壓力除了(le)能夠對溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)平(ping)衡分配系數、擴散系數以及液(ye)相線斜率等(deng)參數產生影(ying)(ying)響以外，還能改變影(ying)(ying)響溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)長程傳(chuan)質(zhi)(zhi)的(de)冷卻速率、等(deng)軸晶(jing)形(xing)核(he)以及沉(chen)積等(deng),從而(er)(er)影(ying)(ying)響鑄錠(ding)溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)分布的(de)均勻(yun)性，即宏／微觀偏(pian)析；如(ru)結(jie)合平(ping)衡分配系數和(he)形(xing)核(he)吉布斯自(zi)由能隨壓力的(de)變化規律，加壓會抑制枝(zhi)晶(jing)沿壓力梯(ti)度方向(xiang)的(de)生長，從而(er)(er)導致(zhi)枝(zhi)晶(jing)組織和(he)微觀偏(pian)析呈現方向(xiang)性等(deng)。
王書(shu)桓等71利(li)用高溫高壓(ya)反(fan)應釜研(yan)究(jiu)了壓(ya)力對于(yu)CrN12高氮(dan)鋼凝固過程中偏(pian)析現(xian)象。他(ta)們利(li)用LECO-TC600氮(dan)氧(yang)儀(yi)測(ce)量(liang)了CrN12鑄錠上從中心到邊(bian)部處試(shi)樣中的氮(dan)含量(liang)，取樣位置如(ru)圖(tu)2-71所示。
王(wang)書桓等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)(de)氮偏(pian)析(xi)(xi)（圖2-72).對(dui)比(bi)不同壓(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)(de)結果，可以發現(xian)1MPa下(xia)鑄(zhu)(zhu)錠內部氮偏(pian)析(xi)(xi)嚴重(zhong)，隨著壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)提高，氮宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)得到了很大改善。當壓(ya)(ya)力提高到1.6MPa時(shi)，氮的(de)(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)程(cheng)度明顯(xian)小于1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)凝(ning)固(gu)(gu)的(de)(de)(de)(de)鑄(zhu)(zhu)錠，各部位氮含量在0.360%左右，表(biao)明增(zeng)大壓(ya)(ya)力提高了氮的(de)(de)(de)(de)飽和(he)溶解度。因(yin)此，在凝(ning)固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)提高氮氣壓(ya)(ya)力可以對(dui)氮的(de)(de)(de)(de)析(xi)(xi)出(chu)起到抑(yi)制作用，對(dui)氮由固(gu)(gu)相(xiang)到液相(xiang)的(de)(de)(de)(de)傳質起到阻礙作用，使整個鑄(zhu)(zhu)錠中(zhong)(zhong)氮的(de)(de)(de)(de)分壓(ya)(ya)趨于均勻，從而(er)減輕氮的(de)(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)。
1. 形核率
根據(ju) Beckerman等的研(yan)究報道，在元素(su)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的模(mo)擬過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，由于各元素(su)的溶(rong)(rong)質分配系(xi)數均小于1,其(qi)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的形(xing)成過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)和最終偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)類(lei)型(xing)均相似。因此，在偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)形(xing)成規(gui)律(lv)和類(lei)型(xing)的預測(ce)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)對(dui)合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)進(jin)行簡(jian)化，選取主要(yao)合(he)(he)金(jin)元素(su)進(jin)行偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的模(mo)擬。以(yi)19Cr14Mn0.9N 含(han)氮(dan)奧氏體(ti)不銹鋼凝固過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)為例，其(qi)鐵素(su)體(ti)相8存在區間較(jiao)窄，結合(he)(he)Wu等在多相和單相偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的模(mo)擬研(yan)究。可(ke)將(jiang)該凝固過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)簡(jian)化為單相凝固。氮(dan)作為含(han)氮(dan)鋼的特(te)征元素(su)，其(qi)溶(rong)(rong)質分配系(xi)數較(jiao)小，偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴重，在壓(ya)力對(dui)19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)影(ying)(ying)響(xiang)的分析(xi)(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)將(jiang)氮(dan)作為主要(yao)元素(su)，且忽略其(qi)他元素(su)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)對(dui)凝固過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的影(ying)(ying)響(xiang)。基于壓(ya)力對(dui)凝固過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的熱力學參數、動(dong)力學參數以(yi)及界面換熱系(xi)數的影(ying)(ying)響(xiang)規(gui)律(lv)，對(dui)三(san)種情(qing)況(kuang)下 19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼的凝固過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)進(jin)行模(mo)擬分析(xi)(xi)(xi)(xi)，預測(ce)壓(ya)力對(dui)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)度(du)和類(lei)型(xing)的影(ying)(ying)響(xiang)規(gui)律(lv)，三(san)種情(qing)況(kuang)（C1、C2和C3)的參數設置見表2-13。
凝固(gu)20s后，三(san)種凝固(gu)條件(jian)下的柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)尖端位置(zhi)（TIP)、柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和(he)(he)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數(shu)以(yi)及液相(xiang)和(he)(he)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)速率分(fen)布情(qing)況如(ru)圖(tu)2-73所示。對比圖(tu)2-73(a)和(he)(he)（b)可以(yi)看出，當等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)最大形核密度從3x10°m-3增至5x10°m-3時，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)尖端發(fa)生了較為明顯的變(bian)化，尤其是在鑄錠(ding)底部位置(zhi)，且等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)最大體積分(fen)數(shu)由0.514增至0.618.此外，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)和(he)(he)液相(xiang)的最大速率增加幅(fu)度較小，分(fen)別從0.01246m/s和(he)(he)0.0075m/s增至0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s.
