壓(ya)力(li)除了(le)能夠對(dui)溶質(zhi)平衡分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)、擴(kuo)散系(xi)數(shu)以(yi)及液相線斜(xie)率等參數(shu)產生影響(xiang)以(yi)外，還能改變影響(xiang)溶質(zhi)長(chang)程(cheng)傳(chuan)質(zhi)的冷卻速率、等軸(zhou)晶形核以(yi)及沉積等,從而(er)影響(xiang)鑄錠溶質(zhi)分(fen)布(bu)的均勻性(xing)，即宏／微(wei)觀(guan)偏(pian)析；如結合平衡分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)和形核吉布(bu)斯自由(you)能隨壓(ya)力(li)的變化規律，加壓(ya)會抑制(zhi)枝晶沿壓(ya)力(li)梯(ti)度(du)方向的生長(chang)，從而(er)導致枝晶組織和微(wei)觀(guan)偏(pian)析呈現方向性(xing)等。
王書桓等71利用(yong)高(gao)溫高(gao)壓(ya)反(fan)應釜研(yan)究(jiu)了(le)壓(ya)力對(dui)于CrN12高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)凝固(gu)過程中(zhong)偏析現象。他(ta)們利用(yong)LECO-TC600氮(dan)(dan)氧儀(yi)測量(liang)了(le)CrN12鑄錠上(shang)從中(zhong)心到邊部處試樣中(zhong)的氮(dan)(dan)含量(liang)，取樣位置如圖2-71所示。
王書桓等研(yan)究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和(he)1.6MPa壓(ya)(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)偏(pian)析(xi)(xi)（圖2-72).對比不同(tong)壓(ya)(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)結果，可以發現1MPa下(xia)鑄(zhu)錠內部氮(dan)偏(pian)析(xi)(xi)嚴重，隨(sui)著壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)，氮(dan)宏觀偏(pian)析(xi)(xi)得(de)到了很大(da)改(gai)善。當壓(ya)(ya)(ya)力提(ti)高(gao)到1.6MPa時(shi)，氮(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)程(cheng)度(du)明顯小于1.0MPa和(he)1.2MPa下(xia)凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)鑄(zhu)錠，各部位氮(dan)含量在0.360%左右，表明增(zeng)大(da)壓(ya)(ya)(ya)力提(ti)高(gao)了氮(dan)的(de)(de)(de)飽和(he)溶(rong)解度(du)。因此，在凝(ning)固(gu)過程(cheng)中提(ti)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力可以對氮(dan)的(de)(de)(de)析(xi)(xi)出起到抑(yi)制作用，對氮(dan)由固(gu)相(xiang)到液相(xiang)的(de)(de)(de)傳(chuan)質起到阻礙作用，使整個鑄(zhu)錠中氮(dan)的(de)(de)(de)分壓(ya)(ya)(ya)趨于均勻，從而減輕氮(dan)的(de)(de)(de)宏觀偏(pian)析(xi)(xi)。
1. 形核率
根(gen)據 Beckerman等(deng)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究報道(dao)，在(zai)元素(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，由于各(ge)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)溶質分(fen)配(pei)系數(shu)(shu)均(jun)小于1,其(qi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)和(he)(he)最終(zhong)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)類(lei)型(xing)均(jun)相(xiang)(xiang)似(si)。因此，在(zai)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)形(xing)成規(gui)律(lv)和(he)(he)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)預測過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)對(dui)(dui)(dui)合(he)金(jin)體(ti)系進(jin)行(xing)(xing)簡化(hua)，選(xuan)取(qu)主(zhu)要(yao)合(he)金(jin)元素(su)(su)進(jin)行(xing)(xing)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬。以19Cr14Mn0.9N 含(han)氮奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)例，其(qi)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8存在(zai)區(qu)間較(jiao)窄，結合(he)Wu等(deng)在(zai)多相(xiang)(xiang)和(he)(he)單相(xiang)(xiang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬研(yan)究。可(ke)將該凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)簡化(hua)為(wei)(wei)(wei)單相(xiang)(xiang)凝固。