壓(ya)(ya)力除了能夠(gou)對溶(rong)(rong)質平衡分配(pei)系(xi)數(shu)、擴散系(xi)數(shu)以及(ji)液相線斜率(lv)等(deng)參數(shu)產生影(ying)響以外，還能改變影(ying)響溶(rong)(rong)質長(chang)(chang)程(cheng)傳質的冷(leng)卻速率(lv)、等(deng)軸晶(jing)形核(he)以及(ji)沉積等(deng),從而影(ying)響鑄錠溶(rong)(rong)質分布的均勻(yun)性，即(ji)宏(hong)／微觀偏析(xi)；如結合平衡分配(pei)系(xi)數(shu)和(he)形核(he)吉(ji)布斯自(zi)由能隨(sui)壓(ya)(ya)力的變化規律，加壓(ya)(ya)會抑制枝(zhi)晶(jing)沿壓(ya)(ya)力梯度方向(xiang)的生長(chang)(chang)，從而導(dao)致枝(zhi)晶(jing)組(zu)織和(he)微觀偏析(xi)呈現方向(xiang)性等(deng)。
王書桓等71利(li)(li)用高溫高壓反應(ying)釜研究了壓力對(dui)于CrN12高氮鋼凝固過程(cheng)中偏析現象。他們利(li)(li)用LECO-TC600氮氧(yang)儀(yi)測(ce)量(liang)了CrN12鑄錠上(shang)從中心到邊(bian)部處(chu)試(shi)樣中的氮含(han)量(liang)，取樣位置如圖2-71所示。
王(wang)書桓等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)（圖2-72).對比不同壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)結果(guo)，可以發(fa)現1MPa下(xia)鑄(zhu)錠內部氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)(xi)嚴(yan)重，隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)提高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)宏觀偏(pian)析(xi)(xi)得到(dao)(dao)(dao)(dao)了很大改善(shan)。當壓(ya)力(li)提高(gao)到(dao)(dao)(dao)(dao)1.6MPa時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)程度明顯小于1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)凝固(gu)(gu)的(de)(de)(de)鑄(zhu)錠，各(ge)部位氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量(liang)在0.360%左右，表(biao)明增大壓(ya)力(li)提高(gao)了氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)飽和(he)溶解(jie)度。因此，在凝固(gu)(gu)過程中(zhong)提高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)可以對氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)析(xi)(xi)出起(qi)到(dao)(dao)(dao)(dao)抑制(zhi)作用，對氮(dan)(dan)(dan)(dan)由固(gu)(gu)相到(dao)(dao)(dao)(dao)液相的(de)(de)(de)傳質起(qi)到(dao)(dao)(dao)(dao)阻(zu)礙作用，使整個鑄(zhu)錠中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)分壓(ya)趨(qu)于均勻，從而減輕氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀偏(pian)析(xi)(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等的(de)研究報(bao)道，在(zai)(zai)元(yuan)素(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)模(mo)(mo)(mo)擬過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中，由于(yu)(yu)各元(yuan)素(su)的(de)溶質分(fen)配系(xi)(xi)數均小(xiao)于(yu)(yu)1,其(qi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)形成過(guo)(guo)(guo)程(cheng)和最(zui)終偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)類型均相(xiang)(xiang)似。因(yin)此，在(zai)(zai)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)形成規(gui)(gui)律和類型的(de)預(yu)測過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中，可對(dui)合金體系(xi)(xi)進行(xing)簡(jian)化，選取主要合金元(yuan)素(su)進行(xing)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)模(mo)(mo)(mo)擬。以19Cr14Mn0.9N 含氮奧氏體不銹(xiu)鋼凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)為例，其(qi)鐵素(su)體相(xiang)(xiang)8存在(zai)(zai)區間較(jiao)窄，結(jie)合Wu等在(zai)(zai)多(duo)相(xiang)(xiang)和單相(xiang)(xiang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)模(mo)(mo)(mo)擬研究。可將該(gai)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)簡(jian)化為單相(xiang)(xiang)凝(ning)(ning)固。