壓(ya)力(li)對(dui)鑄(zhu)錠的凝固(gu)(gu)相(xiang)變和組織有十分(fen)重要的影(ying)響，如壓(ya)力(li)能提高晶粒形(xing)核(he)速(su)率，減小臨界形(xing)核(he)半徑，增大冷卻速(su)率，細化枝晶組織，減輕(qing)或消除凝固(gu)(gu)缺(que)陷（疏松、縮(suo)孔(kong)、氣(qi)孔(kong)和偏析）以及(ji)改變析出相(xiang)形(xing)貌和類型(xing)等。由于(yu)鋼鐵材料固(gu)(gu)／液(ye)相(xiang)線(xian)溫度較(jiao)(jiao)高，加壓(ya)難度相(xiang)對(dui)較(jiao)(jiao)大，不過(guo)，較(jiao)(jiao)低(di)壓(ya)力(li)依然(ran)具有改善鑄(zhu)型(xing)和鑄(zhu)錠間換熱條件(jian)、打破液(ye)相(xiang)中氮(dan)氣(qi)泡等壓(ya)力(li)平(ping)衡的能力(li)，進而達到改善鋼鐵凝固(gu)(gu)組織，減輕(qing)或消除凝固(gu)(gu)缺(que)陷等目(mu)的。
一、枝晶組織
枝(zhi)晶組(zu)(zu)織的(de)出現(xian)和生(sheng)長(chang)與液(ye)相中的(de)成(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷密不可分(fen)(fen)，當(dang)凝(ning)(ning)固界(jie)面(mian)出現(xian)擾動(dong)(dong)(dong)導(dao)致液(ye)相出現(xian)局部成(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷時，液(ye)相中就具(ju)備了促(cu)使(shi)界(jie)面(mian)發(fa)生(sheng)波(bo)動(dong)(dong)(dong)的(de)驅動(dong)(dong)(dong)力，進一步增大了凝(ning)(ning)固界(jie)面(mian)的(de)不穩定性(xing)，從而使(shi)凝(ning)(ning)固界(jie)面(mian)從平面(mian)狀向樹枝(zhi)狀轉變(bian)，形成(cheng)枝(zhi)晶組(zu)(zu)織，液(ye)相中成(cheng)分(fen)(fen)過(guo)冷的(de)判據為
式中(zhong)，GrL為液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)溫度(du)梯度(du)；v為凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)速率(lv)(lv)(lv)；m為液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)(lv)(lv)；CL為凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)界面處液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)；DL為液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)；ko為溶(rong)質(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)。在(zai)不考(kao)慮壓(ya)力(li)(li)強(qiang)化冷卻(que)（即(ji)GrL保持恒定）情(qing)況下(xia)(xia)(xia)，壓(ya)力(li)(li)可通(tong)過(guo)改變液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)(lv)(lv)、擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)和(he)(he)溶(rong)質(zhi)分(fen)配系(xi)數(shu)等(deng)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)參(can)數(shu)，改變枝晶(jing)(jing)形貌甚至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)成。Zhang等(deng)對比了(le)高錳(meng)鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常(chang)壓(ya)和(he)(he)6GPa下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)。發現高錳(meng)鋼(gang)高壓(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)包含細(xi)小等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)柱狀晶(jing)(jing)，與常(chang)壓(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)截然(ran)不同（圖2-107).晶(jing)(jing)粒尺(chi)寸統計結果表明，高錳(meng)鋼(gang)在(zai)常(chang)壓(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒尺(chi)寸為（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)(xia)為（7.5±2.5)μm,壓(ya)力(li)(li)細(xi)化晶(jing)(jing)粒可達21倍之多，主要(yao)歸因于(yu)增(zeng)加凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)降低了(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)溶(rong)質(zhi)擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)以(yi)及(ji)增(zeng)大了(le)擴(kuo)散(san)激活能(neng)，進而(er)(er)增(zeng)大了(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)成分(fen)過(guo)冷度(du)，在(zai)抑制枝晶(jing)(jing)生長的(de)(de)(de)同時(shi)增(zeng)大了(le)形核率(lv)(lv)(lv)［129,153],從(cong)而(er)(er)使得高錳(meng)鋼(gang)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)逐步(bu)向枝晶(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)轉變，且細(xi)化十(shi)分(fen)顯著。Kashchiev和(he)(he)Vasudevan等(deng)的(de)(de)(de)研(yan)究表明。在(zai)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)摩爾體積小于(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)摩爾體積時(shi)，加壓(ya)有助于(yu)提高形核率(lv)(lv)(lv)，起到細(xi)化凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)作用，大多數(shu)金屬合(he)金屬于(yu)此(ci)類(lei)；反之，加壓(ya)將抑制晶(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)形核，如水凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)成冰。此(ci)外，壓(ya)力(li)(li)還(huan)能(neng)夠抑制枝晶(jing)(jing)沿壓(ya)力(li)(li)梯度(du)方向的(de)(de)(de)生長,從(cong)而(er)(er)導致枝晶(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)和(he)(he)微觀偏析呈(cheng)現方向性(xing)。
為(wei)了準確地論述壓(ya)(ya)力對(dui)凝固(gu)(gu)組織(zhi)的影響規律，本(ben)節將以19Cr14Mn0.9N含氮鋼和M42工具(ju)鋼加(jia)壓(ya)(ya)凝固(gu)(gu)組織(zhi)為(wei)例，詳細分析壓(ya)(ya)力對(dui)枝晶(jing)組織(zhi)、析出相等的影響。
1. 柱狀晶向(xiang)等軸晶轉變(bian)（CET)
鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)宏觀組織(zhi)主(zhu)(zhu)要由(you)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)貌、尺寸以(yi)及(ji)取向(xiang)分(fen)(fen)布等(deng)構成(cheng)，在(zai)(zai)合金(jin)成(cheng)分(fen)(fen)一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況下，它主(zhu)(zhu)要取決于鋼液在(zai)(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷卻(que)條件（包(bao)括澆注溫度(du)和鑄(zhu)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷卻(que)效果等(deng)。鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)典型(xing)宏觀組織(zhi)可分(fen)(fen)為(wei)(wei)三個區(qu)：表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)以(yi)及(ji)中(zhong)心(xin)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)是由(you)于鋼液在(zai)(zai)鑄(zhu)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)激冷作用下，具有較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)過冷度(du)，進(jin)而(er)(er)在(zai)(zai)鑄(zhu)型(xing)壁面(mian)以(yi)異質(zhi)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方式大量形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)核并長大，最后(hou)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)細(xi)(xi)小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)，即(ji)表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)行，表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)逐步形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)金(jin)屬(shu)外殼，使(shi)得傳熱具備單(dan)向(xiang)性，有助于晶(jing)(jing)(jing)粒沿傳熱方向(xiang)生長，呈現出(chu)方向(xiang)性，從而(er)(er)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)，也導致了(le)表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)區(qu)域窄小，厚度(du)通常(chang)為(wei)(wei)幾毫米。在(zai)(zai)后(hou)續(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)，伴隨著(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)潛(qian)熱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)釋放，凝(ning)固(gu)(gu)前沿溫度(du)梯度(du)減小，傳熱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)向(xiang)性減弱(ruo)，成(cheng)分(fen)(fen)過冷度(du)增大，進(jin)而(er)(er)使(shi)得晶(jing)(jing)(jing)粒生長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)性減弱(ruo)，抑制了(le)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生長，同時也促(cu)進(jin)了(le)鑄(zhu)錠(ding)心(xin)部異質(zhi)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發生，從而(er)(er)有助于柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變，最終形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)中(zhong)心(xin)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。
因(yin)此，鑄錠(ding)(ding)有兩類枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)織(zhi)，即等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)和柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)，通常采(cai)用枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)間距和CET位(wei)置(zhi)對其(qi)進行表征(zheng)。圖(tu)2-108(a)給出了凝固壓力(li)分(fen)別為(wei)(wei)0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa的(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄錠(ding)(ding)縱剖(pou)面上(shang)的(de)(de)宏(hong)觀組(zu)(zu)織(zhi)；CET位(wei)置(zhi)到(dao)鑄錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)距離的(de)(de)統計平均值(zhi)分(fen)別為(wei)(wei)19.8mm、22.1mm和27.4mm,增量可達7.6mm,如圖(tu)2-108(b)所示。統計結果表明，隨著壓力(li)的(de)(de)增大(da)(da)，CET 位(wei)置(zhi)逐(zhu)漸(jian)由邊(bian)部(bu)(bu)向心(xin)部(bu)(bu)移動(dong)(dong)，柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域增大(da)(da)，中(zhong)心(xin)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域減小(xiao)。根據柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)向等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變的(de)(de)阻擋判(pan)據可知［156],當柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)處(chu)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數大(da)(da)于臨界(jie)值(zhi)時，柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)生(sheng)長受到(dao)抑(yi)(yi)制而(er)停止，此時發生(sheng)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)向中(zhong)心(xin)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)變。因(yin)此，CET轉(zhuan)變很大(da)(da)程度上(shang)取決于中(zhong)心(xin)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)形(xing)核(he)和長大(da)(da)。由于壓力(li)強化冷(leng)(leng)卻效果十分(fen)明顯，增加壓力(li)加快了鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)冷(leng)(leng)卻，增大(da)(da)了鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)溫(wen)度梯度，從(cong)而(er)降低了枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)前沿(yan)的(de)(de)成分(fen)過(guo)冷(leng)(leng)度，此時，等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)的(de)(de)形(xing)核(he)和長大(da)(da)就會(hui)受到(dao)嚴重阻礙和抑(yi)(yi)制;反(fan)之，降低壓力(li)，有助于等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)處(chu)的(de)(de)形(xing)核(he)和長大(da)(da)，從(cong)而(er)提前并加快了CET.因(yin)此，當壓力(li)從(cong)0.5MPa增加到(dao)1.2MPa時，壓力(li)通過(guo)強化冷(leng)(leng)卻擴大(da)(da)了柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)，促使CET轉(zhuan)變位(wei)置(zhi)在(zai)徑(jing)向上(shang)逐(zhu)漸(jian)由邊(bian)部(bu)(bu)向心(xin)部(bu)(bu)移動(dong)(dong)。此外，在(zai)0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄錠(ding)(ding)縱剖(pou)面的(de)(de)宏(hong)觀組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)均存在(zai)較窄的(de)(de)表層細晶(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)。
