gao)鉬低鎢(wu)鋼(gang)，其凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)主(zhu)要為M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)；另外含有(you)(you)少部(bu)分(fen)(fen)(fen)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)，主(zhu)要存在(zai)于(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)心(xin)(xin)部(bu)區域。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)(gao)(gao)(gao)速(su)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板金相組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。白色(se)(se)斑點狀處的(de)(de)(de)萊氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)為具有(you)(you)中(zhong)(zhong)心(xin)(xin)脊(ji)骨(gu)，脊(ji)骨(gu)兩邊具有(you)(you)平行分(fen)(fen)(fen)枝的(de)(de)(de)魚骨(gu)狀M6C.M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)尺寸比M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)粗大得多且結(jie)構上相互連接緊密(mi)，極不(bu)利于(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)后續碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)破碎，因此(ci)盡可(ke)能減(jian)少或(huo)避免(mian)凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)產生(sheng)，有(you)(you)助(zhu)于(yu)(yu)提升其力(li)學(xue)性(xing)能等。隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大，萊氏體(ti)（白色(se)(se)斑點）所占1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板的(de)(de)(de)面積(ji)比例逐漸減(jian)小，加(jia)壓(ya)有(you)(you)助(zhu)于(yu)(yu)抑制M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)與長大，其主(zhu)要原因在(zai)于(yu)(yu)在(zai)較低壓(ya)力(li)下，加(jia)壓(ya)對(dui)(dui)凝(ning)(ning)固(gu)熱力(li)學(xue)和動力(li)學(xue)參數的(de)(de)(de)影響十分(fen)(fen)(fen)有(you)(you)限，但強化(hua)冷卻(que)(que)效果十分(fen)(fen)(fen)明同時(shi)(shi)凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)冷卻(que)(que)速(su)率越(yue)小，越(yue)有(you)(you)利于(yu)(yu)魚骨(gu)狀M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)，且M6C越(yue)粗大。因而增(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)主(zhu)要通過增(zeng)大鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)(zhu)(zhu)型間界面換熱系數，提高(gao)(gao)(gao)(gao)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)率從而細化(hua)并(bing)抑制M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)，且當壓(ya)力(li)增(zeng)加(jia)到(dao)一(yi)定程(cheng)度(du)時(shi)(shi)，能夠完全抑制富(fu)含M6C的(de)(de)(de)萊氏體(ti)形(xing)成(cheng)，消(xiao)除其對(dui)(dui)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和性(xing)能的(de)(de)(de)不(bu)良影響。
圖2-121(b)所示萊氏(shi)體組織中碳(tan)化物為長條狀(zhuang)或者短棒狀(zhuang)的M2C.凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)不同，M2C的尺寸、形貌以及分(fen)布(bu)(bu)的緊(jin)密(mi)程(cheng)度等均有所不同。在(zai)0.1MPa壓(ya)力(li)下，碳(tan)化物分(fen)枝(zhi)較(jiao)少(shao)、片層(ceng)較(jiao)長、尺寸較(jiao)大(da)、間距較(jiao)寬(kuan)、共(gong)晶(jing)(jing)萊氏(shi)體與枝(zhi)晶(jing)(jing)臂的界面較(jiao)平整(zheng)；隨著壓(ya)力(li)的增加，條狀(zhuang)或片層(ceng)狀(zhuang)碳(tan)化物的間距逐(zhu)漸減小，且開(kai)始斷開(kai)成(cheng)大(da)量的短棒碳(tan)化物，碳(tan)化物的分(fen)枝(zhi)也(ye)逐(zhu)漸增多，并(bing)密(mi)集(ji)分(fen)布(bu)(bu)在(zai)枝(zhi)晶(jing)(jing)間，共(gong)晶(jing)(jing)萊氏(shi)體與枝(zhi)晶(jing)(jing)臂的界面也(ye)較(jiao)為粗糙(cao)。此外，三個壓(ya)力(li)下的M2C幾(ji)乎沒有晶(jing)(jing)體缺陷，明壓(ya)力(li)很難對(dui)碳(tan)化物晶(jing)(jing)格類(lei)型產生(sheng)影(ying)響。
b. 萊(lai)氏體(ti)尺寸
萊氏(shi)(shi)(shi)體組織存在于枝(zhi)(zhi)晶間，與枝(zhi)(zhi)晶間距、形貌(mao)(mao)及分(fen)布密切相(xiang)關，枝(zhi)(zhi)晶間距越小(xiao)(xiao)(xiao)，枝(zhi)(zhi)晶間萊氏(shi)(shi)(shi)體尺(chi)寸也相(xiang)應地細小(xiao)(xiao)(xiao)且(qie)均勻分(fen)布。圖(tu)2-124和圖(tu)2-125給出了不同(tong)壓(ya)(ya)力(li)條(tiao)件下(xia)(xia)M42鑄錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)和心部(bu)(bu)萊氏(shi)(shi)(shi)體形貌(mao)(mao)和尺(chi)寸分(fen)布，無論是鑄錠的邊(bian)(bian)部(bu)(bu)還(huan)是心部(bu)(bu)，尺(chi)寸不一(yi)的萊氏(shi)(shi)(shi)體組織（黑色）均分(fen)布在枝(zhi)(zhi)晶間。在同(tong)一(yi)凝固壓(ya)(ya)力(li)條(tiao)件下(xia)(xia)，鑄錠邊(bian)(bian)部(bu)(bu)的枝(zhi)(zhi)晶間距明(ming)顯(xian)小(xiao)(xiao)(xiao)于心部(bu)(bu)，因(yin)而(er)心部(bu)(bu)萊氏(shi)(shi)(shi)體要比(bi)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)粗大(da)。
隨(sui)著壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，在壓(ya)(ya)(ya)力(li)強化(hua)冷卻(que)的(de)(de)作用下(xia)，冷卻(que)速率增(zeng)(zeng)大(da)(da)，鑄錠(ding)局(ju)部(bu)(bu)凝固時間(jian)縮短，使(shi)得(de)(de)(de)(de)枝晶(jing)組織得(de)(de)(de)(de)到(dao)了明(ming)顯細(xi)化(hua)且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)(fen)布更(geng)均勻(yun)，進(jin)而導致分(fen)(fen)布在枝晶(jing)間(jian)的(de)(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織也隨(sui)之細(xi)化(hua)，厚度(du)(du)大(da)(da)大(da)(da)減小且(qie)分(fen)(fen)布更(geng)加均勻(yun)。在0.1MPa 壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)，無論(lun)在邊部(bu)(bu)還是心部(bu)(bu)位置，鑄錠(ding)的(de)(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織均較為粗(cu)大(da)(da)，且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)(fen)布極不(bu)均勻(yun)，部(bu)(bu)分(fen)(fen)局(ju)部(bu)(bu)區域(yu)存(cun)在著大(da)(da)量的(de)(de)黑色萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)，尤(you)其在多(duo)個枝晶(jing)臂交匯處，且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)異常粗(cu)大(da)(da)。