壓(ya)(ya)力(li)對鑄錠(ding)的凝固(gu)相(xiang)變(bian)和組(zu)織(zhi)有十分重要(yao)的影(ying)響，如壓(ya)(ya)力(li)能(neng)(neng)提(ti)高晶(jing)粒形(xing)核速(su)率，減小臨(lin)界形(xing)核半徑，增大(da)冷卻速(su)率，細化枝晶(jing)組(zu)織(zhi)，減輕或(huo)消除(chu)凝固(gu)缺陷(xian)（疏松、縮孔、氣孔和偏析）以及(ji)改(gai)變(bian)析出相(xiang)形(xing)貌和類型等。由于鋼(gang)鐵材料固(gu)／液相(xiang)線(xian)溫度較高，加壓(ya)(ya)難度相(xiang)對較大(da)，不過，較低壓(ya)(ya)力(li)依然具有改(gai)善鑄型和鑄錠(ding)間換熱條(tiao)件(jian)、打破液相(xiang)中(zhong)氮氣泡等壓(ya)(ya)力(li)平(ping)衡的能(neng)(neng)力(li)，進而達到(dao)改(gai)善鋼(gang)鐵凝固(gu)組(zu)織(zhi)，減輕或(huo)消除(chu)凝固(gu)缺陷(xian)等目的。

一、枝晶組織

  枝晶組織的(de)出(chu)現和生長與液(ye)相(xiang)(xiang)中的(de)成(cheng)分(fen)過冷密不可分(fen)，當凝(ning)固界面(mian)出(chu)現擾動(dong)導致液(ye)相(xiang)(xiang)出(chu)現局部(bu)成(cheng)分(fen)過冷時，液(ye)相(xiang)(xiang)中就具備了促使(shi)界面(mian)發(fa)生波動(dong)的(de)驅動(dong)力，進(jin)一(yi)步增大了凝(ning)固界面(mian)的(de)不穩定性，從(cong)而使(shi)凝(ning)固界面(mian)從(cong)平面(mian)狀向樹枝狀轉變，形成(cheng)枝晶組織，液(ye)相(xiang)(xiang)中成(cheng)分(fen)過冷的(de)判據為

  式中，GrL為(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)溫度梯度；v為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)速率(lv)(lv)；m為(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)(lv)；CL為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)界(jie)面處(chu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)；DL為(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中溶(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)擴散(san)系數(shu)；ko為(wei)溶(rong)質(zhi)分(fen)配系數(shu)。在(zai)(zai)(zai)不考(kao)慮壓(ya)(ya)力(li)(li)強化冷(leng)(leng)卻（即GrL保持恒定(ding)）情況(kuang)下，壓(ya)(ya)力(li)(li)可通過(guo)改變液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)斜率(lv)(lv)、擴散(san)系數(shu)和(he)(he)溶(rong)質(zhi)分(fen)配系數(shu)等(deng)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)參數(shu)，改變枝(zhi)(zhi)晶(jing)形(xing)貌甚至凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)(zu)(zu)(zu)成(cheng)。Zhang等(deng)對比了(le)(le)(le)高(gao)(gao)錳(meng)鋼（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)(zai)(zai)常壓(ya)(ya)和(he)(he)6GPa下的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。發(fa)現高(gao)(gao)錳(meng)鋼高(gao)(gao)壓(ya)(ya)下的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)包含細小等(deng)軸晶(jing)和(he)(he)柱(zhu)狀晶(jing)，與(yu)常壓(ya)(ya)下的(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)截然不同(tong)（圖2-107).晶(jing)粒(li)尺寸統計結果(guo)表明，高(gao)(gao)錳(meng)鋼在(zai)(zai)(zai)常壓(ya)(ya)下的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)粒(li)尺寸為(wei)（160±45)μm,6GPa下為(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)力(li)(li)細化晶(jing)粒(li)可達21倍之多(duo)，主要(yao)歸因于(yu)(yu)增(zeng)(zeng)加(jia)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)降低了(le)(le)(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中溶(rong)質(zhi)擴散(san)系數(shu)以及增(zeng)(zeng)大了(le)(le)(le)擴散(san)激活能，進而增(zeng)(zeng)大了(le)(le)(le)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)成(cheng)分(fen)過(guo)冷(leng)(leng)度，在(zai)(zai)(zai)抑(yi)制(zhi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)生長的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)時增(zeng)(zeng)大了(le)(le)(le)形(xing)核(he)(he)率(lv)(lv)［129,153],從(cong)而使得高(gao)(gao)錳(meng)鋼凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)逐步向枝(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)轉(zhuan)變，且(qie)細化十分(fen)顯著。Kashchiev和(he)(he)Vasudevan等(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)研究表明。在(zai)(zai)(zai)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中，當固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體(ti)積(ji)小于(yu)(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)摩爾(er)體(ti)積(ji)時，加(jia)壓(ya)(ya)有助(zhu)于(yu)(yu)提(ti)高(gao)(gao)形(xing)核(he)(he)率(lv)(lv)，起到細化凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)，大多(duo)數(shu)金屬合金屬于(yu)(yu)此(ci)類；反之，加(jia)壓(ya)(ya)將抑(yi)制(zhi)晶(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)，如水凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)成(cheng)冰。此(ci)外，壓(ya)(ya)力(li)(li)還能夠抑(yi)制(zhi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)沿壓(ya)(ya)力(li)(li)梯度方向的(de)(de)(de)(de)(de)生長,從(cong)而導致枝(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)微觀(guan)偏析呈現方向性。

  為了準確地論述壓力對凝(ning)固組織(zhi)(zhi)的(de)影響規律，本(ben)節將以(yi)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)和M42工具鋼(gang)加壓凝(ning)固組織(zhi)(zhi)為例，詳細分析壓力對枝晶組織(zhi)(zhi)、析出相等(deng)的(de)影響。

 1. 柱狀晶向等軸晶轉變（CET)

   鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)宏觀組織主(zhu)要(yao)由晶(jing)粒(li)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)貌、尺寸以及(ji)取(qu)向分(fen)布等(deng)(deng)構成(cheng)，在合金成(cheng)分(fen)一定的(de)(de)(de)情況下，它主(zhu)要(yao)取(qu)決于鋼液在凝(ning)固(gu)過(guo)程中的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)條件（包(bao)括澆(jiao)注溫度(du)(du)和鑄(zhu)(zhu)型(xing)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)效果等(deng)(deng)。鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)典型(xing)宏觀組織可分(fen)為三個區：表(biao)(biao)層細(xi)(xi)晶(jing)區、柱狀(zhuang)晶(jing)區以及(ji)中心等(deng)(deng)軸晶(jing)區。表(biao)(biao)層的(de)(de)(de)細(xi)(xi)晶(jing)區是由于鋼液在鑄(zhu)(zhu)型(xing)的(de)(de)(de)激冷(leng)(leng)(leng)作用(yong)下，具(ju)有(you)(you)較大(da)的(de)(de)(de)過(guo)冷(leng)(leng)(leng)度(du)(du)，進(jin)而在鑄(zhu)(zhu)型(xing)壁面以異(yi)質(zhi)形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)方式(shi)大(da)量(liang)形(xing)(xing)(xing)核并長(chang)(chang)大(da)，最(zui)后形(xing)(xing)(xing)成(cheng)細(xi)(xi)小的(de)(de)(de)等(deng)(deng)軸晶(jing)區，即(ji)表(biao)(biao)層細(xi)(xi)晶(jing)區。隨著凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)進(jin)行，表(biao)(biao)層細(xi)(xi)晶(jing)區逐步形(xing)(xing)(xing)成(cheng)金屬(shu)外殼(ke)，使得傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)具(ju)備單向性，有(you)(you)助(zhu)于晶(jing)粒(li)沿傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)方向生(sheng)長(chang)(chang)，呈現出方向性，從而形(xing)(xing)(xing)成(cheng)柱狀(zhuang)晶(jing)區，也(ye)導(dao)致了(le)表(biao)(biao)層細(xi)(xi)晶(jing)區的(de)(de)(de)區域(yu)窄小，厚度(du)(du)通(tong)常為幾(ji)毫米。在后續的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)過(guo)程中，伴隨著凝(ning)固(gu)潛(qian)熱(re)(re)的(de)(de)(de)釋放，凝(ning)固(gu)前沿溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)減(jian)小，傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)的(de)(de)(de)單向性減(jian)弱，成(cheng)分(fen)過(guo)冷(leng)(leng)(leng)度(du)(du)增大(da)，進(jin)而使得晶(jing)粒(li)生(sheng)長(chang)(chang)的(de)(de)(de)方向性減(jian)弱，抑制了(le)柱狀(zhuang)晶(jing)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)，同時也(ye)促進(jin)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠心部(bu)異(yi)質(zhi)形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)發生(sheng)，從而有(you)(you)助(zhu)于柱狀(zhuang)晶(jing)向等(deng)(deng)軸晶(jing)轉變，最(zui)終形(xing)(xing)(xing)成(cheng)中心等(deng)(deng)軸晶(jing)區。

   因(yin)(yin)此(ci)，鑄錠(ding)(ding)有(you)兩類枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)織，即等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)和柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)，通(tong)常(chang)采用枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)和CET位置對其進行表(biao)征。圖2-108(a)給出了凝固壓(ya)(ya)力(li)分別為0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa的(de)(de)(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)(ding)縱剖面上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)組(zu)織；CET位置到鑄錠(ding)(ding)邊部(bu)(bu)距(ju)離的(de)(de)(de)(de)(de)統計(ji)平均(jun)值(zhi)分別為19.8mm、22.1mm和27.4mm,增量可(ke)達7.6mm,如圖2-108(b)所示。統計(ji)結果表(biao)明，隨著(zhu)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增大，CET 位置逐漸由(you)邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移(yi)(yi)動，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區區域增大，中心(xin)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區區域減小。根據柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)阻擋判據可(ke)知［156],當(dang)(dang)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)處(chu)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體積(ji)分數大于(yu)臨界值(zhi)時，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)生長(chang)受到抑制(zhi)而停止，此(ci)時發生柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區向(xiang)中心(xin)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區轉(zhuan)變(bian)(bian)。因(yin)(yin)此(ci)，CET轉(zhuan)變(bian)(bian)很大程度上(shang)取決于(yu)中心(xin)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)形核(he)和長(chang)大。由(you)于(yu)壓(ya)(ya)力(li)強(qiang)化冷(leng)卻(que)(que)效果十分明顯，增加(jia)壓(ya)(ya)力(li)加(jia)快(kuai)了鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)，增大了鑄錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溫度梯(ti)度，從而降(jiang)低(di)了枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)前沿的(de)(de)(de)(de)(de)成分過(guo)冷(leng)度，此(ci)時，等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)在(zai)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)形核(he)和長(chang)大就會受到嚴重阻礙和抑制(zhi);反之，降(jiang)低(di)壓(ya)(ya)力(li)，有(you)助于(yu)等軸(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)在(zai)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖端(duan)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)形核(he)和長(chang)大，從而提前并(bing)加(jia)快(kuai)了CET.因(yin)(yin)此(ci)，當(dang)(dang)壓(ya)(ya)力(li)從0.5MPa增加(jia)到1.2MPa時，壓(ya)(ya)力(li)通(tong)過(guo)強(qiang)化冷(leng)卻(que)(que)擴大了柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區，促使CET轉(zhuan)變(bian)(bian)位置在(zai)徑(jing)向(xiang)上(shang)逐漸由(you)邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移(yi)(yi)動。此(ci)外，在(zai)0.5MPa、0.85MPa和1.2MPa下，19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠(ding)(ding)縱剖面的(de)(de)(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)組(zu)織中均(jun)存在(zai)較窄的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)層(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)區。