為了進(jin)一步研(yan)究壓(ya)(ya)力(li)對(dui)(dui)CET的(de)(de)影響規律，在(zai)不考(kao)慮壓(ya)(ya)力(li)強化冷卻效果的(de)(de)前提下，對(dui)(dui)枝晶尖(jian)端生長速率v.隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)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。
綜上所述，凝固(gu)壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加會對枝(zhi)晶尖端(duan)生長速率(lv)產生重(zhong)要(yao)影響，且壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)量越(yue)(yue)大，影響越(yue)(yue)明顯。結合實驗和KGT模型理論(lun)計(ji)算可知(zhi)，低壓(ya)(ya)下，當凝固(gu)壓(ya)(ya)力從0.5MPa 增(zeng)(zeng)(zeng)加至(zhi)1.2MPa時(shi)，壓(ya)(ya)力主要(yao)通(tong)過強化冷卻的(de)方(fang)式，使(shi)得鑄錠CET位置逐漸(jian)由邊部(bu)向心(xin)部(bu)移動。
2. 枝(zhi)晶間距
相鄰同次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂之間(jian)(jian)的(de)垂直距(ju)(ju)離稱為枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)的(de)大小(xiao)表征了枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組織細化程度，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)越小(xiao)，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組織越細密(mi)［162],通常考(kao)慮(lv)的(de)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)有(you)一次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)入(ru)1和二次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)λ2.一次枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)與凝固(gu)速率v和溫度梯度Gr的(de)關系為
由式(shi)（2-191)可知，合金體系一定(ding)時，分(fen)(fen)析(xi)局(ju)部區(qu)域(yu)冷卻(que)速(su)率v.和(he)(he)溫度梯(ti)度Gr隨壓力的(de)(de)變化趨勢，有助于(yu)闡明壓力對一次枝(zhi)晶間距(ju)(ju)λ1的(de)(de)影響規律。因局(ju)部區(qu)域(yu)冷卻(que)速(su)率vc和(he)(he)溫度梯(ti)度Gr的(de)(de)測量難(nan)度較大(da)，可用模擬(ni)(ni)計算(suan)的(de)(de)方式(shi)獲得(de)。在(zai)(zai)不同(tong)凝(ning)固壓力下的(de)(de)組織模擬(ni)(ni)過程中(zhong)，不考(kao)慮疏松縮(suo)孔對晶區(qu)分(fen)(fen)布的(de)(de)影響，模擬(ni)(ni)結果如圖2-110所示。為(wei)(wei)了更準確地找到CET位置(zhi)，使(shi)用平(ping)均縱橫比（晶粒(li)最短邊與最長邊的(de)(de)比率）來(lai)區(qu)分(fen)(fen)柱狀晶和(he)(he)等軸(zhou)晶：當晶粒(li)的(de)(de)縱橫比大(da)于(yu)0.4時，晶粒(li)為(wei)(wei)等軸(zhou)晶；當晶粒(li)的(de)(de)縱橫比小于(yu)0.4時，則為(wei)(wei)柱狀晶。根據阻擋判據，等軸(zhou)晶體積分(fen)(fen)數的(de)(de)臨(lin)界(jie)值設(she)定(ding)為(wei)(wei)0.49，以此(ci)作為(wei)(wei)依(yi)據，19Cr14Mn0.9N含氮鋼在(zai)(zai)0.5MPa、0.85MPa 和(he)(he)1.2MPa 壓力下，CET 位置(zhi)在(zai)(zai)徑向上離鑄錠邊部的(de)(de)平(ping)均距(ju)(ju)離分(fen)(fen)別為(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)(he)25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)底(di)部(bu)(bu)溫度梯(ti)度 Gr和(he)冷卻(que)速(su)率v.隨壓(ya)(ya)力的變化(hua)規律，如圖(tu)2-111所(suo)示。在(zai)某一(yi)(yi)壓(ya)(ya)力條件下，vc和(he)Gr沿(yan)徑向(xiang)由(you)(you)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)到心部(bu)(bu)均呈現(xian)逐漸減小(xiao)(xiao)的趨勢(shi)，結合(he)式（2-190)可(ke)知(zhi)，一(yi)(yi)次枝晶間(jian)(jian)距入(ru)1與v.和(he)Gr成反比，因而1沿(yan)徑向(xiang)由(you)(you)邊(bian)部(bu)(bu)到心部(bu)(bu)逐漸增(zeng)大(da)。當壓(ya)(ya)力從0.5MPa增(zeng)加(jia)(jia)至1.2MPa時，在(zai)壓(ya)(ya)力強化(hua)冷卻(que)的作用下，鑄(zhu)錠(ding)內(nei)各(ge)單(dan)元(yuan)體(ti)的vc和(he)Gr隨之增(zeng)大(da)，且對鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)緣處(chu)的單(dan)元(yuan)體(ti)影響(xiang)(xiang)最大(da)，在(zai)沿(yan)徑向(xiang)向(xiang)心部(bu)(bu)移動的過程中(zhong)，壓(ya)(ya)力對vc和(he)Gr的影響(xiang)(xiang)逐步減弱。結合(he)式（2-190)可(ke)知(zhi)，一(yi)(yi)次枝晶間(jian)(jian)距入(ru)1隨著vc和(he)Gr的增(zeng)大(da)呈冪函數減小(xiao)(xiao)。因此，隨著壓(ya)(ya)力增(zeng)加(jia)(jia)，一(yi)(yi)次枝晶間(jian)(jian)距入(ru)1減小(xiao)(xiao)，且越靠近鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)，入(ru)減小(xiao)(xiao)趨勢(shi)越明顯，即壓(ya)(ya)力對柱狀(zhuang)晶一(yi)(yi)次枝晶間(jian)(jian)距的影響(xiang)(xiang)大(da)于中(zhong)心等軸晶區(qu)。
由邊(bian)(bian)部(bu)到(dao)心部(bu)逐漸增大，結合式（2-192)可知，鑄錠心部(bu)的二次(ci)枝(zhi)晶間距(ju)入(ru)2大于邊(bian)(bian)部(bu)；壓力從0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時(shi)，LST明(ming)顯減小(xiao)，二次(ci)枝(zhi)晶間距(ju)入(ru)2也隨之減小(xiao)。
圖2-112 不(bu)(bu)同(tong)(tong)壓(ya)(ya)力下(xia)距離19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄錠底部130mm處LST計算值由于等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)的(de)一(yi)(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂彼此相交且(qie)沿徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)以幾乎相同(tong)(tong)的(de)速率向(xiang)(xiang)四周生(sheng)長，同(tong)(tong)時(shi)(shi)不(bu)(bu)同(tong)(tong)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)不(bu)(bu)存在(zai)任(ren)何確定的(de)位(wei)向(xiang)(xiang)關(guan)系，難以通過實(shi)(shi)驗(yan)對(dui)等(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)的(de)一(yi)(yi)次晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距進行(xing)(xing)測(ce)量(liang)，因此只對(dui)CET前柱狀晶(jing)(jing)(jing)的(de)一(yi)(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距進行(xing)(xing)測(ce)量(liang)。圖2-113給出了距19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼鑄錠底部115mm的(de)高度處一(yi)(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距入1和(he)二次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距x2的(de)變(bian)化(hua)規(gui)律，在(zai)某(mou)一(yi)(yi)壓(ya)(ya)力下(xia)，沿徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)由鑄錠邊部向(xiang)(xiang)心部移動(dong)的(de)過程中，1和(he)x2逐漸增(zeng)大；當壓(ya)(ya)力從0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時(shi)(shi)，1和(he)入2均呈減小的(de)趨勢。基于埋設熱電偶的(de)測(ce)溫結果(guo)(guo)和(he)式（2-195)可得，2nd和(he)4h測(ce)溫位(wei)置處局(ju)部凝(ning)固(gu)時(shi)(shi)間(jian)(jian)隨壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)加(jia)而(er)縮短，如圖2-113(a)所示，從而(er)導致x2的(de)減小。對(dui)比可知，枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)(jian)距（λ和(he)ん）和(he)局(ju)部凝(ning)固(gu)時(shi)(shi)間(jian)(jian)沿徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)和(he)隨壓(ya)(ya)力變(bian)化(hua)趨勢的(de)實(shi)(shi)驗(yan)與模擬結果(guo)(guo)一(yi)(yi)致。
綜上所(suo)述，增(zeng)加壓力能夠(gou)明(ming)顯減小(xiao)枝晶(jing)間(jian)(jian)距(ju)（x1和(he)x2),縮(suo)短局部凝固時間(jian)(jian)，細化凝固組(zu)織。鑄錠邊部和(he)心(xin)(xin)部試樣(yang)的枝晶(jing)形貌如圖2-114所(suo)示，進一步佐證了增(zeng)加壓力具有明(ming)顯細化枝晶(jing)組(zu)織的作用，且(qie)對柱狀晶(jing)的影響大于中(zhong)心(xin)(xin)等軸晶(jing)。
3. 晶粒數(shu)
鑄錠內晶粒(li)數與晶粒(li)臨界形(xing)核(he)半徑和形(xing)核(he)率(lv)有(you)直接的關系，晶粒(li)臨界形(xing)核(he)半徑為：
其中(zhong)，Nm為(wei)與液相線溫(wen)度(du)、凝固(gu)潛熱、擴散激活能以及(ji)表面張力有(you)關的系(xi)數(shu)。圖2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)(dan)鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)等軸晶(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力的變化規(gui)律(lv)(lv)。壓(ya)力從(cong)0.5MPa增加到1.2MPa時(shi)(shi)，中(zhong)心等軸晶(jing)區(qu)的寬度(du)逐漸(jian)減小(xiao)，最小(xiao)值為(wei)56mm.19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)180mm(高）x56mm(寬）等軸晶(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力的變化規(gui)律(lv)(lv)如圖2-115所示。當(dang)(dang)凝固(gu)壓(ya)力從(cong)0.5MPa增加到0.85MPa時(shi)(shi)，晶(jing)粒(li)數(shu)目從(cong)9166增加到9551;當(dang)(dang)凝固(gu)壓(ya)力進一(yi)步增加到1.2MPa時(shi)(shi)，晶(jing)粒(li)數(shu)目增加到10128.因此，提高凝固(gu)壓(ya)力，鑄(zhu)錠(ding)(ding)等軸晶(jing)區(qu)內(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)明顯增大。
在低壓(ya)下(xia)，如壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)至(zhi)1.2MPa時，液相(xiang)(xiang)線溫度(du)、凝固(gu)潛(qian)熱、擴散激活能以及表面(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)的(de)(de)變量(liang)非常小(xiao)，幾乎可(ke)以忽略，這樣可(ke)以假設(she)Nm在0.5MPa、晶(jing)粒(li)(li)數0.85MPa和1.2MPa下(xia)相(xiang)(xiang)等(deng)，近似為常數。提高(gao)壓(ya)力(li)(li)(li)能夠明顯(xian)地增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)鑄錠的(de)(de)溫度(du)梯度(du)（圖2-111),溫度(du)梯度(du)越(yue)大(da)(da)，單位時間(jian)內(nei)從糊狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)導(dao)出結晶(jing)潛(qian)熱的(de)(de)量(liang)越(yue)大(da)(da)，進而(er)提高(gao)了糊狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)過(guo)冷度(du)；反之亦然(ran)，這意味著糊狀(zhuang)區(qu)(qu)過(guo)冷度(du)與(yu)溫度(du)梯度(du)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)變化趨(qu)勢相(xiang)(xiang)同，即隨(sui)著壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)提高(gao)而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)。結合式(shi)（2-193)和式(shi)（2-197)可(ke)知，隨(sui)著糊狀(zhuang)區(qu)(qu)內(nei)過(guo)冷度(du)ΔT的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，晶(jing)粒(li)(li)臨界形核半(ban)徑rk減小(xiao)，形核率(lv)Na增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，有助于提高(gao)鑄錠內(nei)晶(jing)粒(li)(li)數。因(yin)此，增(zeng)(zeng)(zeng)加壓(ya)力(li)(li)(li)有利于增(zeng)(zeng)(zeng)加晶(jing)粒(li)(li)數。
