壓(ya)(ya)力(li)對(dui)鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)相變(bian)(bian)和組(zu)織(zhi)有(you)十分(fen)重要的(de)(de)影響，如壓(ya)(ya)力(li)能提高晶粒形核(he)速(su)率，減小臨界形核(he)半徑，增大冷卻速(su)率，細化枝晶組(zu)織(zhi)，減輕(qing)或消除(chu)凝(ning)(ning)固(gu)缺陷（疏松(song)、縮(suo)孔、氣孔和偏析）以及改(gai)變(bian)(bian)析出(chu)相形貌和類型(xing)等。由于鋼(gang)鐵(tie)材料(liao)固(gu)／液相線溫度較(jiao)(jiao)高，加壓(ya)(ya)難度相對(dui)較(jiao)(jiao)大，不過，較(jiao)(jiao)低(di)壓(ya)(ya)力(li)依然具(ju)有(you)改(gai)善鑄型(xing)和鑄錠(ding)(ding)間換熱條件、打破(po)液相中氮氣泡等壓(ya)(ya)力(li)平(ping)衡(heng)的(de)(de)能力(li)，進而達到改(gai)善鋼(gang)鐵(tie)凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)織(zhi)，減輕(qing)或消除(chu)凝(ning)(ning)固(gu)缺陷等目(mu)的(de)(de)。

一(yi)、枝晶組織

  枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)的(de)出現和生長與(yu)液(ye)(ye)(ye)相中的(de)成分(fen)(fen)過(guo)(guo)冷(leng)密(mi)不可分(fen)(fen)，當凝固(gu)(gu)界(jie)面出現擾動(dong)導致液(ye)(ye)(ye)相出現局部成分(fen)(fen)過(guo)(guo)冷(leng)時，液(ye)(ye)(ye)相中就具備了促使(shi)界(jie)面發生波動(dong)的(de)驅動(dong)力，進一(yi)步(bu)增大了凝固(gu)(gu)界(jie)面的(de)不穩定性，從(cong)而使(shi)凝固(gu)(gu)界(jie)面從(cong)平面狀(zhuang)向(xiang)樹枝(zhi)(zhi)狀(zhuang)轉(zhuan)變，形成枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)，液(ye)(ye)(ye)相中成分(fen)(fen)過(guo)(guo)冷(leng)的(de)判(pan)據為(wei)

  式中(zhong)，GrL為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫度梯度；v為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)速率；m為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)線斜率；CL為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)界面處液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)；DL為(wei)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數(shu)(shu)；ko為(wei)溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)。在(zai)不考慮(lv)壓(ya)(ya)(ya)力強(qiang)化(hua)冷卻（即(ji)GrL保持恒定）情況下，壓(ya)(ya)(ya)力可通過改(gai)變液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)線斜率、擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數(shu)(shu)和(he)(he)(he)溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)等(deng)(deng)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)參數(shu)(shu)，改(gai)變枝(zhi)晶(jing)形貌甚至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)組(zu)(zu)成(cheng)。Zhang等(deng)(deng)對比了高(gao)(gao)錳(meng)(meng)鋼（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)(ya)和(he)(he)(he)6GPa下的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。發現高(gao)(gao)錳(meng)(meng)鋼高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)包含(han)細(xi)(xi)小(xiao)等(deng)(deng)軸晶(jing)和(he)(he)(he)柱狀晶(jing)，與常(chang)壓(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)截然(ran)不同(tong)（圖2-107).晶(jing)粒尺寸(cun)統計結果表(biao)明，高(gao)(gao)錳(meng)(meng)鋼在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)(ya)下的(de)(de)晶(jing)粒尺寸(cun)為(wei)（160±45)μm,6GPa下為(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)力細(xi)(xi)化(hua)晶(jing)粒可達21倍之(zhi)(zhi)多，主要歸因于增加凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)力降低了液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數(shu)(shu)以及(ji)增大了擴(kuo)散(san)激活能(neng)，進而增大了液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)成(cheng)分(fen)過冷度，在(zai)抑(yi)制(zhi)枝(zhi)晶(jing)生長的(de)(de)同(tong)時(shi)增大了形核率［129,153],從而使得高(gao)(gao)錳(meng)(meng)鋼凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)逐步向枝(zhi)晶(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)轉變，且細(xi)(xi)化(hua)十分(fen)顯著(zhu)。Kashchiev和(he)(he)(he)Vasudevan等(deng)(deng)的(de)(de)研究(jiu)表(biao)明。在(zai)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)，當(dang)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)摩爾體積小(xiao)于液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)摩爾體積時(shi)，加壓(ya)(ya)(ya)有助(zhu)于提高(gao)(gao)形核率，起(qi)到細(xi)(xi)化(hua)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)作用，大多數(shu)(shu)金屬合(he)金屬于此類；反之(zhi)(zhi)，加壓(ya)(ya)(ya)將抑(yi)制(zhi)晶(jing)粒的(de)(de)形核，如水(shui)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)成(cheng)冰。此外，壓(ya)(ya)(ya)力還能(neng)夠抑(yi)制(zhi)枝(zhi)晶(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)力梯度方向的(de)(de)生長,從而導(dao)致枝(zhi)晶(jing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)(he)微觀偏析呈現方向性。

  為了準確地論述壓(ya)力對(dui)凝固(gu)組(zu)織的(de)影(ying)(ying)響(xiang)規律，本節(jie)將以(yi)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼和M42工具鋼加壓(ya)凝固(gu)組(zu)織為例，詳細分析壓(ya)力對(dui)枝晶組(zu)織、析出相等的(de)影(ying)(ying)響(xiang)。

 1. 柱狀晶向等軸晶轉變（CET)

   鑄錠(ding)的(de)(de)(de)宏觀組織(zhi)主要(yao)(yao)由晶(jing)粒(li)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)貌、尺寸以(yi)及(ji)取(qu)向分布等(deng)(deng)構成，在(zai)合(he)金(jin)成分一(yi)定的(de)(de)(de)情(qing)況下，它主要(yao)(yao)取(qu)決于(yu)鋼(gang)(gang)液(ye)在(zai)凝(ning)固過(guo)程中的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻條件（包括澆注溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)和鑄型(xing)(xing)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻效果(guo)等(deng)(deng)。鑄錠(ding)的(de)(de)(de)典型(xing)(xing)宏觀組織(zhi)可分為(wei)三個(ge)區(qu)(qu)：表層(ceng)(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)區(qu)(qu)、柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)區(qu)(qu)以(yi)及(ji)中心(xin)等(deng)(deng)軸晶(jing)區(qu)(qu)。表層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)晶(jing)區(qu)(qu)是由于(yu)鋼(gang)(gang)液(ye)在(zai)鑄型(xing)(xing)的(de)(de)(de)激(ji)冷(leng)(leng)作用下，具有(you)(you)較大(da)的(de)(de)(de)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)(du)(du)，進(jin)(jin)而在(zai)鑄型(xing)(xing)壁面(mian)以(yi)異(yi)質形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)方(fang)式大(da)量形(xing)(xing)(xing)核并長大(da)，最后形(xing)(xing)(xing)成細(xi)(xi)小(xiao)的(de)(de)(de)等(deng)(deng)軸晶(jing)區(qu)(qu)，即表層(ceng)(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)區(qu)(qu)。隨著凝(ning)固的(de)(de)(de)進(jin)(jin)行，表層(ceng)(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)區(qu)(qu)逐(zhu)步形(xing)(xing)(xing)成金(jin)屬(shu)外殼，使得傳熱(re)具備(bei)單(dan)向性(xing)，有(you)(you)助于(yu)晶(jing)粒(li)沿(yan)傳熱(re)方(fang)向生(sheng)(sheng)長，呈現出方(fang)向性(xing)，從而形(xing)(xing)(xing)成柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)區(qu)(qu)，也導致了(le)(le)表層(ceng)(ceng)(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)域窄小(xiao)，厚度(du)(du)(du)(du)(du)通(tong)常為(wei)幾毫(hao)米。在(zai)后續的(de)(de)(de)凝(ning)固過(guo)程中，伴(ban)隨著凝(ning)固潛熱(re)的(de)(de)(de)釋(shi)放，凝(ning)固前(qian)沿(yan)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)(du)減小(xiao)，傳熱(re)的(de)(de)(de)單(dan)向性(xing)減弱，成分過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)(du)(du)增大(da)，進(jin)(jin)而使得晶(jing)粒(li)生(sheng)(sheng)長的(de)(de)(de)方(fang)向性(xing)減弱，抑(yi)制了(le)(le)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長，同時(shi)也促進(jin)(jin)了(le)(le)鑄錠(ding)心(xin)部異(yi)質形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)發生(sheng)(sheng)，從而有(you)(you)助于(yu)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)向等(deng)(deng)軸晶(jing)轉(zhuan)變(bian)，最終(zhong)形(xing)(xing)(xing)成中心(xin)等(deng)(deng)軸晶(jing)區(qu)(qu)。

   因此(ci)(ci)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)有(you)兩類枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織，即(ji)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)，通常采用(yong)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距和(he)(he)(he)CET位(wei)置(zhi)對(dui)其(qi)進行表(biao)征。圖2-108(a)給出了(le)凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)分(fen)(fen)別為0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa的(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)縱剖面上的(de)(de)宏(hong)觀組(zu)織；CET位(wei)置(zhi)到鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部距離(li)的(de)(de)統計平均(jun)值(zhi)分(fen)(fen)別為19.8mm、22.1mm和(he)(he)(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)可(ke)達(da)7.6mm,如圖2-108(b)所示。統計結果(guo)表(biao)明，隨著壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，CET 位(wei)置(zhi)逐(zhu)漸由邊(bian)(bian)部向(xiang)心(xin)部移動，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)減小。根據柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變(bian)的(de)(de)阻(zu)擋判據可(ke)知［156],當(dang)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)(fen)數大(da)于(yu)(yu)臨界(jie)值(zhi)時(shi)(shi)，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端生長受(shou)(shou)到抑(yi)(yi)制而停(ting)止，此(ci)(ci)時(shi)(shi)發生柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向(xiang)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)變(bian)。因此(ci)(ci)，CET轉(zhuan)變(bian)很大(da)程度(du)(du)上取(qu)決于(yu)(yu)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)形(xing)(xing)核(he)和(he)(he)(he)長大(da)。由于(yu)(yu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)強(qiang)(qiang)化冷(leng)卻效果(guo)十分(fen)(fen)明顯，增(zeng)(zeng)(zeng)加壓(ya)(ya)(ya)力(li)加快了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)冷(leng)卻，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)溫度(du)(du)梯度(du)(du)，從(cong)而降(jiang)低(di)了(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)前沿的(de)(de)成分(fen)(fen)過冷(leng)度(du)(du)，此(ci)(ci)時(shi)(shi)，等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端的(de)(de)形(xing)(xing)核(he)和(he)(he)(he)長大(da)就會受(shou)(shou)到嚴(yan)重阻(zu)礙和(he)(he)(he)抑(yi)(yi)制;反之，降(jiang)低(di)壓(ya)(ya)(ya)力(li)，有(you)助于(yu)(yu)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處的(de)(de)形(xing)(xing)核(he)和(he)(he)(he)長大(da)，從(cong)而提前并加快了(le)CET.因此(ci)(ci)，當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加到1.2MPa時(shi)(shi)，壓(ya)(ya)(ya)力(li)通過強(qiang)(qiang)化冷(leng)卻擴大(da)了(le)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促使CET轉(zhuan)變(bian)位(wei)置(zhi)在徑向(xiang)上逐(zhu)漸由邊(bian)(bian)部向(xiang)心(xin)部移動。此(ci)(ci)外，在0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)縱剖面的(de)(de)宏(hong)觀組(zu)織中(zhong)均(jun)存在較窄的(de)(de)表(biao)層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。