當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)增(zeng)(zeng)加至(zhi)(zhi)1MPa時，粗(cu)大(da)(da)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)得(de)(de)(de)(de)到(dao)明(ming)顯細(xi)化(hua)，且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)(fen)布更(geng)加均勻(yun)；當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)進(jin)一步(bu)(bu)增(zeng)(zeng)加至(zhi)(zhi)2MPa時，萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織得(de)(de)(de)(de)到(dao)進(jin)一步(bu)(bu)地改(gai)善(shan)，組織更(geng)加細(xi)密，尺(chi)(chi)寸(cun)更(geng)加均勻(yun)，粗(cu)大(da)(da)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織基本消(xiao)失。萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)平均尺(chi)(chi)寸(cun)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)規律如(ru)圖2-126所(suo)示(shi)，壓(ya)(ya)(ya)力(li)從(cong)0.1MPa增(zeng)(zeng)加至(zhi)(zhi)2MPa時，萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)厚度(du)(du)由28.37μm降低(di)至(zhi)(zhi)22.92μm.因此，增(zeng)(zeng)加壓(ya)(ya)(ya)力(li)能夠明(ming)顯細(xi)化(hua)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織，改(gai)善(shan)其分(fen)(fen)布狀態。
2. 壓(ya)力對碳化物的影響
a. 碳化物尺寸(cun)
以(yi)高速鋼(gang)中(zhong)M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳化(hua)(hua)物(wu)為例，M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳化(hua)(hua)物(wu)是通過(guo)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)共(gong)晶(jing)(jing)反應(ying)L→y+M2C產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)。和(he)(he)純金(jin)屬(shu)及(ji)固(gu)(gu)溶體合(he)金(jin)的(de)(de)(de)結晶(jing)(jing)過(guo)程一(yi)樣(yang)，共(gong)晶(jing)(jing)轉變(bian)(bian)同樣(yang)需要經過(guo)形核與(yu)長大(da)(da)的(de)(de)(de)過(guo)程。結合(he)式（2-178)和(he)(he)式（2-179),東北大(da)(da)學特殊鋼(gang)冶金(jin)研(yan)究所在(zai)(zai)控制溫度(du)不變(bian)(bian)的(de)(de)(de)基礎上，計算了(le)不同壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)各元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素在(zai)(zai)兩(liang)相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)(shu)，探討凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)與(yu)擴(kuo)散(san)(san)激活(huo)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)關(guan)系。凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)溫度(du)T=1478K時，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素（鉬(mu)、鎢(wu)、釩(fan)和(he)(he)鉻）在(zai)(zai)M2C相(xiang)和(he)(he)奧氏體相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)(shu)D隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)規律如圖2-127和(he)(he)圖2-128所示；從整(zheng)體上看，隨(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)逐(zhu)漸增大(da)(da)，同溫度(du)M2C相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素鉬(mu)和(he)(he)鎢(wu)的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)(shu)D呈(cheng)減小趨勢，而(er)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素釩(fan)和(he)(he)鉻則呈(cheng)增大(da)(da)的(de)(de)(de)趨勢，表明提高壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)可增大(da)(da)M2C中(zhong)鉬(mu)、鎢(wu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)激活(huo)能(neng)(neng)ΔGm,進而(er)降低(di)其擴(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)(li)(li)；同時降低(di)釩(fan)、鉻元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)激活(huo)能(neng)(neng)ΔGm,從而(er)提高其擴(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)(li)(li)。然(ran)而(er)，當壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)在(zai)(zai)0.1~2MPa范圍內變(bian)(bian)化(hua)(hua)時，各元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)微乎其微，即保持恒定值。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)逐(zhu)漸增大(da)(da)到50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素鉬(mu)的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)(shu)才開始(shi)產(chan)生(sheng)較為明顯(xian)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)，鎢(wu)、釩(fan)和(he)(he)鉻元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)(shu)甚至在(zai)(zai)100MPa壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)仍未產(chan)生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)(hua)。因此低(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)，元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)可忽略不計。
的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)而(er)降低(di)，鉻(ge)元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數(shu)則(ze)隨(sui)(sui)著凝固(gu)(gu)壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)而(er)增加，如圖2-128所示。即增大(da)(da)凝固(gu)(gu)壓(ya)力具有提(ti)高奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)中合(he)金元(yuan)素鉬、鎢和(he)釩(fan)(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm,降低(di)其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力以(yi)及(ji)減小(xiao)(xiao)元(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm和(he)增大(da)(da)其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力的(de)(de)(de)(de)(de)作用。與M2C差別(bie)在(zai)(zai)于(yu)(yu)，在(zai)(zai)奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ中，較小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)凝固(gu)(gu)壓(ya)力便可(ke)發揮(hui)比較明(ming)(ming)(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)作用，例如：當凝固(gu)(gu)壓(ya)力大(da)(da)于(yu)(yu)2MPa時，元(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數(shu)隨(sui)(sui)壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)(de)增加而(er)明(ming)(ming)(ming)顯增大(da)(da)；鉬和(he)釩(fan)(fan)元(yuan)素則(ze)在(zai)(zai)10MPa時開(kai)始隨(sui)(sui)壓(ya)力增加而(er)明(ming)(ming)(ming)顯減小(xiao)(xiao)。