距(ju)離(li)(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)底(di)部(bu)(bu)(bu)130mm的(de)(de)(de)高度(du)(du)(du)處，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)規(gui)律(lv)如圖2-116所示。在(zai)某一凝固(gu)壓(ya)力(li)下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數目最大(da)，隨(sui)(sui)著離(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)距(ju)離(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，由于(yu)糊狀區(qu)內過(guo)(guo)冷度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)減(jian)(jian)小，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數也隨(sui)(sui)之減(jian)(jian)少。隨(sui)(sui)著壓(ya)力(li)提高，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數均呈增(zeng)大(da)趨(qu)勢，且(qie)柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內軸向切(qie)片上晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數的(de)(de)(de)增(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)于(yu)中心(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。因為在(zai)壓(ya)力(li)強(qiang)化(hua)(hua)冷卻的(de)(de)(de)作用下，整個鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)均有增(zeng)大(da)趨(qu)勢，導(dao)致糊狀區(qu)內過(guo)(guo)冷度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)。同時(shi)，由于(yu)距(ju)離(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)(zhu)型換熱界(jie)面越近，溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)受界(jie)面換熱的(de)(de)(de)影響越大(da)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)變化(hua)(hua)趨(qu)勢越明(ming)顯(xian)，進而增(zeng)加(jia)凝固(gu)壓(ya)力(li)，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)于(yu)心(xin)部(bu)(bu)(bu)，從(cong)而導(dao)致離(li)(li)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)較近的(de)(de)(de)柱狀晶(jing)(jing)(jing)區(qu)內晶(jing)(jing)(jing)粒(li)數的(de)(de)(de)增(zeng)量明(ming)顯(xian)大(da)于(yu)中心(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。
二、疏(shu)松縮(suo)孔(kong)
鑄(zhu)錠(ding)產(chan)(chan)生(sheng)疏(shu)松縮(suo)(suo)(suo)孔(kong)的(de)(de)基本原因(yin)是(shi)鑄(zhu)錠(ding)從(cong)澆注溫(wen)度(du)冷(leng)卻至固(gu)(gu)相(xiang)線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)時產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)（液(ye)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)和凝(ning)固(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)之和）大于固(gu)(gu)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)。當鋼(gang)液(ye)從(cong)澆注溫(wen)度(du)冷(leng)卻至液(ye)相(xiang)線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)時所產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)為(wei)液(ye)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)，鋼(gang)液(ye)進一(yi)步從(cong)液(ye)相(xiang)線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)冷(leng)卻至固(gu)(gu)相(xiang)線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)時（即發生(sheng)凝(ning)固(gu)(gu)相(xiang)變時）所產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)為(wei)凝(ning)固(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)［87],固(gu)(gu)態收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)是(shi)指固(gu)(gu)相(xiang)在(zai)冷(leng)卻過程中所產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)(ti)收(shou)(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)(suo)。疏(shu)松縮(suo)(suo)(suo)孔(kong)的(de)(de)出(chu)現嚴(yan)重降低(di)了鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)力學和耐腐蝕性能以及成材率，是(shi)鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)嚴(yan)重缺陷之一(yi)。
在凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中鑄錠內(nei)(nei)出現體(ti)積(ji)小而(er)(er)彌散的(de)(de)空(kong)洞為疏松，體(ti)積(ji)大(da)且集(ji)中的(de)(de)為縮(suo)孔。疏松由(you)(you)在糊狀區(qu)內(nei)(nei)液(ye)(ye)相體(ti)積(ji)分數降到一定程度時，液(ye)(ye)相流(liu)動(dong)困難(nan)，液(ye)(ye)態收縮(suo)與凝(ning)固(gu)(gu)收縮(suo)之(zhi)和超過(guo)固(gu)(gu)態收縮(suo)的(de)(de)那部分收縮(suo)量無法得到補縮(suo)所導致，因而(er)(er)疏松的(de)(de)形成與枝晶(jing)間液(ye)(ye)相的(de)(de)流(liu)動(dong)有密(mi)切關(guan)聯［72,87].在糊狀區(qu)內(nei)(nei)，體(ti)收縮(suo)主要(yao)由(you)(you)凝(ning)固(gu)(gu)收縮(suo)組(zu)成，且為枝晶(jing)間液(ye)(ye)體(ti)流(liu)動(dong)的(de)(de)主要(yao)驅動(dong)力(li)，因而(er)(er)枝晶(jing)間液(ye)(ye)相的(de)(de)流(liu)速u可表示為
式(shi)(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為鋼液(ye)靜壓(ya)力(li)，Pf=pgh;Ps為凝固(gu)壓(ya)力(li)）。結合式(shi)(shi)（2-202)可知(zhi)，增加(jia)凝固(gu)壓(ya)力(li)，Px增大，強化了枝晶間液(ye)相(xiang)的(de)補縮(suo)(suo)能(neng)力(li)，進而(er)有助于避免(mian)疏松(song)的(de)形(xing)成(cheng)［91].此外，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)越(yue)(yue)寬，枝晶網狀(zhuang)結構越(yue)(yue)復雜(za)，枝晶間補縮(suo)(suo)的(de)距離越(yue)(yue)長(chang)阻力(li)越(yue)(yue)大，滲(shen)透率K越(yue)(yue)小(xiao)，疏松(song)越(yue)(yue)容易形(xing)成(cheng)。因此，疏松(song)易于在糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)較寬的(de)鑄錠以體積凝固(gu)或同時凝固(gu)方式(shi)(shi)凝固(gu)時形(xing)成(cheng)。相(xiang)比(bi)之下(xia)，縮(suo)(suo)孔傾向(xiang)于在糊(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)較窄的(de)鑄錠以逐(zhu)層凝固(gu)方式(shi)(shi)的(de)凝固(gu)過程中出(chu)現。
不同凝(ning)固壓(ya)力(li)下(xia)(xia)（0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)縱剖面上疏(shu)松縮(suo)(suo)孔的(de)分布情況(kuang)如(ru)圖(tu)2-117所示。隨著凝(ning)固壓(ya)力(li)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，疏(shu)松和(he)(he)縮(suo)(suo)孔的(de)總(zong)面積大(da)(da)(da)幅(fu)度(du)減小，且疏(shu)松逐(zhu)漸消失。由于壓(ya)力(li)具(ju)有顯著的(de)強(qiang)化(hua)冷(leng)卻效(xiao)(xiao)果，增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)凝(ning)固壓(ya)力(li)，強(qiang)化(hua)了(le)鑄(zhu)錠(ding)和(he)(he)鑄(zhu)型間的(de)界面換(huan)熱，加(jia)(jia)快了(le)鑄(zhu)錠(ding)的(de)冷(leng)卻速率，從而(er)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)鑄(zhu)錠(ding)溫(wen)度(du)梯度(du)Gr;在合(he)金體系(xi)一定的(de)情況(kuang)下(xia)(xia)，糊狀區隨之(zhi)確定，那么糊狀區的(de)寬度(du)隨溫(wen)度(du)梯度(du)Gr的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)而(er)減小171],進而(er)導致枝(zhi)(zhi)晶網狀結構的(de)形(xing)成受(shou)到抑(yi)制(zhi)。凝(ning)固方式(shi)逐(zhu)漸由體積凝(ning)固向逐(zhu)層凝(ning)固過渡，增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)滲透(tou)率K,從而(er)降低(di)和(he)(he)縮(suo)(suo)短枝(zhi)(zhi)晶間補縮(suo)(suo)時液相流動(dong)的(de)阻力(li)和(he)(he)距離。此外，基于以上理論(lun)分析并結合(he)判據式(shi)（2-202)可知，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)凝(ning)固壓(ya)力(li)等效(xiao)(xiao)于增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)Px,使其遠大(da)(da)(da)于枝(zhi)(zhi)晶間液相補縮(suo)(suo)時所需壓(ya)力(li)。因此，加(jia)(jia)壓(ya)有利(li)于枝(zhi)(zhi)晶間液相的(de)補縮(suo)(suo)行為，且有助于大(da)(da)(da)幅(fu)度(du)減小或消除疏(shu)松缺陷(xian)。
三、凝固析出相
根據相所含非(fei)金屬元素的(de)種類，可將凝(ning)固析出相分為(wei)氮化物(wu)(wu)、碳化物(wu)(wu)等，與碳化物(wu)(wu)相比，氮化物(wu)(wu)尺寸一(yi)般較(jiao)小(xiao)，為(wei)了更加(jia)清楚直(zhi)觀地論述增加(jia)壓力(li)對(dui)凝(ning)固析出相的(de)影(ying)響，本節(jie)將著重以高速(su)鋼M42中(zhong)碳化物(wu)(wu)為(wei)例(li)，闡述壓力(li)對(dui)凝(ning)固析出相的(de)類型、形(xing)貌、成(cheng)分等影(ying)響規律。
高(gao)速(su)鋼碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)數量(liang)繁(fan)多、種(zhong)(zhong)(zhong)類(lei)各異(yi)(yi)。不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)特(te)性不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)、形(xing)貌(mao)(mao)也各有差異(yi)(yi)；按照碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)形(xing)貌(mao)(mao)特(te)征及(ji)(ji)生(sheng)成(cheng)機制的(de)(de)不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)，可將(jiang)高(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)分(fen)(fen)(fen)(fen)為一次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)和二(er)次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)兩大部分(fen)(fen)(fen)(fen)。一次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)又稱為“初生(sheng)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)”，即在(zai)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)直接從液相中(zhong)(zhong)析出的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)，包括各種(zhong)(zhong)(zhong)先共晶(jing)和共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)，有M6C、M2C、MC等不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)類(lei)型(xing)。一次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)尺寸(cun)比較(jiao)大，屬于微米級(ji)別，在(zai)后續(xu)熱(re)(re)加工和熱(re)(re)處(chu)(chu)理工藝中(zhong)(zhong)將(jiang)被破碎(sui)或(huo)分(fen)(fen)(fen)(fen)解成(cheng)尺寸(cun)較(jiao)小的(de)(de)顆粒(li)狀存在(zai)于鋼中(zhong)(zhong)。二(er)次碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)是(shi)指在(zai)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)或(huo)熱(re)(re)處(chu)(chu)理時從固相基體（高(gao)溫鐵素體、奧氏體、馬氏體等）中(zhong)(zhong)析出的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)，分(fen)(fen)(fen)(fen)為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)類(lei)型(xing)。高(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)波動范(fan)圍(wei)較(jiao)大，不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)鋼種(zhong)(zhong)(zhong)、不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)條件產生(sheng)的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)一類(lei)型(xing)的(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)也會有不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)，甚至(zhi)同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)一粒(li)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)不同(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)部位，也會有成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)差異(yi)(yi)。各碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)形(xing)貌(mao)(mao)、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)及(ji)(ji)分(fen)(fen)(fen)(fen)布見表(biao)2-14.