為了進(jin)一步(bu)研究(jiu)壓力(li)對CET的(de)影響規律，在(zai)不考(kao)慮(lv)壓力(li)強化冷卻效果的(de)前提下(xia)，對枝晶尖端(duan)生長(chang)速率v.隨(sui)壓力(li)的(de)變化規律進(jin)行理論計算，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(zong)上(shang)所述，凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)的增(zeng)加會對枝晶尖(jian)端生(sheng)長(chang)速率產生(sheng)重要影響(xiang)，且(qie)壓(ya)(ya)力(li)的增(zeng)量越(yue)(yue)大，影響(xiang)越(yue)(yue)明顯。結合實(shi)驗和(he)KGT模型(xing)理論計算可知，低壓(ya)(ya)下，當(dang)凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)從0.5MPa 增(zeng)加至1.2MPa時(shi)，壓(ya)(ya)力(li)主(zhu)要通過強化冷卻的方式，使得鑄錠CET位置逐漸(jian)由邊部向心部移動。

 2. 枝晶間距

  相鄰同次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)臂之間(jian)(jian)的(de)垂(chui)直距(ju)(ju)(ju)離稱(cheng)為枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)的(de)大小表(biao)征(zheng)了枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織細(xi)化程度(du)，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)越小，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織越細(xi)密［162],通常(chang)考慮的(de)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)有一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)入1和(he)二次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)λ2.一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)(ju)與(yu)凝固速率v和(he)溫度(du)梯(ti)度(du)Gr的(de)關系(xi)為

  由式（2-191)可知，合(he)金體(ti)系一定時(shi)，分(fen)析局部區域冷卻(que)速(su)率(lv)(lv)v.和(he)(he)溫度(du)梯度(du)Gr隨壓力(li)的(de)(de)(de)(de)變化趨(qu)勢，有助于闡明壓力(li)對一次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)λ1的(de)(de)(de)(de)影響規律。因(yin)局部區域冷卻(que)速(su)率(lv)(lv)vc和(he)(he)溫度(du)梯度(du)Gr的(de)(de)(de)(de)測量難度(du)較大(da)，可用模擬計算的(de)(de)(de)(de)方式獲(huo)得。在不同(tong)凝(ning)固(gu)壓力(li)下的(de)(de)(de)(de)組織模擬過(guo)程(cheng)中(zhong)，不考慮疏松縮(suo)孔對晶(jing)(jing)(jing)區分(fen)布的(de)(de)(de)(de)影響，模擬結果如圖2-110所(suo)示。為了更準(zhun)確地(di)找到(dao)CET位置，使用平均縱(zong)橫比(bi)(bi)（晶(jing)(jing)(jing)粒(li)最短邊(bian)(bian)與最長邊(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)率(lv)(lv)）來區分(fen)柱狀晶(jing)(jing)(jing)和(he)(he)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)：當晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)縱(zong)橫比(bi)(bi)大(da)于0.4時(shi)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)為等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)；當晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)縱(zong)橫比(bi)(bi)小(xiao)于0.4時(shi)，則為柱狀晶(jing)(jing)(jing)。根據阻擋(dang)判據，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)積分(fen)數的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)值設(she)定為0.49，以此作為依據，19Cr14Mn0.9N含氮鋼在0.5MPa、0.85MPa 和(he)(he)1.2MPa 壓力(li)下，CET 位置在徑向上離(li)鑄錠邊(bian)(bian)部的(de)(de)(de)(de)平均距(ju)離(li)分(fen)別為18.1mm、19.8mm和(he)(he)25.3mm.

  19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)(ding)底(di)部(bu)(bu)溫度梯度 Gr和(he)(he)冷卻(que)速率v.隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)變化規(gui)律，如圖(tu)2-111所示。在(zai)某一(yi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)條件下，vc和(he)(he)Gr沿(yan)徑向(xiang)(xiang)(xiang)由鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)均呈現逐(zhu)(zhu)漸減(jian)小的(de)趨(qu)勢，結合(he)式(shi)（2-190)可知(zhi)，一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)入(ru)1與v.和(he)(he)Gr成反比，因(yin)而1沿(yan)徑向(xiang)(xiang)(xiang)由邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)逐(zhu)(zhu)漸增(zeng)大(da)。當壓(ya)(ya)(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時，在(zai)壓(ya)(ya)(ya)力(li)強化冷卻(que)的(de)作用(yong)下，鑄(zhu)錠(ding)(ding)內各單元體的(de)vc和(he)(he)Gr隨(sui)之增(zeng)大(da)，且(qie)對(dui)(dui)鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)緣處的(de)單元體影(ying)響(xiang)最大(da)，在(zai)沿(yan)徑向(xiang)(xiang)(xiang)向(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移動的(de)過程(cheng)中，壓(ya)(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)vc和(he)(he)Gr的(de)影(ying)響(xiang)逐(zhu)(zhu)步減(jian)弱。結合(he)式(shi)（2-190)可知(zhi)，一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)入(ru)1隨(sui)著vc和(he)(he)Gr的(de)增(zeng)大(da)呈冪函數減(jian)小。因(yin)此，隨(sui)著壓(ya)(ya)(ya)力(li)增(zeng)加(jia)，一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)入(ru)1減(jian)小，且(qie)越(yue)靠近鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)，入(ru)減(jian)小趨(qu)勢越(yue)明顯(xian)，即(ji)壓(ya)(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)柱狀(zhuang)晶一(yi)次(ci)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)距(ju)的(de)影(ying)響(xiang)大(da)于(yu)中心(xin)等(deng)軸晶區。

  由邊(bian)部(bu)到心(xin)部(bu)逐(zhu)漸(jian)增大，結合式（2-192)可知，鑄錠心(xin)部(bu)的二次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距入2大于(yu)邊(bian)部(bu)；壓力從0.5MPa增加至1.2MPa時，LST明顯減(jian)小，二次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距入2也隨之(zhi)減(jian)小。

  圖(tu)2-112 不(bu)同(tong)(tong)壓(ya)力(li)(li)下距離19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼鑄(zhu)錠底部(bu)130mm處LST計算(suan)值由于(yu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)臂(bei)彼(bi)此相交且(qie)沿(yan)徑向(xiang)以(yi)幾乎相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)速率向(xiang)四周生(sheng)長(chang)，同(tong)(tong)時不(bu)同(tong)(tong)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)不(bu)存在(zai)任何確定的(de)(de)(de)位(wei)向(xiang)關系，難以(yi)通(tong)過(guo)實(shi)驗(yan)對(dui)(dui)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)次(ci)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距進行(xing)測(ce)量，因(yin)此只(zhi)對(dui)(dui)CET前柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距進行(xing)測(ce)量。圖(tu)2-113給出了距19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼鑄(zhu)錠底部(bu)115mm的(de)(de)(de)高度處一(yi)(yi)(yi)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距入(ru)(ru)1和(he)(he)二(er)次(ci)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距x2的(de)(de)(de)變化規律，在(zai)某一(yi)(yi)(yi)壓(ya)力(li)(li)下，沿(yan)徑向(xiang)由鑄(zhu)錠邊部(bu)向(xiang)心部(bu)移動的(de)(de)(de)過(guo)程中，1和(he)(he)x2逐漸增大；當壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.5MPa增加至1.2MPa時，1和(he)(he)入(ru)(ru)2均(jun)呈減小的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)。基于(yu)埋設(she)熱(re)電偶(ou)的(de)(de)(de)測(ce)溫(wen)(wen)結果和(he)(he)式（2-195)可(ke)得，2nd和(he)(he)4h測(ce)溫(wen)(wen)位(wei)置處局(ju)部(bu)凝(ning)(ning)固時間(jian)(jian)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增加而縮短，如圖(tu)2-113(a)所示，從(cong)而導致(zhi)(zhi)x2的(de)(de)(de)減小。對(dui)(dui)比可(ke)知，枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距（λ和(he)(he)ん）和(he)(he)局(ju)部(bu)凝(ning)(ning)固時間(jian)(jian)沿(yan)徑向(xiang)和(he)(he)隨壓(ya)力(li)(li)變化趨(qu)勢(shi)的(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)與模擬結果一(yi)(yi)(yi)致(zhi)(zhi)。

  綜(zong)上所(suo)述，增(zeng)加(jia)壓力(li)能夠明(ming)顯減小枝晶(jing)間距（x1和x2),縮短局(ju)部(bu)凝固時間，細化(hua)凝固組織。鑄錠邊部(bu)和心部(bu)試樣的(de)枝晶(jing)形貌(mao)如圖2-114所(suo)示，進一(yi)步佐證(zheng)了增(zeng)加(jia)壓力(li)具有(you)明(ming)顯細化(hua)枝晶(jing)組織的(de)作用，且對柱狀(zhuang)晶(jing)的(de)影響(xiang)大(da)于(yu)中心等軸(zhou)晶(jing)。

3. 晶粒(li)數

  鑄錠內晶(jing)粒(li)數(shu)與晶(jing)粒(li)臨界(jie)形核半徑和形核率(lv)有直接的關(guan)系，晶(jing)粒(li)臨界(jie)形核半徑為：

  其(qi)中，Nm為(wei)與(yu)液相線溫(wen)度、凝固(gu)潛(qian)熱、擴(kuo)散激活能以及表面張力(li)(li)(li)(li)有關(guan)的系數(shu)(shu)。圖2-114給(gei)出了(le) 19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠等軸(zhou)晶(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)粒數(shu)(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的變化規律(lv)。壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到1.2MPa時(shi)(shi)，中心等軸(zhou)晶(jing)區(qu)(qu)的寬(kuan)度逐漸減小(xiao)，最小(xiao)值為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠180mm(高）x56mm(寬(kuan)）等軸(zhou)晶(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)粒數(shu)(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的變化規律(lv)如圖2-115所示。當凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到0.85MPa時(shi)(shi)，晶(jing)粒數(shu)(shu)目(mu)從9166增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到9551;當凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)進一步增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到1.2MPa時(shi)(shi)，晶(jing)粒數(shu)(shu)目(mu)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到10128.因此，提(ti)高凝固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)，鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠等軸(zhou)晶(jing)區(qu)(qu)內晶(jing)粒數(shu)(shu)明顯(xian)增(zeng)(zeng)大。

  在(zai)低(di)壓(ya)下，如壓(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)至1.2MPa時，液相(xiang)線溫度(du)(du)、凝固潛熱、擴(kuo)散激活(huo)能(neng)以及(ji)表面張(zhang)力(li)(li)的變量非常小(xiao)，幾乎可(ke)以忽略，這(zhe)樣可(ke)以假設(she)Nm在(zai)0.5MPa、晶粒數0.85MPa和1.2MPa下相(xiang)等，近似為(wei)常數。提高(gao)壓(ya)力(li)(li)能(neng)夠明顯地增(zeng)大(da)(da)鑄錠(ding)的溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)（圖2-111),溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)越(yue)大(da)(da)，單位(wei)時間內(nei)(nei)(nei)從糊(hu)狀區內(nei)(nei)(nei)導出結晶潛熱的量越(yue)大(da)(da)，進(jin)而(er)提高(gao)了糊(hu)狀區內(nei)(nei)(nei)過冷(leng)度(du)(du)；反之亦(yi)然，這(zhe)意(yi)味(wei)著糊(hu)狀區過冷(leng)度(du)(du)與溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的變化(hua)趨(qu)勢相(xiang)同，即隨(sui)著壓(ya)力(li)(li)的提高(gao)而(er)增(zeng)大(da)(da)。結合式(shi)（2-193)和式(shi)（2-197)可(ke)知(zhi)，隨(sui)著糊(hu)狀區內(nei)(nei)(nei)過冷(leng)度(du)(du)ΔT的增(zeng)加，晶粒臨界形核(he)半(ban)徑rk減小(xiao)，形核(he)率(lv)Na增(zeng)大(da)(da)，有助(zhu)于提高(gao)鑄錠(ding)內(nei)(nei)(nei)晶粒數。因此，增(zeng)加壓(ya)力(li)(li)有利于增(zeng)加晶粒數。

