壓(ya)(ya)力對鑄(zhu)(zhu)錠的(de)凝(ning)(ning)固相(xiang)變和(he)組織(zhi)有十分重要的(de)影(ying)響，如壓(ya)(ya)力能提高晶(jing)(jing)粒(li)形(xing)核速(su)率(lv)，減小臨界形(xing)核半徑，增大(da)冷(leng)卻速(su)率(lv)，細化枝(zhi)晶(jing)(jing)組織(zhi)，減輕(qing)或消除(chu)凝(ning)(ning)固缺陷(xian)（疏松、縮(suo)孔、氣孔和(he)偏析(xi)(xi)）以(yi)及改變析(xi)(xi)出相(xiang)形(xing)貌和(he)類型等(deng)。由于鋼(gang)鐵材料(liao)固／液相(xiang)線溫(wen)度較(jiao)高，加壓(ya)(ya)難度相(xiang)對較(jiao)大(da)，不(bu)過，較(jiao)低壓(ya)(ya)力依然(ran)具有改善(shan)鑄(zhu)(zhu)型和(he)鑄(zhu)(zhu)錠間換熱條件、打破液相(xiang)中氮氣泡等(deng)壓(ya)(ya)力平衡的(de)能力，進而(er)達到(dao)改善(shan)鋼(gang)鐵凝(ning)(ning)固組織(zhi)，減輕(qing)或消除(chu)凝(ning)(ning)固缺陷(xian)等(deng)目(mu)的(de)。

一、枝晶組織

  枝(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)的(de)出(chu)現和生長(chang)與液(ye)相(xiang)(xiang)中的(de)成(cheng)(cheng)分過冷密不(bu)可分，當凝(ning)(ning)固(gu)界面(mian)出(chu)現擾(rao)動導致液(ye)相(xiang)(xiang)出(chu)現局部成(cheng)(cheng)分過冷時，液(ye)相(xiang)(xiang)中就具備(bei)了促(cu)使界面(mian)發生波動的(de)驅動力，進(jin)一步(bu)增大(da)了凝(ning)(ning)固(gu)界面(mian)的(de)不(bu)穩(wen)定性，從(cong)而使凝(ning)(ning)固(gu)界面(mian)從(cong)平面(mian)狀向樹枝(zhi)(zhi)狀轉變，形(xing)成(cheng)(cheng)枝(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)，液(ye)相(xiang)(xiang)中成(cheng)(cheng)分過冷的(de)判據為

  式中，GrL為液(ye)(ye)(ye)(ye)相溫度梯(ti)度；v為凝(ning)固(gu)(gu)速率(lv)；m為液(ye)(ye)(ye)(ye)相線(xian)斜(xie)率(lv)；CL為凝(ning)固(gu)(gu)界(jie)面處液(ye)(ye)(ye)(ye)相中溶(rong)質(zhi)的(de)質(zhi)量分數(shu)；DL為液(ye)(ye)(ye)(ye)相中溶(rong)質(zhi)的(de)擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)；ko為溶(rong)質(zhi)分配系數(shu)。在(zai)不考慮壓(ya)力(li)(li)強化(hua)(hua)冷(leng)(leng)卻（即GrL保持恒定）情況下(xia)(xia)(xia)，壓(ya)力(li)(li)可通過(guo)改變液(ye)(ye)(ye)(ye)相線(xian)斜(xie)率(lv)、擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)和(he)(he)溶(rong)質(zhi)分配系數(shu)等凝(ning)固(gu)(gu)參數(shu)，改變枝(zhi)(zhi)晶(jing)形(xing)貌甚至(zhi)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的(de)組(zu)成。Zhang等對比(bi)了高(gao)(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)（Fe-13Mn-1.2C)在(zai)常(chang)壓(ya)和(he)(he)6GPa下(xia)(xia)(xia)的(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)。發(fa)現高(gao)(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)高(gao)(gao)(gao)壓(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)包含細(xi)小(xiao)等軸晶(jing)和(he)(he)柱狀晶(jing)，與常(chang)壓(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)截(jie)然不同（圖2-107).晶(jing)粒尺寸統計結果表(biao)明，高(gao)(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)在(zai)常(chang)壓(ya)下(xia)(xia)(xia)的(de)晶(jing)粒尺寸為（160±45)μm,6GPa下(xia)(xia)(xia)為（7.5±2.5)μm,壓(ya)力(li)(li)細(xi)化(hua)(hua)晶(jing)粒可達21倍之多，主要(yao)歸(gui)因于增加凝(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)降低了液(ye)(ye)(ye)(ye)相中溶(rong)質(zhi)擴(kuo)散(san)(san)系數(shu)以及增大了擴(kuo)散(san)(san)激活能，進而(er)增大了液(ye)(ye)(ye)(ye)相成分過(guo)冷(leng)(leng)度，在(zai)抑(yi)(yi)制(zhi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)生長(chang)的(de)同時增大了形(xing)核率(lv)［129,153],從而(er)使得高(gao)(gao)(gao)錳(meng)鋼(gang)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)逐步向(xiang)枝(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)轉變，且(qie)細(xi)化(hua)(hua)十分顯(xian)著(zhu)。Kashchiev和(he)(he)Vasudevan等的(de)研(yan)究表(biao)明。在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中，當(dang)固(gu)(gu)相摩爾體積小(xiao)于液(ye)(ye)(ye)(ye)相摩爾體積時，加壓(ya)有(you)助于提高(gao)(gao)(gao)形(xing)核率(lv)，起(qi)到細(xi)化(hua)(hua)凝(ning)固(gu)(gu)組(zu)織(zhi)的(de)作(zuo)用，大多數(shu)金(jin)屬(shu)合金(jin)屬(shu)于此(ci)類；反之，加壓(ya)將抑(yi)(yi)制(zhi)晶(jing)粒的(de)形(xing)核，如水(shui)凝(ning)固(gu)(gu)成冰。此(ci)外，壓(ya)力(li)(li)還能夠抑(yi)(yi)制(zhi)枝(zhi)(zhi)晶(jing)沿壓(ya)力(li)(li)梯(ti)度方向(xiang)的(de)生長(chang),從而(er)導致枝(zhi)(zhi)晶(jing)組(zu)織(zhi)和(he)(he)微觀(guan)偏析呈(cheng)現方向(xiang)性。

  為了準(zhun)確(que)地論述(shu)壓力(li)對凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)織的(de)影響規律，本節將以19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)(gang)和(he)M42工具鋼(gang)(gang)加(jia)壓凝(ning)(ning)固(gu)組(zu)織為例，詳細分(fen)析(xi)壓力(li)對枝晶組(zu)織、析(xi)出相(xiang)等(deng)的(de)影響。

 1. 柱狀晶(jing)向等軸晶(jing)轉(zhuan)變（CET)

   鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)宏(hong)觀組(zu)織主(zhu)要由晶(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)(de)形(xing)貌、尺寸(cun)以及(ji)取向分(fen)布等(deng)(deng)構成(cheng)(cheng)，在(zai)(zai)(zai)合(he)金成(cheng)(cheng)分(fen)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)，它主(zhu)要取決于(yu)(yu)鋼(gang)液在(zai)(zai)(zai)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻條件（包括澆注溫(wen)度(du)(du)(du)和(he)鑄(zhu)(zhu)型的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻效果(guo)等(deng)(deng)。鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)(de)典型宏(hong)觀組(zu)織可(ke)分(fen)為三個(ge)區(qu)(qu)(qu)：表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)、柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)以及(ji)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)是由于(yu)(yu)鋼(gang)液在(zai)(zai)(zai)鑄(zhu)(zhu)型的(de)(de)(de)(de)激(ji)冷(leng)(leng)作用下(xia)，具(ju)有較大的(de)(de)(de)(de)過冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)，進(jin)而在(zai)(zai)(zai)鑄(zhu)(zhu)型壁面以異質形(xing)核的(de)(de)(de)(de)方(fang)式大量形(xing)核并長(chang)大，最后(hou)形(xing)成(cheng)(cheng)細(xi)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，即表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)(de)進(jin)行，表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)逐(zhu)步(bu)形(xing)成(cheng)(cheng)金屬外殼，使得傳熱(re)具(ju)備單向性，有助(zhu)于(yu)(yu)晶(jing)(jing)粒沿(yan)傳熱(re)方(fang)向生(sheng)長(chang)，呈(cheng)現出(chu)方(fang)向性，從而形(xing)成(cheng)(cheng)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)，也導致了(le)表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域窄小(xiao)，厚(hou)度(du)(du)(du)通常為幾毫米。在(zai)(zai)(zai)后(hou)續的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)，伴(ban)隨著(zhu)凝(ning)固(gu)潛熱(re)的(de)(de)(de)(de)釋(shi)放，凝(ning)固(gu)前沿(yan)溫(wen)度(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)減(jian)小(xiao)，傳熱(re)的(de)(de)(de)(de)單向性減(jian)弱，成(cheng)(cheng)分(fen)過冷(leng)(leng)度(du)(du)(du)增大，進(jin)而使得晶(jing)(jing)粒生(sheng)長(chang)的(de)(de)(de)(de)方(fang)向性減(jian)弱，抑制(zhi)了(le)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)，同時也促(cu)進(jin)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠心(xin)部異質形(xing)核的(de)(de)(de)(de)發生(sheng)，從而有助(zhu)于(yu)(yu)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)向等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)轉變，最終形(xing)成(cheng)(cheng)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)。

   因(yin)此(ci)，鑄(zhu)錠(ding)有兩類枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)組(zu)織，即(ji)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)，通常采用枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)間距和(he)(he)(he)CET位(wei)置(zhi)對其進行表征。圖(tu)2-108(a)給出了(le)(le)凝(ning)固壓(ya)力分(fen)別為0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa的(de)(de)(de)(de)19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)縱(zong)剖面上的(de)(de)(de)(de)宏觀(guan)組(zu)織；CET位(wei)置(zhi)到(dao)鑄(zhu)錠(ding)邊部(bu)(bu)(bu)距離的(de)(de)(de)(de)統(tong)計(ji)平(ping)均(jun)值(zhi)分(fen)別為19.8mm、22.1mm和(he)(he)(he)27.4mm,增(zeng)(zeng)(zeng)量可達7.6mm,如圖(tu)2-108(b)所示。統(tong)計(ji)結果(guo)表明，隨著壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，CET 位(wei)置(zhi)逐(zhu)漸由邊部(bu)(bu)(bu)向(xiang)心(xin)(xin)(xin)部(bu)(bu)(bu)移動(dong)，柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)區(qu)(qu)(qu)(qu)域增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，中心(xin)(xin)(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)區(qu)(qu)(qu)(qu)域減小。根(gen)據柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)變的(de)(de)(de)(de)阻擋(dang)判(pan)據可知［156],當柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端(duan)處(chu)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數大(da)于臨界值(zhi)時(shi)，柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端(duan)生長受到(dao)抑制(zhi)而(er)停止，此(ci)時(shi)發生柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)向(xiang)中心(xin)(xin)(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)變。因(yin)此(ci)，CET轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)變很大(da)程度(du)(du)上取決于中心(xin)(xin)(xin)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)長大(da)。由于壓(ya)力強(qiang)化(hua)冷卻(que)效(xiao)果(guo)十分(fen)明顯，增(zeng)(zeng)(zeng)加壓(ya)力加快了(le)(le)鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)冷卻(que)，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)了(le)(le)鑄(zhu)錠(ding)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)梯度(du)(du)，從(cong)而(er)降低了(le)(le)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)前沿的(de)(de)(de)(de)成分(fen)過(guo)冷度(du)(du)，此(ci)時(shi)，等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端(duan)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)長大(da)就會受到(dao)嚴重阻礙(ai)和(he)(he)(he)抑制(zhi);反之，降低壓(ya)力，有助于等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)在柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)枝晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)尖(jian)端(duan)處(chu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)核和(he)(he)(he)長大(da)，從(cong)而(er)提前并加快了(le)(le)CET.因(yin)此(ci)，當壓(ya)力從(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加到(dao)1.2MPa時(shi)，壓(ya)力通過(guo)強(qiang)化(hua)冷卻(que)擴大(da)了(le)(le)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)，促使CET轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)變位(wei)置(zhi)在徑向(xiang)上逐(zhu)漸由邊部(bu)(bu)(bu)向(xiang)心(xin)(xin)(xin)部(bu)(bu)(bu)移動(dong)。此(ci)外，在0.5MPa、0.85MPa和(he)(he)(he)1.2MPa下(xia)，19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)縱(zong)剖面的(de)(de)(de)(de)宏觀(guan)組(zu)織中均(jun)存(cun)在較窄的(de)(de)(de)(de)表層(ceng)細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)。