M2C具有(you)密排六方晶體結構［172-175,179],其主要形(xing)成元素通常是(shi)鉬、釩和鎢，鉻及鐵的(de)含量(liang)則(ze)較(jiao)(jiao)少。M2C 共晶碳化物一般以(yi)亞穩態存在于鋼中。尺(chi)寸較(jiao)(jiao)小、片層較(jiao)(jiao)薄(bo)且沒有(you)中間脊骨，在高溫(wen)時易發生分解(jie)反(fan)(fan)應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解(jie)成尺(chi)寸較(jiao)(jiao)小的(de)顆粒狀(zhuang)M6C和MC。此(ci)外，與M6C相反(fan)(fan)，鋼液凝(ning)固時的(de)冷卻(que)速率(lv)越(yue)(yue)快，越(yue)(yue)有(you)利(li)于M2C的(de)形(xing)成。因此(ci)，提高鑄錠(ding)凝(ning)固時的(de)冷卻(que)速率(lv)有(you)利(li)于促進M2C的(de)形(xing)成并細化M2C,同時可抑(yi)制較(jiao)(jiao)大尺(chi)寸M6Cl。
M6C具有(you)復雜立方晶體結(jie)構(gou)，其(qi)結(jie)構(gou)中除碳原(yuan)子以外，鐵、鎢原(yuan)子約(yue)各占一半。M6C屬于(yu)(yu)穩定型碳化(hua)物，其(qi)形(xing)(xing)態為粗(cu)大的骨(gu)骼狀。鋼(gang)(gang)液(ye)凝固(gu)時冷(leng)(leng)卻速(su)率(lv)越慢(man)，M6C碳化(hua)物越易于(yu)(yu)形(xing)(xing)成和長大。因此，M6C在(zai)高速(su)鋼(gang)(gang)的心(xin)部往(wang)往(wang)含量較高，而邊部較少或沒有(you)。加快鑄錠(ding)凝固(gu)時的冷(leng)(leng)卻速(su)率(lv)有(you)利于(yu)(yu)細化(hua)M6C,提高鑄錠(ding)性能。
MC具有(you)(you)面(mian)心立方結構，化(hua)(hua)學式為(wei)MC或者M4C3,其成(cheng)分(fen)以(yi)釩為(wei)主(zhu)。鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)、釩含量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)可使MC增多(duo)(duo)，尺寸(cun)變大(da)。高(gao)(gao)速鋼(gang)中(zhong)(zhong)還有(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)(deng)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)。M23C6晶體結構為(wei)復(fu)雜面(mian)心立方結構，具有(you)(you)一(yi)定量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)鎢、鉬，釩含量(liang)(liang)極(ji)少，含有(you)(you)大(da)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)元(yuan)素；與(yu)M2C相同，M3C也是亞穩態相。M7C3為(wei)復(fu)雜六(liu)方晶體結構，含有(you)(you)較多(duo)(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)鉻、鐵(tie)，主(zhu)要(yao)存在于碳(tan)(tan)(tan)含量(liang)(liang)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)鋼(gang)中(zhong)(zhong)。高(gao)(gao)速鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)具有(you)(you)兩個(ge)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing)(xing)(xing)：硬度(du)和熱(re)穩定性(xing)(xing)(xing)（加熱(re)時(shi)溶(rong)解、聚集(ji)長大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)難度(du)）。這(zhe)些特(te)性(xing)(xing)(xing)反映了碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)和金屬(shu)原子結合(he)鍵的(de)(de)(de)(de)(de)強弱，與(yu)原子結構和尺寸(cun)有(you)(you)關(guan)。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)晶格結構與(yu)碳(tan)(tan)(tan)原子半徑rc、金屬(shu)原子半徑rx有(you)(you)關(guan)，如表2-15所示，rd/rx值越(yue)大(da)，則越(yue)易(yi)形成(cheng)結構復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)（M23C6、M3C等(deng)(deng)），越(yue)小則易(yi)形成(cheng)結構簡單密堆型碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)（MC等(deng)(deng)）。表中(zhong)(zhong)熔(rong)點可作為(wei)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)熱(re)穩定性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)衡(heng)量(liang)(liang)指標，可見碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)中(zhong)(zhong)原子尺寸(cun)越(yue)接近，則碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)穩定性(xing)(xing)(xing)越(yue)高(gao)(gao)。
1. 壓力對(dui)萊氏體的影響
凝固末期，由(you)于(yu)偏析導致(zhi)合(he)金元素在(zai)枝晶(jing)(jing)間(jian)殘余液相(xiang)(xiang)內富集發生共晶(jing)(jing)反應，從液相(xiang)(xiang)中直接生成(cheng)碳化物，它與奧氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)間(jian)排(pai)列(lie)，構(gou)成(cheng)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織。因此高速鋼(gang)(gang)的萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織往(wang)往(wang)存在(zai)于(yu)枝晶(jing)(jing)間(jian)。圖2-118為M2高速鋼(gang)(gang)的低(di)倍鑄態組(zu)織，可(ke)見(jian)一般情況下，相(xiang)(xiang)鄰晶(jing)(jing)粒之間(jian)的萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織較(jiao)(jiao)(jiao)為細(xi)小(xiao)，數(shu)量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)少，而多個晶(jing)(jing)粒之間(jian)的萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織尺寸較(jiao)(jiao)(jiao)大，數(shu)量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)多。
高速(su)鋼的(de)萊氏體組織(zhi)中含(han)有(you)多種(zhong)類型的(de)碳化(hua)物，如(ru)(ru)M2C、M6C、MC等。M6C整體形貌(mao)類似魚(yu)骨，故又稱為“魚(yu)骨狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)碳化(hua)物”，如(ru)(ru)圖2-119所(suo)示(shi)；M2C成片層狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)，含(han)有(you)M2C的(de)共晶萊氏體具有(you)“羽毛狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)”、“扇狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)”、“菊花狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)”等形貌(mao)，如(ru)(ru)圖2-120所(suo)示(shi)；MC的(de)生長(chang)時間較長(chang)，最終尺寸較為粗大(da)，往往以不規則的(de)條(tiao)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)出現，如(ru)(ru)圖2-120所(suo)示(shi)。
a. 碳化物(wu)種類及分布
高(gao)(gao)(gao)速(su)(su)鋼中碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)種(zhong)類與成分(fen)(fen)和凝固(gu)(gu)過程(cheng)(cheng)中的(de)冷卻(que)速(su)(su)率(lv)密不(bu)可(ke)分(fen)(fen)。M42 高(gao)(gao)(gao)速(su)(su)工具鋼作(zuo)為高(gao)(gao)(gao)鉬低鎢鋼，其(qi)凝固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)主(zhu)要(yao)為M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)；另(ling)外含有(you)(you)少部分(fen)(fen)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)，主(zhu)要(yao)存在于(yu)(yu)鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)的(de)心部區域。圖(tu)2-121~圖(tu)2-123給出(chu)了(le)M42高(gao)(gao)(gao)速(su)(su)鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)1/4圓鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)板(ban)金(jin)相組(zu)織(zhi)。白(bai)色(se)斑(ban)點狀處的(de)萊氏體組(zu)織(zhi)中的(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)為具有(you)(you)中心脊骨，脊骨兩邊(bian)具有(you)(you)平行分(fen)(fen)枝的(de)魚骨狀M6C.M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)尺寸比(bi)M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)粗大得多(duo)且(qie)結構上相互連接緊密，極不(bu)利(li)于(yu)(yu)鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)的(de)后(hou)續碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)破碎，因(yin)此盡可(ke)能(neng)減(jian)少或避免凝固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)中M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)產生，有(you)(you)助于(yu)(yu)提升其(qi)力(li)學(xue)性能(neng)等。隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)增(zeng)大，萊氏體（白(bai)色(se)斑(ban)點）所(suo)占1/4圓鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)板(ban)的(de)面積比(bi)例逐漸減(jian)小(xiao)(xiao)，加(jia)(jia)壓(ya)有(you)(you)助于(yu)(yu)抑制M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)形成與長大，其(qi)主(zhu)要(yao)原因(yin)在于(yu)(yu)在較低壓(ya)力(li)下(xia)，加(jia)(jia)壓(ya)對(dui)凝固(gu)(gu)熱(re)力(li)學(xue)和動(dong)力(li)學(xue)參數的(de)影響十(shi)分(fen)(fen)有(you)(you)限，但(dan)強化(hua)(hua)(hua)冷卻(que)效果(guo)十(shi)分(fen)(fen)明同時(shi)凝固(gu)(gu)過程(cheng)(cheng)中冷卻(que)速(su)(su)率(lv)越小(xiao)(xiao)，越有(you)(you)利(li)于(yu)(yu)魚骨狀M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)形成，且(qie)M6C越粗大。因(yin)而(er)增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)主(zhu)要(yao)通過增(zeng)大鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)和鑄(zhu)型間界(jie)面換熱(re)系(xi)數，提高(gao)(gao)(gao)鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)(ding)的(de)冷卻(que)速(su)(su)率(lv)從而(er)細化(hua)(hua)(hua)并抑制M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)形成，且(qie)當(dang)壓(ya)力(li)增(zeng)加(jia)(jia)到一定程(cheng)(cheng)度時(shi)，能(neng)夠(gou)完全抑制富含M6C的(de)萊氏體形成，消除其(qi)對(dui)組(zu)織(zhi)和性能(neng)的(de)不(bu)良影響。
圖(tu)2-121(b)所示萊氏體組織中碳化(hua)物(wu)為(wei)長條(tiao)(tiao)狀或(huo)者(zhe)短(duan)棒狀的(de)(de)M2C.凝固壓(ya)(ya)(ya)力(li)不同(tong)，M2C的(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)、形(xing)貌以及分(fen)布的(de)(de)緊密程度等均有所不同(tong)。在0.1MPa壓(ya)(ya)(ya)力(li)下，碳化(hua)物(wu)分(fen)枝(zhi)(zhi)較(jiao)少(shao)、片層(ceng)較(jiao)長、尺(chi)(chi)寸(cun)較(jiao)大、間(jian)距較(jiao)寬、共晶(jing)(jing)(jing)萊氏體與(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂的(de)(de)界(jie)面較(jiao)平(ping)整(zheng)；隨著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)加，條(tiao)(tiao)狀或(huo)片層(ceng)狀碳化(hua)物(wu)的(de)(de)間(jian)距逐漸減(jian)小，且開始斷開成大量的(de)(de)短(duan)棒碳化(hua)物(wu)，碳化(hua)物(wu)的(de)(de)分(fen)枝(zhi)(zhi)也(ye)逐漸增(zeng)多，并(bing)密集分(fen)布在枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間(jian)，共晶(jing)(jing)(jing)萊氏體與(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂的(de)(de)界(jie)面也(ye)較(jiao)為(wei)粗(cu)糙。此外，三(san)個壓(ya)(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)M2C幾乎沒有晶(jing)(jing)(jing)體缺陷，明壓(ya)(ya)(ya)力(li)很難對(dui)碳化(hua)物(wu)晶(jing)(jing)(jing)格類型(xing)產(chan)生影響(xiang)。
b. 萊氏體(ti)尺(chi)寸
萊(lai)氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)存(cun)在(zai)于(yu)(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)，與枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距、形貌及分(fen)布(bu)密(mi)切相關，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距越小(xiao)，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)萊(lai)氏體(ti)(ti)尺寸(cun)也相應地細(xi)小(xiao)且均勻分(fen)布(bu)。圖2-124和圖2-125給出(chu)了不同壓力條(tiao)件(jian)下M42鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)和心部(bu)(bu)萊(lai)氏體(ti)(ti)形貌和尺寸(cun)分(fen)布(bu)，無論是(shi)鑄(zhu)錠(ding)的邊(bian)部(bu)(bu)還是(shi)心部(bu)(bu)，尺寸(cun)不一(yi)的萊(lai)氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)（黑色）均分(fen)布(bu)在(zai)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)。在(zai)同一(yi)凝固壓力條(tiao)件(jian)下，鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)的枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距明顯小(xiao)于(yu)(yu)心部(bu)(bu)，因而心部(bu)(bu)萊(lai)氏體(ti)(ti)要(yao)比邊(bian)部(bu)(bu)粗大(da)。
