壓力(li)(li)對鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的凝固(gu)相(xiang)(xiang)變和(he)組織(zhi)有十分重要的影(ying)響，如壓力(li)(li)能(neng)提高晶(jing)粒形核速率，減小(xiao)臨界形核半徑，增大(da)冷(leng)卻速率，細化枝晶(jing)組織(zhi)，減輕(qing)或(huo)消(xiao)除凝固(gu)缺陷(xian)（疏松(song)、縮孔、氣孔和(he)偏(pian)析(xi)）以及(ji)改(gai)變析(xi)出相(xiang)(xiang)形貌和(he)類型等(deng)。由于(yu)鋼鐵材料固(gu)／液(ye)相(xiang)(xiang)線溫度(du)較(jiao)高，加壓難度(du)相(xiang)(xiang)對較(jiao)大(da)，不過(guo)，較(jiao)低(di)壓力(li)(li)依然具有改(gai)善鑄(zhu)(zhu)(zhu)型和(he)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)間換(huan)熱條件、打破液(ye)相(xiang)(xiang)中氮氣泡等(deng)壓力(li)(li)平衡的能(neng)力(li)(li)，進(jin)而(er)達到改(gai)善鋼鐵凝固(gu)組織(zhi)，減輕(qing)或(huo)消(xiao)除凝固(gu)缺陷(xian)等(deng)目(mu)的。

一、枝(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)

  枝(zhi)晶組織的出(chu)現和生(sheng)長與液(ye)相中的成(cheng)分(fen)過(guo)冷密不(bu)可分(fen)，當凝固界(jie)面(mian)出(chu)現擾動(dong)導致液(ye)相出(chu)現局部(bu)成(cheng)分(fen)過(guo)冷時，液(ye)相中就具(ju)備了促使界(jie)面(mian)發生(sheng)波(bo)動(dong)的驅(qu)動(dong)力，進一(yi)步增大了凝固界(jie)面(mian)的不(bu)穩定性，從而使凝固界(jie)面(mian)從平面(mian)狀向樹(shu)枝(zhi)狀轉(zhuan)變(bian)，形成(cheng)枝(zhi)晶組織，液(ye)相中成(cheng)分(fen)過(guo)冷的判據為

  式中，GrL為(wei)(wei)(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)溫度(du)(du)梯度(du)(du)；v為(wei)(wei)(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)速率(lv)；m為(wei)(wei)(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)線斜率(lv)；CL為(wei)(wei)(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)界面處(chu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中溶(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)質(zhi)量分數(shu)(shu)；DL為(wei)(wei)(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中溶(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)擴(kuo)散系(xi)(xi)數(shu)(shu)；ko為(wei)(wei)(wei)(wei)溶(rong)(rong)質(zhi)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)。在不考慮壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)強化冷卻（即GrL保持(chi)恒(heng)定）情(qing)況下，壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)可(ke)通過(guo)改(gai)變(bian)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)線斜率(lv)、擴(kuo)散系(xi)(xi)數(shu)(shu)和溶(rong)(rong)質(zhi)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)等(deng)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)參數(shu)(shu)，改(gai)變(bian)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)形(xing)貌甚(shen)至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)組(zu)成(cheng)。Zhang等(deng)對比了(le)高(gao)錳(meng)鋼（Fe-13Mn-1.2C)在常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)和6GPa下的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)。發現高(gao)錳(meng)鋼高(gao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)包含細(xi)(xi)小(xiao)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)和柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)，與常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)截然不同（圖2-107).晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)尺(chi)寸統計結果(guo)表(biao)明，高(gao)錳(meng)鋼在常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)尺(chi)寸為(wei)(wei)(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下為(wei)(wei)(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)細(xi)(xi)化晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)可(ke)達21倍之多，主要(yao)歸因(yin)于(yu)增(zeng)加凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)降(jiang)低了(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中溶(rong)(rong)質(zhi)擴(kuo)散系(xi)(xi)數(shu)(shu)以及(ji)增(zeng)大了(le)擴(kuo)散激活能，進(jin)而(er)(er)增(zeng)大了(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)成(cheng)分過(guo)冷度(du)(du)，在抑制(zhi)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)生長的(de)(de)同時(shi)增(zeng)大了(le)形(xing)核率(lv)［129,153],從而(er)(er)使得高(gao)錳(meng)鋼凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)逐步向枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織(zhi)(zhi)轉變(bian)，且(qie)細(xi)(xi)化十分顯著(zhu)。Kashchiev和Vasudevan等(deng)的(de)(de)研(yan)究表(biao)明。在凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中，當(dang)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體積(ji)小(xiao)于(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體積(ji)時(shi)，加壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)有助于(yu)提(ti)高(gao)形(xing)核率(lv)，起到細(xi)(xi)化凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)作用(yong)，大多數(shu)(shu)金(jin)(jin)屬(shu)合金(jin)(jin)屬(shu)于(yu)此(ci)類；反之，加壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)將(jiang)抑制(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)形(xing)核，如水(shui)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)成(cheng)冰(bing)。此(ci)外(wai)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)還(huan)能夠抑制(zhi)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)梯度(du)(du)方(fang)向的(de)(de)生長,從而(er)(er)導致枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織(zhi)(zhi)和微(wei)觀(guan)偏析(xi)呈(cheng)現方(fang)向性(xing)。

  為(wei)(wei)了準確地論述壓(ya)力對凝固組(zu)織的影響(xiang)規(gui)律，本節將以19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)和(he)M42工(gong)具鋼(gang)加(jia)壓(ya)凝固組(zu)織為(wei)(wei)例(li)，詳細分析壓(ya)力對枝(zhi)晶組(zu)織、析出相等的影響(xiang)。

 1. 柱狀(zhuang)晶向等軸晶轉變（CET)

   鑄錠的(de)宏觀組(zu)織(zhi)主要由晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)形(xing)貌、尺寸以(yi)(yi)及取(qu)向(xiang)分布(bu)等(deng)構成(cheng)(cheng)，在(zai)合(he)金成(cheng)(cheng)分一定的(de)情況下，它主要取(qu)決(jue)于(yu)鋼液在(zai)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)冷卻(que)條(tiao)件(jian)（包括澆注溫度(du)和鑄型的(de)冷卻(que)效果等(deng)。鑄錠的(de)典型宏觀組(zu)織(zhi)可(ke)分為三個區(qu)：表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)、柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)以(yi)(yi)及中(zhong)心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。表(biao)層的(de)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)是由于(yu)鋼液在(zai)鑄型的(de)激冷作用下，具有(you)較大(da)(da)的(de)過(guo)(guo)(guo)冷度(du)，進而(er)在(zai)鑄型壁面(mian)以(yi)(yi)異(yi)質(zhi)形(xing)核的(de)方式(shi)大(da)(da)量形(xing)核并長大(da)(da)，最后形(xing)成(cheng)(cheng)細(xi)小(xiao)的(de)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)，即表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。隨著凝(ning)(ning)固的(de)進行，表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)逐(zhu)步形(xing)成(cheng)(cheng)金屬(shu)外(wai)殼，使(shi)得(de)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)具備(bei)單向(xiang)性(xing)，有(you)助于(yu)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)沿傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)方向(xiang)生(sheng)(sheng)長，呈現出(chu)方向(xiang)性(xing)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)(cheng)柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)，也導致了表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)的(de)區(qu)域(yu)窄(zhai)小(xiao)，厚(hou)度(du)通常為幾毫米。在(zai)后續(xu)的(de)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，伴隨著凝(ning)(ning)固潛熱(re)(re)的(de)釋放，凝(ning)(ning)固前沿溫度(du)梯度(du)減小(xiao)，傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)的(de)單向(xiang)性(xing)減弱，成(cheng)(cheng)分過(guo)(guo)(guo)冷度(du)增大(da)(da)，進而(er)使(shi)得(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)生(sheng)(sheng)長的(de)方向(xiang)性(xing)減弱，抑(yi)制了柱狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)生(sheng)(sheng)長，同時也促(cu)進了鑄錠心部(bu)異(yi)質(zhi)形(xing)核的(de)發(fa)生(sheng)(sheng)，從(cong)而(er)有(you)助于(yu)柱狀晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變，最終形(xing)成(cheng)(cheng)中(zhong)心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。

   因(yin)此(ci)，鑄錠有兩(liang)類枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組織(zhi)，即等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通(tong)常采用(yong)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距和(he)(he)CET位(wei)置(zhi)(zhi)對(dui)其進行表(biao)征(zheng)。圖(tu)2-108(a)給出了(le)凝固壓(ya)(ya)(ya)力分(fen)別為0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa的(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄錠縱(zong)剖面上(shang)(shang)的(de)(de)(de)宏(hong)觀組織(zhi)；CET位(wei)置(zhi)(zhi)到鑄錠邊部(bu)距離的(de)(de)(de)統計平均(jun)(jun)值(zhi)分(fen)別為19.8mm、22.1mm和(he)(he)27.4mm,增量可達(da)7.6mm,如(ru)圖(tu)2-108(b)所示。統計結(jie)果(guo)(guo)表(biao)明，隨著壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)(de)增大(da)(da)(da)，CET 位(wei)置(zhi)(zhi)逐(zhu)漸由(you)邊部(bu)向心(xin)(xin)部(bu)移動(dong)，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)增大(da)(da)(da)，中(zhong)心(xin)(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)減小。根據柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)阻(zu)擋判據可知［156],當柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端處等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數大(da)(da)(da)于臨界(jie)值(zhi)時(shi)(shi)，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端生長(chang)受到抑(yi)制而停止，此(ci)時(shi)(shi)發生柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向中(zhong)心(xin)(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)變(bian)(bian)。因(yin)此(ci)，CET轉(zhuan)變(bian)(bian)很(hen)大(da)(da)(da)程度(du)上(shang)(shang)取(qu)決于中(zhong)心(xin)(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)形核(he)和(he)(he)長(chang)大(da)(da)(da)。由(you)于壓(ya)(ya)(ya)力強化(hua)(hua)冷(leng)卻(que)效果(guo)(guo)十分(fen)明顯，增加(jia)壓(ya)(ya)(ya)力加(jia)快了(le)鑄錠的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)，增大(da)(da)(da)了(le)鑄錠的(de)(de)(de)溫度(du)梯度(du)，從而降(jiang)低(di)了(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前(qian)沿的(de)(de)(de)成分(fen)過(guo)冷(leng)度(du)，此(ci)時(shi)(shi)，等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端的(de)(de)(de)形核(he)和(he)(he)長(chang)大(da)(da)(da)就會受到嚴重阻(zu)礙和(he)(he)抑(yi)制;反之，降(jiang)低(di)壓(ya)(ya)(ya)力，有助于等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端處的(de)(de)(de)形核(he)和(he)(he)長(chang)大(da)(da)(da)，從而提前(qian)并加(jia)快了(le)CET.因(yin)此(ci)，當壓(ya)(ya)(ya)力從0.5MPa增加(jia)到1.2MPa時(shi)(shi)，壓(ya)(ya)(ya)力通(tong)過(guo)強化(hua)(hua)冷(leng)卻(que)擴(kuo)大(da)(da)(da)了(le)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促使CET轉(zhuan)變(bian)(bian)位(wei)置(zhi)(zhi)在徑向上(shang)(shang)逐(zhu)漸由(you)邊部(bu)向心(xin)(xin)部(bu)移動(dong)。此(ci)外，在0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄錠縱(zong)剖面的(de)(de)(de)宏(hong)觀組織(zhi)中(zhong)均(jun)(jun)存在較窄的(de)(de)(de)表(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。

為(wei)了(le)進(jin)一(yi)步研究壓力對(dui)CET的影響規律，在(zai)不考慮壓力強化(hua)冷卻(que)效果(guo)的前(qian)提下，對(dui)枝晶尖(jian)端(duan)生長速率v.隨(sui)壓力的變化(hua)規律進(jin)行理論計(ji)算，可(ke)采用(yong)KGT模型，,即

