壓力除了能夠?qū)θ苜|(zhì)平衡分配系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)以及液相線斜率等參數(shù)產(chǎn)生影響以外，還能改變影響溶質(zhì)長(zhǎng)程傳質(zhì)的冷卻速率、等軸晶形核以及沉積等,從而影響鑄錠溶質(zhì)分布的均勻性，即宏／微觀偏析；如結(jié)合平衡分配系數(shù)和形核吉布斯自由能隨壓力的變化規(guī)律，加壓會(huì)抑制枝晶沿壓力梯度方向的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致枝晶組織和微觀偏析呈現(xiàn)方向性等。

  王書桓等71利用高溫高壓反應(yīng)釜研究了壓力對(duì)于CrN12高氮鋼凝固過程中偏析現(xiàn)象。他們利用LECO-TC600氮氧儀測(cè)量了CrN12鑄錠上從中心到邊部處試樣中的氮含量，取樣位置如圖2-71所示。

  王書桓等研究了1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa和1.6MPa壓力下的氮偏析（圖2-72).對(duì)比不同壓力下的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)1MPa下鑄錠內(nèi)部氮偏析嚴(yán)重，隨著壓力的提高，氮宏觀偏析得到了很大改善。當(dāng)壓力提高到1.6MPa時(shí)，氮的偏析程度明顯小于1.0MPa和1.2MPa下凝固的鑄錠，各部位氮含量在0.360%左右，表明增大壓力提高了氮的飽和溶解度。因此，在凝固過程中提高氮?dú)鈮毫梢詫?duì)氮的析出起到抑制作用，對(duì)氮由固相到液相的傳質(zhì)起到阻礙作用，使整個(gè)鑄錠中氮的分壓趨于均勻，從而減輕氮的宏觀偏析。

1. 形核率

  根據(jù) Beckerman等的研究報(bào)道，在元素偏析的模擬過程中，由于各元素的溶質(zhì)分配系數(shù)均小于1,其偏析的形成過程和最終偏析類型均相似。因此，在偏析形成規(guī)律和類型的預(yù)測(cè)過程中，可對(duì)合金體系進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取主要合金元素進(jìn)行偏析的模擬。以19Cr14Mn0.9N 含氮奧氏體不銹鋼凝固過程為例，其鐵素體相8存在區(qū)間較窄，結(jié)合Wu等在多相和單相偏析的模擬研究?？蓪⒃撃踢^程簡(jiǎn)化為單相凝固。氮作為含氮鋼的特征元素，其溶質(zhì)分配系數(shù)較小，偏析較嚴(yán)重，在壓力對(duì)19Cr14Mn0.9N含氮鋼偏析影響的分析過程中，可將氮作為主要元素，且忽略其他元素偏析對(duì)凝固過程的影響?；趬毫?duì)凝固過程中的熱力學(xué)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及界面換熱系數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)三種情況下 19Cr14Mn0.9N含氮鋼的凝固過程進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)壓力對(duì)偏析程度和類型的影響規(guī)律，三種情況（C1、C2和C3)的參數(shù)設(shè)置見表2-13。

  凝固20s后，三種凝固條件下的柱狀晶一次枝晶尖端位置（TIP)、柱狀晶和等軸晶體積分?jǐn)?shù)以及液相和等軸晶速率分布情況如圖2-73所示。對(duì)比圖2-73(a)和（b)可以看出，當(dāng)?shù)容S晶最大形核密度從3x10°m-3增至5x10°m-3時(shí)，柱狀晶一次枝晶尖端發(fā)生了較為明顯的變化，尤其是在鑄錠底部位置，且等軸晶最大體積分?jǐn)?shù)由0.514增至0.618.此外，等軸晶和液相的最大速率增加幅度較小，分別從0.01246m/s和0.0075m/s增至0.01266m/s和0.0078m/s.

