壓(ya)力(li)(li)除了能夠(gou)對溶質(zhi)(zhi)平(ping)衡(heng)分配(pei)(pei)系數(shu)、擴散系數(shu)以(yi)及液相(xiang)線斜率等參數(shu)產生影響(xiang)(xiang)以(yi)外，還能改變(bian)影響(xiang)(xiang)溶質(zhi)(zhi)長(chang)程傳質(zhi)(zhi)的(de)冷卻速率、等軸晶(jing)(jing)形核以(yi)及沉積等,從而影響(xiang)(xiang)鑄錠(ding)溶質(zhi)(zhi)分布的(de)均(jun)勻性(xing)，即宏(hong)／微觀(guan)偏析(xi)；如結合(he)平(ping)衡(heng)分配(pei)(pei)系數(shu)和形核吉布斯自(zi)由(you)能隨壓(ya)力(li)(li)的(de)變(bian)化(hua)規律，加(jia)壓(ya)會(hui)抑制(zhi)枝晶(jing)(jing)沿壓(ya)力(li)(li)梯度方向的(de)生長(chang)，從而導致(zhi)枝晶(jing)(jing)組織和微觀(guan)偏析(xi)呈現(xian)方向性(xing)等。
王書桓等(deng)71利用高溫高壓(ya)反應釜(fu)研究(jiu)了(le)壓(ya)力(li)對于CrN12高氮鋼凝固過程中(zhong)(zhong)偏(pian)析現(xian)象。他(ta)們利用LECO-TC600氮氧儀測量(liang)(liang)了(le)CrN12鑄錠上從(cong)中(zhong)(zhong)心到(dao)邊(bian)部處試樣中(zhong)(zhong)的氮含(han)量(liang)(liang)，取樣位置如圖(tu)2-71所示。
王書桓等研(yan)究了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)偏析(xi)（圖(tu)2-72).對(dui)比不同壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)結(jie)果，可以發現1MPa下(xia)鑄錠內部氮(dan)(dan)(dan)偏析(xi)嚴重，隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)提高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)宏觀偏析(xi)得到(dao)(dao)(dao)了(le)很大改善。當壓(ya)(ya)力(li)提高(gao)到(dao)(dao)(dao)1.6MPa時，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)偏析(xi)程(cheng)度(du)明顯小于1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)凝固的(de)(de)鑄錠，各部位氮(dan)(dan)(dan)含量在(zai)0.360%左右，表明增大壓(ya)(ya)力(li)提高(gao)了(le)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)飽和(he)溶解度(du)。因此，在(zai)凝固過程(cheng)中(zhong)提高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)可以對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)析(xi)出起到(dao)(dao)(dao)抑(yi)制作(zuo)用(yong)，對(dui)氮(dan)(dan)(dan)由固相到(dao)(dao)(dao)液(ye)相的(de)(de)傳質起到(dao)(dao)(dao)阻(zu)礙作(zuo)用(yong)，使整個鑄錠中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)分壓(ya)(ya)趨(qu)于均勻，從(cong)而減(jian)輕氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)宏觀偏析(xi)。
1. 形(xing)核率
根據 Beckerman等(deng)的研究報道，在(zai)(zai)元(yuan)(yuan)素(su)(su)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)的模擬(ni)過程中(zhong)，由于(yu)各(ge)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的溶質分(fen)(fen)(fen)配系(xi)數(shu)均小(xiao)于(yu)1,其(qi)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)的形(xing)成過程和最終偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)類型(xing)均相(xiang)似。因此，在(zai)(zai)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)形(xing)成規律和類型(xing)的預(yu)測過程中(zhong)，可對(dui)(dui)合金(jin)體系(xi)進(jin)行簡(jian)化，選(xuan)取主(zhu)要合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)進(jin)行偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)的模擬(ni)。以(yi)19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)(dan)(dan)奧氏體不(bu)銹鋼(gang)凝固(gu)過程為(wei)(wei)例，其(qi)鐵素(su)(su)體相(xiang)8存在(zai)(zai)區間較窄，結合Wu等(deng)在(zai)(zai)多相(xiang)和單(dan)(dan)相(xiang)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)的模擬(ni)研究。可將(jiang)該凝固(gu)過程簡(jian)化為(wei)(wei)單(dan)(dan)相(xiang)凝固(gu)。