隨(sui)著壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，在(zai)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)(hua)(hua)冷卻的(de)作用下(xia)，冷卻速率(lv)增(zeng)大(da)(da)(da)，鑄錠局部凝(ning)固時(shi)(shi)間縮短，使(shi)得(de)枝晶(jing)組織(zhi)得(de)到了明(ming)顯細(xi)化(hua)(hua)(hua)且(qie)尺(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)(bu)更(geng)(geng)均(jun)(jun)(jun)勻(yun)，進而導致分(fen)布(bu)(bu)在(zai)枝晶(jing)間的(de)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)也隨(sui)之細(xi)化(hua)(hua)(hua)，厚(hou)(hou)度(du)大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)減小且(qie)分(fen)布(bu)(bu)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)(jun)(jun)勻(yun)。在(zai)0.1MPa 壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)，無論在(zai)邊部還是心部位置(zhi)，鑄錠的(de)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)均(jun)(jun)(jun)較為粗(cu)(cu)大(da)(da)(da)，且(qie)尺(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)(bu)極不均(jun)(jun)(jun)勻(yun)，部分(fen)局部區域存在(zai)著大(da)(da)(da)量的(de)黑色萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)，尤(you)其在(zai)多個枝晶(jing)臂交匯處，且(qie)尺(chi)寸(cun)異常粗(cu)(cu)大(da)(da)(da)。當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)增(zeng)加(jia)至(zhi)1MPa時(shi)(shi)，粗(cu)(cu)大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)得(de)到明(ming)顯細(xi)化(hua)(hua)(hua)，且(qie)尺(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)(bu)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)(jun)(jun)勻(yun)；當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)進一步(bu)增(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時(shi)(shi)，萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)得(de)到進一步(bu)地改善，組織(zhi)更(geng)(geng)加(jia)細(xi)密，尺(chi)寸(cun)更(geng)(geng)加(jia)均(jun)(jun)(jun)勻(yun)，粗(cu)(cu)大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)基本(ben)消(xiao)失。萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)平均(jun)(jun)(jun)尺(chi)寸(cun)隨(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)變化(hua)(hua)(hua)規(gui)律如圖(tu)2-126所示，壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)從0.1MPa增(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時(shi)(shi)，萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)厚(hou)(hou)度(du)由(you)28.37μm降低至(zhi)22.92μm.因此，增(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)能夠明(ming)顯細(xi)化(hua)(hua)(hua)萊(lai)(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)，改善其分(fen)布(bu)(bu)狀(zhuang)態。
2. 壓(ya)力對(dui)碳化物的影響
a. 碳(tan)化物尺寸(cun)
以高速鋼中M2C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物為(wei)例，M2C共晶(jing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物是通過凝固(gu)(gu)過程(cheng)中的(de)(de)共晶(jing)反(fan)應L→y+M2C產生的(de)(de)。和(he)(he)純金(jin)(jin)屬及固(gu)(gu)溶(rong)體合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)結晶(jing)過程(cheng)一樣(yang)，共晶(jing)轉變(bian)(bian)同(tong)(tong)樣(yang)需要經過形(xing)核(he)與(yu)長大(da)的(de)(de)過程(cheng)。結合(he)式(shi)(shi)（2-178)和(he)(he)式(shi)(shi)（2-179),東北大(da)學(xue)特(te)殊(shu)鋼冶金(jin)(jin)研究所在(zai)控制溫度不(bu)變(bian)(bian)的(de)(de)基礎上，計(ji)算了(le)不(bu)同(tong)(tong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)在(zai)兩相中的(de)(de)擴(kuo)散系數(shu)，探討凝固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)與(yu)擴(kuo)散激(ji)活能的(de)(de)關系。凝固(gu)(gu)過程(cheng)中溫度T=1478K時，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)（鉬、鎢、釩(fan)(fan)和(he)(he)鉻(ge)(ge)）在(zai)M2C相和(he)(he)奧(ao)氏體相γ中的(de)(de)擴(kuo)散系數(shu)D隨壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)規律(lv)如圖2-127和(he)(he)圖2-128所示；從整體上看，隨著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)逐漸增(zeng)大(da)，同(tong)(tong)溫度M2C相中的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)鉬和(he)(he)鎢的(de)(de)擴(kuo)散系數(shu)D呈(cheng)減小趨勢(shi)，而(er)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)釩(fan)(fan)和(he)(he)鉻(ge)(ge)則(ze)呈(cheng)增(zeng)大(da)的(de)(de)趨勢(shi)，表明(ming)提高壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)可(ke)增(zeng)大(da)M2C中鉬、鎢元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)擴(kuo)散激(ji)活能ΔGm,進而(er)降低(di)其(qi)擴(kuo)散能力(li)；同(tong)(tong)時降低(di)釩(fan)(fan)、鉻(ge)(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)擴(kuo)散激(ji)活能ΔGm,從而(er)提高其(qi)擴(kuo)散能力(li)。然而(er)，當壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)在(zai)0.1~2MPa范圍內變(bian)(bian)化(hua)(hua)時，各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)擴(kuo)散系數(shu)的(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)微乎其(qi)微，即保持(chi)恒定(ding)值。隨著(zhu)凝固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)逐漸增(zeng)大(da)到50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)鉬的(de)(de)擴(kuo)散系數(shu)才(cai)開(kai)始產生較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)，鎢、釩(fan)(fan)和(he)(he)鉻(ge)(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)擴(kuo)散系數(shu)甚至在(zai)100MPa壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)仍未產生變(bian)(bian)化(hua)(hua)。因此低(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)擴(kuo)散系數(shu)隨壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)可(ke)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。
的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)而(er)(er)降低，鉻元(yuan)(yuan)素的(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)則(ze)隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加，如圖2-128所示。即增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)具有(you)提高(gao)奧(ao)氏(shi)體γ相中(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)素鉬(mu)、鎢和(he)釩的(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活能(neng)ΔGm,降低其擴(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)以及減小元(yuan)(yuan)素鉻的(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活能(neng)ΔGm和(he)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)其擴(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)的(de)(de)作用(yong)。與M2C差別(bie)在(zai)(zai)于，在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)體相γ中(zhong)，較小的(de)(de)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)便可發揮比(bi)(bi)較明(ming)顯(xian)的(de)(de)作用(yong)，例(li)如：當凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)大(da)于2MPa時(shi)，元(yuan)(yuan)素鉻的(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)隨(sui)壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加而(er)(er)明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)；鉬(mu)和(he)釩元(yuan)(yuan)素則(ze)在(zai)(zai)10MPa時(shi)開始隨(sui)壓(ya)力(li)增(zeng)(zeng)(zeng)加而(er)(er)明(ming)顯(xian)減小。可見，在(zai)(zai)相同溫度(du)下，相比(bi)(bi)于M2C相，合(he)金元(yuan)(yuan)素釩、鎢、鉬(mu)和(he)鉻在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)體γ相中(zhong)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)情況受凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)影響更為明(ming)顯(xian)。但在(zai)(zai)0.1~2MPa的(de)(de)壓(ya)力(li)范圍(wei)內，合(he)金元(yuan)(yuan)素在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)體相γ中(zhong)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)幾乎保持(chi)不(bu)變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時(shi)，各元(yuan)(yuan)素擴(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活能(neng)ΔGm也(ye)未(wei)發生明(ming)顯(xian)變化。
綜上所述，在低(di)壓下，影(ying)響M2C形(xing)核(he)(he)率(lv)的(de)主(zhu)要(yao)因素是隨凝固(gu)壓力(li)增大而顯(xian)著減小(xiao)的(de)形(xing)核(he)(he)功。增加凝固(gu)壓力(li)可顯(xian)著改(gai)善換熱條(tiao)件強化(hua)(hua)鑄錠冷卻、提(ti)高鑄錠過冷度ΔT,進而降低(di)共(gong)晶反應過程中奧(ao)氏(shi)體相γ和(he)M2C相的(de)形(xing)核(he)(he)功ΔG*,最終增大M2C的(de)形(xing)核(he)(he)率(lv)、減小(xiao)M2C相鄰碳化(hua)(hua)物的(de)間距。
此外，增(zeng)加(jia)壓力(li)使(shi)M2C形核率大大增(zeng)加(jia)，同時強(qiang)化(hua)了鑄(zhu)錠(ding)冷卻，顯著降(jiang)低了局部凝固時間LST,導致加(jia)壓下鑄(zhu)錠(ding)同位置的(de)凝固相(xiang)對較快(kuai)，M2C共(gong)晶碳化(hua)物(wu)生長時間變短，導致M42凝固組織中M2C碳化(hua)物(wu)的(de)尺寸減小。這對于后續的(de)熱(re)處理碳化(hua)物(wu)的(de)溶解具有積極的(de)意義。
圖2-129為不同凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)下M2C共晶碳化物在(zai)熱(re)處理(li)過(guo)(guo)程中的(de)元素擴(kuo)散示意(yi)圖。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)的(de)增大，碳化物由長條狀轉變為短棒狀，在(zai)縱向和橫向上的(de)尺(chi)寸均(jun)顯著(zhu)減小。因此，在(zai)熱(re)處理(li)過(guo)(guo)程中，碳化物中的(de)元素由內向外擴(kuo)散的(de)平均(jun)距離(li)也相(xiang)應隨著(zhu)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)的(de)增大而(er)顯著(zhu)減小，熱(re)處理(li)效果(guo)更(geng)加明(ming)顯，熱(re)處理(li)后M42組織的(de)成分更(geng)加均(jun)勻，進而(er)有(you)利于提(ti)高M42高速(su)鋼的(de)質量。
b. 碳化物成分