  基于2.3.2節分析所得ko和D等相關參數隨壓力的變化規律，結合式（2-188)和式（2-189)可得出不同過冷度下壓力對枝晶尖端生長速率的影響規律。對于19Cr14Mn0.9N 含氮鋼體系，當枝晶尖端的成分過冷度由某一元素偏聚造成時，壓力對枝晶尖端生長速率影響規律如圖2-109所示；當枝晶尖端的過冷度分別由錳和鉬造成時，增加壓力降低了枝晶尖端生長速率；當枝晶尖端的過冷度分別由鉻、碳和氮造成時，增加壓力會增大枝晶尖端生長速率。此外，隨著過冷度的增加，壓力對枝晶尖端生長速率的影響隨之增大；對比0.5MPa和10MPa下的枝晶生長尖端速率可知，枝晶尖端生長速率因壓力改變的變化量可達0.1mm/s,并且壓力越大，枝晶尖端生長速率的變化量越大；因而在高壓下，不考慮壓力強化冷卻效果時，壓力對枝晶尖端生長速率的影響也較大，進而影響CET位置。然而，當壓力從0.5MPa增加至1.2MPa,且不考慮壓力強化冷卻效果時，壓力對枝晶尖端的生長速率的影響較小，可以忽略不計。

   綜上所述，凝固(gu)壓力(li)的(de)增加會對枝晶尖端生長速率(lv)產生重要影響(xiang)，且壓力(li)的(de)增量(liang)越大，影響(xiang)越明顯(xian)。結合實驗和KGT模型理論(lun)計算可知，低壓下，當凝固(gu)壓力(li)從0.5MPa 增加至1.2MPa時，壓力(li)主要通過強化冷卻的(de)方式，使得(de)鑄錠CET位(wei)置(zhi)逐漸由(you)邊部(bu)向心部(bu)移動。

 2. 枝晶間距(ju)

  相(xiang)鄰同次枝(zhi)(zhi)晶(jing)臂之間(jian)的垂直距(ju)離稱為枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)的大(da)小表征(zheng)了(le)枝(zhi)(zhi)晶(jing)組織細化程度，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)越(yue)小，枝(zhi)(zhi)晶(jing)組織越(yue)細密［162],通常考慮的枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)有一次枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)入1和(he)二次枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)λ2.一次枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)與凝固速率v和(he)溫度梯(ti)度Gr的關系為

  由式(shi)(shi)（2-191)可(ke)知(zhi)，合金體(ti)系一(yi)定時(shi)，分(fen)(fen)析局(ju)部區域冷卻(que)速(su)率(lv)v.和溫度(du)梯度(du)Gr隨壓(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)趨勢(shi)，有助于(yu)(yu)闡明壓(ya)力(li)對(dui)一(yi)次枝晶(jing)(jing)(jing)間距λ1的(de)(de)影(ying)響(xiang)規律。因局(ju)部區域冷卻(que)速(su)率(lv)vc和溫度(du)梯度(du)Gr的(de)(de)測量(liang)難度(du)較大，可(ke)用模(mo)(mo)擬(ni)(ni)計算的(de)(de)方式(shi)(shi)獲(huo)得(de)。在(zai)不(bu)(bu)同(tong)凝固壓(ya)力(li)下的(de)(de)組織(zhi)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)過(guo)程中，不(bu)(bu)考慮疏松(song)縮(suo)孔對(dui)晶(jing)(jing)(jing)區分(fen)(fen)布(bu)的(de)(de)影(ying)響(xiang)，模(mo)(mo)擬(ni)(ni)結果如(ru)圖2-110所示。為(wei)了更準確(que)地(di)找到CET位置，使用平均(jun)縱橫(heng)(heng)比(bi)(bi)(bi)（晶(jing)(jing)(jing)粒最(zui)短邊與(yu)最(zui)長邊的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)率(lv)）來區分(fen)(fen)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和等軸晶(jing)(jing)(jing)：當(dang)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)縱橫(heng)(heng)比(bi)(bi)(bi)大于(yu)(yu)0.4時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)粒為(wei)等軸晶(jing)(jing)(jing)；當(dang)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)縱橫(heng)(heng)比(bi)(bi)(bi)小于(yu)(yu)0.4時(shi)，則為(wei)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)。根(gen)據阻擋判據，等軸晶(jing)(jing)(jing)體(ti)積分(fen)(fen)數的(de)(de)臨界值設定為(wei)0.49，以此作(zuo)為(wei)依據，19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)在(zai)0.5MPa、0.85MPa 和1.2MPa 壓(ya)力(li)下，CET 位置在(zai)徑(jing)向(xiang)上離鑄錠邊部的(de)(de)平均(jun)距離分(fen)(fen)別為(wei)18.1mm、19.8mm和25.3mm.

  19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄錠底部(bu)溫度梯度 Gr和(he)(he)冷(leng)卻速(su)率v.隨壓力(li)(li)(li)(li)的(de)變化(hua)(hua)規律，如(ru)圖2-111所示。在(zai)(zai)某一壓力(li)(li)(li)(li)條(tiao)件(jian)下，vc和(he)(he)Gr沿徑(jing)(jing)向(xiang)由(you)鑄錠邊部(bu)到心(xin)(xin)(xin)部(bu)均呈現(xian)逐漸減(jian)小(xiao)的(de)趨勢，結(jie)合式（2-190)可知，一次枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)入(ru)1與v.和(he)(he)Gr成(cheng)反(fan)比，因而1沿徑(jing)(jing)向(xiang)由(you)邊部(bu)到心(xin)(xin)(xin)部(bu)逐漸增大。當壓力(li)(li)(li)(li)從0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時，在(zai)(zai)壓力(li)(li)(li)(li)強(qiang)化(hua)(hua)冷(leng)卻的(de)作(zuo)用(yong)下，鑄錠內各(ge)單元體(ti)(ti)的(de)vc和(he)(he)Gr隨之(zhi)增大，且對(dui)(dui)鑄錠邊緣處的(de)單元體(ti)(ti)影(ying)響最大，在(zai)(zai)沿徑(jing)(jing)向(xiang)向(xiang)心(xin)(xin)(xin)部(bu)移動(dong)的(de)過程中，壓力(li)(li)(li)(li)對(dui)(dui)vc和(he)(he)Gr的(de)影(ying)響逐步(bu)減(jian)弱。結(jie)合式（2-190)可知，一次枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)入(ru)1隨著vc和(he)(he)Gr的(de)增大呈冪函數減(jian)小(xiao)。因此，隨著壓力(li)(li)(li)(li)增加(jia)，一次枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)入(ru)1減(jian)小(xiao)，且越靠近鑄錠邊部(bu)，入(ru)減(jian)小(xiao)趨勢越明顯，即(ji)壓力(li)(li)(li)(li)對(dui)(dui)柱狀晶(jing)一次枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)的(de)影(ying)響大于中心(xin)(xin)(xin)等軸(zhou)晶(jing)區。

  由邊(bian)部(bu)到心(xin)部(bu)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)，結合(he)式（2-192)可知，鑄錠心(xin)部(bu)的二次(ci)枝晶間距(ju)(ju)入(ru)2大(da)于邊(bian)部(bu)；壓力從0.5MPa增(zeng)加至(zhi)1.2MPa時，LST明顯(xian)減(jian)小，二次(ci)枝晶間距(ju)(ju)入(ru)2也隨之減(jian)小。

  圖2-112 不同壓(ya)力(li)(li)下(xia)距離19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠底(di)部(bu)(bu)130mm處LST計算值由于(yu)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)(de)一次枝(zhi)晶(jing)臂(bei)彼(bi)此相交且沿徑向(xiang)以幾乎相同的(de)(de)(de)速(su)率向(xiang)四周生(sheng)長，同時(shi)(shi)不同等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)間(jian)不存在(zai)任(ren)何(he)確定(ding)的(de)(de)(de)位向(xiang)關系，難以通過實(shi)驗對等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)(de)一次晶(jing)間(jian)距進(jin)行測(ce)量，因此只(zhi)對CET前柱狀晶(jing)的(de)(de)(de)一次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距進(jin)行測(ce)量。圖2-113給出了(le)距19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠底(di)部(bu)(bu)115mm的(de)(de)(de)高度處一次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距入1和(he)二(er)次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距x2的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規律，在(zai)某(mou)一壓(ya)力(li)(li)下(xia)，沿徑向(xiang)由鑄(zhu)錠邊部(bu)(bu)向(xiang)心部(bu)(bu)移動的(de)(de)(de)過程中，1和(he)x2逐漸增(zeng)大；當(dang)壓(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時(shi)(shi)，1和(he)入2均呈減(jian)小的(de)(de)(de)趨勢(shi)。基于(yu)埋設熱電偶的(de)(de)(de)測(ce)溫結(jie)果和(he)式（2-195)可得，2nd和(he)4h測(ce)溫位置處局部(bu)(bu)凝固時(shi)(shi)間(jian)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加而縮短(duan)，如(ru)圖2-113(a)所(suo)示，從而導致x2的(de)(de)(de)減(jian)小。對比可知，枝(zhi)晶(jing)間(jian)距（λ和(he)ん）和(he)局部(bu)(bu)凝固時(shi)(shi)間(jian)沿徑向(xiang)和(he)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)變(bian)化(hua)趨勢(shi)的(de)(de)(de)實(shi)驗與模擬結(jie)果一致。

  綜上所述，增(zeng)加壓(ya)力能夠明顯(xian)減小(xiao)枝(zhi)晶(jing)間(jian)距（x1和(he)x2),縮短局部(bu)(bu)凝固時間(jian)，細(xi)化凝固組(zu)織。鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)和(he)心部(bu)(bu)試樣的(de)(de)枝(zhi)晶(jing)形(xing)貌如圖2-114所示，進一步(bu)佐證了增(zeng)加壓(ya)力具有明顯(xian)細(xi)化枝(zhi)晶(jing)組(zu)織的(de)(de)作用，且對(dui)柱狀(zhuang)晶(jing)的(de)(de)影(ying)響大于(yu)中心等軸晶(jing)。

3. 晶粒(li)數(shu)

  鑄錠(ding)內晶粒(li)(li)數(shu)與晶粒(li)(li)臨(lin)界形核半徑和(he)形核率有直(zhi)接的(de)關系(xi)，晶粒(li)(li)臨(lin)界形核半徑為：

  其(qi)中，Nm為與液相線(xian)溫度、凝固潛熱、擴散(san)激活能以及表(biao)面張力(li)有(you)關的(de)(de)(de)系數(shu)。圖(tu)2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼(gang)鑄錠等軸(zhou)(zhou)晶區內(nei)(nei)晶粒(li)(li)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規律。壓(ya)(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增加到1.2MPa時(shi)，中心等軸(zhou)(zhou)晶區的(de)(de)(de)寬(kuan)度逐(zhu)漸減(jian)小，最(zui)小值為56mm.19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)鑄錠180mm(高）x56mm(寬(kuan)）等軸(zhou)(zhou)晶區內(nei)(nei)晶粒(li)(li)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規律如圖(tu)2-115所示(shi)。當凝固壓(ya)(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增加到0.85MPa時(shi)，晶粒(li)(li)數(shu)目從(cong)9166增加到9551;當凝固壓(ya)(ya)力(li)進一步增加到1.2MPa時(shi)，晶粒(li)(li)數(shu)目增加到10128.因此，提(ti)高凝固壓(ya)(ya)力(li)，鑄錠等軸(zhou)(zhou)晶區內(nei)(nei)晶粒(li)(li)數(shu)明顯增大。