可(ke)見(jian)，在(zai)(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)溫度下，相(xiang)(xiang)(xiang)比于(yu)(yu)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)，合(he)金元(yuan)素釩(fan)(fan)、鎢、鉬和(he)鉻(ge)在(zai)(zai)奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)情況受凝固(gu)(gu)壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)(de)影響更為明(ming)(ming)(ming)顯。但在(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)力范(fan)圍內，合(he)金元(yuan)素在(zai)(zai)奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ中的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數(shu)幾乎保持不變(bian)（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同(tong)時，各元(yuan)素擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm也未發生明(ming)(ming)(ming)顯變(bian)化。
綜上(shang)所述(shu)，在低(di)(di)壓下，影響M2C形(xing)核(he)率的主要因素是隨凝(ning)固壓力增(zeng)大而(er)(er)顯(xian)著減小的形(xing)核(he)功。增(zeng)加凝(ning)固壓力可顯(xian)著改(gai)善(shan)換熱條(tiao)件(jian)強化(hua)鑄(zhu)錠(ding)(ding)冷卻、提高鑄(zhu)錠(ding)(ding)過冷度ΔT,進而(er)(er)降低(di)(di)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(zui)終增(zeng)大M2C的形(xing)核(he)率、減小M2C相(xiang)鄰碳(tan)化(hua)物的間距(ju)。
此外(wai)，增加(jia)壓力(li)使M2C形核率大大增加(jia)，同時(shi)(shi)強化了鑄錠(ding)冷(leng)卻，顯(xian)著降低(di)了局部凝固時(shi)(shi)間(jian)LST,導致(zhi)加(jia)壓下(xia)鑄錠(ding)同位置(zhi)的(de)凝固相(xiang)對(dui)(dui)較快，M2C共(gong)晶碳化物生長時(shi)(shi)間(jian)變(bian)短，導致(zhi)M42凝固組織中(zhong)M2C碳化物的(de)尺寸(cun)減(jian)小。這對(dui)(dui)于后續的(de)熱(re)處(chu)理碳化物的(de)溶解具(ju)有(you)積極的(de)意義。
圖(tu)(tu)2-129為不同(tong)凝固(gu)壓(ya)力下M2C共晶碳(tan)(tan)化物(wu)在熱處(chu)(chu)理(li)(li)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)元(yuan)素擴散(san)示意圖(tu)(tu)。隨著凝固(gu)壓(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)大，碳(tan)(tan)化物(wu)由長條狀(zhuang)轉變(bian)為短棒狀(zhuang)，在縱向和橫(heng)向上的(de)尺寸均(jun)顯著減小(xiao)(xiao)。因此，在熱處(chu)(chu)理(li)(li)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，碳(tan)(tan)化物(wu)中(zhong)(zhong)的(de)元(yuan)素由內向外(wai)擴散(san)的(de)平均(jun)距離也相應隨著凝固(gu)壓(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)大而顯著減小(xiao)(xiao)，熱處(chu)(chu)理(li)(li)效(xiao)果更加(jia)明(ming)顯，熱處(chu)(chu)理(li)(li)后M42組織的(de)成分(fen)更加(jia)均(jun)勻，進(jin)而有利于提高M42高速鋼(gang)的(de)質(zhi)量。
b. 碳化物成(cheng)分
M2C的(de)形成元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)主要包括鉬(mu)、鎢、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)，其中鉬(mu)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)是強M2C碳化物形成元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，也(ye)是M2C中含量(liang)(liang)最高的(de)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)。圖(tu)2-130給出(chu)了不同壓(ya)力(li)下M2C中合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)、鎢、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)含量(liang)(liang)，隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，M2C上的(de)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)、鎢、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)含量(liang)(liang)均逐(zhu)漸減小，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)則逐(zhu)漸增(zeng)大(da)(da)(da)；同時(shi)，M2C碳化物之間(jian)基(ji)體中合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)含量(liang)(liang)則呈現(xian)相反(fan)的(de)規律：鉬(mu)、鎢、釩和(he)鉻(ge)(ge)(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)含量(liang)(liang)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)(da)(da)，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)減少(shao)。這表明，增(zeng)大(da)(da)(da)的(de)壓(ya)力(li)使得(de)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)在M2C共晶碳化物中的(de)分布趨于均勻，為(wei)后(hou)續的(de)處理、熱加工工藝中碳化物的(de)破碎、溶解提供良好的(de)基(ji)礎。
在高速鋼中，M2C共(gong)晶碳化(hua)物是通過(guo)凝(ning)固過(guo)程中的共(gong)晶反應L→M2C+y產生的，在這個過(guo)程中存在M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)和奧氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)之間的溶質再分配［172].在一定溫度下，平衡(heng)分配系(xi)數可表示(shi)為固相(xiang)(xiang)和液相(xiang)(xiang)中的元(yuan)素(su)濃度之比：
式(shi)中(zhong)，Cs和CL分(fen)別表示在(zai)凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)，元素在(zai)固(gu)相(xiang)和液相(xiang)中(zhong)的平(ping)衡濃度。共晶反應(ying)L→M2C+y是在(zai)凝固(gu)末期發(fa)生(sheng)的，圖(tu)2-131給出了(le)不同(tong)壓力(li)下的M42高速鋼凝固(gu)時共晶反應(ying)過程(cheng)中(zhong)M2C碳(tan)化物相(xiang)和奧(ao)氏體γ相(xiang)中(zhong)各元素的單相(xiang)平(ping)衡分(fen)配系數。
式中(zhong)，Cs和C1分別表示在(zai)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)，元素(su)在(zai)固(gu)(gu)相(xiang)和液(ye)相(xiang)中(zhong)的(de)平衡濃度。共(gong)晶(jing)反應(ying)L→M2C+y是在(zai)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)末期(qi)發(fa)生的(de)［172,180,181],圖2-131給出了不同(tong)壓力下的(de)M42高速(su)鋼凝(ning)(ning)固(gu)(gu)時(shi)共(gong)晶(jing)反應(ying)過(guo)(guo)程中(zhong)M2C碳化物相(xiang)和奧氏體y相(xiang)中(zhong)各元素(su)的(de)單相(xiang)平衡分配系數。