M2C的(de)形(xing)成元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)主要包括鉬、鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)，其(qi)中(zhong)鉬元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)是強M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)形(xing)成元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，也是M2C中(zhong)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)最高的(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)。圖2-130給出(chu)了(le)不(bu)同(tong)壓(ya)力(li)下M2C中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉬、鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)，隨著壓(ya)力(li)的(de)增大，M2C上的(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉬、鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)均逐漸(jian)減小，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)則逐漸(jian)增大；同(tong)時，M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)之(zhi)間基(ji)體中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)則呈現相反的(de)規(gui)律：鉬、鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)逐漸(jian)增大，而鐵(tie)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)減少。這表明，增大的(de)壓(ya)力(li)使得(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)在(zai)M2C共晶(jing)碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)中(zhong)的(de)分布趨于均勻，為后續的(de)處理、熱加(jia)工工藝中(zhong)碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)破碎、溶解(jie)提供良好的(de)基(ji)礎。
在(zai)高速鋼中(zhong)，M2C共晶(jing)碳化(hua)物(wu)是通過凝固過程中(zhong)的共晶(jing)反應L→M2C+y產生的，在(zai)這(zhe)個過程中(zhong)存在(zai)M2C碳化(hua)物(wu)相和奧氏體γ相之間(jian)的溶質再分(fen)配［172].在(zai)一(yi)定溫度下，平衡分(fen)配系數可表示為固相和液相中(zhong)的元素濃度之比：
式中(zhong)，Cs和CL分別表示(shi)在凝固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)，元(yuan)素(su)在固(gu)相和液相中(zhong)的(de)平(ping)衡濃度。共晶反(fan)應(ying)(ying)L→M2C+y是在凝固(gu)末(mo)期發(fa)生的(de)，圖2-131給出了不同壓(ya)力下的(de)M42高速鋼凝固(gu)時(shi)共晶反(fan)應(ying)(ying)過(guo)(guo)程中(zhong)M2C碳化物相和奧氏(shi)體γ相中(zhong)各元(yuan)素(su)的(de)單(dan)相平(ping)衡分配系數。
式中(zhong)，Cs和C1分(fen)別(bie)表示(shi)在(zai)(zai)凝固(gu)過程中(zhong)，元(yuan)素在(zai)(zai)固(gu)相和液相中(zhong)的平衡濃度。共晶反應L→M2C+y是(shi)在(zai)(zai)凝固(gu)末期發生的［172,180,181],圖2-131給出(chu)了不同壓力下的M42高速鋼凝固(gu)時共晶反應過程中(zhong)M2C碳化物相和奧(ao)氏體y相中(zhong)各(ge)元(yuan)素的單相平衡分(fen)配(pei)系數。
隨壓(ya)力的(de)增加，共(gong)晶(jing)(jing)反應過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素在M2C和(he)奧(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數具有升高(gao)的(de)趨勢(shi)并逐漸靠近(jin)1.基于(yu)熱(re)力學分(fen)(fen)析，在M42鑄錠凝(ning)固時的(de)共(gong)晶(jing)(jing)反應過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，增大壓(ya)力可使(shi)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素在M2C碳(tan)(tan)(tan)化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)含(han)量增大。凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)M2C碳(tan)(tan)(tan)化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素平(ping)衡(heng)分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數增量變(bian)化規律如圖(tu)2-132所示(shi)，在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa時，M2C碳(tan)(tan)(tan)化物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素平(ping)衡(heng)分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數增量始終大于(yu)奧(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)平(ping)衡(heng)分(fen)(fen)配系(xi)(xi)數增量。由此可知(zhi)，共(gong)晶(jing)(jing)反應過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比于(yu)奧(ao)氏(shi)體γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)素更偏向于(yu)在M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)富集。
在(zai)(zai)0.1~2MPa壓力范圍(wei)(wei)內，加(jia)壓對(dui)Mo元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系(xi)數影(ying)響非常小(xiao)，變化量(liang)為(wei)10-6~10-5,可(ke)忽略不(bu)計，因而在(zai)(zai)低壓范圍(wei)(wei)內，增加(jia)壓力不(bu)能通過改變元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系(xi)數而影(ying)響相(xiang)成分(fen)(fen)。除平(ping)(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系(xi)數以外，鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固(gu)過程中溶質(zhi)的(de)分(fen)(fen)配情況與(yu)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)傳質(zhi)行(xing)(xing)為(wei)有(you)關。在(zai)(zai)M42鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固(gu)末期(qi)的(de)共晶反應L→M2C+y過程中存在(zai)(zai)M2C碳化物相(xiang)和奧(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)之間的(de)溶質(zhi)再分(fen)(fen)配：液相(xiang)中的(de)M2C形(xing)成元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)（鉬(mu)、鎢、釩(fan)和鉻）通過凝(ning)固(gu)前沿固(gu)／液界面向M2C碳化物相(xiang)富(fu)集(ji)，同時(shi)奧(ao)氏(shi)體(ti)γ相(xiang)形(xing)成元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)（鈷、鐵(tie)）則向奧(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)富(fu)集(ji)，整個反應發生在(zai)(zai)凝(ning)固(gu)末期(qi)的(de)枝(zhi)晶間小(xiao)熔池內，此時(shi)液相(xiang)流動很弱，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)流傳質(zhi)行(xing)(xing)為(wei)可(ke)忽略，因而溶質(zhi)的(de)分(fen)(fen)配主(zhu)要與(yu)相(xiang)中元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)擴散(san)傳質(zhi)行(xing)(xing)為(wei)有(you)關。
根據菲(fei)克第一定律(lv)公(gong)式（2-178)可知，擴(kuo)散(san)系數D與溫(wen)度(du)(du)T呈反比關系。圖2-133為(wei)2MPa下M2C形成(cheng)元素的(de)擴(kuo)散(san)系數隨(sui)溫(wen)度(du)(du)的(de)變化關系。在(zai)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)不變時，溫(wen)度(du)(du)的(de)降低會顯(xian)(xian)著(zhu)減小擴(kuo)散(san)系數，在(zai)低壓(ya)范(fan)圍內(nei)，相對(dui)于凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)變化，溫(wen)度(du)(du)變化對(dui)擴(kuo)散(san)系數D具有更明顯(xian)(xian)的(de)影響。
增大(da)壓力具(ju)有顯著強化(hua)(hua)冷卻(que)和(he)(he)(he)減少鑄(zhu)(zhu)錠局(ju)部(bu)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)時(shi)間的(de)(de)(de)作用。由此可知，對(dui)于0.1MPa、1MPa和(he)(he)(he)2MPa壓力下的(de)(de)(de)鑄(zhu)(zhu)錠凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程，在相同的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)時(shi)間內，在較高壓力下凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)的(de)(de)(de)鑄(zhu)(zhu)錠冷卻(que)更快，溫度更低(di)，其(qi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)散(san)系數則相對(dui)較低(di)，導(dao)致元(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)散(san)速率減小(xiao)，使得M2C共晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)中釩、鎢(wu)、鉻和(he)(he)(he)鉬元(yuan)(yuan)素(su)(su)含量降低(di)，碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)間基(ji)體的(de)(de)(de)合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)含量升高，降低(di)了(le)M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)和(he)(he)(he)奧氏(shi)體γ相之間的(de)(de)(de)成分(fen)差異性，提(ti)高了(le)M42凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組織成分(fen)的(de)(de)(de)均勻性。
c. 碳化物形貌
M2C碳化物明(ming)(ming)顯具(ju)有(you)各(ge)向異性的生長方式(shi)，形貌具(ju)有(you)小平面(mian)向的特性。共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)組織的形貌與共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)過(guo)程中(zhong)液／固界面(mian)結(jie)構有(you)密切聯系，金屬(shu)(shu)相(xiang)－金屬(shu)(shu)碳化物相(xiang)共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)屬(shu)(shu)于(yu)小平面(mian)相(xiang)－非小平面(mian)相(xiang)共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)［146].M2C是通過(guo)凝(ning)固末期枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)熔池里的共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)反(fan)M2C共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳化物形成于(yu)凝(ning)固末期枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)殘余液相(xiang)中(zhong)，根據凝(ning)固原(yuan)理。枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)殘余液相(xiang)中(zhong)元素含量明(ming)(ming)顯高于(yu)鑄錠標準含量。不(bu)同(tong)壓力下(xia)枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)液相(xiang)中(zhong)各(ge)相(xiang)出現的先(xian)后順序，如圖2-135所示，在不(bu)同(tong)壓力下(xia)，M2C均領先(xian)奧氏(shi)體(ti)相(xiang)γ出現。這表明(ming)(ming)，在共(gong)(gong)(gong)晶(jing)(jing)反(fan)應L→y+M2C過(guo)程中(zhong)，M2C是領先(xian)相(xiang)。
在(zai)共晶(jing)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)快速(su)生長(chang)方(fang)向(xiang)率先進入共生界(jie)面(mian)前方(fang)的(de)液(ye)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)，同時在(zai)其(qi)附近液(ye)層中(zhong)(zhong)(zhong)排(pai)出奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)；隨(sui)后奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則依靠此(ci)(ci)液(ye)層獲得(de)(de)(de)生長(chang)組(zu)(zu)元(yuan)(yuan)，跟隨(sui)著M2C一(yi)(yi)起長(chang)大(da)，同時也向(xiang)液(ye)層中(zhong)(zhong)(zhong)排(pai)出M2C形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)，如圖(tu)2-136所(suo)示(shi)。隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓(ya)力的(de)增大(da)，凝(ning)固(gu)速(su)率增加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)生長(chang)速(su)率均加(jia)快。一(yi)(yi)方(fang)面(mian)，M2C碳化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間(jian)距(ju)隨(sui)壓(ya)力的(de)增大(da)逐(zhu)漸減小，即奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)／固(gu)界(jie)面(mian)變窄；另一(yi)(yi)方(fang)面(mian)，加(jia)壓(ya)使(shi)得(de)(de)(de)枝晶(jing)間(jian)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)沒有足夠時間(jian)進行充分擴散(san)；導(dao)致奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)液(ye)／固(gu)界(jie)面(mian)前沿合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)濃度急劇(ju)增大(da)，成(cheng)分過冷加(jia)劇(ju)，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)大(da)速(su)率進一(yi)(yi)步(bu)增大(da)，使(shi)得(de)(de)(de)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生長(chang)速(su)率差逐(zhu)漸縮小。此(ci)(ci)外，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作(zuo)為(wei)非小平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其(qi)生長(chang)所(suo)需(xu)過冷度遠小于小平面(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)M2C碳化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)，使(shi)得(de)(de)(de)在(zai)凝(ning)固(gu)速(su)率增大(da)的(de)過程中(zhong)(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生長(chang)速(su)率增量(liang)大(da)于M2C碳化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)生長(chang)速(su)率增量(liang)。因此(ci)(ci)，隨(sui)著壓(ya)力的(de)增大(da)，枝晶(jing)間(jian)共晶(jing)組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)含(han)量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對增多，使(shi)得(de)(de)(de)M2C碳化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)生長(chang)空間(jian)受(shou)到“排(pai)擠(ji)”，含(han)量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對減少(shao)，最終M2C碳化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)逐(zhu)漸呈現出被奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進而(er)變短的(de)形(xing)貌，如圖(tu)2-134所(suo)示(shi)。