為(wei)了(le)進(jin)一步研究壓力(li)對(dui)CET的(de)影響規律(lv)(lv)，在不考慮壓力(li)強化冷卻(que)效果的(de)前提下，對(dui)枝晶尖端生長速率(lv)v.隨壓力(li)的(de)變(bian)化規律(lv)(lv)進(jin)行理論計算(suan)，可(ke)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(ning)固壓(ya)力的(de)增加會對枝(zhi)晶(jing)尖端生(sheng)長速率(lv)產生(sheng)重要影(ying)響(xiang)，且壓(ya)力的(de)增量越(yue)大，影(ying)響(xiang)越(yue)明顯(xian)。結合實驗和KGT模(mo)型(xing)理論計算可(ke)知，低壓(ya)下，當凝(ning)固壓(ya)力從0.5MPa 增加至1.2MPa時，壓(ya)力主要通過強化冷卻的(de)方式，使得鑄錠CET位置逐漸由(you)邊部(bu)向心(xin)部(bu)移動。

 2. 枝(zhi)晶間距

  相鄰同次(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)臂之間(jian)的垂直(zhi)距離稱(cheng)為枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距的大(da)小表征了枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織(zhi)細(xi)化程度(du)，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距越小，枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)組織(zhi)越細(xi)密［162],通常考慮的枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距有一次(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距入(ru)1和(he)二次(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距λ2.一次(ci)(ci)枝(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間(jian)距與凝固速率v和(he)溫度(du)梯度(du)Gr的關(guan)系(xi)為

  由式（2-191)可知，合金體系一(yi)定(ding)時，分(fen)析局部(bu)區域(yu)冷(leng)(leng)卻速(su)率v.和(he)溫(wen)度(du)梯度(du)Gr隨壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)變化趨(qu)勢，有助于闡明壓(ya)力(li)對一(yi)次枝晶(jing)(jing)間距λ1的(de)(de)(de)(de)影響規律(lv)。因局部(bu)區域(yu)冷(leng)(leng)卻速(su)率vc和(he)溫(wen)度(du)梯度(du)Gr的(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)難(nan)度(du)較(jiao)大(da)，可用模擬(ni)(ni)計算(suan)的(de)(de)(de)(de)方式獲得。在不同凝固壓(ya)力(li)下的(de)(de)(de)(de)組織模擬(ni)(ni)過(guo)程中，不考慮(lv)疏松縮(suo)孔對晶(jing)(jing)區分(fen)布的(de)(de)(de)(de)影響，模擬(ni)(ni)結(jie)果如圖(tu)2-110所示。為(wei)(wei)了(le)更準確地找到CET位置，使用平均縱(zong)(zong)橫比（晶(jing)(jing)粒(li)(li)最短邊(bian)(bian)與最長(chang)邊(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)比率）來區分(fen)柱狀晶(jing)(jing)和(he)等(deng)軸晶(jing)(jing)：當晶(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)縱(zong)(zong)橫比大(da)于0.4時，晶(jing)(jing)粒(li)(li)為(wei)(wei)等(deng)軸晶(jing)(jing)；當晶(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)縱(zong)(zong)橫比小(xiao)于0.4時，則為(wei)(wei)柱狀晶(jing)(jing)。根據阻擋判據，等(deng)軸晶(jing)(jing)體積分(fen)數的(de)(de)(de)(de)臨界值設定(ding)為(wei)(wei)0.49，以此作為(wei)(wei)依(yi)據，19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)在0.5MPa、0.85MPa 和(he)1.2MPa 壓(ya)力(li)下，CET 位置在徑向上離鑄錠邊(bian)(bian)部(bu)的(de)(de)(de)(de)平均距離分(fen)別為(wei)(wei)18.1mm、19.8mm和(he)25.3mm.

  19Cr14Mn0.9N 含(han)氮鋼鑄(zhu)錠(ding)底部(bu)(bu)溫度(du)梯度(du) Gr和(he)(he)(he)冷卻速率v.隨(sui)(sui)壓力的(de)變化規律(lv)，如圖2-111所示(shi)。在(zai)某一(yi)壓力條件(jian)下，vc和(he)(he)(he)Gr沿徑向(xiang)由(you)鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)均呈現逐(zhu)漸(jian)減(jian)小的(de)趨勢，結合(he)式（2-190)可知，一(yi)次(ci)枝晶(jing)間(jian)距(ju)入(ru)1與v.和(he)(he)(he)Gr成(cheng)反比(bi)，因(yin)而1沿徑向(xiang)由(you)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)到心(xin)部(bu)(bu)逐(zhu)漸(jian)增大(da)。當(dang)壓力從0.5MPa增加(jia)至1.2MPa時，在(zai)壓力強(qiang)化冷卻的(de)作用下，鑄(zhu)錠(ding)內(nei)各單(dan)(dan)元體的(de)vc和(he)(he)(he)Gr隨(sui)(sui)之增大(da)，且(qie)對鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)緣處的(de)單(dan)(dan)元體影響最(zui)大(da)，在(zai)沿徑向(xiang)向(xiang)心(xin)部(bu)(bu)移(yi)動的(de)過程中(zhong)，壓力對vc和(he)(he)(he)Gr的(de)影響逐(zhu)步(bu)減(jian)弱(ruo)。結合(he)式（2-190)可知，一(yi)次(ci)枝晶(jing)間(jian)距(ju)入(ru)1隨(sui)(sui)著vc和(he)(he)(he)Gr的(de)增大(da)呈冪函數減(jian)小。因(yin)此，隨(sui)(sui)著壓力增加(jia)，一(yi)次(ci)枝晶(jing)間(jian)距(ju)入(ru)1減(jian)小，且(qie)越靠近鑄(zhu)錠(ding)邊(bian)(bian)部(bu)(bu)，入(ru)減(jian)小趨勢越明顯(xian)，即壓力對柱狀晶(jing)一(yi)次(ci)枝晶(jing)間(jian)距(ju)的(de)影響大(da)于中(zhong)心(xin)等軸晶(jing)區。

  由(you)邊部(bu)到心部(bu)逐漸增(zeng)大(da)，結合式（2-192)可知(zhi)，鑄(zhu)錠心部(bu)的二(er)次枝晶(jing)間(jian)距入2大(da)于邊部(bu)；壓力從0.5MPa增(zeng)加至1.2MPa時，LST明顯減(jian)小，二(er)次枝晶(jing)間(jian)距入2也隨之減(jian)小。

  圖2-112 不同壓(ya)(ya)(ya)力下距(ju)(ju)離19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)130mm處LST計算值由于等軸晶(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)臂(bei)彼此(ci)相交且沿(yan)徑向(xiang)以幾乎相同的(de)(de)速率向(xiang)四周(zhou)生長(chang)，同時(shi)(shi)(shi)不同等軸晶(jing)(jing)間(jian)(jian)不存在任何(he)確定(ding)的(de)(de)位(wei)向(xiang)關系，難以通過實(shi)驗(yan)對等軸晶(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)進行(xing)測(ce)(ce)量，因此(ci)只對CET前柱狀晶(jing)(jing)的(de)(de)一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)進行(xing)測(ce)(ce)量。圖2-113給出了距(ju)(ju)19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)底部(bu)115mm的(de)(de)高度處一(yi)次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)入1和(he)(he)二次枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)x2的(de)(de)變(bian)化規律(lv)，在某一(yi)壓(ya)(ya)(ya)力下，沿(yan)徑向(xiang)由鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊部(bu)向(xiang)心部(bu)移動的(de)(de)過程中，1和(he)(he)x2逐漸增(zeng)(zeng)大(da)；當壓(ya)(ya)(ya)力從(cong)(cong)0.5MPa增(zeng)(zeng)加至1.2MPa時(shi)(shi)(shi)，1和(he)(he)入2均呈減小的(de)(de)趨(qu)勢。基于埋(mai)設熱電偶的(de)(de)測(ce)(ce)溫結(jie)果和(he)(he)式(shi)（2-195)可得，2nd和(he)(he)4h測(ce)(ce)溫位(wei)置(zhi)處局部(bu)凝固(gu)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)隨壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)增(zeng)(zeng)加而縮短(duan)，如圖2-113(a)所示(shi)，從(cong)(cong)而導致x2的(de)(de)減小。對比可知(zhi)，枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)(jian)距(ju)(ju)（λ和(he)(he)ん）和(he)(he)局部(bu)凝固(gu)時(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)沿(yan)徑向(xiang)和(he)(he)隨壓(ya)(ya)(ya)力變(bian)化趨(qu)勢的(de)(de)實(shi)驗(yan)與模擬結(jie)果一(yi)致。

  綜上(shang)所(suo)述(shu)，增(zeng)加壓(ya)力(li)能夠明顯減小枝(zhi)晶(jing)(jing)間(jian)距（x1和(he)x2),縮短局(ju)部凝(ning)固時間(jian)，細(xi)化凝(ning)固組織。鑄(zhu)錠邊部和(he)心部試樣(yang)的枝(zhi)晶(jing)(jing)形貌如圖2-114所(suo)示，進一步佐(zuo)證了增(zeng)加壓(ya)力(li)具有明顯細(xi)化枝(zhi)晶(jing)(jing)組織的作用(yong)，且對柱狀晶(jing)(jing)的影響大于中(zhong)心等軸晶(jing)(jing)。

3. 晶粒數

  鑄錠內晶(jing)粒數與晶(jing)粒臨界形核半徑(jing)和(he)形核率有直接的(de)關系(xi)，晶(jing)粒臨界形核半徑(jing)為(wei)：

  其中，Nm為與液相線(xian)溫度(du)、凝固潛(qian)熱、擴散(san)激活能以及表(biao)面張力(li)(li)(li)(li)有關(guan)的(de)(de)系數(shu)(shu)(shu)。圖(tu)2-114給(gei)出了 19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區內晶(jing)(jing)粒數(shu)(shu)(shu)隨壓力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)規(gui)律。壓力(li)(li)(li)(li)從(cong)0.5MPa增加(jia)(jia)到(dao)(dao)1.2MPa時(shi)，中心等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區的(de)(de)寬度(du)逐漸(jian)減小(xiao)，最(zui)小(xiao)值為56mm.19Cr14Mn0.9N含氮(dan)鋼(gang)鑄(zhu)錠180mm(高(gao)）x56mm(寬）等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區內晶(jing)(jing)粒數(shu)(shu)(shu)隨壓力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)變(bian)化(hua)規(gui)律如圖(tu)2-115所示。當(dang)凝固壓力(li)(li)(li)(li)從(cong)0.5MPa增加(jia)(jia)到(dao)(dao)0.85MPa時(shi)，晶(jing)(jing)粒數(shu)(shu)(shu)目從(cong)9166增加(jia)(jia)到(dao)(dao)9551;當(dang)凝固壓力(li)(li)(li)(li)進一(yi)步增加(jia)(jia)到(dao)(dao)1.2MPa時(shi)，晶(jing)(jing)粒數(shu)(shu)(shu)目增加(jia)(jia)到(dao)(dao)10128.因(yin)此(ci)，提(ti)高(gao)凝固壓力(li)(li)(li)(li)，鑄(zhu)錠等(deng)(deng)軸晶(jing)(jing)區內晶(jing)(jing)粒數(shu)(shu)(shu)明顯增大。

