壓(ya)(ya)(ya)力(li)對鑄(zhu)錠的凝固相(xiang)變和組(zu)織(zhi)有十分重(zhong)要的影響，如(ru)壓(ya)(ya)(ya)力(li)能提高晶粒形(xing)核(he)(he)速率，減(jian)小(xiao)臨界(jie)形(xing)核(he)(he)半徑，增(zeng)大冷(leng)卻速率，細化枝晶組(zu)織(zhi)，減(jian)輕或消(xiao)除凝固缺陷（疏松(song)、縮孔(kong)、氣(qi)孔(kong)和偏(pian)析）以及(ji)改變析出相(xiang)形(xing)貌和類型等。由于鋼鐵材料固／液相(xiang)線溫度較高，加壓(ya)(ya)(ya)難度相(xiang)對較大，不(bu)過，較低壓(ya)(ya)(ya)力(li)依(yi)然具有改善鑄(zhu)型和鑄(zhu)錠間(jian)換(huan)熱(re)條(tiao)件、打破液相(xiang)中氮氣(qi)泡等壓(ya)(ya)(ya)力(li)平衡的能力(li)，進而達到(dao)改善鋼鐵凝固組(zu)織(zhi)，減(jian)輕或消(xiao)除凝固缺陷等目(mu)的。
一、枝(zhi)晶組織
枝晶(jing)組織的(de)出(chu)現和生長與液(ye)(ye)相中(zhong)的(de)成(cheng)分(fen)過冷(leng)密不可分(fen)，當凝固界(jie)面(mian)出(chu)現擾動(dong)導致液(ye)(ye)相出(chu)現局部成(cheng)分(fen)過冷(leng)時(shi)，液(ye)(ye)相中(zhong)就具(ju)備了促(cu)使界(jie)面(mian)發生波動(dong)的(de)驅動(dong)力，進一步(bu)增大了凝固界(jie)面(mian)的(de)不穩定(ding)性，從而使凝固界(jie)面(mian)從平(ping)面(mian)狀(zhuang)向(xiang)樹(shu)枝狀(zhuang)轉(zhuan)變，形成(cheng)枝晶(jing)組織，液(ye)(ye)相中(zhong)成(cheng)分(fen)過冷(leng)的(de)判據為
式中(zhong)，GrL為(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)溫度(du)梯度(du)；v為(wei)(wei)凝(ning)固(gu)速率(lv)；m為(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜(xie)(xie)率(lv)；CL為(wei)(wei)凝(ning)固(gu)界面處液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)；DL為(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)擴散(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)；ko為(wei)(wei)溶(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配系(xi)(xi)數(shu)。在不考慮(lv)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)強化冷卻（即GrL保持恒定）情(qing)況下，壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)可通過(guo)改(gai)變(bian)液相(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜(xie)(xie)率(lv)、擴散(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)和溶(rong)質(zhi)(zhi)分(fen)配系(xi)(xi)數(shu)等(deng)凝(ning)固(gu)參數(shu)，改(gai)變(bian)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)形(xing)(xing)貌甚至凝(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)組(zu)(zu)(zu)(zu)成(cheng)。Zhang等(deng)對比了(le)高(gao)(gao)(gao)錳鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在常(chang)壓(ya)(ya)和6GPa下的(de)(de)凝(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)。發現高(gao)(gao)(gao)錳鋼(gang)高(gao)(gao)(gao)壓(ya)(ya)下的(de)(de)凝(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)包含細小等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)和柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)，與常(chang)壓(ya)(ya)下的(de)(de)凝(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)截然不同（圖2-107).晶(jing)(jing)(jing)粒(li)尺寸統計結果表(biao)明，高(gao)(gao)(gao)錳鋼(gang)在常(chang)壓(ya)(ya)下的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)尺寸為(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下為(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)細化晶(jing)(jing)(jing)粒(li)可達21倍之多，主要歸因于(yu)(yu)增(zeng)(zeng)加(jia)凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)降低了(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)(zhi)擴散(san)(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)以及增(zeng)(zeng)大了(le)擴散(san)(san)(san)激活能，進而增(zeng)(zeng)大了(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)成(cheng)分(fen)過(guo)冷度(du)，在抑制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)生長的(de)(de)同時增(zeng)(zeng)大了(le)形(xing)(xing)核(he)率(lv)［129,153],從(cong)(cong)而使得高(gao)(gao)(gao)錳鋼(gang)凝(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)逐步向(xiang)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)轉(zhuan)變(bian)，且細化十分(fen)顯著(zhu)。Kashchiev和Vasudevan等(deng)的(de)(de)研究(jiu)表(biao)明。在凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)，當(dang)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體積小于(yu)(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體積時，加(jia)壓(ya)(ya)有(you)助于(yu)(yu)提(ti)高(gao)(gao)(gao)形(xing)(xing)核(he)率(lv)，起到細化凝(ning)固(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)作用，大多數(shu)金屬合金屬于(yu)(yu)此(ci)類；反之，加(jia)壓(ya)(ya)將抑制晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)形(xing)(xing)核(he)，如(ru)水(shui)凝(ning)固(gu)成(cheng)冰。此(ci)外，壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)還能夠抑制枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)沿壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)梯度(du)方向(xiang)的(de)(de)生長,從(cong)(cong)而導(dao)致(zhi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)和微觀偏析呈現方向(xiang)性。
為(wei)了(le)準(zhun)確地(di)論述壓力(li)對(dui)凝(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)的(de)影(ying)響規律，本節將以19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)和M42工具鋼(gang)加壓凝(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)為(wei)例，詳(xiang)細分析壓力(li)對(dui)枝晶組織(zhi)、析出相等(deng)的(de)影(ying)響。
1. 柱狀晶(jing)向等軸晶(jing)轉變（CET)
鑄錠的(de)(de)(de)(de)(de)宏觀(guan)組織主(zhu)要(yao)由晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌、尺寸以(yi)(yi)(yi)及(ji)取向(xiang)(xiang)分布等(deng)(deng)(deng)構成(cheng)，在合金(jin)成(cheng)分一定的(de)(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下，它主(zhu)要(yao)取決于(yu)鋼液在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)冷卻條件(jian)（包括(kuo)澆注溫度(du)和(he)鑄型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)冷卻效(xiao)果等(deng)(deng)(deng)。鑄錠的(de)(de)(de)(de)(de)典型(xing)宏觀(guan)組織可(ke)分為(wei)三個區(qu)(qu)(qu)：表層(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)、柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)以(yi)(yi)(yi)及(ji)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。表層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)是由于(yu)鋼液在鑄型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)激(ji)冷作用下，具有較大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)過冷度(du)，進而(er)(er)(er)在鑄型(xing)壁面以(yi)(yi)(yi)異(yi)質形(xing)(xing)核(he)的(de)(de)(de)(de)(de)方式大(da)量形(xing)(xing)核(he)并長(chang)大(da)，最后形(xing)(xing)成(cheng)細小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，即表層(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。隨(sui)著凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)(de)(de)進行，表層(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)逐(zhu)步形(xing)(xing)成(cheng)金(jin)屬外殼，使得傳熱具備單向(xiang)(xiang)性，有助于(yu)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)沿傳熱方向(xiang)(xiang)生長(chang)，呈現出方向(xiang)(xiang)性，從而(er)(er)(er)形(xing)(xing)成(cheng)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，也(ye)導致了表層(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域窄(zhai)小(xiao)，厚度(du)通(tong)常為(wei)幾毫米。在后續(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)，伴隨(sui)著凝(ning)固(gu)潛熱的(de)(de)(de)(de)(de)釋放，凝(ning)固(gu)前(qian)沿溫度(du)梯度(du)減(jian)小(xiao)，傳熱的(de)(de)(de)(de)(de)單向(xiang)(xiang)性減(jian)弱(ruo)，成(cheng)分過冷度(du)增(zeng)大(da)，進而(er)(er)(er)使得晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)生長(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)性減(jian)弱(ruo)，抑制(zhi)了柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)生長(chang)，同(tong)時也(ye)促進了鑄錠心(xin)部(bu)異(yi)質形(xing)(xing)核(he)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)生，從而(er)(er)(er)有助于(yu)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變，最終形(xing)(xing)成(cheng)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。
因此(ci)(ci)(ci)，鑄(zhu)(zhu)錠有(you)兩(liang)類枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組織，即等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通常采用(yong)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距和(he)(he)(he)CET位置對其進行表征。圖2-108(a)給出了(le)凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)分(fen)(fen)別(bie)(bie)為0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa的(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠縱剖面上(shang)(shang)的(de)(de)宏(hong)觀組織；CET位置到鑄(zhu)(zhu)錠邊部(bu)距離的(de)(de)統計平均值分(fen)(fen)別(bie)(bie)為19.8mm、22.1mm和(he)(he)(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)量可達7.6mm,如圖2-108(b)所(suo)示。統計結(jie)果表明(ming)，隨著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，CET 位置逐漸由(you)邊部(bu)向(xiang)心(xin)(xin)部(bu)移(yi)動(dong)，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區區域增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，中(zhong)心(xin)(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區區域減小。根據柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉變(bian)的(de)(de)阻擋判(pan)據可知［156],當柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)處(chu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)(fen)數大(da)(da)(da)于(yu)臨界值時(shi)(shi)，柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)生長(chang)(chang)受到抑(yi)制(zhi)(zhi)而停止，此(ci)(ci)(ci)時(shi)(shi)發生柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區向(xiang)中(zhong)心(xin)(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區轉變(bian)。因此(ci)(ci)(ci)，CET轉變(bian)很大(da)(da)(da)程度(du)上(shang)(shang)取(qu)決(jue)于(yu)中(zhong)心(xin)(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)長(chang)(chang)大(da)(da)(da)。由(you)于(yu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)強(qiang)化冷(leng)(leng)卻(que)效果十分(fen)(fen)明(ming)顯，增(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)加(jia)快(kuai)(kuai)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)，增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)溫度(du)梯度(du)，從而降(jiang)低(di)(di)了(le)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前(qian)沿的(de)(de)成分(fen)(fen)過冷(leng)(leng)度(du)，此(ci)(ci)(ci)時(shi)(shi)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)的(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)長(chang)(chang)大(da)(da)(da)就會受到嚴重阻礙和(he)(he)(he)抑(yi)制(zhi)(zhi);反之，降(jiang)低(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)，有(you)助(zhu)于(yu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)處(chu)的(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)長(chang)(chang)大(da)(da)(da)，從而提前(qian)并(bing)加(jia)快(kuai)(kuai)了(le)CET.因此(ci)(ci)(ci)，當壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)到1.2MPa時(shi)(shi)，壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)通過強(qiang)化冷(leng)(leng)卻(que)擴大(da)(da)(da)了(le)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區，促使CET轉變(bian)位置在徑向(xiang)上(shang)(shang)逐漸由(you)邊部(bu)向(xiang)心(xin)(xin)部(bu)移(yi)動(dong)。此(ci)(ci)(ci)外(wai)，在0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠縱剖面的(de)(de)宏(hong)觀組織中(zhong)均存在較(jiao)窄(zhai)的(de)(de)表層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區。
