一、固相無擴(kuo)散和完全擴(kuo)散效應

  含(han)鉻鎳(nie)不銹(xiu)鋼(gang)在凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)，根據元素(su)鉻和鎳(nie)當量(liang)濃度比凝(ning)固模式(shi)可(ke)分為以下四類。

  在平衡(heng)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)(sui)(sui)(sui)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)趨勢(shi)完全一致(zhi)。以D1為例(li)，對(dui)平衡(heng)凝(ning)固(gu)(gu)而(er)言［圖(tu)(tu)2-51(a)],貧(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素體相(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)(de)(de)不斷形(xing)(xing)成［78],導致(zhi)氮(dan)(dan)在殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)大量(liang)富集，［％N]iq快(kuai)速(su)增大，直(zhi)到(dao)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)達到(dao)0.96左右(you)。隨(sui)(sui)(sui)(sui)后(hou)，富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏(shi)(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持(chi)續(xu)形(xing)(xing)成，由(you)于(yu)(yu)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)平衡(heng)分配系數(shu)(shu)和(he)溶(rong)解度均大于(yu)(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)使［％N]iq的(de)(de)(de)(de)增長(chang)速(su)率陡降(jiang)，致(zhi)使［％N]iq在隨(sui)(sui)(sui)(sui)后(hou)的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)幾乎保(bao)持(chi)不變(bian)(bian)。氮(dan)(dan)、鎳和(he)錳一起富集在富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏(shi)(shi)(shi)體中(zhong)，且(qie)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏(shi)(shi)(shi)體中(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)明顯大于(yu)(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)鐵素體相(xiang)(xiang)(xiang)δ,差(cha)值可(ke)達0.28%.在Scheil凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，［％N]1iq變(bian)(bian)化(hua)規律如圖(tu)(tu)2-51(b)所示，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)小于(yu)(yu)0.97時，［％N]iq隨(sui)(sui)(sui)(sui)著固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)增加而(er)快(kuai)速(su)增大，隨(sui)(sui)(sui)(sui)后(hou)［％N]iq增長(chang)速(su)率陡降(jiang)，同時［％N]iiq也隨(sui)(sui)(sui)(sui)之(zhi)發生斷裂(lie)式下降(jiang)，明顯區(qu)別于(yu)(yu)平衡(heng)凝(ning)固(gu)(gu)。與平衡(heng)凝(ning)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，由(you)于(yu)(yu)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)無(wu)擴散，導致(zhi)氮(dan)(dan)、錳、鉻和(he)鉬在殘(can)余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)富集程(cheng)度明顯大于(yu)(yu)其在平衡(heng)凝(ning)固(gu)(gu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)富集（圖(tu)(tu)2-52),促進了(le)氮(dan)(dan)化(hua)物［密排六方(fang)（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成，進而(er)致(zhi)使［％N]iq發生斷裂(lie)式下降(jiang)［圖(tu)(tu)2-51(b)]。

  凝(ning)固過(guo)程中相的種(zhong)類(lei)以及成(cheng)(cheng)分對殘余(yu)(yu)液相中氮(dan)偏析有(you)至關重要(yao)的影(ying)響。富氮(dan)相（奧(ao)氏體相γ、AIN和(he)(he)(he)hcp相）的持續(xu)形成(cheng)(cheng)，減小了枝(zhi)晶(jing)干與枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘余(yu)(yu)液相之間(jian)氮(dan)質(zhi)量分數(shu)的差距(ju)，進而減輕了枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘余(yu)(yu)液相中氮(dan)偏析，有(you)助(zhu)于避(bi)免鋼(gang)液中氮(dan)氣泡大范(fan)圍地形成(cheng)(cheng)和(he)(he)(he)長大，與Makaya等的研(yan)究一(yi)致(zhi)。因此，富氮(dan)相（奧(ao)氏體相γ、AIN和(he)(he)(he)hcp相）的形成(cheng)(cheng)有(you)利于抑制鋼(gang)中氮(dan)氣孔的形成(cheng)(cheng)。

