壓力(li)對鑄(zhu)錠的凝(ning)固相變和(he)組織有(you)十分重要(yao)的影響，如壓力(li)能提(ti)高晶(jing)粒(li)形(xing)核速率，減小臨界形(xing)核半徑，增(zeng)大冷卻(que)速率，細化枝晶(jing)組織，減輕或消(xiao)除凝(ning)固缺陷（疏松、縮孔(kong)、氣孔(kong)和(he)偏析(xi)）以及改(gai)變析(xi)出相形(xing)貌和(he)類型等。由于鋼鐵(tie)材料固／液(ye)相線溫(wen)度較高，加(jia)壓難度相對較大，不過，較低(di)壓力(li)依然具(ju)有(you)改(gai)善鑄(zhu)型和(he)鑄(zhu)錠間(jian)換熱條件、打破(po)液(ye)相中氮(dan)氣泡等壓力(li)平衡(heng)的能力(li)，進而達到改(gai)善鋼鐵(tie)凝(ning)固組織，減輕或消(xiao)除凝(ning)固缺陷等目的。
一、枝晶(jing)組織
枝晶組織的出(chu)(chu)現(xian)和生(sheng)長與液(ye)相中的成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷密(mi)不可分(fen)(fen)，當凝固(gu)界(jie)面出(chu)(chu)現(xian)擾動(dong)導致液(ye)相出(chu)(chu)現(xian)局部成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷時，液(ye)相中就具備(bei)了(le)促使界(jie)面發生(sheng)波動(dong)的驅(qu)動(dong)力(li)，進一步增(zeng)大(da)了(le)凝固(gu)界(jie)面的不穩定(ding)性，從而(er)使凝固(gu)界(jie)面從平面狀(zhuang)向樹枝狀(zhuang)轉(zhuan)變，形成(cheng)(cheng)枝晶組織，液(ye)相中成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷的判據(ju)為(wei)
式中(zhong)，GrL為液(ye)(ye)相(xiang)溫度梯(ti)度；v為凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)速率；m為液(ye)(ye)相(xiang)線斜率；CL為凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)界面(mian)處液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)(rong)質的(de)(de)質量分(fen)數(shu)；DL為液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)(rong)質的(de)(de)擴散系(xi)(xi)數(shu)；ko為溶(rong)(rong)(rong)質分(fen)配系(xi)(xi)數(shu)。在(zai)不考慮壓(ya)(ya)力強(qiang)化(hua)(hua)冷卻（即GrL保持恒(heng)定）情況下(xia)(xia)，壓(ya)(ya)力可通過(guo)改(gai)變(bian)液(ye)(ye)相(xiang)線斜率、擴散系(xi)(xi)數(shu)和(he)溶(rong)(rong)(rong)質分(fen)配系(xi)(xi)數(shu)等(deng)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)參數(shu)，改(gai)變(bian)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)形(xing)貌(mao)甚至凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織的(de)(de)組(zu)成。Zhang等(deng)對比(bi)了(le)高(gao)錳(meng)(meng)鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)和(he)6GPa下(xia)(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織。發現(xian)(xian)高(gao)錳(meng)(meng)鋼(gang)高(gao)壓(ya)(ya)下(xia)(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織包含細(xi)小(xiao)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)和(he)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)，與常(chang)壓(ya)(ya)下(xia)(xia)的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織截然不同(tong)（圖2-107).晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺(chi)寸(cun)統計結果表明，高(gao)錳(meng)(meng)鋼(gang)在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)下(xia)(xia)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺(chi)寸(cun)為（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)為（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)力細(xi)化(hua)(hua)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)可達21倍之多，主要(yao)歸因于增(zeng)加(jia)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)力降低了(le)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)(rong)質擴散系(xi)(xi)數(shu)以及增(zeng)大了(le)擴散激活能，進而增(zeng)大了(le)液(ye)(ye)相(xiang)成分(fen)過(guo)冷度，在(zai)抑(yi)(yi)制(zhi)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)生長(chang)的(de)(de)同(tong)時增(zeng)大了(le)形(xing)核率［129,153],從(cong)而使得高(gao)錳(meng)(meng)鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織逐步(bu)向枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)織轉變(bian)，且(qie)細(xi)化(hua)(hua)十(shi)分(fen)顯著。Kashchiev和(he)Vasudevan等(deng)的(de)(de)研究表明。在(zai)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，當固(gu)(gu)相(xiang)摩爾(er)體(ti)積小(xiao)于液(ye)(ye)相(xiang)摩爾(er)體(ti)積時，加(jia)壓(ya)(ya)有助于提高(gao)形(xing)核率，起到細(xi)化(hua)(hua)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織的(de)(de)作(zuo)用，大多數(shu)金屬合金屬于此(ci)(ci)類(lei)；反之，加(jia)壓(ya)(ya)將抑(yi)(yi)制(zhi)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)形(xing)核，如水凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)成冰。此(ci)(ci)外(wai)，壓(ya)(ya)力還(huan)能夠抑(yi)(yi)制(zhi)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)力梯(ti)度方(fang)(fang)向的(de)(de)生長(chang),從(cong)而導(dao)致枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)織和(he)微觀(guan)偏(pian)析呈現(xian)(xian)方(fang)(fang)向性(xing)。
為了(le)準確地論述壓(ya)(ya)力對(dui)凝固(gu)組織的(de)影響規律，本節將(jiang)以19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼和M42工具鋼加壓(ya)(ya)凝固(gu)組織為例，詳細分析壓(ya)(ya)力對(dui)枝(zhi)晶組織、析出相等的(de)影響。
1. 柱狀晶向等軸晶轉變（CET)
鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)(guan)組織(zhi)主(zhu)要由(you)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌(mao)、尺寸以及(ji)取向分布(bu)等(deng)(deng)(deng)構成(cheng)，在(zai)合金成(cheng)分一定的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，它(ta)主(zhu)要取決于(yu)(yu)鋼(gang)(gang)液(ye)在(zai)凝(ning)(ning)固過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)冷卻(que)條(tiao)件（包括(kuo)澆注溫度和鑄(zhu)(zhu)型的(de)(de)(de)(de)冷卻(que)效果等(deng)(deng)(deng)。鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)典(dian)型宏(hong)觀(guan)(guan)組織(zhi)可分為三個區(qu)(qu)(qu)(qu)：表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)、柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)以及(ji)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)。表(biao)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)是(shi)由(you)于(yu)(yu)鋼(gang)(gang)液(ye)在(zai)鑄(zhu)(zhu)型的(de)(de)(de)(de)激(ji)冷作(zuo)用下(xia)，具有(you)較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)過冷度，進(jin)(jin)而(er)(er)在(zai)鑄(zhu)(zhu)型壁面以異質形(xing)(xing)核的(de)(de)(de)(de)方(fang)式大(da)量形(xing)(xing)核并(bing)長(chang)大(da)，最(zui)后形(xing)(xing)成(cheng)細(xi)(xi)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)，即表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)。隨(sui)著凝(ning)(ning)固的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)行(xing)，表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)逐步形(xing)(xing)成(cheng)金屬外殼，使(shi)得傳(chuan)熱具備單向性，有(you)助于(yu)(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)沿傳(chuan)熱方(fang)向生長(chang)，呈現(xian)出方(fang)向性，從而(er)(er)形(xing)(xing)成(cheng)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)，也(ye)導致了表(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)窄小(xiao)(xiao)，厚度通常為幾(ji)毫(hao)米。在(zai)后續(xu)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固過程(cheng)中(zhong)，伴(ban)隨(sui)著凝(ning)(ning)固潛(qian)熱的(de)(de)(de)(de)釋放，凝(ning)(ning)固前沿溫度梯度減(jian)小(xiao)(xiao)，傳(chuan)熱的(de)(de)(de)(de)單向性減(jian)弱，成(cheng)分過冷度增大(da)，進(jin)(jin)而(er)(er)使(shi)得晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)生長(chang)的(de)(de)(de)(de)方(fang)向性減(jian)弱，抑制了柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)生長(chang)，同時也(ye)促(cu)進(jin)(jin)了鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)心(xin)部異質形(xing)(xing)核的(de)(de)(de)(de)發生，從而(er)(er)有(you)助于(yu)(yu)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變，最(zui)終形(xing)(xing)成(cheng)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)。
因(yin)此(ci)，鑄(zhu)錠有(you)兩類枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織，即等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通常采用(yong)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)和(he)(he)CET位(wei)置(zhi)(zhi)對其(qi)進行(xing)表(biao)征。圖2-108(a)給出了(le)(le)凝固壓力(li)(li)(li)(li)分別為0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa的(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠縱(zong)剖面(mian)上的(de)(de)(de)宏觀組(zu)織；CET位(wei)置(zhi)(zhi)到(dao)鑄(zhu)錠邊(bian)部(bu)(bu)距(ju)離的(de)(de)(de)統(tong)計平(ping)均值分別為19.8mm、22.1mm和(he)(he)27.4mm,增量可達(da)7.6mm,如圖2-108(b)所示。統(tong)計結(jie)果(guo)表(biao)明，隨著壓力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增大(da)(da)(da)，CET 位(wei)置(zhi)(zhi)逐漸由邊(bian)部(bu)(bu)向(xiang)(xiang)心部(bu)(bu)移動，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)增大(da)(da)(da)，中心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)減小。根據柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)的(de)(de)(de)阻擋判據可知［156],當柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)積分數大(da)(da)(da)于臨界值時(shi)(shi)，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端生長受(shou)(shou)到(dao)抑制而(er)停止，此(ci)時(shi)(shi)發生柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向(xiang)(xiang)中心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)。因(yin)此(ci)，CET轉(zhuan)(zhuan)變(bian)很(hen)大(da)(da)(da)程度上取決于中心等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)形(xing)核和(he)(he)長大(da)(da)(da)。由于壓力(li)(li)(li)(li)強化冷(leng)(leng)卻效果(guo)十分明顯(xian)，增加(jia)壓力(li)(li)(li)(li)加(jia)快了(le)(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻，增大(da)(da)(da)了(le)(le)鑄(zhu)錠的(de)(de)(de)溫度梯度，從而(er)降低了(le)(le)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前(qian)沿的(de)(de)(de)成(cheng)分過(guo)冷(leng)(leng)度，此(ci)時(shi)(shi)，等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)(zai)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端的(de)(de)(de)形(xing)核和(he)(he)長大(da)(da)(da)就會受(shou)(shou)到(dao)嚴重阻礙(ai)和(he)(he)抑制;反之，降低壓力(li)(li)(li)(li)，有(you)助于等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)(zai)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處的(de)(de)(de)形(xing)核和(he)(he)長大(da)(da)(da)，從而(er)提(ti)前(qian)并(bing)加(jia)快了(le)(le)CET.因(yin)此(ci)，當壓力(li)(li)(li)(li)從0.5MPa增加(jia)到(dao)1.2MPa時(shi)(shi)，壓力(li)(li)(li)(li)通過(guo)強化冷(leng)(leng)卻擴(kuo)大(da)(da)(da)了(le)(le)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促(cu)使(shi)CET轉(zhuan)(zhuan)變(bian)位(wei)置(zhi)(zhi)在(zai)(zai)徑向(xiang)(xiang)上逐漸由邊(bian)部(bu)(bu)向(xiang)(xiang)心部(bu)(bu)移動。此(ci)外，在(zai)(zai)0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa下(xia)，19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠縱(zong)剖面(mian)的(de)(de)(de)宏觀組(zu)織中均存在(zai)(zai)較窄的(de)(de)(de)表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。