  在低壓(ya)下(xia)，如壓(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)至1.2MPa時，液相(xiang)線溫度(du)、凝固(gu)潛(qian)熱、擴散(san)激活(huo)能(neng)以及表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)的(de)(de)變量非常(chang)小，幾乎可(ke)以忽略，這(zhe)樣可(ke)以假設Nm在0.5MPa、晶(jing)粒數0.85MPa和1.2MPa下(xia)相(xiang)等(deng)，近(jin)似為常(chang)數。提(ti)高(gao)(gao)壓(ya)力(li)能(neng)夠(gou)明顯地增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)溫度(du)梯度(du)（圖2-111),溫度(du)梯度(du)越(yue)大(da)(da)，單位時間內(nei)從糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)導(dao)出結(jie)晶(jing)潛(qian)熱的(de)(de)量越(yue)大(da)(da)，進而提(ti)高(gao)(gao)了糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)過(guo)(guo)冷度(du)；反之亦(yi)然，這(zhe)意(yi)味著糊狀(zhuang)區(qu)過(guo)(guo)冷度(du)與溫度(du)梯度(du)隨(sui)壓(ya)力(li)的(de)(de)變化(hua)趨勢相(xiang)同，即隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)而增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)。結(jie)合式（2-193)和式（2-197)可(ke)知，隨(sui)著糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)過(guo)(guo)冷度(du)ΔT的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，晶(jing)粒臨界形核半徑rk減小，形核率(lv)Na增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，有(you)助于(yu)提(ti)高(gao)(gao)鑄錠(ding)(ding)內(nei)晶(jing)粒數。因(yin)此，增(zeng)(zeng)(zeng)加壓(ya)力(li)有(you)利于(yu)增(zeng)(zeng)(zeng)加晶(jing)粒數。

  距離(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)(bu)(bu)130mm的(de)(de)(de)高(gao)度(du)(du)處，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數隨壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)變化規律(lv)如圖(tu)2-116所(suo)示。在某一凝(ning)固壓(ya)(ya)力下，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數目最大，隨著離(li)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)距離(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加，由(you)(you)于(yu)(yu)糊(hu)狀區(qu)內過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)(de)減小，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數也隨之減少(shao)。隨著壓(ya)(ya)力提高(gao)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數均(jun)呈增(zeng)大趨(qu)勢(shi)，且柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內軸向切片上晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數的(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)明(ming)顯(xian)(xian)大于(yu)(yu)中(zhong)心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。因為在壓(ya)(ya)力強化冷(leng)卻的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)下，整個鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)溫度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)均(jun)有增(zeng)大趨(qu)勢(shi)，導致(zhi)糊(hu)狀區(qu)內過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加。同時，由(you)(you)于(yu)(yu)距離(li)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)(zhu)(zhu)型換熱界面越近，溫度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)受界面換熱的(de)(de)(de)影響越大，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)隨壓(ya)(ya)力變化趨(qu)勢(shi)越明(ming)顯(xian)(xian)，進而(er)增(zeng)加凝(ning)固壓(ya)(ya)力，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)明(ming)顯(xian)(xian)大于(yu)(yu)心部(bu)(bu)(bu)，從而(er)導致(zhi)離(li)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)較近的(de)(de)(de)柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)數的(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)明(ming)顯(xian)(xian)大于(yu)(yu)中(zhong)心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。

二、疏松縮孔(kong)

  鑄(zhu)(zhu)錠產(chan)(chan)生疏松縮(suo)孔的(de)基(ji)本原因(yin)是鑄(zhu)(zhu)錠從澆注溫度(du)(du)(du)(du)冷(leng)卻(que)(que)至固(gu)相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)(du)時產(chan)(chan)生的(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)（液態收(shou)(shou)縮(suo)和(he)凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)之和(he)）大(da)于(yu)固(gu)態收(shou)(shou)縮(suo)。當鋼液從澆注溫度(du)(du)(du)(du)冷(leng)卻(que)(que)至液相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)(du)時所產(chan)(chan)生的(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)為(wei)液態收(shou)(shou)縮(suo)，鋼液進一(yi)步(bu)從液相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)(du)冷(leng)卻(que)(que)至固(gu)相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)(du)時（即(ji)發生凝固(gu)相(xiang)(xiang)變時）所產(chan)(chan)生的(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)為(wei)凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)［87],固(gu)態收(shou)(shou)縮(suo)是指(zhi)固(gu)相(xiang)(xiang)在冷(leng)卻(que)(que)過程中所產(chan)(chan)生的(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)。疏松縮(suo)孔的(de)出現嚴重(zhong)降低了鑄(zhu)(zhu)錠的(de)力學和(he)耐腐蝕(shi)性(xing)能以及成材率，是鑄(zhu)(zhu)錠的(de)嚴重(zhong)缺陷之一(yi)。

 在凝固(gu)(gu)過程中(zhong)鑄(zhu)錠內出現體(ti)積小而(er)彌散的(de)(de)空(kong)洞為(wei)(wei)疏松，體(ti)積大且(qie)集中(zhong)的(de)(de)為(wei)(wei)縮(suo)(suo)(suo)孔(kong)。疏松由在糊(hu)狀區(qu)內液相體(ti)積分(fen)數降到一定程度時，液相流動困難，液態(tai)(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)與凝固(gu)(gu)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)之(zhi)和超過固(gu)(gu)態(tai)(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)的(de)(de)那部分(fen)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)量無法得到補縮(suo)(suo)(suo)所導致，因而(er)疏松的(de)(de)形成(cheng)與枝晶間液相的(de)(de)流動有密切(qie)關(guan)聯［72,87].在糊(hu)狀區(qu)內，體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)主要由凝固(gu)(gu)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)組成(cheng)，且(qie)為(wei)(wei)枝晶間液體(ti)流動的(de)(de)主要驅動力，因而(er)枝晶間液相的(de)(de)流速u可表(biao)示為(wei)(wei)

  式中(zhong)(zhong)，PΔx＝Ps+Pf(其中(zhong)(zhong)，Pt為(wei)鋼液靜壓力(li)，Pf=pgh;Ps為(wei)凝(ning)固(gu)壓力(li)）。結合式（2-202)可(ke)知，增加凝(ning)固(gu)壓力(li)，Px增大，強(qiang)化了枝(zhi)晶(jing)間液相(xiang)的(de)補縮能力(li)，進而(er)有助于(yu)避免(mian)疏(shu)松的(de)形(xing)成［91].此外，糊(hu)狀區(qu)越(yue)(yue)寬，枝(zhi)晶(jing)網狀結構越(yue)(yue)復雜，枝(zhi)晶(jing)間補縮的(de)距離越(yue)(yue)長阻力(li)越(yue)(yue)大，滲(shen)透率K越(yue)(yue)小，疏(shu)松越(yue)(yue)容易形(xing)成。因此，疏(shu)松易于(yu)在糊(hu)狀區(qu)較寬的(de)鑄(zhu)錠以體積凝(ning)固(gu)或(huo)同時(shi)凝(ning)固(gu)方式凝(ning)固(gu)時(shi)形(xing)成。相(xiang)比之(zhi)下，縮孔傾向于(yu)在糊(hu)狀區(qu)較窄的(de)鑄(zhu)錠以逐(zhu)層凝(ning)固(gu)方式的(de)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)出現。

  不(bu)同凝(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)縱剖(pou)面(mian)(mian)上疏(shu)(shu)松(song)縮(suo)(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)(de)(de)分布情況如圖2-117所示。隨著凝(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，疏(shu)(shu)松(song)和(he)縮(suo)(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)(de)(de)總面(mian)(mian)積大(da)幅(fu)度(du)(du)(du)(du)(du)減小(xiao)，且疏(shu)(shu)松(song)逐(zhu)(zhu)漸(jian)消失。由于(yu)壓(ya)(ya)力(li)(li)具有(you)顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)(de)強化冷卻效果，增(zeng)(zeng)大(da)凝(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)，強化了鑄錠(ding)和(he)鑄型間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)換熱，加(jia)(jia)快了鑄錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)冷卻速(su)率，從而(er)(er)(er)增(zeng)(zeng)大(da)了鑄錠(ding)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)(du)Gr;在合金體系(xi)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)情況下，糊狀(zhuang)區隨之確定(ding)，那(nei)么(me)糊狀(zhuang)區的(de)(de)(de)(de)(de)寬度(du)(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)(du)Gr的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)(er)(er)減小(xiao)171],進而(er)(er)(er)導致枝(zhi)晶(jing)網狀(zhuang)結構的(de)(de)(de)(de)(de)形成受到抑(yi)制。凝(ning)固方式逐(zhu)(zhu)漸(jian)由體積凝(ning)固向逐(zhu)(zhu)層(ceng)凝(ning)固過渡，增(zeng)(zeng)大(da)了滲透率K,從而(er)(er)(er)降低和(he)縮(suo)(suo)(suo)短(duan)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)補縮(suo)(suo)(suo)時液(ye)相(xiang)流動的(de)(de)(de)(de)(de)阻力(li)(li)和(he)距離。此外，基(ji)于(yu)以(yi)上理論(lun)分析并結合判據式（2-202)可知，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)凝(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)等效于(yu)增(zeng)(zeng)大(da)了Px,使(shi)其遠大(da)于(yu)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)液(ye)相(xiang)補縮(suo)(suo)(suo)時所需壓(ya)(ya)力(li)(li)。因此，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)有(you)利于(yu)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)補縮(suo)(suo)(suo)行(xing)為，且有(you)助于(yu)大(da)幅(fu)度(du)(du)(du)(du)(du)減小(xiao)或消除疏(shu)(shu)松(song)缺陷。

三(san)、凝固析出相(xiang)

  根據相所含非金(jin)屬元素(su)的種類，可將(jiang)凝固析(xi)出相分為(wei)氮化物(wu)、碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)等，與(yu)碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)相比，氮化物(wu)尺寸一般較(jiao)小，為(wei)了(le)更加清楚直觀地論(lun)述增加壓力(li)對(dui)凝固析(xi)出相的影響，本節將(jiang)著重以(yi)高(gao)速鋼M42中碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)為(wei)例，闡述壓力(li)對(dui)凝固析(xi)出相的類型(xing)、形貌、成分等影響規律。

  高(gao)(gao)速鋼(gang)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)數量繁多、種類各異(yi)。不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特性不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)、成(cheng)分(fen)(fen)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)、形(xing)(xing)貌(mao)也各有差(cha)(cha)異(yi)；按照碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)(xing)貌(mao)特征及生成(cheng)機制的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)，可將高(gao)(gao)速鋼(gang)中碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)為(wei)一次(ci)(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)和二(er)次(ci)(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)兩大(da)部(bu)(bu)分(fen)(fen)。一次(ci)(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)又(you)稱(cheng)為(wei)“初生碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)”，即(ji)在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中直接從液相中析出(chu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，包括各種先共晶(jing)和共晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)類型。一次(ci)(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺寸比較(jiao)大(da)，屬于微(wei)米(mi)級別(bie)，在(zai)后續(xu)熱加工和熱處理工藝中將被破碎或分(fen)(fen)解成(cheng)尺寸較(jiao)小的(de)(de)顆(ke)粒狀存在(zai)于鋼(gang)中。二(er)次(ci)(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)是(shi)指在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中或熱處理時從固(gu)(gu)相基體（高(gao)(gao)溫鐵素(su)體、奧氏體、馬氏體等）中析出(chu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，分(fen)(fen)為(wei)M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)類型。高(gao)(gao)速鋼(gang)中碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)成(cheng)分(fen)(fen)波動范圍較(jiao)大(da)，不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)鋼(gang)種、不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)條件產生的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)一類型的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)也會(hui)(hui)有不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)，甚(shen)至同(tong)(tong)(tong)(tong)一粒碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)部(bu)(bu)位，也會(hui)(hui)有成(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)差(cha)(cha)異(yi)。各碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形(xing)(xing)貌(mao)、成(cheng)分(fen)(fen)及分(fen)(fen)布見表2-14.

