壓力除了能(neng)夠對(dui)溶(rong)(rong)質(zhi)平(ping)(ping)衡分配(pei)系(xi)數、擴(kuo)散系(xi)數以及液(ye)相(xiang)線斜率等參(can)數產生影響(xiang)(xiang)以外，還能(neng)改變(bian)影響(xiang)(xiang)溶(rong)(rong)質(zhi)長程(cheng)傳(chuan)質(zhi)的(de)(de)冷卻速率、等軸晶形核以及沉積等,從而影響(xiang)(xiang)鑄(zhu)錠溶(rong)(rong)質(zhi)分布(bu)(bu)的(de)(de)均(jun)勻性，即宏／微(wei)觀(guan)偏析；如結(jie)合平(ping)(ping)衡分配(pei)系(xi)數和(he)形核吉布(bu)(bu)斯自由能(neng)隨(sui)壓力的(de)(de)變(bian)化規律(lv)，加壓會抑(yi)制枝晶沿壓力梯度方向(xiang)的(de)(de)生長，從而導致枝晶組織和(he)微(wei)觀(guan)偏析呈現方向(xiang)性等。
王書桓等71利用高溫高壓(ya)反應釜(fu)研究了壓(ya)力對于CrN12高氮(dan)鋼凝(ning)固過程中偏(pian)析(xi)現象。他們利用LECO-TC600氮(dan)氧儀測量了CrN12鑄錠(ding)上從中心到邊部處試樣中的(de)氮(dan)含量，取樣位(wei)置如圖2-71所示(shi)。
王(wang)書桓(huan)等研(yan)究了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓力下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)偏析(xi)(xi)（圖2-72).對比不同壓力下(xia)的(de)(de)(de)結果，可以發現1MPa下(xia)鑄(zhu)錠內部氮(dan)偏析(xi)(xi)嚴重，隨著(zhu)壓力的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)，氮(dan)宏觀偏析(xi)(xi)得(de)到(dao)了(le)很大(da)(da)改善(shan)。當(dang)壓力提(ti)高(gao)(gao)到(dao)1.6MPa時(shi)，氮(dan)的(de)(de)(de)偏析(xi)(xi)程度明顯小于1.0MPa和1.2MPa下(xia)凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)鑄(zhu)錠，各(ge)部位氮(dan)含量在(zai)0.360%左右(you)，表明增大(da)(da)壓力提(ti)高(gao)(gao)了(le)氮(dan)的(de)(de)(de)飽和溶解度。因此，在(zai)凝(ning)固(gu)過程中提(ti)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓力可以對氮(dan)的(de)(de)(de)析(xi)(xi)出起(qi)(qi)到(dao)抑制(zhi)作(zuo)用(yong)，對氮(dan)由固(gu)相到(dao)液相的(de)(de)(de)傳質起(qi)(qi)到(dao)阻礙(ai)作(zuo)用(yong)，使整個鑄(zhu)錠中氮(dan)的(de)(de)(de)分壓趨于均勻，從(cong)而(er)減輕氮(dan)的(de)(de)(de)宏觀偏析(xi)(xi)。
1. 形核率
根(gen)據 Beckerman等的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)(jiu)報道，在元(yuan)(yuan)素(su)(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，由于各元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)質(zhi)分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)均(jun)小(xiao)(xiao)于1,其(qi)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)和最(zui)終偏(pian)(pian)析(xi)(xi)類型均(jun)相(xiang)似。因此，在偏(pian)(pian)析(xi)(xi)形(xing)成(cheng)規律(lv)和類型的(de)(de)(de)(de)(de)預(yu)測過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，可(ke)(ke)對(dui)合金體系(xi)(xi)進(jin)行(xing)簡化，選取主要合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)進(jin)行(xing)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)。以(yi)19Cr14Mn0.9N 含氮奧氏體不銹鋼(gang)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)例，其(qi)鐵素(su)(su)體相(xiang)8存(cun)在區間較窄，結(jie)合Wu等在多相(xiang)和單相(xiang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)研究(jiu)(jiu)。可(ke)(ke)將該凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)簡化為(wei)(wei)(wei)單相(xiang)凝固。氮作為(wei)(wei)(wei)含氮鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)特征元(yuan)(yuan)素(su)(su)，其(qi)溶(rong)質(zhi)分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)較小(xiao)(xiao)，偏(pian)(pian)析(xi)(xi)較嚴重，在壓(ya)力(li)(li)對(dui)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)影(ying)響(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，可(ke)(ke)將氮作為(wei)(wei)(wei)主要元(yuan)(yuan)素(su)(su)，且忽略其(qi)他元(yuan)(yuan)素(su)(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)對(dui)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。基(ji)于壓(ya)力(li)(li)對(dui)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)熱力(li)(li)學參(can)數(shu)(shu)(shu)、動力(li)(li)學參(can)數(shu)(shu)(shu)以(yi)及(ji)界(jie)面換熱系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)規律(lv)，對(dui)三(san)種情況下 19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)進(jin)行(xing)模(mo)(mo)擬(ni)分(fen)(fen)析(xi)(xi)，預(yu)測壓(ya)力(li)(li)對(dui)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)度和類型的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)規律(lv)，三(san)種情況（C1、C2和C3)的(de)(de)(de)(de)(de)參(can)數(shu)(shu)(shu)設(she)置(zhi)見表(biao)2-13。