隨壓力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，共晶(jing)反(fan)應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)(mu)元(yuan)素在M2C和(he)(he)奧氏(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)系(xi)數具(ju)有升高(gao)的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)并(bing)逐漸靠近(jin)1.基于熱力(li)學分(fen)析，在M42鑄錠凝(ning)固時(shi)的(de)(de)(de)共晶(jing)反(fan)應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，增(zeng)(zeng)(zeng)大壓力(li)可(ke)使(shi)鉬(mu)(mu)元(yuan)素在M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)(he)奧氏(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)含量增(zeng)(zeng)(zeng)大。凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)(he)奧氏(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)素平(ping)衡(heng)分(fen)配(pei)系(xi)數增(zeng)(zeng)(zeng)量變化(hua)規(gui)律如(ru)圖2-132所(suo)示，在0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa時(shi)，M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)素平(ping)衡(heng)分(fen)配(pei)系(xi)數增(zeng)(zeng)(zeng)量始終大于奧氏(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)平(ping)衡(heng)分(fen)配(pei)系(xi)數增(zeng)(zeng)(zeng)量。由(you)此可(ke)知，共晶(jing)反(fan)應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)(xiang)比于奧氏(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)，鉬(mu)(mu)元(yuan)素更偏(pian)向于在M2C相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)富集(ji)。
在0.1~2MPa壓(ya)力范(fan)圍內，加壓(ya)對Mo元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)平衡(heng)分(fen)配(pei)系數(shu)影響(xiang)(xiang)非常(chang)小(xiao)，變化(hua)量為10-6~10-5,可(ke)忽略(lve)不計，因而(er)在低壓(ya)范(fan)圍內，增加壓(ya)力不能通過(guo)改變元(yuan)素(su)(su)(su)平衡(heng)分(fen)配(pei)系數(shu)而(er)影響(xiang)(xiang)相成(cheng)分(fen)。除平衡(heng)分(fen)配(pei)系數(shu)以外，鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)溶質的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)情況與(yu)(yu)元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)質行為有關(guan)。在M42鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)(de)共晶(jing)反(fan)應L→M2C+y過(guo)程中(zhong)存在M2C碳(tan)化(hua)物相和奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)溶質再分(fen)配(pei)：液相中(zhong)的(de)(de)(de)M2C形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)(su)（鉬、鎢、釩和鉻(ge)）通過(guo)凝(ning)固(gu)前沿固(gu)／液界面向M2C碳(tan)化(hua)物相富集(ji)，同時奧(ao)氏體(ti)(ti)γ相形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)(su)（鈷、鐵）則(ze)向奧(ao)氏體(ti)(ti)相富集(ji)，整個反(fan)應發生在凝(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)(de)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)小(xiao)熔池內，此時液相流動很弱，元(yuan)素(su)(su)(su)對流傳(chuan)(chuan)質行為可(ke)忽略(lve)，因而(er)溶質的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)主要與(yu)(yu)相中(zhong)元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)擴散傳(chuan)(chuan)質行為有關(guan)。
根據菲克第一定律公(gong)式（2-178)可(ke)知(zhi)，擴(kuo)散系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)D與溫(wen)(wen)(wen)度(du)T呈反比關(guan)系(xi)(xi)(xi)。圖2-133為(wei)2MPa下M2C形成元(yuan)素的(de)擴(kuo)散系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)隨溫(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)變(bian)(bian)化關(guan)系(xi)(xi)(xi)。在(zai)凝固壓力(li)不變(bian)(bian)時，溫(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)降低會顯著減小擴(kuo)散系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)，在(zai)低壓范圍(wei)內(nei)，相對于凝固壓力(li)變(bian)(bian)化，溫(wen)(wen)(wen)度(du)變(bian)(bian)化對擴(kuo)散系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)D具有更明顯的(de)影響。
增(zeng)大壓(ya)力具有顯著強化冷(leng)卻和(he)(he)減少鑄(zhu)錠(ding)局部凝(ning)固時間的(de)作用。由此可知，對于0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa壓(ya)力下的(de)鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固過程，在相(xiang)同(tong)的(de)凝(ning)固時間內，在較高壓(ya)力下凝(ning)固的(de)鑄(zhu)錠(ding)冷(leng)卻更快，溫(wen)度更低(di)(di)(di)，其元素擴散(san)系(xi)數則相(xiang)對較低(di)(di)(di)，導致(zhi)元素擴散(san)速率(lv)減小，使得M2C共晶(jing)碳化物(wu)中釩、鎢、鉻和(he)(he)鉬元素含量降低(di)(di)(di)，碳化物(wu)間基(ji)體(ti)的(de)合金元素含量升高，降低(di)(di)(di)了(le)M2C碳化物(wu)和(he)(he)奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)之間的(de)成(cheng)分差異性(xing)(xing)，提高了(le)M42凝(ning)固組織成(cheng)分的(de)均勻(yun)性(xing)(xing)。
c. 碳化物形貌
M2C碳化(hua)物(wu)明顯具(ju)有各向(xiang)異性的(de)(de)生長方式，形貌(mao)具(ju)有小(xiao)平(ping)(ping)面向(xiang)的(de)(de)特性。共(gong)晶(jing)組織的(de)(de)形貌(mao)與共(gong)晶(jing)過(guo)程(cheng)中液／固界面結構有密(mi)切聯系，金(jin)屬相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)－金(jin)屬碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)屬于(yu)(yu)小(xiao)平(ping)(ping)面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)－非小(xiao)平(ping)(ping)面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶(jing)［146].M2C是通過(guo)凝固末期枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)熔池里的(de)(de)共(gong)晶(jing)反(fan)M2C共(gong)晶(jing)碳化(hua)物(wu)形成于(yu)(yu)凝固末期枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中，根(gen)據(ju)凝固原理。枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中元素含量明顯高于(yu)(yu)鑄錠標準含量。不同(tong)壓(ya)力下(xia)(xia)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中各相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)出現的(de)(de)先(xian)(xian)后(hou)順序(xu)，如圖2-135所示，在不同(tong)壓(ya)力下(xia)(xia)，M2C均領先(xian)(xian)奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ出現。這表(biao)明，在共(gong)晶(jing)反(fan)應L→y+M2C過(guo)程(cheng)中，M2C是領先(xian)(xian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。