為了進(jin)一步研究壓力對CET的影響規律，在(zai)不考慮壓力強化(hua)冷(leng)卻(que)效果的前提下，對枝晶尖端生長(chang)速率v.隨壓力的變化(hua)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，凝固壓(ya)力(li)的(de)增加會對(dui)枝晶尖端生長速(su)率產生重要(yao)影響，且壓(ya)力(li)的(de)增量越大(da)，影響越明顯。結合實驗和KGT模(mo)型(xing)理(li)論計算可知(zhi)，低壓(ya)下，當(dang)凝固壓(ya)力(li)從(cong)0.5MPa 增加至1.2MPa時(shi)，壓(ya)力(li)主要(yao)通過強化(hua)冷卻(que)的(de)方式，使得鑄(zhu)錠CET位(wei)置逐漸由(you)邊部向心部移動。

 2. 枝晶間距

  相鄰同次枝(zhi)晶(jing)(jing)臂(bei)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)垂直距(ju)離稱為枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)，枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)的(de)(de)(de)大小表征了枝(zhi)晶(jing)(jing)組織細化(hua)程(cheng)度，枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)越小，枝(zhi)晶(jing)(jing)組織越細密［162],通常考慮(lv)的(de)(de)(de)枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)有一次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)入(ru)1和二次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)λ2.一次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)與凝固速率v和溫度梯度Gr的(de)(de)(de)關系為

  由式（2-191)可知，合金體系(xi)一定(ding)時(shi)，分(fen)析(xi)局(ju)部(bu)區(qu)域(yu)冷卻速率v.和(he)(he)溫度(du)梯度(du)Gr隨壓力的(de)(de)(de)變化趨(qu)勢，有助于闡明壓力對一次(ci)枝晶(jing)間距λ1的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)規律(lv)。因局(ju)部(bu)區(qu)域(yu)冷卻速率vc和(he)(he)溫度(du)梯度(du)Gr的(de)(de)(de)測(ce)量難度(du)較大，可用(yong)模擬(ni)計算的(de)(de)(de)方式獲(huo)得。在(zai)(zai)不同凝(ning)固(gu)壓力下(xia)的(de)(de)(de)組織模擬(ni)過程中，不考慮疏松縮(suo)孔(kong)對晶(jing)區(qu)分(fen)布的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)，模擬(ni)結(jie)果如圖(tu)2-110所示。為(wei)了(le)更準確地(di)找到CET位置(zhi)，使用(yong)平均縱橫(heng)(heng)比(bi)（晶(jing)粒最(zui)短邊與最(zui)長邊的(de)(de)(de)比(bi)率）來區(qu)分(fen)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)和(he)(he)等(deng)軸晶(jing)：當晶(jing)粒的(de)(de)(de)縱橫(heng)(heng)比(bi)大于0.4時(shi)，晶(jing)粒為(wei)等(deng)軸晶(jing)；當晶(jing)粒的(de)(de)(de)縱橫(heng)(heng)比(bi)小于0.4時(shi)，則(ze)為(wei)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)。根據(ju)阻擋判據(ju)，等(deng)軸晶(jing)體積(ji)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)臨界值(zhi)設定(ding)為(wei)0.49，以此作為(wei)依(yi)據(ju)，19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼在(zai)(zai)0.5MPa、0.85MPa 和(he)(he)1.2MPa 壓力下(xia)，CET 位置(zhi)在(zai)(zai)徑(jing)向上離(li)鑄錠邊部(bu)的(de)(de)(de)平均距離(li)分(fen)別為(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和冷卻速率(lv)v.隨(sui)壓(ya)(ya)力的(de)變化(hua)規律，如圖2-111所示。在某一(yi)(yi)壓(ya)(ya)力條件下(xia)(xia)，vc和Gr沿徑(jing)向(xiang)由鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)均(jun)呈現(xian)逐(zhu)(zhu)漸減(jian)(jian)小(xiao)的(de)趨勢，結合(he)式（2-190)可知，一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)間(jian)距入1與v.和Gr成反比(bi)，因(yin)而1沿徑(jing)向(xiang)由邊(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)逐(zhu)(zhu)漸增大(da)。當壓(ya)(ya)力從0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時，在壓(ya)(ya)力強(qiang)化(hua)冷卻的(de)作用下(xia)(xia)，鑄(zhu)錠(ding)內各單(dan)元體(ti)的(de)vc和Gr隨(sui)之增大(da)，且(qie)對(dui)(dui)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)緣(yuan)處的(de)單(dan)元體(ti)影(ying)響(xiang)(xiang)(xiang)最大(da)，在沿徑(jing)向(xiang)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移動(dong)的(de)過程中，壓(ya)(ya)力對(dui)(dui)vc和Gr的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)(xiang)逐(zhu)(zhu)步減(jian)(jian)弱。結合(he)式（2-190)可知，一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)間(jian)距入1隨(sui)著vc和Gr的(de)增大(da)呈冪函數減(jian)(jian)小(xiao)。因(yin)此，隨(sui)著壓(ya)(ya)力增加(jia)，一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)間(jian)距入1減(jian)(jian)小(xiao)，且(qie)越靠近鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)(bu)，入減(jian)(jian)小(xiao)趨勢越明(ming)顯，即壓(ya)(ya)力對(dui)(dui)柱狀晶(jing)一(yi)(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)間(jian)距的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)(xiang)大(da)于中心(xin)等軸(zhou)晶(jing)區。

  由(you)邊部(bu)(bu)到(dao)心(xin)部(bu)(bu)逐漸增(zeng)大(da)，結合式（2-192)可知，鑄錠心(xin)部(bu)(bu)的二次(ci)枝晶(jing)間(jian)距入2大(da)于邊部(bu)(bu)；壓力從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時，LST明顯減小(xiao)，二次(ci)枝晶(jing)間(jian)距入2也隨之減小(xiao)。

  圖2-112 不(bu)同壓(ya)(ya)(ya)力(li)下距(ju)離19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠底部(bu)(bu)130mm處(chu)LST計算值由于等軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一次(ci)(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)臂彼此相(xiang)交(jiao)且沿徑(jing)向(xiang)以幾乎相(xiang)同的(de)(de)(de)速率(lv)向(xiang)四周(zhou)生長(chang)，同時(shi)不(bu)同等軸(zhou)晶(jing)(jing)間(jian)不(bu)存在任何確定的(de)(de)(de)位向(xiang)關系，難以通過(guo)實驗對(dui)等軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一次(ci)(ci)(ci)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)進行(xing)測(ce)量，因此只(zhi)對(dui)CET前柱狀晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)一次(ci)(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)進行(xing)測(ce)量。圖2-113給出了(le)距(ju)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄錠底部(bu)(bu)115mm的(de)(de)(de)高度處(chu)一次(ci)(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)入1和(he)二次(ci)(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)x2的(de)(de)(de)變化(hua)規律(lv)，在某(mou)一壓(ya)(ya)(ya)力(li)下，沿徑(jing)向(xiang)由鑄錠邊部(bu)(bu)向(xiang)心部(bu)(bu)移動的(de)(de)(de)過(guo)程中，1和(he)x2逐漸增大；當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)從0.5MPa增加至1.2MPa時(shi)，1和(he)入2均呈減(jian)(jian)小的(de)(de)(de)趨勢。基于埋設熱(re)電偶的(de)(de)(de)測(ce)溫結果(guo)和(he)式（2-195)可(ke)(ke)得，2nd和(he)4h測(ce)溫位置處(chu)局部(bu)(bu)凝固(gu)時(shi)間(jian)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)增加而(er)縮短，如圖2-113(a)所(suo)示(shi)，從而(er)導致(zhi)x2的(de)(de)(de)減(jian)(jian)小。對(dui)比(bi)可(ke)(ke)知，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距(ju)（λ和(he)ん）和(he)局部(bu)(bu)凝固(gu)時(shi)間(jian)沿徑(jing)向(xiang)和(he)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)變化(hua)趨勢的(de)(de)(de)實驗與模擬結果(guo)一致(zhi)。

  綜(zong)上所述，增加(jia)壓(ya)力能夠明顯減(jian)小枝(zhi)(zhi)晶間距（x1和(he)x2),縮短局部(bu)凝(ning)固時間，細(xi)(xi)化凝(ning)固組織。鑄錠邊部(bu)和(he)心部(bu)試(shi)樣的枝(zhi)(zhi)晶形貌如圖2-114所示，進一步(bu)佐證(zheng)了增加(jia)壓(ya)力具(ju)有明顯細(xi)(xi)化枝(zhi)(zhi)晶組織的作(zuo)用，且對柱狀晶的影(ying)響大于(yu)中心等軸晶。

3. 晶粒數

  鑄錠內晶(jing)(jing)粒(li)(li)數與晶(jing)(jing)粒(li)(li)臨(lin)界(jie)形核(he)半徑和形核(he)率有直(zhi)接的關系，晶(jing)(jing)粒(li)(li)臨(lin)界(jie)形核(he)半徑為：

  其中，Nm為與液相線(xian)溫度、凝(ning)固(gu)潛熱、擴散激(ji)活能(neng)以(yi)及表面張力有關的(de)(de)系數(shu)。圖2-114給出(chu)了(le) 19Cr14Mn0.9N 含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)區內晶(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力的(de)(de)變化規(gui)律。壓(ya)力從0.5MPa增加到(dao)(dao)1.2MPa時，中心等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)區的(de)(de)寬(kuan)度逐漸減小，最小值(zhi)為56mm.19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)180mm(高）x56mm(寬(kuan)）等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)區內晶(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力的(de)(de)變化規(gui)律如圖2-115所示。當凝(ning)固(gu)壓(ya)力從0.5MPa增加到(dao)(dao)0.85MPa時，晶(jing)粒(li)數(shu)目從9166增加到(dao)(dao)9551;當凝(ning)固(gu)壓(ya)力進(jin)一步增加到(dao)(dao)1.2MPa時，晶(jing)粒(li)數(shu)目增加到(dao)(dao)10128.因此(ci)，提高凝(ning)固(gu)壓(ya)力，鑄(zhu)錠(ding)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)區內晶(jing)粒(li)數(shu)明顯增大。

  在(zai)低壓(ya)下，如壓(ya)力(li)從0.5MPa增(zeng)至1.2MPa時，液相線溫(wen)度(du)(du)(du)、凝固潛熱(re)、擴散激活能(neng)以(yi)(yi)(yi)及表面張力(li)的變量非常小，幾乎可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)忽略，這樣可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)假(jia)設Nm在(zai)0.5MPa、晶(jing)粒(li)(li)數(shu)0.85MPa和1.2MPa下相等，近似(si)為常數(shu)。提(ti)(ti)高(gao)壓(ya)力(li)能(neng)夠明顯地增(zeng)大(da)鑄(zhu)錠的溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)（圖(tu)2-111),溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)越(yue)大(da)，單(dan)位時間內從糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)內導(dao)出結(jie)晶(jing)潛熱(re)的量越(yue)大(da)，進而提(ti)(ti)高(gao)了糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)內過冷度(du)(du)(du)；反之亦然，這意(yi)味著(zhu)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)過冷度(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)隨壓(ya)力(li)的變化趨勢(shi)相同，即隨著(zhu)壓(ya)力(li)的提(ti)(ti)高(gao)而增(zeng)大(da)。結(jie)合式（2-193)和式（2-197)可(ke)(ke)知(zhi)，隨著(zhu)糊(hu)(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)內過冷度(du)(du)(du)ΔT的增(zeng)加，晶(jing)粒(li)(li)臨(lin)界(jie)形(xing)核半徑rk減(jian)小，形(xing)核率Na增(zeng)大(da)，有助于提(ti)(ti)高(gao)鑄(zhu)錠內晶(jing)粒(li)(li)數(shu)。因此，增(zeng)加壓(ya)力(li)有利于增(zeng)加晶(jing)粒(li)(li)數(shu)。