為了進一步研究壓力(li)對CET的影響規律，在(zai)不考(kao)慮壓力(li)強化冷卻效果(guo)的前提下，對枝(zhi)晶尖端生長(chang)速率v.隨(sui)壓力(li)的變化規律進行理(li)論計算，可采用(yong)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(gu)壓(ya)(ya)力的增加會對枝晶尖端生長(chang)速率產生重要影(ying)響，且壓(ya)(ya)力的增量越(yue)大，影(ying)響越(yue)明(ming)顯。結合實驗和(he)KGT模型理(li)論計算可知，低壓(ya)(ya)下，當凝固(gu)壓(ya)(ya)力從0.5MPa 增加至1.2MPa時(shi)，壓(ya)(ya)力主要通過強化冷卻的方式，使得鑄錠(ding)CET位置逐(zhu)漸由(you)邊(bian)部向(xiang)心部移(yi)動(dong)。
2. 枝晶間距
相(xiang)鄰同次枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)臂之(zhi)間(jian)的(de)垂直距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)稱為枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)(ju)，枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)大小(xiao)表(biao)征了枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織細化程(cheng)度，枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)(ju)越(yue)(yue)小(xiao)，枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織越(yue)(yue)細密［162],通(tong)常考慮(lv)的(de)枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)(ju)有(you)一(yi)次枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)(ju)入1和二次枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)(ju)λ2.一(yi)次枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)(ju)(ju)與凝(ning)固速率v和溫度梯度Gr的(de)關系為
由式（2-191)可知，合金體系一定(ding)時(shi)，分(fen)析局部區(qu)域(yu)冷卻速率v.和(he)(he)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)Gr隨壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化趨(qu)勢，有助(zhu)于闡(chan)明壓力(li)對(dui)一次枝晶間距(ju)λ1的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律(lv)。因局部區(qu)域(yu)冷卻速率vc和(he)(he)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)Gr的(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)量難度(du)(du)較大，可用模擬(ni)(ni)計算的(de)(de)(de)(de)(de)方式獲(huo)得。在(zai)不(bu)(bu)同凝固壓力(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)組織模擬(ni)(ni)過程中，不(bu)(bu)考慮疏松縮(suo)孔對(dui)晶區(qu)分(fen)布的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，模擬(ni)(ni)結果(guo)如圖2-110所示。為(wei)(wei)了(le)更準(zhun)確地找(zhao)到CET位(wei)置，使用平均縱橫(heng)(heng)比（晶粒最短邊(bian)與最長(chang)邊(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)比率）來區(qu)分(fen)柱(zhu)狀晶和(he)(he)等(deng)軸晶：當晶粒的(de)(de)(de)(de)(de)縱橫(heng)(heng)比大于0.4時(shi)，晶粒為(wei)(wei)等(deng)軸晶；當晶粒的(de)(de)(de)(de)(de)縱橫(heng)(heng)比小(xiao)于0.4時(shi)，則為(wei)(wei)柱(zhu)狀晶。根據(ju)阻擋(dang)判據(ju)，等(deng)軸晶體積分(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)臨界值設定(ding)為(wei)(wei)0.49，以此作為(wei)(wei)依據(ju)，19Cr14Mn0.9N含氮鋼在(zai)0.5MPa、0.85MPa 和(he)(he)1.2MPa 壓力(li)下(xia)，CET 位(wei)置在(zai)徑向(xiang)上離鑄錠邊(bian)部的(de)(de)(de)(de)(de)平均距(ju)離分(fen)別為(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)(he)25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)底部(bu)(bu)溫度梯度 Gr和(he)(he)冷卻速(su)率v.隨(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)變化規(gui)律，如圖(tu)2-111所示。在(zai)某一壓(ya)力(li)(li)條件下(xia)，vc和(he)(he)Gr沿徑向(xiang)由(you)(you)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)均呈現逐漸減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)的(de)(de)趨勢(shi)(shi)，結(jie)合式(shi)(shi)（2-190)可(ke)知，一次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距入1與v.和(he)(he)Gr成反比(bi)，因(yin)而1沿徑向(xiang)由(you)(you)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)逐漸增(zeng)大(da)。當壓(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時，在(zai)壓(ya)力(li)(li)強化冷卻的(de)(de)作(zuo)用下(xia)，鑄(zhu)錠(ding)內各(ge)單元體(ti)的(de)(de)vc和(he)(he)Gr隨(sui)之增(zeng)大(da)，且(qie)對(dui)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)緣處(chu)的(de)(de)單元體(ti)影響最大(da)，在(zai)沿徑向(xiang)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移動的(de)(de)過程(cheng)中，壓(ya)力(li)(li)對(dui)vc和(he)(he)Gr的(de)(de)影響逐步減(jian)(jian)(jian)弱。結(jie)合式(shi)(shi)（2-190)可(ke)知，一次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距入1隨(sui)著(zhu)vc和(he)(he)Gr的(de)(de)增(zeng)大(da)呈冪(mi)函數減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)。因(yin)此，隨(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)(li)增(zeng)加，一次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距入1減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)，且(qie)越(yue)靠近(jin)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)，入減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)趨勢(shi)(shi)越(yue)明顯(xian)，即(ji)壓(ya)力(li)(li)對(dui)柱狀晶(jing)一次(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間距的(de)(de)影響大(da)于(yu)中心(xin)等(deng)軸晶(jing)區。
由(you)邊部(bu)(bu)到(dao)心(xin)部(bu)(bu)逐漸增大，結合式（2-192)可知(zhi)，鑄錠(ding)心(xin)部(bu)(bu)的(de)二(er)次枝(zhi)晶間(jian)距入2大于邊部(bu)(bu)；壓(ya)力(li)從0.5MPa增加至1.2MPa時，LST明顯(xian)減小，二(er)次枝(zhi)晶間(jian)距入2也隨之減小。
圖(tu)(tu)2-112 不(bu)(bu)同壓力(li)下距(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠底部(bu)(bu)(bu)130mm處LST計(ji)算(suan)值由于等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)的(de)一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂(bei)彼此(ci)相(xiang)交(jiao)且沿(yan)徑向以幾乎(hu)相(xiang)同的(de)速率向四(si)周(zhou)生長，同時不(bu)(bu)同等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)間(jian)不(bu)(bu)存在(zai)任何確定(ding)的(de)位向關(guan)系(xi)，難以通(tong)過實(shi)驗(yan)對(dui)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)的(de)一(yi)(yi)次(ci)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)進(jin)(jin)行(xing)測(ce)(ce)量(liang)，因此(ci)只對(dui)CET前柱狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)進(jin)(jin)行(xing)測(ce)(ce)量(liang)。圖(tu)(tu)2-113給出了距(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠底部(bu)(bu)(bu)115mm的(de)高(gao)度(du)處一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)入1和(he)二次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)x2的(de)變化規(gui)律，在(zai)某一(yi)(yi)壓力(li)下，沿(yan)徑向由鑄(zhu)錠邊部(bu)(bu)(bu)向心(xin)部(bu)(bu)(bu)移(yi)動的(de)過程中，1和(he)x2逐漸增(zeng)(zeng)大；當壓力(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)加至1.2MPa時，1和(he)入2均呈(cheng)減(jian)小(xiao)的(de)趨勢(shi)。基于埋設熱電偶的(de)測(ce)(ce)溫(wen)結果和(he)式（2-195)可(ke)得，2nd和(he)4h測(ce)(ce)溫(wen)位置處局(ju)部(bu)(bu)(bu)凝固(gu)時間(jian)隨壓力(li)的(de)增(zeng)(zeng)加而縮短，如圖(tu)(tu)2-113(a)所示，從而導(dao)致x2的(de)減(jian)小(xiao)。對(dui)比可(ke)知，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)距(ju)(ju)（λ和(he)ん）和(he)局(ju)部(bu)(bu)(bu)凝固(gu)時間(jian)沿(yan)徑向和(he)隨壓力(li)變化趨勢(shi)的(de)實(shi)驗(yan)與模擬結果一(yi)(yi)致。
綜上所述，增加壓力能夠(gou)明顯減(jian)小枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)（x1和x2),縮短(duan)局部凝固(gu)時(shi)間，細化凝固(gu)組織。鑄錠邊(bian)部和心部試樣的(de)枝(zhi)晶(jing)(jing)形貌如圖2-114所示(shi)，進一步佐證(zheng)了增加壓力具有明顯細化枝(zhi)晶(jing)(jing)組織的(de)作用(yong)，且對柱狀晶(jing)(jing)的(de)影響大(da)于中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)。
3. 晶粒(li)數
鑄錠內(nei)晶(jing)粒數與(yu)晶(jing)粒臨(lin)(lin)界形核半(ban)徑和形核率有直接的關(guan)系，晶(jing)粒臨(lin)(lin)界形核半(ban)徑為：
其(qi)中，Nm為(wei)與液相(xiang)線溫度(du)(du)、凝固(gu)潛熱、擴散激活能以及表面張力(li)(li)(li)有關(guan)的系數(shu)。圖2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)鋼鑄(zhu)錠等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)(li)的變化(hua)規(gui)律。壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)到1.2MPa時，中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)的寬度(du)(du)逐漸減小，最(zui)小值(zhi)為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄(zhu)錠180mm(高）x56mm(寬）等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)(li)的變化(hua)規(gui)律如圖2-115所示。當(dang)凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)到0.85MPa時，晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)目從9166增(zeng)加(jia)到9551;當(dang)凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)進(jin)一(yi)步增(zeng)加(jia)到1.2MPa時，晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)目增(zeng)加(jia)到10128.因此(ci)，提(ti)高凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)，鑄(zhu)錠等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數(shu)明顯增(zeng)大。