氮作為含氮鋼的(de)特征元(yuan)素(su)，其(qi)溶質分(fen)配系(xi)(xi)數較(jiao)小(xiao)，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴重，在(zai)(zai)壓(ya)力對(dui)19Cr14Mn0.9N含氮鋼偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)影(ying)(ying)響(xiang)的(de)分(fen)析(xi)(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中，可將氮作為主要元(yuan)素(su)，且忽略(lve)其(qi)他元(yuan)素(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)對(dui)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)的(de)影(ying)(ying)響(xiang)。基于(yu)(yu)壓(ya)力對(dui)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中的(de)熱力學參(can)數、動(dong)力學參(can)數以及界面換熱系(xi)(xi)數的(de)影(ying)(ying)響(xiang)規(gui)(gui)律，對(dui)三(san)種(zhong)(zhong)情(qing)況下 19Cr14Mn0.9N含氮鋼的(de)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)進行(xing)模(mo)(mo)(mo)擬分(fen)析(xi)(xi)(xi)(xi)，預(yu)測壓(ya)力對(dui)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)程(cheng)度和類型的(de)影(ying)(ying)響(xiang)規(gui)(gui)律，三(san)種(zhong)(zhong)情(qing)況（C1、C2和C3)的(de)參(can)數設(she)置(zhi)見表2-13。
凝固(gu)20s后(hou)，三種凝固(gu)條件下的柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)(jing)尖端位(wei)置(zhi)（TIP)、柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和(he)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)體積(ji)分數以(yi)及(ji)液(ye)相和(he)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)速率(lv)分布情(qing)況如圖2-73所示(shi)。對(dui)比圖2-73(a)和(he)（b)可以(yi)看出，當等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)最大形核(he)密度從(cong)3x10°m-3增(zeng)至(zhi)5x10°m-3時，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)(jing)尖端發(fa)生了較(jiao)為明顯(xian)的變化(hua)，尤其(qi)是(shi)在鑄(zhu)錠(ding)底部位(wei)置(zhi)，且(qie)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)最大體積(ji)分數由0.514增(zeng)至(zhi)0.618.此外，等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)(jing)和(he)液(ye)相的最大速率(lv)增(zeng)加幅度較(jiao)小，分別從(cong)0.01246m/s和(he)0.0075m/s增(zeng)至(zhi)0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在三種凝(ning)固(gu)條件下，鑄錠凝(ning)固(gu)結束后(hou)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)向等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)轉變(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所(suo)示。隨(sui)著等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)(da)形核密度的(de)增加(jia)（對比C1和(he)C2),液(ye)相中的(de)等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)形核速率加(jia)快，極大(da)(da)地縮短了柱(zhu)狀晶(jing)(jing)前沿等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)體積分(fen)數(shu)到達阻擋分(fen)數(shu)（0.49)的(de)時(shi)間(jian)，進而促進了CET轉變(bian)，擴大(da)(da)了等(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)區域。
增(zeng)加壓力還能(neng)增(zeng)加等軸晶(jing)最大(da)(da)形(xing)核密(mi)度(du)，從(cong)而加劇偏(pian)(pian)析(xi)(xi)。凝(ning)固結束后氮(dan)的宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)如圖2-75所示。隨著(zhu)等軸晶(jing)最大(da)(da)形(xing)核速(su)率(lv)的增(zeng)加，氮(dan)的宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)范圍C從(cong)-0.07~0.116 擴大(da)(da)至－0.072~0.137,氮(dan)的宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)加劇；此(ci)(ci)外，鑄(zhu)錠底部負(fu)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)區(qu)域(yu)也隨之增(zeng)大(da)(da)，鑄(zhu)錠內(nei)部氮(dan)最大(da)(da)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)逐步(bu)向上移動(dong)。因(yin)此(ci)(ci)，在增(zeng)加等軸晶(jing)最大(da)(da)形(xing)核密(mi)度(du)方面，增(zeng)加壓力能(neng)夠擴大(da)(da)等軸晶(jing)區(qu)域(yu)，從(cong)而增(zeng)大(da)(da)負(fu)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)范圍，提升氮(dan)最大(da)(da)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)位置(zhi)的高(gao)度(du)，以及(ji)加劇氮(dan)的宏(hong)觀(guan)(guan)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)。