  距離19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)底部(bu)130mm的(de)(de)高度(du)處，晶(jing)(jing)粒(li)(li)數隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)變化(hua)規律如圖(tu)2-116所示(shi)。在某一凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)下，鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊部(bu)的(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)(li)數目最大，隨(sui)著離鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊部(bu)距離的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，由(you)于(yu)(yu)(yu)糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)(nei)過冷度(du)的(de)(de)減小，晶(jing)(jing)粒(li)(li)數也隨(sui)之減少。隨(sui)著壓(ya)(ya)力(li)提高，晶(jing)(jing)粒(li)(li)數均(jun)呈增(zeng)(zeng)大趨(qu)勢，且柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)內(nei)(nei)軸(zhou)向切片上晶(jing)(jing)粒(li)(li)數的(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)明(ming)顯(xian)大于(yu)(yu)(yu)中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)。因為在壓(ya)(ya)力(li)強化(hua)冷卻的(de)(de)作用下，整個鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)均(jun)有增(zeng)(zeng)大趨(qu)勢，導致糊狀(zhuang)區(qu)內(nei)(nei)過冷度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加。同時，由(you)于(yu)(yu)(yu)距離鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)和鑄(zhu)型(xing)換熱界面越(yue)近，溫(wen)(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)受界面換熱的(de)(de)影響(xiang)越(yue)大，鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊部(bu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)變化(hua)趨(qu)勢越(yue)明(ming)顯(xian)，進而增(zeng)(zeng)加凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊部(bu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)明(ming)顯(xian)大于(yu)(yu)(yu)心部(bu)，從而導致離鑄(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊部(bu)較近的(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)內(nei)(nei)晶(jing)(jing)粒(li)(li)數的(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)明(ming)顯(xian)大于(yu)(yu)(yu)中心等軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)。

二、疏松縮孔

  鑄錠產(chan)(chan)生(sheng)疏松縮(suo)孔的(de)(de)基本(ben)原因是(shi)鑄錠從澆注(zhu)(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)冷(leng)卻(que)至固(gu)(gu)相線溫(wen)度(du)(du)(du)時產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)（液(ye)(ye)態(tai)(tai)收(shou)(shou)縮(suo)和(he)凝固(gu)(gu)收(shou)(shou)縮(suo)之(zhi)和(he)）大于固(gu)(gu)態(tai)(tai)收(shou)(shou)縮(suo)。當鋼液(ye)(ye)從澆注(zhu)(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)冷(leng)卻(que)至液(ye)(ye)相線溫(wen)度(du)(du)(du)時所產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)為(wei)液(ye)(ye)態(tai)(tai)收(shou)(shou)縮(suo)，鋼液(ye)(ye)進一步(bu)從液(ye)(ye)相線溫(wen)度(du)(du)(du)冷(leng)卻(que)至固(gu)(gu)相線溫(wen)度(du)(du)(du)時（即發生(sheng)凝固(gu)(gu)相變時）所產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)為(wei)凝固(gu)(gu)收(shou)(shou)縮(suo)［87],固(gu)(gu)態(tai)(tai)收(shou)(shou)縮(suo)是(shi)指固(gu)(gu)相在冷(leng)卻(que)過(guo)程中所產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)體(ti)收(shou)(shou)縮(suo)。疏松縮(suo)孔的(de)(de)出現嚴重降低了鑄錠的(de)(de)力學和(he)耐腐蝕性能以及成材(cai)率，是(shi)鑄錠的(de)(de)嚴重缺陷之(zhi)一。

 在(zai)(zai)凝固過程(cheng)中鑄錠內(nei)出現體積小而(er)(er)彌(mi)散的空(kong)洞為疏(shu)松(song)，體積大且集(ji)中的為縮(suo)(suo)(suo)孔。疏(shu)松(song)由在(zai)(zai)糊(hu)狀區(qu)(qu)內(nei)液相(xiang)體積分數降(jiang)到一定程(cheng)度時，液相(xiang)流動(dong)(dong)困難，液態(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)與凝固收(shou)縮(suo)(suo)(suo)之和(he)超過固態(tai)收(shou)縮(suo)(suo)(suo)的那(nei)部(bu)分收(shou)縮(suo)(suo)(suo)量無(wu)法(fa)得到補縮(suo)(suo)(suo)所(suo)導致(zhi)，因而(er)(er)疏(shu)松(song)的形(xing)成(cheng)與枝(zhi)晶間液相(xiang)的流動(dong)(dong)有密切關聯［72,87].在(zai)(zai)糊(hu)狀區(qu)(qu)內(nei)，體收(shou)縮(suo)(suo)(suo)主要(yao)(yao)由凝固收(shou)縮(suo)(suo)(suo)組成(cheng)，且為枝(zhi)晶間液體流動(dong)(dong)的主要(yao)(yao)驅動(dong)(dong)力，因而(er)(er)枝(zhi)晶間液相(xiang)的流速u可表示為

  式中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為(wei)鋼液靜壓(ya)力(li)，Pf=pgh;Ps為(wei)凝(ning)(ning)(ning)固壓(ya)力(li)）。結合(he)式（2-202)可(ke)知，增(zeng)加凝(ning)(ning)(ning)固壓(ya)力(li)，Px增(zeng)大，強化(hua)了(le)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液相的補(bu)縮(suo)能(neng)力(li)，進而有助于(yu)避(bi)免疏(shu)(shu)松(song)的形(xing)成(cheng)［91].此(ci)外(wai)，糊狀區越寬，枝(zhi)(zhi)晶(jing)網狀結構越復雜，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間補(bu)縮(suo)的距(ju)離越長阻力(li)越大，滲透率K越小(xiao)，疏(shu)(shu)松(song)越容易形(xing)成(cheng)。因此(ci)，疏(shu)(shu)松(song)易于(yu)在(zai)糊狀區較(jiao)寬的鑄(zhu)(zhu)錠(ding)以(yi)體積凝(ning)(ning)(ning)固或同時凝(ning)(ning)(ning)固方(fang)式凝(ning)(ning)(ning)固時形(xing)成(cheng)。相比(bi)之下(xia)，縮(suo)孔傾向(xiang)于(yu)在(zai)糊狀區較(jiao)窄的鑄(zhu)(zhu)錠(ding)以(yi)逐層凝(ning)(ning)(ning)固方(fang)式的凝(ning)(ning)(ning)固過程中出現。

  不同凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)縱(zong)剖面上疏(shu)松(song)(song)縮(suo)孔的(de)(de)(de)(de)分布情(qing)況如圖2-117所(suo)示。隨(sui)著凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加，疏(shu)松(song)(song)和(he)(he)(he)縮(suo)孔的(de)(de)(de)(de)總(zong)面積(ji)大(da)幅(fu)度減小，且疏(shu)松(song)(song)逐漸(jian)消失。由(you)于(yu)(yu)(yu)壓(ya)力(li)具有顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)強化(hua)冷卻(que)效果，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)，強化(hua)了鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)(he)(he)鑄(zhu)(zhu)(zhu)型間的(de)(de)(de)(de)界面換熱，加快了鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷卻(que)速率，從而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)了鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)溫度梯(ti)度Gr;在合(he)金體(ti)(ti)系一(yi)定的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下，糊(hu)狀區(qu)隨(sui)之確(que)定，那么糊(hu)狀區(qu)的(de)(de)(de)(de)寬度隨(sui)溫度梯(ti)度Gr的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)而(er)(er)減小171],進(jin)而(er)(er)導(dao)致枝晶(jing)網狀結(jie)構的(de)(de)(de)(de)形成受到(dao)抑制(zhi)。凝(ning)固(gu)方式(shi)逐漸(jian)由(you)體(ti)(ti)積(ji)凝(ning)固(gu)向逐層凝(ning)固(gu)過渡，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)了滲透率K,從而(er)(er)降(jiang)低(di)和(he)(he)(he)縮(suo)短(duan)枝晶(jing)間補縮(suo)時液相(xiang)流動(dong)的(de)(de)(de)(de)阻力(li)和(he)(he)(he)距離。此(ci)(ci)外，基于(yu)(yu)(yu)以上理論分析并(bing)結(jie)合(he)判據式(shi)（2-202)可知，增(zeng)(zeng)(zeng)加凝(ning)固(gu)壓(ya)力(li)等(deng)效于(yu)(yu)(yu)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)了Px,使其遠(yuan)大(da)于(yu)(yu)(yu)枝晶(jing)間液相(xiang)補縮(suo)時所(suo)需壓(ya)力(li)。因此(ci)(ci)，加壓(ya)有利于(yu)(yu)(yu)枝晶(jing)間液相(xiang)的(de)(de)(de)(de)補縮(suo)行為，且有助(zhu)于(yu)(yu)(yu)大(da)幅(fu)度減小或消除疏(shu)松(song)(song)缺陷。

三、凝固析出相

  根據相所含非金屬(shu)元素的(de)種(zhong)類，可將凝固析(xi)(xi)出相分為(wei)氮(dan)化物(wu)、碳化物(wu)等，與(yu)碳化物(wu)相比，氮(dan)化物(wu)尺寸(cun)一般較(jiao)小，為(wei)了更加(jia)清楚直觀(guan)地論述(shu)增加(jia)壓力(li)對凝固析(xi)(xi)出相的(de)影響(xiang)，本節將著重以(yi)高速(su)鋼M42中碳化物(wu)為(wei)例，闡述(shu)壓力(li)對凝固析(xi)(xi)出相的(de)類型、形貌、成分等影響(xiang)規(gui)律。

  高(gao)速鋼(gang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)數量(liang)繁多、種類各(ge)異(yi)。不(bu)(bu)同(tong)(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)特(te)性不(bu)(bu)同(tong)(tong)、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)不(bu)(bu)同(tong)(tong)、形(xing)(xing)貌也各(ge)有差異(yi)；按(an)照碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌特(te)征及生(sheng)成(cheng)機制的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)，可將(jiang)高(gao)速鋼(gang)中碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)為(wei)一次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)和二次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)兩(liang)大(da)部分(fen)(fen)(fen)。一次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)又(you)稱為(wei)“初(chu)生(sheng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝固(gu)過程(cheng)中直(zhi)接從(cong)液相(xiang)中析(xi)(xi)出的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)種先共(gong)晶和共(gong)晶碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等不(bu)(bu)同(tong)(tong)類型(xing)。一次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)尺寸比較(jiao)(jiao)大(da)，屬于(yu)微(wei)米(mi)級別，在(zai)后續熱加工和熱處(chu)理工藝中將(jiang)被破碎(sui)或分(fen)(fen)(fen)解成(cheng)尺寸較(jiao)(jiao)小的(de)(de)(de)(de)顆粒(li)狀存在(zai)于(yu)鋼(gang)中。二次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是指在(zai)凝固(gu)過程(cheng)中或熱處(chu)理時從(cong)固(gu)相(xiang)基(ji)體(ti)（高(gao)溫鐵素(su)體(ti)、奧(ao)氏體(ti)、馬氏體(ti)等）中析(xi)(xi)出的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，分(fen)(fen)(fen)為(wei)M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)(bu)同(tong)(tong)類型(xing)。高(gao)速鋼(gang)中碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)波(bo)動范圍(wei)較(jiao)(jiao)大(da)，不(bu)(bu)同(tong)(tong)鋼(gang)種、不(bu)(bu)同(tong)(tong)條件產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)一類型(xing)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)也會有不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)，甚(shen)至(zhi)同(tong)(tong)一粒(li)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)部位，也會有成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)差異(yi)。各(ge)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)及分(fen)(fen)(fen)布(bu)見表2-14.

