壓(ya)(ya)力對(dui)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)凝固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)和(he)(he)組(zu)織(zhi)有十分重要的(de)影響，如壓(ya)(ya)力能提高晶(jing)(jing)粒(li)形核(he)速率(lv)，減(jian)小臨界(jie)形核(he)半(ban)徑，增(zeng)大冷(leng)卻(que)速率(lv)，細化枝(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)，減(jian)輕(qing)或消除凝固(gu)缺(que)陷（疏松、縮孔、氣(qi)(qi)孔和(he)(he)偏析）以及改變(bian)析出相(xiang)(xiang)(xiang)形貌和(he)(he)類型(xing)等。由于鋼(gang)鐵材料固(gu)／液相(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)較高，加(jia)壓(ya)(ya)難度(du)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)較大，不過，較低壓(ya)(ya)力依然(ran)具有改善鑄(zhu)(zhu)型(xing)和(he)(he)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)間換熱條件、打破液相(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)氣(qi)(qi)泡等壓(ya)(ya)力平(ping)衡的(de)能力，進而達到改善鋼(gang)鐵凝固(gu)組(zu)織(zhi)，減(jian)輕(qing)或消除凝固(gu)缺(que)陷等目的(de)。
一、枝晶(jing)組織
枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)的出(chu)(chu)現(xian)和(he)生(sheng)(sheng)長與(yu)液(ye)相(xiang)中的成(cheng)分(fen)過冷(leng)密不可分(fen)，當凝固界(jie)面(mian)出(chu)(chu)現(xian)擾動(dong)(dong)導致液(ye)相(xiang)出(chu)(chu)現(xian)局部(bu)成(cheng)分(fen)過冷(leng)時，液(ye)相(xiang)中就具(ju)備了(le)促使界(jie)面(mian)發生(sheng)(sheng)波動(dong)(dong)的驅動(dong)(dong)力，進(jin)一步增(zeng)大了(le)凝固界(jie)面(mian)的不穩定(ding)性(xing)，從(cong)而使凝固界(jie)面(mian)從(cong)平面(mian)狀向樹枝(zhi)狀轉變，形成(cheng)枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)，液(ye)相(xiang)中成(cheng)分(fen)過冷(leng)的判據為
式中(zhong)(zhong)，GrL為(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)溫度(du)梯度(du)；v為(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)速率(lv)；m為(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)線斜(xie)率(lv)；CL為(wei)(wei)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)界面處液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分數；DL為(wei)(wei)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)(rong)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)數；ko為(wei)(wei)溶(rong)(rong)(rong)質(zhi)分配(pei)系(xi)數。在不考(kao)慮壓(ya)(ya)(ya)(ya)力強化冷卻（即GrL保持恒(heng)定）情況下(xia)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力可通過改變液相(xiang)(xiang)(xiang)線斜(xie)率(lv)、擴(kuo)散(san)系(xi)數和(he)溶(rong)(rong)(rong)質(zhi)分配(pei)系(xi)數等凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)參(can)數，改變枝(zhi)晶(jing)形(xing)貌甚至凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)組(zu)成。Zhang等對比了高錳鋼（Fe-13Mn-1.2C)在常(chang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)和(he)6GPa下(xia)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)。發現高錳鋼高壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)包含細小等軸(zhou)晶(jing)和(he)柱狀晶(jing)，與常(chang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)截(jie)然不同(tong)（圖2-107).晶(jing)粒(li)尺寸(cun)統計結(jie)果表(biao)明(ming)，高錳鋼在常(chang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)粒(li)尺寸(cun)為(wei)(wei)（160±45)μm,6GPa下(xia)為(wei)(wei)（7.5±2.5)μm,壓(ya)(ya)(ya)(ya)力細化晶(jing)粒(li)可達(da)21倍之(zhi)多，主要歸(gui)因于增加凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力降低了液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)(rong)質(zhi)擴(kuo)散(san)系(xi)數以及增大(da)(da)了擴(kuo)散(san)激活能，進(jin)而增大(da)(da)了液相(xiang)(xiang)(xiang)成分過冷度(du)，在抑制枝(zhi)晶(jing)生長(chang)的(de)(de)(de)(de)同(tong)時增大(da)(da)了形(xing)核(he)(he)率(lv)［129,153],從而使得(de)高錳鋼凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)逐步向枝(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)轉變，且細化十分顯著。Kashchiev和(he)Vasudevan等的(de)(de)(de)(de)研究表(biao)明(ming)。在凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)摩(mo)爾體積(ji)(ji)小于液相(xiang)(xiang)(xiang)摩(mo)爾體積(ji)(ji)時，加壓(ya)(ya)(ya)(ya)有助于提高形(xing)核(he)(he)率(lv)，起到(dao)細化凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)，大(da)(da)多數金(jin)(jin)屬(shu)合金(jin)(jin)屬(shu)于此(ci)(ci)類；反之(zhi)，加壓(ya)(ya)(ya)(ya)將抑制晶(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)形(xing)核(he)(he)，如水(shui)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)成冰。此(ci)(ci)外，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力還能夠抑制枝(zhi)晶(jing)沿壓(ya)(ya)(ya)(ya)力梯度(du)方向的(de)(de)(de)(de)生長(chang),從而導致枝(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)和(he)微觀(guan)偏析呈現方向性(xing)。
為了準確(que)地論述壓力對凝固(gu)組織(zhi)的影響規律，本(ben)節將以19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼和M42工(gong)具(ju)鋼加壓凝固(gu)組織(zhi)為例，詳細分析壓力對枝晶組織(zhi)、析出相等的影響。
1. 柱狀晶向等軸晶轉變（CET)
鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)宏觀組織主要(yao)由晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)形(xing)貌、尺寸以及取向分(fen)布等(deng)構成(cheng)，在合金(jin)成(cheng)分(fen)一定的(de)(de)(de)(de)情況下，它(ta)主要(yao)取決于鋼液在凝固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻條件（包括(kuo)澆注溫度(du)(du)和鑄(zhu)(zhu)型的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻效果等(deng)。鑄(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)典型宏觀組織可分(fen)為三(san)個區(qu)(qu)：表(biao)(biao)層(ceng)(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)、柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)以及中(zhong)心(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。表(biao)(biao)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)是由于鋼液在鑄(zhu)(zhu)型的(de)(de)(de)(de)激冷(leng)(leng)作用下，具(ju)有較大的(de)(de)(de)(de)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)，進(jin)(jin)而在鑄(zhu)(zhu)型壁面(mian)以異(yi)質形(xing)核的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)式(shi)大量形(xing)核并長(chang)(chang)大，最(zui)后(hou)形(xing)成(cheng)細小的(de)(de)(de)(de)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)，即表(biao)(biao)層(ceng)(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)行(xing)，表(biao)(biao)層(ceng)(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)逐步形(xing)成(cheng)金(jin)屬外殼，使(shi)得傳熱具(ju)備單向性，有助于晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)沿(yan)傳熱方(fang)(fang)向生長(chang)(chang)，呈(cheng)現(xian)出方(fang)(fang)向性，從而形(xing)成(cheng)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)，也導致了(le)表(biao)(biao)層(ceng)(ceng)細晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)域窄小，厚度(du)(du)通(tong)常為幾毫(hao)米。在后(hou)續的(de)(de)(de)(de)凝固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)，伴(ban)隨(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)潛(qian)熱的(de)(de)(de)(de)釋放，凝固(gu)(gu)前沿(yan)溫度(du)(du)梯度(du)(du)減小，傳熱的(de)(de)(de)(de)單向性減弱，成(cheng)分(fen)過(guo)冷(leng)(leng)度(du)(du)增大，進(jin)(jin)而使(shi)得晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)生長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)向性減弱，抑制了(le)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)生長(chang)(chang)，同時也促進(jin)(jin)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)心(xin)部異(yi)質形(xing)核的(de)(de)(de)(de)發生，從而有助于柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉變，最(zui)終(zhong)形(xing)成(cheng)中(zhong)心(xin)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)。
因(yin)此，鑄錠有(you)兩(liang)類枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)(zu)織，即(ji)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)和(he)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)，通(tong)常采用枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間距(ju)和(he)CET位置對其進(jin)行(xing)表(biao)征。圖2-108(a)給出了(le)(le)(le)凝固壓(ya)(ya)力分(fen)別(bie)為0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼(gang)鑄錠縱(zong)剖面上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)(zu)織；CET位置到(dao)鑄錠邊部(bu)(bu)距(ju)離(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)統計平均(jun)值分(fen)別(bie)為19.8mm、22.1mm和(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)量可(ke)(ke)達7.6mm,如圖2-108(b)所示。統計結果表(biao)明(ming)，隨著壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，CET 位置逐(zhu)漸由(you)(you)邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)(xin)(xin)部(bu)(bu)移動，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，中心(xin)(xin)(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)區(qu)域(yu)減(jian)小。根據(ju)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻(zu)擋判據(ju)可(ke)(ke)知［156],當(dang)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數大(da)(da)于(yu)(yu)臨界(jie)值時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)端生(sheng)長受(shou)到(dao)抑制而停止，此時發生(sheng)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)向(xiang)中心(xin)(xin)(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)。因(yin)此，CET轉(zhuan)(zhuan)變(bian)很大(da)(da)程度(du)上(shang)取決于(yu)(yu)中心(xin)(xin)(xin)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形核(he)和(he)長大(da)(da)。由(you)(you)于(yu)(yu)壓(ya)(ya)力強(qiang)(qiang)化冷(leng)卻(que)效果十分(fen)明(ming)顯，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)力加(jia)(jia)快(kuai)了(le)(le)(le)鑄錠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)，增(zeng)(zeng)大(da)(da)了(le)(le)(le)鑄錠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)梯度(du)，從(cong)而降低了(le)(le)(le)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)前沿的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成分(fen)過冷(leng)度(du)，此時，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)在(zai)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)端的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形核(he)和(he)長大(da)(da)就會受(shou)到(dao)嚴重阻(zu)礙和(he)抑制;反之，降低壓(ya)(ya)力，有(you)助于(yu)(yu)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)在(zai)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)端處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形核(he)和(he)長大(da)(da)，從(cong)而提前并加(jia)(jia)快(kuai)了(le)(le)(le)CET.因(yin)此，當(dang)壓(ya)(ya)力從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到(dao)1.2MPa時，壓(ya)(ya)力通(tong)過強(qiang)(qiang)化冷(leng)卻(que)擴大(da)(da)了(le)(le)(le)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)，促使(shi)CET轉(zhuan)(zhuan)變(bian)位置在(zai)徑(jing)向(xiang)上(shang)逐(zhu)漸由(you)(you)邊部(bu)(bu)向(xiang)心(xin)(xin)(xin)部(bu)(bu)移動。此外，在(zai)0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa下(xia)，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼(gang)鑄錠縱(zong)剖面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)宏觀組(zu)(zu)織中均(jun)存在(zai)較窄的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)層細(xi)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)。
為了進(jin)一步(bu)研(yan)究壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)CET的(de)影響規律(lv)，在(zai)不考慮壓(ya)(ya)力(li)(li)強化冷卻效果的(de)前提下，對(dui)枝晶尖端生長速率v.隨壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)變化規律(lv)進(jin)行理論計(ji)算，可采用KGT模(mo)型(xing)，,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)力(li)的增(zeng)加(jia)會對枝(zhi)晶尖(jian)端生(sheng)長速(su)率產生(sheng)重要影響(xiang)，且壓(ya)力(li)的增(zeng)量(liang)越大，影響(xiang)越明顯。結合實驗和KGT模型理論計算可知，低壓(ya)下，當(dang)凝固(gu)壓(ya)力(li)從0.5MPa 增(zeng)加(jia)至1.2MPa時，壓(ya)力(li)主要通過強化冷卻的方式(shi)，使(shi)得鑄錠CET位置逐漸(jian)由邊部向(xiang)心(xin)部移動。
2. 枝晶(jing)間距
相鄰同次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)臂之間(jian)的垂直距離(li)稱為枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距的大小表征了枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)織細(xi)化(hua)程(cheng)度，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距越小，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)組(zu)織越細(xi)密［162],通(tong)常考慮的枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距有一次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距入1和二次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距λ2.一次(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距與凝(ning)固(gu)速率v和溫度梯度Gr的關(guan)系為
由式（2-191)可知(zhi)，合金體系(xi)一定(ding)時，分(fen)析局部區(qu)域冷卻速率(lv)v.和(he)溫(wen)度(du)梯度(du)Gr隨壓(ya)力的(de)(de)(de)變化(hua)趨勢，有助于(yu)闡(chan)明壓(ya)力對(dui)一次枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間距λ1的(de)(de)(de)影(ying)響規律。因(yin)局部區(qu)域冷卻速率(lv)vc和(he)溫(wen)度(du)梯度(du)Gr的(de)(de)(de)測量難度(du)較大，可用模擬(ni)計算的(de)(de)(de)方式獲得。在(zai)不(bu)同(tong)凝固(gu)壓(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)組織模擬(ni)過程中，不(bu)考慮(lv)疏松縮孔對(dui)晶(jing)(jing)(jing)區(qu)分(fen)布的(de)(de)(de)影(ying)響，模擬(ni)結(jie)果如圖2-110所(suo)示。為了更準確地找(zhao)到CET位置，使(shi)用平(ping)均縱(zong)橫(heng)比(bi)(bi)（晶(jing)(jing)(jing)粒最(zui)短邊與最(zui)長邊的(de)(de)(de)比(bi)(bi)率(lv)）來區(qu)分(fen)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和(he)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)：當(dang)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)縱(zong)橫(heng)比(bi)(bi)大于(yu)0.4時，晶(jing)(jing)(jing)粒為等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)；當(dang)晶(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)縱(zong)橫(heng)比(bi)(bi)小(xiao)于(yu)0.4時，則為柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)。根據(ju)阻擋判據(ju)，等軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)值設定(ding)為0.49，以此作為依據(ju)，19Cr14Mn0.9N含氮鋼在(zai)0.5MPa、0.85MPa 和(he)1.2MPa 壓(ya)力下(xia)，CET 位置在(zai)徑向上離鑄錠邊部的(de)(de)(de)平(ping)均距離分(fen)別(bie)為18.1mm、19.8mm和(he)25.3mm.
