壓(ya)(ya)力除了能(neng)夠對溶(rong)(rong)質(zhi)平衡分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)(shu)、擴散系(xi)數(shu)(shu)以(yi)及液相線斜率等(deng)參數(shu)(shu)產生影響以(yi)外(wai)，還能(neng)改(gai)變影響溶(rong)(rong)質(zhi)長程傳質(zhi)的冷卻(que)速率、等(deng)軸晶形核以(yi)及沉(chen)積等(deng),從而影響鑄(zhu)錠溶(rong)(rong)質(zhi)分(fen)布的均(jun)勻性，即宏(hong)／微(wei)觀偏析；如結合(he)平衡分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)(shu)和形核吉布斯自(zi)由能(neng)隨壓(ya)(ya)力的變化規(gui)律，加壓(ya)(ya)會抑制(zhi)枝(zhi)晶沿壓(ya)(ya)力梯度方向(xiang)的生長，從而導致枝(zhi)晶組織和微(wei)觀偏析呈現(xian)方向(xiang)性等(deng)。
王書桓等71利用高(gao)溫高(gao)壓反應釜研究了壓力(li)對于CrN12高(gao)氮鋼凝固過程中偏(pian)析現象。他們利用LECO-TC600氮氧(yang)儀測量了CrN12鑄(zhu)錠上從中心到邊部處試樣(yang)中的(de)氮含量，取樣(yang)位(wei)置如圖2-71所(suo)示。
王書(shu)桓(huan)等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓(ya)力下的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)（圖2-72).對比不同(tong)壓(ya)力下的(de)(de)(de)結果，可(ke)以(yi)發現1MPa下鑄(zhu)錠(ding)內部(bu)氮(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)嚴重(zhong)，隨著壓(ya)力的(de)(de)(de)提高，氮(dan)(dan)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)(xi)得(de)到(dao)了很大改善。當壓(ya)力提高到(dao)1.6MPa時，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)程度明顯小于(yu)1.0MPa和1.2MPa下凝固的(de)(de)(de)鑄(zhu)錠(ding)，各部(bu)位氮(dan)(dan)含量在(zai)0.360%左右，表明增大壓(ya)力提高了氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)飽和溶解度。因此，在(zai)凝固過程中(zhong)(zhong)提高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力可(ke)以(yi)對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)析(xi)(xi)(xi)出起到(dao)抑制作用，對氮(dan)(dan)由固相到(dao)液相的(de)(de)(de)傳質起到(dao)阻礙作用，使整個鑄(zhu)錠(ding)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)分壓(ya)趨于(yu)均勻，從而減輕(qing)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)(xi)。
1. 形核率(lv)
根據 Beckerman等(deng)的(de)(de)(de)研(yan)究報(bao)道，在(zai)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)模(mo)擬過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中，由于各(ge)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)的(de)(de)(de)溶質(zhi)分配系(xi)(xi)數均小于1,其(qi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)和最終偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)類(lei)型均相(xiang)似。因(yin)此，在(zai)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)形(xing)成(cheng)規律和類(lei)型的(de)(de)(de)預(yu)測(ce)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中，可對合(he)金體(ti)(ti)系(xi)(xi)進(jin)行簡化，選取主要合(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)(su)進(jin)行偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)模(mo)擬。以19Cr14Mn0.9N 含氮奧氏體(ti)(ti)不(bu)銹(xiu)鋼凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)為(wei)例，其(qi)鐵素(su)(su)(su)(su)體(ti)(ti)相(xiang)8存在(zai)區間較(jiao)(jiao)窄(zhai)，結合(he)Wu等(deng)在(zai)多(duo)相(xiang)和單相(xiang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)模(mo)擬研(yan)究。可將(jiang)該凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)簡化為(wei)單相(xiang)凝固。氮作為(wei)含氮鋼的(de)(de)(de)特(te)征元(yuan)素(su)(su)(su)(su)，其(qi)溶質(zhi)分配系(xi)(xi)數較(jiao)(jiao)小，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)嚴重(zhong)，在(zai)壓(ya)力對19Cr14Mn0.9N含氮鋼偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)影響(xiang)的(de)(de)(de)分析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中，可將(jiang)氮作為(wei)主要元(yuan)素(su)(su)(su)(su)，且(qie)忽略其(qi)他元(yuan)素(su)(su)(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)對凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)影響(xiang)。