  M2C具(ju)有(you)密排六(liu)方(fang)晶(jing)體結(jie)構(gou)［172-175,179],其主要(yao)形成元素通常是鉬、釩和鎢，鉻及鐵的(de)含(han)量則(ze)較(jiao)(jiao)少(shao)。M2C 共晶(jing)碳化(hua)物一般以亞穩態(tai)存在(zai)于鋼(gang)中(zhong)。尺(chi)寸較(jiao)(jiao)小、片層較(jiao)(jiao)薄且沒(mei)有(you)中(zhong)間脊骨，在(zai)高溫時(shi)易發生分(fen)(fen)解反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)(fen)解成尺(chi)寸較(jiao)(jiao)小的(de)顆粒狀M6C和MC。此外，與(yu)M6C相反，鋼(gang)液凝(ning)固時(shi)的(de)冷(leng)卻速率(lv)越(yue)快，越(yue)有(you)利于M2C的(de)形成。因(yin)此，提高鑄(zhu)錠凝(ning)固時(shi)的(de)冷(leng)卻速率(lv)有(you)利于促進M2C的(de)形成并(bing)細化(hua)M2C,同時(shi)可(ke)抑制(zhi)較(jiao)(jiao)大(da)尺(chi)寸M6Cl。

  M6C具有(you)復(fu)雜立方晶(jing)體結構，其(qi)結構中(zhong)除(chu)碳(tan)原(yuan)子以外，鐵、鎢原(yuan)子約各占一(yi)半。M6C屬于穩定型碳(tan)化(hua)物(wu)，其(qi)形(xing)態為粗(cu)大的骨骼狀(zhuang)。鋼液凝(ning)固(gu)(gu)時冷(leng)卻(que)速(su)(su)率越慢(man)，M6C碳(tan)化(hua)物(wu)越易于形(xing)成和長(chang)大。因此(ci)，M6C在(zai)高速(su)(su)鋼的心部往往含量(liang)較高，而(er)邊部較少或沒有(you)。加快鑄錠凝(ning)固(gu)(gu)時的冷(leng)卻(que)速(su)(su)率有(you)利于細化(hua)M6C,提高鑄錠性(xing)能。

  MC具(ju)(ju)有面(mian)心立方結(jie)(jie)(jie)構，化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)式(shi)為(wei)MC或者M4C3,其成分以釩(fan)(fan)為(wei)主。鋼中(zhong)(zhong)碳、釩(fan)(fan)含量的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)可(ke)(ke)(ke)使MC增(zeng)多，尺寸變(bian)大(da)(da)。高(gao)速鋼中(zhong)(zhong)還有M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)。M23C6晶體結(jie)(jie)(jie)構為(wei)復(fu)雜(za)面(mian)心立方結(jie)(jie)(jie)構，具(ju)(ju)有一定(ding)量的(de)(de)鎢、鉬，釩(fan)(fan)含量極少，含有大(da)(da)量的(de)(de)鉻、鐵元素；與(yu)M2C相同，M3C也是亞穩態相。M7C3為(wei)復(fu)雜(za)六方晶體結(jie)(jie)(jie)構，含有較(jiao)多的(de)(de)鉻、鐵，主要存(cun)在于(yu)碳含量較(jiao)高(gao)的(de)(de)鋼中(zhong)(zhong)。高(gao)速鋼中(zhong)(zhong)碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)具(ju)(ju)有兩個(ge)重要的(de)(de)特(te)性(xing)：硬度(du)和熱(re)穩定(ding)性(xing)（加熱(re)時溶解、聚(ju)集長大(da)(da)的(de)(de)難度(du)）。這些特(te)性(xing)反映了碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)(zhong)碳和金屬(shu)原(yuan)(yuan)子(zi)結(jie)(jie)(jie)合(he)鍵的(de)(de)強弱(ruo)，與(yu)原(yuan)(yuan)子(zi)結(jie)(jie)(jie)構和尺寸有關(guan)。碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)晶格結(jie)(jie)(jie)構與(yu)碳原(yuan)(yuan)子(zi)半徑rc、金屬(shu)原(yuan)(yuan)子(zi)半徑rx有關(guan)，如表2-15所(suo)示，rd/rx值越大(da)(da)，則越易形成結(jie)(jie)(jie)構復(fu)雜(za)的(de)(de)碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越小則易形成結(jie)(jie)(jie)構簡單(dan)密堆型碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)（MC等(deng)）。表中(zhong)(zhong)熔點可(ke)(ke)(ke)作為(wei)碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)熱(re)穩定(ding)性(xing)的(de)(de)衡量指標，可(ke)(ke)(ke)見(jian)碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)(zhong)原(yuan)(yuan)子(zi)尺寸越接近，則碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)穩定(ding)性(xing)越高(gao)。

 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(zhi)晶間(jian)(jian)殘(can)余液相(xiang)內富集發生共晶反應，從液相(xiang)中直接生成碳(tan)化(hua)物，它與奧氏(shi)體(ti)相(xiang)間(jian)(jian)排列，構成萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織。因此(ci)高速鋼(gang)的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織往往存在于枝(zhi)晶間(jian)(jian)。圖(tu)2-118為(wei)M2高速鋼(gang)的(de)低倍鑄態組(zu)織，可見一般情況下(xia)，相(xiang)鄰晶粒(li)之間(jian)(jian)的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織較為(wei)細(xi)小，數(shu)量(liang)較少(shao)，而多(duo)個晶粒(li)之間(jian)(jian)的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織尺寸(cun)較大，數(shu)量(liang)較多(duo)。

  高(gao)速鋼的(de)(de)萊氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)中含有多種類型的(de)(de)碳化(hua)物，如(ru)M2C、M6C、MC等。M6C整(zheng)體(ti)(ti)形(xing)貌類似魚骨，故又稱為(wei)“魚骨狀碳化(hua)物”，如(ru)圖2-119所示(shi)；M2C成片(pian)層狀，含有M2C的(de)(de)共晶萊氏(shi)體(ti)(ti)具有“羽(yu)毛狀”、“扇狀”、“菊花狀”等形(xing)貌，如(ru)圖2-120所示(shi)；MC的(de)(de)生長時(shi)間(jian)較(jiao)長，最終尺寸較(jiao)為(wei)粗(cu)大，往往以不規(gui)則的(de)(de)條狀出(chu)現，如(ru)圖2-120所示(shi)。

  a. 碳(tan)化(hua)物種(zhong)類及分布(bu)

   高(gao)速(su)(su)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)種類(lei)與成(cheng)分和(he)(he)(he)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)(lv)密(mi)不可分。M42 高(gao)速(su)(su)工具鋼(gang)(gang)作為(wei)高(gao)鉬低鎢鋼(gang)(gang)，其(qi)(qi)凝固組織(zhi)(zhi)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)主要(yao)為(wei)M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)；另外含有(you)(you)少部分M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，主要(yao)存在(zai)(zai)于鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)心部區域。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)速(su)(su)鋼(gang)(gang)鑄錠(ding)(ding)在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)(he)2MPa下(xia)1/4圓鑄錠(ding)(ding)板金相組織(zhi)(zhi)。白(bai)色斑點狀處的(de)(de)(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)為(wei)具有(you)(you)中(zhong)(zhong)心脊骨(gu)(gu)，脊骨(gu)(gu)兩邊(bian)具有(you)(you)平行分枝的(de)(de)(de)(de)魚(yu)骨(gu)(gu)狀M6C.M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)尺寸(cun)比M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)粗大得(de)多且結構上(shang)相互(hu)連接(jie)緊(jin)密(mi)，極不利(li)于鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)后續碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)破碎，因(yin)此盡可能(neng)減少或避免凝固組織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)產生，有(you)(you)助(zhu)(zhu)于提(ti)升其(qi)(qi)力(li)(li)學性能(neng)等。隨著壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增大，萊(lai)氏體(ti)（白(bai)色斑點）所占(zhan)1/4圓鑄錠(ding)(ding)板的(de)(de)(de)(de)面(mian)積(ji)比例逐漸(jian)減小，加壓(ya)(ya)有(you)(you)助(zhu)(zhu)于抑制(zhi)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)與長大，其(qi)(qi)主要(yao)原因(yin)在(zai)(zai)于在(zai)(zai)較低壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)，加壓(ya)(ya)對凝固熱(re)力(li)(li)學和(he)(he)(he)動力(li)(li)學參數的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)十(shi)分有(you)(you)限，但強化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)冷(leng)卻效果十(shi)分明同時(shi)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)(lv)越(yue)小，越(yue)有(you)(you)利(li)于魚(yu)骨(gu)(gu)狀M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)，且M6C越(yue)粗大。因(yin)而(er)增加壓(ya)(ya)力(li)(li)主要(yao)通過(guo)增大鑄錠(ding)(ding)和(he)(he)(he)鑄型間(jian)界面(mian)換熱(re)系數，提(ti)高(gao)鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)(lv)從而(er)細化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)并抑制(zhi)M6C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)，且當壓(ya)(ya)力(li)(li)增加到一定(ding)程(cheng)度(du)時(shi)，能(neng)夠完全抑制(zhi)富含M6C的(de)(de)(de)(de)萊(lai)氏體(ti)形成(cheng)，消除其(qi)(qi)對組織(zhi)(zhi)和(he)(he)(he)性能(neng)的(de)(de)(de)(de)不良影響(xiang)。

   圖2-121(b)所(suo)示萊(lai)氏體(ti)組織中碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)為長(chang)條(tiao)狀(zhuang)(zhuang)或(huo)者短棒狀(zhuang)(zhuang)的(de)M2C.凝固壓(ya)(ya)力(li)不同，M2C的(de)尺(chi)寸、形貌以及分(fen)布(bu)的(de)緊密程度等均(jun)有所(suo)不同。在0.1MPa壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)分(fen)枝(zhi)較(jiao)少(shao)、片(pian)層較(jiao)長(chang)、尺(chi)寸較(jiao)大、間(jian)距較(jiao)寬、共(gong)晶(jing)萊(lai)氏體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂的(de)界(jie)面較(jiao)平整；隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)增加(jia)，條(tiao)狀(zhuang)(zhuang)或(huo)片(pian)層狀(zhuang)(zhuang)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)間(jian)距逐漸減小(xiao)，且開(kai)始斷開(kai)成大量(liang)的(de)短棒碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)分(fen)枝(zhi)也逐漸增多(duo)，并密集分(fen)布(bu)在枝(zhi)晶(jing)間(jian)，共(gong)晶(jing)萊(lai)氏體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂的(de)界(jie)面也較(jiao)為粗糙。此(ci)外，三個壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)M2C幾乎沒(mei)有晶(jing)體(ti)缺(que)陷，明壓(ya)(ya)力(li)很難(nan)對碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)晶(jing)格類(lei)型產生影(ying)響。

  b. 萊氏體(ti)尺寸

   萊(lai)(lai)(lai)氏體組織存在于(yu)枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)，與枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)、形(xing)(xing)貌及分(fen)(fen)布密切(qie)相關，枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)越小，枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)萊(lai)(lai)(lai)氏體尺(chi)寸(cun)(cun)也相應地細小且均(jun)勻分(fen)(fen)布。圖2-124和圖2-125給(gei)出了不(bu)同壓力條件(jian)下M42鑄錠邊(bian)部和心部萊(lai)(lai)(lai)氏體形(xing)(xing)貌和尺(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布，無論(lun)是鑄錠的邊(bian)部還是心部，尺(chi)寸(cun)(cun)不(bu)一的萊(lai)(lai)(lai)氏體組織（黑色）均(jun)分(fen)(fen)布在枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)。在同一凝固(gu)壓力條件(jian)下，鑄錠邊(bian)部的枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)明顯(xian)小于(yu)心部，因而心部萊(lai)(lai)(lai)氏體要(yao)比邊(bian)部粗大。