在低(di)壓下，如壓力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)至1.2MPa時，液相線溫度(du)(du)(du)(du)、凝固潛熱(re)、擴散(san)激活能(neng)以(yi)及表面張(zhang)力(li)(li)的變量(liang)非常(chang)(chang)小，幾乎(hu)可以(yi)忽略，這樣可以(yi)假設Nm在0.5MPa、晶粒數0.85MPa和1.2MPa下相等，近似為常(chang)(chang)數。提(ti)高(gao)壓力(li)(li)能(neng)夠明顯地增(zeng)(zeng)大(da)(da)鑄錠的溫度(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)（圖(tu)2-111),溫度(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)越大(da)(da)，單(dan)位時間內(nei)從糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)導出結晶潛熱(re)的量(liang)越大(da)(da)，進而提(ti)高(gao)了(le)糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)(du)；反(fan)之(zhi)亦然(ran)，這意味(wei)著(zhu)(zhu)糊狀(zhuang)區(qu)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)(du)與溫度(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)隨壓力(li)(li)的變化趨勢相同，即隨著(zhu)(zhu)壓力(li)(li)的提(ti)高(gao)而增(zeng)(zeng)大(da)(da)。結合式（2-193)和式（2-197)可知，隨著(zhu)(zhu)糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)(du)ΔT的增(zeng)(zeng)加(jia)，晶粒臨(lin)界形(xing)核(he)半徑(jing)rk減(jian)小，形(xing)核(he)率Na增(zeng)(zeng)大(da)(da)，有助于提(ti)高(gao)鑄錠內(nei)晶粒數。因(yin)此，增(zeng)(zeng)加(jia)壓力(li)(li)有利于增(zeng)(zeng)加(jia)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)高度(du)(du)處，晶粒數(shu)(shu)(shu)隨(sui)壓(ya)力的(de)(de)變(bian)化規律(lv)如圖2-116所示(shi)。在某一凝(ning)固(gu)壓(ya)力下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)晶粒數(shu)(shu)(shu)目最大(da)(da)，隨(sui)著離(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)(bu)距(ju)離(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，由于(yu)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區內過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)減(jian)小，晶粒數(shu)(shu)(shu)也隨(sui)之減(jian)少。隨(sui)著壓(ya)力提高，晶粒數(shu)(shu)(shu)均呈增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢，且(qie)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶區內軸(zhou)向(xiang)切(qie)片上晶粒數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)中心(xin)等軸(zhou)晶區。因為在壓(ya)力強(qiang)化冷(leng)卻的(de)(de)作用下，整個(ge)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)均有(you)增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢，導致(zhi)(zhi)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區內過冷(leng)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加。同時，由于(yu)距(ju)離(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)和鑄(zhu)(zhu)型(xing)換熱界面越近，溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)受界面換熱的(de)(de)影響(xiang)越大(da)(da)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)(bu)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)隨(sui)壓(ya)力變(bian)化趨(qu)勢越明(ming)顯(xian)，進而(er)增(zeng)(zeng)加凝(ning)固(gu)壓(ya)力，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)(bu)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)心(xin)部(bu)(bu)(bu)，從而(er)導致(zhi)(zhi)離(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)(bian)(bian)部(bu)(bu)(bu)較(jiao)近的(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶區內晶粒數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)(da)于(yu)中心(xin)等軸(zhou)晶區。
二、疏松(song)縮孔
鑄(zhu)錠產生(sheng)(sheng)疏(shu)松縮(suo)孔的(de)(de)基本(ben)原因是鑄(zhu)錠從(cong)澆注(zhu)(zhu)溫(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻至固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)線溫(wen)度(du)時產生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)（液(ye)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)和(he)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)之和(he)）大(da)于固(gu)(gu)(gu)(gu)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)。當鋼液(ye)從(cong)澆注(zhu)(zhu)溫(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻至液(ye)相(xiang)線溫(wen)度(du)時所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)為液(ye)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)，鋼液(ye)進一步(bu)從(cong)液(ye)相(xiang)線溫(wen)度(du)冷(leng)(leng)卻至固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)線溫(wen)度(du)時（即發生(sheng)(sheng)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)變時）所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)為凝固(gu)(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)［87],固(gu)(gu)(gu)(gu)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)是指固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)在冷(leng)(leng)卻過程中(zhong)所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)。疏(shu)松縮(suo)孔的(de)(de)出現(xian)嚴(yan)重降(jiang)低(di)了鑄(zhu)錠的(de)(de)力學和(he)耐腐蝕性能以及(ji)成材率，是鑄(zhu)錠的(de)(de)嚴(yan)重缺(que)陷之一。
在凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)鑄錠內(nei)出現體(ti)積小而彌(mi)散的(de)(de)空洞為(wei)(wei)疏(shu)(shu)松，體(ti)積大且(qie)集(ji)中(zhong)的(de)(de)為(wei)(wei)縮孔。疏(shu)(shu)松由在糊狀(zhuang)(zhuang)區內(nei)液(ye)(ye)相體(ti)積分數降(jiang)到(dao)(dao)一(yi)定程(cheng)度時，液(ye)(ye)相流(liu)動(dong)困難，液(ye)(ye)態(tai)收(shou)縮與凝固(gu)收(shou)縮之(zhi)和超過固(gu)態(tai)收(shou)縮的(de)(de)那(nei)部(bu)分收(shou)縮量無法(fa)得到(dao)(dao)補縮所導致，因(yin)而疏(shu)(shu)松的(de)(de)形成(cheng)與枝(zhi)晶(jing)間(jian)液(ye)(ye)相的(de)(de)流(liu)動(dong)有密(mi)切關(guan)聯［72,87].在糊狀(zhuang)(zhuang)區內(nei)，體(ti)收(shou)縮主(zhu)要(yao)由凝固(gu)收(shou)縮組(zu)成(cheng)，且(qie)為(wei)(wei)枝(zhi)晶(jing)間(jian)液(ye)(ye)體(ti)流(liu)動(dong)的(de)(de)主(zhu)要(yao)驅動(dong)力(li)，因(yin)而枝(zhi)晶(jing)間(jian)液(ye)(ye)相的(de)(de)流(liu)速u可表示為(wei)(wei)
式(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為鋼液靜(jing)壓(ya)力(li)(li)，Pf=pgh;Ps為凝固壓(ya)力(li)(li)）。結合式(shi)（2-202)可知(zhi)，增加凝固壓(ya)力(li)(li)，Px增大(da)，強化了枝晶間液相的補縮(suo)(suo)能力(li)(li)，進而有助于(yu)避免疏(shu)(shu)松(song)的形成［91].此(ci)外，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區越寬，枝晶網(wang)狀(zhuang)(zhuang)結構越復雜(za)，枝晶間補縮(suo)(suo)的距(ju)離越長(chang)阻力(li)(li)越大(da)，滲透率K越小，疏(shu)(shu)松(song)越容易(yi)形成。因此(ci)，疏(shu)(shu)松(song)易(yi)于(yu)在糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區較寬的鑄錠以體積凝固或(huo)同時(shi)凝固方(fang)式(shi)凝固時(shi)形成。相比之(zhi)下(xia)，縮(suo)(suo)孔傾向于(yu)在糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區較窄(zhai)的鑄錠以逐層(ceng)凝固方(fang)式(shi)的凝固過程中出現。
不同凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)縱剖面(mian)上(shang)疏(shu)松(song)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)分(fen)(fen)布情況如圖2-117所示。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增加(jia)，疏(shu)松(song)和(he)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)總(zong)面(mian)積大幅度減小，且疏(shu)松(song)逐(zhu)漸(jian)消失。由(you)于壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)具(ju)有(you)顯著(zhu)的(de)(de)(de)強(qiang)化(hua)(hua)冷卻效(xiao)果(guo)，增大凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)，強(qiang)化(hua)(hua)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)鑄(zhu)(zhu)型間的(de)(de)(de)界面(mian)換熱，加(jia)快(kuai)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)冷卻速率，從而(er)(er)增大了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)溫度梯度Gr;在合金(jin)體系一定(ding)的(de)(de)(de)情況下，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)隨(sui)之確定(ding)，那么糊(hu)狀(zhuang)區(qu)的(de)(de)(de)寬度隨(sui)溫度梯度Gr的(de)(de)(de)增大而(er)(er)減小171],進而(er)(er)導致枝(zhi)晶網(wang)狀(zhuang)結構的(de)(de)(de)形成受到抑(yi)制。凝(ning)固方式逐(zhu)漸(jian)由(you)體積凝(ning)固向(xiang)逐(zhu)層凝(ning)固過渡，增大了(le)滲透(tou)率K,從而(er)(er)降低和(he)縮(suo)(suo)短枝(zhi)晶間補(bu)縮(suo)(suo)時(shi)液(ye)(ye)相(xiang)流動的(de)(de)(de)阻力(li)(li)和(he)距(ju)離。此外，基(ji)于以(yi)上(shang)理(li)論分(fen)(fen)析并(bing)結合判(pan)據式（2-202)可(ke)知，增加(jia)凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)等效(xiao)于增大了(le)Px,使其遠大于枝(zhi)晶間液(ye)(ye)相(xiang)補(bu)縮(suo)(suo)時(shi)所需壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)。因此，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)有(you)利于枝(zhi)晶間液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)補(bu)縮(suo)(suo)行(xing)為(wei)，且有(you)助于大幅度減小或消除(chu)疏(shu)松(song)缺陷。
三(san)、凝固(gu)析(xi)出相(xiang)
根據(ju)相(xiang)(xiang)所含非金屬元素的種類，可將凝(ning)固析(xi)(xi)出相(xiang)(xiang)分(fen)為(wei)氮化(hua)物(wu)、碳化(hua)物(wu)等，與碳化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)比，氮化(hua)物(wu)尺寸一般較小(xiao)，為(wei)了更加清楚直(zhi)觀(guan)地論述(shu)增加壓力對(dui)凝(ning)固析(xi)(xi)出相(xiang)(xiang)的影響，本節將著重(zhong)以高(gao)速(su)鋼(gang)M42中碳化(hua)物(wu)為(wei)例，闡(chan)述(shu)壓力對(dui)凝(ning)固析(xi)(xi)出相(xiang)(xiang)的類型(xing)、形貌、成分(fen)等影響規律。
高速鋼(gang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)數(shu)量繁多(duo)、種類(lei)各(ge)異。不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特(te)性不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)、成分不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)、形貌也(ye)各(ge)有差異；按照碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形貌特(te)征及生(sheng)成機制的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)，可將高速鋼(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)分為一次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)和(he)(he)二(er)次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)兩大部分。一次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)又稱(cheng)為“初生(sheng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)直接從(cong)液(ye)相中(zhong)析(xi)出(chu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，包括(kuo)各(ge)種先共晶和(he)(he)共晶碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)類(lei)型。一次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)尺(chi)寸(cun)比(bi)較大，屬于(yu)微米級別，在(zai)后續熱(re)(re)加工和(he)(he)熱(re)(re)處理工藝中(zhong)將被破碎或(huo)(huo)分解成尺(chi)寸(cun)較小的(de)(de)顆粒(li)狀存在(zai)于(yu)鋼(gang)中(zhong)。二(er)次碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)是(shi)指在(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)或(huo)(huo)熱(re)(re)處理時從(cong)固(gu)相基體(ti)（高溫鐵(tie)素體(ti)、奧氏體(ti)、馬氏體(ti)等）中(zhong)析(xi)出(chu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)，分為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)類(lei)型。高速鋼(gang)中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)成分波動范圍較大，不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)鋼(gang)種、不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)條件產生(sheng)的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)一類(lei)型的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)也(ye)會(hui)有不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)成分，甚至(zhi)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)一粒(li)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)部位，也(ye)會(hui)有成分的(de)(de)差異。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)形貌、成分及分布見(jian)表2-14.
