壓(ya)力除了能夠對溶質(zhi)平(ping)衡分(fen)配(pei)系數(shu)、擴(kuo)散系數(shu)以(yi)及液相線斜率等參(can)數(shu)產生(sheng)影響(xiang)以(yi)外，還能改變影響(xiang)溶質(zhi)長(chang)程傳質(zhi)的(de)(de)冷卻速率、等軸晶形核以(yi)及沉(chen)積等,從而影響(xiang)鑄錠溶質(zhi)分(fen)布的(de)(de)均勻性，即(ji)宏／微(wei)(wei)觀偏析(xi)(xi)；如結(jie)合(he)平(ping)衡分(fen)配(pei)系數(shu)和形核吉布斯(si)自由能隨壓(ya)力的(de)(de)變化(hua)規律，加壓(ya)會(hui)抑制(zhi)枝晶沿(yan)壓(ya)力梯度方向的(de)(de)生(sheng)長(chang)，從而導致(zhi)枝晶組織和微(wei)(wei)觀偏析(xi)(xi)呈現(xian)方向性等。
王(wang)書(shu)桓等(deng)71利(li)用高溫高壓反應釜研究了(le)壓力對(dui)于CrN12高氮(dan)鋼(gang)凝固過程中偏析現(xian)象。他(ta)們利(li)用LECO-TC600氮(dan)氧儀測量了(le)CrN12鑄錠上從中心到邊部處(chu)試樣中的(de)氮(dan)含(han)量，取(qu)樣位置如圖2-71所示。
王書桓等(deng)研究了(le)1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)偏(pian)析(xi)（圖(tu)2-72).對比不(bu)同壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)結果(guo)，可以(yi)發現(xian)1MPa下(xia)鑄錠內部氮(dan)偏(pian)析(xi)嚴重，隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)提高(gao)，氮(dan)宏觀偏(pian)析(xi)得到(dao)(dao)了(le)很(hen)大(da)改(gai)善。當壓(ya)力(li)提高(gao)到(dao)(dao)1.6MPa時，氮(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)程度(du)明(ming)顯小于1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)凝固(gu)的(de)(de)(de)鑄錠，各部位氮(dan)含(han)量在0.360%左右，表(biao)明(ming)增大(da)壓(ya)力(li)提高(gao)了(le)氮(dan)的(de)(de)(de)飽和(he)溶(rong)解度(du)。因此，在凝固(gu)過(guo)程中(zhong)提高(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)可以(yi)對氮(dan)的(de)(de)(de)析(xi)出(chu)起到(dao)(dao)抑制作(zuo)用，對氮(dan)由固(gu)相到(dao)(dao)液(ye)相的(de)(de)(de)傳質起到(dao)(dao)阻(zu)礙作(zuo)用，使整個鑄錠中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)分壓(ya)趨于均勻，從而(er)減(jian)輕氮(dan)的(de)(de)(de)宏觀偏(pian)析(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)報道，在元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，由于(yu)各元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)質分配系(xi)(xi)數均(jun)(jun)小(xiao)于(yu)1,其(qi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)形成過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)和(he)最終偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)類型均(jun)(jun)相(xiang)(xiang)似。因此，在偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)形成規(gui)(gui)律和(he)類型的(de)(de)(de)(de)預(yu)(yu)測過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)對(dui)合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)(xi)進行簡(jian)化(hua)(hua)，選取(qu)主要合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)進行偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)。以(yi)19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)(dan)奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)例，其(qi)鐵素(su)(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8存在區間較(jiao)窄，結(jie)合(he)(he)Wu等在多(duo)相(xiang)(xiang)和(he)單(dan)相(xiang)(xiang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)研究(jiu)。可(ke)將該凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)簡(jian)化(hua)(hua)為(wei)單(dan)相(xiang)(xiang)凝(ning)固(gu)。氮(dan)(dan)作(zuo)為(wei)含氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)特征元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)，其(qi)溶(rong)質分配系(xi)(xi)數較(jiao)小(xiao)，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴重，在壓力對(dui)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼(gang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)影(ying)響的(de)(de)(de)(de)分析(xi)(xi)(xi)(xi)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，可(ke)將氮(dan)(dan)作(zuo)為(wei)主要元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)，且忽略其(qi)他(ta)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)對(dui)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。