19Cr14Mn0.9N 含氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)底部(bu)溫度梯度 Gr和(he)冷卻速率v.隨壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)變化(hua)規律，如圖2-111所示。在(zai)某一(yi)(yi)壓(ya)力(li)(li)(li)條(tiao)件下，vc和(he)Gr沿徑(jing)向(xiang)由(you)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)到心(xin)部(bu)均呈現逐漸減(jian)小(xiao)的(de)(de)趨(qu)(qu)勢，結合式（2-190)可知，一(yi)(yi)次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)入(ru)(ru)1與(yu)v.和(he)Gr成反比，因(yin)而(er)1沿徑(jing)向(xiang)由(you)邊部(bu)到心(xin)部(bu)逐漸增(zeng)大(da)(da)。當壓(ya)力(li)(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時，在(zai)壓(ya)力(li)(li)(li)強化(hua)冷卻的(de)(de)作(zuo)用下，鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)內各單(dan)元體的(de)(de)vc和(he)Gr隨之增(zeng)大(da)(da)，且對(dui)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊緣處的(de)(de)單(dan)元體影響最大(da)(da)，在(zai)沿徑(jing)向(xiang)向(xiang)心(xin)部(bu)移動的(de)(de)過程中，壓(ya)力(li)(li)(li)對(dui)vc和(he)Gr的(de)(de)影響逐步(bu)減(jian)弱。結合式（2-190)可知，一(yi)(yi)次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)入(ru)(ru)1隨著(zhu)vc和(he)Gr的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)呈冪(mi)函數減(jian)小(xiao)。因(yin)此，隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)(li)增(zeng)加(jia)，一(yi)(yi)次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)入(ru)(ru)1減(jian)小(xiao)，且越(yue)靠近鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)，入(ru)(ru)減(jian)小(xiao)趨(qu)(qu)勢越(yue)明顯，即壓(ya)力(li)(li)(li)對(dui)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)一(yi)(yi)次枝(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)的(de)(de)影響大(da)(da)于中心(xin)等(deng)軸晶(jing)區。
由邊部(bu)到心部(bu)逐漸增(zeng)大，結合式(shi)（2-192)可知，鑄錠心部(bu)的二次(ci)枝(zhi)晶(jing)間距入2大于(yu)邊部(bu)；壓力(li)從(cong)0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時(shi)，LST明顯減小，二次(ci)枝(zhi)晶(jing)間距入2也隨之減小。
圖2-112 不(bu)(bu)同(tong)壓(ya)力(li)(li)下(xia)距(ju)離19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)130mm處LST計算值由(you)于等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)臂彼此(ci)相(xiang)交且(qie)沿(yan)徑向(xiang)(xiang)(xiang)以幾乎相(xiang)同(tong)的(de)速率向(xiang)(xiang)(xiang)四周(zhou)生長，同(tong)時(shi)不(bu)(bu)同(tong)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)間不(bu)(bu)存(cun)在(zai)(zai)任何確定的(de)位向(xiang)(xiang)(xiang)關系，難以通過實驗對等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)一(yi)次(ci)晶(jing)(jing)間距(ju)進(jin)行(xing)測(ce)(ce)量，因此(ci)只對CET前柱狀晶(jing)(jing)的(de)一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)進(jin)行(xing)測(ce)(ce)量。圖2-113給出了距(ju)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)115mm的(de)高度處一(yi)次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)入1和二次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)x2的(de)變化規(gui)律，在(zai)(zai)某一(yi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)，沿(yan)徑向(xiang)(xiang)(xiang)由(you)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)邊(bian)部(bu)向(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)部(bu)移動的(de)過程(cheng)中，1和x2逐漸增(zeng)大(da)；當壓(ya)力(li)(li)從0.5MPa增(zeng)加(jia)至1.2MPa時(shi)，1和入2均(jun)呈(cheng)減(jian)小的(de)趨勢。基于埋設熱(re)電偶的(de)測(ce)(ce)溫結(jie)果(guo)和式(shi)（2-195)可得，2nd和4h測(ce)(ce)溫位置處局部(bu)凝固時(shi)間隨壓(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)加(jia)而縮(suo)短，如圖2-113(a)所示，從而導致x2的(de)減(jian)小。對比可知，枝(zhi)晶(jing)(jing)間距(ju)（λ和ん）和局部(bu)凝固時(shi)間沿(yan)徑向(xiang)(xiang)(xiang)和隨壓(ya)力(li)(li)變化趨勢的(de)實驗與模擬結(jie)果(guo)一(yi)致。
綜上所(suo)述，增加(jia)(jia)壓(ya)力能夠明(ming)顯減小枝晶(jing)間距(ju)（x1和(he)x2),縮短(duan)局(ju)部凝固(gu)(gu)時間，細化凝固(gu)(gu)組織(zhi)。鑄錠(ding)邊部和(he)心部試(shi)樣的枝晶(jing)形(xing)貌如圖(tu)2-114所(suo)示，進一步(bu)佐證了增加(jia)(jia)壓(ya)力具有明(ming)顯細化枝晶(jing)組織(zhi)的作(zuo)用，且對柱(zhu)狀晶(jing)的影響大于中心等(deng)軸(zhou)晶(jing)。
3. 晶粒數(shu)
鑄錠內晶粒(li)數與(yu)晶粒(li)臨(lin)界形核半(ban)徑(jing)(jing)和形核率有直(zhi)接(jie)的關系，晶粒(li)臨(lin)界形核半(ban)徑(jing)(jing)為(wei)：
其中，Nm為與液(ye)相線溫度(du)、凝(ning)固潛(qian)熱、擴散激活能以及表面張力(li)(li)有關的(de)系數(shu)。圖2-114給出了 19Cr14Mn0.9N 含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)等軸(zhou)晶(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)變化規(gui)律(lv)。壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.5MPa增加到1.2MPa時(shi)，中心等軸(zhou)晶(jing)區的(de)寬度(du)逐漸減小(xiao)，最(zui)小(xiao)值為56mm.19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)180mm(高）x56mm(寬）等軸(zhou)晶(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)變化規(gui)律(lv)如圖2-115所示(shi)。當(dang)凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)從(cong)0.5MPa增加到0.85MPa時(shi)，晶(jing)粒(li)數(shu)目從(cong)9166增加到9551;當(dang)凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)進一(yi)步增加到1.2MPa時(shi)，晶(jing)粒(li)數(shu)目增加到10128.因此，提高凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)，鑄(zhu)錠(ding)等軸(zhou)晶(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)粒(li)數(shu)明顯增大。
在(zai)低(di)壓(ya)(ya)下，如(ru)壓(ya)(ya)力從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)至(zhi)1.2MPa時，液相(xiang)線溫(wen)度(du)(du)、凝(ning)固潛熱、擴散(san)激活能以(yi)及表面張力的(de)(de)變(bian)量非(fei)常(chang)小(xiao)，幾乎可(ke)以(yi)忽略，這樣可(ke)以(yi)假(jia)設Nm在(zai)0.5MPa、晶(jing)粒(li)數(shu)0.85MPa和1.2MPa下相(xiang)等，近(jin)似為(wei)常(chang)數(shu)。提高壓(ya)(ya)力能夠(gou)明顯地增(zeng)(zeng)大鑄錠的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)（圖(tu)2-111),溫(wen)度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)越大，單位(wei)時間內從(cong)糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)內導出結(jie)晶(jing)潛熱的(de)(de)量越大，進而提高了糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)內過冷(leng)(leng)度(du)(du)；反(fan)之亦(yi)然(ran)，這意味(wei)著糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)過冷(leng)(leng)度(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)隨壓(ya)(ya)力的(de)(de)變(bian)化趨勢相(xiang)同(tong)，即隨著壓(ya)(ya)力的(de)(de)提高而增(zeng)(zeng)大。結(jie)合式（2-193)和式（2-197)可(ke)知，隨著糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)內過冷(leng)(leng)度(du)(du)ΔT的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，晶(jing)粒(li)臨界形(xing)核半徑rk減小(xiao)，形(xing)核率Na增(zeng)(zeng)大，有助于提高鑄錠內晶(jing)粒(li)數(shu)。因此(ci)，增(zeng)(zeng)加壓(ya)(ya)力有利(li)于增(zeng)(zeng)加晶(jing)粒(li)數(shu)。
距離(li)(li)19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)底(di)部(bu)(bu)(bu)130mm的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)度(du)(du)(du)(du)(du)處，晶(jing)粒數(shu)(shu)隨壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)(de)變化規律(lv)如圖2-116所(suo)示。在某一(yi)凝固壓(ya)力下(xia)，鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)粒數(shu)(shu)目(mu)最大(da)(da)，隨著離(li)(li)鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)距離(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，由(you)于(yu)(yu)(yu)糊(hu)狀(zhuang)區內過(guo)冷度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減小，晶(jing)粒數(shu)(shu)也隨之減少(shao)。隨著壓(ya)力提高(gao)，晶(jing)粒數(shu)(shu)均呈增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢(shi)，且柱狀(zhuang)晶(jing)區內軸(zhou)向(xiang)切片上(shang)晶(jing)粒數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)(xian)(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)中心等軸(zhou)晶(jing)區。因(yin)為在壓(ya)力強化冷卻(que)的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下(xia)，整個鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)均有增(zeng)(zeng)大(da)(da)趨(qu)勢(shi)，導(dao)致糊(hu)狀(zhuang)區內過(guo)冷度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加。同時(shi)，由(you)于(yu)(yu)(yu)距離(li)(li)鑄(zhu)錠(ding)和鑄(zhu)型換(huan)熱界面越(yue)(yue)近，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)受界面換(huan)熱的(de)(de)(de)(de)(de)影響越(yue)(yue)大(da)(da)，鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)隨壓(ya)力變化趨(qu)勢(shi)越(yue)(yue)明(ming)顯(xian)(xian)(xian)，進(jin)而增(zeng)(zeng)加凝固壓(ya)力，鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)(xian)(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)心部(bu)(bu)(bu)，從而導(dao)致離(li)(li)鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)較近的(de)(de)(de)(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)區內晶(jing)粒數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量明(ming)顯(xian)(xian)(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)中心等軸(zhou)晶(jing)區。