在共晶凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)(de)(de)(de)快速(su)生(sheng)長(chang)方向率先進(jin)入共生(sheng)界面前方的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)體中(zhong)，同時(shi)在其附近液(ye)(ye)層中(zhong)排出(chu)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體形成元(yuan)(yuan)素(su)；隨(sui)(sui)(sui)后奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此液(ye)(ye)層獲得生(sheng)長(chang)組元(yuan)(yuan)，跟隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)(zhu)M2C一(yi)起(qi)長(chang)大(da)，同時(shi)也向液(ye)(ye)層中(zhong)排出(chu)M2C形成元(yuan)(yuan)素(su)，如(ru)圖2-136所示。隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，凝(ning)固(gu)(gu)速(su)率增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)率均加(jia)(jia)快。一(yi)方面，M2C碳(tan)化物相(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)(jian)(jian)距(ju)隨(sui)(sui)(sui)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)逐(zhu)(zhu)漸減小，即奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)／固(gu)(gu)界面變窄；另一(yi)方面，加(jia)(jia)壓使得枝晶間(jian)(jian)(jian)殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)合金元(yuan)(yuan)素(su)沒有足夠時(shi)間(jian)(jian)(jian)進(jin)行充分(fen)擴(kuo)散；導致奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)／固(gu)(gu)界面前沿合金元(yuan)(yuan)素(su)濃度(du)急劇增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，成分(fen)過(guo)冷加(jia)(jia)劇，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)大(da)速(su)率進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，使得M2C相(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)率差(cha)逐(zhu)(zhu)漸縮小。此外，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)作為非小平(ping)面相(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)長(chang)所需過(guo)冷度(du)遠小于小平(ping)面相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)M2C碳(tan)化物，使得在凝(ning)固(gu)(gu)速(su)率增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)率增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)大(da)于M2C碳(tan)化物相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速(su)率增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)。因(yin)此，隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)(zhu)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，枝晶間(jian)(jian)(jian)共晶組織中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)(de)(de)含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)(zeng)多，使得M2C碳(tan)化物的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)空間(jian)(jian)(jian)受到“排擠”，含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)對減少，最終(zhong)M2C碳(tan)化物逐(zhu)(zhu)漸呈現(xian)出(chu)被奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進(jin)而變短(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形貌，如(ru)圖2-134所示。
四(si)、夾雜物分布
夾雜物是(shi)影(ying)響鋼(gang)錠質量的一個重要因素。鋼(gang)中(zhong)夾雜物主要包括冶煉過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)進行(xing)脫氧處理形成(cheng)的脫氧產物、凝固過(guo)程(cheng)(cheng)元素溶(rong)解(jie)度下(xia)降形成(cheng)的氧化(hua)(hua)物、氮化(hua)(hua)物、硫化(hua)(hua)物等(deng)化(hua)(hua)合(he)物以及爐(lu)渣和(he)由于(yu)沖刷而進入鋼(gang)液(ye)的耐火(huo)材料。
根據夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)來(lai)源，可以將(jiang)鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)分為兩類:①外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)大(da)部(bu)分為復(fu)合(he)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)物(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)，主要是由(you)于鋼(gang)(gang)液(ye)接觸空氣生(sheng)(sheng)成氧(yang)(yang)(yang)化(hua)物(wu)(wu)(wu)以及進(jin)入鋼(gang)(gang)液(ye)的(de)(de)爐渣、耐火(huo)材料組成。外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)外形不(bu)規則、尺寸大(da)、構成復(fu)雜(za)(za)(za)，常常位于鋼(gang)(gang)的(de)(de)表(biao)層，具有(you)嚴重(zhong)的(de)(de)危害性。②內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)是由(you)于脫氧(yang)(yang)(yang)、鋼(gang)(gang)水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)化(hua)反應而(er)形成的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)(gang)液(ye)中(zhong)數量較多(duo)，分布均勻(yun)，顆粒細小。由(you)于形成時間不(bu)同，內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)可分為：鋼(gang)(gang)液(ye)脫氧(yang)(yang)(yang)時期生(sheng)(sheng)成的(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)物(wu)(wu)(wu)，也稱為原(yuan)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)或一(yi)次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)；溫度降低造成化(hua)學反應平衡的(de)(de)移動進(jin)而(er)析(xi)(xi)出二次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)；由(you)于溶質元素偏(pian)析(xi)(xi)和(he)溶解度變化(hua)而(er)析(xi)(xi)出的(de)(de)三(san)次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)甚(shen)至(zhi)四次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。
夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)作為(wei)凝固組(zu)織的(de)重要組(zu)成部分(fen)(fen)，其特性(xing)至關重要，對(dui)于(yu)進一(yi)步(bu)揭示加(jia)壓冶金(jin)的(de)優勢十分(fen)(fen)關鍵。非(fei)金(jin)屬夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)特性(xing)（數量、尺寸和(he)(he)(he)分(fen)(fen)布(bu)等(deng)）對(dui)鋼(gang)的(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)（力(li)學(xue)性(xing)能(neng)(neng)(neng)和(he)(he)(he)腐蝕等(deng)）有重要影(ying)響(xiang)。同時，改善(shan)(shan)鋼(gang)中夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)分(fen)(fen)布(bu)情況并盡可能(neng)(neng)(neng)徹底地去除(chu)非(fei)金(jin)屬夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)可以有效地減少缺(que)陷和(he)(he)(he)提高性(xing)能(neng)(neng)(neng)。為(wei)了(le)改善(shan)(shan)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)分(fen)(fen)布(bu)，施加(jia)在(zai)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)上的(de)力(li)包(bao)括重力(li)、浮力(li)、曳力(li)，附加(jia)質量力(li)、升力(li)和(he)(he)(he)反彈力(li)等(deng)起著(zhu)關鍵作用。這(zhe)些力(li)主要是通(tong)(tong)過溫(wen)度(du)、流(liu)場、重力(li)場和(he)(he)(he)電磁場等(deng)物(wu)(wu)(wu)理場來確定(ding)。因(yin)此，可以通(tong)(tong)過采(cai)取一(yi)系列措施優化物(wu)(wu)(wu)理場來改善(shan)(shan)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)布(bu)。例如(ru)，鋼(gang)包(bao)中使用的(de)氣(qi)體(ti)攪拌、連鑄過程(cheng)中添(tian)加(jia)磁場。對(dui)于(yu)加(jia)壓冶金(jin)，壓力(li)是關鍵因(yin)素。目前，已經證實加(jia)壓會在(zai)各個方面影(ying)響(xiang)凝固過程(cheng)中的(de)物(wu)(wu)(wu)理場，包(bao)括加(jia)壓通(tong)(tong)過加(jia)快鑄錠(ding)的(de)冷卻速率(lv)和(he)(he)(he)加(jia)強鑄錠(ding)與鑄模之間(jian)的(de)熱交換來改變溫(wen)度(du)場，通(tong)(tong)過改變糊狀區域的(de)大小和(he)(he)(he)枝晶結構影(ying)響(xiang)流(liu)場等(deng)。
因此(ci)，可以認為(wei)在凝固過(guo)程中壓力具有改(gai)變夾(jia)雜(za)物分(fen)布(bu)(bu)的(de)能力，并(bing)且(qie)壓力對(dui)夾(jia)雜(za)物分(fen)布(bu)(bu)的(de)影(ying)(ying)響(xiang)機(ji)制非常復雜(za)，然而，關于加(jia)壓對(dui)夾(jia)雜(za)物分(fen)布(bu)(bu)變化(hua)的(de)影(ying)(ying)響(xiang)研究相對(dui)較少。這表明(ming)(ming)加(jia)壓對(dui)凝固組織的(de)影(ying)(ying)響(xiang)機(ji)理尚未全面闡明(ming)(ming)。
1. 夾雜物分布分析(xi)模型
在實際(ji)凝固過程中，夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)受力情況(kuang)、運(yun)動(dong)軌跡很難通過實驗(yan)進(jin)行測(ce)量。數值模(mo)擬提供了一種(zhong)可(ke)以深入了解某些無(wu)法(fa)通過實驗(yan)評估(gu)的(de)(de)現象(xiang)的(de)(de)方(fang)法(fa)。這些現象(xiang)包括夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)運(yun)動(dong)軌跡，作用于夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)力和(he)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)速度等。根據電渣、連(lian)鑄和(he)鋼包精煉等過程中的(de)(de)相關研究，數值模(mo)擬是(shi)一種(zhong)非常有效的(de)(de)研究夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)行為的(de)(de)方(fang)法(fa)。
鋼(gang)液凝固(gu)過程涉(she)及熱量(liang)(liang)傳(chuan)(chuan)遞、質量(liang)(liang)傳(chuan)(chuan)輸、動量(liang)(liang)傳(chuan)(chuan)輸、相(xiang)轉變(bian)和(he)晶(jing)粒形核長大等(deng)一系列復(fu)雜(za)的(de)物理化學現象，同時存在(zai)金屬(shu)固(gu)相(xiang)、金屬(shu)液相(xiang)、氣相(xiang)和(he)夾(jia)雜(za)物相(xiang)等(deng)多(duo)個(ge)相(xiang)之間的(de)相(xiang)互作(zuo)用，適合應用歐(ou)拉(la)多(duo)項流(liu)模型進(jin)行(xing)計算求解。其中(zhong)，根據對夾(jia)雜(za)物運動行(xing)為(wei)處(chu)理方(fang)式，夾(jia)雜(za)物分布分析模型可以分為(wei)歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗日(ri)模型和(he)歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模型。
a. 歐拉－拉格朗日模型歐拉－
拉格(ge)朗日離(li)散相(xiang)(xiang)模(mo)型(xing)(xing)是在(zai)歐(ou)拉模(mo)型(xing)(xing)的(de)基(ji)礎上，將夾(jia)雜(za)(za)物(wu)相(xiang)(xiang)處理成(cheng)離(li)散相(xiang)(xiang)，而流體(ti)相(xiang)(xiang)處理為連續相(xiang)(xiang)。根據球型(xing)(xing)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)受力分析，基(ji)于牛頓第二(er)定(ding)律，建(jian)立夾(jia)雜(za)(za)物(wu)運(yun)動(dong)模(mo)型(xing)(xing)，并(bing)與鋼(gang)液凝固模(mo)型(xing)(xing)耦合，從而模(mo)擬夾(jia)雜(za)(za)物(wu)在(zai)凝固過程(cheng)(cheng)運(yun)動(dong)行為。該模(mo)型(xing)(xing)可(ke)以跟(gen)蹤(zong)每個(ge)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)顆粒并(bing)獲得其速度、運(yun)動(dong)軌(gui)跡以及夾(jia)雜(za)(za)物(wu)去除(chu)過程(cheng)(cheng)中的(de)動(dong)力學行為。此(ci)外，該模(mo)型(xing)(xing)是基(ji)于離(li)散相(xiang)(xiang)體(ti)積比例相(xiang)(xiang)對較(jiao)低的(de)基(ji)本假設而建(jian)立。
夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)在(zai)鋼液中(zhong)的(de)(de)運動，主要是(shi)各種力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)共同(tong)作(zuo)用造成的(de)(de)。夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)在(zai)鋼液中(zhong)受(shou)(shou)力(li)(li)(li)(li)情(qing)況如圖2-137所示。可(ke)以看出，夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)顆(ke)粒受(shou)(shou)到主要作(zuo)用力(li)(li)(li)(li)分別為(wei)：由于顆(ke)粒自身性質引起的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)，如重力(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)等；由于顆(ke)粒與流體之間存在(zai)相對運動而產生(sheng)的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)，如升力(li)(li)(li)(li)（Saffman)、附(fu)加質量力(li)(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)(li)和Magnus力(li)(li)(li)(li)等；細小夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)在(zai)高溫條件(jian)下受(shou)(shou)的(de)(de)布(bu)朗（Brown)力(li)(li)(li)(li)等。
（1)曳力(li)。
在(zai)鋼液流(liu)場內黏(nian)性(xing)流(liu)體(ti)與顆粒(li)之(zhi)間存在(zai)相對運動(dong)，由黏(nian)性(xing)流(liu)體(ti)施加的(de)曳(ye)力使得夾雜物顆粒(li)趨(qu)向于(yu)跟(gen)隨流(liu)體(ti)運動(dong)。曳(ye)力是夾雜物顆粒(li)在(zai)凝固(gu)過程中(zhong)的(de)主要(yao)受力之(zhi)一。計算公式如下：
（2)浮力(li)和重(zhong)力(li)。
在豎直方向上，夾(jia)雜(za)物顆粒受到與相對運(yun)動(dong)無關(guan)的力(li)，包(bao)括重力(li)和浮力(li)，其
（3)附加質量力。
當鋼(gang)液(ye)(ye)與夾(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)(li)存在相對(dui)運(yun)(yun)動(dong)時，夾(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)(li)會帶(dai)動(dong)其附近的(de)部分鋼(gang)液(ye)(ye)做加速運(yun)(yun)動(dong)，此時推動(dong)夾(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)(li)運(yun)(yun)動(dong)的(de)力大于(yu)其顆粒(li)(li)本身慣性(xing)力，這部分大于(yu)夾(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)(li)本身慣性(xing)力的(de)力即(ji)為(wei)附加質量力。其計算公式為(wei)
