一(yi)、固相無擴散(san)和(he)完全擴散(san)效(xiao)應

  含鉻(ge)(ge)鎳不銹鋼在凝(ning)固過程中(zhong)，根據元(yuan)素鉻(ge)(ge)和鎳當(dang)量濃度比凝(ning)固模式(shi)可分為(wei)以(yi)下四類。

  在(zai)平(ping)衡(heng)(heng)和(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內(nei)，［％N]uiq隨(sui)固相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)數(shu)的(de)變(bian)化(hua)(hua)趨(qu)勢(shi)完全(quan)一致(zhi)(zhi)。以D1為例(li)，對平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固而言［圖2-51(a)],貧(pin)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)素體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)不(bu)斷形成［78],導致(zhi)(zhi)氮在(zai)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)大(da)量(liang)富(fu)集，［％N]iq快(kuai)速(su)增(zeng)大(da)，直到(dao)固相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)數(shu)達(da)到(dao)0.96左(zuo)右。隨(sui)后，富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)AIN)持續形成，由于富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮的(de)平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)配系數(shu)和(he)(he)溶解(jie)度(du)均大(da)于貧(pin)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq的(de)增(zeng)長(chang)速(su)率陡(dou)降，致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq在(zai)隨(sui)后的(de)凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)幾乎保持不(bu)變(bian)。氮、鎳和(he)(he)錳一起富(fu)集在(zai)富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體(ti)中(zhong)(zhong)，且富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體(ti)中(zhong)(zhong)氮質量(liang)分(fen)數(shu)明(ming)顯(xian)大(da)于貧(pin)氮鐵(tie)素體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值(zhi)可達(da)0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)化(hua)(hua)規律如圖2-51(b)所示，當固相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)數(shu)小于0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著固相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)數(shu)的(de)增(zeng)加而快(kuai)速(su)增(zeng)大(da)，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)長(chang)速(su)率陡(dou)降，同(tong)時(shi)［％N]iiq也隨(sui)之發(fa)生斷裂式下(xia)降，明(ming)顯(xian)區別于平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固。與(yu)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，由于Scheil凝(ning)(ning)固固相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無擴散，導致(zhi)(zhi)氮、錳、鉻和(he)(he)鉬(mu)在(zai)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)富(fu)集程(cheng)度(du)明(ming)顯(xian)大(da)于其(qi)在(zai)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固中(zhong)(zhong)的(de)富(fu)集（圖2-52),促進了氮化(hua)(hua)物(wu)［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)形成，進而致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq發(fa)生斷裂式下(xia)降［圖2-51(b)]。

  凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)相(xiang)的(de)種(zhong)類(lei)以及(ji)成(cheng)(cheng)分(fen)對殘(can)余(yu)(yu)液相(xiang)中(zhong)氮偏析(xi)有(you)至(zhi)關重(zhong)要的(de)影響。富氮相(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)持續形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)，減小(xiao)了枝(zhi)晶(jing)干與(yu)枝(zhi)晶(jing)間殘(can)余(yu)(yu)液相(xiang)之間氮質量(liang)分(fen)數(shu)的(de)差(cha)距，進而減輕了枝(zhi)晶(jing)間殘(can)余(yu)(yu)液相(xiang)中(zhong)氮偏析(xi)，有(you)助于避免鋼液中(zhong)氮氣泡大范圍地形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)和長(chang)大，與(yu)Makaya等(deng)的(de)研究一致。因此，富氮相(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)有(you)利(li)于抑(yi)制(zhi)鋼中(zhong)氮氣孔的(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)。

二(er)、固(gu)相(xiang)反(fan)擴散效應

  碳、氮(dan)等間隙原子，其(qi)固(gu)相擴散(san)(san)(san)系數(shu)較(jiao)大，其(qi)實際微(wei)觀偏析(xi)程度處于(yu)固(gu)相無擴散(san)(san)(san)和固(gu)相完全(quan)擴散(san)(san)(san)條件元素(su)偏析(xi)之間，為(wei)了(le)更好地貼合(he)實際情(qing)況，基于(yu)C-K模型，可做(zuo)以下假設，建立一種適合(he)高氮(dan)鋼凝固(gu)溶質再(zai)分配的模型。