氮作為(wei)(wei)(wei)含(han)氮鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)特征元素(su)(su)，其(qi)溶質分(fen)配(pei)系數(shu)(shu)較(jiao)小，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)較(jiao)嚴(yan)重，在(zai)壓(ya)力對(dui)(dui)(dui)19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)(gang)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)影(ying)響的(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)(xi)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，可(ke)將氮作為(wei)(wei)(wei)主(zhu)要(yao)元素(su)(su)，且忽(hu)略其(qi)他元素(su)(su)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)對(dui)(dui)(dui)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。基于壓(ya)力對(dui)(dui)(dui)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)熱力學(xue)參數(shu)(shu)、動力學(xue)參數(shu)(shu)以及界面換(huan)熱系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規(gui)律(lv)，對(dui)(dui)(dui)三種情(qing)況下 19Cr14Mn0.9N含(han)氮鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)凝固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)進(jin)行(xing)(xing)模(mo)擬分(fen)析(xi)(xi)(xi)，預測壓(ya)力對(dui)(dui)(dui)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)度和(he)(he)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規(gui)律(lv)，三種情(qing)況（C1、C2和(he)(he)C3)的(de)(de)(de)(de)參數(shu)(shu)設置見表2-13。
凝固20s后(hou)，三種(zhong)凝固條(tiao)件下的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)尖端位置（TIP)、柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)和(he)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)體(ti)積分(fen)數以及(ji)液相和(he)等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)速率分(fen)布情況如圖2-73所示。對(dui)比圖2-73(a)和(he)（b)可(ke)以看出，當等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最大形核密度從3x10°m-3增(zeng)(zeng)至5x10°m-3時，柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)一次枝晶(jing)(jing)尖端發生了(le)較為明顯的(de)變化，尤其(qi)是(shi)在鑄錠底(di)部位置，且等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)最大體(ti)積分(fen)數由0.514增(zeng)(zeng)至0.618.此外，等(deng)(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)和(he)液相的(de)最大速率增(zeng)(zeng)加幅度較小，分(fen)別從0.01246m/s和(he)0.0075m/s增(zeng)(zeng)至0.01266m/s和(he)0.0078m/s.
在三種凝(ning)固(gu)條件下，鑄錠(ding)凝(ning)固(gu)結束后(hou)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)向等軸晶(jing)(jing)轉變(bian)（columnar to equiaxed transition,CET)位置(zhi)如圖2-74所(suo)示。隨著等軸晶(jing)(jing)最大形核密(mi)度的增加（對比(bi)C1和C2),液相中的等軸晶(jing)(jing)形核速率加快，極大地縮(suo)短了柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)前沿等軸晶(jing)(jing)體積分數到達阻擋(dang)分數（0.49)的時(shi)間，進(jin)而(er)促進(jin)了CET轉變(bian)，擴大了等軸晶(jing)(jing)區域。
增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓力還能增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)(da)(da)形核密(mi)(mi)度(du)(du)，從而(er)(er)加(jia)(jia)(jia)(jia)劇(ju)偏析(xi)(xi)(xi)。凝固結束(shu)后氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)如圖2-75所示。隨(sui)著等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)(da)(da)形核速率的(de)增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)，氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)范(fan)圍C從-0.07~0.116 擴大(da)(da)(da)至(zhi)－0.072~0.137,氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)加(jia)(jia)(jia)(jia)劇(ju)；此(ci)外，鑄錠底(di)部(bu)負偏析(xi)(xi)(xi)區域也隨(sui)之增(zeng)大(da)(da)(da)，鑄錠內部(bu)氮(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)偏析(xi)(xi)(xi)位置(zhi)逐步向上移動(dong)。因(yin)此(ci)，在增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)等(deng)軸(zhou)晶最(zui)(zui)大(da)(da)(da)形核密(mi)(mi)度(du)(du)方面，增(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)壓力能夠擴大(da)(da)(da)等(deng)軸(zhou)晶區域，從而(er)(er)增(zeng)大(da)(da)(da)負偏析(xi)(xi)(xi)范(fan)圍，提升氮(dan)(dan)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)偏析(xi)(xi)(xi)位置(zhi)的(de)高(gao)度(du)(du)，以及加(jia)(jia)(jia)(jia)劇(ju)氮(dan)(dan)的(de)宏(hong)觀(guan)偏析(xi)(xi)(xi)。