2. 強化(hua)冷卻(que)
增(zeng)加(jia)(jia)壓力可通過強化冷卻(que)(que)和(he)(he)擴大(da)“溶質截(jie)留效應”減輕或者消除氮宏觀偏析(xi)。根據圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)可知，在(zai)凝(ning)固(gu)20s時，等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)的(de)(de)沉(chen)積量隨(sui)著(zhu)冷卻(que)(que)速(su)率(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)而增(zeng)多，等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)最大(da)體積分(fen)數從0.618增(zeng)加(jia)(jia)至0.692,等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)和(he)(he)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)速(su)率(lv)(lv)在(zai)C2凝(ning)固(gu)條件(jian)下分(fen)別(bie)為(wei)0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s,在(zai)C3凝(ning)固(gu)條件(jian)下，分(fen)別(bie)為(wei)0.01221m/s和(he)(he)0.0074m/s.在(zai)同(tong)一時刻下，隨(sui)著(zhu)冷卻(que)(que)速(su)率(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)，等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)和(he)(he)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)最大(da)速(su)率(lv)(lv)呈現出略微(wei)減小的(de)(de)原因是(shi)冷卻(que)(que)速(su)率(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)加(jia)(jia)快了鑄錠(ding)的(de)(de)凝(ning)固(gu)進(jin)程，增(zeng)大(da)了柱狀晶(jing)區域［圖(tu)2-73(b)和(he)(he)（c)],從而使(shi)殘余液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)率(lv)(lv)減小，減小了與液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)溫(wen)度(du)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)的(de)(de)熱浮力，進(jin)而液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)的(de)(de)驅動(dong)(dong)力減小，降低了液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)度(du)；另外(wai)，隨(sui)著(zhu)液(ye)(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)度(du)的(de)(de)降低，等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)沉(chen)積的(de)(de)阻力增(zeng)大(da)，等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)流(liu)動(dong)(dong)速(su)度(du)隨(sui)之(zhi)減小。
從圖2-74可(ke)以看出，隨(sui)(sui)著冷(leng)卻速率的(de)(de)增加，CET位置有向心移(yi)動(dong)且呈(cheng)扁(bian)平化(hua)的(de)(de)趨(qu)勢(shi)，與(yu)19Cr14Mn0.9N鑄錠(ding)CET檢測(ce)實驗結果相一致(zhi)，進(jin)一步(bu)證明(ming)本模型(xing)具有較好(hao)的(de)(de)準確性和(he)可(ke)信度(du)。等(deng)軸晶區(qu)形狀隨(sui)(sui)著CET轉(zhuan)變位置的(de)(de)改變，也逐步(bu)呈(cheng)現出扁(bian)平化(hua)和(he)減(jian)小的(de)(de)趨(qu)勢(shi)，氮的(de)(de)宏觀偏(pian)(pian)析(xi)范(fan)圍由－0.072~0.137減(jian)少至－0.067~0.130,且氮最大(da)偏(pian)(pian)析(xi)形成(cheng)位置向鑄錠(ding)頂部(bu)移(yi)動(dong)（圖2-76).因此，從強化(hua)冷(leng)卻角(jiao)度(du)而言，加壓(ya)有助于(yu)抑(yi)制CET,減(jian)小等(deng)軸晶區(qu)，緩解氮的(de)(de)宏觀偏(pian)(pian)析(xi)。
綜上所述，增(zeng)加壓(ya)力(li)通過(guo)提(ti)高(gao)等軸(zhou)晶最(zui)大(da)形(xing)核密度和(he)強化冷(leng)(leng)卻對氮(dan)宏(hong)(hong)觀(guan)偏析(xi)產生了截(jie)然相(xiang)反(fan)的(de)影響(xiang)，兩者(zhe)對宏(hong)(hong)觀(guan)偏析(xi)的(de)綜合影響(xiang)還(huan)需(xu)要進(jin)一步研(yan)究。此外，基于對凝固熱力(li)學和(he)動力(li)學以及換熱系數的(de)分析(xi)，壓(ya)力(li)對宏(hong)(hong)觀(guan)偏析(xi)的(de)影響(xiang)不(bu)局限于增(zeng)大(da)形(xing)核率和(he)強化冷(leng)(leng)卻這兩方面，還(huan)能對與宏(hong)(hong)觀(guan)偏析(xi)相(xiang)關的(de)平衡(heng)分配(pei)系數和(he)擴散(san)速率等參數產生重(zhong)要影響(xiang)。因而，壓(ya)力(li)對宏(hong)(hong)觀(guan)偏析(xi)的(de)影響(xiang)還(huan)需(xu)要進(jin)行(xing)更深入的(de)研(yan)究和(he)探討(tao)。