凝固20s后，三種(zhong)凝固條(tiao)件下的(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶一次(ci)(ci)枝(zhi)晶尖(jian)端位(wei)(wei)置(zhi)（TIP)、柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶和(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶體積(ji)(ji)分數以(yi)及液相和(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶速率分布情況如圖(tu)2-73所示(shi)。對比(bi)圖(tu)2-73(a)和(he)（b)可以(yi)看出，當(dang)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶最(zui)(zui)(zui)大(da)形核密度從(cong)3x10°m-3增至(zhi)5x10°m-3時，柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶一次(ci)(ci)枝(zhi)晶尖(jian)端發生了較為明顯(xian)的(de)變化，尤其是在鑄錠(ding)底部位(wei)(wei)置(zhi)，且等(deng)軸(zhou)(zhou)晶最(zui)(zui)(zui)大(da)體積(ji)(ji)分數由0.514增至(zhi)0.618.此(ci)外，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶和(he)液相的(de)最(zui)(zui)(zui)大(da)速率增加幅(fu)度較小(xiao)，分別從(cong)0.01246m/s和(he)0.0075m/s增至(zhi)0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在三種(zhong)凝固條(tiao)件下(xia)，鑄錠(ding)凝固結束后柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)向等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)轉變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖(tu)2-74所(suo)示(shi)。隨著等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)最大(da)形核密(mi)度的(de)增加(jia)（對比C1和C2),液相(xiang)中的(de)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)形核速(su)率(lv)加(jia)快，極大(da)地(di)縮短了柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)前(qian)沿等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)體(ti)積(ji)分(fen)數(shu)(shu)到(dao)達阻擋(dang)分(fen)數(shu)(shu)（0.49)的(de)時間(jian)，進而促進了CET轉變，擴大(da)了等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區域。
增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)(li)還能(neng)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)等(deng)軸晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)形核密(mi)度，從(cong)而加(jia)(jia)劇偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)。凝(ning)固(gu)結(jie)束后氮(dan)的(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)如圖2-75所示。隨(sui)著(zhu)等(deng)軸晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)形核速(su)率的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，氮(dan)的(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)范(fan)圍C從(cong)-0.07~0.116 擴(kuo)大(da)(da)至－0.072~0.137,氮(dan)的(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)加(jia)(jia)劇；此(ci)外(wai)，鑄(zhu)錠底部(bu)負(fu)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)區(qu)(qu)域也(ye)隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，鑄(zhu)錠內(nei)部(bu)氮(dan)最(zui)大(da)(da)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)逐步(bu)向上移動。因此(ci)，在增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)等(deng)軸晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)形核密(mi)度方面(mian)，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)(li)能(neng)夠擴(kuo)大(da)(da)等(deng)軸晶(jing)(jing)區(qu)(qu)域，從(cong)而增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)負(fu)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)范(fan)圍，提(ti)升氮(dan)最(zui)大(da)(da)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)的(de)高(gao)度，以及(ji)加(jia)(jia)劇氮(dan)的(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)。