  距(ju)離(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)底部(bu)(bu)(bu)130mm的(de)(de)高(gao)度(du)(du)(du)處，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)隨(sui)(sui)壓力的(de)(de)變(bian)化規律如圖2-116所示。在某一凝固壓力下(xia)(xia)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)目最大，隨(sui)(sui)著離(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)(bu)距(ju)離(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，由于糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)過(guo)冷度(du)(du)(du)的(de)(de)減小，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)也(ye)隨(sui)(sui)之減少。隨(sui)(sui)著壓力提高(gao)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)均(jun)呈(cheng)增(zeng)(zeng)大趨(qu)勢，且柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)軸(zhou)向切片(pian)上(shang)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)的(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)明(ming)顯(xian)(xian)大于中心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。因為在壓力強化冷卻的(de)(de)作用下(xia)(xia)，整個(ge)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)均(jun)有增(zeng)(zeng)大趨(qu)勢，導致糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)過(guo)冷度(du)(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加。同時(shi)，由于距(ju)離(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)和鑄(zhu)(zhu)型換熱界(jie)面(mian)越(yue)近，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)受界(jie)面(mian)換熱的(de)(de)影(ying)響越(yue)大，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)(bu)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)隨(sui)(sui)壓力變(bian)化趨(qu)勢越(yue)明(ming)顯(xian)(xian)，進而增(zeng)(zeng)加凝固壓力，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)(bu)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)明(ming)顯(xian)(xian)大于心(xin)部(bu)(bu)(bu)，從而導致離(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)(bu)較近的(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數(shu)的(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)明(ming)顯(xian)(xian)大于中心(xin)等軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。

二(er)、疏松縮孔

  鑄(zhu)(zhu)錠(ding)產生(sheng)疏松縮(suo)(suo)(suo)(suo)孔的基本原因是鑄(zhu)(zhu)錠(ding)從澆注溫(wen)(wen)(wen)度(du)冷卻至(zhi)固(gu)相(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)時(shi)產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)（液(ye)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)和凝(ning)固(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)之和）大于固(gu)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)。當鋼液(ye)從澆注溫(wen)(wen)(wen)度(du)冷卻至(zhi)液(ye)相(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)時(shi)所產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)為(wei)液(ye)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)，鋼液(ye)進一步從液(ye)相(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)冷卻至(zhi)固(gu)相(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)時(shi)（即發生(sheng)凝(ning)固(gu)相(xiang)變時(shi)）所產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)為(wei)凝(ning)固(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)［87],固(gu)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)是指固(gu)相(xiang)在冷卻過程中所產生(sheng)的體收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)(suo)。疏松縮(suo)(suo)(suo)(suo)孔的出(chu)現嚴重降低(di)了鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的力學和耐(nai)腐(fu)蝕性能以及成材率，是鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的嚴重缺陷之一。

 在(zai)凝固(gu)(gu)過程中鑄錠內(nei)(nei)出現體(ti)積小而彌散的(de)(de)空洞為(wei)(wei)疏(shu)松，體(ti)積大且(qie)集(ji)中的(de)(de)為(wei)(wei)縮(suo)(suo)孔。疏(shu)松由在(zai)糊(hu)狀區(qu)內(nei)(nei)液(ye)相體(ti)積分(fen)(fen)數降到一(yi)定程度時，液(ye)相流(liu)(liu)動(dong)困難(nan)，液(ye)態收縮(suo)(suo)與凝固(gu)(gu)收縮(suo)(suo)之和超過固(gu)(gu)態收縮(suo)(suo)的(de)(de)那部分(fen)(fen)收縮(suo)(suo)量無法(fa)得到補縮(suo)(suo)所導(dao)致，因而疏(shu)松的(de)(de)形成(cheng)與枝晶間液(ye)相的(de)(de)流(liu)(liu)動(dong)有(you)密切關聯［72,87].在(zai)糊(hu)狀區(qu)內(nei)(nei)，體(ti)收縮(suo)(suo)主要(yao)由凝固(gu)(gu)收縮(suo)(suo)組成(cheng)，且(qie)為(wei)(wei)枝晶間液(ye)體(ti)流(liu)(liu)動(dong)的(de)(de)主要(yao)驅動(dong)力，因而枝晶間液(ye)相的(de)(de)流(liu)(liu)速u可(ke)表示為(wei)(wei)

  式(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為(wei)鋼液靜壓(ya)力(li)(li)，Pf=pgh;Ps為(wei)凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)）。結合(he)式(shi)（2-202)可知，增加凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)，Px增大，強化了枝晶間(jian)液相(xiang)的補縮(suo)能力(li)(li)，進而有助于(yu)(yu)避(bi)免疏(shu)(shu)松(song)的形成(cheng)［91].此外，糊(hu)狀區(qu)越(yue)寬，枝晶網狀結構(gou)越(yue)復(fu)雜(za)，枝晶間(jian)補縮(suo)的距離(li)越(yue)長(chang)阻(zu)力(li)(li)越(yue)大，滲透率K越(yue)小，疏(shu)(shu)松(song)越(yue)容易(yi)形成(cheng)。因此，疏(shu)(shu)松(song)易(yi)于(yu)(yu)在(zai)糊(hu)狀區(qu)較(jiao)寬的鑄(zhu)(zhu)錠以體積(ji)凝固(gu)或同時(shi)凝固(gu)方(fang)式(shi)凝固(gu)時(shi)形成(cheng)。相(xiang)比之下，縮(suo)孔傾向于(yu)(yu)在(zai)糊(hu)狀區(qu)較(jiao)窄的鑄(zhu)(zhu)錠以逐層凝固(gu)方(fang)式(shi)的凝固(gu)過(guo)程中出現。

  不同凝固(gu)(gu)壓力(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠縱剖(pou)面上疏(shu)松(song)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)分布(bu)情況如圖2-117所示。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)壓力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，疏(shu)松(song)和(he)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)總面積大幅度減(jian)小，且疏(shu)松(song)逐(zhu)漸消失。由于壓力(li)具(ju)有顯著(zhu)的(de)(de)強化冷卻(que)效(xiao)果，增(zeng)(zeng)(zeng)大凝固(gu)(gu)壓力(li)，強化了(le)鑄錠和(he)鑄型間(jian)的(de)(de)界面換(huan)熱，加快了(le)鑄錠的(de)(de)冷卻(que)速率(lv)，從而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大了(le)鑄錠溫(wen)度梯度Gr;在合(he)金(jin)體(ti)系一定(ding)的(de)(de)情況下，糊狀(zhuang)區(qu)隨(sui)之(zhi)確(que)定(ding)，那么糊狀(zhuang)區(qu)的(de)(de)寬度隨(sui)溫(wen)度梯度Gr的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大而(er)減(jian)小171],進而(er)導致(zhi)枝晶(jing)(jing)網(wang)狀(zhuang)結構(gou)的(de)(de)形成受到抑(yi)制。凝固(gu)(gu)方式逐(zhu)漸由體(ti)積凝固(gu)(gu)向逐(zhu)層(ceng)凝固(gu)(gu)過渡，增(zeng)(zeng)(zeng)大了(le)滲透率(lv)K,從而(er)降低和(he)縮(suo)(suo)短枝晶(jing)(jing)間(jian)補(bu)縮(suo)(suo)時液相(xiang)流動的(de)(de)阻力(li)和(he)距離。此(ci)外(wai)，基于以上理論分析(xi)并結合(he)判據(ju)式（2-202)可知，增(zeng)(zeng)(zeng)加凝固(gu)(gu)壓力(li)等效(xiao)于增(zeng)(zeng)(zeng)大了(le)Px,使其遠大于枝晶(jing)(jing)間(jian)液相(xiang)補(bu)縮(suo)(suo)時所需壓力(li)。因(yin)此(ci)，加壓有利于枝晶(jing)(jing)間(jian)液相(xiang)的(de)(de)補(bu)縮(suo)(suo)行為，且有助于大幅度減(jian)小或消除疏(shu)松(song)缺陷(xian)。

三、凝固析(xi)出相

  根據相(xiang)(xiang)(xiang)所含非金屬元素的種類，可將(jiang)凝固析出相(xiang)(xiang)(xiang)分為(wei)氮(dan)化物(wu)、碳化物(wu)等，與(yu)碳化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，氮(dan)化物(wu)尺(chi)寸(cun)一(yi)般(ban)較小，為(wei)了更加(jia)清楚直觀地論述(shu)(shu)增(zeng)加(jia)壓力(li)對凝固析出相(xiang)(xiang)(xiang)的影響(xiang)，本節將(jiang)著重(zhong)以高速鋼M42中碳化物(wu)為(wei)例，闡(chan)述(shu)(shu)壓力(li)對凝固析出相(xiang)(xiang)(xiang)的類型、形貌(mao)、成(cheng)分等影響(xiang)規律。

  高速鋼碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)數量繁多、種(zhong)類各(ge)異(yi)。不(bu)(bu)(bu)同(tong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)特(te)性不(bu)(bu)(bu)同(tong)、成(cheng)(cheng)(cheng)分不(bu)(bu)(bu)同(tong)、形貌(mao)也(ye)各(ge)有差(cha)異(yi)；按照碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形貌(mao)特(te)征及(ji)生成(cheng)(cheng)(cheng)機制的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)，可(ke)將(jiang)高速鋼中碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)分為(wei)一(yi)次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)和二次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)兩大(da)部分。一(yi)次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)又稱為(wei)“初生碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)(zai)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中直(zhi)接從(cong)液相中析(xi)出的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)種(zhong)先共晶(jing)和共晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等(deng)不(bu)(bu)(bu)同(tong)類型。一(yi)次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸比較大(da)，屬于微米級(ji)別，在(zai)(zai)后續(xu)熱加工(gong)和熱處(chu)理工(gong)藝中將(jiang)被破碎(sui)或(huo)分解(jie)成(cheng)(cheng)(cheng)尺(chi)寸較小的(de)(de)(de)(de)顆(ke)粒狀存在(zai)(zai)于鋼中。二次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)是指在(zai)(zai)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中或(huo)熱處(chu)理時(shi)從(cong)固相基體(ti)(ti)（高溫鐵素體(ti)(ti)、奧氏體(ti)(ti)、馬氏體(ti)(ti)等(deng)）中析(xi)出的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，分為(wei)M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等(deng)不(bu)(bu)(bu)同(tong)類型。高速鋼中碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)成(cheng)(cheng)(cheng)分波動范圍較大(da)，不(bu)(bu)(bu)同(tong)鋼種(zhong)、不(bu)(bu)(bu)同(tong)條件產(chan)生的(de)(de)(de)(de)同(tong)一(yi)類型的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)也(ye)會(hui)有不(bu)(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)分，甚(shen)至同(tong)一(yi)粒碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)部位(wei)，也(ye)會(hui)有成(cheng)(cheng)(cheng)分的(de)(de)(de)(de)差(cha)異(yi)。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形貌(mao)、成(cheng)(cheng)(cheng)分及(ji)分布見表2-14.