  在低壓(ya)下，如壓(ya)力從0.5MPa增(zeng)至1.2MPa時，液相線溫度(du)(du)(du)(du)(du)、凝固潛熱、擴散(san)激活能以(yi)及表(biao)面張力的(de)(de)變(bian)量非常(chang)小(xiao)，幾乎可以(yi)忽略，這樣可以(yi)假設Nm在0.5MPa、晶(jing)粒(li)數0.85MPa和1.2MPa下相等，近(jin)似(si)為常(chang)數。提(ti)(ti)高(gao)(gao)壓(ya)力能夠明顯地增(zeng)大(da)鑄錠的(de)(de)溫度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)（圖2-111),溫度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)越大(da)，單位(wei)時間內(nei)從糊狀區(qu)內(nei)導出結(jie)晶(jing)潛熱的(de)(de)量越大(da)，進而(er)提(ti)(ti)高(gao)(gao)了糊狀區(qu)內(nei)過冷(leng)度(du)(du)(du)(du)(du)；反之亦(yi)然，這意(yi)味著糊狀區(qu)過冷(leng)度(du)(du)(du)(du)(du)與溫度(du)(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)隨壓(ya)力的(de)(de)變(bian)化(hua)趨勢相同，即隨著壓(ya)力的(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)(gao)而(er)增(zeng)大(da)。結(jie)合式（2-193)和式（2-197)可知，隨著糊狀區(qu)內(nei)過冷(leng)度(du)(du)(du)(du)(du)ΔT的(de)(de)增(zeng)加，晶(jing)粒(li)臨界形(xing)核(he)半徑rk減(jian)小(xiao)，形(xing)核(he)率Na增(zeng)大(da)，有助于(yu)提(ti)(ti)高(gao)(gao)鑄錠內(nei)晶(jing)粒(li)數。因此，增(zeng)加壓(ya)力有利于(yu)增(zeng)加晶(jing)粒(li)數。

  距離19Cr14Mn0.9N含氮鋼(gang)鑄(zhu)錠(ding)(ding)底(di)部(bu)(bu)(bu)130mm的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)度(du)處，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數隨壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)規律如圖2-116所示。在某一凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數目最大(da)(da)，隨著離鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)距離的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，由(you)于(yu)糊(hu)狀區內(nei)(nei)過冷(leng)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減小，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數也隨之(zhi)減少。隨著壓(ya)(ya)力(li)(li)提高(gao)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數均(jun)呈增(zeng)大(da)(da)趨勢(shi)，且柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)區內(nei)(nei)軸向切片上晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)明顯大(da)(da)于(yu)中心(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區。因為在壓(ya)(ya)力(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻的(de)(de)(de)(de)(de)作用下(xia)，整(zheng)個(ge)鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)均(jun)有(you)增(zeng)大(da)(da)趨勢(shi)，導致糊(hu)狀區內(nei)(nei)過冷(leng)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)。同(tong)時(shi)，由(you)于(yu)距離鑄(zhu)錠(ding)(ding)和(he)鑄(zhu)型(xing)換(huan)熱(re)(re)界面(mian)(mian)越近，溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)受界面(mian)(mian)換(huan)熱(re)(re)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)越大(da)(da)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)隨壓(ya)(ya)力(li)(li)變化(hua)趨勢(shi)越明顯，進而增(zeng)加(jia)凝(ning)(ning)固(gu)壓(ya)(ya)力(li)(li)，鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)明顯大(da)(da)于(yu)心(xin)部(bu)(bu)(bu)，從(cong)而導致離鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊(bian)部(bu)(bu)(bu)較近的(de)(de)(de)(de)(de)柱狀晶(jing)(jing)(jing)(jing)區內(nei)(nei)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)數的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)明顯大(da)(da)于(yu)中心(xin)等軸晶(jing)(jing)(jing)(jing)區。

二、疏松縮孔

  鑄(zhu)錠產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)疏松縮(suo)孔(kong)(kong)的(de)(de)基本原因(yin)是(shi)鑄(zhu)錠從澆注溫(wen)度(du)(du)冷卻至(zhi)固(gu)(gu)(gu)相線溫(wen)度(du)(du)時產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)縮(suo)（液(ye)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)和凝固(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)縮(suo)之(zhi)和）大(da)于(yu)固(gu)(gu)(gu)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)。當鋼液(ye)從澆注溫(wen)度(du)(du)冷卻至(zhi)液(ye)相線溫(wen)度(du)(du)時所(suo)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)縮(suo)為液(ye)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)，鋼液(ye)進一(yi)步(bu)從液(ye)相線溫(wen)度(du)(du)冷卻至(zhi)固(gu)(gu)(gu)相線溫(wen)度(du)(du)時（即發生(sheng)(sheng)凝固(gu)(gu)(gu)相變時）所(suo)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)縮(suo)為凝固(gu)(gu)(gu)收(shou)(shou)縮(suo)［87],固(gu)(gu)(gu)態(tai)收(shou)(shou)縮(suo)是(shi)指(zhi)固(gu)(gu)(gu)相在冷卻過程中所(suo)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)(shou)縮(suo)。疏松縮(suo)孔(kong)(kong)的(de)(de)出現嚴重降低了鑄(zhu)錠的(de)(de)力學和耐腐蝕性能以及成材率(lv)，是(shi)鑄(zhu)錠的(de)(de)嚴重缺陷之(zhi)一(yi)。

 在(zai)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中(zhong)鑄錠內(nei)出現體積小而(er)彌散的(de)(de)空洞為(wei)(wei)疏松，體積大且集中(zhong)的(de)(de)為(wei)(wei)縮(suo)(suo)孔。疏松由在(zai)糊狀區內(nei)液相(xiang)體積分數降到一(yi)定(ding)程(cheng)度時，液相(xiang)流(liu)動(dong)困難，液態收(shou)(shou)縮(suo)(suo)與凝(ning)固收(shou)(shou)縮(suo)(suo)之和超過(guo)固態收(shou)(shou)縮(suo)(suo)的(de)(de)那部分收(shou)(shou)縮(suo)(suo)量無法得到補縮(suo)(suo)所導(dao)致，因(yin)而(er)疏松的(de)(de)形成(cheng)與枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液相(xiang)的(de)(de)流(liu)動(dong)有密切關聯(lian)［72,87].在(zai)糊狀區內(nei)，體收(shou)(shou)縮(suo)(suo)主(zhu)要由凝(ning)固收(shou)(shou)縮(suo)(suo)組成(cheng)，且為(wei)(wei)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液體流(liu)動(dong)的(de)(de)主(zhu)要驅動(dong)力，因(yin)而(er)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間液相(xiang)的(de)(de)流(liu)速u可表示為(wei)(wei)

  式(shi)中，PΔx＝Ps+Pf(其中，Pt為鋼液靜壓力，Pf=pgh;Ps為凝固(gu)(gu)(gu)壓力）。結合式(shi)（2-202)可知，增加凝固(gu)(gu)(gu)壓力，Px增大，強化了(le)枝(zhi)晶(jing)間(jian)液相(xiang)(xiang)的(de)(de)補(bu)縮(suo)能力，進而有助于避免疏松(song)的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)［91].此(ci)外，糊(hu)狀(zhuang)區越寬，枝(zhi)晶(jing)網狀(zhuang)結構(gou)越復雜，枝(zhi)晶(jing)間(jian)補(bu)縮(suo)的(de)(de)距離越長阻力越大，滲透率K越小，疏松(song)越容易形(xing)(xing)成(cheng)。因此(ci)，疏松(song)易于在(zai)糊(hu)狀(zhuang)區較寬的(de)(de)鑄錠以(yi)體積凝固(gu)(gu)(gu)或同時凝固(gu)(gu)(gu)方式(shi)凝固(gu)(gu)(gu)時形(xing)(xing)成(cheng)。相(xiang)(xiang)比之下(xia)，縮(suo)孔傾向(xiang)于在(zai)糊(hu)狀(zhuang)區較窄的(de)(de)鑄錠以(yi)逐層凝固(gu)(gu)(gu)方式(shi)的(de)(de)凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中出現。

  不同凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)下（0.5MPa、0.85MPa和(he)1.2MPa),19Cr14Mn0.9N含氮鋼鑄(zhu)(zhu)錠縱剖面上疏(shu)松(song)(song)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)分布情況如圖2-117所(suo)示(shi)。隨著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，疏(shu)松(song)(song)和(he)縮(suo)(suo)孔的(de)(de)(de)總面積大(da)幅(fu)度減小(xiao)，且疏(shu)松(song)(song)逐漸(jian)(jian)消失。由于(yu)(yu)壓(ya)力(li)具有(you)顯著(zhu)的(de)(de)(de)強化(hua)冷卻效(xiao)果，增(zeng)(zeng)大(da)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)，強化(hua)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠和(he)鑄(zhu)(zhu)型(xing)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)界面換(huan)熱，加(jia)快(kuai)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠的(de)(de)(de)冷卻速率(lv)(lv)，從而(er)增(zeng)(zeng)大(da)了(le)鑄(zhu)(zhu)錠溫度梯度Gr;在(zai)合金(jin)體系一定(ding)的(de)(de)(de)情況下，糊狀(zhuang)區(qu)隨之確定(ding)，那么糊狀(zhuang)區(qu)的(de)(de)(de)寬度隨溫度梯度Gr的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)減小(xiao)171],進(jin)而(er)導致(zhi)枝(zhi)(zhi)晶網狀(zhuang)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)形成受到抑制(zhi)。凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)方式逐漸(jian)(jian)由體積凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)向(xiang)逐層凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過渡，增(zeng)(zeng)大(da)了(le)滲透(tou)率(lv)(lv)K,從而(er)降低和(he)縮(suo)(suo)短枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)補縮(suo)(suo)時液(ye)相流動的(de)(de)(de)阻力(li)和(he)距離。此外(wai)，基于(yu)(yu)以上理論分析(xi)并結(jie)合判據(ju)式（2-202)可(ke)知，增(zeng)(zeng)加(jia)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)等效(xiao)于(yu)(yu)增(zeng)(zeng)大(da)了(le)Px,使其(qi)遠(yuan)大(da)于(yu)(yu)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)液(ye)相補縮(suo)(suo)時所(suo)需壓(ya)力(li)。因此，加(jia)壓(ya)有(you)利于(yu)(yu)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)(jian)液(ye)相的(de)(de)(de)補縮(suo)(suo)行為，且有(you)助于(yu)(yu)大(da)幅(fu)度減小(xiao)或消除疏(shu)松(song)(song)缺陷(xian)。

三(san)、凝固(gu)析出相(xiang)

  根(gen)據(ju)相(xiang)所含非金屬元素的(de)(de)種類(lei)，可將凝(ning)固(gu)(gu)析出(chu)相(xiang)分為氮化(hua)物(wu)、碳化(hua)物(wu)等，與碳化(hua)物(wu)相(xiang)比，氮化(hua)物(wu)尺寸(cun)一般較小(xiao)，為了更加清楚(chu)直觀地論述增(zeng)加壓力對(dui)凝(ning)固(gu)(gu)析出(chu)相(xiang)的(de)(de)影響，本(ben)節將著(zhu)重(zhong)以高速鋼M42中碳化(hua)物(wu)為例(li)，闡述壓力對(dui)凝(ning)固(gu)(gu)析出(chu)相(xiang)的(de)(de)類(lei)型、形貌、成(cheng)分等影響規(gui)律。

  高速鋼碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)數(shu)量繁多、種類(lei)各(ge)(ge)異(yi)。不(bu)(bu)同(tong)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)特性不(bu)(bu)同(tong)、成(cheng)分(fen)(fen)不(bu)(bu)同(tong)、形(xing)貌也各(ge)(ge)有(you)差異(yi)；按照(zhao)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)貌特征及生(sheng)(sheng)成(cheng)機(ji)制的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)，可(ke)將高速鋼中碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)為(wei)一(yi)次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)和二次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)兩大(da)(da)部分(fen)(fen)。一(yi)次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)又稱為(wei)“初生(sheng)(sheng)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)”，即在(zai)凝固過(guo)程中直接從液相中析(xi)出的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，包括各(ge)(ge)種先(xian)共晶和共晶碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，有(you)M6C、M2C、MC等不(bu)(bu)同(tong)類(lei)型。一(yi)次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)尺(chi)寸比較(jiao)大(da)(da)，屬于微米級別，在(zai)后(hou)續熱(re)加工和熱(re)處(chu)理(li)工藝中將被破碎或(huo)(huo)分(fen)(fen)解成(cheng)尺(chi)寸較(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)顆粒(li)狀存在(zai)于鋼中。二次(ci)(ci)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是指(zhi)在(zai)凝固過(guo)程中或(huo)(huo)熱(re)處(chu)理(li)時從固相基體（高溫鐵素體、奧(ao)氏體、馬(ma)氏體等）中析(xi)出的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，分(fen)(fen)為(wei)M6C、MC、M23C6、M7C3、M2C等不(bu)(bu)同(tong)類(lei)型。高速鋼中碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)成(cheng)分(fen)(fen)波動(dong)范圍較(jiao)大(da)(da)，不(bu)(bu)同(tong)鋼種、不(bu)(bu)同(tong)條件產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)同(tong)一(yi)類(lei)型的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)也會(hui)有(you)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)，甚(shen)至同(tong)一(yi)粒(li)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)部位，也會(hui)有(you)成(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)差異(yi)。各(ge)(ge)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)形(xing)貌、成(cheng)分(fen)(fen)及分(fen)(fen)布(bu)見(jian)表2-14.

