·792· 工程科学学报，第38卷，第6期 0.55 碳化物面积分数较小.而在砂模铸锭中试样a、b和c 0.50 处溶质元素流动的阻碍作用没有水冷铜模那么显著， 所以该处溶质富集的液相部分流向试样d、e和「，所以 0.45 砂型模铸 该处碳化物含量低于水冷铜模的相应试样，也将导致 % 砂模铸锭中试样d、e和f的碳化物含量增加 0.35 2.3晶粒尺寸测量 0.30 图l0为采用金属材料显微图像分析系统(micro-- 0.25 水冷铜模 image analysis&process system,MAPS)统计晶粒尺寸 0.20 的统计过程（砂型模铸试样b金相照片），图11为两 铸锭不同试样处晶粒尺寸的统计结果. 试样 从图11可以看出水冷铜模铸锭的晶粒尺寸较砂 图9M2钢铸锭不同试样碳化物面积分数 模铸锭细小，砂模铸锭六个试样的平均晶粒尺寸约为 Fig.9 Area fraction of carbides in the different samples of the M2 steel ingots 72.6μm,水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸约43.1m,水冷 铜模铸锭的平均晶粒尺寸较砂模铸锭的平均晶粒尺寸 为0.30，较其碳化物平均面积分数(0.29)仅增大 减小约40.7%.水冷铜模各试样晶粒尺寸与平均晶粒 2.2%.对比图9中水冷铜模和砂模铸锭的试样a、b 尺寸之间的最大相差27.3%，而砂模为32.3%.可见 和℃中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸锭这三 水冷铜模铸锭的晶粒尺寸细小，且分布均匀 个试样的碳化物面积分数要大于砂模铸锭相应试样. 根据图11的各试样晶粒尺寸和图5的各试样的 这是因为较大的冷却速度将得到较小的二次枝晶间 冷却速度，可以得到在2钢凝固过程中冷却速度与 距，而较小的二次枝晶间距会使渗透率减小，较小的渗 其晶粒尺寸之间的关系图，其结果如图12所示.对图 透率能有效的阻碍溶质元素从铸锭边部向铸锭中心的 I2的数据在Origin软件中进行非线性拟合，得到在 流动，从而减轻铸锭的中心偏析.可见水冷铜模铸锭 M2钢的凝固过程中冷却速度dT/d!与晶粒尺寸1之 中心碳偏析得到有效的控制，同时可以得出水冷铜模 间的关系： 铸锭横截面上碳化物的分布比砂模铸锭均匀.与上述 (6) 渗透率推断能很好的吻合 1=27.2+36.2e-譬+3.8×10e- 对比图9中水冷铜模和砂模铸锭的试样a、b、c与 式(6)的拟合度高达0.92，可见式(6)能根据冷却速度 试样d、e、「中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸 较准确的计算M2钢晶粒的尺寸. 锭的试样d、e和f中碳化物面积分数要小于试样a、b 从图12和拟合公式(6)可以看出随着冷却速度 和©，而砂模铸锭与水冷铜模铸锭恰好相反.根据上述 的增大，晶粒尺寸逐渐减小，且冷却速度与晶粒尺寸之 渗透率的分析可以解释：在水冷铜模铸锭的试样a、b 间是非线性关系.在较低的冷却速度下，适当增大冷 和℃的冷却速度较大，相应的渗透率较小，溶质元素的 却速度，晶粒尺寸能够得到大幅度的减小：而在较大的 流动受到的阻碍极大，所以该处的碳化物面积分数较 冷却速度的基础上提高冷却速度，晶粒尺寸的减小幅 高.试样d、e和「的渗透率较大，溶质元素富集的液相 度不是特别明显.在金属凝固过程中，影响晶粒尺寸 流动没有得到充分的阻碍，向内部流动，但试样a、b和 的主要因素为形核率，形核率越大则晶粒尺寸将越小， c的溶质富集液没有或很少流到试样d、e和「，所以其 而形核率与过冷度之间为正相关的关系，冷却速度越 b 100um 100m 图10品粒尺寸统计，(a)原始金相照片：(b)处理后的金相照片 Fig.10 Crain size statistic result:(a)original metallograph:(b)metallograph after processing工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 图 9 M2 钢铸锭不同试样碳化物面积分数 Fig． 