壓力除了能夠對溶(rong)質(zhi)平衡分配(pei)系數(shu)、擴(kuo)散系數(shu)以(yi)及液相(xiang)線(xian)斜(xie)率(lv)等(deng)參(can)數(shu)產(chan)生影(ying)(ying)響(xiang)以(yi)外，還(huan)能改變影(ying)(ying)響(xiang)溶(rong)質(zhi)長程傳質(zhi)的(de)冷卻(que)速率(lv)、等(deng)軸晶(jing)形核以(yi)及沉積(ji)等(deng),從而影(ying)(ying)響(xiang)鑄錠溶(rong)質(zhi)分布的(de)均(jun)勻性(xing)(xing)，即宏／微觀偏析；如結合平衡分配(pei)系數(shu)和形核吉布斯自由(you)能隨壓力的(de)變化規律，加壓會抑制枝晶(jing)沿壓力梯(ti)度方向的(de)生長，從而導致枝晶(jing)組(zu)織和微觀偏析呈現(xian)方向性(xing)(xing)等(deng)。
王書桓(huan)等71利用高溫(wen)高壓反(fan)應釜研(yan)究了(le)壓力對于CrN12高氮(dan)鋼凝(ning)固過程中偏析(xi)現(xian)象(xiang)。他(ta)們利用LECO-TC600氮(dan)氧(yang)儀測量(liang)了(le)CrN12鑄錠上從中心到(dao)邊部處試樣(yang)中的氮(dan)含量(liang)，取(qu)樣(yang)位置如圖(tu)2-71所示。
王書桓(huan)等研究(jiu)了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓力(li)下的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)（圖2-72).對(dui)比不同壓力(li)下的(de)(de)(de)結果(guo)，可以發(fa)現1MPa下鑄錠(ding)內部氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)嚴重，隨著(zhu)壓力(li)的(de)(de)(de)提高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)宏觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)得到了(le)很大改善。當壓力(li)提高(gao)到1.6MPa時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)程(cheng)度明(ming)(ming)顯小于1.0MPa和1.2MPa下凝固的(de)(de)(de)鑄錠(ding)，各(ge)部位(wei)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量在(zai)(zai)0.360%左右，表明(ming)(ming)增(zeng)大壓力(li)提高(gao)了(le)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)飽(bao)和溶解度。因此，在(zai)(zai)凝固過程(cheng)中(zhong)提高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)可以對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)析(xi)出起(qi)(qi)到抑制作用(yong)，對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)由固相(xiang)到液相(xiang)的(de)(de)(de)傳質起(qi)(qi)到阻礙(ai)作用(yong)，使整個鑄錠(ding)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)分壓趨(qu)于均勻，從而(er)減輕氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)。
1. 形核率
根(gen)據 Beckerman等(deng)的(de)研(yan)究報道，在元(yuan)素偏(pian)(pian)析(xi)的(de)模擬過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，由于(yu)各元(yuan)素的(de)溶(rong)質分(fen)(fen)配系(xi)數(shu)均(jun)小于(yu)1,其偏(pian)(pian)析(xi)的(de)形成過程(cheng)(cheng)和(he)最終偏(pian)(pian)析(xi)類(lei)型均(jun)相似。因此，在偏(pian)(pian)析(xi)形成規(gui)(gui)律(lv)和(he)類(lei)型的(de)預(yu)測(ce)(ce)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)對合金體(ti)系(xi)進行簡(jian)化(hua)，選取主要(yao)合金元(yuan)素進行偏(pian)(pian)析(xi)的(de)模擬。以19Cr14Mn0.9N 含(han)氮(dan)奧氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)凝(ning)固過程(cheng)(cheng)為(wei)例，其鐵素體(ti)相8存在區間(jian)較窄，結合Wu等(deng)在多相和(he)單相偏(pian)(pian)析(xi)的(de)模擬研(yan)究。可(ke)將該(gai)凝(ning)固過程(cheng)(cheng)簡(jian)化(hua)為(wei)單相凝(ning)固。氮(dan)作為(wei)含(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)的(de)特征元(yuan)素，其溶(rong)質分(fen)(fen)配系(xi)數(shu)較小，偏(pian)(pian)析(xi)較嚴(yan)重(zhong)，在壓力(li)對19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)偏(pian)(pian)析(xi)影響(xiang)的(de)分(fen)(fen)析(xi)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)將氮(dan)作為(wei)主要(yao)元(yuan)素，且忽略其他元(yuan)素偏(pian)(pian)析(xi)對凝(ning)固過程(cheng)(cheng)的(de)影響(xiang)。基于(yu)壓力(li)對凝(ning)固過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)熱力(li)學(xue)參數(shu)、動力(li)學(xue)參數(shu)以及界面換熱系(xi)數(shu)的(de)影響(xiang)規(gui)(gui)律(lv)，對三種情(qing)況下(xia) 19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)的(de)凝(ning)固過程(cheng)(cheng)進行模擬分(fen)(fen)析(xi)，預(yu)測(ce)(ce)壓力(li)對偏(pian)(pian)析(xi)程(cheng)(cheng)度和(he)類(lei)型的(de)影響(xiang)規(gui)(gui)律(lv)，三種情(qing)況（C1、C2和(he)C3)的(de)參數(shu)設(she)置見表2-13。