為了進一步研究壓(ya)力(li)對CET的(de)影響(xiang)規律，在不考慮壓(ya)力(li)強化(hua)冷卻效(xiao)果的(de)前提下，對枝晶尖(jian)端生長速(su)率v.隨壓(ya)力(li)的(de)變化(hua)規律進行理論(lun)計算(suan)，可采用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，凝固壓力(li)的(de)增加會(hui)對枝晶尖端生長(chang)速率產(chan)生重要影(ying)響(xiang)，且壓力(li)的(de)增量(liang)越大，影(ying)響(xiang)越明顯。結(jie)合(he)實驗和KGT模型理論(lun)計算可知，低壓下，當凝固壓力(li)從0.5MPa 增加至1.2MPa時，壓力(li)主要通過(guo)強化冷卻的(de)方(fang)式(shi)，使得鑄(zhu)錠CET位置逐漸由邊部向心部移動。
2. 枝晶間距
相鄰同次枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)臂之間(jian)的(de)垂直距(ju)離稱(cheng)為(wei)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)的(de)大小(xiao)(xiao)表征(zheng)了(le)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組織細化程度(du)，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)越小(xiao)(xiao)，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組織越細密［162],通常考慮的(de)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)有一(yi)次枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)入1和二次枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)λ2.一(yi)次枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)與凝固速率v和溫(wen)度(du)梯度(du)Gr的(de)關系(xi)為(wei)
由式(shi)（2-191)可知，合金體(ti)(ti)系一定(ding)時(shi)(shi)，分(fen)(fen)析局(ju)部(bu)區域冷卻速(su)率(lv)v.和溫度梯度Gr隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)變化趨勢，有(you)助于(yu)闡明壓(ya)(ya)力(li)對一次枝晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)λ1的(de)(de)影響(xiang)規律。因局(ju)部(bu)區域冷卻速(su)率(lv)vc和溫度梯度Gr的(de)(de)測(ce)量難度較(jiao)大(da)，可用模(mo)擬(ni)計算的(de)(de)方式(shi)獲得(de)。在(zai)(zai)不(bu)(bu)同凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)組織(zhi)模(mo)擬(ni)過(guo)程(cheng)中(zhong)，不(bu)(bu)考慮疏松(song)縮孔對晶(jing)(jing)(jing)區分(fen)(fen)布的(de)(de)影響(xiang)，模(mo)擬(ni)結(jie)果如圖2-110所(suo)示(shi)。為(wei)了更準確地找到CET位置，使用平均縱(zong)橫(heng)(heng)比(bi)（晶(jing)(jing)(jing)粒最短(duan)邊與(yu)最長邊的(de)(de)比(bi)率(lv)）來區分(fen)(fen)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)和等軸晶(jing)(jing)(jing)：當(dang)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)縱(zong)橫(heng)(heng)比(bi)大(da)于(yu)0.4時(shi)(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(zong)橫(heng)(heng)比(bi)小于(yu)0.4時(shi)(shi)，則(ze)為(wei)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)。根據(ju)(ju)阻(zu)擋判據(ju)(ju)，等軸晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)積分(fen)(fen)數的(de)(de)臨界值設(she)定(ding)為(wei)0.49，以(yi)此作為(wei)依據(ju)(ju)，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼在(zai)(zai)0.5MPa、0.85MPa 和1.2MPa 壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，CET 位置在(zai)(zai)徑向上離鑄錠邊部(bu)的(de)(de)平均距(ju)離分(fen)(fen)別為(wei)18.1mm、19.8mm和25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)底部(bu)(bu)溫度梯度 Gr和冷(leng)卻速率v.隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)的變化(hua)(hua)規律，如圖(tu)2-111所示。在(zai)某一(yi)(yi)壓(ya)力(li)(li)條(tiao)件下(xia)(xia)，vc和Gr沿(yan)徑(jing)向(xiang)由鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)到心部(bu)(bu)均呈現逐(zhu)(zhu)漸減(jian)小(xiao)(xiao)的趨勢，結合(he)式(shi)（2-190)可(ke)知，一(yi)(yi)次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)(jian)距(ju)入(ru)1與(yu)v.和Gr成(cheng)反(fan)比，因而(er)1沿(yan)徑(jing)向(xiang)由邊(bian)(bian)部(bu)(bu)到心部(bu)(bu)逐(zhu)(zhu)漸增(zeng)(zeng)大。當壓(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)1.2MPa時，在(zai)壓(ya)力(li)(li)強化(hua)(hua)冷(leng)卻的作用下(xia)(xia)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)內各單(dan)(dan)元體的vc和Gr隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)大，且對鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)邊(bian)(bian)緣處(chu)的單(dan)(dan)元體影(ying)響最大，在(zai)沿(yan)徑(jing)向(xiang)向(xiang)心部(bu)(bu)移(yi)動的過程(cheng)中，壓(ya)力(li)(li)對vc和Gr的影(ying)響逐(zhu)(zhu)步減(jian)弱。結合(he)式(shi)（2-190)可(ke)知，一(yi)(yi)次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)(jian)距(ju)入(ru)1隨(sui)(sui)著(zhu)vc和Gr的增(zeng)(zeng)大呈冪函數減(jian)小(xiao)(xiao)。因此，隨(sui)(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)(li)增(zeng)(zeng)加(jia)，一(yi)(yi)次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)(jian)距(ju)入(ru)1減(jian)小(xiao)(xiao)，且越靠(kao)近(jin)鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)，入(ru)減(jian)小(xiao)(xiao)趨勢越明顯，即壓(ya)力(li)(li)對柱狀晶一(yi)(yi)次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)(jian)距(ju)的影(ying)響大于中心等軸晶區。
由邊部(bu)到心部(bu)逐漸增(zeng)大，結合式（2-192)可知，鑄錠心部(bu)的二次枝晶間距(ju)入(ru)2大于(yu)邊部(bu)；壓力從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時(shi)，LST明顯減小，二次枝晶間距(ju)入(ru)2也隨之減小。
圖(tu)2-112 不(bu)(bu)同(tong)壓(ya)力(li)下(xia)距(ju)(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)底部130mm處(chu)LST計算(suan)值由(you)于(yu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)臂彼此(ci)(ci)相交且沿(yan)徑(jing)向(xiang)(xiang)以幾乎(hu)相同(tong)的(de)(de)(de)速率向(xiang)(xiang)四(si)周生長，同(tong)時(shi)不(bu)(bu)同(tong)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)不(bu)(bu)存在(zai)任(ren)何確(que)定的(de)(de)(de)位向(xiang)(xiang)關系(xi)，難以通過(guo)實(shi)驗(yan)對等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)次(ci)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)進行測(ce)量(liang)，因(yin)此(ci)(ci)只對CET前柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)進行測(ce)量(liang)。圖(tu)2-113給出了距(ju)(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)底部115mm的(de)(de)(de)高度(du)處(chu)一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)入1和(he)(he)(he)二次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)x2的(de)(de)(de)變化規律，在(zai)某一(yi)壓(ya)力(li)下(xia)，沿(yan)徑(jing)向(xiang)(xiang)由(you)鑄錠(ding)邊部向(xiang)(xiang)心部移動的(de)(de)(de)過(guo)程中，1和(he)(he)(he)x2逐漸增(zeng)大；當壓(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時(shi)，1和(he)(he)(he)入2均呈減小(xiao)的(de)(de)(de)趨勢(shi)(shi)。基于(yu)埋設熱(re)電偶的(de)(de)(de)測(ce)溫結(jie)果和(he)(he)(he)式（2-195)可(ke)得(de)，2nd和(he)(he)(he)4h測(ce)溫位置(zhi)處(chu)局(ju)部凝(ning)固時(shi)間(jian)(jian)(jian)隨壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加而縮短，如圖(tu)2-113(a)所示，從而導致x2的(de)(de)(de)減小(xiao)。對比可(ke)知，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)（λ和(he)(he)(he)ん）和(he)(he)(he)局(ju)部凝(ning)固時(shi)間(jian)(jian)(jian)沿(yan)徑(jing)向(xiang)(xiang)和(he)(he)(he)隨壓(ya)力(li)變化趨勢(shi)(shi)的(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)與模(mo)擬結(jie)果一(yi)致。
綜上(shang)所述，增加壓(ya)力能夠明顯減(jian)小枝(zhi)晶間距（x1和(he)x2),縮短局部(bu)(bu)凝固(gu)時間，細(xi)化凝固(gu)組(zu)織。鑄錠邊(bian)部(bu)(bu)和(he)心(xin)部(bu)(bu)試樣的(de)(de)枝(zhi)晶形貌(mao)如圖(tu)2-114所示，進(jin)一步佐證了增加壓(ya)力具(ju)有明顯細(xi)化枝(zhi)晶組(zu)織的(de)(de)作(zuo)用，且對柱狀晶的(de)(de)影響大于中心(xin)等軸(zhou)晶。
3. 晶(jing)粒數
鑄錠內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數與晶(jing)(jing)粒(li)(li)臨(lin)界形(xing)(xing)核(he)半徑和形(xing)(xing)核(he)率有直接的(de)關系，晶(jing)(jing)粒(li)(li)臨(lin)界形(xing)(xing)核(he)半徑為：
其中(zhong)，Nm為與液相(xiang)線溫度(du)、凝(ning)固(gu)(gu)潛熱、擴(kuo)散(san)激活能以及(ji)表(biao)面張力(li)(li)(li)有關的系數(shu)。圖2-114給出了(le) 19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)等(deng)軸晶(jing)(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)(li)的變(bian)(bian)化規律。壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)(jia)到(dao)(dao)1.2MPa時，中(zhong)心等(deng)軸晶(jing)(jing)區的寬(kuan)度(du)逐漸(jian)減小，最(zui)小值(zhi)為56mm.19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)180mm(高）x56mm(寬(kuan)）等(deng)軸晶(jing)(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)(li)的變(bian)(bian)化規律如圖2-115所示。當(dang)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)(jia)到(dao)(dao)0.85MPa時，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)目從9166增(zeng)加(jia)(jia)到(dao)(dao)9551;當(dang)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)進一(yi)步增(zeng)加(jia)(jia)到(dao)(dao)1.2MPa時，晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)目增(zeng)加(jia)(jia)到(dao)(dao)10128.因(yin)此，提高凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)，鑄(zhu)錠(ding)等(deng)軸晶(jing)(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)(jing)粒(li)數(shu)明顯增(zeng)大。
在低壓(ya)(ya)(ya)下，如壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)至1.2MPa時，液相線溫(wen)度(du)、凝(ning)固(gu)潛(qian)熱、擴(kuo)散(san)激活能以及表面張力(li)(li)的變量(liang)非(fei)常(chang)小(xiao)，幾乎可以忽略，這(zhe)樣可以假設Nm在0.5MPa、晶粒(li)(li)數(shu)(shu)0.85MPa和(he)1.2MPa下相等，近似為常(chang)數(shu)(shu)。提(ti)(ti)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)能夠明顯地增(zeng)(zeng)大(da)鑄(zhu)錠(ding)的溫(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)（圖2-111),溫(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)越(yue)大(da)，單位時間內(nei)(nei)從糊狀區內(nei)(nei)導出(chu)結晶潛(qian)熱的量(liang)越(yue)大(da)，進而(er)提(ti)(ti)高(gao)了(le)糊狀區內(nei)(nei)過冷(leng)度(du)；反之亦然(ran)，這(zhe)意味著(zhu)糊狀區過冷(leng)度(du)與溫(wen)度(du)梯(ti)(ti)度(du)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的變化趨勢相同(tong)，即隨著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的提(ti)(ti)高(gao)而(er)增(zeng)(zeng)大(da)。結合(he)式（2-193)和(he)式（2-197)可知，隨著(zhu)糊狀區內(nei)(nei)過冷(leng)度(du)ΔT的增(zeng)(zeng)加(jia)，晶粒(li)(li)臨界形(xing)(xing)核(he)半(ban)徑rk減(jian)小(xiao)，形(xing)(xing)核(he)率Na增(zeng)(zeng)大(da)，有助于提(ti)(ti)高(gao)鑄(zhu)錠(ding)內(nei)(nei)晶粒(li)(li)數(shu)(shu)。因此(ci)，增(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)有利于增(zeng)(zeng)加(jia)晶粒(li)(li)數(shu)(shu)。