M2C具(ju)有(you)(you)(you)密排(pai)六方晶體結構［172-175,179],其主要形成(cheng)(cheng)(cheng)元素通常是(shi)鉬、釩和鎢(wu)，鉻及鐵的(de)(de)(de)含量則較(jiao)少。M2C 共(gong)晶碳化(hua)物一(yi)般以亞穩態存在于鋼(gang)中。尺寸較(jiao)小、片層(ceng)較(jiao)薄且沒有(you)(you)(you)中間脊(ji)骨，在高(gao)溫時易發(fa)生分解(jie)反應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解(jie)成(cheng)(cheng)(cheng)尺寸較(jiao)小的(de)(de)(de)顆粒狀M6C和MC。此外(wai)，與M6C相(xiang)反，鋼(gang)液凝(ning)固時的(de)(de)(de)冷卻速率(lv)越快，越有(you)(you)(you)利(li)于M2C的(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)(cheng)。因此，提高(gao)鑄錠(ding)凝(ning)固時的(de)(de)(de)冷卻速率(lv)有(you)(you)(you)利(li)于促進M2C的(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)(cheng)并細化(hua)M2C,同時可抑制較(jiao)大尺寸M6Cl。
M6C具有(you)復雜立方晶(jing)體(ti)結構(gou)，其(qi)結構(gou)中除碳原(yuan)子以(yi)外，鐵、鎢原(yuan)子約各占一半。M6C屬于(yu)穩定型碳化物(wu)，其(qi)形態為(wei)粗大的骨骼狀。鋼(gang)(gang)液凝固時(shi)冷卻速(su)率(lv)越慢，M6C碳化物(wu)越易(yi)于(yu)形成和長大。因此(ci)，M6C在高速(su)鋼(gang)(gang)的心部往往含(han)量較高，而邊部較少或沒有(you)。加快鑄(zhu)(zhu)錠凝固時(shi)的冷卻速(su)率(lv)有(you)利于(yu)細化M6C,提(ti)高鑄(zhu)(zhu)錠性能。
MC具有(you)面心(xin)立(li)(li)方結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，化(hua)(hua)(hua)學式(shi)為(wei)MC或者M4C3,其(qi)成(cheng)分以釩(fan)為(wei)主(zhu)。鋼(gang)(gang)中碳(tan)(tan)(tan)、釩(fan)含(han)量(liang)的(de)(de)增(zeng)大(da)可使MC增(zeng)多，尺(chi)寸(cun)變(bian)大(da)。高(gao)速鋼(gang)(gang)中還(huan)有(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)。M23C6晶(jing)體結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)為(wei)復(fu)雜(za)面心(xin)立(li)(li)方結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，具有(you)一定(ding)量(liang)的(de)(de)鎢(wu)、鉬，釩(fan)含(han)量(liang)極少，含(han)有(you)大(da)量(liang)的(de)(de)鉻、鐵(tie)元素(su)；與M2C相同，M3C也是亞穩(wen)態(tai)相。M7C3為(wei)復(fu)雜(za)六方晶(jing)體結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，含(han)有(you)較多的(de)(de)鉻、鐵(tie)，主(zhu)要存在于碳(tan)(tan)(tan)含(han)量(liang)較高(gao)的(de)(de)鋼(gang)(gang)中。高(gao)速鋼(gang)(gang)中碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)具有(you)兩(liang)個重(zhong)要的(de)(de)特(te)性(xing)(xing)：硬度和(he)熱穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)（加熱時(shi)溶解、聚集長(chang)大(da)的(de)(de)難度）。這些特(te)性(xing)(xing)反(fan)映了碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)中碳(tan)(tan)(tan)和(he)金屬原(yuan)子(zi)結(jie)(jie)(jie)合(he)鍵的(de)(de)強弱，與原(yuan)子(zi)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)和(he)尺(chi)寸(cun)有(you)關。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)晶(jing)格結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)與碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)子(zi)半徑(jing)rc、金屬原(yuan)子(zi)半徑(jing)rx有(you)關，如表2-15所示，rd/rx值越(yue)大(da)，則(ze)越(yue)易形成(cheng)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)復(fu)雜(za)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)小(xiao)則(ze)易形成(cheng)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)簡(jian)單密堆型碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)（MC等(deng)）。表中熔(rong)點可作為(wei)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)熱穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)的(de)(de)衡量(liang)指標，可見碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)中原(yuan)子(zi)尺(chi)寸(cun)越(yue)接近，則(ze)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)越(yue)高(gao)。
1. 壓力對萊(lai)氏體的影響
凝(ning)固末期，由于(yu)偏析(xi)導(dao)致合金元素在枝晶(jing)(jing)間(jian)殘(can)余液相內富集發(fa)生共晶(jing)(jing)反應，從液相中直接生成(cheng)碳(tan)化物，它與(yu)奧氏體(ti)相間(jian)排(pai)列，構成(cheng)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)。因此高(gao)速鋼(gang)的(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)往往存在于(yu)枝晶(jing)(jing)間(jian)。圖2-118為(wei)M2高(gao)速鋼(gang)的(de)低倍鑄態組(zu)織(zhi)，可(ke)見(jian)一(yi)般(ban)情況下(xia)，相鄰(lin)晶(jing)(jing)粒(li)之間(jian)的(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)較(jiao)為(wei)細小(xiao)，數(shu)量較(jiao)少(shao)，而多個晶(jing)(jing)粒(li)之間(jian)的(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)尺寸較(jiao)大，數(shu)量較(jiao)多。
高速(su)鋼的萊氏體(ti)組織中含有多種類型的碳化(hua)物(wu)，如M2C、M6C、MC等(deng)。M6C整體(ti)形(xing)貌類似魚骨，故又稱為“魚骨狀(zhuang)碳化(hua)物(wu)”，如圖2-119所示；M2C成片層狀(zhuang)，含有M2C的共晶(jing)萊氏體(ti)具有“羽(yu)毛狀(zhuang)”、“扇狀(zhuang)”、“菊花(hua)狀(zhuang)”等(deng)形(xing)貌，如圖2-120所示；MC的生長時間較長，最終尺(chi)寸較為粗大(da)，往往以不規則(ze)的條狀(zhuang)出(chu)現，如圖2-120所示。
a. 碳(tan)化物種(zhong)類及分布(bu)
高(gao)速(su)(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)種類與成分(fen)(fen)和凝(ning)固過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)密(mi)不(bu)可分(fen)(fen)。M42 高(gao)速(su)(su)工具鋼作(zuo)為高(gao)鉬低鎢鋼，其凝(ning)固組(zu)(zu)織碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)主(zhu)要(yao)為M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；另(ling)外(wai)含(han)有少(shao)部分(fen)(fen)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，主(zhu)要(yao)存在(zai)(zai)于(yu)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)心部區(qu)域。圖2-121~圖2-123給出(chu)了(le)M42高(gao)速(su)(su)鋼鑄(zhu)(zhu)錠在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠板金相組(zu)(zu)織。白(bai)色(se)斑(ban)點(dian)狀(zhuang)處的(de)(de)(de)(de)萊氏體組(zu)(zu)織中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)為具有中(zhong)(zhong)心脊(ji)骨，脊(ji)骨兩邊具有平(ping)行分(fen)(fen)枝(zhi)的(de)(de)(de)(de)魚骨狀(zhuang)M6C.M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)尺寸比(bi)M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)粗大(da)得多且結(jie)構上相互連接(jie)緊密(mi)，極不(bu)利于(yu)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)后續碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)破碎，因此盡可能(neng)減(jian)少(shao)或避免凝(ning)固組(zu)(zu)織中(zhong)(zhong)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)產(chan)生，有助于(yu)提升(sheng)其力學性能(neng)等。隨著壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)增大(da)，萊氏體（白(bai)色(se)斑(ban)點(dian)）所占(zhan)1/4圓鑄(zhu)(zhu)錠板的(de)(de)(de)(de)面積比(bi)例(li)逐漸減(jian)小，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)有助于(yu)抑(yi)制M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形成與長大(da)，其主(zhu)要(yao)原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)在(zai)(zai)較低壓(ya)(ya)力下，加(jia)(jia)壓(ya)(ya)對(dui)凝(ning)固熱力學和動(dong)力學參(can)數的(de)(de)(de)(de)影響十分(fen)(fen)有限，但強化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)冷(leng)(leng)卻(que)效果(guo)十分(fen)(fen)明同時(shi)凝(ning)固過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)越小，越有利于(yu)魚骨狀(zhuang)M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形成，且M6C越粗大(da)。因而增加(jia)(jia)壓(ya)(ya)力主(zhu)要(yao)通過(guo)增大(da)鑄(zhu)(zhu)錠和鑄(zhu)(zhu)型間界面換熱系數，提高(gao)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)從而細(xi)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)并抑(yi)制M6C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形成，且當壓(ya)(ya)力增加(jia)(jia)到一定程(cheng)(cheng)(cheng)度時(shi)，能(neng)夠完全抑(yi)制富(fu)含(han)M6C的(de)(de)(de)(de)萊氏體形成，消除其對(dui)組(zu)(zu)織和性能(neng)的(de)(de)(de)(de)不(bu)良影響。
圖(tu)2-121(b)所(suo)示萊(lai)氏體(ti)組(zu)織中碳(tan)化(hua)物(wu)為(wei)長條狀或者(zhe)短棒狀的(de)(de)(de)M2C.凝(ning)固壓(ya)(ya)(ya)力(li)不同，M2C的(de)(de)(de)尺寸(cun)(cun)、形貌(mao)以(yi)及分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)緊(jin)密程度等均有所(suo)不同。在(zai)0.1MPa壓(ya)(ya)(ya)力(li)下，碳(tan)化(hua)物(wu)分(fen)枝(zhi)較少(shao)、片層較長、尺寸(cun)(cun)較大、間距較寬(kuan)、共晶(jing)萊(lai)氏體(ti)與(yu)枝(zhi)晶(jing)臂的(de)(de)(de)界(jie)面較平整；隨著壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加，條狀或片層狀碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)間距逐漸減小，且開(kai)始斷開(kai)成大量的(de)(de)(de)短棒碳(tan)化(hua)物(wu)，碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)分(fen)枝(zhi)也逐漸增(zeng)多(duo)，并(bing)密集分(fen)布(bu)在(zai)枝(zhi)晶(jing)間，共晶(jing)萊(lai)氏體(ti)與(yu)枝(zhi)晶(jing)臂的(de)(de)(de)界(jie)面也較為(wei)粗(cu)糙。此外，三(san)個壓(ya)(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)M2C幾乎沒有晶(jing)體(ti)缺陷，明壓(ya)(ya)(ya)力(li)很難(nan)對碳(tan)化(hua)物(wu)晶(jing)格(ge)類型產生(sheng)影響(xiang)。
b. 萊(lai)氏體尺寸
萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)存(cun)在(zai)(zai)于枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間，與(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距、形貌及分(fen)(fen)布(bu)密切(qie)相關，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距越小，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)尺寸也相應(ying)地細小且均勻分(fen)(fen)布(bu)。圖(tu)2-124和(he)圖(tu)2-125給(gei)出了不同(tong)壓力(li)條件(jian)下M42鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊部(bu)和(he)心部(bu)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)形貌和(he)尺寸分(fen)(fen)布(bu)，無論是(shi)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的邊部(bu)還是(shi)心部(bu)，尺寸不一的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)（黑色）均分(fen)(fen)布(bu)在(zai)(zai)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間。在(zai)(zai)同(tong)一凝固壓力(li)條件(jian)下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊部(bu)的枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間距明顯(xian)小于心部(bu)，因而心部(bu)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)要比(bi)邊部(bu)粗大。
隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，在(zai)(zai)(zai)壓(ya)(ya)(ya)力(li)強(qiang)化冷(leng)卻(que)(que)的(de)作用下，冷(leng)卻(que)(que)速(su)率(lv)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，鑄錠(ding)局部(bu)凝(ning)固時間縮(suo)短，使得枝(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)得到(dao)了明(ming)顯(xian)細化且(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)分(fen)布(bu)(bu)更(geng)(geng)均(jun)勻(yun)，進而導致分(fen)布(bu)(bu)在(zai)(zai)(zai)枝(zhi)晶(jing)間的(de)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)也隨(sui)(sui)(sui)之細化，厚度大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)減小且(qie)分(fen)布(bu)(bu)更(geng)(geng)加(jia)(jia)(jia)均(jun)勻(yun)。在(zai)(zai)(zai)0.1MPa 壓(ya)(ya)(ya)力(li)下，無論在(zai)(zai)(zai)邊部(bu)還是心部(bu)位置，鑄錠(ding)的(de)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)均(jun)較(jiao)為粗大(da)(da)(da)，且(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)分(fen)布(bu)(bu)極不均(jun)勻(yun)，部(bu)分(fen)局部(bu)區域(yu)存(cun)在(zai)(zai)(zai)著(zhu)大(da)(da)(da)量的(de)黑色(se)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)，尤其(qi)在(zai)(zai)(zai)多(duo)個枝(zhi)晶(jing)臂交匯處(chu)，且(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)異常粗大(da)(da)(da)。當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至(zhi)1MPa時，粗大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)得到(dao)明(ming)顯(xian)細化，且(qie)尺(chi)寸(cun)(cun)分(fen)布(bu)(bu)更(geng)(geng)加(jia)(jia)(jia)均(jun)勻(yun)；當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)進一(yi)步(bu)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至(zhi)2MPa時，萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)得到(dao)進一(yi)步(bu)地改善，組(zu)織(zhi)更(geng)(geng)加(jia)(jia)(jia)細密，尺(chi)寸(cun)(cun)更(geng)(geng)加(jia)(jia)(jia)均(jun)勻(yun)，粗大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)基本消(xiao)失。萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)平均(jun)尺(chi)寸(cun)(cun)隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)變化規(gui)律(lv)如圖2-126所(suo)示，壓(ya)(ya)(ya)力(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至(zhi)2MPa時，萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)厚度由28.37μm降低至(zhi)22.92μm.因此(ci)，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)能(neng)夠明(ming)顯(xian)細化萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)，改善其(qi)分(fen)布(bu)(bu)狀(zhuang)態(tai)。
2. 壓力對碳化物(wu)的影響
a. 碳化物尺寸
以高速鋼(gang)中M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物為例(li)，M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物是通過(guo)凝固過(guo)程中的(de)(de)(de)共(gong)晶(jing)(jing)反(fan)應L→y+M2C產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)。和(he)(he)純金(jin)屬及固溶(rong)體(ti)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)結晶(jing)(jing)過(guo)程一樣，共(gong)晶(jing)(jing)轉變(bian)(bian)同(tong)樣需(xu)要經過(guo)形核與(yu)(yu)長(chang)大(da)的(de)(de)(de)過(guo)程。結合(he)式（2-178)和(he)(he)式（2-179),東北大(da)學特殊鋼(gang)冶金(jin)研究所在(zai)控制溫度不(bu)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)基礎上，計算了不(bu)同(tong)壓(ya)力下(xia)各元(yuan)(yuan)素(su)在(zai)兩相(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)數(shu)，探(tan)討凝固壓(ya)力與(yu)(yu)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)的(de)(de)(de)關系(xi)。凝固過(guo)程中溫度T=1478K時(shi)，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)（鉬、鎢、釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)）在(zai)M2C相(xiang)(xiang)和(he)(he)奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ中的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)數(shu)D隨壓(ya)力的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)規律(lv)如圖(tu)2-127和(he)(he)圖(tu)2-128所示；從整體(ti)上看，隨著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)(de)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)，同(tong)溫度M2C相(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)鉬和(he)(he)鎢的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)數(shu)D呈減小趨勢，而(er)(er)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)則呈增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)趨勢，表明提高壓(ya)力可(ke)增(zeng)大(da)M2C中鉬、鎢元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm,進而(er)(er)降(jiang)(jiang)低(di)(di)其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)能(neng)(neng)力；同(tong)時(shi)降(jiang)(jiang)低(di)(di)釩(fan)、鉻(ge)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)激(ji)活能(neng)(neng)ΔGm,從而(er)(er)提高其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)能(neng)(neng)力。然而(er)(er)，當(dang)壓(ya)力在(zai)0.1~2MPa范圍(wei)內變(bian)(bian)化(hua)(hua)時(shi)，各元(yuan)(yuan)素(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)微乎其(qi)微，即保(bao)持(chi)恒定值(zhi)。隨著(zhu)凝固壓(ya)力逐(zhu)漸增(zeng)大(da)到50MPa,元(yuan)(yuan)素(su)鉬的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)數(shu)才開(kai)始產(chan)(chan)生較為明顯的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)，鎢、釩(fan)和(he)(he)鉻(ge)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)數(shu)甚(shen)至在(zai)100MPa壓(ya)力下(xia)仍(reng)未產(chan)(chan)生變(bian)(bian)化(hua)(hua)。因(yin)此低(di)(di)壓(ya)下(xia)，元(yuan)(yuan)素(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)(san)(san)系(xi)數(shu)隨壓(ya)力的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)可(ke)忽(hu)略不(bu)計。
的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)而(er)降低(di)，鉻元素(su)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系數則隨著凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，如圖2-128所示。即增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)具有提高奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體γ相(xiang)中合金元素(su)鉬(mu)、鎢和(he)釩(fan)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm,降低(di)其(qi)擴(kuo)(kuo)散能(neng)力(li)(li)(li)(li)(li)以及減(jian)小(xiao)元素(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm和(he)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)其(qi)擴(kuo)(kuo)散能(neng)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)作用。與M2C差別在(zai)(zai)(zai)于，在(zai)(zai)(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體相(xiang)γ中，較(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)便可(ke)發揮比較(jiao)明顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)作用，例(li)如：當凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)大(da)(da)于2MPa時(shi)，元素(su)鉻的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系數隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)明顯(xian)(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)；鉬(mu)和(he)釩(fan)元素(su)則在(zai)(zai)(zai)10MPa時(shi)開始隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)明顯(xian)(xian)減(jian)小(xiao)。可(ke)見，在(zai)(zai)(zai)相(xiang)同(tong)溫度下，相(xiang)比于M2C相(xiang)，合金元素(su)釩(fan)、鎢、鉬(mu)和(he)鉻在(zai)(zai)(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體γ相(xiang)中的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散情況受凝(ning)(ning)固壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影響更(geng)為明顯(xian)(xian)。但在(zai)(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)范圍內，合金元素(su)在(zai)(zai)(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體相(xiang)γ中的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散系數幾乎保持不(bu)變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同(tong)時(shi)，各(ge)元素(su)擴(kuo)(kuo)散激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm也(ye)未發生明顯(xian)(xian)變化。
綜上所述(shu)，在低壓(ya)下，影響M2C形(xing)核率的(de)(de)主要因素是隨凝固壓(ya)力增(zeng)大而(er)顯著減(jian)小的(de)(de)形(xing)核功(gong)。增(zeng)加凝固壓(ya)力可(ke)顯著改善(shan)換熱條件強化鑄(zhu)錠冷(leng)卻、提(ti)高(gao)鑄(zhu)錠過冷(leng)度ΔT,進而(er)降低共晶反應(ying)過程中奧(ao)氏體(ti)相γ和M2C相的(de)(de)形(xing)核功(gong)ΔG*,最終增(zeng)大M2C的(de)(de)形(xing)核率、減(jian)小M2C相鄰碳化物的(de)(de)間距。
此(ci)外(wai)，增加壓力(li)使M2C形核率大大增加，同(tong)時強化了(le)鑄(zhu)錠冷(leng)卻(que)，顯著降低(di)了(le)局部凝(ning)固時間LST,導致加壓下(xia)鑄(zhu)錠同(tong)位置的(de)(de)凝(ning)固相對較快，M2C共晶碳(tan)化物(wu)生(sheng)長時間變(bian)短，導致M42凝(ning)固組織(zhi)中M2C碳(tan)化物(wu)的(de)(de)尺(chi)寸(cun)減小(xiao)。這對于(yu)后續的(de)(de)熱(re)處理碳(tan)化物(wu)的(de)(de)溶解具有積極的(de)(de)意義(yi)。
圖2-129為不同凝固壓力下(xia)M2C共晶碳(tan)(tan)化(hua)物在熱處理過程中的(de)(de)元素(su)擴(kuo)散示意圖。隨(sui)著凝固壓力的(de)(de)增大，碳(tan)(tan)化(hua)物由(you)長(chang)條(tiao)狀(zhuang)(zhuang)轉變為短棒(bang)狀(zhuang)(zhuang)，在縱向和橫向上(shang)的(de)(de)尺寸均(jun)顯著減小。因此，在熱處理過程中，碳(tan)(tan)化(hua)物中的(de)(de)元素(su)由(you)內向外擴(kuo)散的(de)(de)平均(jun)距離(li)也相應隨(sui)著凝固壓力的(de)(de)增大而(er)(er)顯著減小，熱處理效果更(geng)(geng)加明顯，熱處理后M42組(zu)織的(de)(de)成分更(geng)(geng)加均(jun)勻，進而(er)(er)有利(li)于提高M42高速鋼的(de)(de)質量。
b. 碳化(hua)物成分
M2C的(de)(de)形成(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)主(zhu)要包括(kuo)鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)(fan)和(he)鉻(ge)(ge)，其中(zhong)鉬(mu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)是強M2C碳(tan)化(hua)物(wu)形成(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)，也(ye)是M2C中(zhong)含(han)量(liang)(liang)(liang)最高的(de)(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)。圖2-130給出了不(bu)同(tong)壓(ya)力(li)(li)下M2C中(zhong)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)(fan)和(he)鉻(ge)(ge)含(han)量(liang)(liang)(liang)，隨(sui)著壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增大(da)(da)(da)，M2C上的(de)(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)(fan)和(he)鉻(ge)(ge)含(han)量(liang)(liang)(liang)均逐(zhu)(zhu)漸(jian)減小，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)則逐(zhu)(zhu)漸(jian)增大(da)(da)(da)；同(tong)時，M2C碳(tan)化(hua)物(wu)之間基體中(zhong)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)含(han)量(liang)(liang)(liang)則呈現相反的(de)(de)規律：鉬(mu)、鎢、釩(fan)(fan)(fan)和(he)鉻(ge)(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)含(han)量(liang)(liang)(liang)逐(zhu)(zhu)漸(jian)增大(da)(da)(da)，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)減少。這(zhe)表明，增大(da)(da)(da)的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)使得合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)M2C共晶碳(tan)化(hua)物(wu)中(zhong)的(de)(de)分布趨于(yu)均勻，為(wei)后續的(de)(de)處理、熱加工工藝(yi)中(zhong)碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)破碎(sui)、溶解提供(gong)良好的(de)(de)基礎。