  M2C具有密(mi)排六方晶(jing)體結構［172-175,179],其主要形(xing)成(cheng)元素通(tong)常是鉬、釩和鎢，鉻及(ji)鐵的(de)含(han)量(liang)則(ze)較(jiao)少。M2C 共晶(jing)碳(tan)化(hua)物一般以亞穩態存(cun)在于(yu)鋼中(zhong)。尺寸(cun)較(jiao)小(xiao)、片層(ceng)較(jiao)薄且沒有中(zhong)間脊骨，在高溫時(shi)易發生分(fen)解(jie)反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)解(jie)成(cheng)尺寸(cun)較(jiao)小(xiao)的(de)顆粒狀M6C和MC。此外，與(yu)M6C相反，鋼液凝(ning)固時(shi)的(de)冷(leng)卻速率(lv)(lv)越(yue)快(kuai)，越(yue)有利于(yu)M2C的(de)形(xing)成(cheng)。因此，提高鑄錠凝(ning)固時(shi)的(de)冷(leng)卻速率(lv)(lv)有利于(yu)促(cu)進M2C的(de)形(xing)成(cheng)并細化(hua)M2C,同時(shi)可(ke)抑制較(jiao)大尺寸(cun)M6Cl。

  M6C具(ju)有(you)(you)復雜(za)立方晶體結構，其結構中除碳(tan)原子以(yi)外，鐵、鎢(wu)原子約各占一半。M6C屬于(yu)穩定(ding)型碳(tan)化物(wu)，其形態為粗(cu)大的(de)骨骼狀(zhuang)。鋼(gang)(gang)液凝固(gu)時冷卻(que)速率(lv)越(yue)慢，M6C碳(tan)化物(wu)越(yue)易于(yu)形成和長(chang)大。因(yin)此，M6C在(zai)高(gao)速鋼(gang)(gang)的(de)心部(bu)(bu)往往含量較(jiao)高(gao)，而邊部(bu)(bu)較(jiao)少或(huo)沒有(you)(you)。加(jia)快鑄錠(ding)凝固(gu)時的(de)冷卻(que)速率(lv)有(you)(you)利于(yu)細化M6C,提高(gao)鑄錠(ding)性能。

  MC具(ju)有(you)(you)(you)面心(xin)立(li)方結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，化(hua)學式為(wei)MC或者M4C3,其成分以釩為(wei)主。鋼(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)、釩含(han)量(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)大可(ke)使(shi)MC增(zeng)多，尺(chi)(chi)寸變(bian)大。高(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)還有(you)(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物。M23C6晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)為(wei)復雜(za)(za)面心(xin)立(li)方結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，具(ju)有(you)(you)(you)一定量(liang)的(de)(de)(de)鎢、鉬，釩含(han)量(liang)極少，含(han)有(you)(you)(you)大量(liang)的(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)元素(su)；與M2C相(xiang)同，M3C也是亞穩(wen)態(tai)相(xiang)。M7C3為(wei)復雜(za)(za)六方晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，含(han)有(you)(you)(you)較多的(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)，主要(yao)存在(zai)于碳(tan)(tan)(tan)含(han)量(liang)較高(gao)的(de)(de)(de)鋼(gang)中(zhong)。高(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物具(ju)有(you)(you)(you)兩個重要(yao)的(de)(de)(de)特性：硬度(du)和(he)(he)熱(re)穩(wen)定性（加熱(re)時(shi)溶解、聚集長(chang)大的(de)(de)(de)難度(du)）。這(zhe)些(xie)特性反映了(le)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)和(he)(he)金屬原子(zi)結(jie)(jie)(jie)(jie)合鍵的(de)(de)(de)強弱，與原子(zi)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)和(he)(he)尺(chi)(chi)寸有(you)(you)(you)關。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物的(de)(de)(de)晶(jing)格結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)與碳(tan)(tan)(tan)原子(zi)半徑rc、金屬原子(zi)半徑rx有(you)(you)(you)關，如表(biao)2-15所示，rd/rx值越(yue)大，則越(yue)易(yi)形成結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)復雜(za)(za)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物（M23C6、M3C等），越(yue)小則易(yi)形成結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)簡單(dan)密堆型(xing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物（MC等）。表(biao)中(zhong)熔點可(ke)作為(wei)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物熱(re)穩(wen)定性的(de)(de)(de)衡量(liang)指標，可(ke)見(jian)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物中(zhong)原子(zi)尺(chi)(chi)寸越(yue)接近，則碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物穩(wen)定性越(yue)高(gao)。

 1. 壓力對萊氏體的影(ying)響(xiang)

  凝固末期(qi)，由于偏析導(dao)致合金元素(su)在枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘余液(ye)相(xiang)內(nei)富(fu)集發生(sheng)(sheng)共(gong)晶(jing)反(fan)應，從液(ye)相(xiang)中(zhong)直接(jie)生(sheng)(sheng)成碳化物，它與奧氏體(ti)相(xiang)間(jian)排列，構成萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)。因此高速(su)鋼的(de)(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)往往存在于枝(zhi)晶(jing)間(jian)。圖(tu)2-118為M2高速(su)鋼的(de)(de)(de)低倍(bei)鑄態組(zu)織(zhi)(zhi)，可見(jian)一般情況下，相(xiang)鄰晶(jing)粒(li)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)較為細小，數量較少，而(er)多個晶(jing)粒(li)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)尺寸較大，數量較多。

  高速鋼的萊氏體(ti)組織中(zhong)含有多種(zhong)類型的碳化物(wu)，如(ru)M2C、M6C、MC等(deng)。M6C整(zheng)體(ti)形貌類似魚(yu)骨(gu)，故又稱為(wei)“魚(yu)骨(gu)狀碳化物(wu)”，如(ru)圖2-119所示(shi)；M2C成片層狀，含有M2C的共晶萊氏體(ti)具有“羽毛狀”、“扇狀”、“菊花狀”等(deng)形貌，如(ru)圖2-120所示(shi)；MC的生長(chang)時間較長(chang)，最終(zhong)尺寸(cun)較為(wei)粗(cu)大，往往以不規(gui)則(ze)的條狀出現，如(ru)圖2-120所示(shi)。

  a. 碳化物(wu)種類及分布

   高(gao)速(su)鋼中碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)種類與成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)和(he)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中的(de)(de)(de)冷卻速(su)率密不(bu)(bu)可分(fen)(fen)。M42 高(gao)速(su)工具(ju)鋼作為高(gao)鉬低鎢鋼，其(qi)凝(ning)固(gu)組織(zhi)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)主(zhu)要為M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；另外(wai)含有(you)(you)少部分(fen)(fen)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，主(zhu)要存在于(yu)(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)心(xin)部區域。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)速(su)鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板金相組織(zhi)。白色(se)斑(ban)點狀處的(de)(de)(de)萊氏體組織(zhi)中的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)為具(ju)有(you)(you)中心(xin)脊(ji)骨(gu)，脊(ji)骨(gu)兩邊(bian)具(ju)有(you)(you)平(ping)行分(fen)(fen)枝的(de)(de)(de)魚(yu)骨(gu)狀M6C.M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)尺寸(cun)比M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)粗(cu)大(da)(da)得多且(qie)結構(gou)上相互連接緊密，極(ji)不(bu)(bu)利(li)(li)于(yu)(yu)(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)后續碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)破碎，因(yin)此盡(jin)可能(neng)減少或避免(mian)凝(ning)固(gu)組織(zhi)中M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)產生，有(you)(you)助于(yu)(yu)(yu)提(ti)升其(qi)力(li)學性(xing)能(neng)等。隨著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，萊氏體（白色(se)斑(ban)點）所占1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板的(de)(de)(de)面(mian)積比例逐(zhu)漸減小，加(jia)(jia)壓(ya)有(you)(you)助于(yu)(yu)(yu)抑(yi)制M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)與長大(da)(da)，其(qi)主(zhu)要原因(yin)在于(yu)(yu)(yu)在較(jiao)低壓(ya)力(li)下，加(jia)(jia)壓(ya)對(dui)(dui)凝(ning)固(gu)熱力(li)學和(he)動(dong)力(li)學參數的(de)(de)(de)影響(xiang)十分(fen)(fen)有(you)(you)限(xian)，但強化(hua)(hua)(hua)冷卻效果十分(fen)(fen)明同時(shi)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中冷卻速(su)率越(yue)小，越(yue)有(you)(you)利(li)(li)于(yu)(yu)(yu)魚(yu)骨(gu)狀M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)M6C越(yue)粗(cu)大(da)(da)。因(yin)而增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)主(zhu)要通過(guo)增(zeng)(zeng)大(da)(da)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)鑄(zhu)(zhu)(zhu)型間界面(mian)換熱系數，提(ti)高(gao)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)冷卻速(su)率從而細化(hua)(hua)(hua)并抑(yi)制M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)當壓(ya)力(li)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到(dao)一定程(cheng)(cheng)度時(shi)，能(neng)夠(gou)完全抑(yi)制富含M6C的(de)(de)(de)萊氏體形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)，消除其(qi)對(dui)(dui)組織(zhi)和(he)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)良(liang)影響(xiang)。

   圖2-121(b)所(suo)示萊氏(shi)體(ti)組織(zhi)中碳(tan)化(hua)物(wu)為(wei)長(chang)條狀或者短(duan)棒(bang)狀的(de)(de)M2C.凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)不同(tong)，M2C的(de)(de)尺寸、形貌(mao)以(yi)及(ji)分(fen)布(bu)的(de)(de)緊密程度等均有(you)所(suo)不同(tong)。在0.1MPa壓(ya)(ya)力(li)(li)下，碳(tan)化(hua)物(wu)分(fen)枝(zhi)(zhi)較(jiao)少、片(pian)層(ceng)較(jiao)長(chang)、尺寸較(jiao)大(da)、間(jian)(jian)距較(jiao)寬、共晶萊氏(shi)體(ti)與(yu)枝(zhi)(zhi)晶臂(bei)的(de)(de)界(jie)(jie)面較(jiao)平整；隨(sui)著壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)增加，條狀或片(pian)層(ceng)狀碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)間(jian)(jian)距逐(zhu)(zhu)漸減小，且開(kai)始斷開(kai)成大(da)量(liang)的(de)(de)短(duan)棒(bang)碳(tan)化(hua)物(wu)，碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)分(fen)枝(zhi)(zhi)也逐(zhu)(zhu)漸增多，并密集分(fen)布(bu)在枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)，共晶萊氏(shi)體(ti)與(yu)枝(zhi)(zhi)晶臂(bei)的(de)(de)界(jie)(jie)面也較(jiao)為(wei)粗糙。此外，三(san)個(ge)壓(ya)(ya)力(li)(li)下的(de)(de)M2C幾乎(hu)沒有(you)晶體(ti)缺陷，明壓(ya)(ya)力(li)(li)很難對碳(tan)化(hua)物(wu)晶格類型產生影響。

  b. 萊氏體尺寸

   萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)存(cun)在于(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)，與(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距、形貌及分(fen)布(bu)(bu)(bu)密切(qie)相(xiang)關，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距越小(xiao)，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)尺(chi)(chi)(chi)寸也相(xiang)應地細(xi)小(xiao)且均勻分(fen)布(bu)(bu)(bu)。圖2-124和圖2-125給出了(le)不(bu)(bu)同壓(ya)力條(tiao)件(jian)下M42鑄(zhu)錠邊部和心(xin)(xin)部萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)形貌和尺(chi)(chi)(chi)寸分(fen)布(bu)(bu)(bu)，無論是(shi)鑄(zhu)錠的邊部還是(shi)心(xin)(xin)部，尺(chi)(chi)(chi)寸不(bu)(bu)一(yi)的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)（黑色）均分(fen)布(bu)(bu)(bu)在枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)。在同一(yi)凝固(gu)壓(ya)力條(tiao)件(jian)下，鑄(zhu)錠邊部的枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)距明顯小(xiao)于(yu)心(xin)(xin)部，因(yin)而(er)心(xin)(xin)部萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)要比(bi)邊部粗大。