2. 強化冷卻
增(zeng)加壓力可(ke)通(tong)過強化冷(leng)卻和擴大(da)(da)“溶質截留效應(ying)”減(jian)(jian)(jian)輕或者消除氮宏觀偏析(xi)。根據圖2-73(b)和（c)可(ke)知，在凝固(gu)20s時，等(deng)軸(zhou)晶(jing)的(de)(de)(de)沉(chen)積(ji)量隨(sui)著(zhu)(zhu)冷(leng)卻速(su)(su)(su)率的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而增(zeng)多，等(deng)軸(zhou)晶(jing)最(zui)大(da)(da)體積(ji)分數從(cong)(cong)0.618增(zeng)加至0.692,等(deng)軸(zhou)晶(jing)和液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)速(su)(su)(su)率在C2凝固(gu)條件(jian)下(xia)分別(bie)為(wei)0.01266m/s和0.0078m/s,在C3凝固(gu)條件(jian)下(xia)，分別(bie)為(wei)0.01221m/s和0.0074m/s.在同一時刻(ke)下(xia)，隨(sui)著(zhu)(zhu)冷(leng)卻速(su)(su)(su)率的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)和液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)速(su)(su)(su)率呈現(xian)出略(lve)微減(jian)(jian)(jian)小的(de)(de)(de)原因(yin)是冷(leng)卻速(su)(su)(su)率的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)加快了(le)鑄錠的(de)(de)(de)凝固(gu)進程，增(zeng)大(da)(da)了(le)柱狀晶(jing)區(qu)域［圖2-73(b)和（c)],從(cong)(cong)而使殘余(yu)液(ye)相(xiang)的(de)(de)(de)冷(leng)卻速(su)(su)(su)率減(jian)(jian)(jian)小，減(jian)(jian)(jian)小了(le)與液(ye)相(xiang)溫度(du)(du)相(xiang)關的(de)(de)(de)熱浮力，進而液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)力減(jian)(jian)(jian)小，降低(di)了(le)液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)(su)(su)度(du)(du)；另外，隨(sui)著(zhu)(zhu)液(ye)相(xiang)流(liu)動(dong)(dong)速(su)(su)(su)度(du)(du)的(de)(de)(de)降低(di)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)沉(chen)積(ji)的(de)(de)(de)阻力增(zeng)大(da)(da)，等(deng)軸(zhou)晶(jing)流(liu)動(dong)(dong)速(su)(su)(su)度(du)(du)隨(sui)之減(jian)(jian)(jian)小。
從圖2-74可(ke)以看出，隨(sui)著冷卻速率(lv)的(de)(de)增加(jia)，CET位(wei)置(zhi)(zhi)有(you)向(xiang)心移動且呈扁(bian)平化的(de)(de)趨(qu)勢，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測實驗結(jie)果(guo)相一(yi)致，進一(yi)步(bu)證明本模型具有(you)較好(hao)的(de)(de)準確性(xing)和(he)可(ke)信(xin)度。等軸晶(jing)區形狀(zhuang)隨(sui)著CET轉變(bian)(bian)位(wei)置(zhi)(zhi)的(de)(de)改變(bian)(bian)，也(ye)逐步(bu)呈現出扁(bian)平化和(he)減(jian)小(xiao)的(de)(de)趨(qu)勢，氮(dan)的(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)析范(fan)圍由－0.072~0.137減(jian)少至－0.067~0.130,且氮(dan)最大偏(pian)(pian)析形成位(wei)置(zhi)(zhi)向(xiang)鑄錠頂部移動（圖2-76).因此，從強化冷卻角度而言，加(jia)壓有(you)助于(yu)抑制(zhi)CET,減(jian)小(xiao)等軸晶(jing)區，緩(huan)解氮(dan)的(de)(de)宏觀(guan)偏(pian)(pian)析。
綜上所述，增(zeng)(zeng)加壓(ya)力通過提高等軸晶最大形核密度和(he)(he)(he)強化冷(leng)卻對氮宏觀(guan)(guan)偏(pian)析(xi)產(chan)(chan)生(sheng)了截然相反(fan)的(de)(de)影響(xiang)，兩者對宏觀(guan)(guan)偏(pian)析(xi)的(de)(de)綜合影響(xiang)還需要進(jin)一步研(yan)究(jiu)。此外，基于對凝(ning)固熱力學和(he)(he)(he)動力學以及換(huan)熱系數(shu)的(de)(de)分析(xi)，壓(ya)力對宏觀(guan)(guan)偏(pian)析(xi)的(de)(de)影響(xiang)不局限于增(zeng)(zeng)大形核率(lv)(lv)和(he)(he)(he)強化冷(leng)卻這(zhe)兩方面，還能對與宏觀(guan)(guan)偏(pian)析(xi)相關的(de)(de)平衡分配系數(shu)和(he)(he)(he)擴散速率(lv)(lv)等參數(shu)產(chan)(chan)生(sheng)重(zhong)要影響(xiang)。因而，壓(ya)力對宏觀(guan)(guan)偏(pian)析(xi)的(de)(de)影響(xiang)還需要進(jin)行更深(shen)入的(de)(de)研(yan)究(jiu)和(he)(he)(he)探討。