距(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)130mm的(de)(de)高(gao)度(du)(du)處，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)變化(hua)規律(lv)如圖2-116所示。在某一凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數目最(zui)大(da)，隨(sui)著離鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)距(ju)離的(de)(de)增加(jia)，由(you)(you)于(yu)(yu)糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)內過冷度(du)(du)的(de)(de)減小，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數也隨(sui)之(zhi)減少。隨(sui)著壓(ya)力(li)(li)提高(gao)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數均(jun)(jun)呈增大(da)趨(qu)(qu)勢(shi)(shi)，且(qie)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)內軸(zhou)向切(qie)片上晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數的(de)(de)增量明(ming)顯(xian)(xian)大(da)于(yu)(yu)中心等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。因為(wei)在壓(ya)力(li)(li)強化(hua)冷卻(que)的(de)(de)作用下，整個(ge)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)均(jun)(jun)有增大(da)趨(qu)(qu)勢(shi)(shi)，導(dao)致糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)內過冷度(du)(du)的(de)(de)增加(jia)。同時，由(you)(you)于(yu)(yu)距(ju)離鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)鑄(zhu)(zhu)型換熱界(jie)(jie)面越(yue)近(jin)，溫(wen)度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)受(shou)界(jie)(jie)面換熱的(de)(de)影響(xiang)越(yue)大(da)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)變化(hua)趨(qu)(qu)勢(shi)(shi)越(yue)明(ming)顯(xian)(xian)，進(jin)而(er)增加(jia)凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)的(de)(de)增量明(ming)顯(xian)(xian)大(da)于(yu)(yu)心部(bu)，從而(er)導(dao)致離鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)較(jiao)近(jin)的(de)(de)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒數的(de)(de)增量明(ming)顯(xian)(xian)大(da)于(yu)(yu)中心等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。
二(er)、疏松縮孔
鑄(zhu)錠(ding)(ding)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)疏(shu)松縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)基(ji)本原因是鑄(zhu)錠(ding)(ding)從澆(jiao)注(zhu)溫(wen)度(du)冷卻(que)至固(gu)相線溫(wen)度(du)時(shi)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)（液(ye)(ye)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)和凝(ning)(ning)固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)之和）大于(yu)固(gu)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)。當鋼(gang)液(ye)(ye)從澆(jiao)注(zhu)溫(wen)度(du)冷卻(que)至液(ye)(ye)相線溫(wen)度(du)時(shi)所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)為(wei)液(ye)(ye)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)，鋼(gang)液(ye)(ye)進一步從液(ye)(ye)相線溫(wen)度(du)冷卻(que)至固(gu)相線溫(wen)度(du)時(shi)（即發生(sheng)(sheng)凝(ning)(ning)固(gu)相變時(shi)）所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)為(wei)凝(ning)(ning)固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)［87],固(gu)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)是指固(gu)相在冷卻(que)過程(cheng)中所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)。疏(shu)松縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)出現嚴重(zhong)降低了鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)力學(xue)和耐腐蝕性(xing)能(neng)以及成材(cai)率，是鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)嚴重(zhong)缺陷之一。
在(zai)(zai)凝固(gu)過程中鑄錠內出(chu)現體(ti)積小而彌散的(de)(de)空洞為(wei)(wei)疏松，體(ti)積大且集中的(de)(de)為(wei)(wei)縮孔。疏松由(you)在(zai)(zai)糊狀區(qu)內液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)積分(fen)數降到(dao)(dao)一定程度時，液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)困(kun)難(nan)，液(ye)態(tai)收(shou)(shou)縮與(yu)(yu)凝固(gu)收(shou)(shou)縮之和超過固(gu)態(tai)收(shou)(shou)縮的(de)(de)那部分(fen)收(shou)(shou)縮量無法得到(dao)(dao)補縮所導(dao)致，因而疏松的(de)(de)形成與(yu)(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)流(liu)動(dong)有密切關聯［72,87].在(zai)(zai)糊狀區(qu)內，體(ti)收(shou)(shou)縮主要由(you)凝固(gu)收(shou)(shou)縮組(zu)成，且為(wei)(wei)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液(ye)體(ti)流(liu)動(dong)的(de)(de)主要驅動(dong)力(li)，因而枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)流(liu)速(su)u可表示為(wei)(wei)
式中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為(wei)鋼液靜(jing)壓力(li)，Pf=pgh;Ps為(wei)凝固(gu)壓力(li)）。結合式（2-202)可知，增加凝固(gu)壓力(li)，Px增大(da)，強化了枝(zhi)晶(jing)間液相(xiang)的補(bu)(bu)縮能力(li)，進而有助于(yu)避免疏松(song)的形成［91].此外，糊狀區(qu)(qu)越(yue)(yue)寬(kuan)，枝(zhi)晶(jing)網狀結構越(yue)(yue)復雜，枝(zhi)晶(jing)間補(bu)(bu)縮的距離(li)越(yue)(yue)長阻力(li)越(yue)(yue)大(da)，滲透率K越(yue)(yue)小，疏松(song)越(yue)(yue)容易(yi)形成。因此，疏松(song)易(yi)于(yu)在(zai)糊狀區(qu)(qu)較寬(kuan)的鑄(zhu)錠以體積凝固(gu)或同時凝固(gu)方(fang)式凝固(gu)時形成。相(xiang)比之下，縮孔傾向于(yu)在(zai)糊狀區(qu)(qu)較窄(zhai)的鑄(zhu)錠以逐層凝固(gu)方(fang)式的凝固(gu)過(guo)程中出現。
不同凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)下（0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄錠(ding)縱剖面(mian)上(shang)疏(shu)松(song)縮(suo)孔(kong)的(de)(de)分布(bu)情況(kuang)如(ru)圖2-117所(suo)示(shi)。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)，疏(shu)松(song)和縮(suo)孔(kong)的(de)(de)總面(mian)積大(da)(da)幅度(du)減(jian)小(xiao)(xiao)，且疏(shu)松(song)逐(zhu)漸(jian)消失。由于(yu)壓(ya)力(li)(li)具有(you)顯著(zhu)的(de)(de)強化(hua)冷(leng)卻效(xiao)果，增(zeng)大(da)(da)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)，強化(hua)了(le)鑄錠(ding)和鑄型間的(de)(de)界面(mian)換熱，加(jia)快了(le)鑄錠(ding)的(de)(de)冷(leng)卻速率(lv)，從而(er)(er)增(zeng)大(da)(da)了(le)鑄錠(ding)溫度(du)梯(ti)度(du)Gr;在合金體(ti)系(xi)一定的(de)(de)情況(kuang)下，糊狀區隨之確定，那么糊狀區的(de)(de)寬度(du)隨溫度(du)梯(ti)度(du)Gr的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)(er)減(jian)小(xiao)(xiao)171],進而(er)(er)導致枝(zhi)(zhi)晶網狀結構的(de)(de)形成受(shou)到抑制。凝(ning)固(gu)(gu)(gu)方式逐(zhu)漸(jian)由體(ti)積凝(ning)固(gu)(gu)(gu)向(xiang)逐(zhu)層凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)渡(du)，增(zeng)大(da)(da)了(le)滲透(tou)率(lv)K,從而(er)(er)降低和縮(suo)短枝(zhi)(zhi)晶間補(bu)縮(suo)時(shi)液相(xiang)流動的(de)(de)阻力(li)(li)和距離。此外(wai)，基于(yu)以(yi)上(shang)理論分析并結合判據(ju)式（2-202)可知，增(zeng)加(jia)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)等效(xiao)于(yu)增(zeng)大(da)(da)了(le)Px,使其遠(yuan)大(da)(da)于(yu)枝(zhi)(zhi)晶間液相(xiang)補(bu)縮(suo)時(shi)所(suo)需壓(ya)力(li)(li)。因(yin)此，加(jia)壓(ya)有(you)利于(yu)枝(zhi)(zhi)晶間液相(xiang)的(de)(de)補(bu)縮(suo)行為，且有(you)助于(yu)大(da)(da)幅度(du)減(jian)小(xiao)(xiao)或消除疏(shu)松(song)缺陷。
三、凝固析出相(xiang)
根據相所含非金屬元素的(de)種類，可將凝固析出(chu)相分為氮(dan)(dan)化(hua)物(wu)(wu)、碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)等，與碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)相比，氮(dan)(dan)化(hua)物(wu)(wu)尺寸一般較小，為了更加(jia)清(qing)楚(chu)直(zhi)觀地論(lun)述增加(jia)壓力(li)對凝固析出(chu)相的(de)影(ying)(ying)響，本節將著重以高(gao)速鋼M42中碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)為例，闡述壓力(li)對凝固析出(chu)相的(de)類型(xing)、形貌、成(cheng)分等影(ying)(ying)響規律。
高速(su)鋼(gang)(gang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)數量(liang)繁多、種類各(ge)異。不(bu)同(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特性(xing)不(bu)同(tong)、成分(fen)(fen)(fen)(fen)不(bu)同(tong)、形貌(mao)也(ye)各(ge)有差(cha)異；按(an)照(zhao)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形貌(mao)特征及生(sheng)(sheng)成機制的(de)(de)不(bu)同(tong)，可將高速(su)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)(fen)為一次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)和(he)二次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)兩(liang)大部分(fen)(fen)(fen)(fen)。一次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)又稱為“初生(sheng)(sheng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)”，即(ji)在(zai)凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)直接從液相中(zhong)(zhong)析(xi)出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)種先(xian)共晶和(he)共晶碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等不(bu)同(tong)類型(xing)。一次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺寸比(bi)較大，屬于(yu)微米級別，在(zai)后續熱(re)加工和(he)熱(re)處理工藝(yi)中(zhong)(zhong)將被破碎或(huo)分(fen)(fen)(fen)(fen)解成尺寸較小的(de)(de)顆粒狀存(cun)在(zai)于(yu)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)。二次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)是指在(zai)凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)或(huo)熱(re)處理時從固(gu)相基體(ti)（高溫鐵素體(ti)、奧氏體(ti)、馬氏體(ti)等）中(zhong)(zhong)析(xi)出的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，分(fen)(fen)(fen)(fen)為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)同(tong)類型(xing)。高速(su)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)成分(fen)(fen)(fen)(fen)波動范(fan)圍較大，不(bu)同(tong)鋼(gang)(gang)種、不(bu)同(tong)條件產生(sheng)(sheng)的(de)(de)同(tong)一類型(xing)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)也(ye)會(hui)有不(bu)同(tong)的(de)(de)成分(fen)(fen)(fen)(fen)，甚至(zhi)同(tong)一粒碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)不(bu)同(tong)部位，也(ye)會(hui)有成分(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)差(cha)異。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形貌(mao)、成分(fen)(fen)(fen)(fen)及分(fen)(fen)(fen)(fen)布見表2-14.