2. 強化(hua)冷卻
增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力可(ke)通過(guo)強化(hua)冷(leng)(leng)卻(que)和(he)擴大(da)“溶質截(jie)留效應”減(jian)(jian)輕或(huo)者消(xiao)除(chu)氮(dan)宏觀偏析。根據圖(tu)2-73(b)和(he)（c)可(ke)知，在(zai)凝(ning)固20s時，等軸晶(jing)的(de)(de)沉積(ji)量隨(sui)著(zhu)(zhu)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)增(zeng)(zeng)多，等軸晶(jing)最大(da)體積(ji)分數從0.618增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)0.692,等軸晶(jing)和(he)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)速(su)(su)率在(zai)C2凝(ning)固條件下分別為0.01266m/s和(he)0.0078m/s,在(zai)C3凝(ning)固條件下，分別為0.01221m/s和(he)0.0074m/s.在(zai)同(tong)一時刻(ke)下，隨(sui)著(zhu)(zhu)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，等軸晶(jing)和(he)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)速(su)(su)率呈現出(chu)略微減(jian)(jian)小的(de)(de)原因是冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)加(jia)(jia)快(kuai)了鑄錠的(de)(de)凝(ning)固進程，增(zeng)(zeng)大(da)了柱狀晶(jing)區域［圖(tu)2-73(b)和(he)（c)],從而(er)使(shi)殘余(yu)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率減(jian)(jian)小，減(jian)(jian)小了與(yu)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫度(du)相(xiang)(xiang)(xiang)關的(de)(de)熱浮(fu)力，進而(er)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)力減(jian)(jian)小，降低(di)了液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)速(su)(su)度(du)；另外(wai)，隨(sui)著(zhu)(zhu)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)速(su)(su)度(du)的(de)(de)降低(di)，等軸晶(jing)沉積(ji)的(de)(de)阻(zu)力增(zeng)(zeng)大(da)，等軸晶(jing)流(liu)(liu)(liu)動(dong)(dong)(dong)速(su)(su)度(du)隨(sui)之減(jian)(jian)小。
從圖2-74可以看出，隨(sui)著冷卻(que)(que)速(su)率的(de)(de)增(zeng)加，CET位(wei)置有向心移動(dong)(dong)且呈(cheng)(cheng)扁(bian)平(ping)化的(de)(de)趨勢，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測實驗結果(guo)相(xiang)一致，進一步證明本模型具(ju)有較好的(de)(de)準確性和可信度(du)。等(deng)軸(zhou)晶區(qu)形狀隨(sui)著CET轉變位(wei)置的(de)(de)改變，也逐步呈(cheng)(cheng)現出扁(bian)平(ping)化和減小的(de)(de)趨勢，氮的(de)(de)宏(hong)觀偏析范(fan)圍由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且氮最大偏析形成位(wei)置向鑄錠頂(ding)部移動(dong)(dong)（圖2-76).因此，從強(qiang)化冷卻(que)(que)角度(du)而言，加壓(ya)有助(zhu)于抑制CET,減小等(deng)軸(zhou)晶區(qu)，緩解氮的(de)(de)宏(hong)觀偏析。
綜上所述，增(zeng)(zeng)加壓(ya)力(li)通過提高等(deng)軸晶最大形(xing)核密度和(he)強化(hua)冷(leng)卻對(dui)氮宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)產(chan)(chan)生(sheng)了截(jie)然相(xiang)反的影響(xiang)，兩者對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的綜合影響(xiang)還(huan)(huan)需(xu)要(yao)進一步研(yan)究(jiu)。此外，基(ji)于(yu)對(dui)凝固熱力(li)學(xue)和(he)動力(li)學(xue)以及換熱系數的分析(xi)，壓(ya)力(li)對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的影響(xiang)不局限于(yu)增(zeng)(zeng)大形(xing)核率和(he)強化(hua)冷(leng)卻這兩方面，還(huan)(huan)能(neng)對(dui)與宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)相(xiang)關(guan)的平衡分配(pei)系數和(he)擴(kuo)散速率等(deng)參數產(chan)(chan)生(sheng)重要(yao)影響(xiang)。因而，壓(ya)力(li)對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的影響(xiang)還(huan)(huan)需(xu)要(yao)進行更深入的研(yan)究(jiu)和(he)探討(tao)。
