·466 工程科学学报，第41卷，第4期 4.5 30 4.0 3.5 -Si 20 f25 +-Cu Ni -Cr 10 1.5 1.0 0.080.090.100.11 0.120.130.14 8.0m0.080.090.100.110.120.13 C质量分数/% C质量分数% 图4C质量分数对溶质偏析比的影响.(a)f=0.75:(b)f=0.99 Fig.4 Effect of C mass fraction on solute segregation ratio:(a)f=0.75:(b)f=0.99 弱，其偏析比一般在1~3内波动：C含量的增加对 元素偏析的影响.整体上来说，当初始S元素的质 P和S的影响显著，且偏析比波动范围较大， 量分数在较小范围内波动时，对最终S元素偏析影 图5为C的质量分数对零强度温度(ZST)和零 响并不明显.固相率为0.75时，S元素的质量分数 塑性温度(ZDT)的影响.当C。.c<0.095%时，随着 对$在枝晶间的偏析影响较弱，偏析比较低且基本 C含量的增加对应的脆性温度区间(ZST-ZDT)缓慢 维持在3.5左右，这是由于当固相率达到0.75时， 加宽.当Co.c≥0.095%，随着C含量的增加对应的 钢液还在以δ方式凝固.由于ND钢属于低碳合金 脆性温度区间显著变宽，这是由于溶质元素在γL 钢，C、S和Mn元素的含量都较低，因此在凝固过程 和8L界面的平衡分配系数有较大差异，导致凝固 中枝晶间残余液相中的Mn、S质量分数乘积总是低 过程中溶质元素的偏析程度发生变化，进而影响 于相同温度下Mns析出时Mn、S的平衡质量分数乘 ZST与ZDT的变化规律.整体上说，随着初始碳含 积，从而致使凝固过程中Mn元素没有对S元素偏 量的增加，溶质元素的偏析程度加剧，导致凝固末端 析产生抑制作用.当固相率为0.99时S元素在枝 温度下降幅度变大，脆性温度区间增大，使裂纹产生 晶间的偏析发生明显变化，偏析比急剧升高，且随C 几率增加 含量的增加$元素的偏析波动愈加明显，且偏析比 1515 基本在22~28.5范围内波动.这是由于随着C含 -ZDT 1510 ZST 量增加，凝固过程会出现包晶反应，多余的S元素排 1505 入枝晶间残余液相中，导致枝品间残余液相中的S 1500 1495A 含量剧增.值得注意的是在同一固相率和碳含量的 情况下，初始$元素的质量分数越高，凝固末端$元 1485 素在枝晶间的偏析比越低，这是由于初始S元素的 1480 质量分数越高，凝固末端S元素在枝晶间残余液相 1475 中的富集含量越高，导致固相线温度下降，本地凝固 1470 时间延长，S元素的反向扩散更加充分，最终使S元 4 0.080.090.100.110.120.13 素在枝晶间的偏析比略有下降. C质量分数/% 图7为S元素质量分数对零强度温度(ZST)和 图5C质量分数对零强度温度(ZST)和零塑性温度(ZDT)的影响 Fig.5 Influence of C mass fraction on zero-strength temperature 零塑性温度(ZDT)的影响.由图7可知初始S元素 (ZST）and zero-plastic temperature(ZDT） 质量分数对零强度温度(ZST)影响较小，同一碳含 量下最小初始$元素质量分数与最大初始$元素质 2.4硫含量的影响 量分数的ZST相差不大；S元素质量分数对于ZDT S元素在8L界面和yL界面的平衡分配系数 的变化影响明显，虽然初始$元素质量分数越高，使 都远小于其他元素，导致在凝固过程中，S元素在枝 最终偏析比会相应降低，但其在凝固末端枝晶间残 晶间的残余液相中偏析程度最高.图6为固相率分 余液相中的富集含量依旧高于低初始$元素质量分 别在0.75、0.99时，S元素的质量分数对枝晶间S 数在凝固末端枝晶间残余液相中的富集含量，进而工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 图 4 C 质量分数对溶质偏析比的影响 . ( a) f = 0. 