二、疏松縮孔
鑄錠產生(sheng)(sheng)疏松縮(suo)(suo)孔的(de)基本原因(yin)是(shi)鑄錠從(cong)澆注溫(wen)度(du)冷卻至(zhi)固(gu)(gu)(gu)相線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)時產生(sheng)(sheng)的(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)（液(ye)(ye)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)和(he)凝固(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)之和(he)）大于固(gu)(gu)(gu)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)。當鋼液(ye)(ye)從(cong)澆注溫(wen)度(du)冷卻至(zhi)液(ye)(ye)相線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)時所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)為液(ye)(ye)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)，鋼液(ye)(ye)進(jin)一步從(cong)液(ye)(ye)相線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)冷卻至(zhi)固(gu)(gu)(gu)相線(xian)(xian)(xian)溫(wen)度(du)時（即發生(sheng)(sheng)凝固(gu)(gu)(gu)相變時）所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)為凝固(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)［87],固(gu)(gu)(gu)態(tai)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)是(shi)指固(gu)(gu)(gu)相在冷卻過(guo)程中所(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)體收(shou)(shou)(shou)縮(suo)(suo)。疏松縮(suo)(suo)孔的(de)出現嚴重(zhong)降低(di)了鑄錠的(de)力學(xue)和(he)耐腐蝕性能以及成材率，是(shi)鑄錠的(de)嚴重(zhong)缺陷之一。
在凝固(gu)過程中鑄錠(ding)內出現體積(ji)小而(er)彌散(san)的(de)空洞為(wei)疏松，體積(ji)大且集中的(de)為(wei)縮(suo)(suo)孔。疏松由(you)在糊(hu)狀區內液(ye)相體積(ji)分(fen)數降到一定程度時，液(ye)相流(liu)動(dong)(dong)困難(nan)，液(ye)態(tai)(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)與(yu)凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)之和(he)超(chao)過固(gu)態(tai)(tai)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)的(de)那部分(fen)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)量無法得到補縮(suo)(suo)所導致，因而(er)疏松的(de)形成(cheng)與(yu)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)液(ye)相的(de)流(liu)動(dong)(dong)有(you)密切關聯(lian)［72,87].在糊(hu)狀區內，體收(shou)(shou)縮(suo)(suo)主要由(you)凝固(gu)收(shou)(shou)縮(suo)(suo)組成(cheng)，且為(wei)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)液(ye)體流(liu)動(dong)(dong)的(de)主要驅動(dong)(dong)力，因而(er)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)(jian)液(ye)相的(de)流(liu)速u可表示為(wei)
式(shi)中(zhong)，PΔx＝Ps+Pf(其中(zhong)，Pt為(wei)鋼液靜壓力(li)，Pf=pgh;Ps為(wei)凝(ning)(ning)固壓力(li)）。結合式(shi)（2-202)可知，增(zeng)加凝(ning)(ning)固壓力(li)，Px增(zeng)大，強化(hua)了枝晶間液相(xiang)的補(bu)縮能(neng)力(li)，進而有(you)助于避免(mian)疏松的形(xing)成(cheng)(cheng)［91].此外(wai)，糊狀(zhuang)區越(yue)寬，枝晶網(wang)狀(zhuang)結構越(yue)復雜(za)，枝晶間補(bu)縮的距離越(yue)長(chang)阻力(li)越(yue)大，滲透率K越(yue)小，疏松越(yue)容易(yi)形(xing)成(cheng)(cheng)。因(yin)此，疏松易(yi)于在(zai)糊狀(zhuang)區較寬的鑄(zhu)(zhu)錠(ding)以體積凝(ning)(ning)固或同時凝(ning)(ning)固方(fang)式(shi)凝(ning)(ning)固時形(xing)成(cheng)(cheng)。相(xiang)比(bi)之下，縮孔傾向于在(zai)糊狀(zhuang)區較窄的鑄(zhu)(zhu)錠(ding)以逐層凝(ning)(ning)固方(fang)式(shi)的凝(ning)(ning)固過(guo)程中(zhong)出現。
不同凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)（0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)錠(ding)縱剖(pou)面(mian)上疏松(song)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)分布情(qing)(qing)況如圖2-117所(suo)示。隨著凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加，疏松(song)和(he)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)總面(mian)積大(da)(da)(da)幅(fu)度(du)(du)(du)減(jian)小，且(qie)疏松(song)逐漸消失。由于(yu)(yu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)具有顯著的(de)(de)(de)強化(hua)冷卻效果，增(zeng)大(da)(da)(da)凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)，強化(hua)了(le)鑄(zhu)錠(ding)和(he)鑄(zhu)型間(jian)的(de)(de)(de)界面(mian)換熱，加快了(le)鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)冷卻速率(lv)(lv)，從(cong)而增(zeng)大(da)(da)(da)了(le)鑄(zhu)錠(ding)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)Gr;在合(he)(he)金體系一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)情(qing)(qing)況下(xia)，糊狀(zhuang)區隨之(zhi)確定(ding)，那么(me)糊狀(zhuang)區的(de)(de)(de)寬度(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)Gr的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)而減(jian)小171],進而導(dao)致枝(zhi)晶網狀(zhuang)結(jie)構的(de)(de)(de)形成受(shou)到(dao)抑制。凝固(gu)方式逐漸由體積凝固(gu)向逐層凝固(gu)過渡，增(zeng)大(da)(da)(da)了(le)滲透率(lv)(lv)K,從(cong)而降低和(he)縮(suo)(suo)短枝(zhi)晶間(jian)補縮(suo)(suo)時(shi)液(ye)相(xiang)流動的(de)(de)(de)阻力(li)(li)和(he)距離。此外，基于(yu)(yu)以上理論(lun)分析并結(jie)合(he)(he)判據式（2-202)可知，增(zeng)加凝固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)等效于(yu)(yu)增(zeng)大(da)(da)(da)了(le)Px,使(shi)其遠大(da)(da)(da)于(yu)(yu)枝(zhi)晶間(jian)液(ye)相(xiang)補縮(suo)(suo)時(shi)所(suo)需壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)。因此，加壓(ya)(ya)(ya)有利于(yu)(yu)枝(zhi)晶間(jian)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)補縮(suo)(suo)行為，且(qie)有助于(yu)(yu)大(da)(da)(da)幅(fu)度(du)(du)(du)減(jian)小或消除(chu)疏松(song)缺陷。
三(san)、凝固析出相
根據相所(suo)含非(fei)金屬元素的(de)種類(lei)，可將(jiang)凝固析出(chu)(chu)相分為氮(dan)(dan)化物(wu)、碳化物(wu)等，與碳化物(wu)相比，氮(dan)(dan)化物(wu)尺寸一般較小，為了(le)更加(jia)清楚直(zhi)觀地論述(shu)增(zeng)加(jia)壓力對(dui)(dui)凝固析出(chu)(chu)相的(de)影響(xiang)，本節將(jiang)著重以高速鋼M42中碳化物(wu)為例，闡述(shu)壓力對(dui)(dui)凝固析出(chu)(chu)相的(de)類(lei)型、形貌、成分等影響(xiang)規律。
高(gao)速(su)鋼(gang)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)數(shu)量(liang)繁多、種類(lei)(lei)各(ge)異(yi)。不(bu)同(tong)(tong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)特性不(bu)同(tong)(tong)、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)不(bu)同(tong)(tong)、形(xing)貌(mao)(mao)也(ye)各(ge)有差異(yi)；按照碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)貌(mao)(mao)特征及生成(cheng)機制(zhi)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)，可將(jiang)(jiang)高(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)(fen)為一(yi)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)和(he)二(er)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)兩大(da)部分(fen)(fen)(fen)(fen)。一(yi)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)又(you)稱為“初(chu)生碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)”，即在凝固過程中(zhong)(zhong)直接從液相中(zhong)(zhong)析出(chu)的(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)種先共晶和(he)共晶碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，有M6C、M2C、MC等不(bu)同(tong)(tong)類(lei)(lei)型。一(yi)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)尺(chi)寸比較(jiao)(jiao)大(da)，屬于微(wei)米級別，在后續熱加工(gong)和(he)熱處理工(gong)藝中(zhong)(zhong)將(jiang)(jiang)被(bei)破(po)碎(sui)或分(fen)(fen)(fen)(fen)解成(cheng)尺(chi)寸較(jiao)(jiao)小的(de)(de)(de)顆粒狀存在于鋼(gang)中(zhong)(zhong)。二(er)次(ci)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)是指在凝固過程中(zhong)(zhong)或熱處理時從固相基(ji)體(ti)(ti)（高(gao)溫(wen)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)、奧氏體(ti)(ti)、馬氏體(ti)(ti)等）中(zhong)(zhong)析出(chu)的(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，分(fen)(fen)(fen)(fen)為M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)同(tong)(tong)類(lei)(lei)型。高(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)波動范圍(wei)較(jiao)(jiao)大(da)，不(bu)同(tong)(tong)鋼(gang)種、不(bu)同(tong)(tong)條件(jian)產生的(de)(de)(de)同(tong)(tong)一(yi)類(lei)(lei)型的(de)(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)也(ye)會(hui)有不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)，甚至同(tong)(tong)一(yi)粒碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)部位(wei)，也(ye)會(hui)有成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)差異(yi)。各(ge)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)貌(mao)(mao)、成(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)及分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)見表2-14.
