一(yi)、固相無擴(kuo)散和完全擴(kuo)散效(xiao)應

  含鉻鎳不銹鋼在凝固(gu)過程中，根據元素鉻和鎳當量濃(nong)度比凝固(gu)模式可分(fen)為以下四(si)類。

  在(zai)(zai)平衡(heng)(heng)(heng)和Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)變化(hua)趨勢完(wan)全一致(zhi)。以D1為(wei)例，對平衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)而言(yan)［圖(tu)2-51(a)],貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)素體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)(de)不斷形(xing)成［78],導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)大(da)(da)量(liang)富(fu)集，［％N]iq快速增(zeng)大(da)(da)，直到(dao)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)達到(dao)0.96左右。隨(sui)后，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ和AIN)持續形(xing)成，由于(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)平衡(heng)(heng)(heng)分(fen)配(pei)系數(shu)和溶解度(du)均大(da)(da)于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)使［％N]iq的(de)(de)(de)增(zeng)長(chang)速率陡降(jiang)，致(zhi)使［％N]iq在(zai)(zai)隨(sui)后的(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)幾乎保持不變。氮(dan)(dan)(dan)、鎳和錳一起富(fu)集在(zai)(zai)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)，且富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)明(ming)顯大(da)(da)于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值可(ke)達0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變化(hua)規(gui)律如圖(tu)2-51(b)所(suo)示，當固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)小(xiao)于(yu)0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而快速增(zeng)大(da)(da)，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)長(chang)速率陡降(jiang)，同時(shi)［％N]iiq也隨(sui)之發(fa)生(sheng)斷裂式下降(jiang)，明(ming)顯區別(bie)于(yu)平衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)。與(yu)平衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)比，由于(yu)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)無擴散，導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)、錳、鉻和鉬(mu)在(zai)(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)富(fu)集程(cheng)度(du)明(ming)顯大(da)(da)于(yu)其在(zai)(zai)平衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)富(fu)集（圖(tu)2-52),促進(jin)了氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)(de)形(xing)成，進(jin)而致(zhi)使［％N]iq發(fa)生(sheng)斷裂式下降(jiang)［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固過程(cheng)中相(xiang)(xiang)的(de)種類以及成分(fen)對殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)偏析有至關重要的(de)影響。富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)）的(de)持(chi)續(xu)形成，減小了(le)(le)枝(zhi)晶(jing)干(gan)與枝(zhi)晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)之間氮(dan)(dan)(dan)質量分(fen)數的(de)差距(ju)，進而減輕了(le)(le)枝(zhi)晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)偏析，有助(zhu)于避(bi)免鋼(gang)液(ye)中氮(dan)(dan)(dan)氣泡大范圍(wei)地形成和(he)長大，與Makaya等的(de)研(yan)究一(yi)致。因此，富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)）的(de)形成有利于抑制鋼(gang)中氮(dan)(dan)(dan)氣孔的(de)形成。

二(er)、固相反擴散效應

  碳、氮(dan)等間隙原(yuan)子，其固(gu)(gu)(gu)相擴(kuo)散(san)系數較(jiao)大，其實際(ji)微觀(guan)偏(pian)析程度處(chu)于固(gu)(gu)(gu)相無擴(kuo)散(san)和(he)固(gu)(gu)(gu)相完全擴(kuo)散(san)條件元(yuan)素偏(pian)析之間，為了更好地貼(tie)合實際(ji)情況，基(ji)于C-K模型，可(ke)做以(yi)下假(jia)設，建立一種適(shi)合高氮(dan)鋼凝固(gu)(gu)(gu)溶質再分配的(de)模型。

