一、固相無擴(kuo)散(san)和(he)完全擴(kuo)散(san)效應

  含鉻鎳不銹(xiu)鋼在(zai)凝固過程中，根據(ju)元素鉻和鎳當(dang)量濃度比(bi)凝固模(mo)式可分為以下四類。

  在(zai)(zai)(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠(ding)內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)變化(hua)(hua)趨勢(shi)完全一致(zhi)(zhi)(zhi)。以(yi)D1為例，對(dui)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)而(er)言［圖2-51(a)],貧(pin)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)不斷(duan)形成(cheng)［78],導致(zhi)(zhi)(zhi)氮在(zai)(zai)(zai)(zai)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)大(da)(da)(da)(da)量(liang)富(fu)集(ji)(ji)(ji)，［％N]iq快速增大(da)(da)(da)(da)，直(zhi)到(dao)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)達到(dao)0.96左右(you)。隨(sui)后，富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持續形成(cheng)，由于(yu)(yu)(yu)富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮的(de)平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)配(pei)系數(shu)和(he)溶解(jie)度均大(da)(da)(da)(da)于(yu)(yu)(yu)貧(pin)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq的(de)增長(chang)(chang)速率陡降，致(zhi)(zhi)(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq在(zai)(zai)(zai)(zai)隨(sui)后的(de)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)幾乎保持不變。氮、鎳和(he)錳一起富(fu)集(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)(zai)(zai)富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)，且富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)氮質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)明(ming)顯大(da)(da)(da)(da)于(yu)(yu)(yu)貧(pin)氮鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差(cha)值可達0.28%.在(zai)(zai)(zai)(zai)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，［％N]1iq變化(hua)(hua)規(gui)律(lv)如圖2-51(b)所示，當固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)小于(yu)(yu)(yu)0.97時，［％N]iq隨(sui)著固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)增加(jia)而(er)快速增大(da)(da)(da)(da)，隨(sui)后［％N]iq增長(chang)(chang)速率陡降，同時［％N]iiq也隨(sui)之發生斷(duan)裂式下降，明(ming)顯區(qu)別于(yu)(yu)(yu)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)。與(yu)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，由于(yu)(yu)(yu)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無(wu)擴(kuo)散，導致(zhi)(zhi)(zhi)氮、錳、鉻和(he)鉬在(zai)(zai)(zai)(zai)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)富(fu)集(ji)(ji)(ji)程度明(ming)顯大(da)(da)(da)(da)于(yu)(yu)(yu)其在(zai)(zai)(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)富(fu)集(ji)(ji)(ji)（圖2-52),促進了氮化(hua)(hua)物［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)形成(cheng)，進而(er)致(zhi)(zhi)(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq發生斷(duan)裂式下降［圖2-51(b)]。

  凝固過程(cheng)中(zhong)(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)的種類(lei)以及(ji)成(cheng)分對(dui)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)偏析有至關重要的影響。富(fu)氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的持(chi)續(xu)形(xing)成(cheng)，減(jian)小(xiao)了(le)枝(zhi)晶干與枝(zhi)晶間殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)之間氮(dan)質量分數的差距，進而減(jian)輕(qing)了(le)枝(zhi)晶間殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)偏析，有助于(yu)避免鋼液中(zhong)(zhong)氮(dan)氣泡大范圍(wei)地形(xing)成(cheng)和長大，與Makaya等的研(yan)究一致。因此，富(fu)氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的形(xing)成(cheng)有利于(yu)抑制鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)氣孔的形(xing)成(cheng)。

二、固相反擴(kuo)散效應

  碳、氮等間隙原子(zi)，其固相擴(kuo)散(san)系(xi)數較大，其實(shi)際(ji)微觀偏(pian)(pian)析程度處(chu)于固相無擴(kuo)散(san)和(he)固相完(wan)全擴(kuo)散(san)條件(jian)元(yuan)素偏(pian)(pian)析之(zhi)間，為了更好地貼合實(shi)際(ji)情況，基于C-K模型，可做以(yi)下假(jia)設，建立一種適合高氮鋼凝固溶質再分(fen)配的模型。