M2C具有密排六方晶體結(jie)構［172-175,179],其主要形成元素通常(chang)是鉬、釩和鎢，鉻及鐵的(de)含量則(ze)較(jiao)(jiao)少。M2C 共晶碳化物一般以亞穩態(tai)存在于鋼中(zhong)。尺(chi)寸較(jiao)(jiao)小、片層較(jiao)(jiao)薄且(qie)沒有中(zhong)間脊骨(gu)，在高溫時(shi)(shi)易發生分解反應(ying)：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分解成尺(chi)寸較(jiao)(jiao)小的(de)顆粒狀M6C和MC。此外，與M6C相反，鋼液凝固時(shi)(shi)的(de)冷(leng)卻速(su)率越(yue)快，越(yue)有利于M2C的(de)形成。因此，提高鑄錠凝固時(shi)(shi)的(de)冷(leng)卻速(su)率有利于促進M2C的(de)形成并(bing)細(xi)化M2C,同時(shi)(shi)可抑制較(jiao)(jiao)大尺(chi)寸M6Cl。
M6C具有復雜立方(fang)晶體結構，其結構中除碳原子以外，鐵、鎢原子約(yue)各(ge)占一半(ban)。M6C屬于穩(wen)定型碳化(hua)(hua)物，其形態(tai)為(wei)粗大(da)的骨骼狀(zhuang)。鋼液凝固(gu)時(shi)冷卻速率越慢(man)，M6C碳化(hua)(hua)物越易于形成和長大(da)。因此，M6C在高速鋼的心(xin)部(bu)往(wang)往(wang)含量較高，而邊部(bu)較少(shao)或(huo)沒有。加快(kuai)鑄錠凝固(gu)時(shi)的冷卻速率有利于細化(hua)(hua)M6C,提高鑄錠性能。
MC具(ju)(ju)有(you)(you)面心(xin)立(li)方(fang)結(jie)構(gou)，化(hua)(hua)學式為MC或者M4C3,其成(cheng)分以(yi)釩為主。鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)、釩含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)增大(da)可(ke)使MC增多，尺寸(cun)變大(da)。高(gao)(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)還有(you)(you)M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)。M23C6晶體(ti)結(jie)構(gou)為復(fu)雜面心(xin)立(li)方(fang)結(jie)構(gou)，具(ju)(ju)有(you)(you)一(yi)定量(liang)的(de)(de)(de)(de)鎢、鉬，釩含(han)量(liang)極(ji)少(shao)，含(han)有(you)(you)大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)、鐵元素(su)；與M2C相(xiang)同，M3C也(ye)是亞穩態(tai)相(xiang)。M7C3為復(fu)雜六方(fang)晶體(ti)結(jie)構(gou)，含(han)有(you)(you)較多的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)、鐵，主要存在于碳(tan)(tan)含(han)量(liang)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)鋼中(zhong)(zhong)。高(gao)(gao)速(su)鋼中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)具(ju)(ju)有(you)(you)兩個重要的(de)(de)(de)(de)特(te)性：硬度(du)和熱(re)穩定性（加(jia)熱(re)時溶解、聚集長(chang)大(da)的(de)(de)(de)(de)難度(du)）。這些特(te)性反映(ying)了碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)和金屬原(yuan)(yuan)子結(jie)合鍵(jian)的(de)(de)(de)(de)強弱，與原(yuan)(yuan)子結(jie)構(gou)和尺寸(cun)有(you)(you)關。碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)晶格結(jie)構(gou)與碳(tan)(tan)原(yuan)(yuan)子半徑(jing)rc、金屬原(yuan)(yuan)子半徑(jing)rx有(you)(you)關，如表2-15所示，rd/rx值越(yue)(yue)大(da)，則越(yue)(yue)易形成(cheng)結(jie)構(gou)復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)(yue)小則易形成(cheng)結(jie)構(gou)簡單密堆型碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)（MC等(deng)）。表中(zhong)(zhong)熔點可(ke)作(zuo)為碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)熱(re)穩定性的(de)(de)(de)(de)衡量(liang)指標，可(ke)見(jian)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)中(zhong)(zhong)原(yuan)(yuan)子尺寸(cun)越(yue)(yue)接近，則碳(tan)(tan)化(hua)(hua)物(wu)穩定性越(yue)(yue)高(gao)(gao)。
1. 壓力對萊(lai)氏體的影響
凝固末期，由于(yu)(yu)偏(pian)析導致合金元素(su)在枝晶(jing)間(jian)(jian)殘(can)余液(ye)(ye)相內(nei)富集發生(sheng)共(gong)晶(jing)反應，從液(ye)(ye)相中直(zhi)接生(sheng)成碳(tan)化物，它與(yu)奧氏(shi)體相間(jian)(jian)排列，構(gou)成萊氏(shi)體組織(zhi)。因此高(gao)速(su)鋼(gang)的萊氏(shi)體組織(zhi)往往存(cun)在于(yu)(yu)枝晶(jing)間(jian)(jian)。圖(tu)2-118為M2高(gao)速(su)鋼(gang)的低(di)倍鑄態組織(zhi)，可(ke)見一般情況下，相鄰晶(jing)粒之間(jian)(jian)的萊氏(shi)體組織(zhi)較為細小，數量(liang)較少，而(er)多(duo)個(ge)晶(jing)粒之間(jian)(jian)的萊氏(shi)體組織(zhi)尺(chi)寸較大，數量(liang)較多(duo)。
高(gao)速鋼(gang)的萊氏(shi)體(ti)組織中(zhong)含有(you)(you)多種(zhong)類(lei)型的碳化物，如(ru)(ru)M2C、M6C、MC等(deng)。M6C整體(ti)形貌(mao)(mao)類(lei)似魚(yu)骨，故(gu)又稱(cheng)為“魚(yu)骨狀(zhuang)碳化物”，如(ru)(ru)圖2-119所(suo)示(shi)(shi)；M2C成片層狀(zhuang)，含有(you)(you)M2C的共晶萊氏(shi)體(ti)具有(you)(you)“羽毛(mao)狀(zhuang)”、“扇狀(zhuang)”、“菊花狀(zhuang)”等(deng)形貌(mao)(mao)，如(ru)(ru)圖2-120所(suo)示(shi)(shi)；MC的生長(chang)時間較(jiao)(jiao)長(chang)，最終(zhong)尺(chi)寸較(jiao)(jiao)為粗大，往往以不規則的條狀(zhuang)出現，如(ru)(ru)圖2-120所(suo)示(shi)(shi)。
a. 碳(tan)化物種類及分布
高(gao)(gao)(gao)速(su)鋼(gang)中(zhong)(zhong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)種類與(yu)成分(fen)(fen)和(he)(he)凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)率(lv)密不(bu)可(ke)分(fen)(fen)。M42 高(gao)(gao)(gao)速(su)工(gong)具鋼(gang)作為(wei)高(gao)(gao)(gao)鉬低(di)鎢鋼(gang)，其(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)主要(yao)為(wei)M2C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)；另外含(han)有(you)少部分(fen)(fen)M6C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)，主要(yao)存在(zai)于(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)心部區(qu)域。圖2-121~圖2-123給出(chu)了M42高(gao)(gao)(gao)速(su)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下1/4圓(yuan)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板金相組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。白(bai)色斑(ban)點狀處的(de)(de)萊氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)為(wei)具有(you)中(zhong)(zhong)心脊骨(gu)，脊骨(gu)兩邊具有(you)平(ping)行分(fen)(fen)枝的(de)(de)魚骨(gu)狀M6C.M6C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)尺寸比(bi)M2C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)粗大(da)得(de)多(duo)且(qie)結(jie)構上相互連接緊密，極不(bu)利于(yu)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)后續(xu)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)破碎，因(yin)此盡可(ke)能(neng)減少或避免(mian)凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)M6C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)產生，有(you)助于(yu)提升其(qi)(qi)(qi)力(li)(li)學性能(neng)等。隨著(zhu)壓力(li)(li)的(de)(de)增大(da)，萊氏(shi)體(ti)（白(bai)色斑(ban)點）所占1/4圓(yuan)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)板的(de)(de)面積比(bi)例(li)逐(zhu)漸減小，加(jia)壓有(you)助于(yu)抑制M6C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)形成與(yu)長大(da)，其(qi)(qi)(qi)主要(yao)原(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)在(zai)較(jiao)低(di)壓力(li)(li)下，加(jia)壓對(dui)凝(ning)(ning)固(gu)熱力(li)(li)學和(he)(he)動(dong)力(li)(li)學參(can)數(shu)的(de)(de)影(ying)(ying)響十(shi)(shi)分(fen)(fen)有(you)限，但強化(hua)冷(leng)卻(que)效果十(shi)(shi)分(fen)(fen)明同時(shi)凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)冷(leng)卻(que)速(su)率(lv)越小，越有(you)利于(yu)魚骨(gu)狀M6C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)形成，且(qie)M6C越粗大(da)。因(yin)而增加(jia)壓力(li)(li)主要(yao)通過(guo)(guo)增大(da)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)和(he)(he)鑄(zhu)(zhu)(zhu)型間界(jie)面換熱系數(shu)，提高(gao)(gao)(gao)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)的(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)率(lv)從而細化(hua)并(bing)抑制M6C共晶(jing)(jing)(jing)(jing)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)形成，且(qie)當壓力(li)(li)增加(jia)到一定程度時(shi)，能(neng)夠完全抑制富含(han)M6C的(de)(de)萊氏(shi)體(ti)形成，消除其(qi)(qi)(qi)對(dui)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)性能(neng)的(de)(de)不(bu)良影(ying)(ying)響。
圖2-121(b)所(suo)示萊(lai)氏體(ti)組織中碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)為長條(tiao)(tiao)狀(zhuang)(zhuang)或者短棒狀(zhuang)(zhuang)的(de)M2C.凝固壓力不同，M2C的(de)尺寸(cun)、形貌以及分(fen)布的(de)緊(jin)密程(cheng)度等(deng)均(jun)有所(suo)不同。在0.1MPa壓力下(xia)，碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)分(fen)枝(zhi)(zhi)(zhi)較(jiao)少、片(pian)(pian)層較(jiao)長、尺寸(cun)較(jiao)大(da)、間距較(jiao)寬、共晶(jing)(jing)(jing)萊(lai)氏體(ti)與枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂(bei)(bei)的(de)界面(mian)(mian)較(jiao)平整；隨著壓力的(de)增加，條(tiao)(tiao)狀(zhuang)(zhuang)或片(pian)(pian)層狀(zhuang)(zhuang)碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)間距逐漸減小，且開始斷開成大(da)量的(de)短棒碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)，碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)分(fen)枝(zhi)(zhi)(zhi)也(ye)逐漸增多，并(bing)密集分(fen)布在枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間，共晶(jing)(jing)(jing)萊(lai)氏體(ti)與枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)臂(bei)(bei)的(de)界面(mian)(mian)也(ye)較(jiao)為粗(cu)糙(cao)。此外，三個壓力下(xia)的(de)M2C幾乎沒有晶(jing)(jing)(jing)體(ti)缺陷，明(ming)壓力很(hen)難對碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)晶(jing)(jing)(jing)格類型產生影響。
b. 萊氏體尺寸(cun)
萊(lai)氏體(ti)組織存在于(yu)枝(zhi)晶(jing)間(jian)，與枝(zhi)晶(jing)間(jian)距、形(xing)貌及分布密(mi)切相關(guan)，枝(zhi)晶(jing)間(jian)距越小，枝(zhi)晶(jing)間(jian)萊(lai)氏體(ti)尺寸也相應地細小且(qie)均勻分布。圖(tu)2-124和(he)圖(tu)2-125給出了(le)不(bu)同(tong)壓力(li)(li)條件(jian)下M42鑄錠邊(bian)(bian)部(bu)和(he)心部(bu)萊(lai)氏體(ti)形(xing)貌和(he)尺寸分布，無論是(shi)鑄錠的邊(bian)(bian)部(bu)還是(shi)心部(bu)，尺寸不(bu)一的萊(lai)氏體(ti)組織（黑色(se)）均分布在枝(zhi)晶(jing)間(jian)。在同(tong)一凝(ning)固壓力(li)(li)條件(jian)下，鑄錠邊(bian)(bian)部(bu)的枝(zhi)晶(jing)間(jian)距明(ming)顯小于(yu)心部(bu)，因而心部(bu)萊(lai)氏體(ti)要比邊(bian)(bian)部(bu)粗大(da)。