  M2C具有(you)密排六(liu)方晶(jing)(jing)體結構［172-175,179],其(qi)主要形(xing)成元素通常是鉬、釩和(he)鎢，鉻及(ji)鐵(tie)的(de)(de)含量則較少。M2C 共(gong)晶(jing)(jing)碳化物一般以(yi)亞穩態存在于鋼中(zhong)。尺寸(cun)較小、片層較薄且沒有(you)中(zhong)間(jian)脊骨(gu)，在高溫時易發生分解(jie)(jie)反(fan)應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解(jie)(jie)成尺寸(cun)較小的(de)(de)顆(ke)粒狀M6C和(he)MC。此(ci)外，與M6C相反(fan)，鋼液凝固時的(de)(de)冷卻速(su)率越(yue)快，越(yue)有(you)利于M2C的(de)(de)形(xing)成。因此(ci)，提高鑄(zhu)錠(ding)凝固時的(de)(de)冷卻速(su)率有(you)利于促進M2C的(de)(de)形(xing)成并細化M2C,同時可抑(yi)制較大(da)尺寸(cun)M6Cl。

  M6C具有(you)復雜立方晶體結(jie)構，其(qi)(qi)結(jie)構中除(chu)碳(tan)原子(zi)(zi)以外，鐵、鎢原子(zi)(zi)約(yue)各占一半。M6C屬于穩定(ding)型碳(tan)化物，其(qi)(qi)形(xing)(xing)態為粗大的骨骼狀。鋼(gang)液凝(ning)固時冷卻(que)速(su)(su)率越(yue)慢，M6C碳(tan)化物越(yue)易于形(xing)(xing)成(cheng)和長大。因此(ci)，M6C在高速(su)(su)鋼(gang)的心(xin)部(bu)往往含量較(jiao)高，而邊(bian)部(bu)較(jiao)少或沒有(you)。加快鑄(zhu)錠凝(ning)固時的冷卻(que)速(su)(su)率有(you)利(li)于細(xi)化M6C,提高鑄(zhu)錠性能。

  MC具有(you)(you)(you)面(mian)心立(li)方結構(gou)，化(hua)(hua)(hua)學式(shi)為MC或者M4C3,其成(cheng)分(fen)以釩為主。鋼中碳(tan)(tan)(tan)、釩含(han)(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)增大可使MC增多，尺(chi)寸(cun)變(bian)大。高速(su)(su)鋼中還(huan)有(you)(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)。M23C6晶(jing)(jing)體結構(gou)為復雜面(mian)心立(li)方結構(gou)，具有(you)(you)(you)一(yi)定(ding)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)鎢、鉬，釩含(han)(han)量(liang)(liang)極少，含(han)(han)有(you)(you)(you)大量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)、鐵元素；與M2C相同，M3C也(ye)是亞穩態相。M7C3為復雜六方晶(jing)(jing)體結構(gou)，含(han)(han)有(you)(you)(you)較(jiao)多的(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)、鐵，主要存在于碳(tan)(tan)(tan)含(han)(han)量(liang)(liang)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)(de)鋼中。高速(su)(su)鋼中碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)具有(you)(you)(you)兩個重要的(de)(de)(de)(de)(de)特性(xing)(xing)：硬度和熱(re)(re)穩定(ding)性(xing)(xing)（加熱(re)(re)時溶(rong)解、聚集長大的(de)(de)(de)(de)(de)難度）。這些特性(xing)(xing)反映了碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)中碳(tan)(tan)(tan)和金屬原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)結合鍵的(de)(de)(de)(de)(de)強弱，與原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)結構(gou)和尺(chi)寸(cun)有(you)(you)(you)關(guan)。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)格結構(gou)與碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)rc、金屬原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)rx有(you)(you)(you)關(guan)，如表2-15所(suo)示，rd/rx值(zhi)越(yue)大，則越(yue)易形成(cheng)結構(gou)復雜的(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)小則易形成(cheng)結構(gou)簡單密堆型碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)（MC等(deng)）。表中熔點(dian)可作為碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)熱(re)(re)穩定(ding)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)衡量(liang)(liang)指標(biao)，可見碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)中原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)尺(chi)寸(cun)越(yue)接近(jin)，則碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)穩定(ding)性(xing)(xing)越(yue)高。

 1. 壓力對(dui)萊氏體(ti)的(de)影響(xiang)

  凝固末(mo)期，由于偏析導致(zhi)合(he)金(jin)元素(su)在(zai)枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)殘余液相內富集發生(sheng)(sheng)共晶(jing)(jing)反(fan)應(ying)，從液相中直(zhi)接生(sheng)(sheng)成碳化物(wu)，它與(yu)奧氏(shi)體(ti)相間(jian)(jian)排列，構成萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)。因此高速(su)鋼的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)往往存在(zai)于枝晶(jing)(jing)間(jian)(jian)。圖2-118為(wei)M2高速(su)鋼的(de)低倍鑄(zhu)態組(zu)織(zhi)(zhi)，可見一(yi)般情況下，相鄰(lin)晶(jing)(jing)粒(li)(li)之間(jian)(jian)的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)較(jiao)為(wei)細小(xiao)，數量(liang)較(jiao)少，而(er)多個(ge)晶(jing)(jing)粒(li)(li)之間(jian)(jian)的(de)萊(lai)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)尺(chi)寸(cun)較(jiao)大，數量(liang)較(jiao)多。

  高速鋼的(de)萊氏(shi)體(ti)組(zu)織中含(han)(han)有(you)多(duo)種類型(xing)的(de)碳化物(wu)，如M2C、M6C、MC等。M6C整體(ti)形貌(mao)類似魚(yu)骨(gu)，故又稱為“魚(yu)骨(gu)狀(zhuang)碳化物(wu)”，如圖(tu)2-119所示(shi)；M2C成(cheng)片層狀(zhuang)，含(han)(han)有(you)M2C的(de)共晶萊氏(shi)體(ti)具(ju)有(you)“羽毛(mao)狀(zhuang)”、“扇狀(zhuang)”、“菊花(hua)狀(zhuang)”等形貌(mao)，如圖(tu)2-120所示(shi)；MC的(de)生長時間較長，最終尺寸(cun)較為粗大，往往以(yi)不(bu)規則的(de)條狀(zhuang)出現，如圖(tu)2-120所示(shi)。

  a. 碳化物種類及分(fen)布

   高速鋼中(zhong)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)種類與成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)和(he)凝(ning)固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)速率(lv)密不可(ke)(ke)分(fen)(fen)。M42 高速工具(ju)鋼作(zuo)為(wei)(wei)高鉬(mu)低鎢鋼，其(qi)(qi)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)主(zhu)要為(wei)(wei)M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)；另外(wai)含(han)有(you)(you)少部(bu)(bu)分(fen)(fen)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)，主(zhu)要存在于(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)心部(bu)(bu)區域。圖(tu)2-121~圖(tu)2-123給出了M42高速鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)板(ban)金相(xiang)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。白(bai)色(se)斑點狀處的(de)(de)(de)萊氏(shi)體組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)為(wei)(wei)具(ju)有(you)(you)中(zhong)心脊骨，脊骨兩邊具(ju)有(you)(you)平(ping)行分(fen)(fen)枝的(de)(de)(de)魚骨狀M6C.M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)尺寸比(bi)M2C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)粗大得多且(qie)結構上相(xiang)互連接(jie)緊密，極(ji)不利于(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)后(hou)續碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)破碎(sui)，因(yin)此盡可(ke)(ke)能(neng)減少或避免凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)產(chan)生，有(you)(you)助(zhu)于(yu)提(ti)升(sheng)其(qi)(qi)力(li)(li)學性(xing)能(neng)等。隨著壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)大，萊氏(shi)體（白(bai)色(se)斑點）所占1/4圓鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)板(ban)的(de)(de)(de)面積(ji)比(bi)例逐漸(jian)減小，加(jia)壓(ya)有(you)(you)助(zhu)于(yu)抑(yi)(yi)制(zhi)(zhi)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)與長大，其(qi)(qi)主(zhu)要原因(yin)在于(yu)在較低壓(ya)力(li)(li)下(xia)，加(jia)壓(ya)對(dui)凝(ning)固(gu)(gu)熱力(li)(li)學和(he)動力(li)(li)學參數(shu)的(de)(de)(de)影響(xiang)十(shi)分(fen)(fen)有(you)(you)限，但強化(hua)冷(leng)卻(que)(que)效果十(shi)分(fen)(fen)明同(tong)時凝(ning)固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)冷(leng)卻(que)(que)速率(lv)越(yue)小，越(yue)有(you)(you)利于(yu)魚骨狀M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)M6C越(yue)粗大。因(yin)而增(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)(li)主(zhu)要通(tong)過增(zeng)大鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)和(he)鑄(zhu)(zhu)(zhu)型間界面換(huan)熱系(xi)數(shu)，提(ti)高鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)速率(lv)從而細化(hua)并(bing)抑(yi)(yi)制(zhi)(zhi)M6C共(gong)晶(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)，且(qie)當壓(ya)力(li)(li)增(zeng)加(jia)到一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)時，能(neng)夠完全(quan)抑(yi)(yi)制(zhi)(zhi)富含(han)M6C的(de)(de)(de)萊氏(shi)體形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)，消除(chu)其(qi)(qi)對(dui)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和(he)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)不良影響(xiang)。

   圖2-121(b)所示萊氏(shi)(shi)體(ti)組織(zhi)中碳化(hua)物(wu)(wu)為長條狀或(huo)者短棒狀的(de)(de)M2C.凝(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)不同，M2C的(de)(de)尺寸、形貌(mao)以及分(fen)布的(de)(de)緊(jin)密程度等均有所不同。在0.1MPa壓(ya)(ya)力(li)下，碳化(hua)物(wu)(wu)分(fen)枝(zhi)較(jiao)(jiao)少、片層較(jiao)(jiao)長、尺寸較(jiao)(jiao)大(da)、間(jian)(jian)距(ju)較(jiao)(jiao)寬、共晶(jing)萊氏(shi)(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂的(de)(de)界面(mian)(mian)較(jiao)(jiao)平整；隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)加，條狀或(huo)片層狀碳化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)間(jian)(jian)距(ju)逐漸(jian)(jian)減(jian)小，且開(kai)始(shi)斷開(kai)成大(da)量的(de)(de)短棒碳化(hua)物(wu)(wu)，碳化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)分(fen)枝(zhi)也逐漸(jian)(jian)增(zeng)多，并密集分(fen)布在枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)，共晶(jing)萊氏(shi)(shi)體(ti)與枝(zhi)晶(jing)臂的(de)(de)界面(mian)(mian)也較(jiao)(jiao)為粗(cu)糙。此外，三個(ge)壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)M2C幾乎沒有晶(jing)體(ti)缺陷，明壓(ya)(ya)力(li)很難對碳化(hua)物(wu)(wu)晶(jing)格類(lei)型產生(sheng)影響。

  b. 萊氏體尺寸

   萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)存在于(yu)枝晶(jing)間(jian)(jian)，與枝晶(jing)間(jian)(jian)距、形貌及分(fen)布(bu)(bu)密切相關，枝晶(jing)間(jian)(jian)距越(yue)小，枝晶(jing)間(jian)(jian)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)尺(chi)寸也相應地細小且均勻分(fen)布(bu)(bu)。圖2-124和(he)圖2-125給出(chu)了不(bu)同壓力(li)條件下M42鑄(zhu)錠邊部和(he)心(xin)部萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)形貌和(he)尺(chi)寸分(fen)布(bu)(bu)，無論是(shi)鑄(zhu)錠的邊部還是(shi)心(xin)部，尺(chi)寸不(bu)一的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)（黑色）均分(fen)布(bu)(bu)在枝晶(jing)間(jian)(jian)。在同一凝固壓力(li)條件下，鑄(zhu)錠邊部的枝晶(jing)間(jian)(jian)距明顯小于(yu)心(xin)部，因而心(xin)部萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)要比邊部粗大(da)。