（1)Fe-N相(xiang)圖的液相(xiang)線和固相(xiang)線是直線。

（2)液相完(wan)全(quan)擴(kuo)散(san)，固相不完(wan)全(quan)擴(kuo)散(san)。

（3)固－液界面的推進速(su)度呈拋(pao)物線狀。

（4)溶質元素在固相中的(de)擴散存在邊界(jie)層。

（5)溶質(zhi)橫向分布均(jun)勻。

（6)忽略其他元(yuan)素的(de)偏析。

（7)不考(kao)慮凝固過(guo)程中氮析出的損失。

高(gao)氮(dan)鋼在(zai)凝固(gu)過(guo)程中，隨著凝固(gu)的進(jin)行，凝固(gu)界面固(gu)相(xiang)氮(dan)濃度可(ke)表(biao)示(shi)為

  從(cong)圖(tu)中(zhong)可以(yi)看出，隨著凝(ning)固(gu)(gu)的進(jin)行(xing)，氮(dan)(dan)濃(nong)(nong)度逐漸增(zeng)大，且固(gu)(gu)相率(lv)越大時(shi)，氮(dan)(dan)濃(nong)(nong)度增(zeng)加得(de)越快。當前沿氮(dan)(dan)濃(nong)(nong)度超(chao)過其飽(bao)和(he)值(zhi)時(shi)，便(bian)會有氮(dan)(dan)氣泡析(xi)出的可能。從(cong)微(wei)觀偏析(xi)方程（2-114)可以(yi)看出，影響(xiang)微(wei)觀偏析(xi)的因(yin)素只有凝(ning)固(gu)(gu)參數α和(he)偏析(xi)參數k,下(xia)面就這兩方面進(jin)行(xing)討論(lun)分析(xi)。

 1. 凝固參數α

  由凝固參數的(de)(de)表達式可以(yi)看出(chu)，a值(zhi)的(de)(de)大小與氮(dan)(dan)(dan)在該鋼中(zhong)的(de)(de)固相擴散系(xi)數、鋼的(de)(de)固相線溫度(du)(du)、液(ye)相線溫度(du)(du)及冷卻強度(du)(du)有關。對于特(te)定的(de)(de)鋼種(zhong)，α值(zhi)是在一定范圍的(de)(de)。如高氮(dan)(dan)(dan)鋼，α為2~3[82](圖2-54陰影(ying)分），偏(pian)(pian)析(xi)程度(du)(du)Dp可以(yi)達到5%,α越(yue)(yue)小，偏(pian)(pian)析(xi)越(yue)(yue)嚴重，在高氮(dan)(dan)(dan)鋼熔煉過程中(zhong)應(ying)該盡量(liang)避免氮(dan)(dan)(dan)偏(pian)(pian)析(xi)。但對于修正(zheng)后的(de)(de)α,α值(zhi)的(de)(de)變化對偏(pian)(pian)析(xi)程度(du)(du)影(ying)響較小。

 2. 分(fen)配系數(shu)k

  分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)表(biao)達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝固(gu)過程(cheng)中固(gu)相(xiang)(xiang)濃度(du)與液相(xiang)(xiang)濃度(du)的(de)(de)比值。它(ta)是(shi)表(biao)征(zheng)元素(su)(su)是(shi)否易(yi)(yi)偏析(xi)的(de)(de)參數(shu)(shu)(shu)。碳(tan)、硫、磷等都是(shi)非常(chang)容易(yi)(yi)偏析(xi)的(de)(de)元素(su)(su)，且這些元素(su)(su)在(zai)不同的(de)(de)固(gu)相(xiang)(xiang)（如8-Fe相(xiang)(xiang)、奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)）中偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)是(shi)不同的(de)(de)。對(dui)于要(yao)研究的(de)(de)氮(dan)元素(su)(su)，它(ta)在(zai)奧氏體(ti)中的(de)(de)偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)要(yao)大于在(zai)鐵素(su)(su)體(ti)中的(de)(de)偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，氮(dan)在(zai)鐵素(su)(su)體(ti)中的(de)(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)一般取0.38,在(zai)奧氏體(ti)中的(de)(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)一般取0.48,分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)越小，偏析(xi)程(cheng)度(du)越嚴(yan)重。另外，分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)還與凝固(gu)條(tiao)件（如凝固(gu)速(su)率、擴散邊界層厚度(du)）等相(xiang)(xiang)關。