·468 工程科学学报，第41卷，第4期 之差在2℃左右.P元素质量分数对于ZDT的变化 有显著影响，由于P在γ相中溶解度小于在δ相中 ■冷却速率04℃·g1 溶解度，凝固后期大量P元素排到枝晶间残余液相 ·冷却速率2.0℃·s1 4冷却速率10.0℃·s 中，且初始P质量分数越高凝固末端枝晶间残余液 岁6 相中的P含量越高，导致ZDT出现明显的下降，脆 性温度区间变大，形成裂纹的几率增加. 1510 1500 一P元素的初始质量分数为0.005%ZT 0.2 0.40.6 0.81.0 1490 ·-P元素的初始质量分数为0.015% ·P元素的初始质量分数为0.025% 固相率 图10不同冷却速率对P偏析的影响 则1480 Fig.10 Effects of different cooling rates on P segregation 1470 加钢液凝固方式会发生相应的改变，由于元素在不 1460 ZDT 同界面的平衡分配系数和扩散系数不同，导致凝固 0.07 0.080.090.100.110.12 0.13 后期P和S元素的偏析比急剧升高：Cu元素偏析比 C质量分数/% 则程缓慢下降的态势；C和Ni元素由于在不同界 图9P质量分数对零强度温度(ZST)和零塑性温度(ZDT)的影响 面的平衡分配系都接近于1，因此偏析比几乎不随 Fig.9 Influence of P mass fraction on zero-strength temperature 初始碳质量分数的变化而变化 (ZST)and zero-plastic temperature (ZDT) (2)钢液在凝固过程中Mn元素抑制S元素的 2.6冷却速率的影响 偏析主要针对几类特定钢种（如高碳钢、高锰钢）. 冷却速率对P偏析的影响如图10所示.从图 ND钢属于低碳合金钢，[C]、S]和Mn]都比较 中可以直观地发现随着冷却速率的提高，P元素偏 低，导致ND钢在凝固过程中Mn元素对S元素的偏 析比略有降低，这与Matsumiya等通过定向凝固试 析几乎没有抑制作用.在ND钢允许的[C]、S]和 验探究冷却速率对元素偏析的影响而获得的结论一 M]范围内，S元素偏析比基本在22~28.5范围 致.这是由于随着冷却速率的提高，二次枝晶臂 内波动. 间距变窄，二次枝晶间元素的含量也相应减少.假 (3)在ND钢允许的初始C含量范围内，随初 设元素含量一定，二次枝晶臂间距越窄，那么在凝固 始C质量分数增加，凝固末端温度下降幅度变大， 终了时枝晶间残余液相中的溶质元素富集程度相对 从而使脆性温度区增大；P和S都是易偏析元素，增 降低，从而偏析比有所下降：冷却速率的变化同样也 加P和S的初始质量分数，会加剧P和S在枝晶间 影响着元素的扩散，由于元素扩散是一个缓慢的过 残余液相中的富集，ZDT下降趋势更加明显，脆性温 程，凝固过程中当冷却速率不断提高，本应排到残余 度区增大，提高了诱发铸坯内部裂纹和表面裂纹的 液相中的多余溶质元素，由于冷却速率过快而导致 几率. 不能及时排出，使凝固终了时枝晶间残余液相中的 (4)ND钢中Cu的质量分数低于显著提高裂纹 溶质元素相应减少.从图10还可发现冷却速率对 敏感性的临界含量，且凝固过程中Cu元素的偏析 元素偏析的影响主要体现在凝固后期，这是因为此 比较低，因此在ND钢在凝固过程中Cu元素不能主 时钢液基本以γ方式凝固，其元素的扩散系数比以 导裂纹的诱发 δ方式凝固小2个数量级，因此冷却速率对元素偏 (5)随着凝固过程中包晶反应的出现Y相开始 析的影响在凝固后期更加直观 析出，冷却速率对元素偏析的影响愈加明显，在一定 冷却速率范围内随着冷却速率的提高，P元素偏析 3结论 比略有降低 (1)C元素对枝晶间残余液相中元素的偏析有 一定影响，其中对P和S的影响最为显著.ND钢的 参考文献 初始C的质量分数在0.075%至0.125%之间，正处 []Cai ZZ,Zhu M Y.Microsegregation of solute elements in solidif- 于包晶反应的C含量范围.