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

（2)液(ye)相完全(quan)擴散，固相不(bu)完全(quan)擴散。

（3)固－液界面的推進(jin)速度呈(cheng)拋物線狀。

（4)溶質元素(su)在固相中(zhong)的擴散(san)存在邊界層。

（5)溶質橫向分布均勻(yun)。

（6)忽略其他元(yuan)素(su)的偏析。

（7)不考慮凝固過(guo)程中氮析出(chu)的損失。

高氮鋼在凝固(gu)(gu)過程(cheng)中，隨著凝固(gu)(gu)的進(jin)行(xing)，凝固(gu)(gu)界(jie)面(mian)固(gu)(gu)相氮濃(nong)度可表(biao)示為(wei)

  從圖中可以(yi)看(kan)出(chu)(chu)，隨著(zhu)凝(ning)固(gu)的(de)進行(xing)，氮(dan)(dan)濃(nong)度逐漸增大(da)，且固(gu)相率越大(da)時，氮(dan)(dan)濃(nong)度增加得越快。當前沿氮(dan)(dan)濃(nong)度超過其(qi)飽和(he)值(zhi)時，便(bian)會有氮(dan)(dan)氣泡析出(chu)(chu)的(de)可能。從微(wei)觀偏析方程（2-114)可以(yi)看(kan)出(chu)(chu)，影響(xiang)微(wei)觀偏析的(de)因素只有凝(ning)固(gu)參(can)數α和(he)偏析參(can)數k,下面就這兩方面進行(xing)討論分析。

 1. 凝固參數α

  由凝(ning)固參(can)數的(de)(de)表達式(shi)可以看出，a值(zhi)(zhi)的(de)(de)大小與氮在(zai)該鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)固相擴散系數、鋼(gang)(gang)的(de)(de)固相線溫度(du)、液相線溫度(du)及冷卻強度(du)有關(guan)。對(dui)于特定的(de)(de)鋼(gang)(gang)種，α值(zhi)(zhi)是在(zai)一定范圍的(de)(de)。如高氮鋼(gang)(gang)，α為(wei)2~3[82](圖2-54陰影分），偏(pian)(pian)析程(cheng)度(du)Dp可以達到(dao)5%,α越小，偏(pian)(pian)析越嚴重，在(zai)高氮鋼(gang)(gang)熔煉(lian)過(guo)程(cheng)中(zhong)應(ying)該盡量避免氮偏(pian)(pian)析。但對(dui)于修(xiu)正后(hou)的(de)(de)α,α值(zhi)(zhi)的(de)(de)變(bian)化對(dui)偏(pian)(pian)析程(cheng)度(du)影響較小。

 2. 分配系數k

  分配(pei)(pei)系(xi)(xi)數(shu)的(de)表達(da)式(shi)是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)固(gu)相濃(nong)度與(yu)液相濃(nong)度的(de)比(bi)值(zhi)。它(ta)是(shi)表征元素(su)是(shi)否易(yi)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)參數(shu)。碳、硫、磷(lin)等都是(shi)非常容(rong)易(yi)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)元素(su)，且這些元素(su)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)固(gu)相（如(ru)8-Fe相、奧(ao)氏(shi)體相）中(zhong)(zhong)偏(pian)析(xi)(xi)系(xi)(xi)數(shu)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)。對于要研究的(de)氮元素(su)，它(ta)在(zai)奧(ao)氏(shi)體中(zhong)(zhong)的(de)偏(pian)析(xi)(xi)系(xi)(xi)數(shu)要大于在(zai)鐵素(su)體中(zhong)(zhong)的(de)偏(pian)析(xi)(xi)系(xi)(xi)數(shu)，氮在(zai)鐵素(su)體中(zhong)(zhong)的(de)分配(pei)(pei)系(xi)(xi)數(shu)一(yi)(yi)般(ban)取0.38,在(zai)奧(ao)氏(shi)體中(zhong)(zhong)的(de)分配(pei)(pei)系(xi)(xi)數(shu)一(yi)(yi)般(ban)取0.48,分配(pei)(pei)系(xi)(xi)數(shu)越小，偏(pian)析(xi)(xi)程度越嚴(yan)重。另外，分配(pei)(pei)系(xi)(xi)數(shu)還與(yu)凝固(gu)條件(jian)（如(ru)凝固(gu)速(su)率、擴散邊界層厚度）等相關。