   隨(sui)著(zhu)壓(ya)力的(de)增(zeng)大，在(zai)壓(ya)力強化(hua)(hua)冷卻的(de)作(zuo)用(yong)下，冷卻速率增(zeng)大，鑄錠局部凝固時(shi)間(jian)縮短，使(shi)得(de)枝(zhi)晶組(zu)(zu)織(zhi)得(de)到了明顯細(xi)(xi)化(hua)(hua)且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)更(geng)均(jun)(jun)(jun)勻，進(jin)(jin)而導(dao)致分(fen)布(bu)在(zai)枝(zhi)晶間(jian)的(de)萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)也隨(sui)之(zhi)細(xi)(xi)化(hua)(hua)，厚度大大減小(xiao)且(qie)分(fen)布(bu)更(geng)加(jia)(jia)均(jun)(jun)(jun)勻。在(zai)0.1MPa 壓(ya)力下，無論在(zai)邊部還是心部位(wei)置，鑄錠的(de)萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)均(jun)(jun)(jun)較為粗大，且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)極不均(jun)(jun)(jun)勻，部分(fen)局部區(qu)域存(cun)在(zai)著(zhu)大量(liang)的(de)黑(hei)色(se)萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)，尤其在(zai)多個枝(zhi)晶臂交匯處，且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)異常粗大。當(dang)壓(ya)力增(zeng)加(jia)(jia)至1MPa時(shi)，粗大萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)得(de)到明顯細(xi)(xi)化(hua)(hua)，且(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)更(geng)加(jia)(jia)均(jun)(jun)(jun)勻；當(dang)壓(ya)力進(jin)(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)(jia)至2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)得(de)到進(jin)(jin)一(yi)步(bu)地改(gai)善，組(zu)(zu)織(zhi)更(geng)加(jia)(jia)細(xi)(xi)密，尺(chi)(chi)寸(cun)更(geng)加(jia)(jia)均(jun)(jun)(jun)勻，粗大萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)基本消(xiao)失(shi)。萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)平(ping)均(jun)(jun)(jun)尺(chi)(chi)寸(cun)隨(sui)壓(ya)力的(de)變化(hua)(hua)規(gui)律(lv)如圖2-126所示，壓(ya)力從(cong)0.1MPa增(zeng)加(jia)(jia)至2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)厚度由28.37μm降低(di)至22.92μm.因此(ci)，增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力能夠明顯細(xi)(xi)化(hua)(hua)萊(lai)(lai)(lai)氏體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)，改(gai)善其分(fen)布(bu)狀態。

 2. 壓力對碳化物的影響(xiang)

  a. 碳化物尺寸

   以(yi)高(gao)(gao)速鋼中(zhong)(zhong)M2C共(gong)晶碳化(hua)(hua)物為例，M2C共(gong)晶碳化(hua)(hua)物是(shi)通過(guo)(guo)(guo)(guo)凝固過(guo)(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)晶反應L→y+M2C產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。和(he)純金(jin)(jin)屬(shu)及固溶體(ti)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)晶過(guo)(guo)(guo)(guo)程一(yi)樣，共(gong)晶轉變(bian)同(tong)(tong)樣需要經過(guo)(guo)(guo)(guo)形核(he)與長(chang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程。結(jie)合(he)(he)(he)式（2-178)和(he)式（2-179),東北大(da)學特殊鋼冶金(jin)(jin)研(yan)究所在(zai)(zai)(zai)控制溫(wen)(wen)度不變(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)，計算了不同(tong)(tong)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)各(ge)元素(su)(su)在(zai)(zai)(zai)兩相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，探討凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)與擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激活(huo)能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)。凝固過(guo)(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)度T=1478K時，合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)（鉬、鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)）在(zai)(zai)(zai)M2C相(xiang)和(he)奧氏(shi)體(ti)相(xiang)γ中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)D隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)規律(lv)如圖2-127和(he)圖2-128所示；從整體(ti)上(shang)看，隨(sui)(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)逐漸增(zeng)大(da)，同(tong)(tong)溫(wen)(wen)度M2C相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)鉬和(he)鎢的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)D呈減小趨勢(shi)，而(er)(er)(er)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)釩(fan)和(he)鉻(ge)則呈增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，表明提(ti)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)可增(zeng)大(da)M2C中(zhong)(zhong)鉬、鎢元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激活(huo)能ΔGm,進而(er)(er)(er)降低其擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能力(li)(li)(li)(li)(li)(li)；同(tong)(tong)時降低釩(fan)、鉻(ge)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)激活(huo)能ΔGm,從而(er)(er)(er)提(ti)高(gao)(gao)其擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)能力(li)(li)(li)(li)(li)(li)。然而(er)(er)(er)，當壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)在(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa范圍(wei)內變(bian)化(hua)(hua)時，各(ge)元素(su)(su)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)微(wei)乎其微(wei)，即保持恒(heng)定(ding)值。隨(sui)(sui)著(zhu)凝固壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)逐漸增(zeng)大(da)到50MPa,元素(su)(su)鉬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)才開始(shi)產生(sheng)較為明顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)甚至(zhi)在(zai)(zai)(zai)100MPa壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)仍未產生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)。因(yin)此低壓(ya)(ya)下(xia)，元素(su)(su)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)可忽略(lve)不計。

  的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而降(jiang)低(di)，鉻元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)則隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而增(zeng)加(jia)，如圖(tu)2-128所(suo)示。即增(zeng)大凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力具有(you)提高(gao)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬、鎢和釩的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散激(ji)活(huo)能ΔGm,降(jiang)低(di)其擴(kuo)(kuo)散能力以及減(jian)小元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散激(ji)活(huo)能ΔGm和增(zeng)大其擴(kuo)(kuo)散能力的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用。與M2C差別在(zai)(zai)(zai)于(yu)，在(zai)(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)γ中(zhong)，較小的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力便可發(fa)揮比(bi)(bi)較明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用，例如：當凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力大于(yu)2MPa時(shi)(shi)，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而明(ming)顯(xian)(xian)增(zeng)大；鉬和釩元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)則在(zai)(zai)(zai)10MPa時(shi)(shi)開(kai)始隨(sui)壓(ya)(ya)力增(zeng)加(jia)而明(ming)顯(xian)(xian)減(jian)小。可見，在(zai)(zai)(zai)相(xiang)同溫度下，相(xiang)比(bi)(bi)于(yu)M2C相(xiang)，合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)釩、鎢、鉬和鉻在(zai)(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散情況受凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)影響更為明(ming)顯(xian)(xian)。但在(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力范圍內，合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系(xi)數(shu)幾(ji)乎保持不變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時(shi)(shi)，各元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)(kuo)散激(ji)活(huo)能ΔGm也未發(fa)生明(ming)顯(xian)(xian)變化。

   綜上所述，在低壓(ya)下，影響M2C形(xing)核(he)率(lv)的(de)主(zhu)要(yao)因素是隨(sui)凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)增(zeng)大(da)而顯著減小(xiao)的(de)形(xing)核(he)功。增(zeng)加凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)可(ke)顯著改善(shan)換熱(re)條件強化(hua)鑄錠冷卻、提(ti)高鑄錠過(guo)(guo)冷度ΔT,進而降低共晶反(fan)應過(guo)(guo)程中奧(ao)氏(shi)體(ti)相γ和(he)M2C相的(de)形(xing)核(he)功ΔG*,最(zui)終增(zeng)大(da)M2C的(de)形(xing)核(he)率(lv)、減小(xiao)M2C相鄰碳化(hua)物的(de)間距。

  此(ci)外，增(zeng)加(jia)壓力使M2C形核率大大增(zeng)加(jia)，同時強(qiang)化(hua)了(le)鑄(zhu)錠冷卻(que)，顯著降低了(le)局部凝固時間LST,導致加(jia)壓下鑄(zhu)錠同位(wei)置的(de)凝固相對較快(kuai)，M2C共晶碳(tan)化(hua)物生(sheng)長時間變短，導致M42凝固組織(zhi)中M2C碳(tan)化(hua)物的(de)尺寸減(jian)小。這對于(yu)后續(xu)的(de)熱(re)處理碳(tan)化(hua)物的(de)溶解具(ju)有(you)積極的(de)意義。

  圖(tu)(tu)2-129為不同凝固壓(ya)力(li)下(xia)M2C共晶碳化(hua)物(wu)在(zai)熱(re)處理過(guo)程中(zhong)的(de)元素(su)擴(kuo)散示(shi)意圖(tu)(tu)。隨著(zhu)凝固壓(ya)力(li)的(de)增大，碳化(hua)物(wu)由長(chang)條狀(zhuang)轉變(bian)為短棒狀(zhuang)，在(zai)縱向和橫向上的(de)尺寸均(jun)顯著(zhu)減小(xiao)。因此，在(zai)熱(re)處理過(guo)程中(zhong)，碳化(hua)物(wu)中(zhong)的(de)元素(su)由內向外擴(kuo)散的(de)平均(jun)距(ju)離(li)也(ye)相應(ying)隨著(zhu)凝固壓(ya)力(li)的(de)增大而顯著(zhu)減小(xiao)，熱(re)處理效(xiao)果更(geng)(geng)加(jia)明顯，熱(re)處理后M42組(zu)織的(de)成分更(geng)(geng)加(jia)均(jun)勻(yun)，進而有利于提高M42高速鋼的(de)質量。

  b. 碳化物(wu)成分

   M2C的(de)(de)形(xing)成元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)主要包括(kuo)鉬(mu)(mu)、鎢、釩(fan)和鉻，其中鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)是(shi)強M2C碳化物(wu)(wu)形(xing)成元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，也是(shi)M2C中含(han)量最高的(de)(de)合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)。圖2-130給出了不同壓力下M2C中合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉬(mu)(mu)、鎢、釩(fan)和鉻含(han)量，隨著(zhu)壓力的(de)(de)增大，M2C上的(de)(de)合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉬(mu)(mu)、鎢、釩(fan)和鉻含(han)量均逐漸減小，而鐵元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)則逐漸增大；同時，M2C碳化物(wu)(wu)之間基(ji)體中合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)含(han)量則呈現(xian)相(xiang)反的(de)(de)規律：鉬(mu)(mu)、鎢、釩(fan)和鉻元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)含(han)量逐漸增大，而鐵元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)減少。這表明，增大的(de)(de)壓力使(shi)得合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)在M2C共晶碳化物(wu)(wu)中的(de)(de)分布(bu)趨于均勻，為后續(xu)的(de)(de)處理、熱加工(gong)工(gong)藝中碳化物(wu)(wu)的(de)(de)破碎(sui)、溶解提供良好的(de)(de)基(ji)礎。