（1)Fe-N相圖的液相線(xian)(xian)和固相線(xian)(xian)是直線(xian)(xian)。

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

（3)固－液(ye)界面的推(tui)進速度呈拋物線狀。

（4)溶質元素(su)在固相(xiang)中(zhong)的擴(kuo)散存(cun)在邊界層。

（5)溶(rong)質(zhi)橫向分布均勻(yun)。

（6)忽略(lve)其他元素的偏(pian)析。

（7)不考慮凝固過程(cheng)中氮析出的(de)損(sun)失。

高氮(dan)鋼在凝固(gu)過程中，隨著(zhu)凝固(gu)的進行(xing)，凝固(gu)界面固(gu)相氮(dan)濃度可(ke)表示為

  從(cong)(cong)圖(tu)中(zhong)可以看出，隨著(zhu)凝(ning)固(gu)的進行(xing)，氮濃(nong)度(du)逐漸增大，且固(gu)相率越(yue)大時，氮濃(nong)度(du)增加得越(yue)快。當前沿氮濃(nong)度(du)超過其飽和(he)值(zhi)時，便會有氮氣泡析(xi)(xi)出的可能。從(cong)(cong)微觀偏(pian)析(xi)(xi)方程(cheng)（2-114)可以看出，影響(xiang)微觀偏(pian)析(xi)(xi)的因素只(zhi)有凝(ning)固(gu)參(can)數(shu)α和(he)偏(pian)析(xi)(xi)參(can)數(shu)k,下面就這兩(liang)方面進行(xing)討論分析(xi)(xi)。

 1. 凝固參數(shu)α

  由凝固(gu)參數(shu)的表達式可以(yi)看出(chu)，a值的大小與氮(dan)在(zai)該(gai)鋼中(zhong)的固(gu)相擴散系數(shu)、鋼的固(gu)相線溫度(du)(du)、液相線溫度(du)(du)及冷(leng)卻強度(du)(du)有關。對(dui)于特(te)定的鋼種，α值是在(zai)一定范圍(wei)的。如(ru)高氮(dan)鋼，α為2~3[82](圖2-54陰影(ying)分(fen)），偏析(xi)程(cheng)(cheng)度(du)(du)Dp可以(yi)達到5%,α越小，偏析(xi)越嚴重，在(zai)高氮(dan)鋼熔煉(lian)過程(cheng)(cheng)中(zhong)應該(gai)盡量避(bi)免氮(dan)偏析(xi)。但對(dui)于修正后的α,α值的變化對(dui)偏析(xi)程(cheng)(cheng)度(du)(du)影(ying)響較小。

 2. 分(fen)配(pei)系數k

  分(fen)(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)表達(da)式是k=Cs/C,是凝固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)固(gu)(gu)相(xiang)濃(nong)度與液(ye)相(xiang)濃(nong)度的(de)(de)比值。它是表征元素是否易偏(pian)析的(de)(de)參數(shu)。碳、硫、磷等都是非(fei)常容易偏(pian)析的(de)(de)元素，且(qie)這些元素在(zai)(zai)不(bu)同的(de)(de)固(gu)(gu)相(xiang)（如8-Fe相(xiang)、奧氏體(ti)相(xiang)）中(zhong)偏(pian)析系(xi)(xi)數(shu)是不(bu)同的(de)(de)。對于要研(yan)究的(de)(de)氮(dan)(dan)元素，它在(zai)(zai)奧氏體(ti)中(zhong)的(de)(de)偏(pian)析系(xi)(xi)數(shu)要大于在(zai)(zai)鐵素體(ti)中(zhong)的(de)(de)偏(pian)析系(xi)(xi)數(shu)，氮(dan)(dan)在(zai)(zai)鐵素體(ti)中(zhong)的(de)(de)分(fen)(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般取(qu)0.38,在(zai)(zai)奧氏體(ti)中(zhong)的(de)(de)分(fen)(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般取(qu)0.48,分(fen)(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)越(yue)小，偏(pian)析程(cheng)度越(yue)嚴重。另外(wai)，分(fen)(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)還(huan)與凝固(gu)(gu)條件（如凝固(gu)(gu)速率、擴(kuo)散(san)邊界層厚度）等相(xiang)關。