凝固20s后，三種凝固條件下(xia)的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)尖端位置（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)和(he)(he)(he)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)體積分數(shu)以及液相和(he)(he)(he)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)速率分布情況如圖2-73所示。對比(bi)圖2-73(a)和(he)(he)(he)（b)可以看出，當等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大形(xing)核密度從(cong)3x10°m-3增(zeng)(zeng)至5x10°m-3時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)尖端發生了較(jiao)為明顯(xian)的(de)變(bian)化，尤其是在鑄錠底部位置，且等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最(zui)大體積分數(shu)由0.514增(zeng)(zeng)至0.618.此外，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)(he)液相的(de)最(zui)大速率增(zeng)(zeng)加幅度較(jiao)小，分別(bie)從(cong)0.01246m/s和(he)(he)(he)0.0075m/s增(zeng)(zeng)至0.01266m/s和(he)(he)(he)0.0078m/s.
在三種凝固(gu)條件下，鑄錠凝固(gu)結束后柱狀晶(jing)向等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)轉(zhuan)變（columnar to equiaxed transition,CET)位(wei)置如圖2-74所示(shi)。隨著等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最大形核密度(du)的增加(jia)（對比C1和C2),液(ye)相(xiang)中的等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)形核速率加(jia)快，極大地縮短了柱狀晶(jing)前沿等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)體(ti)積(ji)分(fen)數(shu)(shu)到達(da)阻擋分(fen)數(shu)(shu)（0.49)的時間，進(jin)(jin)而促(cu)進(jin)(jin)了CET轉(zhuan)變，擴大了等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)區(qu)域。
增加(jia)(jia)壓(ya)力還能增加(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大形(xing)核密(mi)度，從(cong)(cong)而加(jia)(jia)劇(ju)(ju)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)。凝固(gu)結束后氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)如圖(tu)2-75所示。隨著(zhu)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大形(xing)核速率(lv)的(de)增加(jia)(jia)，氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)范圍C從(cong)(cong)-0.07~0.116 擴大至(zhi)－0.072~0.137,氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)加(jia)(jia)劇(ju)(ju)；此外，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)負(fu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)區(qu)(qu)域也隨之增大，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)內部(bu)氮(dan)最(zui)(zui)大偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)位(wei)置逐步(bu)向上(shang)移動。因此，在增加(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大形(xing)核密(mi)度方面，增加(jia)(jia)壓(ya)力能夠擴大等(deng)軸(zhou)晶區(qu)(qu)域，從(cong)(cong)而增大負(fu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)范圍，提升(sheng)氮(dan)最(zui)(zui)大偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)位(wei)置的(de)高(gao)度，以及加(jia)(jia)劇(ju)(ju)氮(dan)的(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)。
2. 強化(hua)冷卻(que)