  在高速鋼(gang)中(zhong)，M2C共晶(jing)碳化物是通過凝(ning)固過程中(zhong)的(de)共晶(jing)反(fan)應L→M2C+y產生的(de)，在這個過程中(zhong)存在M2C碳化物相(xiang)和奧氏體γ相(xiang)之間的(de)溶質再(zai)分配［172].在一定溫度(du)下，平(ping)衡分配系數可表示為固相(xiang)和液相(xiang)中(zhong)的(de)元素濃度(du)之比：

   式中，Cs和(he)(he)CL分別表示在凝(ning)固(gu)過程中，元素(su)在固(gu)相(xiang)和(he)(he)液相(xiang)中的(de)平衡(heng)濃度。共(gong)晶(jing)反應L→M2C+y是(shi)在凝(ning)固(gu)末期發生的(de)，圖2-131給(gei)出了不同(tong)壓力下的(de)M42高速鋼凝(ning)固(gu)時共(gong)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(ge)元素(su)的(de)單相(xiang)平衡(heng)分配系數(shu)。

  式中，Cs和C1分別(bie)表示在(zai)凝固(gu)(gu)過程(cheng)中，元素在(zai)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)和液相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)平(ping)衡濃度。共晶反應L→M2C+y是(shi)在(zai)凝固(gu)(gu)末期發生的(de)［172,180,181],圖2-131給出了不同(tong)壓(ya)力(li)下(xia)的(de)M42高速鋼凝固(gu)(gu)時(shi)共晶反應過程(cheng)中M2C碳化物相(xiang)(xiang)(xiang)和奧氏體y相(xiang)(xiang)(xiang)中各元素的(de)單相(xiang)(xiang)(xiang)平(ping)衡分配系數。

  隨壓力的增加，共(gong)晶反應(ying)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)鉬(mu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)(zai)M2C和奧(ao)氏體γ相(xiang)中(zhong)的分(fen)配(pei)系數(shu)具(ju)有升(sheng)高的趨勢并逐漸(jian)靠(kao)近1.基于(yu)(yu)(yu)熱力學(xue)分(fen)析，在(zai)(zai)M42鑄錠凝固時的共(gong)晶反應(ying)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，增大壓力可使鉬(mu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)(zai)M2C碳(tan)(tan)化物相(xiang)和奧(ao)氏體γ相(xiang)中(zhong)的含量(liang)增大。凝固過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)M2C碳(tan)(tan)化物相(xiang)和奧(ao)氏體γ相(xiang)中(zhong)的鉬(mu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)平衡分(fen)配(pei)系數(shu)增量(liang)變化規律如圖2-132所示，在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa時，M2C碳(tan)(tan)化物相(xiang)中(zhong)的鉬(mu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)平衡分(fen)配(pei)系數(shu)增量(liang)始(shi)終(zhong)大于(yu)(yu)(yu)奧(ao)氏體γ相(xiang)中(zhong)的平衡分(fen)配(pei)系數(shu)增量(liang)。由此(ci)可知(zhi)，共(gong)晶反應(ying)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，相(xiang)比于(yu)(yu)(yu)奧(ao)氏體γ相(xiang)，鉬(mu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)更(geng)偏向于(yu)(yu)(yu)在(zai)(zai)M2C相(xiang)中(zhong)富(fu)集。

  在0.1~2MPa壓(ya)力范(fan)(fan)圍內(nei)，加(jia)(jia)壓(ya)對Mo元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)平衡分(fen)(fen)(fen)配系(xi)數影(ying)響(xiang)非常小，變(bian)化(hua)量為10-6~10-5,可(ke)(ke)忽略不計(ji)，因(yin)而在低壓(ya)范(fan)(fan)圍內(nei)，增加(jia)(jia)壓(ya)力不能通(tong)過改變(bian)元(yuan)素(su)平衡分(fen)(fen)(fen)配系(xi)數而影(ying)響(xiang)相(xiang)(xiang)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)。除平衡分(fen)(fen)(fen)配系(xi)數以外，鑄(zhu)錠凝(ning)固過程中溶質(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)配情況與元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)傳質(zhi)行為有關。在M42鑄(zhu)錠凝(ning)固末期的(de)(de)(de)共(gong)晶反(fan)應L→M2C+y過程中存在M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)和(he)奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)之間的(de)(de)(de)溶質(zhi)再分(fen)(fen)(fen)配：液相(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)M2C形成(cheng)元(yuan)素(su)（鉬、鎢、釩和(he)鉻）通(tong)過凝(ning)固前沿固／液界面向(xiang)M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)富(fu)集，同時奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)形成(cheng)元(yuan)素(su)（鈷、鐵(tie)）則向(xiang)奧氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)富(fu)集，整個反(fan)應發生(sheng)在凝(ning)固末期的(de)(de)(de)枝晶間小熔(rong)池內(nei)，此(ci)時液相(xiang)(xiang)流動很弱，元(yuan)素(su)對流傳質(zhi)行為可(ke)(ke)忽略，因(yin)而溶質(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)配主要與相(xiang)(xiang)中元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)擴散傳質(zhi)行為有關。

  根據菲克第(di)一定律(lv)公式（2-178)可知，擴散(san)系(xi)數(shu)D與溫(wen)度(du)T呈反比(bi)關(guan)系(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形(xing)成元素的(de)擴散(san)系(xi)數(shu)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變化(hua)關(guan)系(xi)。在(zai)凝固壓力(li)不變時，溫(wen)度(du)的(de)降(jiang)低會顯著減小擴散(san)系(xi)數(shu)，在(zai)低壓范(fan)圍內，相(xiang)對(dui)于凝固壓力(li)變化(hua)，溫(wen)度(du)變化(hua)對(dui)擴散(san)系(xi)數(shu)D具有更(geng)明顯的(de)影響。

  增大壓力(li)具有顯著強化冷卻(que)和(he)(he)減少鑄(zhu)錠(ding)局部凝(ning)(ning)固時間(jian)的(de)作(zuo)用(yong)。由此可知，對(dui)于0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa壓力(li)下(xia)(xia)的(de)鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)(ning)固過程，在相(xiang)同的(de)凝(ning)(ning)固時間(jian)內(nei)，在較(jiao)高(gao)壓力(li)下(xia)(xia)凝(ning)(ning)固的(de)鑄(zhu)錠(ding)冷卻(que)更快，溫度更低(di)，其元(yuan)素擴散(san)系數(shu)則相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)，導致(zhi)元(yuan)素擴散(san)速(su)率減小，使得M2C共晶碳(tan)化物中釩(fan)、鎢、鉻和(he)(he)鉬元(yuan)素含量(liang)降低(di)，碳(tan)化物間(jian)基體的(de)合金元(yuan)素含量(liang)升高(gao)，降低(di)了M2C碳(tan)化物和(he)(he)奧(ao)氏體γ相(xiang)之間(jian)的(de)成(cheng)分(fen)差(cha)異性，提高(gao)了M42凝(ning)(ning)固組織成(cheng)分(fen)的(de)均勻性。

  c. 碳(tan)化物形貌

   M2C碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物明顯具有(you)各(ge)向異(yi)性的(de)(de)生長方(fang)式(shi)，形貌(mao)具有(you)小(xiao)(xiao)平(ping)面(mian)向的(de)(de)特性。共(gong)晶組織的(de)(de)形貌(mao)與(yu)共(gong)晶過程中液／固界面(mian)結構(gou)有(you)密切聯系，金屬(shu)相(xiang)(xiang)(xiang)－金屬(shu)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶屬(shu)于小(xiao)(xiao)平(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)－非小(xiao)(xiao)平(ping)面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)晶［146].M2C是通過凝(ning)固末期枝(zhi)(zhi)晶間熔池(chi)里的(de)(de)共(gong)晶反M2C共(gong)晶碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物形成于凝(ning)固末期枝(zhi)(zhi)晶間殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)中，根(gen)據凝(ning)固原理。枝(zhi)(zhi)晶間殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)中元素含(han)量(liang)明顯高于鑄錠標準含(han)量(liang)。不(bu)同壓力下枝(zhi)(zhi)晶間液相(xiang)(xiang)(xiang)中各(ge)相(xiang)(xiang)(xiang)出現(xian)的(de)(de)先后(hou)順序，如圖2-135所示(shi)，在不(bu)同壓力下，M2C均(jun)領先奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ出現(xian)。這表(biao)明，在共(gong)晶反應L→y+M2C過程中，M2C是領先相(xiang)(xiang)(xiang)。

  在共晶凝固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)(de)(de)快速(su)(su)生(sheng)(sheng)長(chang)方(fang)向(xiang)率(lv)(lv)(lv)先進(jin)入共生(sheng)(sheng)界(jie)面(mian)(mian)前方(fang)的(de)(de)(de)(de)(de)液體(ti)(ti)中(zhong)，同時(shi)在其附近液層(ceng)(ceng)中(zhong)排出奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)形成(cheng)元素(su)；隨后奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠(kao)此液層(ceng)(ceng)獲得(de)生(sheng)(sheng)長(chang)組元，跟隨著(zhu)(zhu)M2C一(yi)(yi)起長(chang)大(da)，同時(shi)也向(xiang)液層(ceng)(ceng)中(zhong)排出M2C形成(cheng)元素(su)，如(ru)圖2-136所示。隨著(zhu)(zhu)凝固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，凝固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)增(zeng)(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)均加(jia)快。一(yi)(yi)方(fang)面(mian)(mian)，M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)(jian)距隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)逐漸(jian)減小(xiao)(xiao)，即奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)液／固(gu)(gu)界(jie)面(mian)(mian)變窄(zhai)；另(ling)一(yi)(yi)方(fang)面(mian)(mian)，加(jia)壓(ya)使得(de)枝(zhi)晶間(jian)(jian)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)合(he)金元素(su)沒有足夠時(shi)間(jian)(jian)進(jin)行(xing)充分擴散；導(dao)致(zhi)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)液／固(gu)(gu)界(jie)面(mian)(mian)前沿合(he)金元素(su)濃(nong)度(du)急劇增(zeng)(zeng)大(da)，成(cheng)分過冷(leng)(leng)加(jia)劇，奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)大(da)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)進(jin)一(yi)(yi)步增(zeng)(zeng)大(da)，使得(de)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)差逐漸(jian)縮小(xiao)(xiao)。此外(wai)，奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作為(wei)非小(xiao)(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)(sheng)長(chang)所需過冷(leng)(leng)度(du)遠小(xiao)(xiao)于小(xiao)(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物，使得(de)在凝固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)增(zeng)(zeng)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)增(zeng)(zeng)量(liang)大(da)于M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)(lv)增(zeng)(zeng)量(liang)。因此，隨著(zhu)(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，枝(zhi)晶間(jian)(jian)共晶組織中(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)(de)含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)多，使得(de)M2C碳(tan)化(hua)物的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)空間(jian)(jian)受到“排擠(ji)”，含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對減少，最終M2C碳(tan)化(hua)物逐漸(jian)呈現(xian)出被奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷(duan)”進(jin)而變短的(de)(de)(de)(de)(de)形貌，如(ru)圖2-134所示。

四、夾雜物分布

   夾雜物(wu)(wu)是(shi)影響鋼(gang)錠質量的(de)(de)一個重要因(yin)素(su)。鋼(gang)中(zhong)夾雜物(wu)(wu)主要包括冶煉過程中(zhong)進(jin)行脫氧處理形(xing)成的(de)(de)脫氧產物(wu)(wu)、凝(ning)固過程元素(su)溶(rong)解度下降形(xing)成的(de)(de)氧化物(wu)(wu)、氮(dan)化物(wu)(wu)、硫化物(wu)(wu)等化合物(wu)(wu)以及爐渣和由于(yu)沖刷而進(jin)入鋼(gang)液的(de)(de)耐火(huo)材料。