   隨著壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)，在(zai)壓(ya)力(li)(li)強化(hua)(hua)(hua)(hua)冷卻(que)的(de)(de)作用下，冷卻(que)速率增(zeng)大(da)，鑄錠局(ju)部(bu)凝固時(shi)(shi)(shi)間縮短，使(shi)得枝晶(jing)(jing)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)得到了明(ming)顯細(xi)化(hua)(hua)(hua)(hua)且(qie)尺寸(cun)分布(bu)更(geng)均勻(yun)(yun)(yun)，進而導致分布(bu)在(zai)枝晶(jing)(jing)間的(de)(de)萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)也隨之細(xi)化(hua)(hua)(hua)(hua)，厚度大(da)大(da)減(jian)小且(qie)分布(bu)更(geng)加(jia)(jia)均勻(yun)(yun)(yun)。在(zai)0.1MPa 壓(ya)力(li)(li)下，無論在(zai)邊部(bu)還是心(xin)部(bu)位置，鑄錠的(de)(de)萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)均較(jiao)為粗(cu)(cu)大(da)，且(qie)尺寸(cun)分布(bu)極(ji)不均勻(yun)(yun)(yun)，部(bu)分局(ju)部(bu)區(qu)域(yu)存在(zai)著大(da)量的(de)(de)黑色萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)，尤其(qi)(qi)在(zai)多個枝晶(jing)(jing)臂交(jiao)匯處，且(qie)尺寸(cun)異常(chang)粗(cu)(cu)大(da)。當壓(ya)力(li)(li)增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)1MPa時(shi)(shi)(shi)，粗(cu)(cu)大(da)萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)得到明(ming)顯細(xi)化(hua)(hua)(hua)(hua)，且(qie)尺寸(cun)分布(bu)更(geng)加(jia)(jia)均勻(yun)(yun)(yun)；當壓(ya)力(li)(li)進一步增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)2MPa時(shi)(shi)(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)得到進一步地(di)改善(shan)，組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)更(geng)加(jia)(jia)細(xi)密，尺寸(cun)更(geng)加(jia)(jia)均勻(yun)(yun)(yun)，粗(cu)(cu)大(da)萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)基本消失。萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)平(ping)均尺寸(cun)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)變化(hua)(hua)(hua)(hua)規律如圖2-126所示(shi)，壓(ya)力(li)(li)從0.1MPa增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)2MPa時(shi)(shi)(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)厚度由28.37μm降(jiang)低至(zhi)22.92μm.因(yin)此，增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)(li)能夠明(ming)顯細(xi)化(hua)(hua)(hua)(hua)萊(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，改善(shan)其(qi)(qi)分布(bu)狀態。

 2. 壓力(li)對碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)影響

  a. 碳化物尺寸

   以高速鋼中(zhong)(zhong)(zhong)M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)物為例，M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)物是通過(guo)凝固過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)共(gong)晶(jing)(jing)反應L→y+M2C產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)。和(he)純(chun)金(jin)屬及固溶體合金(jin)的(de)(de)(de)結(jie)晶(jing)(jing)過(guo)程(cheng)(cheng)一樣，共(gong)晶(jing)(jing)轉變(bian)同樣需要經過(guo)形核與(yu)長大(da)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng)。結(jie)合式（2-178)和(he)式（2-179),東北大(da)學特(te)殊(shu)鋼冶金(jin)研究所在(zai)(zai)(zai)控制溫(wen)度不變(bian)的(de)(de)(de)基礎上，計算了不同壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)各元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)(zai)(zai)兩相中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，探討凝固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)與(yu)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活能(neng)(neng)的(de)(de)(de)關系(xi)。凝固過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)溫(wen)度T=1478K時(shi)，合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)（鉬(mu)(mu)、鎢(wu)、釩(fan)和(he)鉻）在(zai)(zai)(zai)M2C相和(he)奧氏體相γ中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)D隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規律如圖2-127和(he)圖2-128所示(shi)；從(cong)整體上看，隨(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)逐漸(jian)增(zeng)大(da)，同溫(wen)度M2C相中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)(mu)和(he)鎢(wu)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)D呈減(jian)小趨(qu)勢(shi)，而(er)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)釩(fan)和(he)鉻則(ze)呈增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)，表明提高壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)可增(zeng)大(da)M2C中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)(mu)、鎢(wu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活能(neng)(neng)ΔGm,進而(er)降低其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)(neng)力(li)；同時(shi)降低釩(fan)、鉻元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活能(neng)(neng)ΔGm,從(cong)而(er)提高其擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)(neng)力(li)。然而(er)，當壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)在(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa范(fan)圍內變(bian)化(hua)時(shi)，各元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)微乎其微，即保持恒定(ding)值(zhi)。隨(sui)著(zhu)凝固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)逐漸(jian)增(zeng)大(da)到50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)(mu)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)才(cai)開始產生(sheng)(sheng)較(jiao)為明顯的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，鎢(wu)、釩(fan)和(he)鉻元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)甚至(zhi)在(zai)(zai)(zai)100MPa壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)仍未(wei)產生(sheng)(sheng)變(bian)化(hua)。因此低壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)，元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)可忽略不計。

  的(de)(de)(de)(de)增大而(er)降低，鉻元素的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)則(ze)(ze)隨(sui)著凝固(gu)(gu)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)增大而(er)增加，如(ru)(ru)圖2-128所示。即(ji)增大凝固(gu)(gu)壓力(li)具有提高奧(ao)氏體γ相(xiang)中合(he)金元素鉬、鎢和釩的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活(huo)能(neng)(neng)ΔGm,降低其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)以(yi)及減小(xiao)元素鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活(huo)能(neng)(neng)ΔGm和增大其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用。與(yu)M2C差別在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)，在(zai)(zai)(zai)(zai)奧(ao)氏體相(xiang)γ中，較小(xiao)的(de)(de)(de)(de)凝固(gu)(gu)壓力(li)便可發揮比較明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用，例如(ru)(ru)：當凝固(gu)(gu)壓力(li)大于(yu)2MPa時，元素鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)隨(sui)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)增加而(er)明(ming)顯(xian)(xian)增大；鉬和釩元素則(ze)(ze)在(zai)(zai)(zai)(zai)10MPa時開始(shi)隨(sui)壓力(li)增加而(er)明(ming)顯(xian)(xian)減小(xiao)。可見，在(zai)(zai)(zai)(zai)相(xiang)同溫度(du)下，相(xiang)比于(yu)M2C相(xiang)，合(he)金元素釩、鎢、鉬和鉻在(zai)(zai)(zai)(zai)奧(ao)氏體γ相(xiang)中的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)情(qing)況受凝固(gu)(gu)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)影響更(geng)為明(ming)顯(xian)(xian)。但在(zai)(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓力(li)范圍內，合(he)金元素在(zai)(zai)(zai)(zai)奧(ao)氏體相(xiang)γ中的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)幾乎保持不(bu)變(bian)（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時，各元素擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活(huo)能(neng)(neng)ΔGm也未發生明(ming)顯(xian)(xian)變(bian)化(hua)。

   綜上所述，在低(di)壓(ya)(ya)下，影響(xiang)M2C形核率的(de)主(zhu)要因素是隨(sui)凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)增大(da)而顯著(zhu)(zhu)減(jian)小的(de)形核功。增加凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)可(ke)顯著(zhu)(zhu)改善換(huan)熱條件強(qiang)化鑄(zhu)錠(ding)冷卻、提高鑄(zhu)錠(ding)過冷度ΔT,進而降(jiang)低(di)共晶反應過程中(zhong)奧氏體相γ和M2C相的(de)形核功ΔG*,最終增大(da)M2C的(de)形核率、減(jian)小M2C相鄰碳化物的(de)間距(ju)。

  此外(wai)，增加壓力使M2C形核(he)率大大增加，同時強化(hua)了鑄(zhu)錠(ding)冷卻，顯著(zhu)降低了局部(bu)凝(ning)固(gu)時間LST,導(dao)致加壓下鑄(zhu)錠(ding)同位置的凝(ning)固(gu)相對較(jiao)快，M2C共晶碳(tan)(tan)化(hua)物生長時間變短，導(dao)致M42凝(ning)固(gu)組織中M2C碳(tan)(tan)化(hua)物的尺寸減小(xiao)。這(zhe)對于后(hou)續的熱處(chu)理(li)碳(tan)(tan)化(hua)物的溶(rong)解具(ju)有積極的意義。

  圖2-129為(wei)不(bu)同凝固(gu)壓(ya)力下M2C共晶碳(tan)(tan)化物在熱處(chu)(chu)理(li)過程中的(de)元(yuan)素擴(kuo)散示意圖。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)壓(ya)力的(de)增(zeng)大，碳(tan)(tan)化物由(you)長條(tiao)狀轉(zhuan)變為(wei)短棒狀，在縱向和橫向上的(de)尺寸均顯著(zhu)減(jian)小。因此，在熱處(chu)(chu)理(li)過程中，碳(tan)(tan)化物中的(de)元(yuan)素由(you)內(nei)向外擴(kuo)散的(de)平均距離也相應隨(sui)著(zhu)凝固(gu)壓(ya)力的(de)增(zeng)大而(er)顯著(zhu)減(jian)小，熱處(chu)(chu)理(li)效果更(geng)加明顯，熱處(chu)(chu)理(li)后M42組織的(de)成分更(geng)加均勻，進而(er)有利于提高(gao)M42高(gao)速(su)鋼(gang)的(de)質(zhi)量。

  b. 碳化物成分

   M2C的(de)形成(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)主要包括鉬、鎢(wu)、釩(fan)和鉻(ge)，其(qi)中(zhong)鉬元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)是強M2C碳(tan)(tan)化物形成(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，也是M2C中(zhong)含量(liang)最高(gao)的(de)合(he)(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)。圖2-130給出了不同壓力(li)下(xia)M2C中(zhong)合(he)(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬、鎢(wu)、釩(fan)和鉻(ge)含量(liang)，隨著壓力(li)的(de)增大(da)，M2C上的(de)合(he)(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬、鎢(wu)、釩(fan)和鉻(ge)含量(liang)均逐漸(jian)(jian)減小，而(er)鐵元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)則逐漸(jian)(jian)增大(da)；同時(shi)，M2C碳(tan)(tan)化物之間(jian)基(ji)體(ti)中(zhong)合(he)(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)含量(liang)則呈現相反的(de)規律(lv)：鉬、鎢(wu)、釩(fan)和鉻(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)含量(liang)逐漸(jian)(jian)增大(da)，而(er)鐵元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)減少。這表明(ming)，增大(da)的(de)壓力(li)使得合(he)(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)在M2C共晶碳(tan)(tan)化物中(zhong)的(de)分布(bu)趨(qu)于均勻，為后(hou)續的(de)處理、熱加工(gong)工(gong)藝中(zhong)碳(tan)(tan)化物的(de)破(po)碎、溶解提供(gong)良好的(de)基(ji)礎。

  在(zai)(zai)(zai)(zai)高速鋼中，M2C共(gong)晶(jing)碳化物是通過凝固過程(cheng)中的(de)共(gong)晶(jing)反應(ying)L→M2C+y產(chan)生的(de)，在(zai)(zai)(zai)(zai)這個過程(cheng)中存在(zai)(zai)(zai)(zai)M2C碳化物相(xiang)(xiang)和(he)奧氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)之(zhi)間的(de)溶質再分配(pei)［172].在(zai)(zai)(zai)(zai)一定(ding)溫度(du)下，平衡分配(pei)系數(shu)可表示為(wei)固相(xiang)(xiang)和(he)液(ye)相(xiang)(xiang)中的(de)元素濃(nong)度(du)之(zhi)比：