隨著(zhu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，在壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻的作用(yong)下，冷(leng)卻速率增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，鑄錠(ding)局(ju)部凝固時(shi)間縮短，使得枝(zhi)(zhi)晶組(zu)織得到了(le)明(ming)顯細(xi)(xi)化(hua)且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)(bu)更(geng)均勻(yun)，進(jin)而導致(zhi)分(fen)(fen)布(bu)(bu)在枝(zhi)(zhi)晶間的萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織也隨之(zhi)細(xi)(xi)化(hua)，厚度(du)大(da)(da)大(da)(da)減小且(qie)(qie)分(fen)(fen)布(bu)(bu)更(geng)加(jia)(jia)(jia)均勻(yun)。在0.1MPa 壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下，無(wu)論在邊部還是(shi)心(xin)部位置(zhi)，鑄錠(ding)的萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織均較為粗大(da)(da)，且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)(bu)極不均勻(yun)，部分(fen)(fen)局(ju)部區域存在著(zhu)大(da)(da)量的黑色萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)，尤(you)其在多個枝(zhi)(zhi)晶臂交匯處，且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)異(yi)常粗大(da)(da)。當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至1MPa時(shi)，粗大(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)得到明(ming)顯細(xi)(xi)化(hua)，且(qie)(qie)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)分(fen)(fen)布(bu)(bu)更(geng)加(jia)(jia)(jia)均勻(yun)；當(dang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)進(jin)一(yi)步增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織得到進(jin)一(yi)步地改(gai)善(shan)，組(zu)織更(geng)加(jia)(jia)(jia)細(xi)(xi)密，尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)更(geng)加(jia)(jia)(jia)均勻(yun)，粗大(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織基本消失。萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)平均尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)隨壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的變化(hua)規律如圖(tu)2-126所示(shi)，壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至2MPa時(shi)，萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)厚度(du)由28.37μm降低至22.92μm.因此，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)能(neng)夠明(ming)顯細(xi)(xi)化(hua)萊(lai)(lai)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)組(zu)織，改(gai)善(shan)其分(fen)(fen)布(bu)(bu)狀態。
2. 壓力對碳化物的影響
a. 碳(tan)化物尺(chi)寸
以高速鋼中M2C共(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)物為(wei)例，M2C共(gong)(gong)晶碳(tan)化(hua)物是(shi)通過(guo)(guo)凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)(gong)晶反應(ying)L→y+M2C產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。和(he)純金屬及固(gu)溶體(ti)合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結晶過(guo)(guo)程(cheng)一樣，共(gong)(gong)晶轉變(bian)同樣需(xu)要(yao)經過(guo)(guo)形核與長(chang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)。結合(he)(he)式（2-178)和(he)式（2-179),東北大(da)學特殊(shu)鋼冶(ye)金研究所(suo)(suo)在控制(zhi)溫(wen)(wen)度不(bu)變(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上，計算了不(bu)同壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下各元(yuan)素在兩相(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)，探討凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)與擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)。凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中溫(wen)(wen)度T=1478K時，合(he)(he)金元(yuan)素（鉬(mu)、鎢(wu)(wu)、釩和(he)鉻(ge)）在M2C相(xiang)(xiang)和(he)奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)D隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規律如圖(tu)2-127和(he)圖(tu)2-128所(suo)(suo)示；從(cong)整體(ti)上看，隨(sui)(sui)著(zhu)(zhu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)逐(zhu)漸(jian)增大(da)，同溫(wen)(wen)度M2C相(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)素鉬(mu)和(he)鎢(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)D呈減小趨勢(shi)(shi)，而合(he)(he)金元(yuan)素釩和(he)鉻(ge)則呈增大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)(shi)，表明(ming)提高壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)可增大(da)M2C中鉬(mu)、鎢(wu)(wu)元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)(neng)ΔGm,進而降(jiang)低(di)其(qi)(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)(neng)力(li)(li)(li)(li)；同時降(jiang)低(di)釩、鉻(ge)元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激活(huo)能(neng)(neng)ΔGm,從(cong)而提高其(qi)(qi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)(neng)力(li)(li)(li)(li)。然(ran)而，當壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)在0.1~2MPa范(fan)圍內變(bian)化(hua)時，各元(yuan)素擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)微(wei)乎(hu)其(qi)(qi)微(wei)，即保持(chi)恒定(ding)值(zhi)。隨(sui)(sui)著(zhu)(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)逐(zhu)漸(jian)增大(da)到50MPa,元(yuan)素鉬(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)才(cai)開始(shi)產(chan)生較(jiao)為(wei)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，鎢(wu)(wu)、釩和(he)鉻(ge)元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)甚至在100MPa壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下仍未(wei)產(chan)生變(bian)化(hua)。因此(ci)低(di)壓(ya)(ya)(ya)下，元(yuan)素擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數(shu)(shu)隨(sui)(sui)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)可忽略不(bu)計。
的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而降(jiang)低(di)，鉻(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數則(ze)隨(sui)(sui)著凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而增(zeng)加，如(ru)圖2-128所示。即增(zeng)大凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)具有提高奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)γ相(xiang)中(zhong)(zhong)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素鉬(mu)(mu)、鎢和(he)釩的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm,降(jiang)低(di)其擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)以及減小(xiao)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm和(he)增(zeng)大其擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)能(neng)力(li)的(de)(de)(de)(de)作用。與M2C差別(bie)在于，在奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)相(xiang)γ中(zhong)(zhong)，較小(xiao)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)便可(ke)發(fa)揮比(bi)較明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)作用，例如(ru)：當凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)大于2MPa時，元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而明顯(xian)增(zeng)大；鉬(mu)(mu)和(he)釩元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素則(ze)在10MPa時開始隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)增(zeng)加而明顯(xian)減小(xiao)。可(ke)見(jian)，在相(xiang)同溫(wen)度(du)下，相(xiang)比(bi)于M2C相(xiang)，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素釩、鎢、鉬(mu)(mu)和(he)鉻(ge)在奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)γ相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)情況受凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響更(geng)為明顯(xian)。但在0.1~2MPa的(de)(de)(de)(de)壓(ya)力(li)范圍內(nei)，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素在奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)相(xiang)γ中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)系(xi)數幾乎(hu)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，各(ge)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)激(ji)活(huo)能(neng)ΔGm也未發(fa)生明顯(xian)變(bian)化。
綜上所述，在(zai)低(di)壓(ya)下，影(ying)響M2C形(xing)核(he)率(lv)的(de)主要因素(su)是(shi)隨凝固(gu)壓(ya)力(li)增大而顯著減(jian)小(xiao)的(de)形(xing)核(he)功。增加凝固(gu)壓(ya)力(li)可顯著改善換熱(re)條件強(qiang)化鑄(zhu)錠冷(leng)卻、提高(gao)鑄(zhu)錠過冷(leng)度ΔT,進(jin)而降低(di)共晶反應(ying)過程中奧氏體相γ和(he)M2C相的(de)形(xing)核(he)功ΔG*,最終增大M2C的(de)形(xing)核(he)率(lv)、減(jian)小(xiao)M2C相鄰碳化物的(de)間距。
此外，增加(jia)(jia)壓力使M2C形核率大(da)大(da)增加(jia)(jia)，同時強(qiang)化(hua)了(le)鑄錠(ding)冷卻(que)，顯著降低了(le)局部(bu)凝(ning)固(gu)(gu)時間(jian)LST,導致(zhi)加(jia)(jia)壓下鑄錠(ding)同位置的(de)凝(ning)固(gu)(gu)相對(dui)較快，M2C共晶碳(tan)化(hua)物生長時間(jian)變(bian)短(duan)，導致(zhi)M42凝(ning)固(gu)(gu)組織中M2C碳(tan)化(hua)物的(de)尺寸減小。這對(dui)于后續的(de)熱(re)處理碳(tan)化(hua)物的(de)溶解具有(you)積極的(de)意義(yi)。
圖2-129為不同凝固壓(ya)力(li)下M2C共晶碳(tan)化物在(zai)熱處(chu)(chu)理(li)(li)(li)過程(cheng)中的元素擴(kuo)散(san)示意(yi)圖。隨著(zhu)凝固壓(ya)力(li)的增大(da)(da)，碳(tan)化物由長(chang)條狀(zhuang)(zhuang)轉變為短棒狀(zhuang)(zhuang)，在(zai)縱向和橫向上的尺寸均顯(xian)著(zhu)減(jian)小。因(yin)此，在(zai)熱處(chu)(chu)理(li)(li)(li)過程(cheng)中，碳(tan)化物中的元素由內向外擴(kuo)散(san)的平均距(ju)離也相應隨著(zhu)凝固壓(ya)力(li)的增大(da)(da)而(er)顯(xian)著(zhu)減(jian)小，熱處(chu)(chu)理(li)(li)(li)效(xiao)果(guo)更加(jia)明顯(xian)，熱處(chu)(chu)理(li)(li)(li)后(hou)M42組織的成分更加(jia)均勻(yun)，進(jin)而(er)有利于提(ti)高(gao)M42高(gao)速鋼的質量。
b. 碳(tan)化物成分(fen)
M2C的(de)(de)(de)(de)形(xing)成元素(su)主要包(bao)括鉬(mu)、鎢、釩(fan)和鉻(ge)，其(qi)中(zhong)鉬(mu)元素(su)是強M2C碳(tan)化(hua)物形(xing)成元素(su)，也(ye)是M2C中(zhong)含量(liang)(liang)(liang)最高的(de)(de)(de)(de)合金元素(su)。圖2-130給出(chu)了不(bu)同壓(ya)力下M2C中(zhong)合金元素(su)鉬(mu)、鎢、釩(fan)和鉻(ge)含量(liang)(liang)(liang)，隨著(zhu)壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)，M2C上的(de)(de)(de)(de)合金元素(su)鉬(mu)、鎢、釩(fan)和鉻(ge)含量(liang)(liang)(liang)均(jun)逐漸(jian)減小，而(er)鐵元素(su)則逐漸(jian)增大(da)(da)；同時，M2C碳(tan)化(hua)物之間基體中(zhong)合金元素(su)含量(liang)(liang)(liang)則呈現相反的(de)(de)(de)(de)規(gui)律：鉬(mu)、鎢、釩(fan)和鉻(ge)元素(su)含量(liang)(liang)(liang)逐漸(jian)增大(da)(da)，而(er)鐵元素(su)減少。這(zhe)表明，增大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)力使得合金元素(su)在(zai)M2C共晶碳(tan)化(hua)物中(zhong)的(de)(de)(de)(de)分布趨于均(jun)勻，為(wei)后續的(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)、熱(re)加工工藝中(zhong)碳(tan)化(hua)物的(de)(de)(de)(de)破碎、溶解提供良好的(de)(de)(de)(de)基礎。
