Page 92 - 国外钢铁技术信息参考-2023年1月
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区产生负偏析。本节将通过仿真模型重新介绍此类固相粒子移动现象，并对固液ᇏݓࣁඋ࿐߶
观偏析。 ᇏݓࣁඋ࿐߶
2.6 固液共存体变形与宏观偏析
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上一节介绍了液相流动引起的宏观偏析，但有时固相的移动（固相的上浮、
沉降，固液共存区变形）也会导致宏观偏析。悬浮于熔体中的固相（例如，由于
等轴晶和枝晶臂熔断而从柱状晶上脱落的枝晶臂等）由于液相与固相的密度差而
沉降或上浮，图 1 所示合金在溶质浓度较低的情况下出现固相移动并在固相聚集
共存区的变形与宏观偏析的关系予以说明。钢的固液共存区表现为熔点以下粘弹 ᇏݓࣁඋ࿐߶
性固相与牛顿流体液相的混合状态，由于这种混合体具有不同于固相和液相的力
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学特性，本文将其称为固液共存体。
图 11 所示为固液共存体的力学特性示意图。如图 11（a）所示，当各向同
性弹性体和粘性体发生单一剪切变形时，剪切面在剪切方向上产生与弹性体的形
变成正比的应力以及与粘性体应变速度成正比的应力，剪切面法线方向无任何应
力。另外，固液共存体发生单一剪切变形时，不仅在剪切方向上产生剪切应力，
剪切面法线方向上也会产生应力。也就是说，体积恒定的情况下达到剪切变形还
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需要施加与剪切面法线方向应力相平衡的力。未在剪切面法线方向施加该作用力
的情况下，固液共存体会出现“膨胀”。由法线应力引起的体积膨胀称为表观体
积膨胀（同 Reynolds 膨胀）。Reynolds 现象是液态化、沙土处理等土木工程中
的常见现象，但流变试验表明金属材料铸造过程中也会因表观体积膨胀而产生宏
观偏析。 ᇏݓࣁඋ࿐߶
在非压缩性金属材料的固相和液相混合物中，表观体积膨胀意味着固相粒子
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集合体的体积（被集合体包络包围区的体积）发生膨胀。膨胀的结果是液相流入
固液共存体内部，液相未充分流入的区域会产生气孔，而液相从材料表面向内部
移动会使材料表面产生裂纹。未发生体积膨胀的单一剪切原本不会导致气孔和裂
纹，但在固液共存体中却出现了孔隙和断裂。本文通过图 11 右上方所示固相粒
子的排列变化从凝固组织规模的角度研究固液共存体的变形情况。当固液共存体
在固相粒子未变形的情况下发生形变时，必然要扩大固相粒子间距，如果能够扩
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大则能在相对较低的应力下发生变形。固相粒子的重新排列即为表观体积膨胀。
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