   根(gen)據夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來源，可以(yi)將鋼中的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)為(wei)兩類:①外生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大(da)部分(fen)(fen)為(wei)復(fu)合氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)，主要(yao)是由(you)(you)于(yu)(yu)鋼液接觸空氣生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以(yi)及進入鋼液的(de)爐(lu)渣、耐(nai)火(huo)材料組成(cheng)。外生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外形不規則、尺寸(cun)大(da)、構成(cheng)復(fu)雜(za)(za)(za)，常常位于(yu)(yu)鋼的(de)表層，具有嚴重的(de)危害性。②內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是由(you)(you)于(yu)(yu)脫(tuo)氧、鋼水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)(hua)反應(ying)而形成(cheng)的(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)鋼液中數量較多，分(fen)(fen)布均勻，顆粒(li)細小。由(you)(you)于(yu)(yu)形成(cheng)時間不同(tong)，內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可分(fen)(fen)為(wei)：鋼液脫(tuo)氧時期生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)的(de)氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為(wei)原生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或(huo)一次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫(wen)度(du)降低造成(cheng)化(hua)(hua)(hua)學(xue)反應(ying)平衡的(de)移動進而析出二次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)(you)于(yu)(yu)溶質元素偏析和溶解度(du)變化(hua)(hua)(hua)而析出的(de)三次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。

   夾(jia)雜(za)物(wu)作(zuo)為凝固(gu)組織的(de)重要組成(cheng)部(bu)分(fen)(fen)，其特性(xing)至關(guan)重要，對(dui)于(yu)進一(yi)步揭示(shi)加(jia)壓冶金(jin)的(de)優勢十(shi)分(fen)(fen)關(guan)鍵。非金(jin)屬(shu)(shu)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)特性(xing)（數量(liang)、尺寸和(he)分(fen)(fen)布等(deng)(deng)(deng)）對(dui)鋼的(de)性(xing)能（力學性(xing)能和(he)腐蝕等(deng)(deng)(deng)）有(you)重要影(ying)(ying)響。同時，改善(shan)鋼中(zhong)(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)分(fen)(fen)布情況并盡可(ke)能徹底地去除非金(jin)屬(shu)(shu)夾(jia)雜(za)物(wu)可(ke)以(yi)有(you)效地減少缺陷和(he)提高性(xing)能。為了(le)改善(shan)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)分(fen)(fen)布，施加(jia)在夾(jia)雜(za)物(wu)上的(de)力包括重力、浮(fu)力、曳(ye)力，附(fu)加(jia)質量(liang)力、升力和(he)反彈力等(deng)(deng)(deng)起著關(guan)鍵作(zuo)用。這些力主要是通(tong)過(guo)(guo)溫度、流場、重力場和(he)電磁場等(deng)(deng)(deng)物(wu)理場來(lai)確定。因此，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)(guo)采(cai)取一(yi)系列(lie)措施優化物(wu)理場來(lai)改善(shan)夾(jia)雜(za)物(wu)分(fen)(fen)布。例(li)如，鋼包中(zhong)(zhong)使用的(de)氣體攪拌(ban)、連鑄(zhu)(zhu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)添(tian)加(jia)磁場。對(dui)于(yu)加(jia)壓冶金(jin)，壓力是關(guan)鍵因素(su)。目前，已經證實(shi)加(jia)壓會在各(ge)個方(fang)面影(ying)(ying)響凝固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)物(wu)理場，包括加(jia)壓通(tong)過(guo)(guo)加(jia)快鑄(zhu)(zhu)錠的(de)冷卻速率和(he)加(jia)強鑄(zhu)(zhu)錠與(yu)鑄(zhu)(zhu)模之間(jian)的(de)熱交換來(lai)改變溫度場，通(tong)過(guo)(guo)改變糊(hu)狀區域(yu)的(de)大(da)小(xiao)和(he)枝晶結(jie)構影(ying)(ying)響流場等(deng)(deng)(deng)。

   因(yin)此，可以認為在凝(ning)固過(guo)程中壓(ya)力(li)(li)具有改變夾雜(za)物(wu)分布(bu)的(de)(de)能力(li)(li)，并且壓(ya)力(li)(li)對(dui)夾雜(za)物(wu)分布(bu)的(de)(de)影響機制(zhi)非常復(fu)雜(za)，然而，關于(yu)加壓(ya)對(dui)夾雜(za)物(wu)分布(bu)變化的(de)(de)影響研究相對(dui)較少。這表(biao)明加壓(ya)對(dui)凝(ning)固組織(zhi)的(de)(de)影響機理尚未全面闡明。

 1. 夾(jia)雜物分布分析模型

   在實際凝固(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，夾雜物(wu)的(de)(de)受力(li)情況、運動(dong)軌跡(ji)很難通(tong)過(guo)實驗進行(xing)測量。數值模(mo)擬提供了(le)一(yi)種可以深(shen)入了(le)解某些無法(fa)通(tong)過(guo)實驗評估的(de)(de)現象的(de)(de)方法(fa)。這些現象包括夾雜物(wu)的(de)(de)運動(dong)軌跡(ji)，作用于夾雜物(wu)的(de)(de)力(li)和夾雜物(wu)的(de)(de)速度等。根(gen)據(ju)電渣、連鑄和鋼(gang)包精煉等過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)相關研究，數值模(mo)擬是一(yi)種非(fei)常有效的(de)(de)研究夾雜物(wu)運動(dong)行(xing)為的(de)(de)方法(fa)。

   鋼液(ye)(ye)凝固過程涉及(ji)熱(re)量傳遞(di)、質量傳輸、動量傳輸、相(xiang)(xiang)(xiang)轉變(bian)和(he)晶粒(li)形核長大等(deng)一(yi)系列復雜(za)的(de)物理化學(xue)現(xian)象(xiang)，同時(shi)存在(zai)金(jin)屬(shu)固相(xiang)(xiang)(xiang)、金(jin)屬(shu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)、氣相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)夾雜(za)物相(xiang)(xiang)(xiang)等(deng)多個相(xiang)(xiang)(xiang)之間(jian)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用，適合應(ying)用歐(ou)拉(la)(la)多項(xiang)流(liu)模(mo)(mo)型進行計(ji)算求(qiu)解。其中(zhong)，根(gen)據(ju)對夾雜(za)物運動行為(wei)處(chu)理方式，夾雜(za)物分布分析模(mo)(mo)型可以分為(wei)歐(ou)拉(la)(la)－拉(la)(la)格(ge)朗日模(mo)(mo)型和(he)歐(ou)拉(la)(la)－歐(ou)拉(la)(la)模(mo)(mo)型。

 a. 歐拉(la)－拉(la)格朗日(ri)模(mo)型歐拉(la)－

   拉(la)格(ge)朗日離散(san)相(xiang)模型(xing)(xing)(xing)是在歐拉(la)模型(xing)(xing)(xing)的(de)基(ji)礎(chu)上，將夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)相(xiang)處(chu)理成(cheng)離散(san)相(xiang)，而(er)(er)流體相(xiang)處(chu)理為連(lian)續相(xiang)。根(gen)據(ju)球(qiu)型(xing)(xing)(xing)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)受力分(fen)析(xi)，基(ji)于(yu)牛頓第二定律，建(jian)立夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)模型(xing)(xing)(xing)，并與鋼液凝固(gu)模型(xing)(xing)(xing)耦合，從而(er)(er)模擬夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)在凝固(gu)過程運(yun)動(dong)行(xing)為。該(gai)模型(xing)(xing)(xing)可以跟(gen)蹤每個夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)顆(ke)粒并獲得其(qi)速度、運(yun)動(dong)軌(gui)跡以及夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)去除過程中的(de)動(dong)力學(xue)行(xing)為。此外，該(gai)模型(xing)(xing)(xing)是基(ji)于(yu)離散(san)相(xiang)體積比(bi)例相(xiang)對較低的(de)基(ji)本假設而(er)(er)建(jian)立。

   夾(jia)雜(za)物(wu)在(zai)鋼液中的(de)(de)(de)運動(dong)，主要是各種力的(de)(de)(de)共同作用造成的(de)(de)(de)。夾(jia)雜(za)物(wu)在(zai)鋼液中受(shou)力情況如(ru)圖2-137所示(shi)。可以看(kan)出，夾(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)受(shou)到主要作用力分別(bie)為：由于顆粒(li)自身性質引起的(de)(de)(de)力，如(ru)重力、浮力等；由于顆粒(li)與流體之間存在(zai)相對運動(dong)而產生的(de)(de)(de)力，如(ru)升力（Saffman)、附加質量(liang)力、曳力和Magnus力等；細小(xiao)夾(jia)雜(za)物(wu)在(zai)高(gao)溫條(tiao)件下受(shou)的(de)(de)(de)布朗（Brown)力等。

（1)曳(ye)力(li)。

   在(zai)鋼液流(liu)場內(nei)黏性流(liu)體(ti)(ti)與顆(ke)(ke)粒之間存在(zai)相對運(yun)動，由黏性流(liu)體(ti)(ti)施加的曳力(li)使(shi)得夾(jia)雜(za)物顆(ke)(ke)粒趨向于跟(gen)隨(sui)流(liu)體(ti)(ti)運(yun)動。曳力(li)是夾(jia)雜(za)物顆(ke)(ke)粒在(zai)凝(ning)固(gu)過程中的主(zhu)要受力(li)之一(yi)。計(ji)算公(gong)式(shi)如(ru)下：

（2)浮(fu)力(li)和重力(li)。

   在豎直方向上，夾(jia)雜(za)物顆粒(li)受到與相對(dui)運動(dong)無關的力(li)，包括重力(li)和浮力(li)，其(qi)

（3)附加質量(liang)力。

   當鋼(gang)液與夾(jia)雜(za)(za)物顆(ke)粒(li)存(cun)在(zai)相對運動(dong)時，夾(jia)雜(za)(za)物顆(ke)粒(li)會帶動(dong)其(qi)(qi)附近的(de)部分(fen)(fen)鋼(gang)液做加(jia)(jia)速運動(dong)，此時推動(dong)夾(jia)雜(za)(za)物顆(ke)粒(li)運動(dong)的(de)力大(da)于(yu)其(qi)(qi)顆(ke)粒(li)本身慣(guan)(guan)性(xing)(xing)力，這部分(fen)(fen)大(da)于(yu)夾(jia)雜(za)(za)物顆(ke)粒(li)本身慣(guan)(guan)性(xing)(xing)力的(de)力即(ji)為(wei)附加(jia)(jia)質量力。其(qi)(qi)計(ji)算公式為(wei)