M2C具有(you)密排六方晶體結構［172-175,179],其(qi)主要形成(cheng)元(yuan)素通(tong)常(chang)是鉬、釩(fan)和鎢，鉻及鐵的含量(liang)則(ze)較少(shao)。M2C 共(gong)晶碳化(hua)物一般以亞穩態存在于(yu)鋼(gang)中。尺(chi)寸(cun)較小、片層較薄且沒有(you)中間脊骨，在高溫時(shi)易(yi)發生(sheng)分解反應(ying)：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解成(cheng)尺(chi)寸(cun)較小的顆粒狀M6C和MC。此外，與M6C相反，鋼(gang)液凝固時(shi)的冷(leng)卻(que)速率越快(kuai)，越有(you)利(li)于(yu)M2C的形成(cheng)。因(yin)此，提(ti)高鑄錠凝固時(shi)的冷(leng)卻(que)速率有(you)利(li)于(yu)促進M2C的形成(cheng)并(bing)細(xi)化(hua)M2C,同時(shi)可抑制較大尺(chi)寸(cun)M6Cl。
M6C具有(you)復雜立(li)方晶(jing)體結(jie)(jie)構(gou)(gou)，其(qi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)中除(chu)碳(tan)(tan)原子(zi)(zi)以外，鐵(tie)、鎢原子(zi)(zi)約各占一半(ban)。M6C屬于(yu)穩定型碳(tan)(tan)化物，其(qi)形態為粗(cu)大的骨骼(ge)狀。鋼液凝固(gu)時(shi)冷(leng)卻(que)速率越(yue)慢，M6C碳(tan)(tan)化物越(yue)易于(yu)形成和長大。因(yin)此，M6C在(zai)高速鋼的心部往往含量(liang)較(jiao)(jiao)高，而邊部較(jiao)(jiao)少或沒有(you)。加快鑄(zhu)(zhu)錠凝固(gu)時(shi)的冷(leng)卻(que)速率有(you)利于(yu)細化M6C,提高鑄(zhu)(zhu)錠性能。
MC具有(you)(you)(you)面心立(li)(li)方(fang)結構(gou)(gou)(gou)，化(hua)(hua)學式為MC或者M4C3,其成分以釩(fan)為主(zhu)。鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)、釩(fan)含(han)量(liang)的(de)增(zeng)(zeng)大可(ke)使MC增(zeng)(zeng)多(duo)(duo)，尺寸(cun)變大。高速鋼中(zhong)還(huan)有(you)(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)(deng)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)。M23C6晶(jing)(jing)體結構(gou)(gou)(gou)為復雜面心立(li)(li)方(fang)結構(gou)(gou)(gou)，具有(you)(you)(you)一定(ding)(ding)(ding)量(liang)的(de)鎢、鉬，釩(fan)含(han)量(liang)極少，含(han)有(you)(you)(you)大量(liang)的(de)鉻(ge)、鐵元素(su)；與(yu)(yu)M2C相同，M3C也是(shi)亞穩(wen)(wen)(wen)態相。M7C3為復雜六(liu)方(fang)晶(jing)(jing)體結構(gou)(gou)(gou)，含(han)有(you)(you)(you)較多(duo)(duo)的(de)鉻(ge)、鐵，主(zhu)要(yao)存(cun)在于碳(tan)(tan)(tan)含(han)量(liang)較高的(de)鋼中(zhong)。高速鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)具有(you)(you)(you)兩個(ge)重要(yao)的(de)特性(xing)(xing)(xing)：硬(ying)度(du)和(he)熱(re)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)（加(jia)熱(re)時溶(rong)解(jie)、聚集長大的(de)難度(du)）。這些特性(xing)(xing)(xing)反映了碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)和(he)金屬(shu)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)結合鍵的(de)強弱，與(yu)(yu)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)結構(gou)(gou)(gou)和(he)尺寸(cun)有(you)(you)(you)關。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)晶(jing)(jing)格結構(gou)(gou)(gou)與(yu)(yu)碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑rc、金屬(shu)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑rx有(you)(you)(you)關，如表(biao)(biao)2-15所示，rd/rx值越(yue)(yue)大，則越(yue)(yue)易形(xing)成結構(gou)(gou)(gou)復雜的(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)(deng)），越(yue)(yue)小則易形(xing)成結構(gou)(gou)(gou)簡(jian)單密堆型碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)（MC等(deng)(deng)）。表(biao)(biao)中(zhong)熔點(dian)可(ke)作為碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)熱(re)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)的(de)衡量(liang)指(zhi)標，可(ke)見碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)中(zhong)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)尺寸(cun)越(yue)(yue)接近，則碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)越(yue)(yue)高。
1. 壓力對萊氏體(ti)的影響(xiang)
凝固末期，由(you)于偏(pian)析導致合金(jin)元素在枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)殘(can)余液相內富(fu)集發生(sheng)共晶(jing)(jing)(jing)反應，從(cong)液相中直(zhi)接生(sheng)成碳化物，它與奧(ao)氏體(ti)(ti)相間(jian)(jian)排(pai)列(lie)，構成萊氏體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織。因(yin)此高速(su)鋼的萊氏體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織往往存在于枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)。圖2-118為M2高速(su)鋼的低倍鑄態組(zu)(zu)(zu)織，可(ke)見一般(ban)情況下，相鄰晶(jing)(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)(jian)的萊氏體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織較為細小，數量較少，而多(duo)(duo)個(ge)晶(jing)(jing)(jing)粒之(zhi)間(jian)(jian)的萊氏體(ti)(ti)組(zu)(zu)(zu)織尺寸較大(da)，數量較多(duo)(duo)。
高速鋼的(de)萊氏體組織(zhi)中含有(you)多種(zhong)類型(xing)的(de)碳化(hua)物，如M2C、M6C、MC等(deng)。M6C整體形貌類似(si)魚骨(gu)，故又稱為“魚骨(gu)狀(zhuang)碳化(hua)物”，如圖(tu)2-119所(suo)示(shi)(shi)；M2C成(cheng)片層(ceng)狀(zhuang)，含有(you)M2C的(de)共晶萊氏體具有(you)“羽毛狀(zhuang)”、“扇狀(zhuang)”、“菊花狀(zhuang)”等(deng)形貌，如圖(tu)2-120所(suo)示(shi)(shi)；MC的(de)生長(chang)時間較長(chang)，最終尺寸(cun)較為粗大，往往以不(bu)規則的(de)條狀(zhuang)出現，如圖(tu)2-120所(suo)示(shi)(shi)。
a. 碳化(hua)物(wu)種類及分布(bu)
高(gao)速(su)(su)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)種(zhong)類與成(cheng)分和凝固過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)密不可分。M42 高(gao)速(su)(su)工具(ju)鋼(gang)(gang)作(zuo)為高(gao)鉬(mu)低鎢鋼(gang)(gang)，其(qi)凝固組織(zhi)(zhi)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)主(zhu)要(yao)為M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)；另外含有(you)少部分M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，主(zhu)要(yao)存在于鑄錠(ding)(ding)的(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0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)1/4圓(yuan)鑄錠(ding)(ding)板(ban)金相組織(zhi)(zhi)。白(bai)色斑點(dian)狀(zhuang)處(chu)的(de)(de)萊氏(shi)(shi)體組織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)為具(ju)有(you)中(zhong)(zhong)心脊骨(gu)(gu)，脊骨(gu)(gu)兩邊具(ju)有(you)平行分枝的(de)(de)魚(yu)骨(gu)(gu)狀(zhuang)M6C.M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺寸(cun)比(bi)M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)粗(cu)大(da)得(de)多且結構上相互連(lian)接緊密，極(ji)不利(li)(li)于鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)后續碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)破碎，因(yin)此盡可能(neng)(neng)減(jian)少或避免(mian)凝固組織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)產生，有(you)助于提升其(qi)力(li)學(xue)(xue)性能(neng)(neng)等。隨(sui)著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)，萊氏(shi)(shi)體（白(bai)色斑點(dian)）所占1/4圓(yuan)鑄錠(ding)(ding)板(ban)的(de)(de)面積比(bi)例(li)逐漸減(jian)小，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)有(you)助于抑(yi)制(zhi)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形成(cheng)與長大(da)，其(qi)主(zhu)要(yao)原因(yin)在于在較低壓(ya)(ya)力(li)下(xia)，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)對(dui)凝固熱力(li)學(xue)(xue)和動力(li)學(xue)(xue)參數的(de)(de)影響十(shi)分有(you)限，但強化(hua)(hua)冷(leng)卻(que)(que)效果十(shi)分明同時(shi)凝固過程中(zhong)(zhong)冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)越小，越有(you)利(li)(li)于魚(yu)骨(gu)(gu)狀(zhuang)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形成(cheng)，且M6C越粗(cu)大(da)。因(yin)而(er)增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)主(zhu)要(yao)通過增(zeng)大(da)鑄錠(ding)(ding)和鑄型間界面換熱系數，提高(gao)鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)從而(er)細化(hua)(hua)并(bing)抑(yi)制(zhi)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形成(cheng)，且當壓(ya)(ya)力(li)增(zeng)加(jia)(jia)到一定程度(du)時(shi)，能(neng)(neng)夠完全抑(yi)制(zhi)富含M6C的(de)(de)萊氏(shi)(shi)體形成(cheng)，消除其(qi)對(dui)組織(zhi)(zhi)和性能(neng)(neng)的(de)(de)不良影響。
圖(tu)2-121(b)所示萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)中碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)為(wei)長(chang)條狀(zhuang)或(huo)者短(duan)棒(bang)狀(zhuang)的(de)M2C.凝固壓(ya)力(li)不(bu)同，M2C的(de)尺寸、形貌以(yi)及分(fen)布的(de)緊密(mi)程(cheng)度等均(jun)有所不(bu)同。在(zai)0.1MPa壓(ya)力(li)下(xia)，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)分(fen)枝(zhi)較(jiao)(jiao)少、片(pian)層(ceng)較(jiao)(jiao)長(chang)、尺寸較(jiao)(jiao)大、間(jian)距(ju)較(jiao)(jiao)寬、共晶(jing)(jing)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)與枝(zhi)晶(jing)(jing)臂(bei)的(de)界面(mian)較(jiao)(jiao)平(ping)整；隨著壓(ya)力(li)的(de)增加(jia)，條狀(zhuang)或(huo)片(pian)層(ceng)狀(zhuang)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)間(jian)距(ju)逐漸減小(xiao)，且(qie)開始(shi)斷開成大量的(de)短(duan)棒(bang)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)，碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)分(fen)枝(zhi)也(ye)逐漸增多，并密(mi)集分(fen)布在(zai)枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)，共晶(jing)(jing)萊(lai)氏(shi)體(ti)(ti)與枝(zhi)晶(jing)(jing)臂(bei)的(de)界面(mian)也(ye)較(jiao)(jiao)為(wei)粗糙。此外，三(san)個壓(ya)力(li)下(xia)的(de)M2C幾乎沒(mei)有晶(jing)(jing)體(ti)(ti)缺陷，明壓(ya)力(li)很難對碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)晶(jing)(jing)格類型產生影響。
b. 萊氏體尺寸
萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)織存在(zai)于枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)，與枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)、形貌(mao)及(ji)分(fen)布(bu)密切(qie)相(xiang)關(guan)，枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)越小，枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體尺寸(cun)也相(xiang)應地細(xi)小且均勻(yun)分(fen)布(bu)。圖2-124和圖2-125給(gei)出了不(bu)同(tong)壓(ya)(ya)力條件下(xia)M42鑄錠邊部(bu)和心(xin)部(bu)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體形貌(mao)和尺寸(cun)分(fen)布(bu)，無論是鑄錠的邊部(bu)還是心(xin)部(bu)，尺寸(cun)不(bu)一的萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)織（黑色）均分(fen)布(bu)在(zai)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)。在(zai)同(tong)一凝(ning)固壓(ya)(ya)力條件下(xia)，鑄錠邊部(bu)的枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)明顯小于心(xin)部(bu)，因而心(xin)部(bu)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體要比邊部(bu)粗大。