   式中(zhong)(zhong)，Cs和(he)CL分(fen)(fen)別表示在凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)，元(yuan)素(su)在固相和(he)液相中(zhong)(zhong)的平衡濃度。共晶(jing)反應L→M2C+y是在凝固末(mo)期發(fa)生的，圖2-131給出了不(bu)同壓(ya)力下的M42高(gao)速鋼凝固時共晶(jing)反應過(guo)程中(zhong)(zhong)M2C碳(tan)化物(wu)相和(he)奧氏體γ相中(zhong)(zhong)各元(yuan)素(su)的單相平衡分(fen)(fen)配系數。

  式中(zhong)(zhong)，Cs和(he)C1分(fen)別(bie)表示在凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)，元(yuan)素(su)在固相(xiang)(xiang)和(he)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的平衡(heng)濃度。共晶反(fan)應(ying)L→M2C+y是在凝固末期發(fa)生(sheng)的［172,180,181],圖2-131給出了(le)不同壓力下的M42高速(su)鋼(gang)凝固時共晶反(fan)應(ying)過程(cheng)中(zhong)(zhong)M2C碳化物相(xiang)(xiang)和(he)奧氏體(ti)y相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)各元(yuan)素(su)的單相(xiang)(xiang)平衡(heng)分(fen)配系數。

  隨壓力的(de)(de)(de)增(zeng)加，共晶反應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)元素(su)在(zai)M2C和奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分配(pei)系(xi)數(shu)(shu)具有(you)升高的(de)(de)(de)趨勢并逐(zhu)漸靠近1.基于(yu)(yu)熱(re)力學(xue)分析，在(zai)M42鑄錠凝固時的(de)(de)(de)共晶反應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，增(zeng)大(da)壓力可(ke)(ke)使鉬(mu)元素(su)在(zai)M2C碳化(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)含量(liang)增(zeng)大(da)。凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳化(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)鉬(mu)元素(su)平衡分配(pei)系(xi)數(shu)(shu)增(zeng)量(liang)變化(hua)(hua)規(gui)律如圖2-132所示，在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa時，M2C碳化(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)鉬(mu)元素(su)平衡分配(pei)系(xi)數(shu)(shu)增(zeng)量(liang)始終大(da)于(yu)(yu)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)平衡分配(pei)系(xi)數(shu)(shu)增(zeng)量(liang)。由此可(ke)(ke)知，共晶反應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比于(yu)(yu)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，鉬(mu)元素(su)更偏向于(yu)(yu)在(zai)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)富集。

  在0.1~2MPa壓(ya)力范圍(wei)內，加(jia)壓(ya)對(dui)Mo元(yuan)素(su)的(de)(de)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)(fen)配(pei)系數影響(xiang)非(fei)常(chang)小(xiao)，變化(hua)(hua)量為10-6~10-5,可忽(hu)(hu)略不計，因(yin)而(er)(er)在低壓(ya)范圍(wei)內，增加(jia)壓(ya)力不能通過(guo)(guo)改變元(yuan)素(su)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)(fen)配(pei)系數而(er)(er)影響(xiang)相(xiang)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)。除平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)(fen)配(pei)系數以外，鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)溶質的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)配(pei)情況與(yu)元(yuan)素(su)的(de)(de)傳(chuan)(chuan)質行(xing)為有關。在M42鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固(gu)末期的(de)(de)共(gong)晶反應L→M2C+y過(guo)(guo)程中(zhong)存在M2C碳化(hua)(hua)物(wu)相(xiang)和奧(ao)氏體γ相(xiang)之間的(de)(de)溶質再分(fen)(fen)(fen)配(pei)：液(ye)相(xiang)中(zhong)的(de)(de)M2C形成(cheng)元(yuan)素(su)（鉬、鎢(wu)、釩和鉻）通過(guo)(guo)凝(ning)固(gu)前沿固(gu)／液(ye)界(jie)面向(xiang)M2C碳化(hua)(hua)物(wu)相(xiang)富集，同時奧(ao)氏體γ相(xiang)形成(cheng)元(yuan)素(su)（鈷、鐵）則向(xiang)奧(ao)氏體相(xiang)富集，整個反應發生在凝(ning)固(gu)末期的(de)(de)枝(zhi)晶間小(xiao)熔(rong)池內，此時液(ye)相(xiang)流(liu)動很(hen)弱(ruo)，元(yuan)素(su)對(dui)流(liu)傳(chuan)(chuan)質行(xing)為可忽(hu)(hu)略，因(yin)而(er)(er)溶質的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)配(pei)主要與(yu)相(xiang)中(zhong)元(yuan)素(su)的(de)(de)擴散傳(chuan)(chuan)質行(xing)為有關。

  根(gen)據(ju)菲克第一定律公式（2-178)可(ke)知(zhi)，擴(kuo)(kuo)散(san)系(xi)(xi)數D與溫度(du)T呈反比關系(xi)(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形成元(yuan)素(su)的擴(kuo)(kuo)散(san)系(xi)(xi)數隨溫度(du)的變化(hua)(hua)關系(xi)(xi)。在凝固(gu)壓力不變時，溫度(du)的降低會顯著減小擴(kuo)(kuo)散(san)系(xi)(xi)數，在低壓范圍內(nei)，相對于凝固(gu)壓力變化(hua)(hua)，溫度(du)變化(hua)(hua)對擴(kuo)(kuo)散(san)系(xi)(xi)數D具有(you)更(geng)明顯的影響(xiang)。

  增大壓(ya)力具(ju)有顯著強化(hua)(hua)冷卻和(he)(he)減(jian)少(shao)鑄(zhu)錠局部凝(ning)固(gu)時間的(de)作用。由此(ci)可(ke)知，對于0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa壓(ya)力下(xia)的(de)鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)過程，在(zai)相同的(de)凝(ning)固(gu)時間內，在(zai)較高(gao)壓(ya)力下(xia)凝(ning)固(gu)的(de)鑄(zhu)錠冷卻更(geng)快，溫度(du)更(geng)低，其元(yuan)素擴(kuo)散系數(shu)則相對較低，導致元(yuan)素擴(kuo)散速率減(jian)小(xiao)，使得(de)M2C共晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)中釩、鎢、鉻(ge)和(he)(he)鉬元(yuan)素含量降(jiang)低，碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)間基體的(de)合金元(yuan)素含量升高(gao)，降(jiang)低了M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)和(he)(he)奧氏體γ相之間的(de)成分差異性，提(ti)高(gao)了M42凝(ning)固(gu)組織成分的(de)均勻性。

  c. 碳化物形貌

   M2C碳化(hua)物(wu)明(ming)顯具(ju)有各向異性(xing)的(de)(de)生長方式，形(xing)貌(mao)具(ju)有小平(ping)(ping)面(mian)向的(de)(de)特性(xing)。共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)組織(zhi)的(de)(de)形(xing)貌(mao)與共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)過程中液(ye)／固界面(mian)結構有密切聯系，金(jin)屬(shu)相(xiang)(xiang)－金(jin)屬(shu)碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)屬(shu)于(yu)(yu)小平(ping)(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)－非小平(ping)(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)［146].M2C是(shi)通(tong)過凝(ning)固末期(qi)枝晶(jing)(jing)(jing)間熔池(chi)里的(de)(de)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)反(fan)M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳化(hua)物(wu)形(xing)成于(yu)(yu)凝(ning)固末期(qi)枝晶(jing)(jing)(jing)間殘余液(ye)相(xiang)(xiang)中，根據凝(ning)固原理。枝晶(jing)(jing)(jing)間殘余液(ye)相(xiang)(xiang)中元素含(han)(han)量(liang)明(ming)顯高于(yu)(yu)鑄錠標準含(han)(han)量(liang)。不同(tong)壓(ya)力下枝晶(jing)(jing)(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)中各相(xiang)(xiang)出(chu)(chu)現(xian)的(de)(de)先后順(shun)序，如圖(tu)2-135所示，在(zai)不同(tong)壓(ya)力下，M2C均(jun)領(ling)(ling)先奧氏體相(xiang)(xiang)γ出(chu)(chu)現(xian)。這(zhe)表明(ming)，在(zai)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)(jing)反(fan)應L→y+M2C過程中，M2C是(shi)領(ling)(ling)先相(xiang)(xiang)。

  在(zai)共晶(jing)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)快速(su)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)方(fang)向率(lv)(lv)先進(jin)(jin)入共生(sheng)界(jie)面(mian)(mian)前(qian)(qian)方(fang)的(de)(de)(de)液(ye)(ye)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)，同時(shi)在(zai)其附近液(ye)(ye)層(ceng)中(zhong)(zhong)(zhong)排(pai)出奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)形(xing)成元(yuan)素(su)；隨后奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此液(ye)(ye)層(ceng)獲(huo)得(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)組(zu)元(yuan)，跟隨著(zhu)(zhu)M2C一(yi)起長(chang)(chang)(chang)大(da)(da)，同時(shi)也向液(ye)(ye)層(ceng)中(zhong)(zhong)(zhong)排(pai)出M2C形(xing)成元(yuan)素(su)，如圖2-136所(suo)示。隨著(zhu)(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增大(da)(da)，凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)速(su)率(lv)(lv)增加(jia)(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)(lv)均加(jia)(jia)快。一(yi)方(fang)面(mian)(mian)，M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)距(ju)隨壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增大(da)(da)逐漸減小(xiao)(xiao)(xiao)，即奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液(ye)(ye)／固(gu)(gu)(gu)(gu)界(jie)面(mian)(mian)變窄；另一(yi)方(fang)面(mian)(mian)，加(jia)(jia)壓(ya)使(shi)得(de)(de)(de)枝晶(jing)間(jian)殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)合金元(yuan)素(su)沒(mei)有足夠時(shi)間(jian)進(jin)(jin)行充分(fen)擴(kuo)散；導致(zhi)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)液(ye)(ye)／固(gu)(gu)(gu)(gu)界(jie)面(mian)(mian)前(qian)(qian)沿合金元(yuan)素(su)濃度急劇增大(da)(da)，成分(fen)過(guo)冷(leng)加(jia)(jia)劇，奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)(chang)大(da)(da)速(su)率(lv)(lv)進(jin)(jin)一(yi)步增大(da)(da)，使(shi)得(de)(de)(de)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)(lv)差逐漸縮小(xiao)(xiao)(xiao)。此外，奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作(zuo)為非(fei)小(xiao)(xiao)(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)長(chang)(chang)(chang)所(suo)需過(guo)冷(leng)度遠小(xiao)(xiao)(xiao)于(yu)小(xiao)(xiao)(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)M2C碳(tan)化物(wu)，使(shi)得(de)(de)(de)在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)速(su)率(lv)(lv)增大(da)(da)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)(lv)增量大(da)(da)于(yu)M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)率(lv)(lv)增量。因此，隨著(zhu)(zhu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增大(da)(da)，枝晶(jing)間(jian)共晶(jing)組(zu)織中(zhong)(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)含(han)量相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)增多(duo)，使(shi)得(de)(de)(de)M2C碳(tan)化物(wu)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)空間(jian)受到“排(pai)擠”，含(han)量相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)減少(shao)，最終M2C碳(tan)化物(wu)逐漸呈現出被奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進(jin)(jin)而變短(duan)的(de)(de)(de)形(xing)貌，如圖2-134所(suo)示。

