一、固相無擴散(san)和完全(quan)擴散(san)效應

  含鉻鎳不銹(xiu)鋼在凝固(gu)過程中，根據(ju)元(yuan)素鉻和鎳當(dang)量濃度比凝固(gu)模式可分(fen)為以(yi)下四類。

  在(zai)(zai)平(ping)(ping)衡和(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內(nei)，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分(fen)數的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化趨勢完全一致(zhi)。以(yi)D1為(wei)例，對平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)而言［圖2-51(a)],貧氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)形成［78],導致(zhi)氮(dan)(dan)在(zai)(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)大(da)(da)量富(fu)集，［％N]iq快速增(zeng)大(da)(da)，直到(dao)(dao)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分(fen)數達(da)到(dao)(dao)0.96左(zuo)右。隨(sui)后，富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持續形成，由(you)于(yu)(yu)富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)平(ping)(ping)衡分(fen)配(pei)系數和(he)溶解度(du)均大(da)(da)于(yu)(yu)貧氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)使［％N]iq的(de)(de)(de)增(zeng)長速率(lv)陡(dou)(dou)降，致(zhi)使［％N]iq在(zai)(zai)隨(sui)后的(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)幾乎(hu)保(bao)持不(bu)變(bian)(bian)。氮(dan)(dan)、鎳和(he)錳一起富(fu)集在(zai)(zai)富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體中(zhong)(zhong)(zhong)，且(qie)富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量分(fen)數明顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)貧氮(dan)(dan)鐵素(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值可達(da)0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)(bian)化規律如圖2-51(b)所示(shi)，當固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分(fen)數小于(yu)(yu)0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分(fen)數的(de)(de)(de)增(zeng)加而快速增(zeng)大(da)(da)，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)長速率(lv)陡(dou)(dou)降，同時(shi)［％N]iiq也(ye)隨(sui)之發生(sheng)斷(duan)裂(lie)式下(xia)(xia)降，明顯(xian)區別于(yu)(yu)平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)。與平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，由(you)于(yu)(yu)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無擴散，導致(zhi)氮(dan)(dan)、錳、鉻和(he)鉬在(zai)(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)富(fu)集程度(du)明顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)其在(zai)(zai)平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)富(fu)集（圖2-52),促進了氮(dan)(dan)化物［密排六方(fang)（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)(de)形成，進而致(zhi)使［％N]iq發生(sheng)斷(duan)裂(lie)式下(xia)(xia)降［圖2-51(b)]。

  凝(ning)固過程中(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)種類以及(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)分對殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)偏(pian)析(xi)有至關重要的(de)影(ying)響。富氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)持續形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)，減小了枝(zhi)晶(jing)干(gan)與枝(zhi)晶(jing)間殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)之間氮(dan)質量分數的(de)差距，進而減輕了枝(zhi)晶(jing)間殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)偏(pian)析(xi)，有助于避(bi)免鋼液(ye)中(zhong)氮(dan)氣(qi)泡大范圍地形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)和長大，與Makaya等的(de)研究一致(zhi)。因此(ci)，富氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)有利(li)于抑制鋼中(zhong)氮(dan)氣(qi)孔的(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)。

二、固相反(fan)擴散效應

  碳、氮等間隙原子(zi)，其(qi)固(gu)相(xiang)擴(kuo)散系數較大，其(qi)實(shi)際微觀偏析程度處于固(gu)相(xiang)無擴(kuo)散和固(gu)相(xiang)完(wan)全擴(kuo)散條件元素偏析之間，為了更好地貼合(he)實(shi)際情況，基于C-K模型(xing)(xing)，可(ke)做以下假設，建(jian)立(li)一(yi)種適合(he)高(gao)氮鋼凝固(gu)溶質(zhi)再分配的模型(xing)(xing)。