隨(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，在壓(ya)力(li)強(qiang)化(hua)(hua)冷卻的(de)(de)作用下，冷卻速率增(zeng)大(da)(da)(da)，鑄(zhu)錠局部凝固(gu)時間縮(suo)短，使(shi)得(de)枝晶組(zu)織(zhi)得(de)到了明顯細(xi)(xi)(xi)化(hua)(hua)且(qie)(qie)(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)(fen)(fen)布更均(jun)勻(yun)(yun)，進(jin)而(er)導致分(fen)(fen)(fen)布在枝晶間的(de)(de)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)織(zhi)也隨(sui)之細(xi)(xi)(xi)化(hua)(hua)，厚度大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)減小且(qie)(qie)(qie)(qie)分(fen)(fen)(fen)布更加(jia)(jia)均(jun)勻(yun)(yun)。在0.1MPa 壓(ya)力(li)下，無(wu)論在邊部還是心部位置(zhi)，鑄(zhu)錠的(de)(de)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)織(zhi)均(jun)較為粗(cu)大(da)(da)(da)，且(qie)(qie)(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)(fen)(fen)布極不均(jun)勻(yun)(yun)，部分(fen)(fen)(fen)局部區(qu)域存在著(zhu)大(da)(da)(da)量的(de)(de)黑色(se)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體，尤其在多個枝晶臂交匯處，且(qie)(qie)(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)異常粗(cu)大(da)(da)(da)。當壓(ya)力(li)增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)1MPa時，粗(cu)大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體得(de)到明顯細(xi)(xi)(xi)化(hua)(hua)，且(qie)(qie)(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)(fen)(fen)布更加(jia)(jia)均(jun)勻(yun)(yun)；當壓(ya)力(li)進(jin)一(yi)(yi)步增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)2MPa時，萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)織(zhi)得(de)到進(jin)一(yi)(yi)步地(di)改善，組(zu)織(zhi)更加(jia)(jia)細(xi)(xi)(xi)密(mi)，尺(chi)(chi)寸(cun)更加(jia)(jia)均(jun)勻(yun)(yun)，粗(cu)大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)織(zhi)基(ji)本消失(shi)。萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體平均(jun)尺(chi)(chi)寸(cun)隨(sui)壓(ya)力(li)的(de)(de)變化(hua)(hua)規律如圖2-126所示，壓(ya)力(li)從0.1MPa增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)2MPa時，萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體厚度由(you)28.37μm降低至(zhi)22.92μm.因此(ci)，增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)能夠明顯細(xi)(xi)(xi)化(hua)(hua)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)體組(zu)織(zhi)，改善其分(fen)(fen)(fen)布狀態(tai)。
2. 壓力對碳化(hua)物的(de)影(ying)響
a. 碳(tan)化物尺寸(cun)
以高速(su)鋼中(zhong)(zhong)M2C共(gong)晶(jing)碳化物(wu)為(wei)例(li)，M2C共(gong)晶(jing)碳化物(wu)是通過(guo)凝固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)共(gong)晶(jing)反應L→y+M2C產生(sheng)的(de)(de)。和(he)(he)純金屬及(ji)固(gu)溶體合金的(de)(de)結晶(jing)過(guo)程(cheng)(cheng)一樣(yang)，共(gong)晶(jing)轉(zhuan)變(bian)同(tong)(tong)樣(yang)需要經過(guo)形核(he)與長大的(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng)。結合式（2-178)和(he)(he)式（2-179),東北大學(xue)特(te)殊鋼冶金研究所在(zai)(zai)控制(zhi)溫度(du)(du)不變(bian)的(de)(de)基礎上，計算了不同(tong)(tong)壓(ya)力下各元素(su)(su)在(zai)(zai)兩相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)，探討(tao)凝固(gu)壓(ya)力與擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)活(huo)能的(de)(de)關系(xi)。凝固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)溫度(du)(du)T=1478K時(shi)，合金元素(su)(su)（鉬、鎢(wu)、釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)）在(zai)(zai)M2C相(xiang)和(he)(he)奧氏(shi)體相(xiang)γ中(zhong)(zhong)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)D隨(sui)壓(ya)力的(de)(de)變(bian)化規律如圖(tu)2-127和(he)(he)圖(tu)2-128所示；從整體上看，隨(sui)著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)逐漸增大，同(tong)(tong)溫度(du)(du)M2C相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)合金元素(su)(su)鉬和(he)(he)鎢(wu)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)D呈減小趨勢，而(er)合金元素(su)(su)釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)則呈增大的(de)(de)趨勢，表(biao)明(ming)提(ti)高壓(ya)力可(ke)增大M2C中(zhong)(zhong)鉬、鎢(wu)元素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)活(huo)能ΔGm,進而(er)降(jiang)(jiang)低其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能力；同(tong)(tong)時(shi)降(jiang)(jiang)低釩(fan)、鉻(ge)元素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激(ji)活(huo)能ΔGm,從而(er)提(ti)高其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能力。然而(er)，當壓(ya)力在(zai)(zai)0.1~2MPa范圍內變(bian)化時(shi)，各元素(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)的(de)(de)變(bian)化微乎(hu)其(qi)微，即保(bao)持恒定(ding)值。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)壓(ya)力逐漸增大到50MPa,元素(su)(su)鉬的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)才開始(shi)產生(sheng)較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)變(bian)化，鎢(wu)、釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)元素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)甚至在(zai)(zai)100MPa壓(ya)力下仍未(wei)產生(sheng)變(bian)化。因此低壓(ya)下，元素(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)隨(sui)壓(ya)力的(de)(de)變(bian)化可(ke)忽略不計。
的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)降低(di)，鉻元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)則(ze)隨著凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)增(zeng)(zeng)加，如圖2-128所示(shi)。即增(zeng)(zeng)大(da)凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)具(ju)有(you)提(ti)高奧氏(shi)體γ相中(zhong)(zhong)合(he)金元素(su)(su)鉬、鎢和(he)釩(fan)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散激活(huo)能(neng)ΔGm,降低(di)其擴(kuo)(kuo)散能(neng)力(li)(li)以(yi)及減小(xiao)元素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散激活(huo)能(neng)ΔGm和(he)增(zeng)(zeng)大(da)其擴(kuo)(kuo)散能(neng)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)作用。與M2C差別在于，在奧氏(shi)體相γ中(zhong)(zhong)，較小(xiao)的(de)(de)(de)(de)凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)便可(ke)發揮比較明(ming)(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)作用，例如：當凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)大(da)于2MPa時，元素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加而(er)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)增(zeng)(zeng)大(da)；鉬和(he)釩(fan)元素(su)(su)則(ze)在10MPa時開始隨壓(ya)(ya)力(li)(li)增(zeng)(zeng)加而(er)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)減小(xiao)。可(ke)見，在相同(tong)溫度下(xia)，相比于M2C相，合(he)金元素(su)(su)釩(fan)、鎢、鉬和(he)鉻在奧氏(shi)體γ相中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散情況受凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影響更為明(ming)(ming)顯(xian)(xian)。但在0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)范圍內，合(he)金元素(su)(su)在奧氏(shi)體相γ中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)幾(ji)乎(hu)保持不變(bian)（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同(tong)時，各(ge)元素(su)(su)擴(kuo)(kuo)散激活(huo)能(neng)ΔGm也未發生(sheng)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)變(bian)化。
綜上所述(shu)，在低壓(ya)下，影響M2C形(xing)核(he)率的(de)主要因素(su)是隨凝(ning)固壓(ya)力增大而顯著減小的(de)形(xing)核(he)功。增加凝(ning)固壓(ya)力可顯著改(gai)善換(huan)熱條件強化鑄錠冷卻、提高鑄錠過冷度ΔT,進而降低共晶反應過程中奧氏體(ti)相γ和M2C相的(de)形(xing)核(he)功ΔG*,最(zui)終(zhong)增大M2C的(de)形(xing)核(he)率、減小M2C相鄰(lin)碳化物的(de)間距。
此外，增加壓力使M2C形核率大大增加，同時(shi)強(qiang)化了鑄錠(ding)冷卻，顯著降低了局(ju)部凝(ning)固(gu)時(shi)間LST,導致加壓下鑄錠(ding)同位置的(de)凝(ning)固(gu)相對較快，M2C共晶碳(tan)化物(wu)生長時(shi)間變短，導致M42凝(ning)固(gu)組織中M2C碳(tan)化物(wu)的(de)尺寸(cun)減(jian)小。這對于后續的(de)熱處理碳(tan)化物(wu)的(de)溶解具有積極的(de)意(yi)義。
圖(tu)2-129為(wei)不同(tong)凝(ning)固(gu)壓力下M2C共晶(jing)碳(tan)化(hua)物在(zai)熱處(chu)(chu)(chu)(chu)理過程(cheng)中(zhong)的(de)元素(su)擴散(san)示意圖(tu)。隨著(zhu)(zhu)凝(ning)固(gu)壓力的(de)增大(da)，碳(tan)化(hua)物由長(chang)條(tiao)狀轉變(bian)為(wei)短棒狀，在(zai)縱向(xiang)(xiang)和橫向(xiang)(xiang)上的(de)尺寸(cun)均顯著(zhu)(zhu)減(jian)小。因此，在(zai)熱處(chu)(chu)(chu)(chu)理過程(cheng)中(zhong)，碳(tan)化(hua)物中(zhong)的(de)元素(su)由內向(xiang)(xiang)外擴散(san)的(de)平均距離也(ye)相應(ying)隨著(zhu)(zhu)凝(ning)固(gu)壓力的(de)增大(da)而顯著(zhu)(zhu)減(jian)小，熱處(chu)(chu)(chu)(chu)理效(xiao)果更加明顯，熱處(chu)(chu)(chu)(chu)理后M42組織的(de)成分更加均勻，進而有利于提高(gao)M42高(gao)速鋼(gang)的(de)質量。
b. 碳化物成分(fen)
M2C的(de)(de)形(xing)(xing)成元(yuan)素主要包括鉬、鎢、釩和鉻，其中(zhong)鉬元(yuan)素是強M2C碳化物(wu)形(xing)(xing)成元(yuan)素，也(ye)是M2C中(zhong)含量(liang)最(zui)高的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素。圖2-130給出了不(bu)同(tong)壓力(li)(li)下M2C中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素鉬、鎢、釩和鉻含量(liang)，隨著壓力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)大，M2C上(shang)的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素鉬、鎢、釩和鉻含量(liang)均(jun)逐漸減小，而(er)鐵元(yuan)素則(ze)逐漸增(zeng)大；同(tong)時，M2C碳化物(wu)之(zhi)間基體中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素含量(liang)則(ze)呈現相反的(de)(de)規律：鉬、鎢、釩和鉻元(yuan)素含量(liang)逐漸增(zeng)大，而(er)鐵元(yuan)素減少。這表明，增(zeng)大的(de)(de)壓力(li)(li)使得(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素在(zai)M2C共晶(jing)碳化物(wu)中(zhong)的(de)(de)分(fen)布趨于均(jun)勻，為后續的(de)(de)處(chu)理、熱(re)加(jia)工(gong)工(gong)藝中(zhong)碳化物(wu)的(de)(de)破碎、溶解提供良好(hao)的(de)(de)基礎。
在高速鋼中(zhong)，M2C共晶(jing)碳化物是通(tong)過(guo)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)共晶(jing)反應L→M2C+y產生的(de)，在這個過(guo)程中(zhong)存在M2C碳化物相和(he)奧氏體γ相之(zhi)間的(de)溶(rong)質再分(fen)配［172].在一定溫度下，平衡分(fen)配系數可表示為固(gu)相和(he)液(ye)相中(zhong)的(de)元素濃(nong)度之(zhi)比：