9 Area fraction of carbides in the different samples of the M2 steel ingots 为 0. 30，较其 碳 化 物 平 均 面 积 分 数 ( 0. 29 ) 仅 增 大 2. 2% ． 对比图 9 中水冷铜模和砂模铸锭的试样 a、b 和 c 中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸锭这三 个试样的碳化物面积分数要大于砂模铸锭相应试样． 这是因为较大的冷却速度将得到较小的二次枝晶间 距，而较小的二次枝晶间距会使渗透率减小，较小的渗 透率能有效的阻碍溶质元素从铸锭边部向铸锭中心的 图 10 晶粒尺寸统计． ( a) 原始金相照片; ( b) 处理后的金相照片 Fig． 10 Grain size statistic result: ( a) original metallograph; ( b) metallograph after processing 流动，从而减轻铸锭的中心偏析． 可见水冷铜模铸锭 中心碳偏析得到有效的控制，同时可以得出水冷铜模 铸锭横截面上碳化物的分布比砂模铸锭均匀． 与上述 渗透率推断能很好的吻合． 对比图 9 中水冷铜模和砂模铸锭的试样 a、b、c 与 试样 d、e、f 中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸 锭的试样 d、e 和 f 中碳化物面积分数要小于试样 a、b 和 c，而砂模铸锭与水冷铜模铸锭恰好相反． 根据上述 渗透率的分析可以解释: 在水冷铜模铸锭的试样 a、b 和 c 的冷却速度较大，相应的渗透率较小，溶质元素的 流动受到的阻碍极大，所以该处的碳化物面积分数较 高． 试样 d、e 和 f 的渗透率较大，溶质元素富集的液相 流动没有得到充分的阻碍，向内部流动，但试样 a、b 和 c 的溶质富集液没有或很少流到试样 d、e 和 f，所以其 碳化物面积分数较小． 而在砂模铸锭中试样 a、b 和 c 处溶质元素流动的阻碍作用没有水冷铜模那么显著， 所以该处溶质富集的液相部分流向试样 d、e 和 f，所以 该处碳化物含量低于水冷铜模的相应试样，也将导致 砂模铸锭中试样 d、e 和 f 的碳化物含量增加． 2. 3 晶粒尺寸测量 图 10 为采用金属材料显微图像分析系统( micro￾image analysis ＆ process system，MIAPS) 统计晶粒尺寸 的统计过程( 砂型模铸试样 b 金相照片) ，图 11 为两 铸锭不同试样处晶粒尺寸的统计结果． 从图 11 可以看出水冷铜模铸锭的晶粒尺寸较砂 模铸锭细小，砂模铸锭六个试样的平均晶粒尺寸约为 72. 6 μm，水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸约 43. 1 μm，水冷 铜模铸锭的平均晶粒尺寸较砂模铸锭的平均晶粒尺寸 减小约 40. 7% ． 水冷铜模各试样晶粒尺寸与平均晶粒 尺寸之间的最大相差 27. 3% ，而砂模为 32. 3% ． 可见 水冷铜模铸锭的晶粒尺寸细小，且分布均匀． 根据图 11 的各试样晶粒尺寸和图 5 的各试样的 冷却速度，可以得到在 M2 钢凝固过程中冷却速度与 其晶粒尺寸之间的关系图，其结果如图 12 所示． 对图 12 的数据在 Origin 软件中进行非线性拟合，得到在 M2 钢的凝固过程中冷却速度 dT / dt 与晶粒尺寸 l 之 间的关系: l = 27. 2 + 36. 2e － dT/dt 13. 1 + 3. 8 × 104 e － dT/dt 0. 11 ． ( 6) 式( 6) 的拟合度高达 0. 92，可见式( 6) 能根据冷却速度 较准确的计算 M2 钢晶粒的尺寸． 从图 12 和拟合公式( 6) 可以看出随着冷却速度 的增大，晶粒尺寸逐渐减小，且冷却速度与晶粒尺寸之 间是非线性关系． 在较低的冷却速度下，适当增大冷 却速度，晶粒尺寸能够得到大幅度的减小; 而在较大的 冷却速度的基础上提高冷却速度，晶粒尺寸的减小幅 度不是特别明显． 在金属凝固过程中，影响晶粒尺寸 的主要因素为形核率，形核率越大则晶粒尺寸将越小， 而形核率与过冷度之间为正相关的关系，冷却速度越 · 297 ·