一、固(gu)相無擴散和完(wan)全擴散效應(ying)

  含鉻鎳不(bu)銹鋼在凝固(gu)過程中，根據(ju)元(yuan)素鉻和(he)鎳當量濃度比凝固(gu)模式可分(fen)為以下四類。

  在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)和(he)Scheil凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠(ding)內，［％N]uiq隨固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化趨(qu)勢完(wan)全一致(zhi)。以D1為例，對平(ping)衡(heng)(heng)凝固(gu)而言［圖2-51(a)],貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)(de)(de)不斷(duan)形成(cheng)(cheng)［78],導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)(zai)殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)大量(liang)(liang)(liang)富(fu)集，［％N]iq快速(su)增大，直到固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)達(da)到0.96左(zuo)右。隨后，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持續形成(cheng)(cheng)，由于(yu)(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)和(he)溶解(jie)度均(jun)大于(yu)(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq的(de)(de)(de)(de)增長(chang)速(su)率陡(dou)(dou)降(jiang)，致(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq在(zai)(zai)隨后的(de)(de)(de)(de)凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)幾(ji)乎保(bao)持不變(bian)。氮(dan)(dan)(dan)、鎳和(he)錳一起富(fu)集在(zai)(zai)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)，且富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)明顯(xian)大于(yu)(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值可(ke)達(da)0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)化規律如圖2-51(b)所示，當固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)小于(yu)(yu)0.97時(shi)，［％N]iq隨著固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)而快速(su)增大，隨后［％N]iq增長(chang)速(su)率陡(dou)(dou)降(jiang)，同時(shi)［％N]iiq也隨之發生(sheng)斷(duan)裂式(shi)下降(jiang)，明顯(xian)區別于(yu)(yu)平(ping)衡(heng)(heng)凝固(gu)。與平(ping)衡(heng)(heng)凝固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，由于(yu)(yu)Scheil凝固(gu)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)無擴散，導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)、錳、鉻(ge)和(he)鉬在(zai)(zai)殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集程度明顯(xian)大于(yu)(yu)其在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)凝固(gu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集（圖2-52),促進了氮(dan)(dan)(dan)化物［密排六方(fang)（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)，進而致(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq發生(sheng)斷(duan)裂式(shi)下降(jiang)［圖2-51(b)]。

  凝固過(guo)程中(zhong)相(xiang)的(de)種類以(yi)及(ji)成分(fen)對殘余(yu)液(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)偏(pian)(pian)析(xi)有(you)至關重要(yao)的(de)影響。富(fu)氮(dan)相(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)持續形成，減(jian)小了(le)枝晶干與枝晶間(jian)殘余(yu)液(ye)相(xiang)之間(jian)氮(dan)質量分(fen)數(shu)的(de)差距，進而減(jian)輕了(le)枝晶間(jian)殘余(yu)液(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)偏(pian)(pian)析(xi)，有(you)助于(yu)避(bi)免鋼(gang)液(ye)中(zhong)氮(dan)氣泡大范圍(wei)地形成和長大，與Makaya等的(de)研究一致(zhi)。因此，富(fu)氮(dan)相(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)形成有(you)利于(yu)抑制鋼(gang)中(zhong)氮(dan)氣孔的(de)形成。

二、固相反擴散效應

  碳、氮等間隙原(yuan)子，其固(gu)相擴散(san)系數較(jiao)大，其實(shi)際(ji)微觀偏(pian)析程度處于固(gu)相無(wu)擴散(san)和(he)固(gu)相完全擴散(san)條(tiao)件元素偏(pian)析之(zhi)間，為了更(geng)好地(di)貼合(he)實(shi)際(ji)情況(kuang)，基(ji)于C-K模型，可做以下假設，建立(li)一種適(shi)合(he)高氮鋼凝固(gu)溶質(zhi)再分配的模型。