四、夾雜(za)物分(fen)布(bu)
夾雜物是影響鋼錠質量的一個(ge)重要(yao)因素。鋼中夾雜物主要(yao)包括冶煉(lian)過(guo)程(cheng)中進(jin)行(xing)脫氧處理(li)形(xing)成的脫氧產(chan)物、凝(ning)固過(guo)程(cheng)元素溶解度下降形(xing)成的氧化(hua)物、氮化(hua)物、硫化(hua)物等化(hua)合物以及爐渣(zha)和(he)由于沖刷而進(jin)入鋼液的耐火材料。
根(gen)據(ju)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來源，可(ke)以將鋼中(zhong)(zhong)的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分為(wei)兩類:①外生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大(da)部分為(wei)復合氧化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)，主(zhu)要是由于鋼液(ye)接(jie)觸空氣生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)(cheng)氧化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以及進入(ru)鋼液(ye)的(de)爐渣、耐火(huo)材料組成(cheng)(cheng)(cheng)。外生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外形不規(gui)則、尺(chi)寸(cun)大(da)、構(gou)成(cheng)(cheng)(cheng)復雜(za)(za)(za)，常常位于鋼的(de)表層，具有(you)嚴重(zhong)的(de)危害性。②內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是由于脫氧、鋼水鈣處(chu)理(li)等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化反應而形成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼液(ye)中(zhong)(zhong)數量較多，分布均(jun)勻，顆粒(li)細小。由于形成(cheng)(cheng)(cheng)時(shi)間不同(tong)，內(nei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)分為(wei)：鋼液(ye)脫氧時(shi)期(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)氧化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為(wei)原生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或一次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度降(jiang)低造成(cheng)(cheng)(cheng)化學反應平衡的(de)移動(dong)進而析(xi)出二次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由于溶質元素偏析(xi)和溶解度變化而析(xi)出的(de)三次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚(shen)至(zhi)四(si)次夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾雜(za)(za)物(wu)作為凝(ning)固(gu)組(zu)織(zhi)的重要組(zu)成部分，其特性至關(guan)重要，對(dui)于進一步揭(jie)示加(jia)壓(ya)冶金的優(you)勢十(shi)分關(guan)鍵。非(fei)金屬(shu)夾雜(za)(za)物(wu)的特性（數量、尺寸和(he)分布(bu)(bu)等）對(dui)鋼(gang)的性能(neng)(neng)（力(li)學(xue)性能(neng)(neng)和(he)腐(fu)蝕等）有(you)重要影(ying)響。同(tong)時，改(gai)善鋼(gang)中(zhong)夾雜(za)(za)物(wu)的分布(bu)(bu)情況并盡可(ke)能(neng)(neng)徹底地去除非(fei)金屬(shu)夾雜(za)(za)物(wu)可(ke)以有(you)效地減少缺陷和(he)提高性能(neng)(neng)。為了改(gai)善夾雜(za)(za)物(wu)的分布(bu)(bu)，施加(jia)在(zai)夾雜(za)(za)物(wu)上(shang)的力(li)包括重力(li)、浮力(li)、曳力(li)，附加(jia)質量力(li)、升力(li)和(he)反彈力(li)等起著關(guan)鍵作用(yong)。這些力(li)主要是通過(guo)溫度(du)、流場(chang)(chang)(chang)(chang)、重力(li)場(chang)(chang)(chang)(chang)和(he)電磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)等物(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)(chang)來確定。因(yin)此，可(ke)以通過(guo)采取(qu)一系列措施優(you)化(hua)物(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)(chang)來改(gai)善夾雜(za)(za)物(wu)分布(bu)(bu)。例如，鋼(gang)包中(zhong)使用(yong)的氣體攪拌、連鑄(zhu)(zhu)過(guo)程中(zhong)添(tian)加(jia)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)。對(dui)于加(jia)壓(ya)冶金，壓(ya)力(li)是關(guan)鍵因(yin)素。目(mu)前，已經(jing)證實加(jia)壓(ya)會在(zai)各(ge)個方面影(ying)響凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)的物(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)(chang)，包括加(jia)壓(ya)通過(guo)加(jia)快鑄(zhu)(zhu)錠的冷卻(que)速率和(he)加(jia)強鑄(zhu)(zhu)錠與鑄(zhu)(zhu)模之(zhi)間的熱交換來改(gai)變溫度(du)場(chang)(chang)(chang)(chang)，通過(guo)改(gai)變糊狀區(qu)域(yu)的大小(xiao)和(he)枝(zhi)晶結(jie)構影(ying)響流場(chang)(chang)(chang)(chang)等。
因此，可以認為(wei)在凝固(gu)過(guo)程中(zhong)壓(ya)力具有改變夾雜物分(fen)布的(de)能力，并且壓(ya)力對夾雜物分(fen)布的(de)影響機制非常復雜，然而，關(guan)于加壓(ya)對夾雜物分(fen)布變化的(de)影響研究相對較少。這表明加壓(ya)對凝固(gu)組織(zhi)的(de)影響機理尚未全面闡明。
1. 夾雜物(wu)分布分析模型
在實際凝固過(guo)程中，夾雜(za)(za)物(wu)的(de)受力情況、運(yun)動軌(gui)跡很難(nan)通(tong)過(guo)實驗進(jin)行(xing)測量。數值模擬提供了(le)(le)一種可以深(shen)入了(le)(le)解(jie)某些無法(fa)通(tong)過(guo)實驗評估的(de)現(xian)象的(de)方(fang)法(fa)。這(zhe)些現(xian)象包括夾雜(za)(za)物(wu)的(de)運(yun)動軌(gui)跡，作用于夾雜(za)(za)物(wu)的(de)力和夾雜(za)(za)物(wu)的(de)速度等。根據電(dian)渣、連鑄和鋼包精煉等過(guo)程中的(de)相關(guan)研(yan)究(jiu)，數值模擬是一種非常有效的(de)研(yan)究(jiu)夾雜(za)(za)物(wu)運(yun)動行(xing)為的(de)方(fang)法(fa)。
鋼液(ye)(ye)凝固(gu)(gu)過程涉及熱量(liang)傳(chuan)遞(di)、質量(liang)傳(chuan)輸(shu)、動量(liang)傳(chuan)輸(shu)、相轉變和(he)晶(jing)粒(li)形核長(chang)大等一(yi)系列復雜(za)的(de)物理化學(xue)現象，同(tong)時存在金屬(shu)固(gu)(gu)相、金屬(shu)液(ye)(ye)相、氣(qi)相和(he)夾(jia)雜(za)物相等多(duo)個相之間的(de)相互作用，適合應用歐(ou)拉(la)多(duo)項(xiang)流模型(xing)(xing)進(jin)行(xing)計算(suan)求解。其中，根據對夾(jia)雜(za)物運動行(xing)為(wei)處理方式(shi)，夾(jia)雜(za)物分(fen)布分(fen)析模型(xing)(xing)可以(yi)分(fen)為(wei)歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗日模型(xing)(xing)和(he)歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模型(xing)(xing)。
a. 歐(ou)拉－拉格朗日模型歐(ou)拉－
拉格朗日離(li)散相(xiang)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是在歐拉模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)的(de)基礎上，將夾雜(za)(za)(za)物(wu)相(xiang)處理成離(li)散相(xiang)，而(er)流體(ti)相(xiang)處理為(wei)連續相(xiang)。根(gen)據球(qiu)型(xing)(xing)夾雜(za)(za)(za)物(wu)的(de)受力(li)分析，基于(yu)牛頓第二(er)定律，建立夾雜(za)(za)(za)物(wu)運(yun)動(dong)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)，并與鋼液凝固模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)耦合，從(cong)而(er)模(mo)(mo)(mo)擬(ni)夾雜(za)(za)(za)物(wu)在凝固過(guo)程運(yun)動(dong)行為(wei)。該模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)可以跟蹤每(mei)個夾雜(za)(za)(za)物(wu)顆(ke)粒并獲得其速度(du)、運(yun)動(dong)軌(gui)跡以及夾雜(za)(za)(za)物(wu)去除過(guo)程中的(de)動(dong)力(li)學行為(wei)。此(ci)外，該模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是基于(yu)離(li)散相(xiang)體(ti)積(ji)比例相(xiang)對(dui)較低的(de)基本(ben)假(jia)設(she)而(er)建立。
夾(jia)雜(za)物(wu)在鋼(gang)液中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)運動，主要是(shi)各種(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)共同作(zuo)用造成的(de)(de)(de)。夾(jia)雜(za)物(wu)在鋼(gang)液中(zhong)(zhong)受力(li)(li)情況如(ru)(ru)圖2-137所示。可以看出，夾(jia)雜(za)物(wu)顆粒(li)受到主要作(zuo)用力(li)(li)分別為：由(you)于顆粒(li)自(zi)身性(xing)質(zhi)引起的(de)(de)(de)力(li)(li)，如(ru)(ru)重力(li)(li)、浮力(li)(li)等；由(you)于顆粒(li)與流體(ti)之間存在相對運動而產生的(de)(de)(de)力(li)(li)，如(ru)(ru)升力(li)(li)（Saffman)、附加質(zhi)量(liang)力(li)(li)、曳(ye)力(li)(li)和Magnus力(li)(li)等；細小夾(jia)雜(za)物(wu)在高溫條件下受的(de)(de)(de)布朗（Brown)力(li)(li)等。
（1)曳(ye)力。
在(zai)鋼液(ye)流(liu)場內(nei)黏性流(liu)體與顆(ke)粒之間(jian)存在(zai)相對運(yun)動(dong)，由(you)黏性流(liu)體施(shi)加的(de)曳力(li)使得夾雜(za)物顆(ke)粒趨向于跟隨流(liu)體運(yun)動(dong)。曳力(li)是(shi)夾雜(za)物顆(ke)粒在(zai)凝固過(guo)程中(zhong)的(de)主(zhu)要受(shou)力(li)之一(yi)。計算公式如下：
（2)浮(fu)力(li)和重力(li)。
在豎直方向上，夾雜物顆粒(li)受(shou)到與相對運動無關(guan)的力(li)，包括(kuo)重力(li)和浮力(li)，其
（3)附加質(zhi)量力。
當鋼液與夾(jia)雜物(wu)顆粒存在(zai)相對運動時，夾(jia)雜物(wu)顆粒會帶(dai)動其附近(jin)的部分鋼液做加速運動，此時推動夾(jia)雜物(wu)顆粒運動的力(li)(li)大(da)于其顆粒本身慣性力(li)(li)，這(zhe)部分大(da)于夾(jia)雜物(wu)顆粒本身慣性力(li)(li)的力(li)(li)即為(wei)附加質量(liang)力(li)(li)。其計算公式為(wei)
通過(guo)運(yun)用歐拉－拉格朗日模(mo)型對鋼液凝固過(guo)程進行模(mo)擬(ni)計(ji)算(suan)時，可(ke)以得出隨著溫度場和流場的變化，每個球(qiu)形夾雜(za)物顆粒在(zai)鋼液中的運(yun)動軌(gui)跡和分布。
b. 歐拉－歐拉模型(xing)
拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)是(shi)(shi)研究夾(jia)雜(za)物顆粒在(zai)(zai)(zai)(zai)鋼液中(zhong)(zhong)運動(dong)行(xing)為主(zhu)要的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)，但(dan)在(zai)(zai)(zai)(zai)實際的(de)(de)(de)應用中(zhong)(zhong)存在(zai)(zai)(zai)(zai)一些不足(zu)，例如，拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)是(shi)(shi)針對單一粒子進(jin)行(xing)計(ji)算，當同時追(zhui)蹤多個粒子時，計(ji)算量(liang)過大，難以進(jin)行(xing)。相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)較于拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)，歐拉(la)(la)－歐拉(la)(la)模(mo)(mo)(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)夾(jia)雜(za)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)控制方(fang)程(cheng)(cheng)與(yu)流(liu)體連續相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)控制方(fang)程(cheng)(cheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)似，運算相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對高效，能夠同時描述多種夾(jia)雜(za)物顆粒在(zai)(zai)(zai)(zai)凝固過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分布特(te)征。歐拉(la)(la)－歐拉(la)(la)模(mo)(mo)(mo)型(xing)與(yu)歐拉(la)(la)－拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)(ri)(ri)模(mo)(mo)(mo)型(xing)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，主(zhu)要差別(bie)是(shi)(shi)夾(jia)雜(za)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)動(dong)量(liang)方(fang)程(cheng)(cheng)存在(zai)(zai)(zai)(zai)差別(bie)，歐拉(la)(la)－歐拉(la)(la)模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)夾(jia)雜(za)物動(dong)量(liang)方(fang)程(cheng)(cheng)表達式為