在(zai)高速鋼中，M2C共晶(jing)碳化物(wu)是通(tong)過(guo)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中的(de)共晶(jing)反應L→M2C+y產生的(de)，在(zai)這(zhe)個過(guo)程(cheng)中存(cun)在(zai)M2C碳化物(wu)相(xiang)和(he)(he)奧氏體γ相(xiang)之間的(de)溶質再(zai)分配(pei)［172].在(zai)一定(ding)溫度下(xia)，平衡(heng)分配(pei)系數可表(biao)示(shi)為(wei)固相(xiang)和(he)(he)液相(xiang)中的(de)元素濃度之比：
式(shi)中(zhong)(zhong)，Cs和CL分(fen)別(bie)表示在凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)，元素在固相(xiang)和液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)平衡(heng)濃(nong)度(du)。共晶(jing)反應(ying)L→M2C+y是在凝(ning)固末期發(fa)生的(de)，圖2-131給出了(le)不同壓力下的(de)M42高(gao)速(su)鋼(gang)凝(ning)固時共晶(jing)反應(ying)過(guo)程中(zhong)(zhong)M2C碳化物相(xiang)和奧氏體γ相(xiang)中(zhong)(zhong)各元素的(de)單相(xiang)平衡(heng)分(fen)配系(xi)數。
式中(zhong)(zhong)，Cs和(he)C1分別表示在凝固過程中(zhong)(zhong)，元素(su)在固相(xiang)和(he)液相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)平衡濃度。共(gong)晶反(fan)應L→M2C+y是在凝固末(mo)期(qi)發生的(de)［172,180,181],圖(tu)2-131給出了不同壓(ya)力下的(de)M42高速鋼凝固時共(gong)晶反(fan)應過程中(zhong)(zhong)M2C碳化物相(xiang)和(he)奧氏體y相(xiang)中(zhong)(zhong)各元素(su)的(de)單相(xiang)平衡分配系數。
隨壓力(li)(li)的增加，共晶反(fan)應過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)元素在(zai)(zai)(zai)M2C和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)具有(you)升(sheng)高(gao)的趨(qu)勢并逐漸靠近1.基于熱(re)力(li)(li)學分(fen)(fen)析，在(zai)(zai)(zai)M42鑄錠(ding)凝固(gu)時的共晶反(fan)應過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，增大(da)壓力(li)(li)可使鉬(mu)元素在(zai)(zai)(zai)M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的含量(liang)增大(da)。凝固(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的鉬(mu)元素平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)增量(liang)變化(hua)規律(lv)如圖(tu)2-132所示，在(zai)(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa時，M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的鉬(mu)元素平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)增量(liang)始終(zhong)大(da)于奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)增量(liang)。由此可知，共晶反(fan)應過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)比(bi)于奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)，鉬(mu)元素更偏向(xiang)于在(zai)(zai)(zai)M2C相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)富集。
在(zai)0.1~2MPa壓力(li)范(fan)圍(wei)內，加(jia)壓對Mo元素(su)的(de)(de)平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系(xi)數影響非(fei)常小，變化量為(wei)(wei)10-6~10-5,可忽略不(bu)計，因(yin)(yin)而在(zai)低壓范(fan)圍(wei)內，增(zeng)加(jia)壓力(li)不(bu)能通(tong)過(guo)改變元素(su)平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系(xi)數而影響相(xiang)成(cheng)分(fen)。除平(ping)衡分(fen)配(pei)(pei)系(xi)數以外，鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)過(guo)程中溶(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)分(fen)配(pei)(pei)情況與(yu)元素(su)的(de)(de)傳質(zhi)(zhi)行為(wei)(wei)有(you)關。在(zai)M42鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)共(gong)晶(jing)反(fan)應L→M2C+y過(guo)程中存在(zai)M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)和奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)之間的(de)(de)溶(rong)質(zhi)(zhi)再分(fen)配(pei)(pei)：液相(xiang)中的(de)(de)M2C形(xing)成(cheng)元素(su)（鉬、鎢、釩和鉻）通(tong)過(guo)凝(ning)固(gu)前(qian)沿固(gu)／液界面向M2C碳(tan)化物(wu)相(xiang)富集，同時(shi)奧(ao)氏體(ti)γ相(xiang)形(xing)成(cheng)元素(su)（鈷、鐵）則向奧(ao)氏體(ti)相(xiang)富集，整個反(fan)應發生在(zai)凝(ning)固(gu)末期(qi)的(de)(de)枝(zhi)晶(jing)間小熔池內，此時(shi)液相(xiang)流動很(hen)弱，元素(su)對流傳質(zhi)(zhi)行為(wei)(wei)可忽略，因(yin)(yin)而溶(rong)質(zhi)(zhi)的(de)(de)分(fen)配(pei)(pei)主要與(yu)相(xiang)中元素(su)的(de)(de)擴散傳質(zhi)(zhi)行為(wei)(wei)有(you)關。
根據菲克(ke)第(di)一定律公式（2-178)可知，擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數D與溫度T呈反(fan)比關(guan)系(xi)(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形(xing)成元素的(de)擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數隨溫度的(de)變(bian)化(hua)關(guan)系(xi)(xi)。在凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)不變(bian)時，溫度的(de)降(jiang)低(di)會顯著減(jian)小擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數，在低(di)壓(ya)范圍內，相對(dui)于凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)變(bian)化(hua)，溫度變(bian)化(hua)對(dui)擴(kuo)散(san)系(xi)(xi)數D具有更明顯的(de)影(ying)響。
增大壓力(li)具有顯著強(qiang)化(hua)(hua)冷卻和減少鑄(zhu)錠局部凝(ning)(ning)固時間的(de)(de)作用。由(you)此可知，對于0.1MPa、1MPa和2MPa壓力(li)下(xia)的(de)(de)鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固過程，在相同(tong)的(de)(de)凝(ning)(ning)固時間內，在較高壓力(li)下(xia)凝(ning)(ning)固的(de)(de)鑄(zhu)錠冷卻更快，溫度更低(di)，其元素(su)(su)擴(kuo)散系數則(ze)相對較低(di)，導(dao)致元素(su)(su)擴(kuo)散速率減小(xiao)，使(shi)得M2C共(gong)晶碳(tan)化(hua)(hua)物中釩、鎢、鉻(ge)和鉬元素(su)(su)含(han)量(liang)降低(di)，碳(tan)化(hua)(hua)物間基體的(de)(de)合金元素(su)(su)含(han)量(liang)升(sheng)高，降低(di)了M2C碳(tan)化(hua)(hua)物和奧氏體γ相之間的(de)(de)成(cheng)分差異性，提高了M42凝(ning)(ning)固組織成(cheng)分的(de)(de)均(jun)勻性。
c. 碳化物形貌
M2C碳化(hua)物(wu)明顯具有(you)各向(xiang)異(yi)性的生長方式，形(xing)貌(mao)具有(you)小(xiao)(xiao)平(ping)面(mian)向(xiang)的特性。共(gong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織的形(xing)貌(mao)與(yu)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)過(guo)程中液(ye)／固界面(mian)結構(gou)有(you)密切聯系(xi)，金屬相(xiang)－金屬碳化(hua)物(wu)相(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)屬于(yu)小(xiao)(xiao)平(ping)面(mian)相(xiang)－非小(xiao)(xiao)平(ping)面(mian)相(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)［146].M2C是通過(guo)凝固末期枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)熔池里的共(gong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)反(fan)M2C共(gong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳化(hua)物(wu)形(xing)成于(yu)凝固末期枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)殘余液(ye)相(xiang)中，根據(ju)凝固原(yuan)理(li)。枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)殘余液(ye)相(xiang)中元(yuan)素含量明顯高于(yu)鑄錠標準含量。不同(tong)(tong)壓(ya)力下枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)液(ye)相(xiang)中各相(xiang)出(chu)(chu)現的先后順序(xu)，如圖2-135所示，在不同(tong)(tong)壓(ya)力下，M2C均領先奧氏體相(xiang)γ出(chu)(chu)現。這表明，在共(gong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)反(fan)應(ying)L→y+M2C過(guo)程中，M2C是領先相(xiang)。
在共(gong)(gong)晶(jing)凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)快(kuai)速(su)(su)生(sheng)長(chang)(chang)方向率(lv)(lv)先進入共(gong)(gong)生(sheng)界(jie)面(mian)(mian)前方的(de)液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)，同時(shi)在其(qi)附近液(ye)層中(zhong)排(pai)(pai)出奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)形成元(yuan)素；隨(sui)后奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依(yi)靠此液(ye)層獲得(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)組(zu)元(yuan)，跟隨(sui)著M2C一起(qi)長(chang)(chang)大(da)，同時(shi)也向液(ye)層中(zhong)排(pai)(pai)出M2C形成元(yuan)素，如(ru)(ru)圖2-136所示(shi)。隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓力的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，凝(ning)固(gu)速(su)(su)率(lv)(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)加，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)生(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)均加快(kuai)。一方面(mian)(mian)，M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)(jian)距隨(sui)壓力的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)逐漸減小(xiao)，即(ji)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)／固(gu)界(jie)面(mian)(mian)變(bian)窄；另一方面(mian)(mian)，加壓使得(de)(de)枝晶(jing)間(jian)(jian)殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)合金元(yuan)素沒有足夠時(shi)間(jian)(jian)進行(xing)充分擴散；導(dao)致奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)／固(gu)界(jie)面(mian)(mian)前沿合金元(yuan)素濃度急劇(ju)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，成分過(guo)冷(leng)加劇(ju)，奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)大(da)速(su)(su)率(lv)(lv)進一步(bu)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，使得(de)(de)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)差(cha)逐漸縮小(xiao)。此外，奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作(zuo)為非小(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其(qi)生(sheng)長(chang)(chang)所需(xu)過(guo)冷(leng)度遠小(xiao)于小(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)，使得(de)(de)在凝(ning)固(gu)速(su)(su)率(lv)(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)的(de)過(guo)程中(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)大(da)于M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)。因此，隨(sui)著壓力的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，枝晶(jing)間(jian)(jian)共(gong)(gong)晶(jing)組(zu)織中(zhong)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)增(zeng)(zeng)(zeng)多(duo)，使得(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)生(sheng)長(chang)(chang)空(kong)間(jian)(jian)受到“排(pai)(pai)擠”，含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)減少(shao)，最終(zhong)M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)逐漸呈現出被奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進而變(bian)短(duan)的(de)形貌，如(ru)(ru)圖2-134所示(shi)。