（1)Fe-N相(xiang)圖的液相(xiang)線和(he)固(gu)相(xiang)線是直線。

（2)液相完全擴(kuo)散(san)(san)，固(gu)相不(bu)完全擴(kuo)散(san)(san)。

（3)固(gu)－液界面的推進速度呈拋物線(xian)狀。

（4)溶(rong)質元素在固相中的擴散存在邊界層。

（5)溶質(zhi)橫向分布均勻。

（6)忽略其他元素的(de)偏析。

（7)不考慮(lv)凝(ning)固過(guo)程(cheng)中氮析出的損失。

高(gao)氮(dan)鋼在凝(ning)固(gu)過程中，隨(sui)著(zhu)凝(ning)固(gu)的(de)進行(xing)，凝(ning)固(gu)界面固(gu)相氮(dan)濃(nong)度可(ke)表示為(wei)

  從圖中可以看出(chu)，隨著(zhu)凝(ning)固的進(jin)行(xing)，氮(dan)濃(nong)(nong)度(du)逐(zhu)漸(jian)增大(da)，且固相率越大(da)時，氮(dan)濃(nong)(nong)度(du)增加(jia)得越快。當前(qian)沿氮(dan)濃(nong)(nong)度(du)超過其飽和(he)值(zhi)時，便會有氮(dan)氣泡析出(chu)的可能。從微觀偏(pian)析方(fang)程（2-114)可以看出(chu)，影響微觀偏(pian)析的因素(su)只(zhi)有凝(ning)固參數α和(he)偏(pian)析參數k,下面就這兩方(fang)面進(jin)行(xing)討論分析。

 1. 凝固參(can)數α

  由凝(ning)固(gu)參(can)數的(de)(de)(de)表達(da)式可以看出，a值(zhi)的(de)(de)(de)大小與氮在(zai)該(gai)鋼(gang)(gang)中的(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)擴散系(xi)數、鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)線(xian)溫度、液(ye)相(xiang)線(xian)溫度及(ji)冷卻強度有(you)關。對于特(te)定的(de)(de)(de)鋼(gang)(gang)種，α值(zhi)是在(zai)一定范圍(wei)的(de)(de)(de)。如高氮鋼(gang)(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影分），偏(pian)析程度Dp可以達(da)到5%,α越小，偏(pian)析越嚴重(zhong)，在(zai)高氮鋼(gang)(gang)熔煉過程中應該(gai)盡量(liang)避免氮偏(pian)析。但對于修(xiu)正后的(de)(de)(de)α,α值(zhi)的(de)(de)(de)變化對偏(pian)析程度影響較小。

 2. 分配(pei)系數k

  分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)表(biao)達(da)式(shi)是(shi)(shi)k=Cs/C,是(shi)(shi)凝固(gu)(gu)過程中固(gu)(gu)相濃度(du)與液相濃度(du)的(de)(de)比值。它(ta)是(shi)(shi)表(biao)征元(yuan)素是(shi)(shi)否易偏析(xi)的(de)(de)參數(shu)。碳、硫、磷等都是(shi)(shi)非(fei)常容易偏析(xi)的(de)(de)元(yuan)素，且(qie)這(zhe)些(xie)元(yuan)素在(zai)不同(tong)的(de)(de)固(gu)(gu)相（如8-Fe相、奧(ao)氏體(ti)相）中偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)是(shi)(shi)不同(tong)的(de)(de)。對于要研(yan)究(jiu)的(de)(de)氮元(yuan)素，它(ta)在(zai)奧(ao)氏體(ti)中的(de)(de)偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)要大于在(zai)鐵素體(ti)中的(de)(de)偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)，氮在(zai)鐵素體(ti)中的(de)(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)一般取0.38,在(zai)奧(ao)氏體(ti)中的(de)(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)一般取0.48,分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)越小，偏析(xi)程度(du)越嚴重(zhong)。另(ling)外，分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)還與凝固(gu)(gu)條(tiao)件（如凝固(gu)(gu)速率、擴散邊(bian)界層厚度(du)）等相關(guan)。