   隨著壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，在(zai)(zai)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)強化(hua)冷卻的作用下(xia)，冷卻速(su)率增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，鑄錠(ding)局部(bu)(bu)凝固(gu)時(shi)間縮(suo)短，使得枝(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)得到(dao)了明(ming)顯細(xi)化(hua)且尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)更(geng)(geng)均勻，進而導致分(fen)(fen)布(bu)在(zai)(zai)枝(zhi)晶(jing)間的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)也隨之細(xi)化(hua)，厚度大(da)(da)大(da)(da)減(jian)小且分(fen)(fen)布(bu)更(geng)(geng)加(jia)均勻。在(zai)(zai)0.1MPa 壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)，無論在(zai)(zai)邊部(bu)(bu)還是心部(bu)(bu)位(wei)置(zhi)，鑄錠(ding)的萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)均較(jiao)為(wei)粗(cu)大(da)(da)，且尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)極不均勻，部(bu)(bu)分(fen)(fen)局部(bu)(bu)區(qu)域存在(zai)(zai)著大(da)(da)量的黑色萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)，尤其在(zai)(zai)多個枝(zhi)晶(jing)臂交(jiao)匯處，且尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)異常粗(cu)大(da)(da)。當(dang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)1MPa時(shi)，粗(cu)大(da)(da)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)得到(dao)明(ming)顯細(xi)化(hua)，且尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)更(geng)(geng)加(jia)均勻；當(dang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)進一(yi)步增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)得到(dao)進一(yi)步地改善，組(zu)織(zhi)更(geng)(geng)加(jia)細(xi)密，尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)更(geng)(geng)加(jia)均勻，粗(cu)大(da)(da)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)基本(ben)消失(shi)。萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)平(ping)均尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)隨壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的變化(hua)規律如圖2-126所(suo)示，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時(shi)，萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)厚度由28.37μm降低至(zhi)22.92μm.因(yin)此，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)能夠明(ming)顯細(xi)化(hua)萊(lai)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)，改善其分(fen)(fen)布(bu)狀態。

 2. 壓力對(dui)碳(tan)化物(wu)的影(ying)響(xiang)

  a. 碳化物(wu)尺寸

   以高(gao)速鋼中(zhong)(zhong)M2C共(gong)晶(jing)碳化(hua)(hua)物(wu)為(wei)例，M2C共(gong)晶(jing)碳化(hua)(hua)物(wu)是通(tong)過(guo)(guo)(guo)凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)晶(jing)反應L→y+M2C產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。和(he)純金(jin)屬及(ji)固(gu)(gu)溶(rong)體(ti)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)晶(jing)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)一樣(yang)，共(gong)晶(jing)轉變(bian)同(tong)(tong)(tong)樣(yang)需(xu)要經過(guo)(guo)(guo)形(xing)核與長大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)。結(jie)合(he)式（2-178)和(he)式（2-179),東(dong)北大(da)(da)學(xue)特(te)殊鋼冶金(jin)研究(jiu)所在控制溫度不(bu)(bu)變(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)，計算了(le)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)壓(ya)力(li)(li)下各元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)在兩相中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數，探討凝固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)與擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系。凝固(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)溫度T=1478K時(shi)，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)（鉬(mu)、鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)）在M2C相和(he)奧氏(shi)體(ti)相γ中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數D隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)規律(lv)如圖2-127和(he)圖2-128所示(shi)；從整(zheng)體(ti)上(shang)看，隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)逐漸(jian)增(zeng)大(da)(da)，同(tong)(tong)(tong)溫度M2C相中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)和(he)鎢的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數D呈(cheng)減小趨(qu)勢，而(er)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)釩(fan)和(he)鉻(ge)則呈(cheng)增(zeng)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，表明(ming)(ming)提(ti)高(gao)壓(ya)力(li)(li)可增(zeng)大(da)(da)M2C中(zhong)(zhong)鉬(mu)、鎢元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm,進而(er)降(jiang)低其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)；同(tong)(tong)(tong)時(shi)降(jiang)低釩(fan)、鉻(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm,從而(er)提(ti)高(gao)其(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)。然而(er)，當(dang)壓(ya)力(li)(li)在0.1~2MPa范圍內變(bian)化(hua)(hua)時(shi)，各元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)微乎其(qi)微，即(ji)保持恒定(ding)值。隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)逐漸(jian)增(zeng)大(da)(da)到50MPa,元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉬(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數才開始產(chan)生(sheng)(sheng)較為(wei)明(ming)(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，鎢、釩(fan)和(he)鉻(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數甚至在100MPa壓(ya)力(li)(li)下仍未產(chan)生(sheng)(sheng)變(bian)化(hua)(hua)。因此低壓(ya)下，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)系數隨(sui)(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)可忽略不(bu)(bu)計。

  的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)降低(di)，鉻(ge)元(yuan)素的(de)(de)擴散(san)(san)系數則隨(sui)著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)增(zeng)加(jia)，如圖2-128所示。即增(zeng)大(da)(da)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)具有提高奧(ao)(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)合(he)金(jin)元(yuan)素鉬、鎢和釩的(de)(de)擴散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm,降低(di)其擴散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)以(yi)及(ji)減(jian)小(xiao)(xiao)元(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)擴散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm和增(zeng)大(da)(da)其擴散(san)(san)能(neng)(neng)力(li)(li)的(de)(de)作用(yong)。與(yu)M2C差別在于(yu)，在奧(ao)(ao)氏體(ti)相(xiang)γ中(zhong)，較(jiao)小(xiao)(xiao)的(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)便(bian)可(ke)發(fa)揮比較(jiao)明(ming)顯的(de)(de)作用(yong)，例如：當凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)大(da)(da)于(yu)2MPa時(shi)(shi)，元(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)擴散(san)(san)系數隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)明(ming)顯增(zeng)大(da)(da)；鉬和釩元(yuan)素則在10MPa時(shi)(shi)開(kai)始(shi)隨(sui)壓(ya)(ya)力(li)(li)增(zeng)加(jia)而(er)明(ming)顯減(jian)小(xiao)(xiao)。可(ke)見，在相(xiang)同溫度下，相(xiang)比于(yu)M2C相(xiang)，合(he)金(jin)元(yuan)素釩、鎢、鉬和鉻(ge)在奧(ao)(ao)氏體(ti)γ相(xiang)中(zhong)的(de)(de)擴散(san)(san)情況受凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)影響(xiang)更為明(ming)顯。但在0.1~2MPa的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)范圍內(nei)，合(he)金(jin)元(yuan)素在奧(ao)(ao)氏體(ti)相(xiang)γ中(zhong)的(de)(de)擴散(san)(san)系數幾乎保持(chi)不變(bian)（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時(shi)(shi)，各(ge)元(yuan)素擴散(san)(san)激活能(neng)(neng)ΔGm也未發(fa)生明(ming)顯變(bian)化(hua)。

   綜上(shang)所述，在(zai)低壓下，影(ying)響(xiang)M2C形(xing)核率的(de)(de)(de)主要因素是隨凝(ning)固壓力增大(da)而顯著減(jian)小的(de)(de)(de)形(xing)核功。增加凝(ning)固壓力可顯著改善換熱條件強化鑄錠(ding)冷(leng)卻(que)、提高鑄錠(ding)過冷(leng)度ΔT,進而降低共晶反(fan)應過程中奧氏體相γ和M2C相的(de)(de)(de)形(xing)核功ΔG*,最終增大(da)M2C的(de)(de)(de)形(xing)核率、減(jian)小M2C相鄰碳化物的(de)(de)(de)間(jian)距。

  此外，增加壓(ya)力使(shi)M2C形核率大大增加，同時(shi)強化(hua)了鑄(zhu)錠冷(leng)卻，顯著降(jiang)低了局部凝(ning)固時(shi)間LST,導致加壓(ya)下鑄(zhu)錠同位(wei)置(zhi)的凝(ning)固相對較快，M2C共晶碳(tan)化(hua)物生長時(shi)間變短(duan)，導致M42凝(ning)固組織中M2C碳(tan)化(hua)物的尺寸減小。這對于后續的熱處理碳(tan)化(hua)物的溶(rong)解(jie)具有積極的意義。

  圖2-129為不同凝固壓(ya)力下M2C共晶碳化物在(zai)(zai)熱處理(li)過程中(zhong)的(de)元素(su)擴散(san)示意(yi)圖。隨(sui)著凝固壓(ya)力的(de)增(zeng)大(da)，碳化物由長條狀(zhuang)轉變為短棒狀(zhuang)，在(zai)(zai)縱向(xiang)和橫向(xiang)上的(de)尺寸(cun)均(jun)顯(xian)(xian)著減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)。因此，在(zai)(zai)熱處理(li)過程中(zhong)，碳化物中(zhong)的(de)元素(su)由內向(xiang)外擴散(san)的(de)平均(jun)距離也相(xiang)應隨(sui)著凝固壓(ya)力的(de)增(zeng)大(da)而(er)(er)顯(xian)(xian)著減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)，熱處理(li)效果更加(jia)明顯(xian)(xian)，熱處理(li)后M42組(zu)織的(de)成分更加(jia)均(jun)勻(yun)，進而(er)(er)有利于提高M42高速鋼的(de)質量(liang)。

  b. 碳(tan)化(hua)物(wu)成分

   M2C的形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)主要(yao)包(bao)括鉬(mu)(mu)、鎢(wu)、釩(fan)和(he)鉻(ge)，其中(zhong)鉬(mu)(mu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)是(shi)強M2C碳化物形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，也(ye)是(shi)M2C中(zhong)含(han)(han)量最高的合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。圖2-130給出了不同壓(ya)力下M2C中(zhong)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)鉬(mu)(mu)、鎢(wu)、釩(fan)和(he)鉻(ge)含(han)(han)量，隨著壓(ya)力的增大，M2C上的合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)鉬(mu)(mu)、鎢(wu)、釩(fan)和(he)鉻(ge)含(han)(han)量均逐(zhu)漸(jian)減小，而(er)鐵元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)則(ze)逐(zhu)漸(jian)增大；同時，M2C碳化物之間基體中(zhong)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)含(han)(han)量則(ze)呈(cheng)現(xian)相反的規律(lv)：鉬(mu)(mu)、鎢(wu)、釩(fan)和(he)鉻(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)含(han)(han)量逐(zhu)漸(jian)增大，而(er)鐵元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)減少。這(zhe)表明，增大的壓(ya)力使得合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)在M2C共晶(jing)碳化物中(zhong)的分布(bu)趨于均勻，為后續的處(chu)理(li)、熱加工工藝中(zhong)碳化物的破碎、溶(rong)解提供良好的基礎。

