壓(ya)力(li)(li)除了能夠(gou)對溶質平衡分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)、擴散系(xi)數(shu)以及(ji)(ji)液相線(xian)斜率(lv)等(deng)(deng)(deng)參數(shu)產生影響(xiang)(xiang)以外，還能改(gai)變影響(xiang)(xiang)溶質長程傳質的(de)(de)冷卻速(su)率(lv)、等(deng)(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)形(xing)核以及(ji)(ji)沉積(ji)等(deng)(deng)(deng),從而(er)影響(xiang)(xiang)鑄錠溶質分(fen)布的(de)(de)均勻(yun)性，即宏／微(wei)觀偏析；如結合平衡分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)和形(xing)核吉布斯自由(you)能隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)變化規律，加壓(ya)會(hui)抑制(zhi)枝晶(jing)(jing)沿(yan)壓(ya)力(li)(li)梯度(du)方(fang)向(xiang)的(de)(de)生長，從而(er)導致枝晶(jing)(jing)組(zu)織和微(wei)觀偏析呈現(xian)方(fang)向(xiang)性等(deng)(deng)(deng)。
王書(shu)桓(huan)等71利用高(gao)溫高(gao)壓反(fan)應釜(fu)研究了壓力對(dui)于CrN12高(gao)氮(dan)鋼(gang)凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)偏析現(xian)象。他(ta)們(men)利用LECO-TC600氮(dan)氧(yang)儀測量(liang)了CrN12鑄(zhu)錠上從中(zhong)心到邊(bian)部處(chu)試(shi)樣中(zhong)的(de)氮(dan)含量(liang)，取樣位(wei)置如圖2-71所示。
王(wang)書桓等研究了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)偏(pian)(pian)析（圖2-72).對比不同壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)結果，可以發現1MPa下(xia)(xia)鑄錠內(nei)部氮(dan)(dan)偏(pian)(pian)析嚴重，隨著壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)，氮(dan)(dan)宏觀偏(pian)(pian)析得到(dao)了(le)很大改善。當壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)提高(gao)到(dao)1.6MPa時，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)偏(pian)(pian)析程度(du)明顯小于(yu)1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)(xia)凝(ning)(ning)固(gu)的(de)(de)(de)(de)鑄錠，各(ge)部位(wei)氮(dan)(dan)含量在0.360%左右，表(biao)明增大壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)提高(gao)了(le)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)飽和(he)溶(rong)解度(du)。因此，在凝(ning)(ning)固(gu)過程中提高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)可以對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)析出起到(dao)抑(yi)制作用，對氮(dan)(dan)由固(gu)相(xiang)到(dao)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)傳質起到(dao)阻礙作用，使整個鑄錠中氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)分(fen)壓(ya)(ya)(ya)趨于(yu)均勻，從而減輕氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)宏觀偏(pian)(pian)析。
1. 形核率(lv)
根(gen)據 Beckerman等的(de)(de)(de)(de)研(yan)究報道，在(zai)(zai)元(yuan)素(su)(su)(su)偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，由于(yu)各元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)溶質分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數(shu)均(jun)小于(yu)1,其(qi)(qi)偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)過(guo)(guo)程(cheng)和(he)(he)最終偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)類(lei)型(xing)均(jun)相似。因此，在(zai)(zai)偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)形成(cheng)規律(lv)和(he)(he)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)預測(ce)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)對合金體系(xi)(xi)進行簡化，選取主要合金元(yuan)素(su)(su)(su)進行偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬。以19Cr14Mn0.9N 含(han)氮(dan)奧氏體不銹(xiu)鋼凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)為(wei)例，其(qi)(qi)鐵素(su)(su)(su)體相8存在(zai)(zai)區(qu)間較窄(zhai)，結合Wu等在(zai)(zai)多相和(he)(he)單相偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模擬研(yan)究。可(ke)將(jiang)該凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)簡化為(wei)單相凝固(gu)(gu)。氮(dan)作為(wei)含(han)氮(dan)鋼的(de)(de)(de)(de)特(te)征元(yuan)素(su)(su)(su)，其(qi)(qi)溶質分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數(shu)較小，偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)較嚴重，在(zai)(zai)壓力(li)(li)對19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)影響的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)將(jiang)氮(dan)作為(wei)主要元(yuan)素(su)(su)(su)，且忽略其(qi)(qi)他元(yuan)素(su)(su)(su)偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)對凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)影響。基(ji)于(yu)壓力(li)(li)對凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)熱力(li)(li)學(xue)參數(shu)、動力(li)(li)學(xue)參數(shu)以及界面(mian)換熱系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)影響規律(lv)，對三種(zhong)情況下(xia) 19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼的(de)(de)(de)(de)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)進行模擬分(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)，預測(ce)壓力(li)(li)對偏(pian)(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)度(du)和(he)(he)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)影響規律(lv)，三種(zhong)情況（C1、C2和(he)(he)C3)的(de)(de)(de)(de)參數(shu)設置見表2-13。
凝(ning)固20s后，三種(zhong)凝(ning)固條(tiao)件下的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)一(yi)次枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)位(wei)置(zhi)（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數以(yi)及(ji)液相(xiang)和(he)(he)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)速率分(fen)布(bu)情(qing)況如圖2-73所示。對(dui)比圖2-73(a)和(he)(he)（b)可以(yi)看(kan)出，當等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)最大(da)(da)形核(he)密度(du)從3x10°m-3增(zeng)至(zhi)5x10°m-3時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)一(yi)次枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖端(duan)發生了(le)較為明顯的(de)變化，尤(you)其是(shi)在鑄錠(ding)底(di)部位(wei)置(zhi)，且(qie)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)最大(da)(da)體積分(fen)數由(you)0.514增(zeng)至(zhi)0.618.此(ci)外，等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)液相(xiang)的(de)最大(da)(da)速率增(zeng)加幅度(du)較小，分(fen)別從0.01246m/s和(he)(he)0.0075m/s增(zeng)至(zhi)0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s.