通(tong)過運用歐拉(la)－拉(la)格朗日(ri)模型對(dui)鋼(gang)液凝固過程進行模擬計算時，可(ke)以得出隨著(zhu)溫度場和流場的變(bian)化，每個(ge)球形夾雜物顆粒在鋼(gang)液中的運動軌跡(ji)和分(fen)布。
b. 歐(ou)拉－歐(ou)拉模型
拉(la)格朗日模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是研究夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)顆粒在(zai)鋼液中運動(dong)行為(wei)主(zhu)要(yao)的(de)(de)方法，但(dan)在(zai)實際(ji)的(de)(de)應(ying)用中存在(zai)一些不足，例(li)如，拉(la)格朗日模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是針對單一粒子(zi)(zi)進行計算(suan)，當同時(shi)(shi)追蹤多個(ge)粒子(zi)(zi)時(shi)(shi)，計算(suan)量(liang)(liang)過大(da)，難以進行。相(xiang)(xiang)(xiang)較于拉(la)格朗日模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)，歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)中夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)控(kong)制方程(cheng)與流(liu)體連續相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)控(kong)制方程(cheng)相(xiang)(xiang)(xiang)似，運算(suan)相(xiang)(xiang)(xiang)對高效，能夠同時(shi)(shi)描述多種夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)顆粒在(zai)凝固過程(cheng)中的(de)(de)分布特征(zheng)。歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)與歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗日模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)相(xiang)(xiang)(xiang)比，主(zhu)要(yao)差(cha)別是夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)動(dong)量(liang)(liang)方程(cheng)存在(zai)差(cha)別，歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)動(dong)量(liang)(liang)方程(cheng)表(biao)達式為(wei)
2. 模(mo)鑄過(guo)程中夾雜物的受力分析(xi)
模鑄過程(cheng)中(zhong)，夾雜物(wu)所(suo)受作(zuo)用力(li)(li)包括(kuo)熱浮力(li)(li)、重(zhong)力(li)(li)、附加質量力(li)(li)、升(sheng)力(li)(li)以及相間作(zuo)用力(li)(li)等(deng)，具體受力(li)(li)情況如圖2-138所(suo)示。
流場(chang)對夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)分布(bu)有關(guan)鍵(jian)影響，這直(zhi)接歸因(yin)于(yu)(yu)作(zuo)用(yong)于(yu)(yu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)阻(zu)(zu)力(li)(li)。以0.1MPa下H13鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固為(wei)(wei)例，鋼液(ye)、夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)和(he)等軸晶的(de)(de)(de)(de)流場(chang)和(he)速率(lv)均(jun)顯示(shi)在圖2-139中(zhong)。隨著凝(ning)(ning)固的(de)(de)(de)(de)進行，鋼液(ye)受(shou)熱浮力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)逆時(shi)針運動(dong)(dong)，如圖2-139(a)所示(shi)。同時(shi)，隨著重(zhong)力(li)(li)和(he)浮力(li)(li)合力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增加，等軸晶的(de)(de)(de)(de)沉降(jiang)連續(xu)發(fa)生在柱狀(zhuang)晶（tip)的(de)(de)(de)(de)尖端，如圖2-139(b)所示(shi)。如圖2-139(c)所示(shi)，夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)流場(chang)中(zhong)出現逆時(shi)針運動(dong)(dong)，與(yu)鋼液(ye)相似。這種運動(dong)(dong)行為(wei)(wei)主要是由作(zuo)用(yong)在夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)上的(de)(de)(de)(de)合力(li)(li)引起的(de)(de)(de)(de)。根據模擬(ni)結果，凝(ning)(ning)固過(guo)程中(zhong)重(zhong)力(li)(li)，浮力(li)(li)和(he)阻(zu)(zu)力(li)(li)在改(gai)變夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)行為(wei)(wei)中(zhong)起著關(guan)鍵(jian)作(zuo)用(yong)，因(yin)為(wei)(wei)它們比附加質(zhi)量力(li)(li)和(he)升(sheng)力(li)(li)大了三個數量級。重(zhong)力(li)(li)和(he)浮力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)方(fang)向均(jun)為(wei)(wei)垂(chui)直(zhi)方(fang)向，因(yin)為(wei)(wei)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)密度(du)低于(yu)(yu)液(ye)體的(de)(de)(de)(de)密度(du)，故其合力(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)(de)方(fang)向垂(chui)直(zhi)向上，如圖2-139(d)所示(shi)。
在(zai)整個(ge)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中(zhong)，Fbg保持不(bu)變(bian)，并使(shi)夾雜(za)物(wu)上浮。相(xiang)比之下(xia)(xia)，曳(ye)力(li)Fdp是向(xiang)下(xia)(xia)的力(li)，具有驅動夾雜(za)物(wu)向(xiang)下(xia)(xia)沉的能力(li)。并且(qie)其變(bian)化是復雜(za)的。根(gen)據等式（2-204)可知，曳(ye)力(li)與(yu)鋼液和(he)夾雜(za)物(wu)之間的速度(du)差(cha)密切(qie)相(xiang)關。在(zai)頂(ding)部(bu)和(he)底部(bu)，鋼液和(he)夾雜(za)物(wu)速度(du)差(cha)很(hen)小，與(yu)Fbg相(xiang)比，Fdp可以忽略不(bu)計。在(zai)柱(zhu)狀晶尖端附近(jin)的曳(ye)力(li)Fdp大于Fbg,是導致夾雜(za)物(wu)下(xia)(xia)沉的關鍵因素。在(zai)鑄錠的中(zhong)心，Fdp小于Fbg,Fbg占主導，促(cu)使(shi)夾雜(za)物(wu)上浮。因此，模(mo)鑄過(guo)程(cheng)中(zhong)夾雜(za)物(wu)形成逆時(shi)針運動，這主要是由重力(li)、浮力(li)和(he)曳(ye)力(li)的綜合作用所(suo)驅動。
3. 模鑄過(guo)程(cheng)中壓(ya)力對夾雜(za)物(wu)分布的影響
利用歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模型在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下獲得(de)了H13鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)體積分(fen)(fen)(fen)數的(de)(de)等(deng)值線，如圖2-140所示(shi)(shi)。每個(ge)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)都存在(zai)三(san)個(ge)主要(yao)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)（I、和III),其中(zhong)，II區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度最低，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度最高，I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)次之。三(san)個(ge)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)主要(yao)由夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)逆時(shi)(shi)針(zhen)運動以(yi)及被糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕(bu)集(ji)(ji)(ji)的(de)(de)綜合(he)作用所導致。