增加(jia)壓力(li)可通過強化冷卻和(he)擴(kuo)大(da)(da)(da)“溶質截留(liu)效應”減(jian)輕或(huo)者消除氮宏(hong)觀偏析。根據(ju)圖2-73(b)和(he)（c)可知，在凝(ning)固20s時，等(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)沉積(ji)量(liang)隨著(zhu)冷卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)的(de)(de)增大(da)(da)(da)而增多，等(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)(da)(da)體(ti)積(ji)分數(shu)從0.618增加(jia)至0.692,等(deng)軸(zhou)晶(jing)和(he)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)(da)(da)速(su)(su)(su)(su)率(lv)在C2凝(ning)固條(tiao)件下(xia)分別(bie)為(wei)0.01266m/s和(he)0.0078m/s,在C3凝(ning)固條(tiao)件下(xia)，分別(bie)為(wei)0.01221m/s和(he)0.0074m/s.在同一(yi)時刻下(xia)，隨著(zhu)冷卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)的(de)(de)增大(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)和(he)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)(da)(da)速(su)(su)(su)(su)率(lv)呈現出略微減(jian)小(xiao)的(de)(de)原因是冷卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)的(de)(de)增大(da)(da)(da)加(jia)快了鑄錠的(de)(de)凝(ning)固進程，增大(da)(da)(da)了柱狀晶(jing)區域［圖2-73(b)和(he)（c)],從而使殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)冷卻速(su)(su)(su)(su)率(lv)減(jian)小(xiao)，減(jian)小(xiao)了與液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫(wen)度相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)的(de)(de)熱浮力(li)，進而液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動的(de)(de)驅動力(li)減(jian)小(xiao)，降低了液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動速(su)(su)(su)(su)度；另(ling)外，隨著(zhu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動速(su)(su)(su)(su)度的(de)(de)降低，等(deng)軸(zhou)晶(jing)沉積(ji)的(de)(de)阻力(li)增大(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)流(liu)動速(su)(su)(su)(su)度隨之減(jian)小(xiao)。
從(cong)圖2-74可以(yi)看出，隨著冷卻速率的(de)(de)增加(jia)，CET位(wei)置有(you)(you)向心移動(dong)且呈扁(bian)平(ping)化的(de)(de)趨勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測(ce)實驗(yan)結(jie)果(guo)相一致(zhi)，進一步證(zheng)明本模型具有(you)(you)較好的(de)(de)準確性和(he)可信度。等軸晶(jing)區形狀隨著CET轉變位(wei)置的(de)(de)改變，也逐步呈現出扁(bian)平(ping)化和(he)減小的(de)(de)趨勢(shi)，氮(dan)的(de)(de)宏(hong)(hong)觀偏(pian)析范(fan)圍由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且氮(dan)最大偏(pian)析形成(cheng)位(wei)置向鑄錠頂部移動(dong)（圖2-76).因此，從(cong)強化冷卻角度而言，加(jia)壓有(you)(you)助于抑制CET,減小等軸晶(jing)區，緩解氮(dan)的(de)(de)宏(hong)(hong)觀偏(pian)析。
綜(zong)上所述，增加壓(ya)力(li)通過提(ti)高等軸晶(jing)最(zui)大形核密度(du)和強化(hua)冷卻對(dui)(dui)氮宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)產生了(le)截然相反(fan)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)，兩者對(dui)(dui)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)的(de)綜(zong)合影(ying)響(xiang)(xiang)還需(xu)要(yao)進一步研究。此(ci)外(wai)，基于(yu)對(dui)(dui)凝固熱(re)力(li)學(xue)和動力(li)學(xue)以(yi)及(ji)換熱(re)系數的(de)分析(xi)(xi)，壓(ya)力(li)對(dui)(dui)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)不局限于(yu)增大形核率和強化(hua)冷卻這兩方面(mian)，還能對(dui)(dui)與宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)相關的(de)平衡分配(pei)系數和擴散速率等參(can)數產生重要(yao)影(ying)響(xiang)(xiang)。因而，壓(ya)力(li)對(dui)(dui)宏(hong)觀偏(pian)析(xi)(xi)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)還需(xu)要(yao)進行更深入的(de)研究和探討。