  在高(gao)速鋼中(zhong)(zhong)，M2C共晶(jing)碳(tan)化物是通過(guo)(guo)凝固過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)的共晶(jing)反應(ying)L→M2C+y產生(sheng)的，在這個過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)存在M2C碳(tan)化物相(xiang)和奧(ao)氏體γ相(xiang)之間的溶(rong)質再分配［172].在一定溫度(du)(du)下(xia)，平衡分配系數可表示為(wei)固相(xiang)和液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)的元素濃度(du)(du)之比：

   式中(zhong)，Cs和(he)CL分(fen)別表示(shi)在凝固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)，元素在固(gu)(gu)相和(he)液(ye)相中(zhong)的(de)平衡濃(nong)度。共(gong)晶反(fan)應(ying)L→M2C+y是(shi)在凝固(gu)(gu)末期發生的(de)，圖2-131給(gei)出了不(bu)同壓力下(xia)的(de)M42高速鋼(gang)凝固(gu)(gu)時共(gong)晶反(fan)應(ying)過(guo)程中(zhong)M2C碳化物相和(he)奧(ao)氏體(ti)γ相中(zhong)各元素的(de)單相平衡分(fen)配系(xi)數。

  式(shi)中，Cs和(he)C1分(fen)別表示(shi)在凝(ning)固(gu)過(guo)程中，元素(su)在固(gu)相(xiang)和(he)液相(xiang)中的平衡濃度(du)。共晶(jing)反(fan)應L→M2C+y是(shi)在凝(ning)固(gu)末期(qi)發(fa)生(sheng)的［172,180,181],圖2-131給出了不同(tong)壓(ya)力(li)下的M42高速鋼凝(ning)固(gu)時共晶(jing)反(fan)應過(guo)程中M2C碳化物(wu)相(xiang)和(he)奧氏體y相(xiang)中各元素(su)的單(dan)相(xiang)平衡分(fen)配(pei)系數。

  隨壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，共(gong)晶(jing)(jing)反應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)鉬(mu)元(yuan)素(su)在M2C和奧(ao)(ao)氏體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)分(fen)(fen)配系數(shu)具有(you)升(sheng)高的(de)(de)趨勢(shi)并逐漸靠近(jin)1.基于(yu)(yu)熱力(li)學分(fen)(fen)析(xi)，在M42鑄錠(ding)凝固(gu)時的(de)(de)共(gong)晶(jing)(jing)反應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，增(zeng)(zeng)大(da)壓(ya)力(li)可使(shi)鉬(mu)元(yuan)素(su)在M2C碳化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)氏體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)含量(liang)(liang)增(zeng)(zeng)大(da)。凝固(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)M2C碳化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)氏體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)平衡(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)變(bian)化規(gui)律如圖2-132所示，在0.1MPa、1MPa和2MPa時，M2C碳化物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)平衡(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)始(shi)終大(da)于(yu)(yu)奧(ao)(ao)氏體γ相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)平衡(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)。由此可知，共(gong)晶(jing)(jing)反應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)(xiang)比于(yu)(yu)奧(ao)(ao)氏體γ相(xiang)(xiang)(xiang)，鉬(mu)元(yuan)素(su)更偏向于(yu)(yu)在M2C相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)富集。

  在(zai)0.1~2MPa壓力范圍內，加(jia)壓對(dui)Mo元素(su)的(de)(de)(de)平衡分配(pei)系數影響非(fei)常小，變化(hua)量為10-6~10-5,可(ke)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)，因而(er)在(zai)低壓范圍內，增加(jia)壓力不(bu)能(neng)通過(guo)改變元素(su)平衡分配(pei)系數而(er)影響相成分。除平衡分配(pei)系數以外，鑄(zhu)(zhu)錠凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)中溶(rong)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)分配(pei)情況與元素(su)的(de)(de)(de)傳質(zhi)(zhi)(zhi)行為有關。在(zai)M42鑄(zhu)(zhu)錠凝(ning)固(gu)末(mo)期的(de)(de)(de)共晶(jing)反(fan)(fan)應(ying)L→M2C+y過(guo)程(cheng)中存(cun)在(zai)M2C碳(tan)化(hua)物相和(he)奧(ao)氏(shi)體γ相之間的(de)(de)(de)溶(rong)質(zhi)(zhi)(zhi)再分配(pei)：液相中的(de)(de)(de)M2C形成元素(su)（鉬(mu)、鎢(wu)、釩和(he)鉻）通過(guo)凝(ning)固(gu)前沿(yan)固(gu)／液界面向(xiang)M2C碳(tan)化(hua)物相富集，同時奧(ao)氏(shi)體γ相形成元素(su)（鈷、鐵）則向(xiang)奧(ao)氏(shi)體相富集，整個反(fan)(fan)應(ying)發生(sheng)在(zai)凝(ning)固(gu)末(mo)期的(de)(de)(de)枝晶(jing)間小熔池內，此(ci)時液相流動很弱，元素(su)對(dui)流傳質(zhi)(zhi)(zhi)行為可(ke)忽(hu)略(lve)，因而(er)溶(rong)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)分配(pei)主要與相中元素(su)的(de)(de)(de)擴散(san)傳質(zhi)(zhi)(zhi)行為有關。

  根據菲(fei)克(ke)第一(yi)定律公式（2-178)可知，擴散(san)(san)系(xi)數D與溫度(du)T呈反比關系(xi)。圖(tu)2-133為2MPa下M2C形成元素的擴散(san)(san)系(xi)數隨溫度(du)的變化關系(xi)。在凝固壓力不變時，溫度(du)的降低(di)會顯著減小擴散(san)(san)系(xi)數，在低(di)壓范圍內(nei)，相對于凝固壓力變化，溫度(du)變化對擴散(san)(san)系(xi)數D具有更明顯的影響。

  增大壓力(li)(li)具有(you)顯著強化冷卻和減少鑄(zhu)錠(ding)局(ju)部(bu)凝(ning)固時間(jian)(jian)的(de)(de)作(zuo)用(yong)。由(you)此可知，對于(yu)0.1MPa、1MPa和2MPa壓力(li)(li)下(xia)的(de)(de)鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固過程(cheng)，在相(xiang)同(tong)的(de)(de)凝(ning)固時間(jian)(jian)內，在較高壓力(li)(li)下(xia)凝(ning)固的(de)(de)鑄(zhu)錠(ding)冷卻更快(kuai)，溫度更低，其元(yuan)素(su)擴散系(xi)數則相(xiang)對較低，導致元(yuan)素(su)擴散速率減小，使得M2C共晶碳化物(wu)中釩、鎢、鉻和鉬元(yuan)素(su)含(han)量降(jiang)低，碳化物(wu)間(jian)(jian)基(ji)體的(de)(de)合金元(yuan)素(su)含(han)量升高，降(jiang)低了(le)M2C碳化物(wu)和奧氏體γ相(xiang)之間(jian)(jian)的(de)(de)成分差異性，提(ti)高了(le)M42凝(ning)固組織成分的(de)(de)均勻性。

  c. 碳化物(wu)形貌

   M2C碳化物明顯具有各向異性的(de)生長方式，形(xing)貌(mao)具有小(xiao)(xiao)(xiao)平面(mian)(mian)(mian)向的(de)特性。共(gong)(gong)晶(jing)(jing)組織的(de)形(xing)貌(mao)與共(gong)(gong)晶(jing)(jing)過(guo)程中液(ye)(ye)／固(gu)界面(mian)(mian)(mian)結構有密切聯系，金屬(shu)(shu)相(xiang)－金屬(shu)(shu)碳化物相(xiang)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)屬(shu)(shu)于小(xiao)(xiao)(xiao)平面(mian)(mian)(mian)相(xiang)－非小(xiao)(xiao)(xiao)平面(mian)(mian)(mian)相(xiang)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)［146].M2C是通(tong)過(guo)凝固(gu)末(mo)期(qi)枝(zhi)晶(jing)(jing)間熔池里(li)的(de)共(gong)(gong)晶(jing)(jing)反M2C共(gong)(gong)晶(jing)(jing)碳化物形(xing)成于凝固(gu)末(mo)期(qi)枝(zhi)晶(jing)(jing)間殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)中，根(gen)據凝固(gu)原理(li)。枝(zhi)晶(jing)(jing)間殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)中元素含量明顯高于鑄錠標準含量。不同(tong)壓力(li)下枝(zhi)晶(jing)(jing)間液(ye)(ye)相(xiang)中各相(xiang)出現的(de)先(xian)(xian)后順序，如圖2-135所(suo)示，在不同(tong)壓力(li)下，M2C均領(ling)先(xian)(xian)奧(ao)氏體相(xiang)γ出現。這(zhe)表明，在共(gong)(gong)晶(jing)(jing)反應L→y+M2C過(guo)程中，M2C是領(ling)先(xian)(xian)相(xiang)。

  在(zai)共晶(jing)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程中(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)(de)(de)(de)快速(su)(su)(su)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)方向率(lv)先進入(ru)共生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)界面(mian)(mian)前(qian)方的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)中(zhong)，同(tong)時在(zai)其附(fu)近液(ye)層中(zhong)排出(chu)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)形(xing)(xing)成元(yuan)(yuan)素(su)(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(yi)靠此(ci)液(ye)層獲(huo)得(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)組元(yuan)(yuan)，跟隨(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)M2C一(yi)起長(chang)(chang)大，同(tong)時也向液(ye)層中(zhong)排出(chu)M2C形(xing)(xing)成元(yuan)(yuan)素(su)(su)，如圖(tu)2-136所示(shi)(shi)。隨(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)大，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)加(jia)(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)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)均加(jia)(jia)快。一(yi)方面(mian)(mian)，M2C碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間距隨(sui)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)大逐漸減小(xiao)，即奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)／固(gu)(gu)(gu)界面(mian)(mian)變窄(zhai)；另一(yi)方面(mian)(mian)，加(jia)(jia)壓使(shi)得(de)(de)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)沒有足(zu)夠時間進行充分擴散；導致奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)／固(gu)(gu)(gu)界面(mian)(mian)前(qian)沿(yan)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)濃度(du)急(ji)劇增(zeng)大，成分過冷加(jia)(jia)劇，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)大速(su)(su)(su)率(lv)進一(yi)步增(zeng)大，使(shi)得(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)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)差逐漸縮小(xiao)。此(ci)外(wai)，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作(zuo)為非小(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)所需過冷度(du)遠小(xiao)于小(xiao)平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)M2C碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)，使(shi)得(de)(de)在(zai)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)過程中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)量(liang)(liang)大于M2C碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速(su)(su)(su)率(lv)增(zeng)量(liang)(liang)。因(yin)此(ci)，隨(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)大，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間共晶(jing)組織中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)(de)(de)(de)含量(liang)(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)多(duo)，使(shi)得(de)(de)M2C碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)(chang)空間受到(dao)“排擠”，含量(liang)(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對減少(shao)，最(zui)終M2C碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)逐漸呈(cheng)現出(chu)被奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷(duan)”進而變短的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌，如圖(tu)2-134所示(shi)(shi)。

四、夾雜物分布

   夾(jia)雜(za)物(wu)是(shi)影響鋼(gang)錠質量(liang)的(de)一個重要(yao)因(yin)素。鋼(gang)中(zhong)(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)主要(yao)包括冶(ye)煉過程(cheng)中(zhong)(zhong)進行脫氧(yang)處理形成(cheng)的(de)脫氧(yang)產物(wu)、凝固(gu)過程(cheng)元(yuan)素溶(rong)解(jie)度下降形成(cheng)的(de)氧(yang)化(hua)物(wu)、氮化(hua)物(wu)、硫化(hua)物(wu)等化(hua)合物(wu)以及爐渣(zha)和(he)由(you)于沖刷而進入鋼(gang)液的(de)耐火(huo)材(cai)料。