  M2C具(ju)有(you)密排(pai)六(liu)方(fang)晶體(ti)結(jie)構(gou)［172-175,179],其主要形(xing)成元(yuan)素通(tong)常是鉬、釩和(he)鎢，鉻及鐵的(de)含(han)量則(ze)較少。M2C 共晶碳化物一般以亞(ya)穩態(tai)存(cun)在于(yu)鋼中(zhong)。尺寸較小、片(pian)層較薄(bo)且沒有(you)中(zhong)間脊骨，在高(gao)溫時(shi)易發(fa)生分(fen)解反(fan)應：M2C+Fe(Y)→M6C+MC，分(fen)解成尺寸較小的(de)顆粒(li)狀M6C和(he)MC。此(ci)(ci)外，與M6C相反(fan)，鋼液(ye)凝(ning)(ning)固時(shi)的(de)冷卻(que)速率越快，越有(you)利于(yu)M2C的(de)形(xing)成。因此(ci)(ci)，提高(gao)鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固時(shi)的(de)冷卻(que)速率有(you)利于(yu)促(cu)進M2C的(de)形(xing)成并細(xi)化M2C,同時(shi)可抑制較大尺寸M6Cl。

  M6C具(ju)有(you)復雜立(li)方晶(jing)體結構，其結構中除(chu)碳(tan)原子(zi)以外，鐵、鎢原子(zi)約各占一半。M6C屬于(yu)穩定型碳(tan)化物，其形(xing)態為粗大的(de)(de)骨骼狀。鋼液凝固時(shi)冷卻速(su)率(lv)越慢，M6C碳(tan)化物越易于(yu)形(xing)成和長(chang)大。因此，M6C在高(gao)速(su)鋼的(de)(de)心部(bu)往(wang)往(wang)含量較(jiao)高(gao)，而邊部(bu)較(jiao)少或沒有(you)。加快鑄錠(ding)凝固時(shi)的(de)(de)冷卻速(su)率(lv)有(you)利于(yu)細(xi)化M6C,提高(gao)鑄錠(ding)性(xing)能。

  MC具(ju)有面心立方(fang)結構，化學式為(wei)(wei)MC或者M4C3,其成(cheng)分以釩(fan)為(wei)(wei)主。鋼中碳(tan)、釩(fan)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)增大(da)(da)可(ke)(ke)使MC增多，尺寸變大(da)(da)。高速(su)鋼中還(huan)有M23C6、M3C、M7C3等(deng)碳(tan)化物(wu)(wu)。M23C6晶(jing)體結構為(wei)(wei)復雜(za)面心立方(fang)結構，具(ju)有一定(ding)(ding)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)鎢、鉬，釩(fan)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)(liang)極少(shao)，含(han)(han)(han)有大(da)(da)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)鉻(ge)、鐵元(yuan)素；與(yu)M2C相(xiang)同，M3C也是亞(ya)穩(wen)態相(xiang)。M7C3為(wei)(wei)復雜(za)六方(fang)晶(jing)體結構，含(han)(han)(han)有較多的(de)(de)(de)鉻(ge)、鐵，主要存(cun)在于碳(tan)含(han)(han)(han)量(liang)(liang)(liang)較高的(de)(de)(de)鋼中。高速(su)鋼中碳(tan)化物(wu)(wu)具(ju)有兩(liang)個重要的(de)(de)(de)特性：硬度和(he)熱(re)穩(wen)定(ding)(ding)性（加熱(re)時溶解、聚集長大(da)(da)的(de)(de)(de)難(nan)度）。這(zhe)些(xie)特性反(fan)映了碳(tan)化物(wu)(wu)中碳(tan)和(he)金(jin)屬原(yuan)子結合(he)鍵的(de)(de)(de)強弱，與(yu)原(yuan)子結構和(he)尺寸有關(guan)。碳(tan)化物(wu)(wu)的(de)(de)(de)晶(jing)格(ge)結構與(yu)碳(tan)原(yuan)子半(ban)(ban)徑rc、金(jin)屬原(yuan)子半(ban)(ban)徑rx有關(guan)，如表2-15所示，rd/rx值越(yue)大(da)(da)，則越(yue)易(yi)形(xing)成(cheng)結構復雜(za)的(de)(de)(de)碳(tan)化物(wu)(wu)（M23C6、M3C等(deng)），越(yue)小則易(yi)形(xing)成(cheng)結構簡單密堆型碳(tan)化物(wu)(wu)（MC等(deng)）。表中熔點可(ke)(ke)作為(wei)(wei)碳(tan)化物(wu)(wu)熱(re)穩(wen)定(ding)(ding)性的(de)(de)(de)衡(heng)量(liang)(liang)(liang)指標，可(ke)(ke)見(jian)碳(tan)化物(wu)(wu)中原(yuan)子尺寸越(yue)接近，則碳(tan)化物(wu)(wu)穩(wen)定(ding)(ding)性越(yue)高。

 1. 壓(ya)力對萊氏體(ti)的影響

  凝固末期，由于(yu)偏析導致(zhi)合(he)金(jin)元素在枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間殘余(yu)液相(xiang)內富集發生(sheng)共晶(jing)(jing)(jing)反應，從液相(xiang)中直接(jie)生(sheng)成碳化物(wu)，它與奧(ao)氏體(ti)相(xiang)間排列，構成萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)。因此高(gao)速(su)鋼(gang)的(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)往(wang)往(wang)存在于(yu)枝(zhi)晶(jing)(jing)(jing)間。圖2-118為M2高(gao)速(su)鋼(gang)的(de)(de)低倍鑄態組(zu)織(zhi)，可見一般情況下，相(xiang)鄰晶(jing)(jing)(jing)粒之間的(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)較為細小，數(shu)量(liang)(liang)較少，而多個晶(jing)(jing)(jing)粒之間的(de)(de)萊(lai)氏體(ti)組(zu)織(zhi)尺(chi)寸較大，數(shu)量(liang)(liang)較多。

  高速(su)鋼的(de)(de)萊氏體(ti)組織中含有多種類型的(de)(de)碳(tan)化物(wu)，如(ru)(ru)M2C、M6C、MC等。M6C整(zheng)體(ti)形貌(mao)類似魚骨(gu)，故又稱為(wei)“魚骨(gu)狀(zhuang)碳(tan)化物(wu)”，如(ru)(ru)圖2-119所示；M2C成片(pian)層狀(zhuang)，含有M2C的(de)(de)共晶(jing)萊氏體(ti)具(ju)有“羽(yu)毛狀(zhuang)”、“扇狀(zhuang)”、“菊花狀(zhuang)”等形貌(mao)，如(ru)(ru)圖2-120所示；MC的(de)(de)生長時間較長，最終(zhong)尺寸較為(wei)粗大(da)，往往以不規則(ze)的(de)(de)條狀(zhuang)出現，如(ru)(ru)圖2-120所示。

  a. 碳化(hua)物種(zhong)類(lei)及分布

   高(gao)(gao)速(su)(su)鋼中碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)種類與成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)(fen)和凝(ning)固(gu)(gu)過程中的冷(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)(lv)密不可(ke)分(fen)(fen)(fen)。M42 高(gao)(gao)速(su)(su)工(gong)具(ju)鋼作為(wei)高(gao)(gao)鉬低(di)鎢鋼，其凝(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)(zhi)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)主要(yao)(yao)(yao)為(wei)M2C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)；另外含有(you)少部分(fen)(fen)(fen)M6C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)，主要(yao)(yao)(yao)存在(zai)于(yu)(yu)(yu)鑄錠的心部區域。圖2-121~圖2-123給出了M42高(gao)(gao)速(su)(su)鋼鑄錠在(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)1/4圓(yuan)(yuan)鑄錠板金相組織(zhi)(zhi)。白(bai)色斑(ban)點(dian)狀處的萊氏體組織(zhi)(zhi)中的碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)為(wei)具(ju)有(you)中心脊骨，脊骨兩邊具(ju)有(you)平(ping)行分(fen)(fen)(fen)枝的魚(yu)骨狀M6C.M6C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的尺寸比M2C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)粗大(da)(da)得多且(qie)(qie)(qie)結構上相互連接緊密，極(ji)不利于(yu)(yu)(yu)鑄錠的后續(xu)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)破碎(sui)，因(yin)(yin)此盡可(ke)能(neng)減(jian)少或避(bi)免凝(ning)固(gu)(gu)組織(zhi)(zhi)中M6C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的產生，有(you)助(zhu)于(yu)(yu)(yu)提升其力(li)學性能(neng)等。隨著壓(ya)力(li)的增(zeng)大(da)(da)，萊氏體（白(bai)色斑(ban)點(dian)）所占(zhan)1/4圓(yuan)(yuan)鑄錠板的面(mian)積(ji)比例逐漸減(jian)小(xiao)，加(jia)(jia)壓(ya)有(you)助(zhu)于(yu)(yu)(yu)抑(yi)制M6C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的形成(cheng)(cheng)與長大(da)(da)，其主要(yao)(yao)(yao)原因(yin)(yin)在(zai)于(yu)(yu)(yu)在(zai)較(jiao)低(di)壓(ya)力(li)下(xia)，加(jia)(jia)壓(ya)對凝(ning)固(gu)(gu)熱(re)力(li)學和動力(li)學參數的影響十(shi)分(fen)(fen)(fen)有(you)限，但強化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)冷(leng)卻(que)效果十(shi)分(fen)(fen)(fen)明同(tong)時凝(ning)固(gu)(gu)過程中冷(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)(lv)越小(xiao)，越有(you)利于(yu)(yu)(yu)魚(yu)骨狀M6C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的形成(cheng)(cheng)，且(qie)(qie)(qie)M6C越粗大(da)(da)。因(yin)(yin)而(er)(er)增(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)主要(yao)(yao)(yao)通(tong)過增(zeng)大(da)(da)鑄錠和鑄型間界(jie)面(mian)換熱(re)系數，提高(gao)(gao)鑄錠的冷(leng)卻(que)速(su)(su)率(lv)(lv)從(cong)而(er)(er)細化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)并抑(yi)制M6C共晶(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)的形成(cheng)(cheng)，且(qie)(qie)(qie)當壓(ya)力(li)增(zeng)加(jia)(jia)到一定程度時，能(neng)夠完全抑(yi)制富含M6C的萊氏體形成(cheng)(cheng)，消除其對組織(zhi)(zhi)和性能(neng)的不良影響。