以(yi)0.1MPa 壓力下夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)布為例，遠離糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)在(zai)逆時(shi)(shi)針(zhen)運動過程中(zhong)逐漸上浮并富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)到鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)頂部，如圖 2-140(c)所示(shi)(shi)。鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)頂部富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)的(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)一(yi)部分(fen)(fen)(fen)被糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕(bu)獲，形成了I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，其余部分(fen)(fen)(fen)沿(yan)逆時(shi)(shi)針(zhen)方(fang)向(xiang)移動，運動方(fang)向(xiang)幾(ji)乎垂直(zhi)于(yu)糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量。與之相比，在(zai)II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)內，夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)運動方(fang)向(xiang)與糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量成鈍角(jiao)，因而夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)更加趨向(xiang)于(yu)被II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)內糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)所捕(bu)獲，如圖2-141所示(shi)(shi)，導致夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)II和III的(de)(de)形成。同時(shi)(shi)，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)程度最高，原因是(shi)糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)較寬，糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)捕(bu)獲能力越強，富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)趨勢更明顯(xian)。
隨(sui)(sui)著壓力從(cong)0.1MPa增加到2MPa,I、II和(he)(he)III區(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)富集度降低，如2-140(b)所示(shi)，夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)體(ti)積(ji)分數(shu)的(de)(de)最大增量 4max隨(sui)(sui)壓力的(de)(de)增加而(er)減小，在0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下分別為4.1x10-5、3.5x10-5和(he)(he)1.8x10-5,表明隨(sui)(sui)著凝固(gu)壓力增加至2MPa,鑄錠中(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)分布更加均勻(yun)。
糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)捕獲夾雜(za)物和夾雜(za)物從(cong)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)逃(tao)脫(tuo)的能力(li)(li)對夾雜(za)物分(fen)(fen)布至關重要(yao)。結合液相線／固(gu)相線溫度(du)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的變(bian)化規律可知，凝(ning)固(gu)區(qu)間變(bian)化很小，當壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)從(cong)0.1MPa增加(jia)到2MPa時可以忽略不計。因此，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)寬度(du)主(zhu)要(yao)由溫度(du)梯度(du)決定。如(ru)圖2-142(b)所示，由于增加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)后提高(gao)了冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)導致高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下溫度(du)梯度(du)更大。在較(jiao)(jiao)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)域的長度(du)變(bian)短［150].另外(wai)，以圖2-142(a)中的A點為例(li)，凝(ning)固(gu)時間隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的增加(jia)而顯著減少，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分(fen)(fen)別(bie)為292s、272s和247s,凝(ning)固(gu)速(su)(su)率(lv)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的增加(jia)而增加(jia)。進而表明，在較(jiao)(jiao)高(gao)的凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)的長度(du)較(jiao)(jiao)小且凝(ning)固(gu)速(su)(su)率(lv)較(jiao)(jiao)高(gao)，因此糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)捕獲夾雜(za)物的能力(li)(li)變(bian)弱。
A、B和(he)(he)C點夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)速(su)度(du)(du)隨(sui)液相體(ti)積(ji)分(fen)數的(de)(de)(de)變化如圖2-143所示。高溫度(du)(du)梯度(du)(du)通(tong)過增大(da)熱(re)浮力(li)來強化鋼液對流。另外(wai)，研究了糊(hu)狀區中夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)隨(sui)曳力(li)改的(de)(de)(de)相應變化。凝(ning)固初(chu)期(qi)，糊(hu)狀區中的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)運動速(su)度(du)(du)隨(sui)著(zhu)壓力(li)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)而增大(da)，在(zai)凝(ning)固后(hou)期(qi)，糊(hu)狀區內夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)幾乎完全停(ting)止運動時液相體(ti)積(ji)分(fen)數隨(sui)著(zhu)壓力(li)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)而降低(di)。以點A為(wei)例(li)，凝(ning)固初(chu)期(qi)（f=0.98),在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)速(su)度(du)(du)分(fen)別為(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)(he)1.52×10-3m/s.當糊(hu)狀區夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)降低(di)到(dao)5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下的(de)(de)(de)液相體(ti)積(ji)分(fen)數分(fen)別為(wei)0.74、0.68和(he)(he)0.62.這意味(wei)著(zhu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)從(cong)糊(hu)狀區逸出的(de)(de)(de)能力(li)隨(sui)壓力(li)增加(jia)(jia)而增強。
綜(zong)上所(suo)述，增(zeng)加壓力可以顯著抑制(zhi)糊狀(zhuang)區(qu)中夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的富集，并通過降低(di)糊狀(zhuang)區(qu)捕獲夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的能(neng)力，提高(gao)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)從糊狀(zhuang)區(qu)中逸出的能(neng)力，使鑄錠內夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)分布更加均勻。
