壓(ya)力(li)除了(le)能夠對溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)平衡(heng)分配系數、擴散(san)系數以及液相(xiang)線(xian)斜率等參數產(chan)生(sheng)影響以外，還能改變影響溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)長程(cheng)傳質(zhi)(zhi)的(de)冷卻速率、等軸晶(jing)形(xing)核以及沉積(ji)等,從而影響鑄(zhu)錠溶(rong)(rong)質(zhi)(zhi)分布的(de)均(jun)勻性，即宏／微觀(guan)偏析；如結合(he)平衡(heng)分配系數和形(xing)核吉(ji)布斯自由能隨壓(ya)力(li)的(de)變化規律，加壓(ya)會(hui)抑制枝晶(jing)沿壓(ya)力(li)梯度(du)方向的(de)生(sheng)長，從而導致枝晶(jing)組織和微觀(guan)偏析呈現方向性等。
王書桓等71利用(yong)高溫高壓反應釜研究了(le)壓力對于CrN12高氮(dan)鋼凝固(gu)過(guo)程(cheng)中偏(pian)析現象。他們(men)利用(yong)LECO-TC600氮(dan)氧儀測量了(le)CrN12鑄錠上從中心到邊部(bu)處試樣中的氮(dan)含量，取樣位置如圖(tu)2-71所示。
王書桓等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)（圖2-72).對比不同壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)，可(ke)(ke)以發現1MPa下鑄錠內部(bu)氮(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)嚴重，隨著壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)提(ti)高，氮(dan)(dan)(dan)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)得到(dao)了很大改善。當壓(ya)(ya)力(li)提(ti)高到(dao)1.6MPa時，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)程(cheng)度(du)明(ming)顯(xian)小于(yu)1.0MPa和1.2MPa下凝(ning)(ning)固的(de)(de)(de)鑄錠，各部(bu)位氮(dan)(dan)(dan)含量(liang)在(zai)0.360%左右，表明(ming)增大壓(ya)(ya)力(li)提(ti)高了氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)飽和溶(rong)解度(du)。因此，在(zai)凝(ning)(ning)固過程(cheng)中提(ti)高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)可(ke)(ke)以對氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)析(xi)出起到(dao)抑制作(zuo)用(yong)，對氮(dan)(dan)(dan)由固相(xiang)(xiang)到(dao)液相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)傳質起到(dao)阻礙作(zuo)用(yong)，使整個鑄錠中氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)分(fen)壓(ya)(ya)趨(qu)于(yu)均勻(yun)，從(cong)而減輕氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)。
1. 形核率
根據 Beckerman等(deng)的(de)(de)研究報道，在(zai)元(yuan)素(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，由于各元(yuan)素(su)的(de)(de)溶質(zhi)(zhi)分(fen)配系數(shu)(shu)均(jun)小于1,其(qi)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)形成(cheng)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)和最(zui)終(zhong)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)類型(xing)(xing)均(jun)相(xiang)似。因此(ci)，在(zai)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)形成(cheng)規(gui)律(lv)和類型(xing)(xing)的(de)(de)預(yu)測過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)對(dui)(dui)合(he)金(jin)體系進行簡(jian)化(hua)，選取(qu)主(zhu)要(yao)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)進行偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)。以19Cr14Mn0.9N 含(han)(han)氮奧氏(shi)體不銹鋼凝固(gu)(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)(wei)例，其(qi)鐵素(su)體相(xiang)8存在(zai)區間較窄，結合(he)Wu等(deng)在(zai)多(duo)相(xiang)和單相(xiang)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)研究。可(ke)將(jiang)該凝固(gu)(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)簡(jian)化(hua)為(wei)(wei)單相(xiang)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)。氮作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)含(han)(han)氮鋼的(de)(de)特(te)征元(yuan)素(su)，其(qi)溶質(zhi)(zhi)分(fen)配系數(shu)(shu)較小，偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)較嚴重，在(zai)壓(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮鋼偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)影響(xiang)的(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)將(jiang)氮作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)主(zhu)要(yao)元(yuan)素(su)，且忽略(lve)其(qi)他元(yuan)素(su)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)對(dui)(dui)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)影響(xiang)。