随初始C质量分数的增 ying mushy zone of steel and its effect on longitudinal surface工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 之差在 2 ℃左右． P 元素质量分数对于 ZDT 的变化 有显著影响，由于 P 在 γ 相中溶解度小于在 δ 相中 溶解度，凝固后期大量 P 元素排到枝晶间残余液相 中，且初始 P 质量分数越高凝固末端枝晶间残余液 相中的 P 含量越高，导致 ZDT 出现明显的下降，脆 性温度区间变大，形成裂纹的几率增加． 图 9 P 质量分数对零强度温度( ZST) 和零塑性温度( ZDT) 的影响 Fig． 9 Influence of P mass fraction on zero-strength temperature ( ZST) and zero-plastic temperature ( ZDT) 2. 6 冷却速率的影响 冷却速率对 P 偏析的影响如图 10 所示． 从图 中可以直观地发现随着冷却速率的提高，P 元素偏 析比略有降低，这与 Matsumiya 等通过定向凝固试 验探究冷却速率对元素偏析的影响而获得的结论一 致［13］． 这是由于随着冷却速率的提高，二次枝晶臂 间距变窄，二次枝晶间元素的含量也相应减少． 假 设元素含量一定，二次枝晶臂间距越窄，那么在凝固 终了时枝晶间残余液相中的溶质元素富集程度相对 降低，从而偏析比有所下降; 冷却速率的变化同样也 影响着元素的扩散，由于元素扩散是一个缓慢的过 程，凝固过程中当冷却速率不断提高，本应排到残余 液相中的多余溶质元素，由于冷却速率过快而导致 不能及时排出，使凝固终了时枝晶间残余液相中的 溶质元素相应减少． 从图 10 还可发现冷却速率对 元素偏析的影响主要体现在凝固后期，这是因为此 时钢液基本以 γ 方式凝固，其元素的扩散系数比以 δ 方式凝固小 2 个数量级，因此冷却速率对元素偏 析的影响在凝固后期更加直观． 3 结论 ( 1) C 元素对枝晶间残余液相中元素的偏析有 一定影响，其中对 P 和 S 的影响最为显著． ND 钢的 初始 C 的质量分数在 0. 075% 至 0. 125% 之间，正处 于包晶反应的 C 含量范围． 随初始 C 质量分数的增 图 10 不同冷却速率对 P 偏析的影响 Fig． 10 Effects of different cooling rates on P segregation 加钢液凝固方式会发生相应的改变，由于元素在不 同界面的平衡分配系数和扩散系数不同，导致凝固 后期 P 和 S 元素的偏析比急剧升高; Cu 元素偏析比 则程缓慢下降的态势; Cr 和 Ni 元素由于在不同界 面的平衡分配系都接近于 1，因此偏析比几乎不随 初始碳质量分数的变化而变化． ( 2) 钢液在凝固过程中 Mn 元素抑制 S 元素的 偏析主要针对几类特定钢种( 如高碳钢、高锰钢) ． ND 钢属于低碳合金钢，［C］、［S］和［Mn］都比较 低，导致 ND 钢在凝固过程中 Mn 元素对 S 元素的偏 析几乎没有抑制作用． 在 ND 钢允许的［C］、［S］和 ［Mn］范围内，S 元素偏析比基本在 22 ～ 28. 5 范围 内波动． ( 3) 在 ND 钢允许的初始 C 含量范围内，随初 始 C 质量分数增加，凝固末端温度下降幅度变大， 从而使脆性温度区增大; P 和 S 都是易偏析元素，增 加 P 和 S 的初始质量分数，会加剧 P 和 S 在枝晶间 残余液相中的富集，ZDT 下降趋势更加明显，脆性温 度区增大，提高了诱发铸坯内部裂纹和表面裂纹的 几率． ( 4) ND 钢中 Cu 的质量分数低于显著提高裂纹 敏感性的临界含量，且凝固过程中 Cu 元素的偏析 比较低，因此在 ND 钢在凝固过程中 Cu 元素不能主 导裂纹的诱发． ( 5) 随着凝固过程中包晶反应的出现 γ 相开始 析出，冷却速率对元素偏析的影响愈加明显，在一定 冷却速率范围内随着冷却速率的提高，P 元素偏析 比略有降低． 参 考 文 献 ［1］ Cai Z Z，Zhu M Y． Microsegregation of solute elements in solidif￾ying mushy zone of steel and its effect on longitudinal surface · 864 ·