在(zai)三種凝固條件下，鑄錠凝固結(jie)束后柱(zhu)狀晶向等(deng)軸(zhou)晶轉(zhuan)(zhuan)變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所示。隨著等(deng)軸(zhou)晶最大形(xing)核密度的增(zeng)加（對比C1和C2),液(ye)相中的等(deng)軸(zhou)晶形(xing)核速率加快，極大地(di)縮短了(le)柱(zhu)狀晶前沿等(deng)軸(zhou)晶體積(ji)分數到達阻擋(dang)分數（0.49)的時間，進(jin)而促進(jin)了(le)CET轉(zhuan)(zhuan)變，擴(kuo)大了(le)等(deng)軸(zhou)晶區域。
增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓力還能(neng)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)形(xing)核密度，從而加(jia)劇(ju)(ju)偏析(xi)。凝固結束后氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析(xi)如圖2-75所(suo)示。隨著等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)形(xing)核速率的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析(xi)范圍C從-0.07~0.116 擴(kuo)大(da)(da)(da)至－0.072~0.137,氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析(xi)加(jia)劇(ju)(ju)；此外，鑄錠(ding)底部負(fu)偏析(xi)區(qu)(qu)域也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，鑄錠(ding)內部氮(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)偏析(xi)位置逐(zhu)步向上移動。因此，在增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)形(xing)核密度方面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓力能(neng)夠擴(kuo)大(da)(da)(da)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)區(qu)(qu)域，從而增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)負(fu)偏析(xi)范圍，提(ti)升氮(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)偏析(xi)位置的(de)(de)高度，以(yi)及加(jia)劇(ju)(ju)氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏析(xi)。
2. 強化(hua)冷卻
增(zeng)加(jia)壓力(li)可(ke)通(tong)過(guo)強化冷(leng)卻和擴大(da)(da)(da)(da)“溶質截留效(xiao)應(ying)”減(jian)(jian)輕或者(zhe)消除氮宏(hong)觀偏(pian)析。根據圖(tu)2-73(b)和（c)可(ke)知，在凝固(gu)(gu)20s時，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)沉積(ji)(ji)量隨著(zhu)冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)而增(zeng)多，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大(da)(da)(da)(da)體(ti)積(ji)(ji)分數從(cong)0.618增(zeng)加(jia)至0.692,等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和液相(xiang)的(de)(de)最(zui)大(da)(da)(da)(da)速(su)(su)率(lv)在C2凝固(gu)(gu)條件下分別為0.01266m/s和0.0078m/s,在C3凝固(gu)(gu)條件下，分別為0.01221m/s和0.0074m/s.在同(tong)一時刻下，隨著(zhu)冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和液相(xiang)的(de)(de)最(zui)大(da)(da)(da)(da)速(su)(su)率(lv)呈現出略微減(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)原因是冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)加(jia)快(kuai)了(le)鑄錠的(de)(de)凝固(gu)(gu)進程，增(zeng)大(da)(da)(da)(da)了(le)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)區域［圖(tu)2-73(b)和（c)],從(cong)而使殘余液相(xiang)的(de)(de)冷(leng)卻速(su)(su)率(lv)減(jian)(jian)小(xiao)，減(jian)(jian)小(xiao)了(le)與(yu)液相(xiang)溫度相(xiang)關(guan)的(de)(de)熱(re)浮力(li)，進而液相(xiang)流(liu)動的(de)(de)驅動力(li)減(jian)(jian)小(xiao)，降低了(le)液相(xiang)流(liu)動速(su)(su)度；另外，隨著(zhu)液相(xiang)流(liu)動速(su)(su)度的(de)(de)降低，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)沉積(ji)(ji)的(de)(de)阻力(li)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)流(liu)動速(su)(su)度隨之減(jian)(jian)小(xiao)。
從圖2-74可(ke)以看出(chu)，隨著冷卻速(su)率的(de)增(zeng)加，CET位(wei)置有(you)向心移動(dong)且呈扁平(ping)化的(de)趨勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢(jian)測實驗結果相一致，進一步證明本(ben)模型具有(you)較好(hao)的(de)準(zhun)確性(xing)和可(ke)信度(du)。等軸晶區形狀隨著CET轉變位(wei)置的(de)改變，也逐步呈現出(chu)扁平(ping)化和減(jian)小的(de)趨勢(shi)，氮的(de)宏觀偏析(xi)范(fan)圍由－0.072~0.137減(jian)少至－0.067~0.130,且氮最大偏析(xi)形成位(wei)置向鑄錠頂部移動(dong)（圖2-76).因此，從強化冷卻角度(du)而言，加壓(ya)有(you)助(zhu)于抑(yi)制CET,減(jian)小等軸晶區，緩解氮的(de)宏觀偏析(xi)。
綜(zong)上(shang)所述，增(zeng)加壓力(li)通過提高等軸晶最大形核密度和強化冷卻對(dui)氮宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)產生了截(jie)然相(xiang)反的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)，兩者對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)綜(zong)合(he)影響(xiang)(xiang)還(huan)需要進(jin)一步研(yan)究(jiu)。此(ci)外，基于對(dui)凝固熱(re)(re)力(li)學和動力(li)學以及換熱(re)(re)系(xi)數的(de)(de)(de)(de)(de)分析(xi)，壓力(li)對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)不局限(xian)于增(zeng)大形核率(lv)和強化冷卻這兩方面，還(huan)能(neng)對(dui)與(yu)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)平衡分配系(xi)數和擴(kuo)散(san)速率(lv)等參(can)數產生重要影響(xiang)(xiang)。因而(er)，壓力(li)對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)還(huan)需要進(jin)行更深入的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)和探討。