式中，Cs和(he)(he)CL分(fen)別(bie)表示在凝固過程中，元素(su)在固相(xiang)和(he)(he)液相(xiang)中的(de)平(ping)衡濃度。共晶(jing)反應L→M2C+y是在凝固末(mo)期發生的(de)，圖2-131給出了不(bu)同(tong)壓(ya)力(li)下的(de)M42高速鋼凝固時共晶(jing)反應過程中M2C碳化(hua)物相(xiang)和(he)(he)奧氏體γ相(xiang)中各元素(su)的(de)單相(xiang)平(ping)衡分(fen)配系數(shu)。
式中(zhong)，Cs和(he)(he)C1分別表示在(zai)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)，元素在(zai)固(gu)相(xiang)(xiang)和(he)(he)液相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)平衡(heng)濃度(du)。共(gong)晶(jing)反(fan)應(ying)L→M2C+y是在(zai)凝(ning)固(gu)末期(qi)發生的(de)［172,180,181],圖2-131給(gei)出(chu)了不同壓力下的(de)M42高(gao)速鋼凝(ning)固(gu)時共(gong)晶(jing)反(fan)應(ying)過程中(zhong)M2C碳(tan)化物相(xiang)(xiang)和(he)(he)奧氏體y相(xiang)(xiang)中(zhong)各(ge)元素的(de)單相(xiang)(xiang)平衡(heng)分配系數(shu)。
隨壓力的(de)(de)增加，共晶反應(ying)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)鉬(mu)元素(su)(su)在(zai)(zai)(zai)M2C和(he)奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)分(fen)(fen)配系數具有升高的(de)(de)趨(qu)勢并逐漸靠(kao)近(jin)1.基(ji)于熱(re)力學分(fen)(fen)析，在(zai)(zai)(zai)M42鑄錠凝固(gu)時的(de)(de)共晶反應(ying)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，增大壓力可使鉬(mu)元素(su)(su)在(zai)(zai)(zai)M2C碳化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)和(he)奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)含量(liang)增大。凝固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)M2C碳化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)和(he)奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)鉬(mu)元素(su)(su)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數增量(liang)變化(hua)規(gui)律如圖2-132所(suo)示，在(zai)(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa時，M2C碳化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)中(zhong)的(de)(de)鉬(mu)元素(su)(su)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數增量(liang)始終大于奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數增量(liang)。由此可知，共晶反應(ying)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，相(xiang)比于奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)，鉬(mu)元素(su)(su)更偏向于在(zai)(zai)(zai)M2C相(xiang)中(zhong)富集(ji)。
在(zai)0.1~2MPa壓(ya)力(li)范(fan)圍(wei)內(nei)(nei)，加壓(ya)對Mo元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系(xi)數影(ying)(ying)響非(fei)常小(xiao)，變化(hua)量(liang)為(wei)10-6~10-5,可(ke)忽略不(bu)計(ji)，因(yin)而在(zai)低(di)壓(ya)范(fan)圍(wei)內(nei)(nei)，增加壓(ya)力(li)不(bu)能通(tong)(tong)過(guo)(guo)改變元(yuan)素(su)(su)平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系(xi)數而影(ying)(ying)響相(xiang)(xiang)成(cheng)分(fen)。除平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系(xi)數以(yi)外，鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程中溶(rong)質的(de)(de)分(fen)配(pei)(pei)情況與元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)傳質行為(wei)有關(guan)。在(zai)M42鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)(gu)末期的(de)(de)共晶反應(ying)(ying)L→M2C+y過(guo)(guo)程中存在(zai)M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)和奧氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)之間的(de)(de)溶(rong)質再分(fen)配(pei)(pei)：液(ye)相(xiang)(xiang)中的(de)(de)M2C形成(cheng)元(yuan)素(su)(su)（鉬、鎢(wu)、釩和鉻）通(tong)(tong)過(guo)(guo)凝(ning)固(gu)(gu)前沿固(gu)(gu)／液(ye)界面向M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，同時奧氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)形成(cheng)元(yuan)素(su)(su)（鈷、鐵）則向奧氏(shi)體相(xiang)(xiang)富(fu)集(ji)，整個反應(ying)(ying)發生(sheng)在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)末期的(de)(de)枝(zhi)晶間小(xiao)熔(rong)池內(nei)(nei)，此(ci)時液(ye)相(xiang)(xiang)流動很弱(ruo)，元(yuan)素(su)(su)對流傳質行為(wei)可(ke)忽略，因(yin)而溶(rong)質的(de)(de)分(fen)配(pei)(pei)主(zhu)要與相(xiang)(xiang)中元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)散傳質行為(wei)有關(guan)。
根據(ju)菲克第一定律公式（2-178)可知，擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數D與溫度(du)T呈反比關(guan)系。圖2-133為2MPa下M2C形(xing)成(cheng)元素的(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數隨溫度(du)的(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)關(guan)系。在凝(ning)固壓力不變(bian)(bian)(bian)時，溫度(du)的(de)降低會顯著減小擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數，在低壓范(fan)圍內，相對于(yu)凝(ning)固壓力變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，溫度(du)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)對擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系數D具(ju)有更明顯的(de)影響。
增(zeng)大(da)壓(ya)力具有顯著強化(hua)冷(leng)卻和(he)減(jian)少鑄錠(ding)局(ju)部凝(ning)(ning)(ning)固時間(jian)的(de)作用(yong)。由此可(ke)知，對于(yu)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa壓(ya)力下的(de)鑄錠(ding)凝(ning)(ning)(ning)固過(guo)程(cheng)，在相(xiang)同的(de)凝(ning)(ning)(ning)固時間(jian)內，在較高壓(ya)力下凝(ning)(ning)(ning)固的(de)鑄錠(ding)冷(leng)卻更快，溫度更低，其(qi)元素擴散系數則相(xiang)對較低，導致(zhi)元素擴散速(su)率減(jian)小，使得M2C共晶碳(tan)化(hua)物(wu)中釩、鎢(wu)、鉻和(he)鉬元素含(han)量(liang)降低，碳(tan)化(hua)物(wu)間(jian)基(ji)體的(de)合金元素含(han)量(liang)升高，降低了M2C碳(tan)化(hua)物(wu)和(he)奧氏體γ相(xiang)之間(jian)的(de)成(cheng)分差異性(xing)，提高了M42凝(ning)(ning)(ning)固組織成(cheng)分的(de)均(jun)勻性(xing)。
c. 碳化(hua)物形貌
M2C碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)明(ming)顯具(ju)有(you)(you)各(ge)向異性的(de)(de)生長方式，形貌具(ju)有(you)(you)小平面向的(de)(de)特性。共(gong)(gong)(gong)晶(jing)組織的(de)(de)形貌與共(gong)(gong)(gong)晶(jing)過(guo)程中(zhong)(zhong)液(ye)／固(gu)界面結構有(you)(you)密切(qie)聯系，金屬(shu)相(xiang)(xiang)－金屬(shu)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)共(gong)(gong)(gong)晶(jing)屬(shu)于(yu)(yu)小平面相(xiang)(xiang)－非(fei)小平面相(xiang)(xiang)共(gong)(gong)(gong)晶(jing)［146].M2C是(shi)通過(guo)凝(ning)固(gu)末期(qi)枝(zhi)晶(jing)間熔(rong)池里的(de)(de)共(gong)(gong)(gong)晶(jing)反M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)形成(cheng)于(yu)(yu)凝(ning)固(gu)末期(qi)枝(zhi)晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)，根據凝(ning)固(gu)原(yuan)理(li)。枝(zhi)晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)元素含量明(ming)顯高(gao)于(yu)(yu)鑄錠標準(zhun)含量。不(bu)同壓力(li)下(xia)枝(zhi)晶(jing)間液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)各(ge)相(xiang)(xiang)出現的(de)(de)先(xian)后(hou)順(shun)序，如(ru)圖(tu)2-135所示(shi)，在不(bu)同壓力(li)下(xia)，M2C均領先(xian)奧氏體相(xiang)(xiang)γ出現。這表明(ming)，在共(gong)(gong)(gong)晶(jing)反應L→y+M2C過(guo)程中(zhong)(zhong)，M2C是(shi)領先(xian)相(xiang)(xiang)。
在(zai)共(gong)晶(jing)凝(ning)固過(guo)(guo)程(cheng)中，領先相(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)(de)快速生長(chang)(chang)方向(xiang)率(lv)先進入(ru)共(gong)生界面(mian)(mian)前方的(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)中，同(tong)時在(zai)其附(fu)近液(ye)(ye)層中排出(chu)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)形成(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素；隨(sui)后(hou)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此(ci)液(ye)(ye)層獲得(de)(de)生長(chang)(chang)組元(yuan)(yuan)(yuan)，跟(gen)隨(sui)著M2C一(yi)起長(chang)(chang)大(da)(da)(da)，同(tong)時也向(xiang)液(ye)(ye)層中排出(chu)M2C形成(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素，如圖2-136所(suo)示(shi)。隨(sui)著凝(ning)固壓力(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，凝(ning)固速率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)加，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)速率(lv)均加快。一(yi)方面(mian)(mian)，M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰間距隨(sui)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)逐漸減(jian)小(xiao)，即奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)／固界面(mian)(mian)變窄；另一(yi)方面(mian)(mian)，加壓使(shi)得(de)(de)枝晶(jing)間殘余(yu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中合金元(yuan)(yuan)(yuan)素沒有(you)足夠時間進行(xing)充分(fen)擴散；導(dao)致奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)／固界面(mian)(mian)前沿合金元(yuan)(yuan)(yuan)素濃度急劇增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，成(cheng)分(fen)過(guo)(guo)冷加劇，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)大(da)(da)(da)速率(lv)進一(yi)步(bu)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，使(shi)得(de)(de)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)速率(lv)差逐漸縮小(xiao)。此(ci)外，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)作為(wei)非小(xiao)平(ping)面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)，其生長(chang)(chang)所(suo)需過(guo)(guo)冷度遠小(xiao)于小(xiao)平(ping)面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)，使(shi)得(de)(de)在(zai)凝(ning)固速率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)中奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)速率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)大(da)(da)(da)于M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)速率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)。因此(ci)，隨(sui)著壓力(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，枝晶(jing)間共(gong)晶(jing)組織中奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)含(han)量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)增(zeng)(zeng)(zeng)多，使(shi)得(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)空間受(shou)到(dao)“排擠”，含(han)量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)減(jian)少，最終M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)逐漸呈現出(chu)被(bei)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ“截(jie)斷”進而變短的(de)(de)(de)(de)形貌，如圖2-134所(suo)示(shi)。
四、夾雜(za)物分布