四、夾雜(za)物分布(bu)
夾(jia)雜(za)物(wu)是影響鋼(gang)(gang)錠質量的一個重(zhong)要(yao)(yao)因素(su)。鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)主要(yao)(yao)包(bao)括冶煉過程(cheng)中(zhong)(zhong)進(jin)行(xing)脫(tuo)氧處理形成的脫(tuo)氧產物(wu)、凝固過程(cheng)元素(su)溶解(jie)度下降形成的氧化物(wu)、氮化物(wu)、硫化物(wu)等化合物(wu)以及爐渣和由于沖刷而進(jin)入鋼(gang)(gang)液的耐火材(cai)料(liao)。
根(gen)據夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)來源(yuan)，可(ke)以(yi)將鋼(gang)中的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分為(wei)(wei)兩類:①外(wai)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大(da)部(bu)分為(wei)(wei)復合(he)氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)，主要是(shi)由于(yu)(yu)鋼(gang)液(ye)接觸空氣生成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以(yi)及進(jin)入鋼(gang)液(ye)的(de)(de)爐渣、耐火材料組成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。外(wai)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)形不規(gui)則、尺寸(cun)大(da)、構成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)復雜(za)(za)(za)(za)，常常位于(yu)(yu)鋼(gang)的(de)(de)表層(ceng)，具有(you)嚴重(zhong)的(de)(de)危害性。②內(nei)(nei)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由于(yu)(yu)脫氧(yang)、鋼(gang)水(shui)鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化反應而形成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)液(ye)中數量較多(duo)，分布均(jun)勻，顆粒細小。由于(yu)(yu)形成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)時(shi)間(jian)不同，內(nei)(nei)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)分為(wei)(wei)：鋼(gang)液(ye)脫氧(yang)時(shi)期生成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱(cheng)為(wei)(wei)原生夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或一次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度(du)降低造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)化學反應平(ping)衡的(de)(de)移動(dong)進(jin)而析出(chu)二次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由于(yu)(yu)溶(rong)質元素偏析和(he)溶(rong)解度(du)變化而析出(chu)的(de)(de)三次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾(jia)雜(za)(za)(za)物作為(wei)凝固組(zu)織的(de)(de)重(zhong)要組(zu)成(cheng)部分，其特(te)性至(zhi)關重(zhong)要，對于(yu)進一步揭示加(jia)壓(ya)冶金(jin)(jin)的(de)(de)優(you)勢(shi)十(shi)分關鍵。非金(jin)(jin)屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)(de)特(te)性（數(shu)量、尺寸和(he)(he)分布(bu)等）對鋼的(de)(de)性能(neng)（力(li)(li)學性能(neng)和(he)(he)腐(fu)蝕等）有重(zhong)要影響。同時，改(gai)(gai)善鋼中(zhong)夾(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)(de)分布(bu)情況并盡可(ke)能(neng)徹底地去除非金(jin)(jin)屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物可(ke)以有效地減(jian)少(shao)缺陷和(he)(he)提高性能(neng)。為(wei)了改(gai)(gai)善夾(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)(de)分布(bu)，施(shi)加(jia)在夾(jia)雜(za)(za)(za)物上的(de)(de)力(li)(li)包括重(zhong)力(li)(li)、浮力(li)(li)、曳力(li)(li)，附加(jia)質(zhi)量力(li)(li)、升力(li)(li)和(he)(he)反彈力(li)(li)等起著關鍵作用(yong)。這(zhe)些力(li)(li)主要是通(tong)(tong)過(guo)溫(wen)度、流(liu)場(chang)(chang)、重(zhong)力(li)(li)場(chang)(chang)和(he)(he)電磁(ci)場(chang)(chang)等物理(li)場(chang)(chang)來(lai)確定(ding)。因(yin)此(ci)，可(ke)以通(tong)(tong)過(guo)采(cai)取一系列措施(shi)優(you)化物理(li)場(chang)(chang)來(lai)改(gai)(gai)善夾(jia)雜(za)(za)(za)物分布(bu)。例如(ru)，鋼包中(zhong)使用(yong)的(de)(de)氣體攪(jiao)拌、連鑄(zhu)(zhu)過(guo)程中(zhong)添加(jia)磁(ci)場(chang)(chang)。對于(yu)加(jia)壓(ya)冶金(jin)(jin)，壓(ya)力(li)(li)是關鍵因(yin)素。目前(qian)，已經(jing)證(zheng)實加(jia)壓(ya)會在各個方面影響凝固過(guo)程中(zhong)的(de)(de)物理(li)場(chang)(chang)，包括加(jia)壓(ya)通(tong)(tong)過(guo)加(jia)快(kuai)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)冷卻速率(lv)和(he)(he)加(jia)強鑄(zhu)(zhu)錠與鑄(zhu)(zhu)模之(zhi)間的(de)(de)熱交換來(lai)改(gai)(gai)變(bian)溫(wen)度場(chang)(chang)，通(tong)(tong)過(guo)改(gai)(gai)變(bian)糊狀區(qu)域(yu)的(de)(de)大小和(he)(he)枝晶結構影響流(liu)場(chang)(chang)等。
因此，可以認為在凝(ning)固過程中壓(ya)力(li)具有改變夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)分布的能(neng)力(li)，并且壓(ya)力(li)對(dui)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)分布的影響(xiang)機(ji)制非常復雜(za)，然而，關于加壓(ya)對(dui)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)分布變化的影響(xiang)研究(jiu)相對(dui)較少。這表明(ming)加壓(ya)對(dui)凝(ning)固組織的影響(xiang)機(ji)理尚未(wei)全面(mian)闡(chan)明(ming)。
1. 夾雜物分布分析(xi)模型
在(zai)實(shi)(shi)際凝固過(guo)程中(zhong)，夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)受力(li)情(qing)況、運動軌(gui)跡(ji)很(hen)難通(tong)過(guo)實(shi)(shi)驗(yan)進行測量。數值(zhi)(zhi)模擬提供(gong)了(le)(le)一種(zhong)可以深入了(le)(le)解某些無法(fa)通(tong)過(guo)實(shi)(shi)驗(yan)評估的(de)(de)現(xian)象(xiang)的(de)(de)方法(fa)。這些現(xian)象(xiang)包括(kuo)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)運動軌(gui)跡(ji)，作用于夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)力(li)和(he)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)速度等。根(gen)據(ju)電(dian)渣(zha)、連(lian)鑄和(he)鋼包精煉等過(guo)程中(zhong)的(de)(de)相關研(yan)(yan)究，數值(zhi)(zhi)模擬是一種(zhong)非(fei)常有效(xiao)的(de)(de)研(yan)(yan)究夾(jia)(jia)雜物(wu)運動行為(wei)的(de)(de)方法(fa)。
鋼液凝固過程(cheng)涉及熱量(liang)傳遞、質量(liang)傳輸(shu)、動量(liang)傳輸(shu)、相轉變和(he)晶(jing)粒形(xing)核長大等一系列復雜的物(wu)(wu)(wu)理化學現象(xiang)，同時存在金(jin)屬(shu)(shu)固相、金(jin)屬(shu)(shu)液相、氣(qi)相和(he)夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)相等多個相之間的相互作用，適合(he)應用歐(ou)拉(la)(la)(la)多項(xiang)流模型(xing)進行(xing)計算(suan)求解(jie)。其中，根據對夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)運動行(xing)為處理方式，夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)分(fen)布分(fen)析模型(xing)可(ke)以分(fen)為歐(ou)拉(la)(la)(la)－拉(la)(la)(la)格朗日模型(xing)和(he)歐(ou)拉(la)(la)(la)－歐(ou)拉(la)(la)(la)模型(xing)。
a. 歐拉(la)－拉(la)格(ge)朗日模(mo)型歐拉(la)－
拉格朗(lang)日離散(san)相(xiang)(xiang)模(mo)型(xing)是在歐拉模(mo)型(xing)的(de)基礎上，將夾雜(za)物(wu)相(xiang)(xiang)處理成離散(san)相(xiang)(xiang)，而流體(ti)相(xiang)(xiang)處理為連續相(xiang)(xiang)。根據(ju)球型(xing)夾雜(za)物(wu)的(de)受力(li)分(fen)析，基于牛頓第二(er)定律，建(jian)立夾雜(za)物(wu)運(yun)動模(mo)型(xing)，并(bing)與鋼液凝(ning)(ning)固模(mo)型(xing)耦合，從而模(mo)擬夾雜(za)物(wu)在凝(ning)(ning)固過(guo)程(cheng)(cheng)運(yun)動行為。該(gai)模(mo)型(xing)可以跟蹤每個夾雜(za)物(wu)顆粒并(bing)獲(huo)得其速度、運(yun)動軌(gui)跡以及夾雜(za)物(wu)去除過(guo)程(cheng)(cheng)中的(de)動力(li)學行為。此(ci)外，該(gai)模(mo)型(xing)是基于離散(san)相(xiang)(xiang)體(ti)積比例相(xiang)(xiang)對較低的(de)基本假設而建(jian)立。
夾雜物(wu)(wu)在(zai)鋼(gang)液(ye)(ye)中的(de)(de)運動(dong)(dong)，主要是(shi)各(ge)種(zhong)力(li)(li)的(de)(de)共(gong)同(tong)作用(yong)造(zao)成的(de)(de)。夾雜物(wu)(wu)在(zai)鋼(gang)液(ye)(ye)中受(shou)力(li)(li)情況如圖2-137所(suo)示。可(ke)以看出，夾雜物(wu)(wu)顆粒(li)受(shou)到主要作用(yong)力(li)(li)分別為：由于顆粒(li)自身性質(zhi)引起的(de)(de)力(li)(li)，如重力(li)(li)、浮力(li)(li)等(deng)；由于顆粒(li)與流體之間存在(zai)相對運動(dong)(dong)而產生(sheng)的(de)(de)力(li)(li)，如升力(li)(li)（Saffman)、附(fu)加質(zhi)量力(li)(li)、曳力(li)(li)和Magnus力(li)(li)等(deng)；細小夾雜物(wu)(wu)在(zai)高(gao)溫條件下受(shou)的(de)(de)布朗（Brown)力(li)(li)等(deng)。
（1)曳力(li)。
在鋼液(ye)流場(chang)內黏性(xing)(xing)流體與顆(ke)粒(li)(li)之間存在相對運動(dong)，由黏性(xing)(xing)流體施加的曳力使得夾(jia)雜(za)物顆(ke)粒(li)(li)趨向(xiang)于跟隨流體運動(dong)。曳力是(shi)夾(jia)雜(za)物顆(ke)粒(li)(li)在凝固(gu)過程中(zhong)的主要受力之一(yi)。計算公式(shi)如下：
（2)浮力和(he)重(zhong)力。
在豎直(zhi)方向上，夾雜物顆(ke)粒受到與相對(dui)運(yun)動無關(guan)的力(li)，包括重(zhong)力(li)和(he)浮力(li)，其(qi)
（3)附加質量力。
當鋼液(ye)與夾雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)存(cun)在相對(dui)運(yun)動時，夾雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)會帶動其(qi)附近的部分鋼液(ye)做加速(su)運(yun)動，此時推動夾雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)運(yun)動的力(li)大于(yu)其(qi)顆(ke)粒(li)本(ben)(ben)身(shen)慣性力(li)，這部分大于(yu)夾雜(za)物(wu)顆(ke)粒(li)本(ben)(ben)身(shen)慣性力(li)的力(li)即為(wei)附加質量力(li)。其(qi)計算公(gong)式為(wei)
通(tong)過(guo)運用歐(ou)拉(la)(la)－拉(la)(la)格朗(lang)日模(mo)型對(dui)鋼液凝固過(guo)程進行模(mo)擬計算(suan)時，可以(yi)得(de)出隨著溫(wen)度場(chang)和(he)流場(chang)的變(bian)化，每個球形夾雜物顆粒在鋼液中的運動軌(gui)跡和(he)分布(bu)。
b. 歐拉－歐拉模型
拉(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)是研究夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆粒在(zai)鋼液中運(yun)動行(xing)(xing)為主要的(de)(de)(de)方(fang)(fang)法，但在(zai)實(shi)際的(de)(de)(de)應用中存(cun)在(zai)一些不足，例如，拉(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)是針對單一粒子進行(xing)(xing)計算(suan)，當同(tong)時(shi)追蹤(zong)多個粒子時(shi)，計算(suan)量(liang)過大，難(nan)以進行(xing)(xing)。相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)較(jiao)于拉(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)，歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)型(xing)中夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)方(fang)(fang)程與流體連續相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)方(fang)(fang)程相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)似，運(yun)算(suan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對高效，能夠同(tong)時(shi)描述多種(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆粒在(zai)凝固過程中的(de)(de)(de)分布(bu)特征。歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)型(xing)與歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)(mo)型(xing)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，主要差(cha)別(bie)(bie)是夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)動量(liang)方(fang)(fang)程存(cun)在(zai)差(cha)別(bie)(bie)，歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)動量(liang)方(fang)(fang)程表達式為