75; ( b) f = 0. 99 Fig． 4 Effect of C mass fraction on solute segregation ratio: ( a) f = 0. 75; ( b) f = 0. 99 弱，其偏析比一般在 1 ～ 3 内波动; C 含量的增加对 P 和 S 的影响显著，且偏析比波动范围较大． 图 5 为 C 的质量分数对零强度温度( ZST) 和零 塑性温度( ZDT) 的影响． 当 C0，C ＜ 0. 095% 时，随着 C 含量的增加对应的脆性温度区间( ZST--ZDT) 缓慢 加宽． 当 C0，C≥0. 095% ，随着 C 含量的增加对应的 脆性温度区间显著变宽，这是由于溶质元素在 γ /L 和 δ /L 界面的平衡分配系数有较大差异，导致凝固 过程中溶质元素的偏析程度发生变化，进而影响 ZST 与 ZDT 的变化规律． 整体上说，随着初始碳含 量的增加，溶质元素的偏析程度加剧，导致凝固末端 温度下降幅度变大，脆性温度区间增大，使裂纹产生 几率增加． 图 5 C 质量分数对零强度温度( ZST) 和零塑性温度( ZDT) 的影响 Fig． 5 Influence of C mass fraction on zero-strength temperature ( ZST) and zero-plastic temperature ( ZDT) 2. 4 硫含量的影响 S 元素在 δ /L 界面和 γ /L 界面的平衡分配系数 都远小于其他元素，导致在凝固过程中，S 元素在枝 晶间的残余液相中偏析程度最高． 图 6 为固相率分 别在 0. 75、0. 99 时，S 元素的质量分数对枝晶间 S 元素偏析的影响． 整体上来说，当初始 S 元素的质 量分数在较小范围内波动时，对最终 S 元素偏析影 响并不明显． 固相率为 0. 75 时，S 元素的质量分数 对 S 在枝晶间的偏析影响较弱，偏析比较低且基本 维持在 3. 5 左右，这是由于当固相率达到 0. 75 时， 钢液还在以 δ 方式凝固． 由于 ND 钢属于低碳合金 钢，C、S 和 Mn 元素的含量都较低，因此在凝固过程 中枝晶间残余液相中的 Mn、S 质量分数乘积总是低 于相同温度下 MnS 析出时 Mn、S 的平衡质量分数乘 积，从而致使凝固过程中 Mn 元素没有对 S 元素偏 析产生抑制作用． 当固相率为 0. 99 时 S 元素在枝 晶间的偏析发生明显变化，偏析比急剧升高，且随 C 含量的增加 S 元素的偏析波动愈加明显，且偏析比 基本在 22 ～ 28. 5 范围内波动． 这是由于随着 C 含 量增加，凝固过程会出现包晶反应，多余的 S 元素排 入枝晶间残余液相中，导致枝晶间残余液相中的 S 含量剧增． 值得注意的是在同一固相率和碳含量的 情况下，初始 S 元素的质量分数越高，凝固末端 S 元 素在枝晶间的偏析比越低，这是由于初始 S 元素的 质量分数越高，凝固末端 S 元素在枝晶间残余液相 中的富集含量越高，导致固相线温度下降，本地凝固 时间延长，S 元素的反向扩散更加充分，最终使 S 元 素在枝晶间的偏析比略有下降． 图 7 为 S 元素质量分数对零强度温度( ZST) 和 零塑性温度( ZDT) 的影响． 由图 7 可知初始 S 元素 质量分数对零强度温度( ZST) 影响较小，同一碳含 量下最小初始 S 元素质量分数与最大初始 S 元素质 量分数的 ZST 相差不大; S 元素质量分数对于 ZDT 的变化影响明显，虽然初始 S 元素质量分数越高，使 最终偏析比会相应降低，但其在凝固末端枝晶间残 余液相中的富集含量依旧高于低初始 S 元素质量分 数在凝固末端枝晶间残余液相中的富集含量，进而 · 664 ·