在(zai)高速鋼中，M2C共晶(jing)碳化物是通(tong)過(guo)凝固過(guo)程(cheng)中的(de)共晶(jing)反應L→M2C+y產生(sheng)的(de)，在(zai)這個過(guo)程(cheng)中存在(zai)M2C碳化物相(xiang)和奧氏體γ相(xiang)之間的(de)溶(rong)質再分配(pei)(pei)［172].在(zai)一(yi)定溫度下，平(ping)衡分配(pei)(pei)系數(shu)可(ke)表示(shi)為(wei)固相(xiang)和液相(xiang)中的(de)元素濃度之比：
式中(zhong)，Cs和CL分(fen)別(bie)表示在凝(ning)固過(guo)程(cheng)中(zhong)，元素在固相和液(ye)相中(zhong)的(de)平衡(heng)濃度(du)。共晶反(fan)應L→M2C+y是在凝(ning)固末期發生(sheng)的(de)，圖2-131給出(chu)了不同壓力(li)下的(de)M42高速鋼凝(ning)固時(shi)共晶反(fan)應過(guo)程(cheng)中(zhong)M2C碳化物相和奧氏體γ相中(zhong)各元素的(de)單相平衡(heng)分(fen)配系數。
式中，Cs和C1分別(bie)表示在凝固(gu)(gu)過程中，元素在固(gu)(gu)相和液(ye)相中的平衡濃度(du)。共晶(jing)反應(ying)L→M2C+y是在凝固(gu)(gu)末期發生(sheng)的［172,180,181],圖2-131給出了不同(tong)壓力下的M42高速鋼(gang)凝固(gu)(gu)時共晶(jing)反應(ying)過程中M2C碳化物相和奧氏體(ti)y相中各(ge)元素的單相平衡分配(pei)系(xi)數。
隨壓(ya)力(li)(li)的(de)增(zeng)(zeng)加，共(gong)晶(jing)(jing)反應過程(cheng)中(zhong)(zhong)鉬(mu)元(yuan)素(su)在(zai)(zai)M2C和(he)(he)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)分配(pei)系數具有升高的(de)趨勢并逐漸靠近1.基于熱(re)力(li)(li)學(xue)分析(xi)，在(zai)(zai)M42鑄錠凝固時的(de)共(gong)晶(jing)(jing)反應過程(cheng)中(zhong)(zhong)，增(zeng)(zeng)大(da)(da)壓(ya)力(li)(li)可(ke)(ke)使鉬(mu)元(yuan)素(su)在(zai)(zai)M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)(he)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)含量(liang)增(zeng)(zeng)大(da)(da)。凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)(he)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)平衡(heng)分配(pei)系數增(zeng)(zeng)量(liang)變(bian)化(hua)規律如圖2-132所示(shi)，在(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa時，M2C碳化(hua)物相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)鉬(mu)元(yuan)素(su)平衡(heng)分配(pei)系數增(zeng)(zeng)量(liang)始(shi)終大(da)(da)于奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)平衡(heng)分配(pei)系數增(zeng)(zeng)量(liang)。由此可(ke)(ke)知(zhi)，共(gong)晶(jing)(jing)反應過程(cheng)中(zhong)(zhong)，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)于奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)γ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，鉬(mu)元(yuan)素(su)更偏(pian)向于在(zai)(zai)M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)富集。
在(zai)(zai)0.1~2MPa壓(ya)(ya)(ya)力范圍(wei)內(nei)，加(jia)壓(ya)(ya)(ya)對Mo元(yuan)素的(de)平(ping)衡分(fen)(fen)配系數(shu)影(ying)響(xiang)非常小(xiao)，變化(hua)量為(wei)(wei)10-6~10-5,可忽略不計，因(yin)而在(zai)(zai)低(di)壓(ya)(ya)(ya)范圍(wei)內(nei)，增加(jia)壓(ya)(ya)(ya)力不能通(tong)(tong)過改變元(yuan)素平(ping)衡分(fen)(fen)配系數(shu)而影(ying)響(xiang)相成(cheng)分(fen)(fen)。除(chu)平(ping)衡分(fen)(fen)配系數(shu)以外，鑄錠凝固過程中(zhong)(zhong)溶質(zhi)(zhi)的(de)分(fen)(fen)配情況與(yu)元(yuan)素的(de)傳質(zhi)(zhi)行(xing)(xing)為(wei)(wei)有關。在(zai)(zai)M42鑄錠凝固末期(qi)的(de)共晶(jing)反應(ying)L→M2C+y過程中(zhong)(zhong)存(cun)在(zai)(zai)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相和奧(ao)氏體(ti)γ相之間的(de)溶質(zhi)(zhi)再分(fen)(fen)配：液(ye)相中(zhong)(zhong)的(de)M2C形(xing)成(cheng)元(yuan)素（鉬、鎢、釩和鉻）通(tong)(tong)過凝固前沿固／液(ye)界面向(xiang)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相富集，同時奧(ao)氏體(ti)γ相形(xing)成(cheng)元(yuan)素（鈷、鐵）則向(xiang)奧(ao)氏體(ti)相富集，整(zheng)個反應(ying)發生在(zai)(zai)凝固末期(qi)的(de)枝晶(jing)間小(xiao)熔池內(nei)，此時液(ye)相流動很弱(ruo)，元(yuan)素對流傳質(zhi)(zhi)行(xing)(xing)為(wei)(wei)可忽略，因(yin)而溶質(zhi)(zhi)的(de)分(fen)(fen)配主要與(yu)相中(zhong)(zhong)元(yuan)素的(de)擴(kuo)散傳質(zhi)(zhi)行(xing)(xing)為(wei)(wei)有關。
根據菲克第一定律公式（2-178)可知，擴(kuo)散(san)系(xi)數D與溫度T呈(cheng)反比關系(xi)。圖2-133為2MPa下(xia)M2C形成元(yuan)素的(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)數隨溫度的(de)(de)變化關系(xi)。在(zai)凝固壓力不變時，溫度的(de)(de)降低會(hui)顯(xian)著減(jian)小擴(kuo)散(san)系(xi)數，在(zai)低壓范圍內，相對于凝固壓力變化，溫度變化對擴(kuo)散(san)系(xi)數D具(ju)有更明顯(xian)的(de)(de)影響。
增大壓力(li)具有顯著(zhu)強化(hua)冷卻和減少鑄(zhu)錠(ding)局部凝(ning)(ning)固(gu)(gu)時(shi)間的作用。由此可知，對(dui)于0.1MPa、1MPa和2MPa壓力(li)下的鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過程，在相同的凝(ning)(ning)固(gu)(gu)時(shi)間內(nei)，在較高(gao)(gao)壓力(li)下凝(ning)(ning)固(gu)(gu)的鑄(zhu)錠(ding)冷卻更(geng)快，溫度更(geng)低，其(qi)元(yuan)素擴散系數則(ze)相對(dui)較低，導致(zhi)元(yuan)素擴散速率減小，使得M2C共晶(jing)碳化(hua)物(wu)中(zhong)釩(fan)、鎢、鉻(ge)和鉬元(yuan)素含量(liang)降低，碳化(hua)物(wu)間基體(ti)的合金元(yuan)素含量(liang)升高(gao)(gao)，降低了M2C碳化(hua)物(wu)和奧氏(shi)體(ti)γ相之間的成(cheng)分(fen)差異性，提高(gao)(gao)了M42凝(ning)(ning)固(gu)(gu)組織成(cheng)分(fen)的均勻(yun)性。
c. 碳化(hua)物形(xing)貌
M2C碳(tan)(tan)化物明(ming)(ming)顯具有各(ge)向異性的(de)生長方(fang)式，形貌(mao)具有小平(ping)面(mian)向的(de)特性。共(gong)晶(jing)組織的(de)形貌(mao)與(yu)共(gong)晶(jing)過程中液(ye)／固界面(mian)結(jie)構(gou)有密(mi)切聯系，金(jin)屬相(xiang)－金(jin)屬碳(tan)(tan)化物相(xiang)共(gong)晶(jing)屬于(yu)小平(ping)面(mian)相(xiang)－非小平(ping)面(mian)相(xiang)共(gong)晶(jing)［146].M2C是(shi)通(tong)過凝固末(mo)期枝(zhi)晶(jing)間(jian)熔池里的(de)共(gong)晶(jing)反(fan)M2C共(gong)晶(jing)碳(tan)(tan)化物形成于(yu)凝固末(mo)期枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余(yu)(yu)液(ye)相(xiang)中，根據凝固原(yuan)理。枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余(yu)(yu)液(ye)相(xiang)中元素含量明(ming)(ming)顯高于(yu)鑄錠標準含量。不同壓力下(xia)枝(zhi)晶(jing)間(jian)液(ye)相(xiang)中各(ge)相(xiang)出現的(de)先(xian)后順序，如圖2-135所示，在不同壓力下(xia)，M2C均領先(xian)奧氏體相(xiang)γ出現。這表明(ming)(ming)，在共(gong)晶(jing)反(fan)應(ying)L→y+M2C過程中，M2C是(shi)領先(xian)相(xiang)。
在共晶凝(ning)(ning)固過程中(zhong)(zhong)，領(ling)先相(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)快速(su)(su)(su)生(sheng)(sheng)長(chang)方(fang)向率先進入共生(sheng)(sheng)界(jie)面(mian)(mian)前方(fang)的(de)(de)液體(ti)(ti)(ti)中(zhong)(zhong)，同時(shi)在其(qi)附近液層中(zhong)(zhong)排出(chu)(chu)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)形成(cheng)元(yuan)素(su)(su)；隨(sui)(sui)后奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ則依靠此液層獲得(de)生(sheng)(sheng)長(chang)組元(yuan)，跟(gen)隨(sui)(sui)著M2C一起長(chang)大(da)，同時(shi)也向液層中(zhong)(zhong)排出(chu)(chu)M2C形成(cheng)元(yuan)素(su)(su)，如圖2-136所(suo)示。隨(sui)(sui)著凝(ning)(ning)固壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)大(da)，凝(ning)(ning)固速(su)(su)(su)率增(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ的(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)(su)率均加(jia)快。一方(fang)面(mian)(mian)，M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)鄰間(jian)距隨(sui)(sui)壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)大(da)逐(zhu)(zhu)漸(jian)減小，即奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)液／固界(jie)面(mian)(mian)變窄；另一方(fang)面(mian)(mian)，加(jia)壓(ya)使得(de)枝晶間(jian)殘余液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)合金(jin)元(yuan)素(su)(su)沒有(you)足夠時(shi)間(jian)進行充分擴散；導致奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)液／固界(jie)面(mian)(mian)前沿合金(jin)元(yuan)素(su)(su)濃(nong)度急劇增(zeng)大(da)，成(cheng)分過冷加(jia)劇，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)長(chang)大(da)速(su)(su)(su)率進一步增(zeng)大(da)，使得(de)M2C相(xiang)(xiang)與(yu)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)(su)率差(cha)逐(zhu)(zhu)漸(jian)縮(suo)小。此外(wai)，奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)作為(wei)非(fei)小平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)，其(qi)生(sheng)(sheng)長(chang)所(suo)需過冷度遠小于小平面(mian)(mian)相(xiang)(xiang)的(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物，使得(de)在凝(ning)(ning)固速(su)(su)(su)率增(zeng)大(da)的(de)(de)過程中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)(su)率增(zeng)量大(da)于M2C碳(tan)化(hua)物相(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)速(su)(su)(su)率增(zeng)量。因(yin)此，隨(sui)(sui)著壓(ya)力的(de)(de)增(zeng)大(da)，枝晶間(jian)共晶組織中(zhong)(zhong)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ的(de)(de)含(han)量相(xiang)(xiang)對增(zeng)多(duo)，使得(de)M2C碳(tan)化(hua)物的(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)空間(jian)受(shou)到“排擠”，含(han)量相(xiang)(xiang)對減少(shao)，最終M2C碳(tan)化(hua)物逐(zhu)(zhu)漸(jian)呈(cheng)現(xian)出(chu)(chu)被奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ“截斷”進而變短(duan)的(de)(de)形貌(mao)，如圖2-134所(suo)示。
四、夾雜物分布
夾雜物是影響鋼錠質(zhi)量(liang)的一個(ge)重要(yao)因素(su)。鋼中夾雜物主要(yao)包括冶煉過程中進行脫氧處理形成(cheng)的脫氧產物、凝固(gu)過程元素(su)溶解度(du)下降形成(cheng)的氧化(hua)物、氮化(hua)物、硫化(hua)物等(deng)化(hua)合物以及爐(lu)渣和由于沖(chong)刷而進入鋼液的耐火(huo)材(cai)料。