   根據(ju)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來源，可(ke)以將(jiang)鋼(gang)(gang)(gang)中的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分為兩類:①外(wai)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)大(da)部分為復合氧化物(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)，主要是(shi)由(you)于鋼(gang)(gang)(gang)液接觸(chu)空氣生(sheng)(sheng)成(cheng)氧化物(wu)(wu)(wu)(wu)以及(ji)進(jin)入鋼(gang)(gang)(gang)液的(de)爐渣、耐火(huo)材料(liao)組成(cheng)。外(wai)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)形(xing)不(bu)規(gui)則(ze)、尺寸大(da)、構成(cheng)復雜(za)(za)，常常位于鋼(gang)(gang)(gang)的(de)表層，具有嚴重(zhong)的(de)危(wei)害性。②內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由(you)于脫(tuo)氧、鋼(gang)(gang)(gang)水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)化反應(ying)而(er)形(xing)成(cheng)的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)鋼(gang)(gang)(gang)液中數量較多(duo)，分布均勻，顆粒(li)細小。由(you)于形(xing)成(cheng)時間(jian)不(bu)同，內(nei)(nei)生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)分為：鋼(gang)(gang)(gang)液脫(tuo)氧時期生(sheng)(sheng)成(cheng)的(de)氧化物(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱(cheng)為原生(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)或一(yi)次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；溫(wen)度降低造(zao)成(cheng)化學反應(ying)平衡的(de)移動進(jin)而(er)析出二次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)于溶(rong)質元素(su)偏析和溶(rong)解度變化而(er)析出的(de)三次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四(si)次(ci)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)。

   夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)作為凝固(gu)組織的(de)(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)要組成部分(fen)，其(qi)特(te)性(xing)至關(guan)(guan)重(zhong)(zhong)(zhong)要，對于(yu)進(jin)一步揭示加(jia)(jia)(jia)(jia)壓冶金(jin)的(de)(de)(de)(de)優(you)勢十分(fen)關(guan)(guan)鍵(jian)(jian)。非(fei)金(jin)屬夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing)（數量、尺(chi)寸和(he)分(fen)布等(deng)）對鋼的(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)（力(li)學性(xing)能(neng)和(he)腐(fu)蝕(shi)等(deng)）有重(zhong)(zhong)(zhong)要影(ying)(ying)響。同時，改(gai)善(shan)鋼中(zhong)(zhong)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)布情況并盡可能(neng)徹底(di)地(di)去除(chu)非(fei)金(jin)屬夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)可以有效地(di)減少(shao)缺陷和(he)提高性(xing)能(neng)。為了改(gai)善(shan)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)布，施加(jia)(jia)(jia)(jia)在夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)上的(de)(de)(de)(de)力(li)包括(kuo)重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)、浮(fu)力(li)、曳力(li)，附加(jia)(jia)(jia)(jia)質量力(li)、升力(li)和(he)反彈力(li)等(deng)起著關(guan)(guan)鍵(jian)(jian)作用(yong)。這(zhe)些力(li)主要是通過(guo)(guo)(guo)溫度(du)、流場(chang)(chang)(chang)、重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)場(chang)(chang)(chang)和(he)電(dian)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)等(deng)物(wu)(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)來確定。因(yin)此，可以通過(guo)(guo)(guo)采(cai)取一系列措施優(you)化物(wu)(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)來改(gai)善(shan)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)分(fen)布。例如，鋼包中(zhong)(zhong)使用(yong)的(de)(de)(de)(de)氣體(ti)攪拌、連鑄過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)添加(jia)(jia)(jia)(jia)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)。對于(yu)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓冶金(jin)，壓力(li)是關(guan)(guan)鍵(jian)(jian)因(yin)素。目前，已經證實加(jia)(jia)(jia)(jia)壓會在各個方面影(ying)(ying)響凝固(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)理(li)場(chang)(chang)(chang)，包括(kuo)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓通過(guo)(guo)(guo)加(jia)(jia)(jia)(jia)快鑄錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷卻速(su)率和(he)加(jia)(jia)(jia)(jia)強鑄錠(ding)與鑄模之間的(de)(de)(de)(de)熱交換(huan)來改(gai)變溫度(du)場(chang)(chang)(chang)，通過(guo)(guo)(guo)改(gai)變糊狀區域的(de)(de)(de)(de)大小和(he)枝(zhi)晶(jing)結構影(ying)(ying)響流場(chang)(chang)(chang)等(deng)。

   因(yin)此，可以認為在凝固過程(cheng)中壓(ya)(ya)力具有改變(bian)夾雜(za)(za)物分布的能力，并且壓(ya)(ya)力對(dui)夾雜(za)(za)物分布的影(ying)(ying)(ying)響(xiang)機制非(fei)常復雜(za)(za)，然而，關于加(jia)壓(ya)(ya)對(dui)夾雜(za)(za)物分布變(bian)化的影(ying)(ying)(ying)響(xiang)研(yan)究(jiu)相對(dui)較少。這(zhe)表(biao)明加(jia)壓(ya)(ya)對(dui)凝固組(zu)織的影(ying)(ying)(ying)響(xiang)機理(li)尚未全面(mian)闡明。

 1. 夾雜物分(fen)布分(fen)析(xi)模型

   在實際凝固過(guo)程(cheng)中，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)受力情況、運動(dong)軌跡很難通過(guo)實驗進行測量。數(shu)值模(mo)擬(ni)提供了一種(zhong)可以深入了解某(mou)些無(wu)法通過(guo)實驗評(ping)估的(de)現(xian)象(xiang)的(de)方(fang)法。這些現(xian)象(xiang)包括夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)運動(dong)軌跡，作用于夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)力和夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)速度(du)等。根(gen)據(ju)電渣、連鑄和鋼包精煉等過(guo)程(cheng)中的(de)相關(guan)研(yan)究，數(shu)值模(mo)擬(ni)是(shi)一種(zhong)非常有(you)效的(de)研(yan)究夾(jia)雜(za)(za)物(wu)運動(dong)行為的(de)方(fang)法。

   鋼液凝固過程涉及熱量傳遞、質量傳輸、動量傳輸、相(xiang)轉變和晶(jing)粒形核長大等(deng)(deng)一系列復雜的物理化學現象，同時存在金屬固相(xiang)、金屬液相(xiang)、氣相(xiang)和夾(jia)雜物相(xiang)等(deng)(deng)多個相(xiang)之間的相(xiang)互(hu)作用，適合應用歐拉(la)(la)(la)多項(xiang)流模(mo)型進(jin)行計算(suan)求解。其中，根據對夾(jia)雜物運(yun)動行為處理方式，夾(jia)雜物分(fen)布分(fen)析模(mo)型可(ke)以分(fen)為歐拉(la)(la)(la)－拉(la)(la)(la)格(ge)朗日(ri)模(mo)型和歐拉(la)(la)(la)－歐拉(la)(la)(la)模(mo)型。

 a. 歐拉－拉格(ge)朗日模(mo)型歐拉－

   拉(la)格(ge)朗日離散(san)相(xiang)(xiang)模(mo)型(xing)(xing)是在(zai)(zai)歐拉(la)模(mo)型(xing)(xing)的(de)基(ji)礎上(shang)，將夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物相(xiang)(xiang)處(chu)理成離散(san)相(xiang)(xiang)，而(er)流體(ti)相(xiang)(xiang)處(chu)理為連續(xu)相(xiang)(xiang)。根(gen)據球型(xing)(xing)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)受力(li)分析(xi)，基(ji)于牛頓第(di)二定(ding)律，建立夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物運動(dong)(dong)模(mo)型(xing)(xing)，并(bing)與鋼液凝固模(mo)型(xing)(xing)耦(ou)合(he)，從而(er)模(mo)擬夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物在(zai)(zai)凝固過程運動(dong)(dong)行為。該(gai)模(mo)型(xing)(xing)可以(yi)跟蹤每(mei)個(ge)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物顆粒(li)并(bing)獲(huo)得(de)其速度、運動(dong)(dong)軌跡(ji)以(yi)及(ji)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物去除過程中的(de)動(dong)(dong)力(li)學行為。此(ci)外，該(gai)模(mo)型(xing)(xing)是基(ji)于離散(san)相(xiang)(xiang)體(ti)積比例相(xiang)(xiang)對較(jiao)低的(de)基(ji)本假設而(er)建立。

   夾(jia)雜物(wu)在鋼液(ye)中的(de)(de)運(yun)動(dong)，主(zhu)要是各種力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)共同作用造成的(de)(de)。夾(jia)雜物(wu)在鋼液(ye)中受力(li)(li)(li)(li)情況如(ru)圖2-137所示(shi)。可以(yi)看(kan)出，夾(jia)雜物(wu)顆粒受到(dao)主(zhu)要作用力(li)(li)(li)(li)分別為(wei)：由(you)于顆粒自身(shen)性質(zhi)引起的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)，如(ru)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)(li)等；由(you)于顆粒與流體(ti)之間存在相對運(yun)動(dong)而產生的(de)(de)力(li)(li)(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)(li)(li)（Saffman)、附(fu)加質(zhi)量力(li)(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)(li)和(he)Magnus力(li)(li)(li)(li)等；細小夾(jia)雜物(wu)在高(gao)溫條件下受的(de)(de)布(bu)朗（Brown)力(li)(li)(li)(li)等。

（1)曳力。

   在(zai)鋼液流場內黏(nian)性流體(ti)(ti)與顆(ke)粒(li)之(zhi)(zhi)間存(cun)在(zai)相(xiang)對運動，由(you)黏(nian)性流體(ti)(ti)施加的(de)曳力使得夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)趨向于(yu)跟(gen)隨流體(ti)(ti)運動。曳力是夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)在(zai)凝固過程中(zhong)的(de)主要受力之(zhi)(zhi)一。計算公式如下：

（2)浮力和重力。

   在豎直(zhi)方向(xiang)上，夾雜(za)物顆粒(li)受到與相對運動無關的力，包括重力和浮力，其

（3)附加質量力(li)。

   當(dang)鋼液與夾雜物(wu)顆粒(li)存在相對運動(dong)時(shi)，夾雜物(wu)顆粒(li)會帶(dai)動(dong)其附(fu)近的部分鋼液做加速運動(dong)，此(ci)時(shi)推動(dong)夾雜物(wu)顆粒(li)運動(dong)的力大于其顆粒(li)本身慣性力，這部分大于夾雜物(wu)顆粒(li)本身慣性力的力即為(wei)附(fu)加質量力。其計(ji)算公(gong)式為(wei)

  通過運用(yong)歐(ou)拉－拉格(ge)朗日模型對鋼液(ye)凝固過程進行模擬(ni)計算時，可(ke)以得出隨著溫度場和流(liu)場的變化，每個球形夾雜物顆粒(li)在鋼液(ye)中(zhong)的運動軌跡和分布。

 b. 歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模型

   拉(la)(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)是(shi)研究夾(jia)(jia)雜(za)(za)物顆粒(li)在(zai)(zai)鋼液中運動行為主要的(de)(de)方法，但(dan)在(zai)(zai)實際的(de)(de)應用中存在(zai)(zai)一些不(bu)足，例如，拉(la)(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)是(shi)針對(dui)單一粒(li)子進行計(ji)算(suan)，當同(tong)(tong)時追(zhui)蹤多個粒(li)子時，計(ji)算(suan)量(liang)過大，難以進行。相(xiang)(xiang)較于拉(la)(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)，歐拉(la)(la)(la)－歐拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)中夾(jia)(jia)雜(za)(za)物相(xiang)(xiang)的(de)(de)控(kong)制方程與(yu)流體連續相(xiang)(xiang)的(de)(de)控(kong)制方程相(xiang)(xiang)似，運算(suan)相(xiang)(xiang)對(dui)高效，能夠同(tong)(tong)時描述(shu)多種夾(jia)(jia)雜(za)(za)物顆粒(li)在(zai)(zai)凝固過程中的(de)(de)分布(bu)特征(zheng)。歐拉(la)(la)(la)－歐拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)與(yu)歐拉(la)(la)(la)－拉(la)(la)(la)格朗(lang)日(ri)模(mo)型(xing)相(xiang)(xiang)比，主要差別是(shi)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物相(xiang)(xiang)的(de)(de)動量(liang)方程存在(zai)(zai)差別，歐拉(la)(la)(la)－歐拉(la)(la)(la)模(mo)型(xing)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物動量(liang)方程表(biao)達式為