基于壓(ya)力對凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)熱力學(xue)參(can)(can)數、動力學(xue)參(can)(can)數以及界面(mian)換熱系(xi)(xi)數的(de)(de)(de)影響(xiang)規律，對三種情況下 19Cr14Mn0.9N含氮鋼的(de)(de)(de)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)進(jin)行模(mo)擬分析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)，預(yu)測(ce)壓(ya)力對偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)程(cheng)度和類(lei)型的(de)(de)(de)影響(xiang)規律，三種情況（C1、C2和C3)的(de)(de)(de)參(can)(can)數設置見表(biao)2-13。
凝固(gu)20s后，三(san)種凝固(gu)條件(jian)下的(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)尖(jian)端位(wei)置（TIP)、柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)和(he)(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)體積(ji)分(fen)數以及液相和(he)(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)速(su)率(lv)分(fen)布情況如圖(tu)2-73所示。對(dui)比圖(tu)2-73(a)和(he)(he)（b)可(ke)以看出，當等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大形核密度從3x10°m-3增(zeng)(zeng)至(zhi)5x10°m-3時，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)尖(jian)端發生了(le)較為明顯的(de)變化，尤其是(shi)在鑄錠底(di)部位(wei)置，且等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大體積(ji)分(fen)數由0.514增(zeng)(zeng)至(zhi)0.618.此外，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)液相的(de)最大速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)加幅度較小，分(fen)別(bie)從0.01246m/s和(he)(he)0.0075m/s增(zeng)(zeng)至(zhi)0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s.
在三種凝(ning)固條件下，鑄錠凝(ning)固結束后柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)向等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)轉變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如(ru)圖2-74所示。隨著等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)最大(da)形核密度的增加（對比C1和C2),液相(xiang)中的等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)形核速率加快，極大(da)地(di)縮(suo)短了柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)前沿等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數(shu)到(dao)達阻擋分(fen)數(shu)（0.49)的時間(jian)，進而促進了CET轉變，擴大(da)了等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區域。
增(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)力還能增(zeng)加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸晶最(zui)大形(xing)核密(mi)度(du)，從而加(jia)(jia)(jia)劇(ju)偏(pian)(pian)析。凝固(gu)結(jie)束后氮的(de)宏觀偏(pian)(pian)析如(ru)圖2-75所示。隨著等(deng)軸晶最(zui)大形(xing)核速率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)(jia)(jia)，氮的(de)宏觀偏(pian)(pian)析范圍C從-0.07~0.116 擴大至－0.072~0.137,氮的(de)宏觀偏(pian)(pian)析加(jia)(jia)(jia)劇(ju)；此外，鑄錠底部負(fu)偏(pian)(pian)析區域也隨之增(zeng)大，鑄錠內部氮最(zui)大偏(pian)(pian)析位(wei)置(zhi)逐步向上(shang)移動。因此，在增(zeng)加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸晶最(zui)大形(xing)核密(mi)度(du)方(fang)面，增(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)力能夠擴大等(deng)軸晶區域，從而增(zeng)大負(fu)偏(pian)(pian)析范圍，提升氮最(zui)大偏(pian)(pian)析位(wei)置(zhi)的(de)高度(du)，以及加(jia)(jia)(jia)劇(ju)氮的(de)宏觀偏(pian)(pian)析。
2. 強化(hua)冷卻(que)