基于(yu)壓力對(dui)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)熱(re)力學參(can)數、動力學參(can)數以(yi)及界面換熱(re)系(xi)(xi)數的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規(gui)(gui)律，對(dui)三(san)種情(qing)況下(xia) 19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)進行模(mo)擬(ni)分析(xi)(xi)(xi)(xi)，預(yu)(yu)測壓力對(dui)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)度和(he)類型的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規(gui)(gui)律，三(san)種情(qing)況（C1、C2和(he)C3)的(de)(de)(de)(de)參(can)數設(she)置見表2-13。
凝固(gu)(gu)20s后，三種凝固(gu)(gu)條(tiao)件下(xia)的柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)端(duan)位(wei)置(zhi)（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)和(he)等軸晶(jing)(jing)(jing)體積分(fen)數以及液(ye)相和(he)等軸晶(jing)(jing)(jing)速(su)率分(fen)布(bu)情況如(ru)圖2-73所示。對比圖2-73(a)和(he)（b)可(ke)以看出，當等軸晶(jing)(jing)(jing)最(zui)大形核密度從3x10°m-3增(zeng)至(zhi)(zhi)5x10°m-3時(shi)，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)(jing)尖(jian)端(duan)發生了較為明顯的變化，尤其是在(zai)鑄(zhu)錠底部位(wei)置(zhi)，且等軸晶(jing)(jing)(jing)最(zui)大體積分(fen)數由0.514增(zeng)至(zhi)(zhi)0.618.此外，等軸晶(jing)(jing)(jing)和(he)液(ye)相的最(zui)大速(su)率增(zeng)加幅度較小，分(fen)別從0.01246m/s和(he)0.0075m/s增(zeng)至(zhi)(zhi)0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在(zai)三(san)種凝固(gu)(gu)條件下，鑄(zhu)錠(ding)凝固(gu)(gu)結束后柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)向(xiang)等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)轉(zhuan)變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所示。隨(sui)著等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大形核(he)(he)密(mi)度的增加（對比C1和C2),液相中(zhong)的等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)形核(he)(he)速率加快，極大地縮短(duan)了柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)前沿等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)體積(ji)分(fen)數(shu)到達阻擋(dang)分(fen)數(shu)（0.49)的時(shi)間(jian)，進而促進了CET轉(zhuan)變，擴大了等(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)區(qu)域。
增加壓力(li)還能(neng)增加等(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)(da)(da)形核(he)密度(du)(du)，從而加劇(ju)偏析(xi)(xi)。凝固結束后氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)如圖2-75所示。隨著等(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)(da)(da)形核(he)速率(lv)的(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)范圍C從-0.07~0.116 擴大(da)(da)(da)至－0.072~0.137,氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)加劇(ju)；此(ci)外，鑄(zhu)錠(ding)底部(bu)負偏析(xi)(xi)區域也隨之增大(da)(da)(da)，鑄(zhu)錠(ding)內部(bu)氮(dan)(dan)(dan)最(zui)大(da)(da)(da)偏析(xi)(xi)位置逐步向上移動。因此(ci)，在增加等(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)(da)(da)形核(he)密度(du)(du)方面，增加壓力(li)能(neng)夠擴大(da)(da)(da)等(deng)軸晶(jing)區域，從而增大(da)(da)(da)負偏析(xi)(xi)范圍，提升氮(dan)(dan)(dan)最(zui)大(da)(da)(da)偏析(xi)(xi)位置的(de)高度(du)(du)，以及加劇(ju)氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)。
2. 強化冷卻