   圖2-121(b)所(suo)示萊(lai)(lai)氏(shi)體組織(zhi)中碳(tan)(tan)化物(wu)為長(chang)(chang)條狀(zhuang)(zhuang)或者(zhe)短棒狀(zhuang)(zhuang)的(de)(de)(de)(de)M2C.凝固壓力不同，M2C的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)、形貌以及分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)緊密程度(du)等均有(you)所(suo)不同。在(zai)0.1MPa壓力下(xia)，碳(tan)(tan)化物(wu)分(fen)枝較(jiao)(jiao)少、片層較(jiao)(jiao)長(chang)(chang)、尺(chi)寸(cun)較(jiao)(jiao)大(da)、間距較(jiao)(jiao)寬(kuan)、共晶(jing)(jing)萊(lai)(lai)氏(shi)體與(yu)枝晶(jing)(jing)臂的(de)(de)(de)(de)界面較(jiao)(jiao)平整；隨著壓力的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，條狀(zhuang)(zhuang)或片層狀(zhuang)(zhuang)碳(tan)(tan)化物(wu)的(de)(de)(de)(de)間距逐漸減小，且開(kai)始(shi)斷開(kai)成大(da)量的(de)(de)(de)(de)短棒碳(tan)(tan)化物(wu)，碳(tan)(tan)化物(wu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)枝也逐漸增(zeng)多，并密集(ji)分(fen)布(bu)在(zai)枝晶(jing)(jing)間，共晶(jing)(jing)萊(lai)(lai)氏(shi)體與(yu)枝晶(jing)(jing)臂的(de)(de)(de)(de)界面也較(jiao)(jiao)為粗(cu)糙。此外，三個壓力下(xia)的(de)(de)(de)(de)M2C幾乎沒有(you)晶(jing)(jing)體缺陷，明壓力很難對(dui)碳(tan)(tan)化物(wu)晶(jing)(jing)格類型產(chan)生影響。

  b. 萊氏體尺寸

   萊氏體(ti)(ti)組織存(cun)在(zai)于(yu)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)，與枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)、形貌及分(fen)(fen)(fen)布(bu)密切相(xiang)關，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)越(yue)小，枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)萊氏體(ti)(ti)尺(chi)(chi)寸也相(xiang)應地(di)細(xi)小且均(jun)勻(yun)分(fen)(fen)(fen)布(bu)。圖(tu)2-124和(he)圖(tu)2-125給出了(le)不同壓力(li)條件(jian)下M42鑄(zhu)錠邊(bian)(bian)部(bu)和(he)心部(bu)萊氏體(ti)(ti)形貌和(he)尺(chi)(chi)寸分(fen)(fen)(fen)布(bu)，無論(lun)是(shi)鑄(zhu)錠的(de)邊(bian)(bian)部(bu)還是(shi)心部(bu)，尺(chi)(chi)寸不一的(de)萊氏體(ti)(ti)組織（黑色）均(jun)分(fen)(fen)(fen)布(bu)在(zai)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)。在(zai)同一凝固壓力(li)條件(jian)下，鑄(zhu)錠邊(bian)(bian)部(bu)的(de)枝(zhi)(zhi)晶(jing)間(jian)距(ju)明顯(xian)小于(yu)心部(bu)，因(yin)而心部(bu)萊氏體(ti)(ti)要比(bi)邊(bian)(bian)部(bu)粗(cu)大。

   隨(sui)著壓力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，在(zai)壓力(li)(li)強化(hua)冷(leng)卻的(de)(de)作用下(xia)(xia)，冷(leng)卻速率增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，鑄錠局部凝固時間(jian)縮短，使得(de)枝(zhi)晶組織(zhi)(zhi)得(de)到了明(ming)顯細(xi)化(hua)且尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)(bu)(bu)更(geng)均勻，進而導致分(fen)布(bu)(bu)(bu)在(zai)枝(zhi)晶間(jian)的(de)(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)也隨(sui)之(zhi)細(xi)化(hua)，厚(hou)度大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)減小且分(fen)布(bu)(bu)(bu)更(geng)加(jia)均勻。在(zai)0.1MPa 壓力(li)(li)下(xia)(xia)，無論在(zai)邊部還是(shi)心部位置，鑄錠的(de)(de)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)均較為粗大(da)(da)(da)，且尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)(bu)(bu)極不均勻，部分(fen)局部區域存在(zai)著大(da)(da)(da)量的(de)(de)黑色萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)，尤其(qi)在(zai)多個枝(zhi)晶臂(bei)交匯處，且尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)異常粗大(da)(da)(da)。當壓力(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)1MPa時，粗大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)得(de)到明(ming)顯細(xi)化(hua)，且尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)分(fen)布(bu)(bu)(bu)更(geng)加(jia)均勻；當壓力(li)(li)進一步(bu)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時，萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)得(de)到進一步(bu)地(di)改善，組織(zhi)(zhi)更(geng)加(jia)細(xi)密，尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)更(geng)加(jia)均勻，粗大(da)(da)(da)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)基本消(xiao)失(shi)。萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)平均尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)隨(sui)壓力(li)(li)的(de)(de)變化(hua)規(gui)律如(ru)圖2-126所示，壓力(li)(li)從0.1MPa增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)2MPa時，萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)厚(hou)度由28.37μm降低(di)至(zhi)22.92μm.因此，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓力(li)(li)能夠明(ming)顯細(xi)化(hua)萊(lai)(lai)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)，改善其(qi)分(fen)布(bu)(bu)(bu)狀(zhuang)態。

 2. 壓力對碳(tan)化物的(de)影響(xiang)

  a. 碳化物(wu)尺寸

   以高速鋼(gang)中(zhong)(zhong)M2C共(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化物(wu)為(wei)例，M2C共(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳(tan)化物(wu)是通過(guo)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)反應(ying)L→y+M2C產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。和(he)純金(jin)屬及固(gu)溶體合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)結晶(jing)(jing)(jing)過(guo)程一樣，共(gong)晶(jing)(jing)(jing)轉變(bian)(bian)(bian)(bian)同(tong)樣需(xu)要經過(guo)形(xing)核(he)與(yu)長大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程。結合(he)式（2-178)和(he)式（2-179),東(dong)北(bei)大(da)學特殊鋼(gang)冶金(jin)研究所在(zai)控制溫(wen)(wen)度(du)不變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，計算了不同(tong)壓(ya)力(li)(li)下各(ge)元(yuan)素(su)在(zai)兩(liang)相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)，探討(tao)凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)與(yu)擴(kuo)(kuo)散(san)激活能的(de)(de)(de)(de)(de)關系。凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)度(du)T=1478K時，合(he)金(jin)元(yuan)素(su)（鉬、鎢(wu)、釩和(he)鉻）在(zai)M2C相(xiang)和(he)奧氏體相(xiang)γ中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)D隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)化規律(lv)如圖2-127和(he)圖2-128所示；從(cong)整體上看(kan)，隨著(zhu)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)逐漸(jian)增(zeng)大(da)，同(tong)溫(wen)(wen)度(du)M2C相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉬和(he)鎢(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)D呈(cheng)減小(xiao)趨勢(shi)，而合(he)金(jin)元(yuan)素(su)釩和(he)鉻則呈(cheng)增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，表明(ming)提高壓(ya)力(li)(li)可(ke)增(zeng)大(da)M2C中(zhong)(zhong)鉬、鎢(wu)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)激活能ΔGm,進而降(jiang)低其擴(kuo)(kuo)散(san)能力(li)(li)；同(tong)時降(jiang)低釩、鉻元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)激活能ΔGm,從(cong)而提高其擴(kuo)(kuo)散(san)能力(li)(li)。然而，當壓(ya)力(li)(li)在(zai)0.1~2MPa范(fan)圍內變(bian)(bian)(bian)(bian)化時，各(ge)元(yuan)素(su)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)化微(wei)乎其微(wei)，即(ji)保持恒(heng)定值。隨著(zhu)凝固(gu)壓(ya)力(li)(li)逐漸(jian)增(zeng)大(da)到50MPa,元(yuan)素(su)鉬的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)才(cai)開始產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)化，鎢(wu)、釩和(he)鉻元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)甚(shen)至在(zai)100MPa壓(ya)力(li)(li)下仍(reng)未產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)變(bian)(bian)(bian)(bian)化。因(yin)此低壓(ya)下，元(yuan)素(su)擴(kuo)(kuo)散(san)系數(shu)(shu)隨壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)化可(ke)忽(hu)略不計。

  的(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)降低，鉻(ge)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)數則隨(sui)(sui)著凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)增(zeng)加，如(ru)圖2-128所示。即增(zeng)大(da)凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)具(ju)有提高奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)γ相(xiang)中合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素鉬(mu)、鎢(wu)和(he)釩(fan)的(de)(de)擴(kuo)散(san)激活(huo)能ΔGm,降低其擴(kuo)散(san)能力(li)(li)以及減小元(yuan)(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)擴(kuo)散(san)激活(huo)能ΔGm和(he)增(zeng)大(da)其擴(kuo)散(san)能力(li)(li)的(de)(de)作用。與(yu)M2C差別在(zai)于，在(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)γ中，較小的(de)(de)凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)便可發揮比較明(ming)(ming)(ming)顯(xian)的(de)(de)作用，例(li)如(ru)：當凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)大(da)于2MPa時，元(yuan)(yuan)素鉻(ge)的(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)數隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加而(er)明(ming)(ming)(ming)顯(xian)增(zeng)大(da)；鉬(mu)和(he)釩(fan)元(yuan)(yuan)素則在(zai)10MPa時開始隨(sui)(sui)壓(ya)力(li)(li)增(zeng)加而(er)明(ming)(ming)(ming)顯(xian)減小。可見，在(zai)相(xiang)同溫度下，相(xiang)比于M2C相(xiang)，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素釩(fan)、鎢(wu)、鉬(mu)和(he)鉻(ge)在(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)γ相(xiang)中的(de)(de)擴(kuo)散(san)情況受凝(ning)固壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)影響更(geng)為明(ming)(ming)(ming)顯(xian)。但在(zai)0.1~2MPa的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)范圍內(nei)，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素在(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)γ中的(de)(de)擴(kuo)散(san)系(xi)數幾乎(hu)保(bao)持(chi)不變（㎡/s):DMo=1.13214x10-14、Dw=1.23805x10-14、Dv=1.39269x10-14、Dcr=1.18654x10-14,同時，各元(yuan)(yuan)素擴(kuo)散(san)激活(huo)能ΔGm也(ye)未發生明(ming)(ming)(ming)顯(xian)變化。

   綜(zong)上所述(shu)，在(zai)低壓下，影(ying)響M2C形(xing)核(he)率的主要因素是(shi)隨(sui)凝(ning)固壓力(li)增(zeng)大而(er)顯(xian)著減小的形(xing)核(he)功(gong)。增(zeng)加(jia)凝(ning)固壓力(li)可顯(xian)著改善換熱條件強化鑄錠冷卻(que)、提高鑄錠過冷度ΔT,進而(er)降低共晶反應(ying)過程(cheng)中(zhong)奧(ao)氏(shi)體相(xiang)γ和M2C相(xiang)的形(xing)核(he)功(gong)ΔG*,最終增(zeng)大M2C的形(xing)核(he)率、減小M2C相(xiang)鄰碳化物的間(jian)距。

  此外，增加壓力使M2C形核率大(da)大(da)增加，同時(shi)強化了鑄錠冷卻，顯著降低(di)了局部凝固(gu)時(shi)間LST,導致(zhi)加壓下(xia)鑄錠同位(wei)置的(de)凝固(gu)相(xiang)對較快，M2C共晶碳化物(wu)(wu)生長時(shi)間變短，導致(zhi)M42凝固(gu)組織中(zhong)M2C碳化物(wu)(wu)的(de)尺寸減小。這對于(yu)后續的(de)熱處理碳化物(wu)(wu)的(de)溶解具(ju)有積極的(de)意義。

  圖(tu)(tu)2-129為不同凝固(gu)壓(ya)力(li)下M2C共晶碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)在熱處理過程(cheng)中的(de)元素擴(kuo)散示意圖(tu)(tu)。隨著(zhu)凝固(gu)壓(ya)力(li)的(de)增大(da)，碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)由長條(tiao)狀(zhuang)轉變為短棒狀(zhuang)，在縱向(xiang)和橫向(xiang)上的(de)尺(chi)寸(cun)均顯(xian)著(zhu)減(jian)小。因此，在熱處理過程(cheng)中，碳化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)中的(de)元素由內向(xiang)外擴(kuo)散的(de)平均距(ju)離(li)也相應隨著(zhu)凝固(gu)壓(ya)力(li)的(de)增大(da)而(er)顯(xian)著(zhu)減(jian)小，熱處理效果(guo)更加(jia)明顯(xian)，熱處理后M42組織的(de)成分更加(jia)均勻，進而(er)有利于提高(gao)M42高(gao)速鋼的(de)質(zhi)量。

  b. 碳化物成分

   M2C的(de)形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)主要包(bao)括(kuo)鉬(mu)(mu)、鎢、釩和鉻，其(qi)中(zhong)鉬(mu)(mu)元(yuan)素(su)(su)是強M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)形(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)，也是M2C中(zhong)含(han)量(liang)最高的(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)。圖(tu)2-130給出(chu)了不(bu)同壓力(li)下(xia)M2C中(zhong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)鉬(mu)(mu)、鎢、釩和鉻含(han)量(liang)，隨著壓力(li)的(de)增大(da)(da)，M2C上的(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)鉬(mu)(mu)、鎢、釩和鉻含(han)量(liang)均逐(zhu)漸減小，而鐵元(yuan)素(su)(su)則逐(zhu)漸增大(da)(da)；同時(shi)，M2C碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)之間基體中(zhong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)含(han)量(liang)則呈(cheng)現相反的(de)規律：鉬(mu)(mu)、鎢、釩和鉻元(yuan)素(su)(su)含(han)量(liang)逐(zhu)漸增大(da)(da)，而鐵元(yuan)素(su)(su)減少。這表明，增大(da)(da)的(de)壓力(li)使得合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)在(zai)M2C共晶碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)中(zhong)的(de)分布趨于均勻(yun)，為后續(xu)的(de)處理(li)、熱加(jia)工工藝中(zhong)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)的(de)破碎、溶(rong)解提供(gong)良(liang)好(hao)的(de)基礎。