  通過運用(yong)歐拉－拉格朗日模(mo)型(xing)對鋼液(ye)凝固過程進行(xing)模(mo)擬(ni)計算時，可以得出隨著溫度場(chang)(chang)和流場(chang)(chang)的變化，每個球形夾(jia)雜物顆粒在鋼液(ye)中的運動(dong)軌跡和分布。

 b. 歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模型

   拉(la)格朗日模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)是(shi)研(yan)究夾雜物顆粒(li)(li)(li)在(zai)(zai)鋼液中運動(dong)行(xing)為主要的(de)(de)(de)方(fang)(fang)法，但在(zai)(zai)實際的(de)(de)(de)應用(yong)中存在(zai)(zai)一些不(bu)足，例如，拉(la)格朗日模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)是(shi)針(zhen)對(dui)單一粒(li)(li)(li)子進行(xing)計算(suan)，當同(tong)時(shi)追蹤多個粒(li)(li)(li)子時(shi)，計算(suan)量過大，難以進行(xing)。相較于拉(la)格朗日模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)，歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)中夾雜物相的(de)(de)(de)控(kong)制方(fang)(fang)程與流(liu)體連(lian)續(xu)相的(de)(de)(de)控(kong)制方(fang)(fang)程相似，運算(suan)相對(dui)高效，能夠同(tong)時(shi)描述多種夾雜物顆粒(li)(li)(li)在(zai)(zai)凝固過程中的(de)(de)(de)分布特(te)征。歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)與歐拉(la)－拉(la)格朗日模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)相比，主要差別(bie)是(shi)夾雜物相的(de)(de)(de)動(dong)量方(fang)(fang)程存在(zai)(zai)差別(bie)，歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)夾雜物動(dong)量方(fang)(fang)程表達式為

 2. 模鑄過程中夾雜物(wu)的受力分析(xi)

  模鑄過程(cheng)中，夾雜物所(suo)受作用力(li)(li)包括(kuo)熱浮(fu)力(li)(li)、重(zhong)力(li)(li)、附加質量力(li)(li)、升力(li)(li)以(yi)及(ji)相間作用力(li)(li)等(deng)，具體(ti)受力(li)(li)情況如圖(tu)2-138所(suo)示。

   流(liu)場(chang)(chang)對夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)分布有關(guan)鍵影響，這直(zhi)接歸因(yin)于(yu)作用于(yu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)阻力(li)。以0.1MPa下H13鑄錠凝(ning)固為(wei)例，鋼(gang)液(ye)、夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)和等(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)(de)流(liu)場(chang)(chang)和速率均顯示(shi)在(zai)圖2-139中(zhong)。隨(sui)著凝(ning)固的(de)(de)(de)進行，鋼(gang)液(ye)受熱浮(fu)力(li)的(de)(de)(de)驅動(dong)逆(ni)時(shi)針(zhen)運動(dong)，如(ru)(ru)圖2-139(a)所(suo)示(shi)。同時(shi)，隨(sui)著重力(li)和浮(fu)力(li)合力(li)的(de)(de)(de)增加，等(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)(de)沉降連續發生(sheng)在(zai)柱狀晶(jing)（tip)的(de)(de)(de)尖端，如(ru)(ru)圖2-139(b)所(suo)示(shi)。如(ru)(ru)圖2-139(c)所(suo)示(shi)，夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)流(liu)場(chang)(chang)中(zhong)出現逆(ni)時(shi)針(zhen)運動(dong)，與鋼(gang)液(ye)相似。這種運動(dong)行為(wei)主(zhu)要是(shi)由作用在(zai)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)上的(de)(de)(de)合力(li)引起的(de)(de)(de)。根據模擬(ni)結(jie)果(guo)，凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)重力(li)，浮(fu)力(li)和阻力(li)在(zai)改(gai)變夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)運動(dong)行為(wei)中(zhong)起著關(guan)鍵作用，因(yin)為(wei)它(ta)們比附加質量力(li)和升(sheng)力(li)大了三(san)個(ge)數量級。重力(li)和浮(fu)力(li)的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)均為(wei)垂直(zhi)方(fang)向(xiang)，因(yin)為(wei)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)密(mi)度低于(yu)液(ye)體的(de)(de)(de)密(mi)度，故其合力(li)Fbg的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)垂直(zhi)向(xiang)上，如(ru)(ru)圖2-139(d)所(suo)示(shi)。

   在整(zheng)個凝(ning)固過程(cheng)中，Fbg保持不變(bian)，并使夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)上浮。相比(bi)(bi)之下(xia)，曳力(li)(li)Fdp是(shi)(shi)向下(xia)的(de)力(li)(li)，具有驅動夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)向下(xia)沉的(de)能力(li)(li)。并且其變(bian)化(hua)是(shi)(shi)復雜(za)的(de)。根據等式（2-204)可(ke)知，曳力(li)(li)與鋼液和夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)之間的(de)速度差(cha)密(mi)切相關(guan)。在頂部和底部，鋼液和夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)速度差(cha)很小(xiao)(xiao)，與Fbg相比(bi)(bi)，Fdp可(ke)以忽略不計。在柱(zhu)狀晶尖端附近的(de)曳力(li)(li)Fdp大于(yu)Fbg,是(shi)(shi)導(dao)致夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)下(xia)沉的(de)關(guan)鍵因素。在鑄錠的(de)中心，Fdp小(xiao)(xiao)于(yu)Fbg,Fbg占主導(dao)，促(cu)使夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)上浮。因此，模鑄過程(cheng)中夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)形成逆時針運動，這主要是(shi)(shi)由重力(li)(li)、浮力(li)(li)和曳力(li)(li)的(de)綜合作用所驅動。

 3. 模鑄過程中(zhong)壓力對(dui)夾(jia)雜物分布的影(ying)響

   利用歐拉－歐拉模型在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)獲(huo)得了(le)H13鑄(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)積分數的(de)(de)等值線，如圖2-140所(suo)示。每個(ge)鑄(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)中都存在(zai)三(san)個(ge)主(zhu)要的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)（I、和III),其中，II區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)度(du)(du)最低，III區(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)度(du)(du)最高，I區(qu)(qu)次之(zhi)。三(san)個(ge)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)域主(zhu)要由夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)逆時針運動(dong)(dong)以及被(bei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕(bu)集(ji)的(de)(de)綜合作用所(suo)導致。以0.1MPa 壓力下(xia)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分布為例，遠離(li)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)逆時針運動(dong)(dong)過程(cheng)中逐(zhu)漸(jian)上浮并富(fu)(fu)(fu)集(ji)到鑄(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)頂部(bu)，如圖 2-140(c)所(suo)示。鑄(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)頂部(bu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)一部(bu)分被(bei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕(bu)獲(huo)，形成了(le)I區(qu)(qu)，其余部(bu)分沿逆時針方向移動(dong)(dong)，運動(dong)(dong)方向幾(ji)乎垂直于糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)法向量。與(yu)之(zhi)相比(bi)，在(zai)II和III區(qu)(qu)域內(nei)，夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)運動(dong)(dong)方向與(yu)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)法向量成鈍角，因而(er)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)更(geng)加(jia)趨(qu)向于被(bei)II和III區(qu)(qu)域內(nei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)所(suo)捕(bu)獲(huo)，如圖2-141所(suo)示，導致夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)II和III的(de)(de)形成。同(tong)時，III區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)富(fu)(fu)(fu)集(ji)程(cheng)度(du)(du)最高，原因是糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)較(jiao)寬，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)捕(bu)獲(huo)能力越(yue)強，富(fu)(fu)(fu)集(ji)趨(qu)勢更(geng)明(ming)顯。

   隨(sui)(sui)著壓(ya)(ya)力從0.1MPa增(zeng)加到(dao)2MPa,I、II和III區(qu)夾雜物(wu)(wu)的富集度降低，如2-140(b)所示，夾雜物(wu)(wu)體積分(fen)(fen)數的最大(da)增(zeng)量 4max隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)力的增(zeng)加而(er)減小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分(fen)(fen)別為(wei)4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明隨(sui)(sui)著凝固壓(ya)(ya)力增(zeng)加至2MPa,鑄錠中夾雜物(wu)(wu)分(fen)(fen)布(bu)更加均勻。

   糊(hu)(hu)(hu)(hu)狀區(qu)(qu)捕獲(huo)(huo)夾雜(za)(za)(za)物和夾雜(za)(za)(za)物從糊(hu)(hu)(hu)(hu)狀區(qu)(qu)逃脫(tuo)的(de)能力(li)對夾雜(za)(za)(za)物分布(bu)至關重要。結合液(ye)相(xiang)線／固(gu)相(xiang)線溫(wen)度(du)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)變(bian)(bian)化規律可知(zhi)，凝固(gu)區(qu)(qu)間變(bian)(bian)化很小，當壓(ya)(ya)(ya)力(li)從0.1MPa增加(jia)(jia)到2MPa時可以忽略不計。因(yin)此(ci)(ci)，糊(hu)(hu)(hu)(hu)狀區(qu)(qu)寬度(du)主要由溫(wen)度(du)梯度(du)決(jue)定。如(ru)圖2-142(b)所示(shi)，由于增加(jia)(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)后(hou)提高(gao)了冷卻速率(lv)導致高(gao)壓(ya)(ya)(ya)下溫(wen)度(du)梯度(du)更大。在較(jiao)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下，糊(hu)(hu)(hu)(hu)狀區(qu)(qu)域(yu)的(de)長度(du)變(bian)(bian)短［150].另外，以圖2-142(a)中(zhong)的(de)A點為(wei)例，凝固(gu)時間隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)增加(jia)(jia)而(er)顯著減少，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分別(bie)為(wei)292s、272s和247s,凝固(gu)速率(lv)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)增加(jia)(jia)而(er)增加(jia)(jia)。進而(er)表明(ming)，在較(jiao)高(gao)的(de)凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下糊(hu)(hu)(hu)(hu)狀區(qu)(qu)的(de)長度(du)較(jiao)小且凝固(gu)速率(lv)較(jiao)高(gao)，因(yin)此(ci)(ci)糊(hu)(hu)(hu)(hu)狀區(qu)(qu)捕獲(huo)(huo)夾雜(za)(za)(za)物的(de)能力(li)變(bian)(bian)弱。

   A、B和(he)(he)C點(dian)夾雜(za)(za)物(wu)速(su)度(du)隨(sui)液相(xiang)體積(ji)(ji)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)變化如圖2-143所示。高(gao)溫度(du)梯度(du)通過(guo)增(zeng)大熱浮力來強化鋼液對流。另(ling)外，研究(jiu)了糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)中(zhong)夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)速(su)度(du)隨(sui)曳力改的(de)(de)相(xiang)應變化。凝固(gu)初期，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)中(zhong)的(de)(de)夾雜(za)(za)物(wu)運動速(su)度(du)隨(sui)著壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)大，在(zai)凝固(gu)后(hou)期，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)內(nei)夾雜(za)(za)物(wu)幾乎(hu)完(wan)全停止運動時(shi)液相(xiang)體積(ji)(ji)分(fen)(fen)數(shu)隨(sui)著壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)降低。以點(dian)A為例，凝固(gu)初期（f=0.98),在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)夾雜(za)(za)物(wu)速(su)度(du)分(fen)(fen)別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)(he)1.52×10-3m/s.當糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)速(su)度(du)降低到5x10-5m/s時(shi)，0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)的(de)(de)液相(xiang)體積(ji)(ji)分(fen)(fen)數(shu)分(fen)(fen)別為0.74、0.68和(he)(he)0.62.這意味著夾雜(za)(za)物(wu)從(cong)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)逸出的(de)(de)能力隨(sui)壓(ya)力增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)強。

   綜上(shang)所述，增加壓力可以顯著抑制糊(hu)狀區(qu)中夾雜(za)物(wu)(wu)的富(fu)集，并通過降低糊(hu)狀區(qu)捕獲(huo)夾雜(za)物(wu)(wu)的能(neng)(neng)力，提高夾雜(za)物(wu)(wu)從糊(hu)狀區(qu)中逸出的能(neng)(neng)力，使鑄錠內夾雜(za)物(wu)(wu)分布更加均勻(yun)。