夾雜物(wu)(wu)是影響鋼錠質量的一個重要因素(su)。鋼中夾雜物(wu)(wu)主(zhu)要包括冶煉過(guo)程(cheng)中進行脫(tuo)氧(yang)處(chu)理形成的脫(tuo)氧(yang)產物(wu)(wu)、凝固過(guo)程(cheng)元素(su)溶解(jie)度下降形成的氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)、氮化(hua)物(wu)(wu)、硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)等化(hua)合物(wu)(wu)以及(ji)爐渣和由于沖刷而進入鋼液的耐火材料(liao)。
根據夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來源，可以將鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分為(wei)(wei)兩類:①外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)大部分為(wei)(wei)復合氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)，主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)于(yu)鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)(ye)(ye)(ye)接(jie)觸空氣生(sheng)(sheng)成(cheng)氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)以及(ji)進入鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)(ye)(ye)(ye)的(de)爐渣(zha)、耐(nai)火(huo)材料組(zu)成(cheng)。外生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)外形(xing)不規則、尺寸大、構(gou)成(cheng)復雜(za)，常常位(wei)于(yu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)表層，具有(you)嚴重的(de)危害性。②內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由(you)于(yu)脫氧、鋼(gang)(gang)(gang)水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)(hua)反(fan)應(ying)而(er)(er)形(xing)成(cheng)的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)(ye)(ye)(ye)中(zhong)數(shu)量(liang)較多，分布均勻，顆(ke)粒細小。由(you)于(yu)形(xing)成(cheng)時間(jian)不同，內(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)可分為(wei)(wei)：鋼(gang)(gang)(gang)液(ye)(ye)(ye)(ye)脫氧時期生(sheng)(sheng)成(cheng)的(de)氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，也(ye)稱為(wei)(wei)原生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)或(huo)一(yi)次(ci)(ci)(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度降低造成(cheng)化(hua)(hua)(hua)學反(fan)應(ying)平衡(heng)的(de)移(yi)動進而(er)(er)析(xi)(xi)出(chu)(chu)二次(ci)(ci)(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)于(yu)溶質元(yuan)素(su)偏(pian)析(xi)(xi)和溶解度變化(hua)(hua)(hua)而(er)(er)析(xi)(xi)出(chu)(chu)的(de)三次(ci)(ci)(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次(ci)(ci)(ci)(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾雜(za)(za)物(wu)作(zuo)為(wei)凝(ning)固(gu)組織的(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)組成部分(fen)，其特性(xing)至關(guan)重(zhong)要(yao)(yao)，對于進一步揭示加(jia)(jia)(jia)壓冶金(jin)的(de)(de)優勢十分(fen)關(guan)鍵(jian)(jian)。非金(jin)屬夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)特性(xing)（數量(liang)(liang)、尺寸和分(fen)布(bu)(bu)(bu)等(deng)）對鋼(gang)的(de)(de)性(xing)能(neng)（力(li)(li)學性(xing)能(neng)和腐(fu)蝕等(deng)）有重(zhong)要(yao)(yao)影響(xiang)。同時，改(gai)(gai)善鋼(gang)中(zhong)(zhong)夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)(bu)情況并盡可(ke)(ke)能(neng)徹底地去除(chu)非金(jin)屬夾雜(za)(za)物(wu)可(ke)(ke)以(yi)有效地減少缺陷和提高性(xing)能(neng)。為(wei)了(le)改(gai)(gai)善夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)(bu)，施加(jia)(jia)(jia)在(zai)夾雜(za)(za)物(wu)上(shang)的(de)(de)力(li)(li)包括(kuo)重(zhong)力(li)(li)、浮力(li)(li)、曳力(li)(li)，附加(jia)(jia)(jia)質量(liang)(liang)力(li)(li)、升力(li)(li)和反彈力(li)(li)等(deng)起著關(guan)鍵(jian)(jian)作(zuo)用。這些力(li)(li)主要(yao)(yao)是通過(guo)溫度、流場(chang)(chang)、重(zhong)力(li)(li)場(chang)(chang)和電(dian)磁場(chang)(chang)等(deng)物(wu)理(li)場(chang)(chang)來確(que)定。因此，可(ke)(ke)以(yi)通過(guo)采取一系列(lie)措施優化物(wu)理(li)場(chang)(chang)來改(gai)(gai)善夾雜(za)(za)物(wu)分(fen)布(bu)(bu)(bu)。例(li)如，鋼(gang)包中(zhong)(zhong)使(shi)用的(de)(de)氣體攪拌、連(lian)鑄過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)添(tian)加(jia)(jia)(jia)磁場(chang)(chang)。對于加(jia)(jia)(jia)壓冶金(jin)，壓力(li)(li)是關(guan)鍵(jian)(jian)因素。目前，已經證實加(jia)(jia)(jia)壓會(hui)在(zai)各個方(fang)面影響(xiang)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)物(wu)理(li)場(chang)(chang)，包括(kuo)加(jia)(jia)(jia)壓通過(guo)加(jia)(jia)(jia)快鑄錠的(de)(de)冷卻速率和加(jia)(jia)(jia)強(qiang)鑄錠與鑄模之間的(de)(de)熱交換(huan)來改(gai)(gai)變(bian)溫度場(chang)(chang)，通過(guo)改(gai)(gai)變(bian)糊狀區域的(de)(de)大小(xiao)和枝晶結構影響(xiang)流場(chang)(chang)等(deng)。
因此(ci)，可(ke)以(yi)認(ren)為在凝固過程中壓(ya)(ya)力具有(you)改變夾(jia)(jia)雜物(wu)(wu)分布(bu)的(de)(de)能力，并且壓(ya)(ya)力對(dui)(dui)夾(jia)(jia)雜物(wu)(wu)分布(bu)的(de)(de)影響機制非常復雜，然(ran)而，關于加(jia)壓(ya)(ya)對(dui)(dui)夾(jia)(jia)雜物(wu)(wu)分布(bu)變化(hua)的(de)(de)影響研究(jiu)相對(dui)(dui)較少。這表明(ming)加(jia)壓(ya)(ya)對(dui)(dui)凝固組織的(de)(de)影響機理尚未全面闡明(ming)。
1. 夾雜物(wu)分布(bu)分析模型(xing)
在實(shi)(shi)際凝(ning)固過(guo)程(cheng)中，夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)受力(li)情況、運動(dong)(dong)軌(gui)跡很難通(tong)過(guo)實(shi)(shi)驗進行測量(liang)。數值(zhi)模擬(ni)提供了(le)一種(zhong)可(ke)以(yi)深入了(le)解(jie)某(mou)些(xie)無法通(tong)過(guo)實(shi)(shi)驗評(ping)估的(de)(de)(de)(de)(de)現象的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法。這些(xie)現象包(bao)(bao)括夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)軌(gui)跡，作用于夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)和夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)速度等(deng)。根據電渣、連(lian)鑄和鋼包(bao)(bao)精煉(lian)等(deng)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)關研(yan)究，數值(zhi)模擬(ni)是一種(zhong)非常(chang)有效的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)運動(dong)(dong)行為的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法。
鋼液凝固過程涉及熱量傳(chuan)遞、質量傳(chuan)輸、動(dong)(dong)量傳(chuan)輸、相(xiang)轉變和(he)晶粒形核長大等一系列復(fu)雜(za)(za)的物(wu)理化學現象，同時存(cun)在金(jin)屬固相(xiang)、金(jin)屬液相(xiang)、氣相(xiang)和(he)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)相(xiang)等多個(ge)相(xiang)之間(jian)的相(xiang)互作用，適合應(ying)用歐(ou)拉(la)多項流(liu)模(mo)型進行計算(suan)求解。其中，根(gen)據對夾(jia)雜(za)(za)物(wu)運動(dong)(dong)行為處理方式，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)分布分析(xi)模(mo)型可以分為歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗日模(mo)型和(he)歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)型。
a. 歐拉(la)－拉(la)格朗(lang)日模(mo)型歐拉(la)－
拉格朗日離散(san)相(xiang)(xiang)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)是在(zai)歐拉模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)的基(ji)礎上，將夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)相(xiang)(xiang)處理成離散(san)相(xiang)(xiang)，而(er)(er)流體相(xiang)(xiang)處理為連續相(xiang)(xiang)。根據球型(xing)(xing)(xing)(xing)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)的受力分析，基(ji)于牛(niu)頓第二定律，建(jian)立(li)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)運(yun)動(dong)(dong)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)，并(bing)與(yu)鋼(gang)液凝固(gu)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)耦合，從(cong)而(er)(er)模(mo)(mo)擬夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)在(zai)凝固(gu)過(guo)程運(yun)動(dong)(dong)行(xing)為。該模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)可以(yi)跟蹤每(mei)個夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)顆(ke)粒并(bing)獲(huo)得其速度、運(yun)動(dong)(dong)軌跡(ji)以(yi)及夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)去除(chu)過(guo)程中的動(dong)(dong)力學行(xing)為。此外，該模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)是基(ji)于離散(san)相(xiang)(xiang)體積(ji)比例相(xiang)(xiang)對較(jiao)低的基(ji)本假(jia)設而(er)(er)建(jian)立(li)。
夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)在鋼液中(zhong)的(de)運動，主(zhu)(zhu)要是各種力(li)(li)(li)的(de)共同作用(yong)造成的(de)。夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)在鋼液中(zhong)受(shou)力(li)(li)(li)情況如(ru)圖2-137所示。可以看出(chu)，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆粒受(shou)到主(zhu)(zhu)要作用(yong)力(li)(li)(li)分別為：由于顆粒自身(shen)性質引起的(de)力(li)(li)(li)，如(ru)重力(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)等(deng)(deng)；由于顆粒與流體之間存在相對運動而產生的(de)力(li)(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)(li)（Saffman)、附加質量(liang)力(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)和Magnus力(li)(li)(li)等(deng)(deng)；細小夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)在高(gao)溫條(tiao)件下受(shou)的(de)布朗(lang)（Brown)力(li)(li)(li)等(deng)(deng)。
（1)曳(ye)力。
在鋼液流場(chang)內黏性流體與顆粒(li)之間存在相對運動，由黏性流體施加的(de)曳力(li)使得夾雜物(wu)顆粒(li)趨(qu)向于跟隨流體運動。曳力(li)是夾雜物(wu)顆粒(li)在凝(ning)固過程中的(de)主要受力(li)之一。計算(suan)公(gong)式如下：
（2)浮力和(he)重力。
在豎直方向上(shang)，夾雜物(wu)顆粒受到(dao)與相對(dui)運動無關的力，包(bao)括重力和浮力，其
（3)附(fu)加質量力。
當鋼液(ye)與夾(jia)雜物(wu)(wu)顆(ke)粒存(cun)在相(xiang)對運動(dong)時(shi)，夾(jia)雜物(wu)(wu)顆(ke)粒會帶(dai)動(dong)其附近(jin)的(de)部分鋼液(ye)做加(jia)速運動(dong)，此時(shi)推動(dong)夾(jia)雜物(wu)(wu)顆(ke)粒運動(dong)的(de)力(li)大(da)于其顆(ke)粒本身(shen)慣性(xing)(xing)力(li)，這部分大(da)于夾(jia)雜物(wu)(wu)顆(ke)粒本身(shen)慣性(xing)(xing)力(li)的(de)力(li)即為附加(jia)質(zhi)量(liang)力(li)。其計(ji)算(suan)公式為
通過(guo)運用歐拉－拉格朗日模型對鋼液(ye)(ye)凝固(gu)過(guo)程進行模擬計算時，可以得出(chu)隨(sui)著(zhu)溫度場和(he)流(liu)場的變化，每(mei)個(ge)球形夾雜物顆粒(li)在(zai)鋼液(ye)(ye)中的運動軌跡和(he)分布。
b. 歐拉－歐拉模型(xing)