基于壓(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)熱力(li)(li)學(xue)參(can)數(shu)(shu)、動力(li)(li)學(xue)參(can)數(shu)(shu)以及界面換熱系數(shu)(shu)的(de)(de)影響(xiang)規(gui)律(lv)，對(dui)(dui)三種情況下 19Cr14Mn0.9N含(han)(han)氮鋼的(de)(de)凝固(gu)(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)進行模(mo)(mo)擬(ni)(ni)分(fen)析(xi)(xi)(xi)，預(yu)測壓(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)度和類型(xing)(xing)的(de)(de)影響(xiang)規(gui)律(lv)，三種情況（C1、C2和C3)的(de)(de)參(can)數(shu)(shu)設置見表2-13。
凝(ning)固20s后，三種凝(ning)固條件下(xia)的柱(zhu)狀晶(jing)(jing)一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)(jing)尖(jian)端(duan)位(wei)置（TIP)、柱(zhu)狀晶(jing)(jing)和(he)等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)體積分(fen)數以(yi)及液相(xiang)(xiang)和(he)等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)速(su)率分(fen)布情況如圖(tu)2-73所示。對比圖(tu)2-73(a)和(he)（b)可(ke)以(yi)看出，當等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)(da)形(xing)核(he)密度從(cong)3x10°m-3增至5x10°m-3時，柱(zhu)狀晶(jing)(jing)一(yi)次(ci)(ci)枝晶(jing)(jing)尖(jian)端(duan)發(fa)生了較為明顯的變化，尤(you)其是在鑄錠底部位(wei)置，且等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)最大(da)(da)體積分(fen)數由0.514增至0.618.此(ci)外(wai)，等(deng)(deng)(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)和(he)液相(xiang)(xiang)的最大(da)(da)速(su)率增加幅(fu)度較小，分(fen)別從(cong)0.01246m/s和(he)0.0075m/s增至0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在三種凝(ning)固條件下，鑄錠(ding)凝(ning)固結束后柱(zhu)狀晶(jing)向等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)轉變(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置如(ru)圖2-74所示。隨(sui)著(zhu)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)最大(da)形核密度的(de)增加（對比C1和C2),液相中的(de)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)形核速(su)率加快，極大(da)地縮短(duan)了(le)(le)柱(zhu)狀晶(jing)前沿等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)體積分(fen)數到(dao)達(da)阻擋分(fen)數（0.49)的(de)時間(jian)，進而促進了(le)(le)CET轉變(bian)，擴大(da)了(le)(le)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)區域。
增加壓力還能增加等(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)(da)形(xing)核(he)密度(du)，從(cong)(cong)而加劇偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。凝固結束(shu)后氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)如圖2-75所示。隨著等(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)(da)形(xing)核(he)速率的(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)范圍(wei)C從(cong)(cong)-0.07~0.116 擴(kuo)大(da)(da)至－0.072~0.137,氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)加劇；此外，鑄錠底部負(fu)(fu)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)區(qu)域也隨之增大(da)(da)，鑄錠內部氮(dan)(dan)(dan)最(zui)大(da)(da)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)位置逐步向上移(yi)動。因此，在(zai)增加等(deng)軸晶(jing)最(zui)大(da)(da)形(xing)核(he)密度(du)方(fang)面，增加壓力能夠(gou)擴(kuo)大(da)(da)等(deng)軸晶(jing)區(qu)域，從(cong)(cong)而增大(da)(da)負(fu)(fu)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)范圍(wei)，提升氮(dan)(dan)(dan)最(zui)大(da)(da)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)位置的(de)高度(du)，以及加劇氮(dan)(dan)(dan)的(de)宏觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。
2. 強化(hua)冷(leng)卻