（1)Fe-N相圖的液(ye)相線和固相線是(shi)直線。

（2)液相完全擴散(san)，固(gu)相不完全擴散(san)。

（3)固－液界(jie)面的推進速度呈拋物(wu)線狀。

（4)溶質元素在固相中的擴(kuo)散存在邊界層(ceng)。

（5)溶質(zhi)橫向分布(bu)均(jun)勻。

（6)忽略(lve)其(qi)他元素的(de)偏析。

（7)不(bu)考慮凝固過(guo)程中(zhong)氮(dan)析出(chu)的損(sun)失。

高氮鋼在凝(ning)固過(guo)程中(zhong)，隨著凝(ning)固的進(jin)行，凝(ning)固界面固相(xiang)氮濃度可(ke)表示為(wei)

  從(cong)圖(tu)中可以看出，隨著凝固(gu)的(de)進行(xing)，氮(dan)濃度(du)逐漸增大，且(qie)固(gu)相率越(yue)大時(shi)，氮(dan)濃度(du)增加得越(yue)快。當(dang)前沿氮(dan)濃度(du)超過(guo)其飽和值時(shi)，便(bian)會有氮(dan)氣泡析(xi)出的(de)可能。從(cong)微觀偏析(xi)方程（2-114)可以看出，影響(xiang)微觀偏析(xi)的(de)因素只有凝固(gu)參數α和偏析(xi)參數k,下面(mian)就(jiu)這(zhe)兩(liang)方面(mian)進行(xing)討論分(fen)析(xi)。

 1. 凝固參數α

  由凝(ning)固參數的(de)(de)表達(da)式可以(yi)看出(chu)，a值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)大小(xiao)與氮在該鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)固相(xiang)擴(kuo)散系數、鋼(gang)(gang)的(de)(de)固相(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)、液相(xiang)線(xian)溫度(du)(du)(du)及冷卻強度(du)(du)(du)有關(guan)。對(dui)(dui)于(yu)特(te)定(ding)的(de)(de)鋼(gang)(gang)種(zhong)，α值(zhi)(zhi)(zhi)是在一(yi)定(ding)范圍的(de)(de)。如高(gao)氮鋼(gang)(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影分），偏(pian)(pian)析(xi)(xi)程度(du)(du)(du)Dp可以(yi)達(da)到(dao)5%,α越(yue)小(xiao)，偏(pian)(pian)析(xi)(xi)越(yue)嚴重(zhong)，在高(gao)氮鋼(gang)(gang)熔煉過程中(zhong)應該盡量避免(mian)氮偏(pian)(pian)析(xi)(xi)。但對(dui)(dui)于(yu)修(xiu)正后的(de)(de)α,α值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)變化對(dui)(dui)偏(pian)(pian)析(xi)(xi)程度(du)(du)(du)影響(xiang)較小(xiao)。

 2. 分配系數k

  分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)表達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝(ning)固(gu)過程中固(gu)相(xiang)(xiang)濃(nong)度與(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)濃(nong)度的(de)(de)比值。它(ta)是(shi)表征元素(su)是(shi)否易(yi)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)參數(shu)(shu)。碳(tan)、硫、磷等都是(shi)非(fei)常容易(yi)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)元素(su)，且這(zhe)些元素(su)在不同(tong)(tong)的(de)(de)固(gu)相(xiang)(xiang)（如(ru)8-Fe相(xiang)(xiang)、奧氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)）中偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)系(xi)數(shu)(shu)是(shi)不同(tong)(tong)的(de)(de)。對于要研(yan)究的(de)(de)氮(dan)元素(su)，它(ta)在奧氏體(ti)(ti)中的(de)(de)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)系(xi)數(shu)(shu)要大于在鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)中的(de)(de)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)系(xi)數(shu)(shu)，氮(dan)在鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)中的(de)(de)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)一般取(qu)0.38,在奧氏體(ti)(ti)中的(de)(de)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)一般取(qu)0.48,分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)越小，偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)程度越嚴(yan)重。另外，分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)還(huan)與(yu)凝(ning)固(gu)條件（如(ru)凝(ning)固(gu)速(su)率、擴散(san)邊界層(ceng)厚度）等相(xiang)(xiang)關。