增(zeng)(zeng)加壓力可通過強化(hua)冷(leng)卻(que)和(he)(he)擴(kuo)大(da)(da)(da)(da)“溶質(zhi)截(jie)留效應(ying)”減(jian)(jian)(jian)輕或者(zhe)消除氮宏(hong)觀偏(pian)析。根(gen)據圖2-73(b)和(he)(he)（c)可知(zhi)，在凝(ning)(ning)固20s時(shi)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)沉積量隨(sui)著(zhu)冷(leng)卻(que)速(su)率的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)而(er)增(zeng)(zeng)多，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)(da)(da)(da)體積分數從(cong)0.618增(zeng)(zeng)加至(zhi)0.692,等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)液相的(de)(de)最大(da)(da)(da)(da)速(su)率在C2凝(ning)(ning)固條件(jian)下分別為(wei)0.01266m/s和(he)(he)0.0078m/s,在C3凝(ning)(ning)固條件(jian)下，分別為(wei)0.01221m/s和(he)(he)0.0074m/s.在同(tong)一時(shi)刻下，隨(sui)著(zhu)冷(leng)卻(que)速(su)率的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)(he)液相的(de)(de)最大(da)(da)(da)(da)速(su)率呈現(xian)出略(lve)微減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)的(de)(de)原因是冷(leng)卻(que)速(su)率的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)加快了(le)(le)鑄錠的(de)(de)凝(ning)(ning)固進程(cheng)，增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)了(le)(le)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)區(qu)域［圖2-73(b)和(he)(he)（c)],從(cong)而(er)使殘余液相的(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)率減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)，減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)了(le)(le)與液相溫度相關(guan)的(de)(de)熱浮力，進而(er)液相流(liu)動的(de)(de)驅動力減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)，降(jiang)低了(le)(le)液相流(liu)動速(su)度；另(ling)外，隨(sui)著(zhu)液相流(liu)動速(su)度的(de)(de)降(jiang)低，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)沉積的(de)(de)阻力增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)流(liu)動速(su)度隨(sui)之減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)。
從圖2-74可以看出，隨著(zhu)冷卻速率(lv)的(de)(de)增加(jia)，CET位(wei)(wei)置有(you)向心移動且呈(cheng)扁平化(hua)的(de)(de)趨勢，與19Cr14Mn0.9N鑄錠(ding)(ding)CET檢(jian)測實驗結(jie)果相一致，進一步證明本(ben)模型具有(you)較好(hao)的(de)(de)準確性和可信度。等軸晶(jing)區(qu)形狀隨著(zhu)CET轉(zhuan)變(bian)位(wei)(wei)置的(de)(de)改變(bian)，也逐步呈(cheng)現(xian)出扁平化(hua)和減(jian)(jian)小的(de)(de)趨勢，氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)析(xi)范圍由－0.072~0.137減(jian)(jian)少至－0.067~0.130,且氮(dan)最大偏(pian)(pian)析(xi)形成位(wei)(wei)置向鑄錠(ding)(ding)頂部移動（圖2-76).因(yin)此，從強化(hua)冷卻角度而言(yan)，加(jia)壓有(you)助于抑制CET,減(jian)(jian)小等軸晶(jing)區(qu)，緩解氮(dan)的(de)(de)宏(hong)觀偏(pian)(pian)析(xi)。
綜上所(suo)述(shu)，增(zeng)加壓(ya)力通過提高等軸晶(jing)最大形核密度和強(qiang)化冷卻對(dui)(dui)氮宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)產生(sheng)了(le)截(jie)然相(xiang)反的(de)(de)影響(xiang)(xiang)，兩者對(dui)(dui)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)綜合影響(xiang)(xiang)還(huan)需要(yao)進(jin)一步(bu)研(yan)究。此外，基于對(dui)(dui)凝固熱力學和動(dong)力學以及換熱系數的(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)(xi)，壓(ya)力對(dui)(dui)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)影響(xiang)(xiang)不局限于增(zeng)大形核率和強(qiang)化冷卻這兩方面(mian)，還(huan)能對(dui)(dui)與宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)相(xiang)關的(de)(de)平(ping)衡分(fen)配系數和擴散速率等參數產生(sheng)重(zhong)要(yao)影響(xiang)(xiang)。因(yin)而，壓(ya)力對(dui)(dui)宏觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)影響(xiang)(xiang)還(huan)需要(yao)進(jin)行更深入(ru)的(de)(de)研(yan)究和探(tan)討(tao)。