2. 模鑄過程中夾雜物的(de)受力(li)分析
模(mo)鑄過程中，夾雜物所受作用力(li)(li)包括熱浮力(li)(li)、重力(li)(li)、附加質(zhi)量力(li)(li)、升(sheng)力(li)(li)以及(ji)相間作用力(li)(li)等，具體受力(li)(li)情況如(ru)圖2-138所示(shi)。
流場對夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)分布(bu)有關(guan)鍵影響，這直(zhi)接歸(gui)因(yin)于作(zuo)用(yong)于夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)阻力(li)(li)(li)。以0.1MPa下H13鑄錠凝(ning)固(gu)為(wei)例(li)，鋼液、夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物和(he)(he)等軸晶(jing)的(de)流場和(he)(he)速率均顯示(shi)在圖(tu)2-139中(zhong)。隨著凝(ning)固(gu)的(de)進行(xing)，鋼液受熱浮(fu)力(li)(li)(li)的(de)驅動(dong)逆時(shi)針運(yun)(yun)動(dong)，如(ru)圖(tu)2-139(a)所示(shi)。同時(shi)，隨著重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)和(he)(he)浮(fu)力(li)(li)(li)合力(li)(li)(li)的(de)增加，等軸晶(jing)的(de)沉降連續發(fa)生(sheng)在柱狀晶(jing)（tip)的(de)尖(jian)端，如(ru)圖(tu)2-139(b)所示(shi)。如(ru)圖(tu)2-139(c)所示(shi)，夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物流場中(zhong)出現逆時(shi)針運(yun)(yun)動(dong)，與鋼液相似。這種運(yun)(yun)動(dong)行(xing)為(wei)主要是由作(zuo)用(yong)在夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物上的(de)合力(li)(li)(li)引起的(de)。根據(ju)模(mo)擬結(jie)果，凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)，浮(fu)力(li)(li)(li)和(he)(he)阻力(li)(li)(li)在改變夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)運(yun)(yun)動(dong)行(xing)為(wei)中(zhong)起著關(guan)鍵作(zuo)用(yong)，因(yin)為(wei)它們(men)比附加質量力(li)(li)(li)和(he)(he)升力(li)(li)(li)大了三個數量級。重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)和(he)(he)浮(fu)力(li)(li)(li)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)均為(wei)垂(chui)直(zhi)方(fang)(fang)向(xiang)，因(yin)為(wei)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)密度低于液體的(de)密度，故其合力(li)(li)(li)Fbg的(de)方(fang)(fang)向(xiang)垂(chui)直(zhi)向(xiang)上，如(ru)圖(tu)2-139(d)所示(shi)。
在(zai)(zai)整個(ge)凝固(gu)過程中(zhong)，Fbg保持不(bu)(bu)變(bian)(bian)，并(bing)使(shi)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)上(shang)浮。相(xiang)(xiang)比之(zhi)下，曳(ye)力(li)(li)Fdp是(shi)向下的(de)(de)力(li)(li)，具(ju)有驅動(dong)(dong)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)向下沉的(de)(de)能力(li)(li)。并(bing)且其變(bian)(bian)化是(shi)復雜(za)的(de)(de)。根據等式（2-204)可知，曳(ye)力(li)(li)與鋼(gang)液(ye)(ye)和(he)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)之(zhi)間的(de)(de)速度(du)差(cha)密切相(xiang)(xiang)關。在(zai)(zai)頂部(bu)和(he)底部(bu)，鋼(gang)液(ye)(ye)和(he)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)速度(du)差(cha)很小(xiao)，與Fbg相(xiang)(xiang)比，Fdp可以忽略不(bu)(bu)計。在(zai)(zai)柱狀(zhuang)晶(jing)尖端(duan)附近的(de)(de)曳(ye)力(li)(li)Fdp大于Fbg,是(shi)導致夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)下沉的(de)(de)關鍵因(yin)素。在(zai)(zai)鑄錠的(de)(de)中(zhong)心，Fdp小(xiao)于Fbg,Fbg占主(zhu)導，促使(shi)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)上(shang)浮。因(yin)此，模鑄過程中(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)形成逆時針運動(dong)(dong)，這(zhe)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)重力(li)(li)、浮力(li)(li)和(he)曳(ye)力(li)(li)的(de)(de)綜合作用所驅動(dong)(dong)。
3. 模鑄(zhu)過程中壓力(li)對夾雜物分布的影響
利用歐(ou)拉－歐(ou)拉模型在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下獲得了(le)H13鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)體積分(fen)數的(de)等值線，如圖(tu)2-140所(suo)示。每個鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)中(zhong)都存在(zai)(zai)三(san)個主要的(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富集(ji)區(qu)(qu)(qu)（I、和(he)(he)III),其(qi)中(zhong)，II區(qu)(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)富集(ji)度(du)最低，III區(qu)(qu)(qu)的(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富集(ji)度(du)最高，I區(qu)(qu)(qu)次(ci)之。三(san)個夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富集(ji)區(qu)(qu)(qu)域(yu)主要由夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)逆時針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)以(yi)及(ji)被糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕(bu)集(ji)的(de)綜(zong)合(he)作用所(suo)導(dao)(dao)致。以(yi)0.1MPa 壓力(li)(li)下夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)分(fen)布為例，遠離糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)的(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)在(zai)(zai)逆時針(zhen)運(yun)動(dong)(dong)過(guo)程中(zhong)逐漸上(shang)浮(fu)并富集(ji)到(dao)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)頂部(bu)(bu)，如圖(tu) 2-140(c)所(suo)示。鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)頂部(bu)(bu)富集(ji)的(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)一部(bu)(bu)分(fen)被糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕(bu)獲，形(xing)成了(le)I區(qu)(qu)(qu)，其(qi)余部(bu)(bu)分(fen)沿逆時針(zhen)方向(xiang)移動(dong)(dong)，運(yun)動(dong)(dong)方向(xiang)幾乎垂直于糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量。與之相(xiang)比，在(zai)(zai)II和(he)(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)運(yun)動(dong)(dong)方向(xiang)與糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量成鈍角，因而夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)更(geng)加趨向(xiang)于被II和(he)(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)所(suo)捕(bu)獲，如圖(tu)2-141所(suo)示，導(dao)(dao)致夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)富集(ji)區(qu)(qu)(qu)II和(he)(he)III的(de)形(xing)成。同時，III區(qu)(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)富集(ji)程度(du)最高，原因是(shi)糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)較寬，糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)捕(bu)獲能(neng)力(li)(li)越(yue)強，富集(ji)趨勢更(geng)明顯(xian)。
隨著(zhu)壓(ya)力從0.1MPa增(zeng)(zeng)加到2MPa,I、II和(he)III區夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)富集度(du)降(jiang)低，如2-140(b)所示，夾(jia)雜(za)物(wu)體積分數(shu)的(de)最大(da)增(zeng)(zeng)量(liang) 4max隨壓(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)加而減(jian)小，在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)分別為4.1x10-5、3.5x10-5和(he)1.8x10-5,表明隨著(zhu)凝固(gu)壓(ya)力增(zeng)(zeng)加至2MPa,鑄(zhu)錠中夾(jia)雜(za)物(wu)分布(bu)更加均勻。
糊狀(zhuang)區(qu)捕(bu)獲夾雜(za)物和夾雜(za)物從糊狀(zhuang)區(qu)逃脫的(de)能力(li)對夾雜(za)物分布至關重要(yao)。結合(he)液相(xiang)線(xian)／固(gu)相(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)隨壓力(li)的(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)規律可知，凝(ning)(ning)固(gu)區(qu)間變(bian)(bian)(bian)化(hua)很(hen)小，當壓力(li)從0.1MPa增(zeng)加(jia)到(dao)2MPa時(shi)可以(yi)忽略不計。因此，糊狀(zhuang)區(qu)寬度(du)(du)(du)主要(yao)由溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)決定。如圖(tu)2-142(b)所示，由于(yu)增(zeng)加(jia)壓力(li)后提高(gao)(gao)了冷卻速(su)率導(dao)致(zhi)高(gao)(gao)壓下(xia)溫度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)更大。在(zai)較(jiao)高(gao)(gao)壓力(li)下(xia)，糊狀(zhuang)區(qu)域的(de)長度(du)(du)(du)變(bian)(bian)(bian)短［150].另外，以(yi)圖(tu)2-142(a)中的(de)A點(dian)為例(li)，凝(ning)(ning)固(gu)時(shi)間隨壓力(li)的(de)增(zeng)加(jia)而顯著減(jian)少，在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分別(bie)為292s、272s和247s,凝(ning)(ning)固(gu)速(su)率隨壓力(li)的(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)。進而表明(ming)，在(zai)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)凝(ning)(ning)固(gu)壓力(li)下(xia)糊狀(zhuang)區(qu)的(de)長度(du)(du)(du)較(jiao)小且(qie)凝(ning)(ning)固(gu)速(su)率較(jiao)高(gao)(gao)，因此糊狀(zhuang)區(qu)捕(bu)獲夾雜(za)物的(de)能力(li)變(bian)(bian)(bian)弱。
A、B和C點(dian)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)速(su)(su)度(du)(du)隨液相(xiang)(xiang)體積分數(shu)的(de)(de)變(bian)化(hua)如圖2-143所示(shi)。高溫度(du)(du)梯度(du)(du)通過增大(da)熱浮力(li)(li)(li)來(lai)強(qiang)化(hua)鋼液對流。另外，研(yan)究了糊(hu)狀(zhuang)區中夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)速(su)(su)度(du)(du)隨曳力(li)(li)(li)改的(de)(de)相(xiang)(xiang)應變(bian)化(hua)。凝固(gu)初(chu)期，糊(hu)狀(zhuang)區中的(de)(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)速(su)(su)度(du)(du)隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增加而(er)增大(da)，在凝固(gu)后期，糊(hu)狀(zhuang)區內夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)幾乎完全停止(zhi)運(yun)動(dong)時液相(xiang)(xiang)體積分數(shu)隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增加而(er)降低。以點(dian)A為例，凝固(gu)初(chu)期（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)速(su)(su)度(du)(du)分別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和1.52×10-3m/s.當糊(hu)狀(zhuang)區夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)速(su)(su)度(du)(du)降低到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)的(de)(de)液相(xiang)(xiang)體積分數(shu)分別為0.74、0.68和0.62.這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)從糊(hu)狀(zhuang)區逸出的(de)(de)能力(li)(li)(li)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)增加而(er)增強(qiang)。
綜(zong)上所述，增加壓力可以顯著抑制(zhi)糊(hu)狀區中(zhong)夾(jia)雜物(wu)的富(fu)集，并通過降低糊(hu)狀區捕(bu)獲夾(jia)雜物(wu)的能(neng)力，提高夾(jia)雜物(wu)從糊(hu)狀區中(zhong)逸出的能(neng)力，使鑄錠內夾(jia)雜物(wu)分(fen)布更加均勻。