  在(zai)(zai)高速鋼中，M2C共(gong)晶碳(tan)化(hua)物(wu)是通過(guo)凝固過(guo)程(cheng)(cheng)中的(de)共(gong)晶反應L→M2C+y產生(sheng)的(de)，在(zai)(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)(cheng)中存在(zai)(zai)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)相(xiang)(xiang)和奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)(xiang)之間的(de)溶質再(zai)分(fen)配(pei)［172].在(zai)(zai)一定溫(wen)度下(xia)，平衡分(fen)配(pei)系數可表示(shi)為固相(xiang)(xiang)和液相(xiang)(xiang)中的(de)元(yuan)素濃度之比：

   式中(zhong)(zhong)，Cs和(he)(he)CL分(fen)別表示在凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，元素在固(gu)相和(he)(he)液相中(zhong)(zhong)的平衡(heng)濃(nong)度。共晶反應(ying)(ying)L→M2C+y是在凝(ning)固(gu)末(mo)期發生的，圖2-131給出了(le)不同壓力下的M42高速鋼凝(ning)固(gu)時共晶反應(ying)(ying)過程(cheng)中(zhong)(zhong)M2C碳(tan)化物相和(he)(he)奧(ao)氏體γ相中(zhong)(zhong)各(ge)元素的單相平衡(heng)分(fen)配(pei)系數(shu)。

  式(shi)中(zhong)，Cs和(he)C1分別表示在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)，元素在(zai)固相(xiang)(xiang)和(he)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)平衡(heng)濃度。共晶反應L→M2C+y是(shi)在(zai)凝(ning)固末(mo)期發(fa)生的(de)(de)［172,180,181],圖(tu)2-131給(gei)出了不同壓力下(xia)的(de)(de)M42高(gao)速鋼(gang)凝(ning)固時共晶反應過程中(zhong)M2C碳化物相(xiang)(xiang)和(he)奧氏體y相(xiang)(xiang)中(zhong)各(ge)元素的(de)(de)單(dan)相(xiang)(xiang)平衡(heng)分配系數。

  隨壓力的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，共晶反應過程(cheng)(cheng)中(zhong)鉬元素(su)在(zai)M2C和(he)奧氏體(ti)(ti)γ相中(zhong)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)具有升高的(de)(de)(de)趨(qu)勢并逐漸(jian)靠近1.基于(yu)熱力學分(fen)(fen)析，在(zai)M42鑄錠凝固時的(de)(de)(de)共晶反應過程(cheng)(cheng)中(zhong)，增(zeng)(zeng)大(da)壓力可(ke)使鉬元素(su)在(zai)M2C碳(tan)化物相和(he)奧氏體(ti)(ti)γ相中(zhong)的(de)(de)(de)含量增(zeng)(zeng)大(da)。凝固過程(cheng)(cheng)中(zhong)M2C碳(tan)化物相和(he)奧氏體(ti)(ti)γ相中(zhong)的(de)(de)(de)鉬元素(su)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)增(zeng)(zeng)量變化規律(lv)如(ru)圖2-132所示，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa時，M2C碳(tan)化物相中(zhong)的(de)(de)(de)鉬元素(su)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)增(zeng)(zeng)量始(shi)終大(da)于(yu)奧氏體(ti)(ti)γ相中(zhong)的(de)(de)(de)平衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配(pei)(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)增(zeng)(zeng)量。由此可(ke)知，共晶反應過程(cheng)(cheng)中(zhong)，相比于(yu)奧氏體(ti)(ti)γ相，鉬元素(su)更偏向(xiang)于(yu)在(zai)M2C相中(zhong)富集。

  在(zai)(zai)0.1~2MPa壓力范圍內(nei)，加(jia)壓對Mo元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)平(ping)衡分配(pei)系數影(ying)響非(fei)常小(xiao)，變(bian)化量為(wei)10-6~10-5,可(ke)忽略(lve)不計，因而在(zai)(zai)低壓范圍內(nei)，增加(jia)壓力不能通過(guo)改變(bian)元(yuan)素(su)(su)平(ping)衡分配(pei)系數而影(ying)響相(xiang)成(cheng)分。除平(ping)衡分配(pei)系數以外，鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)溶質的(de)(de)分配(pei)情況(kuang)與元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)傳質行為(wei)有關(guan)。在(zai)(zai)M42鑄(zhu)錠凝(ning)(ning)固(gu)末(mo)期的(de)(de)共晶反應L→M2C+y過(guo)程中(zhong)(zhong)存在(zai)(zai)M2C碳化物相(xiang)和奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)之間的(de)(de)溶質再分配(pei)：液相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)M2C形成(cheng)元(yuan)素(su)(su)（鉬、鎢(wu)、釩和鉻）通過(guo)凝(ning)(ning)固(gu)前沿(yan)固(gu)／液界(jie)面向(xiang)M2C碳化物相(xiang)富(fu)集，同時奧氏(shi)體(ti)γ相(xiang)形成(cheng)元(yuan)素(su)(su)（鈷(gu)、鐵）則(ze)向(xiang)奧氏(shi)體(ti)相(xiang)富(fu)集，整個反應發生(sheng)在(zai)(zai)凝(ning)(ning)固(gu)末(mo)期的(de)(de)枝晶間小(xiao)熔池內(nei)，此時液相(xiang)流(liu)動很弱，元(yuan)素(su)(su)對流(liu)傳質行為(wei)可(ke)忽略(lve)，因而溶質的(de)(de)分配(pei)主要與相(xiang)中(zhong)(zhong)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)擴(kuo)散傳質行為(wei)有關(guan)。

  根據(ju)菲(fei)克(ke)第一定律公式（2-178)可知(zhi)，擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)D與(yu)溫(wen)度(du)T呈反比關系(xi)。圖2-133為2MPa下M2C形成元素的擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)隨溫(wen)度(du)的變(bian)(bian)化關系(xi)。在(zai)(zai)凝(ning)固(gu)壓力(li)不變(bian)(bian)時，溫(wen)度(du)的降低(di)會顯(xian)著(zhu)減小擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)，在(zai)(zai)低(di)壓范圍內，相(xiang)對于凝(ning)固(gu)壓力(li)變(bian)(bian)化，溫(wen)度(du)變(bian)(bian)化對擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數(shu)D具(ju)有更明顯(xian)的影響。

  增大壓力具有顯著強化(hua)冷(leng)卻和(he)(he)減少鑄(zhu)(zhu)錠局(ju)部凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)時間的作用。由此可知，對(dui)于(yu)0.1MPa、1MPa和(he)(he)2MPa壓力下(xia)的鑄(zhu)(zhu)錠凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)過程，在相同的凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)時間內(nei)，在較高(gao)壓力下(xia)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)的鑄(zhu)(zhu)錠冷(leng)卻更快，溫度更低(di)，其元(yuan)(yuan)素擴散系數則相對(dui)較低(di)，導(dao)致元(yuan)(yuan)素擴散速率減小，使得M2C共(gong)晶碳(tan)化(hua)物中釩、鎢(wu)、鉻和(he)(he)鉬元(yuan)(yuan)素含(han)量降低(di)，碳(tan)化(hua)物間基體的合金(jin)元(yuan)(yuan)素含(han)量升高(gao)，降低(di)了M2C碳(tan)化(hua)物和(he)(he)奧(ao)氏(shi)體γ相之間的成(cheng)分差異性，提(ti)高(gao)了M42凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)組(zu)織成(cheng)分的均勻(yun)性。

  c. 碳化物形(xing)貌

   M2C碳化(hua)物明顯(xian)具有各向(xiang)異(yi)性的(de)生長方式，形(xing)貌具有小(xiao)(xiao)平(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)向(xiang)的(de)特性。共(gong)晶(jing)(jing)(jing)組織的(de)形(xing)貌與共(gong)晶(jing)(jing)(jing)過(guo)程(cheng)中(zhong)液／固界面(mian)(mian)(mian)結(jie)構(gou)有密(mi)切聯(lian)系，金屬相(xiang)－金屬碳化(hua)物相(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)屬于小(xiao)(xiao)平(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)相(xiang)－非小(xiao)(xiao)平(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)相(xiang)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)［146].M2C是通過(guo)凝(ning)固末(mo)期(qi)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)熔池里的(de)共(gong)晶(jing)(jing)(jing)反M2C共(gong)晶(jing)(jing)(jing)碳化(hua)物形(xing)成于凝(ning)固末(mo)期(qi)枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)殘余液相(xiang)中(zhong)，根據凝(ning)固原理。枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)殘余液相(xiang)中(zhong)元素含量(liang)(liang)明顯(xian)高于鑄錠(ding)標準含量(liang)(liang)。不(bu)同(tong)壓力下枝晶(jing)(jing)(jing)間(jian)液相(xiang)中(zhong)各相(xiang)出現的(de)先(xian)后順(shun)序，如圖2-135所示，在不(bu)同(tong)壓力下，M2C均領(ling)先(xian)奧氏體相(xiang)γ出現。這表明，在共(gong)晶(jing)(jing)(jing)反應L→y+M2C過(guo)程(cheng)中(zhong)，M2C是領(ling)先(xian)相(xiang)。

  在(zai)共晶凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，領先相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)M2C的(de)(de)快速(su)(su)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)方(fang)向率(lv)先進(jin)(jin)(jin)入共生(sheng)界(jie)面前(qian)方(fang)的(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)，同時在(zai)其附近液(ye)層(ceng)(ceng)中(zhong)排(pai)出奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)形成元(yuan)素(su)；隨(sui)后奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ則(ze)依(yi)靠此液(ye)層(ceng)(ceng)獲得生(sheng)長(chang)(chang)(chang)組(zu)(zu)元(yuan)，跟(gen)隨(sui)著(zhu)M2C一起(qi)長(chang)(chang)(chang)大，同時也向液(ye)層(ceng)(ceng)中(zhong)排(pai)出M2C形成元(yuan)素(su)，如(ru)(ru)圖2-136所(suo)示(shi)。隨(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)壓力的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，凝固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)加(jia)，M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)均加(jia)快。一方(fang)面，M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰間距隨(sui)壓力的(de)(de)增(zeng)(zeng)大逐漸減小(xiao)，即奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)液(ye)／固(gu)(gu)界(jie)面變窄；另一方(fang)面，加(jia)壓使得枝晶間殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)合金元(yuan)素(su)沒有足夠(gou)時間進(jin)(jin)(jin)行充分擴散；導致奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)液(ye)／固(gu)(gu)界(jie)面前(qian)沿合金元(yuan)素(su)濃度急劇增(zeng)(zeng)大，成分過(guo)冷(leng)加(jia)劇，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)長(chang)(chang)(chang)大速(su)(su)率(lv)進(jin)(jin)(jin)一步增(zeng)(zeng)大，使得M2C相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)差逐漸縮小(xiao)。此外，奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)作為非(fei)小(xiao)平面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，其生(sheng)長(chang)(chang)(chang)所(suo)需(xu)過(guo)冷(leng)度遠(yuan)小(xiao)于小(xiao)平面相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)，使得在(zai)凝固(gu)(gu)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)大的(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)量(liang)大于M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)速(su)(su)率(lv)增(zeng)(zeng)量(liang)。因此，隨(sui)著(zhu)壓力的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，枝晶間共晶組(zu)(zu)織中(zhong)奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ的(de)(de)含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對增(zeng)(zeng)多(duo)，使得M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)空間受(shou)到“排(pai)擠(ji)”，含量(liang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對減少，最終M2C碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)逐漸呈現出被奧(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ“截斷”進(jin)(jin)(jin)而變短(duan)的(de)(de)形貌，如(ru)(ru)圖2-134所(suo)示(shi)。