 2. 模鑄過程(cheng)中(zhong)夾雜物的受力分析

  模鑄過(guo)程中，夾雜物所受(shou)作用力包括熱(re)浮(fu)力、重(zhong)力、附(fu)加質(zhi)量(liang)力、升力以及(ji)相間作用力等，具體受(shou)力情況(kuang)如圖2-138所示。

   流(liu)場對夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)(de)分布(bu)有(you)關鍵(jian)影(ying)響，這直接歸因(yin)(yin)于作用于夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)(de)阻力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)。以0.1MPa下H13鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)為(wei)(wei)例，鋼液、夾(jia)(jia)(jia)雜物和(he)(he)等軸晶的(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)場和(he)(he)速率均顯示(shi)在(zai)圖(tu)(tu)(tu)(tu)2-139中(zhong)。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)(de)(de)進行(xing)(xing)，鋼液受熱浮(fu)(fu)(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)驅動逆(ni)時(shi)針運(yun)動，如(ru)(ru)圖(tu)(tu)(tu)(tu)2-139(a)所(suo)示(shi)。同時(shi)，隨著(zhu)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)浮(fu)(fu)(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)合(he)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增加，等軸晶的(de)(de)(de)(de)(de)沉降連續(xu)發生在(zai)柱狀(zhuang)晶（tip)的(de)(de)(de)(de)(de)尖端，如(ru)(ru)圖(tu)(tu)(tu)(tu)2-139(b)所(suo)示(shi)。如(ru)(ru)圖(tu)(tu)(tu)(tu)2-139(c)所(suo)示(shi)，夾(jia)(jia)(jia)雜物流(liu)場中(zhong)出現逆(ni)時(shi)針運(yun)動，與鋼液相似(si)。這種運(yun)動行(xing)(xing)為(wei)(wei)主要(yao)是由作用在(zai)夾(jia)(jia)(jia)雜物上的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)引起的(de)(de)(de)(de)(de)。根據模(mo)擬結(jie)果，凝(ning)固(gu)過程中(zhong)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)，浮(fu)(fu)(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)阻力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)在(zai)改變(bian)夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)動行(xing)(xing)為(wei)(wei)中(zhong)起著(zhu)關鍵(jian)作用，因(yin)(yin)為(wei)(wei)它(ta)們比附加質量(liang)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)升力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)大(da)了三個數量(liang)級。重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)浮(fu)(fu)(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向均為(wei)(wei)垂直方(fang)向，因(yin)(yin)為(wei)(wei)夾(jia)(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)(de)密度低于液體的(de)(de)(de)(de)(de)密度，故(gu)其(qi)合(he)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向垂直向上，如(ru)(ru)圖(tu)(tu)(tu)(tu)2-139(d)所(suo)示(shi)。

   在(zai)整個凝固過程中(zhong)(zhong)，Fbg保持不變，并使夾雜(za)(za)物(wu)上浮(fu)。相(xiang)比之(zhi)下，曳力(li)(li)(li)(li)(li)Fdp是(shi)向下的(de)力(li)(li)(li)(li)(li)，具(ju)有驅(qu)動夾雜(za)(za)物(wu)向下沉(chen)的(de)能(neng)力(li)(li)(li)(li)(li)。并且其變化是(shi)復雜(za)(za)的(de)。根據等式（2-204)可知，曳力(li)(li)(li)(li)(li)與(yu)鋼液和夾雜(za)(za)物(wu)之(zhi)間的(de)速(su)度差密切相(xiang)關(guan)。在(zai)頂部和底(di)部，鋼液和夾雜(za)(za)物(wu)速(su)度差很小(xiao)，與(yu)Fbg相(xiang)比，Fdp可以忽略不計。在(zai)柱狀晶尖端(duan)附近的(de)曳力(li)(li)(li)(li)(li)Fdp大于Fbg,是(shi)導(dao)致夾雜(za)(za)物(wu)下沉(chen)的(de)關(guan)鍵(jian)因素。在(zai)鑄(zhu)錠的(de)中(zhong)(zhong)心，Fdp小(xiao)于Fbg,Fbg占主(zhu)導(dao)，促使夾雜(za)(za)物(wu)上浮(fu)。因此，模鑄(zhu)過程中(zhong)(zhong)夾雜(za)(za)物(wu)形成(cheng)逆(ni)時針運(yun)動，這主(zhu)要是(shi)由重力(li)(li)(li)(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)(li)(li)(li)和曳力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)綜合(he)作(zuo)用(yong)所驅(qu)動。

 3. 模鑄過程中壓力對夾雜物分布的影響(xiang)

   利(li)用歐拉(la)(la)－歐拉(la)(la)模型在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)(xia)獲得了(le)H13鑄(zhu)錠夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物體積分數的等值線，如(ru)圖2-140所(suo)示。每個鑄(zhu)錠中(zhong)(zhong)都存(cun)在(zai)三個主要的夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)（I、和(he)III),其中(zhong)(zhong)，II區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)度最低，III區(qu)(qu)的夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)度最高(gao)(gao)，I區(qu)(qu)次之。三個夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)域(yu)(yu)主要由夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物逆(ni)時針(zhen)(zhen)運動以及被(bei)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)捕集(ji)(ji)(ji)(ji)的綜(zong)合(he)作用所(suo)導(dao)(dao)致。以0.1MPa 壓力下(xia)(xia)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物分布為例，遠離糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)的夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物在(zai)逆(ni)時針(zhen)(zhen)運動過程中(zhong)(zhong)逐漸上(shang)浮并富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)到鑄(zhu)錠頂部，如(ru)圖 2-140(c)所(suo)示。鑄(zhu)錠頂部富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)的夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物一(yi)部分被(bei)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)捕獲，形成(cheng)了(le)I區(qu)(qu)，其余部分沿(yan)逆(ni)時針(zhen)(zhen)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)移動，運動方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)幾(ji)乎垂直(zhi)于(yu)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)(xiang)量。與之相比，在(zai)II和(he)III區(qu)(qu)域(yu)(yu)內，夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物運動方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)與糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)法向(xiang)(xiang)(xiang)量成(cheng)鈍角，因而夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物更加趨向(xiang)(xiang)(xiang)于(yu)被(bei)II和(he)III區(qu)(qu)域(yu)(yu)內糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)所(suo)捕獲，如(ru)圖2-141所(suo)示，導(dao)(dao)致夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)區(qu)(qu)II和(he)III的形成(cheng)。同時，III區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)程度最高(gao)(gao)，原因是糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)較寬，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物捕獲能力越(yue)強，富(fu)(fu)集(ji)(ji)(ji)(ji)趨勢更明顯。

   隨(sui)著壓力從0.1MPa增加(jia)(jia)到(dao)2MPa,I、II和(he)(he)III區夾雜(za)物(wu)的(de)富集(ji)度降低，如2-140(b)所(suo)示，夾雜(za)物(wu)體積(ji)分(fen)數的(de)最大(da)增量 4max隨(sui)壓力的(de)增加(jia)(jia)而(er)減小，在0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下分(fen)別為4.1x10-5、3.5x10-5和(he)(he)1.8x10-5,表明隨(sui)著凝固(gu)壓力增加(jia)(jia)至(zhi)2MPa,鑄錠中夾雜(za)物(wu)分(fen)布更加(jia)(jia)均勻(yun)。

   糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕獲夾雜(za)物和夾雜(za)物從糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)逃脫(tuo)的(de)(de)(de)能力(li)(li)(li)對夾雜(za)物分布至關重要(yao)(yao)。結合液相線(xian)／固(gu)(gu)相線(xian)溫(wen)度(du)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變化(hua)規律可知，凝(ning)固(gu)(gu)區(qu)(qu)間(jian)變化(hua)很小(xiao)，當壓(ya)力(li)(li)(li)從0.1MPa增加到2MPa時可以忽(hu)略(lve)不計。因此，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)寬度(du)主要(yao)(yao)由溫(wen)度(du)梯度(du)決定。如圖2-142(b)所(suo)示，由于增加壓(ya)力(li)(li)(li)后提高了冷卻速(su)(su)率(lv)導致高壓(ya)下(xia)溫(wen)度(du)梯度(du)更大。在較(jiao)(jiao)高壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)域的(de)(de)(de)長(chang)度(du)變短(duan)［150].另(ling)外，以圖2-142(a)中的(de)(de)(de)A點為例(li)，凝(ning)固(gu)(gu)時間(jian)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增加而顯著減少，在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分別為292s、272s和247s,凝(ning)固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)隨(sui)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增加而增加。進而表明，在較(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)長(chang)度(du)較(jiao)(jiao)小(xiao)且凝(ning)固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)較(jiao)(jiao)高，因此糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕獲夾雜(za)物的(de)(de)(de)能力(li)(li)(li)變弱。

   A、B和C點(dian)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)速(su)度(du)隨(sui)液(ye)相(xiang)體積(ji)(ji)分數(shu)的(de)變化(hua)如圖2-143所示。高溫度(du)梯度(du)通過(guo)增(zeng)大熱浮力(li)來(lai)強化(hua)鋼液(ye)對流。另外，研(yan)究了糊狀區中(zhong)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)速(su)度(du)隨(sui)曳力(li)改的(de)相(xiang)應變化(hua)。凝固(gu)初(chu)期，糊狀區中(zhong)的(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)運動(dong)速(su)度(du)隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)大，在凝固(gu)后期，糊狀區內夾(jia)雜(za)(za)物(wu)幾乎完全停止運動(dong)時液(ye)相(xiang)體積(ji)(ji)分數(shu)隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)增(zeng)加(jia)而降(jiang)(jiang)低。以(yi)點(dian)A為例，凝固(gu)初(chu)期（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和2MPa下夾(jia)雜(za)(za)物(wu)速(su)度(du)分別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和1.52×10-3m/s.當糊狀區夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)速(su)度(du)降(jiang)(jiang)低到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和2MPa下的(de)液(ye)相(xiang)體積(ji)(ji)分數(shu)分別為0.74、0.68和0.62.這意味著夾(jia)雜(za)(za)物(wu)從糊狀區逸(yi)出的(de)能力(li)隨(sui)壓(ya)力(li)增(zeng)加(jia)而增(zeng)強。

   綜(zong)上(shang)所述，增(zeng)加(jia)壓力可(ke)以顯著抑制糊狀(zhuang)區中(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜物的富(fu)集(ji)，并通過降低糊狀(zhuang)區捕獲夾(jia)(jia)(jia)雜物的能(neng)力，提高夾(jia)(jia)(jia)雜物從糊狀(zhuang)區中(zhong)逸出(chu)的能(neng)力，使鑄錠內夾(jia)(jia)(jia)雜物分布更(geng)加(jia)均勻(yun)。