增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓力可通過(guo)強(qiang)化冷(leng)卻和(he)(he)擴(kuo)大“溶質截留效(xiao)應”減(jian)(jian)(jian)輕或(huo)者消除氮(dan)宏觀偏析。根據圖2-73(b)和(he)(he)（c)可知，在(zai)凝(ning)固20s時(shi)，等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)沉(chen)積(ji)量隨著(zhu)冷(leng)卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)多(duo)，等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)最(zui)大體積(ji)分數從0.618增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)0.692,等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)和(he)(he)液相(xiang)的(de)(de)(de)(de)最(zui)大速(su)(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)在(zai)C2凝(ning)固條件下(xia)(xia)(xia)分別為0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s,在(zai)C3凝(ning)固條件下(xia)(xia)(xia)，分別為0.01221m/s和(he)(he)0.0074m/s.在(zai)同一時(shi)刻下(xia)(xia)(xia)，隨著(zhu)冷(leng)卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)和(he)(he)液相(xiang)的(de)(de)(de)(de)最(zui)大速(su)(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)呈現出略微減(jian)(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)原因(yin)是冷(leng)卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大加(jia)快(kuai)了(le)(le)鑄錠的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固進(jin)程(cheng)，增(zeng)(zeng)(zeng)大了(le)(le)柱狀晶(jing)(jing)區域［圖2-73(b)和(he)(he)（c)],從而(er)使殘(can)余液相(xiang)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)(lv)(lv)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)，減(jian)(jian)(jian)小(xiao)了(le)(le)與(yu)液相(xiang)溫度(du)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)熱浮力，進(jin)而(er)液相(xiang)流動(dong)的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)力減(jian)(jian)(jian)小(xiao)，降低了(le)(le)液相(xiang)流動(dong)速(su)(su)(su)(su)度(du)；另(ling)外，隨著(zhu)液相(xiang)流動(dong)速(su)(su)(su)(su)度(du)的(de)(de)(de)(de)降低，等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)沉(chen)積(ji)的(de)(de)(de)(de)阻力增(zeng)(zeng)(zeng)大，等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)流動(dong)速(su)(su)(su)(su)度(du)隨之減(jian)(jian)(jian)小(xiao)。
從(cong)圖2-74可(ke)以(yi)看出，隨(sui)著(zhu)冷(leng)(leng)卻(que)速率的(de)增加，CET位(wei)置有向(xiang)心移(yi)(yi)動且呈扁(bian)(bian)平化(hua)的(de)趨勢，與19Cr14Mn0.9N鑄錠(ding)CET檢(jian)測實驗結果相一致，進(jin)一步證明本模型具有較好(hao)的(de)準確性和(he)可(ke)信度。等軸晶區形狀隨(sui)著(zhu)CET轉變位(wei)置的(de)改變，也逐步呈現出扁(bian)(bian)平化(hua)和(he)減(jian)小(xiao)的(de)趨勢，氮的(de)宏(hong)觀偏(pian)析范(fan)圍由－0.072~0.137減(jian)少至(zhi)－0.067~0.130,且氮最大偏(pian)析形成位(wei)置向(xiang)鑄錠(ding)頂部移(yi)(yi)動（圖2-76).因(yin)此，從(cong)強化(hua)冷(leng)(leng)卻(que)角度而言，加壓(ya)有助(zhu)于抑制CET,減(jian)小(xiao)等軸晶區，緩解氮的(de)宏(hong)觀偏(pian)析。
綜上所述，增加(jia)壓(ya)(ya)力通過提高等軸(zhou)晶最大(da)形核(he)密度和(he)強化冷(leng)卻(que)對氮(dan)宏觀(guan)(guan)偏(pian)析產生了截(jie)然相(xiang)反的(de)影(ying)響(xiang)，兩(liang)者對宏觀(guan)(guan)偏(pian)析的(de)綜合影(ying)響(xiang)還需要(yao)(yao)進一(yi)步研究。此外，基于對凝固熱(re)力學和(he)動力學以及換(huan)熱(re)系數的(de)分析，壓(ya)(ya)力對宏觀(guan)(guan)偏(pian)析的(de)影(ying)響(xiang)不局(ju)限于增大(da)形核(he)率(lv)和(he)強化冷(leng)卻(que)這兩(liang)方面，還能對與宏觀(guan)(guan)偏(pian)析相(xiang)關的(de)平衡分配(pei)系數和(he)擴散(san)速率(lv)等參數產生重要(yao)(yao)影(ying)響(xiang)。因而(er)，壓(ya)(ya)力對宏觀(guan)(guan)偏(pian)析的(de)影(ying)響(xiang)還需要(yao)(yao)進行更深入的(de)研究和(he)探討。