四、夾雜物分布

   夾(jia)雜(za)(za)物(wu)是影響(xiang)鋼錠質(zhi)量的一(yi)個(ge)重要因素(su)。鋼中(zhong)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)主(zhu)要包括冶煉過程中(zhong)進(jin)行脫氧(yang)處(chu)理(li)形成的脫氧(yang)產物(wu)、凝固過程元(yuan)素(su)溶(rong)解度下降形成的氧(yang)化物(wu)、氮化物(wu)、硫化物(wu)等化合物(wu)以(yi)及(ji)爐渣(zha)和由于沖刷而(er)進(jin)入鋼液的耐火材料。

   根(gen)據夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)來源(yuan)，可(ke)以(yi)將(jiang)鋼(gang)中(zhong)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分為兩類(lei):①外生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大部分為復(fu)合氧化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)，主要是由(you)于(yu)鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)接觸空氣生(sheng)成氧化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以(yi)及進(jin)入鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)的(de)(de)(de)爐渣、耐火材料組成。外生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外形(xing)不規則、尺寸大、構成復(fu)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)，常(chang)常(chang)位于(yu)鋼(gang)的(de)(de)(de)表層(ceng)，具有(you)嚴重的(de)(de)(de)危害性(xing)。②內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是由(you)于(yu)脫氧、鋼(gang)水鈣(gai)處(chu)理(li)等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)反應而形(xing)成的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)中(zhong)數(shu)量較多，分布均勻(yun)，顆粒(li)細小。由(you)于(yu)形(xing)成時間不同，內(nei)生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)分為：鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)脫氧時期生(sheng)成的(de)(de)(de)氧化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為原生(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或一次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度(du)降低造成化(hua)學反應平衡的(de)(de)(de)移動(dong)進(jin)而析(xi)(xi)出(chu)二(er)次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)于(yu)溶質元素偏(pian)析(xi)(xi)和溶解度(du)變化(hua)而析(xi)(xi)出(chu)的(de)(de)(de)三次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。

   夾(jia)(jia)雜物(wu)作為(wei)凝(ning)固(gu)組織的(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)組成部分，其(qi)特性(xing)(xing)至關重(zhong)要(yao)(yao)，對于進一(yi)步揭示加(jia)(jia)(jia)壓冶金(jin)(jin)的(de)(de)優勢十分關鍵(jian)(jian)。非金(jin)(jin)屬(shu)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)特性(xing)(xing)（數量(liang)、尺(chi)寸(cun)和(he)分布(bu)(bu)(bu)等(deng)）對鋼的(de)(de)性(xing)(xing)能（力(li)(li)學性(xing)(xing)能和(he)腐(fu)蝕(shi)等(deng)）有(you)重(zhong)要(yao)(yao)影(ying)響(xiang)。同時，改善鋼中(zhong)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)分布(bu)(bu)(bu)情況并盡可(ke)能徹底地(di)去除非金(jin)(jin)屬(shu)夾(jia)(jia)雜物(wu)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)地(di)減少缺陷和(he)提高性(xing)(xing)能。為(wei)了改善夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)分布(bu)(bu)(bu)，施加(jia)(jia)(jia)在夾(jia)(jia)雜物(wu)上的(de)(de)力(li)(li)包括(kuo)(kuo)重(zhong)力(li)(li)、浮力(li)(li)、曳力(li)(li)，附加(jia)(jia)(jia)質(zhi)量(liang)力(li)(li)、升力(li)(li)和(he)反彈力(li)(li)等(deng)起著關鍵(jian)(jian)作用。這些力(li)(li)主(zhu)要(yao)(yao)是通過(guo)溫度、流場(chang)(chang)(chang)、重(zhong)力(li)(li)場(chang)(chang)(chang)和(he)電磁場(chang)(chang)(chang)等(deng)物(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)來(lai)確定。因此，可(ke)以(yi)通過(guo)采(cai)取(qu)一(yi)系列(lie)措施優化物(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)來(lai)改善夾(jia)(jia)雜物(wu)分布(bu)(bu)(bu)。例如，鋼包中(zhong)使(shi)用的(de)(de)氣體(ti)攪(jiao)拌(ban)、連鑄(zhu)(zhu)過(guo)程中(zhong)添加(jia)(jia)(jia)磁場(chang)(chang)(chang)。對于加(jia)(jia)(jia)壓冶金(jin)(jin)，壓力(li)(li)是關鍵(jian)(jian)因素。目前，已經證實加(jia)(jia)(jia)壓會在各個方面(mian)影(ying)響(xiang)凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)物(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)，包括(kuo)(kuo)加(jia)(jia)(jia)壓通過(guo)加(jia)(jia)(jia)快鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)冷(leng)卻速率(lv)和(he)加(jia)(jia)(jia)強(qiang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)與鑄(zhu)(zhu)模(mo)之間的(de)(de)熱交換(huan)來(lai)改變(bian)溫度場(chang)(chang)(chang)，通過(guo)改變(bian)糊狀(zhuang)區域的(de)(de)大(da)小和(he)枝(zhi)晶(jing)結(jie)構影(ying)響(xiang)流場(chang)(chang)(chang)等(deng)。

   因此(ci)，可以認為在凝(ning)固過程中壓(ya)(ya)力具(ju)有改(gai)變(bian)夾雜(za)(za)物(wu)分布(bu)的(de)(de)能力，并且(qie)壓(ya)(ya)力對(dui)夾雜(za)(za)物(wu)分布(bu)的(de)(de)影響機制(zhi)非常復雜(za)(za)，然而，關于加(jia)壓(ya)(ya)對(dui)夾雜(za)(za)物(wu)分布(bu)變(bian)化(hua)的(de)(de)影響研究相對(dui)較(jiao)少。這表明加(jia)壓(ya)(ya)對(dui)凝(ning)固組織的(de)(de)影響機理(li)尚未全面(mian)闡明。

 1. 夾雜物分布分析模(mo)型

   在實際凝固過(guo)程中，夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)受(shou)力(li)情況、運(yun)動(dong)軌跡很(hen)難通過(guo)實驗(yan)(yan)進行(xing)測量(liang)。數(shu)值模擬提供(gong)了一(yi)種(zhong)可(ke)以深入(ru)了解(jie)某些(xie)無法(fa)通過(guo)實驗(yan)(yan)評估的(de)現象(xiang)的(de)方(fang)法(fa)。這些(xie)現象(xiang)包括夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)運(yun)動(dong)軌跡，作用于夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)力(li)和(he)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)速度(du)等。根據(ju)電渣、連鑄和(he)鋼包精煉等過(guo)程中的(de)相關研(yan)究(jiu)，數(shu)值模擬是一(yi)種(zhong)非常(chang)有效的(de)研(yan)究(jiu)夾(jia)雜(za)物(wu)運(yun)動(dong)行(xing)為的(de)方(fang)法(fa)。

   鋼液凝固過程涉及熱量傳遞、質量傳輸、動量傳輸、相(xiang)(xiang)轉變和晶粒(li)形核長大等(deng)一系(xi)列復雜(za)(za)的(de)物(wu)理化學現(xian)象，同時存在金屬固相(xiang)(xiang)、金屬液相(xiang)(xiang)、氣相(xiang)(xiang)和夾(jia)雜(za)(za)物(wu)相(xiang)(xiang)等(deng)多(duo)個(ge)相(xiang)(xiang)之間的(de)相(xiang)(xiang)互作用，適合應用歐拉(la)多(duo)項(xiang)流模(mo)(mo)型(xing)進(jin)行(xing)計算求解。其中，根據對夾(jia)雜(za)(za)物(wu)運動行(xing)為處理方式，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)分(fen)布分(fen)析模(mo)(mo)型(xing)可以(yi)分(fen)為歐拉(la)－拉(la)格朗日模(mo)(mo)型(xing)和歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)(mo)型(xing)。

 a. 歐拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗日模型歐拉(la)(la)－

   拉(la)格(ge)朗日離(li)散相(xiang)模(mo)型(xing)是(shi)在歐拉(la)模(mo)型(xing)的(de)基(ji)礎上，將夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)相(xiang)處理(li)成離(li)散相(xiang)，而流體相(xiang)處理(li)為(wei)連續相(xiang)。根(gen)據球(qiu)型(xing)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)受力分析(xi)，基(ji)于(yu)牛頓第(di)二定律，建立(li)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)運(yun)動(dong)模(mo)型(xing)，并(bing)與鋼液凝固模(mo)型(xing)耦合，從而模(mo)擬夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)在凝固過程(cheng)運(yun)動(dong)行為(wei)。該模(mo)型(xing)可以(yi)跟蹤每個(ge)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)并(bing)獲得其速度、運(yun)動(dong)軌跡(ji)以(yi)及夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)去除過程(cheng)中(zhong)的(de)動(dong)力學行為(wei)。此外，該模(mo)型(xing)是(shi)基(ji)于(yu)離(li)散相(xiang)體積比例(li)相(xiang)對較(jiao)低的(de)基(ji)本假設而建立(li)。

   夾雜物(wu)在鋼液中(zhong)的(de)(de)(de)運動，主要是各種(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)共(gong)同作(zuo)用(yong)造(zao)成的(de)(de)(de)。夾雜物(wu)在鋼液中(zhong)受(shou)力(li)(li)情況如圖(tu)2-137所示。可以(yi)看出，夾雜物(wu)顆粒(li)受(shou)到主要作(zuo)用(yong)力(li)(li)分別為：由于顆粒(li)自身性質引起的(de)(de)(de)力(li)(li)，如重(zhong)力(li)(li)、浮力(li)(li)等(deng)；由于顆粒(li)與流體之間存在相對(dui)運動而(er)產生(sheng)的(de)(de)(de)力(li)(li)，如升(sheng)力(li)(li)（Saffman)、附加(jia)質量力(li)(li)、曳力(li)(li)和Magnus力(li)(li)等(deng)；細(xi)小夾雜物(wu)在高溫(wen)條件下受(shou)的(de)(de)(de)布朗（Brown)力(li)(li)等(deng)。

（1)曳(ye)力。

   在鋼液流(liu)場內黏(nian)(nian)性流(liu)體(ti)(ti)與顆粒(li)之(zhi)(zhi)間存(cun)在相對運(yun)動(dong)，由黏(nian)(nian)性流(liu)體(ti)(ti)施加的曳力(li)使(shi)得夾(jia)雜物(wu)顆粒(li)趨向于跟隨流(liu)體(ti)(ti)運(yun)動(dong)。曳力(li)是夾(jia)雜物(wu)顆粒(li)在凝固過(guo)程(cheng)中的主要受(shou)力(li)之(zhi)(zhi)一。計算公式如下：

（2)浮力和重力。

   在(zai)豎直方(fang)向(xiang)上，夾雜物顆粒(li)受到與相對(dui)運(yun)動無(wu)關的力(li)(li)，包括重力(li)(li)和(he)浮力(li)(li)，其

（3)附加質量力(li)。

   當鋼液與夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)存在相(xiang)對運動(dong)時(shi)，夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)會帶動(dong)其(qi)附(fu)近(jin)的(de)部(bu)分鋼液做加速(su)運動(dong)，此時(shi)推(tui)動(dong)夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)運動(dong)的(de)力大于(yu)(yu)其(qi)顆(ke)(ke)粒(li)(li)本(ben)身慣性力，這部(bu)分大于(yu)(yu)夾(jia)雜(za)物(wu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)本(ben)身慣性力的(de)力即為(wei)(wei)附(fu)加質量力。其(qi)計算公式為(wei)(wei)