氮(dan)(dan)(dan)作為(wei)(wei)含氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的特(te)征元(yuan)(yuan)素(su)(su)，其(qi)溶質分(fen)(fen)(fen)配系(xi)數(shu)較小(xiao)，偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)較嚴重，在(zai)(zai)壓力對(dui)(dui)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)影響的分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)過程中(zhong)，可將(jiang)氮(dan)(dan)(dan)作為(wei)(wei)主(zhu)要元(yuan)(yuan)素(su)(su)，且忽略(lve)其(qi)他元(yuan)(yuan)素(su)(su)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)對(dui)(dui)凝固(gu)過程的影響。基(ji)于(yu)壓力對(dui)(dui)凝固(gu)過程中(zhong)的熱力學參(can)數(shu)、動力學參(can)數(shu)以(yi)及界面換熱系(xi)數(shu)的影響規律，對(dui)(dui)三種(zhong)情況下 19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的凝固(gu)過程進(jin)行模擬(ni)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)，預(yu)測壓力對(dui)(dui)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)程度和類型(xing)的影響規律，三種(zhong)情況（C1、C2和C3)的參(can)數(shu)設置見表2-13。
凝固(gu)20s后，三種凝固(gu)條件下的(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)尖(jian)端(duan)位置(zhi)（TIP)、柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)和(he)(he)(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)體積分數以(yi)(yi)及液相(xiang)和(he)(he)(he)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)速(su)率(lv)分布情況(kuang)如(ru)圖2-73所示。對(dui)比圖2-73(a)和(he)(he)(he)（b)可以(yi)(yi)看出，當等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)形核密度從(cong)3x10°m-3增至(zhi)5x10°m-3時，柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次(ci)枝(zhi)晶(jing)(jing)尖(jian)端(duan)發生了較(jiao)為明顯的(de)變化，尤其是在鑄錠底部(bu)位置(zhi)，且(qie)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)體積分數由(you)0.514增至(zhi)0.618.此(ci)外(wai)，等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)(he)液相(xiang)的(de)最大(da)速(su)率(lv)增加幅度較(jiao)小，分別從(cong)0.01246m/s和(he)(he)(he)0.0075m/s增至(zhi)0.01266m/s和(he)(he)(he)0.0078m/s.
在三種凝固(gu)條件下，鑄錠凝固(gu)結束(shu)后柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)向等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)轉變(bian)(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所示(shi)。隨著(zhu)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)形核密度的增加（對比C1和(he)C2),液相中的等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)形核速率加快，極大(da)地(di)縮短(duan)了柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)前沿等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)體積分(fen)數(shu)到達阻擋分(fen)數(shu)（0.49)的時間，進而促進了CET轉變(bian)(bian)，擴大(da)了等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)域。
增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)力還能(neng)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)(xing)核(he)密度，從而(er)加(jia)劇偏(pian)析(xi)(xi)(xi)。凝(ning)固結(jie)束后氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)如圖(tu)2-75所示。隨著(zhu)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)(xing)核(he)速率的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)范圍(wei)C從-0.07~0.116 擴大(da)至－0.072~0.137,氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)加(jia)劇；此(ci)外，鑄錠(ding)底部負(fu)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)區域也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，鑄錠(ding)內部氮(dan)(dan)(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)位置逐步(bu)向上移動。因此(ci)，在(zai)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)最(zui)(zui)大(da)形(xing)(xing)核(he)密度方面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)壓(ya)力能(neng)夠擴大(da)等軸(zhou)(zhou)晶(jing)區域，從而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)負(fu)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)范圍(wei)，提升氮(dan)(dan)(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)位置的(de)(de)(de)高度，以及(ji)加(jia)劇氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)。