二(er)、固相反擴散效(xiao)應

  碳、氮(dan)等間隙原子，其固(gu)相擴(kuo)散(san)系數(shu)較大，其實際(ji)微觀偏(pian)析程(cheng)度(du)處(chu)于固(gu)相無擴(kuo)散(san)和固(gu)相完全擴(kuo)散(san)條件元素(su)偏(pian)析之間，為了更好地貼合(he)實際(ji)情況，基于C-K模型，可做以(yi)下假設，建(jian)立一種適(shi)合(he)高氮(dan)鋼凝固(gu)溶質再分配的模型。

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

（2)液相完全擴(kuo)散，固相不(bu)完全擴(kuo)散。

（3)固－液界面的推(tui)進速(su)度呈拋(pao)物線狀。

（4)溶質(zhi)元素在固相(xiang)中的擴散(san)存在邊界層。

（5)溶(rong)質橫向分布均勻。

（6)忽略(lve)其他(ta)元素的偏析。

（7)不(bu)考慮凝固過程中氮析出(chu)的損失。

高氮(dan)鋼(gang)在凝固(gu)(gu)過程中，隨著凝固(gu)(gu)的(de)進行(xing)，凝固(gu)(gu)界(jie)面固(gu)(gu)相氮(dan)濃度可表(biao)示為

  從圖中可(ke)以看出(chu)(chu)，隨(sui)著凝(ning)固的(de)(de)進行(xing)，氮濃度逐漸(jian)增大，且固相(xiang)率越(yue)大時，氮濃度增加得越(yue)快。當前沿氮濃度超(chao)過其飽和(he)值時，便會(hui)有氮氣(qi)泡析(xi)出(chu)(chu)的(de)(de)可(ke)能。從微觀偏析(xi)方程（2-114)可(ke)以看出(chu)(chu)，影響微觀偏析(xi)的(de)(de)因素只有凝(ning)固參數(shu)α和(he)偏析(xi)參數(shu)k,下面就這兩方面進行(xing)討論(lun)分(fen)析(xi)。

 1. 凝固參數α

  由凝(ning)固(gu)參數(shu)的(de)(de)表(biao)達式(shi)可以看出，a值的(de)(de)大(da)小(xiao)與氮(dan)(dan)在該鋼(gang)(gang)中的(de)(de)固(gu)相擴散系數(shu)、鋼(gang)(gang)的(de)(de)固(gu)相線溫度、液(ye)相線溫度及冷卻強度有關。對(dui)于特定的(de)(de)鋼(gang)(gang)種，α值是在一定范圍(wei)的(de)(de)。如高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影(ying)分），偏析(xi)程(cheng)度Dp可以達到5%,α越小(xiao)，偏析(xi)越嚴重，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)熔(rong)煉過程(cheng)中應該盡量避免氮(dan)(dan)偏析(xi)。但對(dui)于修(xiu)正后的(de)(de)α,α值的(de)(de)變化對(dui)偏析(xi)程(cheng)度影(ying)響較小(xiao)。

 2. 分配(pei)系數(shu)k

  分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)表達式(shi)是k=Cs/C,是凝固過程中(zhong)(zhong)固相(xiang)濃度與液相(xiang)濃度的(de)(de)比值。它是表征元(yuan)素(su)是否易偏析的(de)(de)參數(shu)。碳、硫、磷(lin)等都是非(fei)常容(rong)易偏析的(de)(de)元(yuan)素(su)，且(qie)這些(xie)元(yuan)素(su)在(zai)不(bu)同的(de)(de)固相(xiang)（如8-Fe相(xiang)、奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)）中(zhong)(zhong)偏析系(xi)(xi)數(shu)是不(bu)同的(de)(de)。對于要(yao)研究(jiu)的(de)(de)氮(dan)元(yuan)素(su)，它在(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)偏析系(xi)(xi)數(shu)要(yao)大于在(zai)鐵(tie)素(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)偏析系(xi)(xi)數(shu)，氮(dan)在(zai)鐵(tie)素(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般(ban)取(qu)0.38,在(zai)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般(ban)取(qu)0.48,分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)越小，偏析程度越嚴重。另外，分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)還與凝固條(tiao)件(jian)（如凝固速(su)率(lv)、擴散邊界層厚度）等相(xiang)關。