  通過運用歐拉(la)－拉(la)格朗日模型對鋼液(ye)凝固過程進(jin)行模擬計算時(shi)，可以得出隨著(zhu)溫度場和(he)流場的(de)變化，每個球形(xing)夾雜物顆粒在鋼液(ye)中的(de)運動軌跡和(he)分布。

 b. 歐(ou)拉－歐(ou)拉模型

   拉(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)是(shi)研究夾雜(za)(za)物(wu)顆粒在(zai)鋼(gang)液中運(yun)動行(xing)為主要的(de)方(fang)法，但在(zai)實(shi)際的(de)應用(yong)中存在(zai)一些(xie)不足，例如，拉(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)是(shi)針對(dui)單一粒子(zi)進行(xing)計算，當同時追蹤多個粒子(zi)時，計算量(liang)(liang)過大(da)，難以進行(xing)。相(xiang)較(jiao)于拉(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)中夾雜(za)(za)物(wu)相(xiang)的(de)控(kong)制方(fang)程(cheng)與(yu)(yu)流(liu)體連續相(xiang)的(de)控(kong)制方(fang)程(cheng)相(xiang)似，運(yun)算相(xiang)對(dui)高效，能(neng)夠同時描述多種夾雜(za)(za)物(wu)顆粒在(zai)凝(ning)固過程(cheng)中的(de)分布特(te)征。歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)與(yu)(yu)歐(ou)(ou)拉(la)(la)－拉(la)(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)(xing)相(xiang)比，主要差別是(shi)夾雜(za)(za)物(wu)相(xiang)的(de)動量(liang)(liang)方(fang)程(cheng)存在(zai)差別，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)型(xing)(xing)的(de)夾雜(za)(za)物(wu)動量(liang)(liang)方(fang)程(cheng)表達式為

 2. 模鑄過程(cheng)中夾雜物(wu)的受力分(fen)析

  模(mo)鑄(zhu)過程中，夾雜物所受作(zuo)用(yong)力包括熱浮力、重力、附加(jia)質量力、升力以及(ji)相(xiang)間(jian)作(zuo)用(yong)力等，具(ju)體(ti)受力情況如圖(tu)2-138所示。

   流(liu)場對夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)分布有關(guan)鍵(jian)影響，這直接歸因(yin)(yin)于作(zuo)用于夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)阻力(li)(li)(li)。以(yi)0.1MPa下H13鑄錠(ding)凝(ning)固(gu)為(wei)(wei)例，鋼(gang)液(ye)(ye)、夾(jia)雜(za)(za)物(wu)和(he)等軸晶(jing)的(de)(de)(de)流(liu)場和(he)速率(lv)均顯示(shi)(shi)在(zai)(zai)圖2-139中(zhong)。隨著凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)進行，鋼(gang)液(ye)(ye)受熱浮力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)驅(qu)動逆時(shi)針(zhen)運動，如(ru)圖2-139(a)所示(shi)(shi)。同時(shi)，隨著重(zhong)力(li)(li)(li)和(he)浮力(li)(li)(li)合力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，等軸晶(jing)的(de)(de)(de)沉降連(lian)續發生在(zai)(zai)柱狀晶(jing)（tip)的(de)(de)(de)尖端，如(ru)圖2-139(b)所示(shi)(shi)。如(ru)圖2-139(c)所示(shi)(shi)，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)流(liu)場中(zhong)出現逆時(shi)針(zhen)運動，與鋼(gang)液(ye)(ye)相似。這種運動行為(wei)(wei)主要是由作(zuo)用在(zai)(zai)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)上的(de)(de)(de)合力(li)(li)(li)引起的(de)(de)(de)。根據模擬結(jie)果，凝(ning)固(gu)過程中(zhong)重(zhong)力(li)(li)(li)，浮力(li)(li)(li)和(he)阻力(li)(li)(li)在(zai)(zai)改變夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)運動行為(wei)(wei)中(zhong)起著關(guan)鍵(jian)作(zuo)用，因(yin)(yin)為(wei)(wei)它們比(bi)附加(jia)質量(liang)力(li)(li)(li)和(he)升(sheng)力(li)(li)(li)大了三個數(shu)量(liang)級。重(zhong)力(li)(li)(li)和(he)浮力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)方向(xiang)均為(wei)(wei)垂直方向(xiang)，因(yin)(yin)為(wei)(wei)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)密度低于液(ye)(ye)體的(de)(de)(de)密度，故其合力(li)(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)方向(xiang)垂直向(xiang)上，如(ru)圖2-139(d)所示(shi)(shi)。

   在整個凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)，Fbg保持不(bu)變，并使夾(jia)雜物上浮(fu)。相(xiang)比(bi)之(zhi)下，曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)Fdp是(shi)向(xiang)下的(de)力(li)(li)，具有驅動(dong)(dong)夾(jia)雜物向(xiang)下沉的(de)能力(li)(li)。并且其變化是(shi)復雜的(de)。根據等式（2-204)可(ke)知，曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)與鋼(gang)液和(he)(he)夾(jia)雜物之(zhi)間(jian)的(de)速度(du)差(cha)密切相(xiang)關。在頂部和(he)(he)底(di)部，鋼(gang)液和(he)(he)夾(jia)雜物速度(du)差(cha)很小(xiao)，與Fbg相(xiang)比(bi)，Fdp可(ke)以忽(hu)略不(bu)計。在柱狀晶尖端(duan)附近的(de)曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)Fdp大于(yu)Fbg,是(shi)導(dao)致夾(jia)雜物下沉的(de)關鍵因素。在鑄(zhu)錠的(de)中(zhong)(zhong)心，Fdp小(xiao)于(yu)Fbg,Fbg占主導(dao)，促使夾(jia)雜物上浮(fu)。因此(ci)，模鑄(zhu)過程中(zhong)(zhong)夾(jia)雜物形(xing)成(cheng)逆(ni)時針運動(dong)(dong)，這主要是(shi)由重力(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)和(he)(he)曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)的(de)綜合(he)作用所驅動(dong)(dong)。

 3. 模鑄過程(cheng)中壓力對(dui)夾(jia)雜物(wu)分布的影響

   利用(yong)歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)型在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)獲(huo)得(de)了(le)H13鑄錠(ding)(ding)(ding)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)體積分(fen)數(shu)的(de)等值線，如(ru)(ru)圖2-140所(suo)(suo)示(shi)。每個鑄錠(ding)(ding)(ding)中(zhong)(zhong)都存在(zai)(zai)三個主(zhu)要的(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)（I、和(he)III),其中(zhong)(zhong)，II區(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度(du)最低，III區(qu)(qu)的(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度(du)最高(gao)，I區(qu)(qu)次(ci)之。三個夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)域主(zhu)要由(you)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)逆(ni)時(shi)(shi)針(zhen)運動以(yi)及被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)捕集(ji)(ji)(ji)的(de)綜合作用(yong)所(suo)(suo)導致。以(yi)0.1MPa 壓力(li)下(xia)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)布為例(li)，遠(yuan)離糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)的(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)(zai)逆(ni)時(shi)(shi)針(zhen)運動過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)逐漸上浮(fu)并富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)到鑄錠(ding)(ding)(ding)頂(ding)部(bu)，如(ru)(ru)圖 2-140(c)所(suo)(suo)示(shi)。鑄錠(ding)(ding)(ding)頂(ding)部(bu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)的(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)一部(bu)分(fen)被糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)捕獲(huo)，形成(cheng)了(le)I區(qu)(qu)，其余(yu)部(bu)分(fen)沿逆(ni)時(shi)(shi)針(zhen)方向(xiang)移(yi)動，運動方向(xiang)幾乎垂直于糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)法向(xiang)量(liang)(liang)。與(yu)之相(xiang)比，在(zai)(zai)II和(he)III區(qu)(qu)域內，夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)運動方向(xiang)與(yu)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)法向(xiang)量(liang)(liang)成(cheng)鈍角，因而(er)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)更加趨(qu)向(xiang)于被II和(he)III區(qu)(qu)域內糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)所(suo)(suo)捕獲(huo)，如(ru)(ru)圖2-141所(suo)(suo)示(shi)，導致夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)II和(he)III的(de)形成(cheng)。同時(shi)(shi)，III區(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)程(cheng)度(du)最高(gao)，原因是糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)較寬，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)捕獲(huo)能力(li)越強，富(fu)(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)趨(qu)勢更明顯。

   隨著(zhu)壓(ya)力從0.1MPa增(zeng)加(jia)到2MPa,I、II和III區(qu)夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)(de)富集度(du)降低(di)，如2-140(b)所(suo)示，夾(jia)雜(za)(za)物體積(ji)分(fen)數的(de)(de)(de)最(zui)大增(zeng)量(liang) 4max隨壓(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)減(jian)小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分(fen)別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表(biao)明隨著(zhu)凝(ning)固壓(ya)力增(zeng)加(jia)至2MPa,鑄(zhu)錠中夾(jia)雜(za)(za)物分(fen)布更加(jia)均勻。

   糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕獲夾(jia)(jia)雜物(wu)和夾(jia)(jia)雜物(wu)從糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)逃(tao)脫的能力(li)(li)(li)對夾(jia)(jia)雜物(wu)分布至(zhi)關重要。結合(he)液相線(xian)／固(gu)(gu)(gu)相線(xian)溫度隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的變(bian)(bian)化規律可知，凝固(gu)(gu)(gu)區(qu)(qu)間變(bian)(bian)化很小(xiao)，當壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到2MPa時可以忽略不計。因此(ci)(ci)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)寬(kuan)度主要由溫度梯度決定。如圖2-142(b)所示，由于增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)后(hou)提高了(le)冷卻速(su)率導(dao)致高壓(ya)(ya)下(xia)溫度梯度更大。在較(jiao)(jiao)高壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)域的長(chang)度變(bian)(bian)短［150].另外，以圖2-142(a)中的A點為例，凝固(gu)(gu)(gu)時間隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而顯著減少(shao)，在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分別為292s、272s和247s,凝固(gu)(gu)(gu)速(su)率隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)。進而表明，在較(jiao)(jiao)高的凝固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)的長(chang)度較(jiao)(jiao)小(xiao)且(qie)凝固(gu)(gu)(gu)速(su)率較(jiao)(jiao)高，因此(ci)(ci)糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕獲夾(jia)(jia)雜物(wu)的能力(li)(li)(li)變(bian)(bian)弱。

   A、B和(he)C點(dian)(dian)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)速度(du)隨(sui)(sui)液(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)分數(shu)的(de)變(bian)化如圖2-143所(suo)示(shi)。高溫度(du)梯度(du)通過(guo)增(zeng)大熱浮力(li)來強化鋼液(ye)對流。另(ling)外，研(yan)究了(le)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)中(zhong)(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)速度(du)隨(sui)(sui)曳力(li)改的(de)相(xiang)應(ying)變(bian)化。凝固初(chu)期(qi)，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)中(zhong)(zhong)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)運動(dong)速度(du)隨(sui)(sui)著壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)增(zeng)加(jia)(jia)而(er)增(zeng)大，在凝固后期(qi)，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)內夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)幾乎完全停止運動(dong)時(shi)液(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)分數(shu)隨(sui)(sui)著壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)增(zeng)加(jia)(jia)而(er)降(jiang)低(di)。以點(dian)(dian)A為(wei)(wei)例(li)，凝固初(chu)期(qi)（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)(xia)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)速度(du)分別為(wei)(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)1.52×10-3m/s.當(dang)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)速度(du)降(jiang)低(di)到5x10-5m/s時(shi)，0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)(xia)的(de)液(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)分數(shu)分別為(wei)(wei)0.74、0.68和(he)0.62.這意味著夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)從糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)逸出的(de)能力(li)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)增(zeng)加(jia)(jia)而(er)增(zeng)強。

   綜(zong)上所述，增加壓力(li)可以顯著抑(yi)制糊狀(zhuang)區中(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物的(de)富集，并(bing)通過(guo)降低糊狀(zhuang)區捕(bu)獲夾(jia)(jia)雜(za)(za)物的(de)能力(li)，提高(gao)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物從糊狀(zhuang)區中(zhong)逸出的(de)能力(li)，使(shi)鑄(zhu)錠(ding)內夾(jia)(jia)雜(za)(za)物分布(bu)更加均勻。