四、夾雜物分布(bu)

   夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)是影響鋼錠質量(liang)的(de)一(yi)個(ge)重要因(yin)素。鋼中(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)主(zhu)要包括冶煉過(guo)程(cheng)中(zhong)進行脫氧處理形成的(de)脫氧產(chan)物(wu)(wu)、凝固過(guo)程(cheng)元素溶解度下降(jiang)形成的(de)氧化物(wu)(wu)、氮化物(wu)(wu)、硫化物(wu)(wu)等化合物(wu)(wu)以及爐(lu)渣和(he)由(you)于沖刷而進入鋼液的(de)耐火材料。

   根據夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)來源，可以將鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)為(wei)兩類:①外(wai)(wai)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。外(wai)(wai)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)大部分(fen)(fen)(fen)為(wei)復合氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)，主要是由(you)(you)于鋼(gang)(gang)液(ye)(ye)接(jie)觸空氣生成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)以及進入鋼(gang)(gang)液(ye)(ye)的(de)(de)爐渣、耐(nai)火材(cai)料組成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。外(wai)(wai)生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)外(wai)(wai)形(xing)不規則、尺(chi)寸大、構成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)復雜(za)(za)，常常位(wei)于鋼(gang)(gang)的(de)(de)表層，具(ju)有嚴重的(de)(de)危害性(xing)。②內生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)是由(you)(you)于脫氧(yang)(yang)、鋼(gang)(gang)水鈣處理(li)等物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)反應(ying)而(er)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。內生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在鋼(gang)(gang)液(ye)(ye)中(zhong)數量(liang)較多，分(fen)(fen)(fen)布均(jun)勻(yun)，顆粒細(xi)小。由(you)(you)于形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)時(shi)間不同，內生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可分(fen)(fen)(fen)為(wei)：鋼(gang)(gang)液(ye)(ye)脫氧(yang)(yang)時(shi)期(qi)生成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，也稱為(wei)原生夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)或(huo)一次(ci)(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；溫度降低造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)化(hua)(hua)學反應(ying)平(ping)衡的(de)(de)移動進而(er)析(xi)出二次(ci)(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)；由(you)(you)于溶質元素偏析(xi)和(he)溶解度變化(hua)(hua)而(er)析(xi)出的(de)(de)三(san)次(ci)(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)甚(shen)至四(si)次(ci)(ci)夾(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)。

   夾雜(za)物(wu)(wu)作(zuo)(zuo)為(wei)凝(ning)固組織的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)組成部分，其特性(xing)(xing)至關(guan)重(zhong)要(yao)，對于(yu)進(jin)一步揭示加(jia)壓(ya)(ya)冶金(jin)的(de)(de)(de)(de)優(you)(you)勢十分關(guan)鍵。非金(jin)屬夾雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)特性(xing)(xing)（數量(liang)、尺寸和(he)(he)分布(bu)(bu)等(deng)(deng)）對鋼的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)（力(li)學性(xing)(xing)能(neng)(neng)和(he)(he)腐蝕等(deng)(deng)）有重(zhong)要(yao)影(ying)響(xiang)。同時，改(gai)(gai)善鋼中(zhong)夾雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)分布(bu)(bu)情況并盡(jin)可能(neng)(neng)徹底地去除非金(jin)屬夾雜(za)物(wu)(wu)可以(yi)有效地減少(shao)缺陷和(he)(he)提高性(xing)(xing)能(neng)(neng)。為(wei)了(le)改(gai)(gai)善夾雜(za)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)分布(bu)(bu)，施加(jia)在夾雜(za)物(wu)(wu)上的(de)(de)(de)(de)力(li)包(bao)括(kuo)重(zhong)力(li)、浮力(li)、曳力(li)，附加(jia)質量(liang)力(li)、升力(li)和(he)(he)反彈力(li)等(deng)(deng)起著關(guan)鍵作(zuo)(zuo)用(yong)。這些力(li)主要(yao)是通(tong)(tong)(tong)過溫度、流(liu)場(chang)、重(zhong)力(li)場(chang)和(he)(he)電磁(ci)場(chang)等(deng)(deng)物(wu)(wu)理場(chang)來確定。因此，可以(yi)通(tong)(tong)(tong)過采取一系列措施優(you)(you)化物(wu)(wu)理場(chang)來改(gai)(gai)善夾雜(za)物(wu)(wu)分布(bu)(bu)。例如，鋼包(bao)中(zhong)使用(yong)的(de)(de)(de)(de)氣體攪(jiao)拌、連鑄過程(cheng)中(zhong)添加(jia)磁(ci)場(chang)。對于(yu)加(jia)壓(ya)(ya)冶金(jin)，壓(ya)(ya)力(li)是關(guan)鍵因素(su)。目(mu)前(qian)，已(yi)經證實加(jia)壓(ya)(ya)會(hui)在各個方面影(ying)響(xiang)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)理場(chang)，包(bao)括(kuo)加(jia)壓(ya)(ya)通(tong)(tong)(tong)過加(jia)快鑄錠的(de)(de)(de)(de)冷卻速率(lv)和(he)(he)加(jia)強鑄錠與鑄模(mo)之間的(de)(de)(de)(de)熱(re)交換來改(gai)(gai)變溫度場(chang)，通(tong)(tong)(tong)過改(gai)(gai)變糊(hu)狀區(qu)域的(de)(de)(de)(de)大小和(he)(he)枝晶結構影(ying)響(xiang)流(liu)場(chang)等(deng)(deng)。

   因此(ci)，可以認為在凝(ning)固過程中壓(ya)(ya)力具有改變(bian)(bian)夾雜物分布(bu)的能力，并且壓(ya)(ya)力對夾雜物分布(bu)的影響機制(zhi)非常復雜，然而，關于加(jia)壓(ya)(ya)對夾雜物分布(bu)變(bian)(bian)化的影響研究(jiu)相對較少。這表明(ming)加(jia)壓(ya)(ya)對凝(ning)固組織(zhi)的影響機理尚(shang)未(wei)全面闡明(ming)。

 1. 夾雜(za)物分(fen)布(bu)分(fen)析模型

   在實(shi)際凝固過(guo)程中，夾(jia)(jia)雜(za)物的(de)受力(li)情況、運動軌跡(ji)很(hen)難通過(guo)實(shi)驗進行(xing)測量。數值模(mo)擬(ni)提供了(le)一(yi)種(zhong)可以深入了(le)解某些無(wu)法通過(guo)實(shi)驗評估的(de)現(xian)象的(de)方法。這些現(xian)象包(bao)括(kuo)夾(jia)(jia)雜(za)物的(de)運動軌跡(ji)，作用(yong)于(yu)夾(jia)(jia)雜(za)物的(de)力(li)和夾(jia)(jia)雜(za)物的(de)速度等。根據電渣、連(lian)鑄和鋼(gang)包(bao)精煉等過(guo)程中的(de)相關研究，數值模(mo)擬(ni)是一(yi)種(zhong)非常有效的(de)研究夾(jia)(jia)雜(za)物運動行(xing)為的(de)方法。

   鋼液(ye)凝固(gu)過程(cheng)涉(she)及熱量傳遞、質量傳輸、動量傳輸、相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)轉變和晶粒形核長大等一系列復雜的物(wu)(wu)理化學現象，同時存在金(jin)屬(shu)(shu)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)、金(jin)屬(shu)(shu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)、氣相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和夾(jia)雜物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)等多(duo)(duo)個相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)之間的相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互作用，適合應用歐(ou)拉(la)多(duo)(duo)項流模(mo)(mo)型進(jin)行(xing)計算求(qiu)解。其中(zhong)，根(gen)據對(dui)夾(jia)雜物(wu)(wu)運動行(xing)為處理方式，夾(jia)雜物(wu)(wu)分(fen)布分(fen)析模(mo)(mo)型可以(yi)分(fen)為歐(ou)拉(la)－拉(la)格朗日模(mo)(mo)型和歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模(mo)(mo)型。

 a. 歐拉(la)(la)－拉(la)(la)格(ge)朗日模型歐拉(la)(la)－

   拉(la)格(ge)朗日(ri)離(li)(li)散相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)模(mo)型是在歐拉(la)模(mo)型的基(ji)(ji)礎上，將夾雜物(wu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)處(chu)理成離(li)(li)散相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，而(er)流體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)處(chu)理為連(lian)續相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。根據球型夾雜物(wu)的受力(li)分析(xi)，基(ji)(ji)于(yu)(yu)牛頓第二定律，建(jian)立(li)夾雜物(wu)運動模(mo)型，并(bing)與鋼液凝固(gu)模(mo)型耦合，從而(er)模(mo)擬夾雜物(wu)在凝固(gu)過程運動行為。該(gai)模(mo)型可以(yi)跟蹤每個(ge)夾雜物(wu)顆(ke)粒并(bing)獲得其速(su)度(du)、運動軌跡以(yi)及(ji)夾雜物(wu)去除過程中(zhong)的動力(li)學行為。此(ci)外，該(gai)模(mo)型是基(ji)(ji)于(yu)(yu)離(li)(li)散相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)積(ji)比例(li)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對較低的基(ji)(ji)本假設而(er)建(jian)立(li)。

   夾(jia)雜物在(zai)鋼液(ye)中的運(yun)動(dong)，主(zhu)要(yao)是各種力(li)(li)(li)的共同作用造成的。夾(jia)雜物在(zai)鋼液(ye)中受力(li)(li)(li)情況如(ru)圖(tu)2-137所示。可以看(kan)出，夾(jia)雜物顆粒(li)受到主(zhu)要(yao)作用力(li)(li)(li)分(fen)別為：由(you)于顆粒(li)自身性質(zhi)引起的力(li)(li)(li)，如(ru)重力(li)(li)(li)、浮力(li)(li)(li)等(deng)；由(you)于顆粒(li)與(yu)流體之(zhi)間存在(zai)相對運(yun)動(dong)而產(chan)生的力(li)(li)(li)，如(ru)升力(li)(li)(li)（Saffman)、附加質(zhi)量力(li)(li)(li)、曳力(li)(li)(li)和Magnus力(li)(li)(li)等(deng)；細小夾(jia)雜物在(zai)高溫(wen)條(tiao)件下(xia)受的布朗（Brown)力(li)(li)(li)等(deng)。

（1)曳力。

   在(zai)鋼液(ye)流場內黏(nian)性(xing)流體與顆粒之間存在(zai)相對運動，由黏(nian)性(xing)流體施加(jia)的曳(ye)力(li)使得夾雜(za)物顆粒趨向于(yu)跟(gen)隨流體運動。曳(ye)力(li)是夾雜(za)物顆粒在(zai)凝固過(guo)程中的主要受力(li)之一。計算公式如(ru)下：

（2)浮(fu)力和重力。

   在豎(shu)直方向上，夾(jia)雜(za)物顆粒受(shou)到與(yu)相(xiang)對運動無關(guan)的力，包括重(zhong)力和浮力，其

（3)附加(jia)質量(liang)力。

   當鋼(gang)液(ye)與夾雜(za)物(wu)顆粒存在相對(dui)運(yun)動時，夾雜(za)物(wu)顆粒會帶動其(qi)(qi)附近的部分鋼(gang)液(ye)做(zuo)加速運(yun)動，此時推動夾雜(za)物(wu)顆粒運(yun)動的力(li)大于(yu)其(qi)(qi)顆粒本身慣性力(li)，這(zhe)部分大于(yu)夾雜(za)物(wu)顆粒本身慣性力(li)的力(li)即為附加質(zhi)量(liang)力(li)。其(qi)(qi)計(ji)算公式為