  在三種凝固條件下，鑄錠凝固結(jié)束后柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變（columnar to equiaxed transition,CET)位置如圖2-74所示。隨著等軸晶最大形核密度的增加（對(duì)比C1和C2),液相中的等軸晶形核速率加快，極大地縮短了柱狀晶前沿等軸晶體積分?jǐn)?shù)到達(dá)阻擋分?jǐn)?shù)（0.49)的時(shí)間，進(jìn)而促進(jìn)了CET轉(zhuǎn)變，擴(kuò)大了等軸晶區(qū)域。

  增加壓力還能增加等軸晶最大形核密度，從而加劇偏析。凝固結(jié)束后氮的宏觀偏析如圖2-75所示。隨著等軸晶最大形核速率的增加，氮的宏觀偏析范圍C從-0.07~0.116 擴(kuò)大至－0.072~0.137,氮的宏觀偏析加??；此外，鑄錠底部負(fù)偏析區(qū)域也隨之增大，鑄錠內(nèi)部氮最大偏析位置逐步向上移動(dòng)。因此，在增加等軸晶最大形核密度方面，增加壓力能夠擴(kuò)大等軸晶區(qū)域，從而增大負(fù)偏析范圍，提升氮最大偏析位置的高度，以及加劇氮的宏觀偏析。

2. 強(qiáng)化冷卻

  增加壓力可通過強(qiáng)化冷卻和擴(kuò)大“溶質(zhì)截留效應(yīng)”減輕或者消除氮宏觀偏析。根據(jù)圖2-73(b)和（c)可知，在凝固20s時(shí)，等軸晶的沉積量隨著冷卻速率的增大而增多，等軸晶最大體積分?jǐn)?shù)從0.618增加至0.692,等軸晶和液相的最大速率在C2凝固條件下分別為0.01266m/s和0.0078m/s,在C3凝固條件下，分別為0.01221m/s和0.0074m/s.在同一時(shí)刻下，隨著冷卻速率的增大，等軸晶和液相的最大速率呈現(xiàn)出略微減小的原因是冷卻速率的增大加快了鑄錠的凝固進(jìn)程，增大了柱狀晶區(qū)域［圖2-73(b)和（c)],從而使殘余液相的冷卻速率減小，減小了與液相溫度相關(guān)的熱浮力，進(jìn)而液相流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力減小，降低了液相流動(dòng)速度；另外，隨著液相流動(dòng)速度的降低，等軸晶沉積的阻力增大，等軸晶流動(dòng)速度隨之減小。

  從圖2-74可以看出，隨著冷卻速率的增加，CET位置有向心移動(dòng)且呈扁平化的趨勢(shì)，與19Cr14Mn0.9N鑄錠CET檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，進(jìn)一步證明本模型具有較好的準(zhǔn)確性和可信度。等軸晶區(qū)形狀隨著CET轉(zhuǎn)變位置的改變，也逐步呈現(xiàn)出扁平化和減小的趨勢(shì)，氮的宏觀偏析范圍由－0.072~0.137減少至－0.067~0.130,且氮最大偏析形成位置向鑄錠頂部移動(dòng)（圖2-76).因此，從強(qiáng)化冷卻角度而言，加壓有助于抑制CET,減小等軸晶區(qū)，緩解氮的宏觀偏析。

  綜上所述，增加壓力通過提高等軸晶最大形核密度和強(qiáng)化冷卻對(duì)氮宏觀偏析產(chǎn)生了截然相反的影響，兩者對(duì)宏觀偏析的綜合影響還需要進(jìn)一步研究。此外，基于對(duì)凝固熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及換熱系數(shù)的分析，壓力對(duì)宏觀偏析的影響不局限于增大形核率和強(qiáng)化冷卻這兩方面，還能對(duì)與宏觀偏析相關(guān)的平衡分配系數(shù)和擴(kuò)散速率等參數(shù)產(chǎn)生重要影響。因而，壓力對(duì)宏觀偏析的影響還需要進(jìn)行更深入的研究和探討。