2. 模鑄過程(cheng)中夾雜物的受力分(fen)析
模鑄過程(cheng)中(zhong)，夾雜(za)物所(suo)(suo)受(shou)作用(yong)力(li)包括熱浮力(li)、重(zhong)力(li)、附加質(zhi)量力(li)、升力(li)以及相間作用(yong)力(li)等，具體受(shou)力(li)情(qing)況如圖2-138所(suo)(suo)示(shi)。
流(liu)(liu)場對夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)分布有(you)關(guan)鍵影響，這直(zhi)接歸因(yin)于作(zuo)用于夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)阻力(li)(li)(li)(li)。以(yi)0.1MPa下H13鑄錠(ding)凝固為(wei)(wei)例，鋼(gang)(gang)液、夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)和(he)(he)(he)等軸晶的(de)(de)流(liu)(liu)場和(he)(he)(he)速(su)率均顯示在(zai)圖(tu)(tu)2-139中(zhong)。隨著凝固的(de)(de)進行(xing)(xing)，鋼(gang)(gang)液受熱浮(fu)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)驅動(dong)逆(ni)時(shi)針運動(dong)，如(ru)圖(tu)(tu)2-139(a)所(suo)示。同(tong)時(shi)，隨著重力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)浮(fu)力(li)(li)(li)(li)合力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加，等軸晶的(de)(de)沉降連(lian)續發生在(zai)柱狀(zhuang)晶（tip)的(de)(de)尖端，如(ru)圖(tu)(tu)2-139(b)所(suo)示。如(ru)圖(tu)(tu)2-139(c)所(suo)示，夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)流(liu)(liu)場中(zhong)出(chu)現(xian)逆(ni)時(shi)針運動(dong)，與鋼(gang)(gang)液相(xiang)似。這種運動(dong)行(xing)(xing)為(wei)(wei)主要是由作(zuo)用在(zai)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)上(shang)的(de)(de)合力(li)(li)(li)(li)引起(qi)的(de)(de)。根(gen)據模擬(ni)結(jie)果，凝固過程(cheng)中(zhong)重力(li)(li)(li)(li)，浮(fu)力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)阻力(li)(li)(li)(li)在(zai)改(gai)變夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)運動(dong)行(xing)(xing)為(wei)(wei)中(zhong)起(qi)著關(guan)鍵作(zuo)用，因(yin)為(wei)(wei)它們(men)比附加質量(liang)力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)升力(li)(li)(li)(li)大了三個(ge)數量(liang)級。重力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)浮(fu)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)方(fang)向(xiang)均為(wei)(wei)垂直(zhi)方(fang)向(xiang)，因(yin)為(wei)(wei)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)密度(du)低于液體的(de)(de)密度(du)，故(gu)其合力(li)(li)(li)(li)Fbg的(de)(de)方(fang)向(xiang)垂直(zhi)向(xiang)上(shang)，如(ru)圖(tu)(tu)2-139(d)所(suo)示。
在整(zheng)個凝固過程中(zhong)，Fbg保持不(bu)變，并使夾雜(za)(za)(za)物(wu)上浮(fu)。相比之下(xia)(xia)，曳(ye)力(li)(li)(li)Fdp是向下(xia)(xia)的(de)力(li)(li)(li)，具有驅動夾雜(za)(za)(za)物(wu)向下(xia)(xia)沉的(de)能力(li)(li)(li)。并且其變化是復雜(za)(za)(za)的(de)。根(gen)據等式（2-204)可知，曳(ye)力(li)(li)(li)與(yu)鋼(gang)液和夾雜(za)(za)(za)物(wu)之間(jian)的(de)速(su)度差密切(qie)相關。在頂部和底(di)部，鋼(gang)液和夾雜(za)(za)(za)物(wu)速(su)度差很(hen)小(xiao)，與(yu)Fbg相比，Fdp可以忽略不(bu)計。在柱(zhu)狀晶尖端附近的(de)曳(ye)力(li)(li)(li)Fdp大于(yu)Fbg,是導(dao)致夾雜(za)(za)(za)物(wu)下(xia)(xia)沉的(de)關鍵因素。在鑄(zhu)錠的(de)中(zhong)心，Fdp小(xiao)于(yu)Fbg,Fbg占主(zhu)(zhu)導(dao)，促使夾雜(za)(za)(za)物(wu)上浮(fu)。因此，模鑄(zhu)過程中(zhong)夾雜(za)(za)(za)物(wu)形成逆時(shi)針運動，這主(zhu)(zhu)要是由重力(li)(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)(li)和曳(ye)力(li)(li)(li)的(de)綜合作(zuo)用所驅動。
3. 模鑄過程中壓力對夾雜物分布的(de)影(ying)響
利用歐拉－歐拉模(mo)型在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下獲得了(le)H13鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)體積分(fen)數的(de)(de)(de)等值線，如圖(tu)2-140所(suo)示(shi)。每個鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)(zhong)都存在(zai)三個主(zhu)(zhu)要的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)（I、和(he)III),其(qi)中(zhong)(zhong)，II區(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)富(fu)集(ji)(ji)度(du)最低，III區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)度(du)最高，I區(qu)(qu)(qu)次之。三個夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)域(yu)主(zhu)(zhu)要由夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)逆時針運(yun)動(dong)(dong)(dong)以(yi)及(ji)被(bei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕集(ji)(ji)的(de)(de)(de)綜合作(zuo)用所(suo)導(dao)致。以(yi)0.1MPa 壓力(li)下夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)布為例(li)，遠離(li)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)逆時針運(yun)動(dong)(dong)(dong)過程中(zhong)(zhong)逐漸上浮并富(fu)集(ji)(ji)到鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)頂部，如圖(tu) 2-140(c)所(suo)示(shi)。鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)頂部富(fu)集(ji)(ji)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)一部分(fen)被(bei)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)捕獲，形成了(le)I區(qu)(qu)(qu)，其(qi)余部分(fen)沿逆時針方(fang)向(xiang)移動(dong)(dong)(dong)，運(yun)動(dong)(dong)(dong)方(fang)向(xiang)幾乎垂直于糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量(liang)。與(yu)之相比(bi)，在(zai)II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內，夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)運(yun)動(dong)(dong)(dong)方(fang)向(xiang)與(yu)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)法向(xiang)量(liang)成鈍角，因(yin)而(er)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)更加趨向(xiang)于被(bei)II和(he)III區(qu)(qu)(qu)域(yu)內糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)所(suo)捕獲，如圖(tu)2-141所(suo)示(shi)，導(dao)致夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)(ji)區(qu)(qu)(qu)II和(he)III的(de)(de)(de)形成。同時，III區(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)富(fu)集(ji)(ji)程度(du)最高，原因(yin)是糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)較寬，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)捕獲能力(li)越強，富(fu)集(ji)(ji)趨勢更明(ming)顯。
隨(sui)著壓(ya)力從0.1MPa增加(jia)到2MPa,I、II和III區夾(jia)雜物的(de)富(fu)集(ji)度降低，如2-140(b)所(suo)示，夾(jia)雜物體積分(fen)數的(de)最大(da)增量 4max隨(sui)壓(ya)力的(de)增加(jia)而減小(xiao)，在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分(fen)別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明隨(sui)著凝固壓(ya)力增加(jia)至(zhi)2MPa,鑄(zhu)錠中夾(jia)雜物分(fen)布更加(jia)均勻。
糊狀區捕獲(huo)夾雜物和(he)夾雜物從(cong)糊狀區逃脫的(de)(de)能(neng)力(li)(li)(li)對夾雜物分布至關重要。結合液(ye)相線／固(gu)相線溫度(du)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)變化規律可(ke)知，凝固(gu)區間(jian)變化很小(xiao)(xiao)，當壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)從(cong)0.1MPa增(zeng)加(jia)(jia)到2MPa時可(ke)以忽略不計。因此(ci)，糊狀區寬度(du)主(zhu)要由溫度(du)梯度(du)決定。如(ru)圖2-142(b)所示，由于增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)后提(ti)高(gao)了冷卻速(su)率導致高(gao)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)溫度(du)梯度(du)更(geng)大(da)。在(zai)較(jiao)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)，糊狀區域的(de)(de)長度(du)變短［150].另外，以圖2-142(a)中的(de)(de)A點為例，凝固(gu)時間(jian)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而顯著減少，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)分別為292s、272s和(he)247s,凝固(gu)速(su)率隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而增(zeng)加(jia)(jia)。進而表明，在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)(de)凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)糊狀區的(de)(de)長度(du)較(jiao)小(xiao)(xiao)且凝固(gu)速(su)率較(jiao)高(gao)，因此(ci)糊狀區捕獲(huo)夾雜物的(de)(de)能(neng)力(li)(li)(li)變弱(ruo)。
A、B和(he)(he)C點夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)速度(du)隨液(ye)相(xiang)(xiang)體積(ji)(ji)分(fen)數的(de)(de)(de)變(bian)化如圖2-143所示。高溫度(du)梯度(du)通過增(zeng)(zeng)大(da)(da)熱浮力(li)(li)來強化鋼液(ye)對(dui)流。另外，研究了糊狀(zhuang)(zhuang)區中夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)速度(du)隨曳(ye)力(li)(li)改的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)應變(bian)化。凝固(gu)初期，糊狀(zhuang)(zhuang)區中的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)運(yun)動速度(du)隨著壓力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而(er)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，在(zai)凝固(gu)后期，糊狀(zhuang)(zhuang)區內夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)幾乎完全停止運(yun)動時液(ye)相(xiang)(xiang)體積(ji)(ji)分(fen)數隨著壓力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而(er)降低(di)。以點A為(wei)例，凝固(gu)初期（f=0.98),在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)速度(du)分(fen)別為(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)(he)1.52×10-3m/s.當糊狀(zhuang)(zhuang)區夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)速度(du)降低(di)到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)的(de)(de)(de)液(ye)相(xiang)(xiang)體積(ji)(ji)分(fen)數分(fen)別為(wei)0.74、0.68和(he)(he)0.62.這意味著夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)從糊狀(zhuang)(zhuang)區逸出的(de)(de)(de)能力(li)(li)隨壓力(li)(li)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而(er)增(zeng)(zeng)強。
綜上(shang)所述(shu)，增(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)(li)可(ke)以顯著抑制糊(hu)狀區中(zhong)夾雜(za)物的(de)富(fu)集，并通過降低糊(hu)狀區捕獲夾雜(za)物的(de)能力(li)(li)，提(ti)高夾雜(za)物從糊(hu)狀區中(zhong)逸(yi)出(chu)的(de)能力(li)(li)，使鑄錠(ding)內夾雜(za)物分布更(geng)加(jia)均勻。