在(zai)三(san)種(zhong)凝固條(tiao)件下(xia)，鑄錠凝固結束后柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)向等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位(wei)置如圖(tu)2-74所(suo)示。隨(sui)著(zhu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)最大形核(he)密度的增(zeng)加（對比C1和C2),液相(xiang)中的等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)形核(he)速(su)率加快，極(ji)大地縮(suo)短了柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)前(qian)沿等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積(ji)分數到達阻擋分數（0.49)的時間(jian)，進而促進了CET轉(zhuan)變(bian)，擴(kuo)大了等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)域。
增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓力(li)還(huan)能增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形(xing)核(he)密度(du)，從(cong)而加(jia)(jia)(jia)劇偏析。凝固結(jie)束(shu)后氮的(de)宏(hong)觀(guan)偏析如圖2-75所示(shi)。隨著等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形(xing)核(he)速率的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)，氮的(de)宏(hong)觀(guan)偏析范圍(wei)(wei)C從(cong)-0.07~0.116 擴大(da)(da)(da)(da)至－0.072~0.137,氮的(de)宏(hong)觀(guan)偏析加(jia)(jia)(jia)劇；此外，鑄錠底部負(fu)偏析區域(yu)也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)，鑄錠內部氮最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)偏析位(wei)置逐步向上移動。因此，在(zai)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)形(xing)核(he)密度(du)方(fang)面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓力(li)能夠擴大(da)(da)(da)(da)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)區域(yu)，從(cong)而增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)負(fu)偏析范圍(wei)(wei)，提升氮最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)偏析位(wei)置的(de)高度(du)，以及加(jia)(jia)(jia)劇氮的(de)宏(hong)觀(guan)偏析。
2. 強化冷卻
增(zeng)(zeng)加壓力(li)(li)(li)可通過強(qiang)化冷(leng)(leng)卻(que)和擴(kuo)大“溶質截留效(xiao)應”減輕或者消除氮宏觀偏析。根(gen)據圖2-73(b)和（c)可知，在凝固20s時(shi)，等(deng)軸晶(jing)的(de)(de)(de)沉積量隨著(zhu)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大而增(zeng)(zeng)多(duo)，等(deng)軸晶(jing)最大體積分數從0.618增(zeng)(zeng)加至(zhi)0.692,等(deng)軸晶(jing)和液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)最大速(su)(su)率在C2凝固條件(jian)下分別(bie)為0.01266m/s和0.0078m/s,在C3凝固條件(jian)下，分別(bie)為0.01221m/s和0.0074m/s.在同一時(shi)刻下，隨著(zhu)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大，等(deng)軸晶(jing)和液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)最大速(su)(su)率呈現出略微減小(xiao)的(de)(de)(de)原因是冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大加快了鑄錠的(de)(de)(de)凝固進程，增(zeng)(zeng)大了柱(zhu)狀晶(jing)區域［圖2-73(b)和（c)],從而使殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)率減小(xiao)，減小(xiao)了與(yu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫度(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)的(de)(de)(de)熱浮力(li)(li)(li)，進而液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流動(dong)的(de)(de)(de)驅動(dong)力(li)(li)(li)減小(xiao)，降(jiang)低了液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流動(dong)速(su)(su)度(du)(du)；另外，隨著(zhu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流動(dong)速(su)(su)度(du)(du)的(de)(de)(de)降(jiang)低，等(deng)軸晶(jing)沉積的(de)(de)(de)阻力(li)(li)(li)增(zeng)(zeng)大，等(deng)軸晶(jing)流動(dong)速(su)(su)度(du)(du)隨之減小(xiao)。
從(cong)圖2-74可以看出，隨著(zhu)冷(leng)卻(que)速(su)率的增加，CET位置有(you)向心移動且(qie)呈扁(bian)平化的趨勢，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測實驗結(jie)果相一致，進一步證明本(ben)模型具有(you)較好(hao)的準(zhun)確性和可信度(du)。等軸晶(jing)區形(xing)狀隨著(zhu)CET轉(zhuan)變(bian)位置的改變(bian)，也逐(zhu)步呈現出扁(bian)平化和減(jian)小的趨勢，氮的宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)范圍由－0.072~0.137減(jian)少至－0.067~0.130,且(qie)氮最大(da)偏(pian)析(xi)(xi)形(xing)成(cheng)位置向鑄錠頂部移動（圖2-76).因此，從(cong)強化冷(leng)卻(que)角度(du)而言，加壓有(you)助(zhu)于(yu)抑制(zhi)CET,減(jian)小等軸晶(jing)區，緩(huan)解(jie)氮的宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)。
綜上所述，增加壓(ya)(ya)力通過提高等(deng)軸晶(jing)最大形核(he)密度和強化冷卻(que)對(dui)氮宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)產(chan)生了截然相(xiang)反的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)，兩(liang)者對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)綜合影(ying)響(xiang)(xiang)還需要(yao)(yao)進(jin)一步研究。此外，基于對(dui)凝固熱力學(xue)和動力學(xue)以及換熱系數的(de)分(fen)析(xi)，壓(ya)(ya)力對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)不局限于增大形核(he)率和強化冷卻(que)這兩(liang)方面，還能對(dui)與宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)相(xiang)關的(de)平衡分(fen)配系數和擴散速率等(deng)參數產(chan)生重要(yao)(yao)影(ying)響(xiang)(xiang)。因(yin)而(er)，壓(ya)(ya)力對(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)還需要(yao)(yao)進(jin)行(xing)更深入的(de)研究和探討(tao)。