  通過運用歐拉－拉格朗日模型(xing)對(dui)鋼液凝固過程進行模擬(ni)計算時(shi)，可以得出隨著溫(wen)度場(chang)和流場(chang)的變化，每個球形夾雜物顆粒在鋼液中的運動軌跡和分布。

 b. 歐拉(la)－歐拉(la)模(mo)型

   拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)模(mo)型是研究夾(jia)(jia)雜物顆(ke)粒(li)在(zai)(zai)鋼液(ye)中(zhong)運動行(xing)(xing)為主要的(de)方法，但在(zai)(zai)實際(ji)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)存在(zai)(zai)一些不足，例如，拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)模(mo)型是針對(dui)單一粒(li)子進行(xing)(xing)計算(suan)，當同時追(zhui)蹤多個粒(li)子時，計算(suan)量(liang)過(guo)大，難以(yi)進行(xing)(xing)。相(xiang)較于(yu)拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)模(mo)型，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)型中(zhong)夾(jia)(jia)雜物相(xiang)的(de)控制方程與(yu)流體連續(xu)相(xiang)的(de)控制方程相(xiang)似(si)，運算(suan)相(xiang)對(dui)高效，能夠同時描述多種夾(jia)(jia)雜物顆(ke)粒(li)在(zai)(zai)凝固過(guo)程中(zhong)的(de)分布特征(zheng)。歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)型與(yu)歐(ou)(ou)拉(la)(la)－拉(la)(la)格(ge)(ge)朗日(ri)模(mo)型相(xiang)比，主要差(cha)別是夾(jia)(jia)雜物相(xiang)的(de)動量(liang)方程存在(zai)(zai)差(cha)別，歐(ou)(ou)拉(la)(la)－歐(ou)(ou)拉(la)(la)模(mo)型的(de)夾(jia)(jia)雜物動量(liang)方程表達式為

 2. 模鑄過程中夾雜物的受力分析

  模(mo)鑄過程(cheng)中，夾雜物所受作用(yong)力包(bao)括熱浮力、重力、附加質量力、升力以及相間作用(yong)力等，具體受力情況如圖2-138所示。

   流場對夾(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)分布有關鍵(jian)(jian)影響，這直(zhi)接(jie)歸因(yin)于作(zuo)用(yong)于夾(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)阻(zu)力(li)(li)。以(yi)0.1MPa下H13鑄(zhu)錠凝(ning)固為(wei)例(li)，鋼液(ye)(ye)、夾(jia)(jia)雜物和(he)(he)等(deng)軸晶的(de)(de)(de)(de)流場和(he)(he)速率均顯示在(zai)圖2-139中(zhong)。隨(sui)著(zhu)凝(ning)固的(de)(de)(de)(de)進行，鋼液(ye)(ye)受熱(re)浮(fu)(fu)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)逆時(shi)(shi)針運(yun)動(dong)(dong)，如(ru)圖2-139(a)所(suo)(suo)示。同(tong)時(shi)(shi)，隨(sui)著(zhu)重(zhong)力(li)(li)和(he)(he)浮(fu)(fu)力(li)(li)合(he)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)，等(deng)軸晶的(de)(de)(de)(de)沉降連續(xu)發生在(zai)柱狀晶（tip)的(de)(de)(de)(de)尖端，如(ru)圖2-139(b)所(suo)(suo)示。如(ru)圖2-139(c)所(suo)(suo)示，夾(jia)(jia)雜物流場中(zhong)出現逆時(shi)(shi)針運(yun)動(dong)(dong)，與(yu)鋼液(ye)(ye)相似(si)。這種運(yun)動(dong)(dong)行為(wei)主要是由(you)作(zuo)用(yong)在(zai)夾(jia)(jia)雜物上的(de)(de)(de)(de)合(he)力(li)(li)引(yin)起的(de)(de)(de)(de)。根據模擬結果，凝(ning)固過程中(zhong)重(zhong)力(li)(li)，浮(fu)(fu)力(li)(li)和(he)(he)阻(zu)力(li)(li)在(zai)改變夾(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)行為(wei)中(zhong)起著(zhu)關鍵(jian)(jian)作(zuo)用(yong)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)比附加(jia)質量力(li)(li)和(he)(he)升力(li)(li)大了三(san)個數量級。重(zhong)力(li)(li)和(he)(he)浮(fu)(fu)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)方(fang)向均為(wei)垂直(zhi)方(fang)向，因(yin)為(wei)夾(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)(de)密度低于液(ye)(ye)體的(de)(de)(de)(de)密度，故其合(he)力(li)(li)Fbg的(de)(de)(de)(de)方(fang)向垂直(zhi)向上，如(ru)圖2-139(d)所(suo)(suo)示。

   在(zai)(zai)整個凝固過程中(zhong)，Fbg保(bao)持不變，并使夾雜(za)物(wu)上(shang)浮。相比之下(xia)，曳(ye)力(li)(li)Fdp是(shi)向下(xia)的力(li)(li)，具有(you)驅(qu)動夾雜(za)物(wu)向下(xia)沉(chen)的能(neng)力(li)(li)。并且(qie)其變化是(shi)復雜(za)的。根據等式（2-204)可知，曳(ye)力(li)(li)與鋼(gang)液和(he)夾雜(za)物(wu)之間的速度差(cha)密切相關(guan)。在(zai)(zai)頂(ding)部和(he)底(di)部，鋼(gang)液和(he)夾雜(za)物(wu)速度差(cha)很小，與Fbg相比，Fdp可以(yi)忽略不計。在(zai)(zai)柱狀晶尖(jian)端附近(jin)的曳(ye)力(li)(li)Fdp大(da)于Fbg,是(shi)導致夾雜(za)物(wu)下(xia)沉(chen)的關(guan)鍵因素(su)。在(zai)(zai)鑄錠的中(zhong)心，Fdp小于Fbg,Fbg占主導，促使夾雜(za)物(wu)上(shang)浮。因此，模(mo)鑄過程中(zhong)夾雜(za)物(wu)形(xing)成逆(ni)時針運(yun)動，這主要是(shi)由(you)重(zhong)力(li)(li)、浮力(li)(li)和(he)曳(ye)力(li)(li)的綜合作用所驅(qu)動。

 3. 模鑄過程中壓力對夾雜物(wu)分布(bu)的(de)影響

   利用歐(ou)拉(la)－歐(ou)拉(la)模型在(zai)(zai)(zai)0.1MPa、1MPa和2MPa下獲(huo)得(de)了(le)H13鑄錠(ding)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)體積分(fen)(fen)(fen)數的(de)等(deng)值線(xian)，如(ru)圖(tu)2-140所(suo)示(shi)(shi)。每(mei)個鑄錠(ding)中(zhong)都存在(zai)(zai)(zai)三個主要的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)（I、和III),其中(zhong)，II區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)度(du)最低(di)，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)度(du)最高，I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)次之。三個夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)主要由(you)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)逆時針(zhen)運(yun)(yun)動(dong)以(yi)及被糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕集(ji)的(de)綜合作用所(suo)導致。以(yi)0.1MPa 壓力下夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)(fen)(fen)布為(wei)例，遠離(li)糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)(zai)(zai)逆時針(zhen)運(yun)(yun)動(dong)過程(cheng)中(zhong)逐(zhu)漸上(shang)浮(fu)并富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)到鑄錠(ding)頂部(bu)，如(ru)圖(tu) 2-140(c)所(suo)示(shi)(shi)。鑄錠(ding)頂部(bu)富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)的(de)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)一(yi)部(bu)分(fen)(fen)(fen)被糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)捕獲(huo)，形成(cheng)了(le)I區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，其余部(bu)分(fen)(fen)(fen)沿逆時針(zhen)方向(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)動(dong)，運(yun)(yun)動(dong)方向(xiang)(xiang)(xiang)幾乎(hu)垂直(zhi)于糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)(xiang)量。與(yu)之相比，在(zai)(zai)(zai)II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內，夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)運(yun)(yun)動(dong)方向(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)法(fa)向(xiang)(xiang)(xiang)量成(cheng)鈍角，因(yin)而夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)更加趨向(xiang)(xiang)(xiang)于被II和III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)內糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)所(suo)捕獲(huo)，如(ru)圖(tu)2-141所(suo)示(shi)(shi)，導致夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)II和III的(de)形成(cheng)。同時，III區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)程(cheng)度(du)最高，原因(yin)是(shi)糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)較寬，糊(hu)(hu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)夾(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)(wu)捕獲(huo)能力越強，富(fu)(fu)(fu)(fu)集(ji)趨勢更明顯。

   隨(sui)著壓力(li)從0.1MPa增加到2MPa,I、II和III區夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)富集度降低，如2-140(b)所示(shi)，夾(jia)(jia)雜物(wu)體(ti)積(ji)分數(shu)的(de)最大增量 4max隨(sui)壓力(li)的(de)增加而減小(xiao)，在0.1MPa、1MPa和2MPa下(xia)分別為(wei)4.1x10-5、3.5x10-5和1.8x10-5,表明隨(sui)著凝固壓力(li)增加至2MPa,鑄(zhu)錠(ding)中夾(jia)(jia)雜物(wu)分布更加均(jun)勻。

   糊(hu)(hu)(hu)狀區(qu)捕(bu)獲(huo)夾雜(za)物(wu)和(he)夾雜(za)物(wu)從(cong)糊(hu)(hu)(hu)狀區(qu)逃脫的(de)(de)能力(li)(li)(li)(li)對夾雜(za)物(wu)分布至關(guan)重要。結合(he)液(ye)相線／固(gu)(gu)相線溫度(du)(du)隨壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)變化(hua)規律可知，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)區(qu)間變化(hua)很小，當壓(ya)力(li)(li)(li)(li)從(cong)0.1MPa增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)到2MPa時可以忽略不計。因(yin)此(ci)，糊(hu)(hu)(hu)狀區(qu)寬度(du)(du)主要由溫度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)決定。如圖(tu)2-142(b)所示，由于增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)后提高(gao)(gao)了冷(leng)卻速(su)率(lv)導致高(gao)(gao)壓(ya)下溫度(du)(du)梯(ti)(ti)度(du)(du)更大。在(zai)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)下，糊(hu)(hu)(hu)狀區(qu)域的(de)(de)長(chang)度(du)(du)變短［150].另(ling)外，以圖(tu)2-142(a)中的(de)(de)A點(dian)為(wei)例，凝(ning)(ning)固(gu)(gu)時間隨壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而(er)顯著減少(shao)，在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下分別為(wei)292s、272s和(he)247s,凝(ning)(ning)固(gu)(gu)速(su)率(lv)隨壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)。進而(er)表明，在(zai)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)下糊(hu)(hu)(hu)狀區(qu)的(de)(de)長(chang)度(du)(du)較(jiao)(jiao)小且(qie)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)速(su)率(lv)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)，因(yin)此(ci)糊(hu)(hu)(hu)狀區(qu)捕(bu)獲(huo)夾雜(za)物(wu)的(de)(de)能力(li)(li)(li)(li)變弱。

   A、B和(he)C點夾雜(za)物速(su)度(du)隨液(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)分(fen)數(shu)的(de)變化如圖2-143所(suo)示。高溫度(du)梯(ti)度(du)通過(guo)增大熱浮(fu)力來強化鋼(gang)液(ye)對流。另外，研究了糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)中夾雜(za)物的(de)速(su)度(du)隨曳力改的(de)相(xiang)應變化。凝(ning)固(gu)初期，糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)中的(de)夾雜(za)物運動速(su)度(du)隨著(zhu)(zhu)壓(ya)力的(de)增加而(er)增大，在(zai)凝(ning)固(gu)后期，糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)內夾雜(za)物幾乎完全停止運動時液(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)分(fen)數(shu)隨著(zhu)(zhu)壓(ya)力的(de)增加而(er)降低。以點A為例，凝(ning)固(gu)初期（f=0.98),在(zai)0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)夾雜(za)物速(su)度(du)分(fen)別為1.06×10-3m/s、1.19×10-3m/s和(he)1.52×10-3m/s.當(dang)糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)夾雜(za)物的(de)速(su)度(du)降低到5x10-5m/s時，0.1MPa、1MPa和(he)2MPa下(xia)的(de)液(ye)相(xiang)體(ti)積(ji)分(fen)數(shu)分(fen)別為0.74、0.68和(he)0.62.這意味著(zhu)(zhu)夾雜(za)物從糊狀(zhuang)(zhuang)區(qu)逸出的(de)能力隨壓(ya)力增加而(er)增強。

   綜上所述，增加(jia)壓力可以顯著抑制(zhi)糊(hu)狀區中夾雜物的富集，并通(tong)過降低糊(hu)狀區捕(bu)獲(huo)夾雜物的能力，提高夾雜物從糊(hu)狀區中逸出的能力，使鑄錠內夾雜物分布更加(jia)均勻(yun)。