2. 強化(hua)冷卻
增(zeng)加(jia)(jia)(jia)壓力(li)可通過(guo)強化冷(leng)卻(que)(que)和(he)(he)擴(kuo)大(da)(da)(da)“溶質截留效應”減(jian)輕或者消(xiao)除氮宏觀偏(pian)析。根據圖2-73(b)和(he)(he)（c)可知(zhi)，在(zai)凝固(gu)20s時(shi)，等(deng)(deng)軸晶(jing)的(de)(de)沉(chen)(chen)積量隨著冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)而增(zeng)多(duo)，等(deng)(deng)軸晶(jing)最大(da)(da)(da)體積分(fen)數(shu)從0.618增(zeng)加(jia)(jia)(jia)至(zhi)0.692,等(deng)(deng)軸晶(jing)和(he)(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)最大(da)(da)(da)速(su)(su)率(lv)在(zai)C2凝固(gu)條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)分(fen)別(bie)為0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s,在(zai)C3凝固(gu)條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)，分(fen)別(bie)為0.01221m/s和(he)(he)0.0074m/s.在(zai)同(tong)一時(shi)刻下(xia)(xia)，隨著冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，等(deng)(deng)軸晶(jing)和(he)(he)液(ye)相(xiang)的(de)(de)最大(da)(da)(da)速(su)(su)率(lv)呈現出(chu)略微減(jian)小(xiao)(xiao)的(de)(de)原因是冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)(da)加(jia)(jia)(jia)快了(le)鑄錠的(de)(de)凝固(gu)進程，增(zeng)大(da)(da)(da)了(le)柱狀晶(jing)區域［圖2-73(b)和(he)(he)（c)],從而使殘余液(ye)相(xiang)的(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)速(su)(su)率(lv)減(jian)小(xiao)(xiao)，減(jian)小(xiao)(xiao)了(le)與液(ye)相(xiang)溫度(du)相(xiang)關的(de)(de)熱浮力(li)，進而液(ye)相(xiang)流動(dong)的(de)(de)驅動(dong)力(li)減(jian)小(xiao)(xiao)，降低(di)了(le)液(ye)相(xiang)流動(dong)速(su)(su)度(du)；另外，隨著液(ye)相(xiang)流動(dong)速(su)(su)度(du)的(de)(de)降低(di)，等(deng)(deng)軸晶(jing)沉(chen)(chen)積的(de)(de)阻力(li)增(zeng)大(da)(da)(da)，等(deng)(deng)軸晶(jing)流動(dong)速(su)(su)度(du)隨之(zhi)減(jian)小(xiao)(xiao)。
從(cong)圖2-74可以看(kan)出，隨著冷卻(que)(que)速率(lv)的增加(jia)，CET位置有向(xiang)心移(yi)動且呈扁(bian)平(ping)化的趨勢，與(yu)19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測實驗結果(guo)相(xiang)一(yi)(yi)致，進一(yi)(yi)步(bu)證明本模型具有較好的準確性和(he)可信度。等軸晶(jing)區形狀隨著CET轉變(bian)位置的改變(bian)，也逐(zhu)步(bu)呈現出扁(bian)平(ping)化和(he)減小(xiao)(xiao)的趨勢，氮的宏觀偏(pian)析范圍(wei)由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且氮最大(da)偏(pian)析形成位置向(xiang)鑄錠頂部移(yi)動（圖2-76).因此，從(cong)強(qiang)化冷卻(que)(que)角度而(er)言，加(jia)壓有助于(yu)抑制CET,減小(xiao)(xiao)等軸晶(jing)區，緩解氮的宏觀偏(pian)析。
綜上所述，增加壓力(li)(li)通過提高等(deng)(deng)軸晶最大形核密度(du)和(he)強化冷卻對(dui)(dui)(dui)(dui)氮(dan)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)產生了截然相(xiang)反的(de)影(ying)響，兩者對(dui)(dui)(dui)(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)綜合影(ying)響還需(xu)要(yao)(yao)進一步研究。此外，基于對(dui)(dui)(dui)(dui)凝固熱力(li)(li)學和(he)動力(li)(li)學以及換熱系數的(de)分(fen)析(xi)，壓力(li)(li)對(dui)(dui)(dui)(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)影(ying)響不局限于增大形核率和(he)強化冷卻這(zhe)兩方(fang)面，還能(neng)對(dui)(dui)(dui)(dui)與宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)相(xiang)關(guan)的(de)平(ping)衡分(fen)配系數和(he)擴散(san)速率等(deng)(deng)參數產生重要(yao)(yao)影(ying)響。因而，壓力(li)(li)對(dui)(dui)(dui)(dui)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)的(de)影(ying)響還需(xu)要(yao)(yao)進行更深入的(de)研究和(he)探討。