根據夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)來源，可以將(jiang)鋼(gang)(gang)中的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)為兩類:①外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大部(bu)分(fen)(fen)為復合氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)，主要是(shi)由(you)(you)于(yu)(yu)鋼(gang)(gang)液接觸空氣生(sheng)(sheng)(sheng)成氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以及進(jin)入鋼(gang)(gang)液的(de)爐(lu)渣、耐火材料組(zu)成。外(wai)生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)形(xing)不規則、尺寸大、構(gou)成復雜(za)(za)(za)(za)，常常位于(yu)(yu)鋼(gang)(gang)的(de)表層，具有嚴重的(de)危害性。②內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是(shi)由(you)(you)于(yu)(yu)脫氧(yang)(yang)、鋼(gang)(gang)水鈣處理等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化反(fan)應而(er)形(xing)成的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)鋼(gang)(gang)液中數量較多，分(fen)(fen)布均勻(yun)，顆粒細小。由(you)(you)于(yu)(yu)形(xing)成時(shi)間(jian)不同，內生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可分(fen)(fen)為：鋼(gang)(gang)液脫氧(yang)(yang)時(shi)期生(sheng)(sheng)(sheng)成的(de)氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為原生(sheng)(sheng)(sheng)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或一次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度(du)降(jiang)低造成化學(xue)反(fan)應平衡的(de)移動進(jin)而(er)析出(chu)二次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)(you)于(yu)(yu)溶質元(yuan)素偏析和溶解度(du)變化而(er)析出(chu)的(de)三次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚至四次(ci)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。
夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)作為凝固組織(zhi)的(de)(de)(de)(de)重要(yao)組成部(bu)分(fen)，其特(te)性至關重要(yao)，對(dui)于(yu)進一步揭示加(jia)(jia)(jia)壓(ya)冶金(jin)的(de)(de)(de)(de)優勢十分(fen)關鍵(jian)。非金(jin)屬(shu)(shu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)特(te)性（數量、尺(chi)寸和(he)分(fen)布(bu)(bu)等(deng)）對(dui)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)性能（力(li)學(xue)性能和(he)腐(fu)蝕等(deng)）有重要(yao)影響。同(tong)時(shi)，改(gai)善(shan)鋼(gang)中夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)情(qing)況并盡可(ke)能徹底地去除(chu)非金(jin)屬(shu)(shu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)可(ke)以有效地減少(shao)缺陷和(he)提高(gao)性能。為了(le)改(gai)善(shan)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)，施加(jia)(jia)(jia)在夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)上的(de)(de)(de)(de)力(li)包(bao)括(kuo)重力(li)、浮力(li)、曳力(li)，附加(jia)(jia)(jia)質量力(li)、升力(li)和(he)反彈力(li)等(deng)起著(zhu)關鍵(jian)作用。這(zhe)些力(li)主要(yao)是(shi)通過(guo)溫(wen)度、流(liu)場(chang)(chang)、重力(li)場(chang)(chang)和(he)電磁(ci)場(chang)(chang)等(deng)物(wu)(wu)理(li)場(chang)(chang)來確定。因(yin)此，可(ke)以通過(guo)采取一系列措施優化(hua)物(wu)(wu)理(li)場(chang)(chang)來改(gai)善(shan)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)分(fen)布(bu)(bu)。例如，鋼(gang)包(bao)中使用的(de)(de)(de)(de)氣體攪拌、連(lian)鑄過(guo)程中添(tian)加(jia)(jia)(jia)磁(ci)場(chang)(chang)。對(dui)于(yu)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)冶金(jin)，壓(ya)力(li)是(shi)關鍵(jian)因(yin)素。目前，已經證實加(jia)(jia)(jia)壓(ya)會在各個方面(mian)影響凝固過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)理(li)場(chang)(chang)，包(bao)括(kuo)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)通過(guo)加(jia)(jia)(jia)快鑄錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷卻速率和(he)加(jia)(jia)(jia)強鑄錠(ding)與鑄模之間(jian)的(de)(de)(de)(de)熱交換來改(gai)變溫(wen)度場(chang)(chang)，通過(guo)改(gai)變糊狀(zhuang)區域的(de)(de)(de)(de)大(da)小和(he)枝晶(jing)結構影響流(liu)場(chang)(chang)等(deng)。
因此，可以認為在凝固(gu)過程中壓(ya)力(li)具有(you)改變(bian)夾雜(za)(za)(za)物分(fen)布(bu)的能力(li)，并且壓(ya)力(li)對夾雜(za)(za)(za)物分(fen)布(bu)的影響(xiang)機制非常(chang)復雜(za)(za)(za)，然(ran)而，關于加壓(ya)對夾雜(za)(za)(za)物分(fen)布(bu)變(bian)化的影響(xiang)研究相對較少(shao)。這表(biao)明加壓(ya)對凝固(gu)組織的影響(xiang)機理尚(shang)未全面闡明。
1. 夾(jia)雜物(wu)分布分析模型
在實際凝固(gu)過(guo)(guo)程中，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)受力情況、運(yun)動(dong)軌跡(ji)很(hen)難通過(guo)(guo)實驗進行測量。數值(zhi)模(mo)擬(ni)提供(gong)了(le)一種可以深入了(le)解某(mou)些無(wu)法通過(guo)(guo)實驗評(ping)估(gu)的(de)(de)(de)現象(xiang)的(de)(de)(de)方法。這些現象(xiang)包括(kuo)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)運(yun)動(dong)軌跡(ji)，作用(yong)于(yu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)力和(he)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)速(su)度等(deng)。根據電渣(zha)、連鑄和(he)鋼包精(jing)煉等(deng)過(guo)(guo)程中的(de)(de)(de)相(xiang)關(guan)研究，數值(zhi)模(mo)擬(ni)是一種非常(chang)有效(xiao)的(de)(de)(de)研究夾(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)運(yun)動(dong)行為的(de)(de)(de)方法。
鋼液(ye)凝固(gu)過程涉(she)及熱量(liang)(liang)傳(chuan)遞、質量(liang)(liang)傳(chuan)輸、動量(liang)(liang)傳(chuan)輸、相(xiang)轉變和(he)晶(jing)粒形核長大等(deng)(deng)一系列復雜的物理化學現(xian)象，同時存在金屬(shu)(shu)固(gu)相(xiang)、金屬(shu)(shu)液(ye)相(xiang)、氣(qi)相(xiang)和(he)夾(jia)(jia)雜物相(xiang)等(deng)(deng)多(duo)(duo)個相(xiang)之間(jian)的相(xiang)互作用，適合應用歐(ou)(ou)(ou)拉(la)多(duo)(duo)項流(liu)模型(xing)(xing)進行計算求解。其中，根據(ju)對(dui)夾(jia)(jia)雜物運動行為處理方式，夾(jia)(jia)雜物分布(bu)分析模型(xing)(xing)可以(yi)分為歐(ou)(ou)(ou)拉(la)－拉(la)格朗日模型(xing)(xing)和(he)歐(ou)(ou)(ou)拉(la)－歐(ou)(ou)(ou)拉(la)模型(xing)(xing)。
a. 歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗(lang)日(ri)模型(xing)歐(ou)拉(la)－
拉(la)格朗日離(li)(li)散相(xiang)(xiang)模(mo)型(xing)(xing)是在歐拉(la)模(mo)型(xing)(xing)的(de)基礎上，將夾(jia)(jia)雜物(wu)相(xiang)(xiang)處(chu)理成離(li)(li)散相(xiang)(xiang)，而(er)流(liu)體(ti)相(xiang)(xiang)處(chu)理為(wei)連續相(xiang)(xiang)。根據球(qiu)型(xing)(xing)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)受力分析，基于(yu)牛頓第二定(ding)律，建立夾(jia)(jia)雜物(wu)運動模(mo)型(xing)(xing)，并與鋼液(ye)凝固模(mo)型(xing)(xing)耦合，從(cong)而(er)模(mo)擬夾(jia)(jia)雜物(wu)在凝固過程(cheng)運動行為(wei)。該(gai)模(mo)型(xing)(xing)可以跟蹤每個夾(jia)(jia)雜物(wu)顆粒并獲得其速度、運動軌跡以及夾(jia)(jia)雜物(wu)去(qu)除過程(cheng)中的(de)動力學行為(wei)。此外，該(gai)模(mo)型(xing)(xing)是基于(yu)離(li)(li)散相(xiang)(xiang)體(ti)積比例(li)相(xiang)(xiang)對較低(di)的(de)基本假(jia)設而(er)建立。
夾雜物在鋼液中的運(yun)動，主(zhu)要是各(ge)種力(li)(li)的共同作用造成的。夾雜物在鋼液中受力(li)(li)情(qing)況如圖2-137所示。可(ke)以看出，夾雜物顆粒受到主(zhu)要作用力(li)(li)分別為：由(you)(you)于(yu)顆粒自(zi)身性質引起的力(li)(li)，如重力(li)(li)、浮力(li)(li)等；由(you)(you)于(yu)顆粒與(yu)流體之間存在相(xiang)對運(yun)動而(er)產生的力(li)(li)，如升力(li)(li)（Saffman)、附加質量力(li)(li)、曳(ye)力(li)(li)和Magnus力(li)(li)等；細小夾雜物在高溫條件(jian)下(xia)受的布朗(lang)（Brown)力(li)(li)等。
（1)曳(ye)力。
在(zai)鋼液(ye)流(liu)場內黏性(xing)流(liu)體(ti)與顆(ke)粒(li)之(zhi)間存在(zai)相對(dui)運(yun)動，由黏性(xing)流(liu)體(ti)施加(jia)的曳力使得夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)趨向(xiang)于(yu)跟隨流(liu)體(ti)運(yun)動。曳力是夾雜物(wu)顆(ke)粒(li)在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)的主要受力之(zhi)一。計算公(gong)式如(ru)下(xia)：
（2)浮力(li)和重力(li)。
在豎直方向上，夾雜物顆(ke)粒(li)受到與(yu)相對運動無關(guan)的力(li)，包括重(zhong)力(li)和(he)浮力(li)，其
（3)附加質量力。
當鋼液與夾雜物顆粒(li)(li)存在相對運動(dong)(dong)時(shi)(shi)，夾雜物顆粒(li)(li)會(hui)帶動(dong)(dong)其附近的(de)部分鋼液做加速運動(dong)(dong)，此時(shi)(shi)推(tui)動(dong)(dong)夾雜物顆粒(li)(li)運動(dong)(dong)的(de)力(li)(li)(li)大(da)于其顆粒(li)(li)本(ben)身(shen)慣性(xing)力(li)(li)(li)，這部分大(da)于夾雜物顆粒(li)(li)本(ben)身(shen)慣性(xing)力(li)(li)(li)的(de)力(li)(li)(li)即(ji)為(wei)附加質量力(li)(li)(li)。其計算(suan)公式(shi)為(wei)
通過(guo)運用歐拉(la)－拉(la)格朗日(ri)模型(xing)對鋼液(ye)凝固過(guo)程進行模擬計(ji)算時(shi)，可以得出隨著溫度場和流場的(de)變化，每個球形夾雜物顆粒在鋼液(ye)中的(de)運動軌跡和分布。
b. 歐拉－歐拉模型
拉(la)格(ge)(ge)朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)(mo)型是研(yan)究夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆粒(li)在(zai)(zai)鋼液中(zhong)運(yun)動(dong)行(xing)為主(zhu)(zhu)要的(de)方(fang)法，但在(zai)(zai)實際的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)存(cun)在(zai)(zai)一些不足(zu)，例如，拉(la)格(ge)(ge)朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)(mo)型是針對單(dan)一粒(li)子(zi)進(jin)行(xing)計算，當同時(shi)(shi)追蹤多(duo)個粒(li)子(zi)時(shi)(shi)，計算量過大，難以進(jin)行(xing)。相(xiang)(xiang)(xiang)較(jiao)于(yu)拉(la)格(ge)(ge)朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)(mo)型，歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)型中(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)控(kong)制方(fang)程(cheng)(cheng)與流體連續相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)控(kong)制方(fang)程(cheng)(cheng)相(xiang)(xiang)(xiang)似，運(yun)算相(xiang)(xiang)(xiang)對高效，能夠同時(shi)(shi)描述多(duo)種夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)顆粒(li)在(zai)(zai)凝固過程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)分(fen)布特征。歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)型與歐(ou)拉(la)－拉(la)格(ge)(ge)朗(lang)日模(mo)(mo)(mo)(mo)型相(xiang)(xiang)(xiang)比，主(zhu)(zhu)要差別是夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)動(dong)量方(fang)程(cheng)(cheng)存(cun)在(zai)(zai)差別，歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)型的(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)動(dong)量方(fang)程(cheng)(cheng)表達(da)式為
2. 模鑄(zhu)過程中夾雜物的受力分析
模鑄(zhu)過程中，夾雜物所受作用力(li)包(bao)括熱浮力(li)、重力(li)、附加質量力(li)、升力(li)以及(ji)相間作用力(li)等(deng)，具體受力(li)情況如圖2-138所示。