增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)壓力(li)可(ke)通過強(qiang)化冷卻和(he)擴大(da)(da)(da)“溶質截留效應”減(jian)(jian)(jian)輕或者消(xiao)除氮宏觀偏析。根據圖2-73(b)和(he)（c)可(ke)知，在凝(ning)(ning)固20s時(shi)(shi)，等(deng)(deng)軸晶的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)沉積量隨(sui)著冷卻速(su)(su)(su)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)而增(zeng)(zeng)多(duo)，等(deng)(deng)軸晶最(zui)大(da)(da)(da)體積分數從0.618增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至0.692,等(deng)(deng)軸晶和(he)液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)(da)速(su)(su)(su)率(lv)在C2凝(ning)(ning)固條件(jian)(jian)下(xia)(xia)分別為(wei)0.01266m/s和(he)0.0078m/s,在C3凝(ning)(ning)固條件(jian)(jian)下(xia)(xia)，分別為(wei)0.01221m/s和(he)0.0074m/s.在同一時(shi)(shi)刻下(xia)(xia)，隨(sui)著冷卻速(su)(su)(su)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，等(deng)(deng)軸晶和(he)液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)(da)速(su)(su)(su)率(lv)呈現出略微減(jian)(jian)(jian)小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因是(shi)冷卻速(su)(su)(su)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)加(jia)(jia)快(kuai)了(le)鑄錠(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固進程，增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)了(le)柱狀晶區(qu)域［圖2-73(b)和(he)（c)],從而使殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷卻速(su)(su)(su)率(lv)減(jian)(jian)(jian)小，減(jian)(jian)(jian)小了(le)與(yu)液(ye)(ye)相(xiang)溫(wen)度相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱浮力(li)，進而液(ye)(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)力(li)減(jian)(jian)(jian)小，降低了(le)液(ye)(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)(dong)速(su)(su)(su)度；另外，隨(sui)著液(ye)(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)(dong)速(su)(su)(su)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)降低，等(deng)(deng)軸晶沉積的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻力(li)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，等(deng)(deng)軸晶流(liu)動(dong)(dong)(dong)速(su)(su)(su)度隨(sui)之減(jian)(jian)(jian)小。
從(cong)圖2-74可(ke)以看出，隨著(zhu)冷卻(que)速(su)率的(de)(de)增(zeng)加，CET位置有(you)向(xiang)心移(yi)動且(qie)呈扁平化(hua)的(de)(de)趨勢(shi)，與19Cr14Mn0.9N鑄(zhu)錠CET檢測(ce)實驗結果相一(yi)致(zhi)，進一(yi)步(bu)證明本模型具有(you)較好的(de)(de)準確性和可(ke)信(xin)度。等軸晶(jing)區(qu)形(xing)狀隨著(zhu)CET轉(zhuan)變(bian)位置的(de)(de)改(gai)變(bian)，也(ye)逐步(bu)呈現出扁平化(hua)和減小的(de)(de)趨勢(shi)，氮(dan)(dan)的(de)(de)宏觀偏(pian)析(xi)(xi)范圍(wei)由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且(qie)氮(dan)(dan)最大(da)偏(pian)析(xi)(xi)形(xing)成位置向(xiang)鑄(zhu)錠頂部移(yi)動（圖2-76).因此(ci)，從(cong)強化(hua)冷卻(que)角度而(er)言(yan)，加壓有(you)助于抑制CET,減小等軸晶(jing)區(qu)，緩解氮(dan)(dan)的(de)(de)宏觀偏(pian)析(xi)(xi)。
綜上所述，增加壓力(li)通(tong)過提高等軸晶最大(da)(da)形(xing)核(he)密度和(he)強(qiang)化(hua)冷卻(que)對氮宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)產生(sheng)了(le)截然(ran)相反的(de)(de)影(ying)響(xiang)，兩(liang)者對宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)綜合(he)影(ying)響(xiang)還(huan)需要進(jin)(jin)一步研究。此外，基于(yu)對凝固熱(re)(re)力(li)學(xue)和(he)動力(li)學(xue)以及(ji)換熱(re)(re)系數的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)，壓力(li)對宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)影(ying)響(xiang)不(bu)局限(xian)于(yu)增大(da)(da)形(xing)核(he)率和(he)強(qiang)化(hua)冷卻(que)這兩(liang)方面，還(huan)能對與宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)相關(guan)的(de)(de)平衡分(fen)(fen)配系數和(he)擴散速率等參數產生(sheng)重要影(ying)響(xiang)。因而(er)，壓力(li)對宏(hong)(hong)觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)影(ying)響(xiang)還(huan)需要進(jin)(jin)行(xing)更深入的(de)(de)研究和(he)探討(tao)。