拉(la)格朗(lang)(lang)日(ri)模(mo)(mo)(mo)型是(shi)研究夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)顆粒在(zai)(zai)鋼液中(zhong)運動行為(wei)主要(yao)的(de)(de)(de)方(fang)法，但在(zai)(zai)實際的(de)(de)(de)應(ying)用中(zhong)存在(zai)(zai)一(yi)(yi)些不(bu)足，例如，拉(la)格朗(lang)(lang)日(ri)模(mo)(mo)(mo)型是(shi)針對單一(yi)(yi)粒子進行計(ji)算(suan)(suan)，當同(tong)(tong)時追蹤多(duo)個粒子時，計(ji)算(suan)(suan)量(liang)過大，難以進行。相(xiang)(xiang)較于拉(la)格朗(lang)(lang)日(ri)模(mo)(mo)(mo)型，歐(ou)(ou)拉(la)－歐(ou)(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)型中(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)控(kong)制方(fang)程與(yu)流體連(lian)續相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)控(kong)制方(fang)程相(xiang)(xiang)似，運算(suan)(suan)相(xiang)(xiang)對高效，能(neng)夠同(tong)(tong)時描(miao)述(shu)多(duo)種夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)顆粒在(zai)(zai)凝固過程中(zhong)的(de)(de)(de)分布特(te)征。歐(ou)(ou)拉(la)－歐(ou)(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)型與(yu)歐(ou)(ou)拉(la)－拉(la)格朗(lang)(lang)日(ri)模(mo)(mo)(mo)型相(xiang)(xiang)比(bi)，主要(yao)差別(bie)(bie)是(shi)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)動量(liang)方(fang)程存在(zai)(zai)差別(bie)(bie)，歐(ou)(ou)拉(la)－歐(ou)(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)型的(de)(de)(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)動量(liang)方(fang)程表達式(shi)為(wei)
2. 模鑄過程中夾雜物的受力分析
模鑄過程中，夾雜物所(suo)受作用力(li)(li)包括熱浮力(li)(li)、重(zhong)力(li)(li)、附加質(zhi)量力(li)(li)、升力(li)(li)以及相間(jian)作用力(li)(li)等，具體受力(li)(li)情況如圖2-138所(suo)示。
流(liu)(liu)場對(dui)夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)分布有(you)關鍵影響(xiang)，這(zhe)直接歸(gui)因于作(zuo)用(yong)(yong)于夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)阻力(li)。以0.1MPa下H13鑄錠(ding)凝固(gu)(gu)為(wei)例(li)，鋼(gang)液、夾(jia)雜(za)(za)物和等(deng)軸晶(jing)的(de)(de)流(liu)(liu)場和速率均(jun)顯示在(zai)(zai)圖2-139中(zhong)。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)的(de)(de)進行(xing)，鋼(gang)液受熱浮力(li)的(de)(de)驅動(dong)逆(ni)時針運(yun)動(dong)，如(ru)圖2-139(a)所示。同時，隨(sui)著(zhu)重力(li)和浮力(li)合力(li)的(de)(de)增加(jia)，等(deng)軸晶(jing)的(de)(de)沉降連(lian)續(xu)發生在(zai)(zai)柱狀晶(jing)（tip)的(de)(de)尖端，如(ru)圖2-139(b)所示。如(ru)圖2-139(c)所示，夾(jia)雜(za)(za)物流(liu)(liu)場中(zhong)出現逆(ni)時針運(yun)動(dong)，與鋼(gang)液相似。這(zhe)種(zhong)運(yun)動(dong)行(xing)為(wei)主要是由(you)作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)(zai)夾(jia)雜(za)(za)物上的(de)(de)合力(li)引起(qi)的(de)(de)。根據模擬(ni)結果(guo)，凝固(gu)(gu)過程中(zhong)重力(li)，浮力(li)和阻力(li)在(zai)(zai)改變夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)運(yun)動(dong)行(xing)為(wei)中(zhong)起(qi)著(zhu)關鍵作(zuo)用(yong)(yong)，因為(wei)它(ta)們比附加(jia)質量力(li)和升力(li)大了三個數量級。重力(li)和浮力(li)的(de)(de)方(fang)向均(jun)為(wei)垂直方(fang)向，因為(wei)夾(jia)雜(za)(za)物的(de)(de)密度低于液體的(de)(de)密度，故其(qi)合力(li)Fbg的(de)(de)方(fang)向垂直向上，如(ru)圖2-139(d)所示。
在整個凝固過(guo)程中，Fbg保(bao)持(chi)不變，并(bing)使(shi)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)上浮(fu)。相比之下，曳力(li)(li)(li)Fdp是(shi)向(xiang)下的(de)力(li)(li)(li)，具有驅動(dong)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)向(xiang)下沉的(de)能力(li)(li)(li)。并(bing)且其變化是(shi)復(fu)雜(za)(za)(za)的(de)。根(gen)據等(deng)式（2-204)可知，曳力(li)(li)(li)與鋼(gang)液和夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)之間(jian)的(de)速度差密切(qie)相關。在頂部和底部，鋼(gang)液和夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)速度差很小(xiao)(xiao)，與Fbg相比，Fdp可以忽略不計。在柱狀晶(jing)尖端(duan)附近的(de)曳力(li)(li)(li)Fdp大于Fbg,是(shi)導致夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)下沉的(de)關鍵因(yin)素。在鑄錠的(de)中心，Fdp小(xiao)(xiao)于Fbg,Fbg占主導，促使(shi)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)上浮(fu)。因(yin)此，模鑄過(guo)程中夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)形成逆時針運動(dong)，這主要是(shi)由重力(li)(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)(li)和曳力(li)(li)(li)的(de)綜合作用(yong)所驅動(dong)。
3. 模鑄過程中壓力對夾雜物分布的影響(xiang)
利用歐(ou)拉(la)(la)－歐(ou)拉(la)(la)模型在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下獲(huo)得(de)了H13鑄(zhu)錠夾雜(za)(za)物(wu)(wu)體積分(fen)數的等值線(xian)，如圖2-140所(suo)(suo)示(shi)(shi)。每(mei)個(ge)鑄(zhu)錠中都存在三(san)個(ge)主要的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)（I、和(he)III),其中，II區(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)的富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度最(zui)低，III區(qu)(qu)(qu)的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)度最(zui)高(gao)，I區(qu)(qu)(qu)次之(zhi)。三(san)個(ge)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)域(yu)主要由(you)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)逆(ni)時(shi)針運(yun)動(dong)以及被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕集(ji)(ji)(ji)的綜(zong)合作用所(suo)(suo)導(dao)致。以0.1MPa 壓(ya)力(li)下夾雜(za)(za)物(wu)(wu)分(fen)布為例(li)，遠(yuan)離糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)在逆(ni)時(shi)針運(yun)動(dong)過程(cheng)中逐漸上浮并富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)到鑄(zhu)錠頂部(bu)，如圖 2-140(c)所(suo)(suo)示(shi)(shi)。鑄(zhu)錠頂部(bu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)一部(bu)分(fen)被(bei)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕獲(huo)，形(xing)成了I區(qu)(qu)(qu)，其余部(bu)分(fen)沿逆(ni)時(shi)針方向移動(dong)，運(yun)動(dong)方向幾乎垂直(zhi)于糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法(fa)向量。與(yu)之(zhi)相(xiang)比，在II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內，夾雜(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)方向與(yu)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法(fa)向量成鈍角(jiao)，因而夾雜(za)(za)物(wu)(wu)更加趨向于被(bei)II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)所(suo)(suo)捕獲(huo)，如圖2-141所(suo)(suo)示(shi)(shi)，導(dao)致夾雜(za)(za)物(wu)(wu)富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)II和(he)III的形(xing)成。同時(shi)，III區(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)的富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)程(cheng)度最(zui)高(gao)，原因是糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)較(jiao)寬，糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)捕獲(huo)能力(li)越強，富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)趨勢更明顯(xian)。
隨(sui)(sui)(sui)著壓(ya)(ya)力(li)從0.1MPa增加到2MPa,I、II和III區夾雜(za)物的富(fu)集度降低(di)，如2-140(b)所(suo)示，夾雜(za)物體(ti)積分數的最大增量(liang) 4max隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)(ya)力(li)的增加而減小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明隨(sui)(sui)(sui)著凝固壓(ya)(ya)力(li)增加至2MPa,鑄(zhu)錠中夾雜(za)物分布更加均勻(yun)。
糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)捕獲夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)和(he)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)從(cong)(cong)糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)逃脫(tuo)的(de)(de)(de)能力(li)(li)對夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)分(fen)布至關(guan)重(zhong)要。結合液相線／固(gu)相線溫度(du)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化規律(lv)可知(zhi)，凝(ning)固(gu)區(qu)(qu)(qu)間(jian)變(bian)(bian)化很小，當壓(ya)(ya)力(li)(li)從(cong)(cong)0.1MPa增(zeng)加(jia)(jia)到2MPa時可以忽(hu)略不計。因此，糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)寬度(du)主要由(you)(you)溫度(du)梯(ti)(ti)度(du)決定。如(ru)圖2-142(b)所示(shi)，由(you)(you)于增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)(li)后提高(gao)了冷(leng)卻(que)速(su)率(lv)導致高(gao)壓(ya)(ya)下(xia)溫度(du)梯(ti)(ti)度(du)更大。在(zai)(zai)較(jiao)高(gao)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)，糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)域的(de)(de)(de)長(chang)度(du)變(bian)(bian)短［150].另外，以圖2-142(a)中的(de)(de)(de)A點為(wei)例，凝(ning)固(gu)時間(jian)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而(er)(er)顯著(zhu)減少，在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)分(fen)別為(wei)292s、272s和(he)247s,凝(ning)固(gu)速(su)率(lv)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而(er)(er)增(zeng)加(jia)(jia)。進(jin)而(er)(er)表明，在(zai)(zai)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)長(chang)度(du)較(jiao)小且(qie)凝(ning)固(gu)速(su)率(lv)較(jiao)高(gao)，因此糊(hu)狀區(qu)(qu)(qu)捕獲夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)能力(li)(li)變(bian)(bian)弱。
A、B和(he)C點夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)速度(du)隨(sui)液相(xiang)體積分(fen)(fen)(fen)數的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)如圖2-143所示。高溫度(du)梯度(du)通過增大(da)熱浮力來強化(hua)鋼液對流。另(ling)外，研(yan)究了(le)糊狀區中(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)速度(du)隨(sui)曳力改的(de)(de)(de)相(xiang)應變(bian)化(hua)。凝固(gu)初期，糊狀區中(zhong)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)運動(dong)速度(du)隨(sui)著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)(de)增加而增大(da)，在(zai)凝固(gu)后期，糊狀區內(nei)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)幾(ji)乎完全停止運動(dong)時液相(xiang)體積分(fen)(fen)(fen)數隨(sui)著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)(de)增加而降低(di)(di)。以點A為(wei)例，凝固(gu)初期（f=0.98),在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)速度(du)分(fen)(fen)(fen)別(bie)為(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)1.52×10-3m/s.當糊狀區夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)速度(du)降低(di)(di)到(dao)5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下的(de)(de)(de)液相(xiang)體積分(fen)(fen)(fen)數分(fen)(fen)(fen)別(bie)為(wei)0.74、0.68和(he)0.62.這意味著(zhu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)從糊狀區逸出的(de)(de)(de)能力隨(sui)壓(ya)力增加而增強。
綜上所述，增加壓(ya)力可以顯著抑制糊狀(zhuang)區中夾(jia)雜物的(de)富集，并通過降低糊狀(zhuang)區捕獲夾(jia)雜物的(de)能(neng)力，提高夾(jia)雜物從糊狀(zhuang)區中逸出(chu)的(de)能(neng)力，使鑄錠(ding)內夾(jia)雜物分布更加均勻。