流場(chang)(chang)對夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)分(fen)布有關鍵影響，這直(zhi)接歸因(yin)于(yu)作(zuo)用(yong)于(yu)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)阻力(li)(li)(li)(li)。以0.1MPa下H13鑄錠(ding)凝(ning)固為(wei)(wei)(wei)例，鋼(gang)液、夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)和等(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)流場(chang)(chang)和速率(lv)均(jun)顯(xian)示(shi)在圖(tu)(tu)(tu)2-139中(zhong)(zhong)。隨(sui)著凝(ning)固的(de)進行(xing)(xing)，鋼(gang)液受(shou)熱浮力(li)(li)(li)(li)的(de)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)逆(ni)時針運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)，如圖(tu)(tu)(tu)2-139(a)所(suo)示(shi)。同(tong)時，隨(sui)著重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)和浮力(li)(li)(li)(li)合(he)力(li)(li)(li)(li)的(de)增加，等(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)沉降(jiang)連(lian)續發(fa)生(sheng)在柱(zhu)狀晶(jing)（tip)的(de)尖端，如圖(tu)(tu)(tu)2-139(b)所(suo)示(shi)。如圖(tu)(tu)(tu)2-139(c)所(suo)示(shi)，夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)流場(chang)(chang)中(zhong)(zhong)出(chu)現逆(ni)時針運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)，與鋼(gang)液相似。這種(zhong)運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)行(xing)(xing)為(wei)(wei)(wei)主(zhu)要是由作(zuo)用(yong)在夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)上的(de)合(he)力(li)(li)(li)(li)引起(qi)的(de)。根據模(mo)擬(ni)結果，凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)，浮力(li)(li)(li)(li)和阻力(li)(li)(li)(li)在改變夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)行(xing)(xing)為(wei)(wei)(wei)中(zhong)(zhong)起(qi)著關鍵作(zuo)用(yong)，因(yin)為(wei)(wei)(wei)它們比附加質量(liang)力(li)(li)(li)(li)和升力(li)(li)(li)(li)大了三個數量(liang)級。重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)和浮力(li)(li)(li)(li)的(de)方向均(jun)為(wei)(wei)(wei)垂(chui)直(zhi)方向，因(yin)為(wei)(wei)(wei)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)的(de)密度低于(yu)液體的(de)密度，故其合(he)力(li)(li)(li)(li)Fbg的(de)方向垂(chui)直(zhi)向上，如圖(tu)(tu)(tu)2-139(d)所(suo)示(shi)。
在整個凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)，Fbg保持(chi)不(bu)變(bian)，并使夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)上(shang)浮(fu)。相比之下，曳力(li)(li)(li)Fdp是(shi)向下的(de)力(li)(li)(li)，具有驅動夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)向下沉的(de)能力(li)(li)(li)。并且其變(bian)化是(shi)復(fu)雜(za)(za)(za)的(de)。根據(ju)等式(shi)（2-204)可知，曳力(li)(li)(li)與鋼(gang)液(ye)和(he)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)之間的(de)速度差密切相關。在頂部和(he)底部，鋼(gang)液(ye)和(he)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)速度差很小，與Fbg相比，Fdp可以忽略不(bu)計。在柱(zhu)狀晶尖端附近的(de)曳力(li)(li)(li)Fdp大于(yu)(yu)Fbg,是(shi)導(dao)致夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)下沉的(de)關鍵因素。在鑄錠的(de)中(zhong)(zhong)心，Fdp小于(yu)(yu)Fbg,Fbg占(zhan)主導(dao)，促使夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)上(shang)浮(fu)。因此，模鑄過程中(zhong)(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)(wu)形成(cheng)逆時(shi)針運動，這主要是(shi)由(you)重(zhong)力(li)(li)(li)、浮(fu)力(li)(li)(li)和(he)曳力(li)(li)(li)的(de)綜合作用所驅動。
3. 模(mo)鑄過程中(zhong)壓力對夾雜物(wu)分布的影響
利用(yong)歐拉－歐拉模(mo)型(xing)在0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下獲(huo)得了H13鑄錠夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)體積分數的(de)(de)(de)等(deng)值線(xian)，如圖(tu)(tu)2-140所示(shi)(shi)。每(mei)個鑄錠中都存在三個主要的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)區(qu)(qu)（I、和(he)(he)III),其中，II區(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)富(fu)集(ji)度最低，III區(qu)(qu)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)度最高，I區(qu)(qu)次之。三個夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)區(qu)(qu)域(yu)主要由(you)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)逆(ni)時(shi)針(zhen)運(yun)(yun)動(dong)(dong)以及被糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕集(ji)的(de)(de)(de)綜合作用(yong)所導致。以0.1MPa 壓力下夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分布(bu)為例，遠離糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在逆(ni)時(shi)針(zhen)運(yun)(yun)動(dong)(dong)過(guo)程(cheng)中逐漸上(shang)浮并富(fu)集(ji)到鑄錠頂(ding)部，如圖(tu)(tu) 2-140(c)所示(shi)(shi)。鑄錠頂(ding)部富(fu)集(ji)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)一(yi)部分被糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)捕獲(huo)，形成了I區(qu)(qu)，其余部分沿逆(ni)時(shi)針(zhen)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)移動(dong)(dong)，運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)幾乎垂直于糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)(xiang)量(liang)。與之相比(bi)，在II和(he)(he)III區(qu)(qu)域(yu)內，夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)與糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)(xiang)量(liang)成鈍角，因而夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)更(geng)加趨(qu)向(xiang)(xiang)(xiang)于被II和(he)(he)III區(qu)(qu)域(yu)內糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)所捕獲(huo)，如圖(tu)(tu)2-141所示(shi)(shi)，導致夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)集(ji)區(qu)(qu)II和(he)(he)III的(de)(de)(de)形成。同時(shi)，III區(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)富(fu)集(ji)程(cheng)度最高，原因是糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)較(jiao)寬，糊(hu)(hu)狀(zhuang)區(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)捕獲(huo)能力越強(qiang)，富(fu)集(ji)趨(qu)勢(shi)更(geng)明顯。
隨(sui)(sui)著壓力(li)從0.1MPa增(zeng)加到2MPa,I、II和III區夾(jia)(jia)雜物(wu)的富集(ji)度降(jiang)低，如2-140(b)所示，夾(jia)(jia)雜物(wu)體積分數的最大增(zeng)量 4max隨(sui)(sui)壓力(li)的增(zeng)加而減小，在0.1MPa、1MPa和2MPa下分別為4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明(ming)隨(sui)(sui)著凝固壓力(li)增(zeng)加至2MPa,鑄錠(ding)中(zhong)夾(jia)(jia)雜物(wu)分布更加均勻。
糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)捕獲夾雜物和(he)(he)夾雜物從糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)逃脫(tuo)的能力(li)對夾雜物分布至關重(zhong)要(yao)。結合液相線(xian)／固(gu)(gu)相線(xian)溫(wen)度(du)(du)隨壓(ya)(ya)力(li)的變化規律可知，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)區(qu)(qu)(qu)(qu)間變化很小，當(dang)壓(ya)(ya)力(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到2MPa時可以忽略(lve)不(bu)計(ji)。因(yin)此(ci)，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)寬(kuan)度(du)(du)主(zhu)要(yao)由溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)決定。如圖2-142(b)所示(shi)，由于增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)力(li)后提高(gao)了冷(leng)卻速率導致高(gao)壓(ya)(ya)下(xia)(xia)溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)更大。在(zai)較(jiao)高(gao)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)，糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)的長度(du)(du)變短［150].另(ling)外，以圖2-142(a)中的A點為例(li)，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)時間隨壓(ya)(ya)力(li)的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而顯著減(jian)少(shao)，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa下(xia)(xia)分別為292s、272s和(he)(he)247s,凝(ning)(ning)固(gu)(gu)速率隨壓(ya)(ya)力(li)的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)。進而表明，在(zai)較(jiao)高(gao)的凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)的長度(du)(du)較(jiao)小且凝(ning)(ning)固(gu)(gu)速率較(jiao)高(gao)，因(yin)此(ci)糊(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)捕獲夾雜物的能力(li)變弱。
A、B和(he)C點(dian)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物速(su)(su)(su)度隨(sui)液相體積分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)如圖2-143所示(shi)。高溫度梯度通過增大熱浮(fu)力來強化(hua)鋼液對流。另外，研究了(le)糊(hu)狀(zhuang)區(qu)中(zhong)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物的(de)(de)(de)(de)速(su)(su)(su)度隨(sui)曳力改的(de)(de)(de)(de)相應(ying)變化(hua)。凝(ning)固(gu)(gu)初期(qi)(qi)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物運(yun)動(dong)速(su)(su)(su)度隨(sui)著壓力的(de)(de)(de)(de)增加(jia)而增大，在凝(ning)固(gu)(gu)后(hou)期(qi)(qi)，糊(hu)狀(zhuang)區(qu)內(nei)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物幾乎完全停止運(yun)動(dong)時液相體積分(fen)數(shu)隨(sui)著壓力的(de)(de)(de)(de)增加(jia)而降低(di)。以點(dian)A為(wei)(wei)例，凝(ning)固(gu)(gu)初期(qi)(qi)（f=0.98),在0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物速(su)(su)(su)度分(fen)別為(wei)(wei)1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)1.52×10-3m/s.當糊(hu)狀(zhuang)區(qu)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物的(de)(de)(de)(de)速(su)(su)(su)度降低(di)到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下的(de)(de)(de)(de)液相體積分(fen)數(shu)分(fen)別為(wei)(wei)0.74、0.68和(he)0.62.這意味(wei)著夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物從糊(hu)狀(zhuang)區(qu)逸出的(de)(de)(de)(de)能(neng)力隨(sui)壓力增加(jia)而增強。
綜上所述，增(zeng)加(jia)壓(ya)力(li)可以顯(xian)著抑制(zhi)糊(hu)狀區中(zhong)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)富集，并通過降低(di)糊(hu)狀區捕獲(huo)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)能力(li)，提高夾(jia)雜(za)(za)物(wu)從糊(hu)狀區中(zhong)逸出(chu)的(de)能力(li)，使(shi)鑄錠內夾(jia)雜(za)(za)物(wu)分(fen)布更加(jia)均勻。
