一、固相無擴散和完全擴散效(xiao)應

  含(han)鉻(ge)鎳(nie)不銹鋼(gang)在凝固過程中，根據元(yuan)素鉻(ge)和鎳(nie)當量濃度比凝固模式可分(fen)為以(yi)下四類。

  在(zai)平(ping)(ping)衡(heng)和Scheil凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠(ding)內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)變化趨勢完全一致(zhi)(zhi)。以D1為例，對平(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)固(gu)而(er)言［圖(tu)2-51(a)],貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)（鐵素(su)(su)體相(xiang)δ)的(de)不(bu)斷形成［78],導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)在(zai)殘(can)余液相(xiang)中(zhong)(zhong)大量(liang)(liang)富(fu)(fu)集(ji)(ji)，［％N]iq快速(su)(su)增(zeng)(zeng)大，直到固(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數達到0.96左右(you)。隨(sui)后(hou)，富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)（奧氏體相(xiang)γ和AIN)持(chi)續形成，由于富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)平(ping)(ping)衡(heng)分配系數和溶解度均大于貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq的(de)增(zeng)(zeng)長速(su)(su)率陡降(jiang)，致(zhi)(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq在(zai)隨(sui)后(hou)的(de)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)幾乎保(bao)持(chi)不(bu)變。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)、鎳和錳(meng)(meng)一起(qi)富(fu)(fu)集(ji)(ji)在(zai)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)γ奧氏體中(zhong)(zhong)，且富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)γ奧氏體中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數明顯(xian)大于貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鐵素(su)(su)體相(xiang)δ,差(cha)值可達0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變化規(gui)律如圖(tu)2-51(b)所示，當固(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數小于0.97時，［％N]iq隨(sui)著(zhu)固(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)增(zeng)(zeng)加而(er)快速(su)(su)增(zeng)(zeng)大，隨(sui)后(hou)［％N]iq增(zeng)(zeng)長速(su)(su)率陡降(jiang)，同時［％N]iiq也隨(sui)之發生斷裂(lie)式(shi)下降(jiang)，明顯(xian)區別(bie)于平(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)固(gu)。與平(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)固(gu)相(xiang)比，由于Scheil凝(ning)固(gu)固(gu)相(xiang)無(wu)擴(kuo)散，導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)、錳(meng)(meng)、鉻和鉬在(zai)殘(can)余液相(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)富(fu)(fu)集(ji)(ji)程(cheng)度明顯(xian)大于其在(zai)平(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)固(gu)中(zhong)(zhong)的(de)富(fu)(fu)集(ji)(ji)（圖(tu)2-52),促進了(le)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)化物［密(mi)排六方（hcp)相(xiang)］的(de)形成，進而(er)致(zhi)(zhi)使(shi)(shi)［％N]iq發生斷裂(lie)式(shi)下降(jiang)［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固(gu)過程中(zhong)相(xiang)的(de)種類以及(ji)成分對(dui)殘(can)(can)余(yu)液相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析有(you)至關重要(yao)的(de)影響。富氮(dan)(dan)相(xiang)（奧(ao)氏體(ti)相(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)）的(de)持續(xu)形成，減小了枝晶干(gan)與枝晶間殘(can)(can)余(yu)液相(xiang)之間氮(dan)(dan)質(zhi)量分數的(de)差距，進而減輕了枝晶間殘(can)(can)余(yu)液相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析，有(you)助(zhu)于避(bi)免鋼液中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡大(da)范圍地形成和(he)長大(da)，與Makaya等的(de)研究(jiu)一致。因(yin)此(ci)，富氮(dan)(dan)相(xiang)（奧(ao)氏體(ti)相(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)）的(de)形成有(you)利于抑制(zhi)鋼中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)形成。

二(er)、固相反擴散效應

  碳、氮等間隙(xi)原子，其(qi)(qi)固(gu)相擴(kuo)(kuo)散系(xi)數較大，其(qi)(qi)實(shi)際微觀(guan)偏(pian)析(xi)程度處于固(gu)相無擴(kuo)(kuo)散和固(gu)相完(wan)全擴(kuo)(kuo)散條(tiao)件元素偏(pian)析(xi)之間，為了更好地貼合實(shi)際情況，基于C-K模型(xing)，可做以下假設，建立(li)一種適(shi)合高氮鋼凝(ning)固(gu)溶質(zhi)再分(fen)配(pei)的模型(xing)。

（1)Fe-N相圖的液相線和固相線是直(zhi)線。

（2)液相(xiang)完(wan)全擴散(san)，固相(xiang)不完(wan)全擴散(san)。

（3)固－液界面的推(tui)進速(su)度呈拋物線狀。

（4)溶質元(yuan)素在固(gu)相中的擴散存在邊界層。

（5)溶質橫(heng)向分布均(jun)勻。

（6)忽(hu)略(lve)其他元(yuan)素的偏析。

（7)不考慮凝固(gu)過程中氮析出的(de)損失。

高氮(dan)鋼在(zai)凝(ning)固(gu)過程中，隨著凝(ning)固(gu)的(de)進(jin)行，凝(ning)固(gu)界面(mian)固(gu)相(xiang)氮(dan)濃度可表示為

  從圖中可以看出，隨(sui)著凝固的進(jin)行，氮濃(nong)度(du)逐(zhu)漸增大，且固相(xiang)率越大時，氮濃(nong)度(du)增加得越快。當前沿(yan)氮濃(nong)度(du)超過其飽和值時，便會有氮氣泡析出的可能。從微觀偏析方程（2-114)可以看出，影響(xiang)微觀偏析的因素只有凝固參(can)(can)數(shu)α和偏析參(can)(can)數(shu)k,下面就這兩方面進(jin)行討論分析。

 1. 凝(ning)固參數α

  由(you)凝(ning)固(gu)參數的(de)(de)(de)表(biao)達式可(ke)以(yi)看出，a值的(de)(de)(de)大小(xiao)與(yu)氮(dan)在(zai)該(gai)鋼中的(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)(xiang)擴散系數、鋼的(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)(xiang)線溫度、液相(xiang)(xiang)線溫度及(ji)冷卻強度有關(guan)。對(dui)(dui)(dui)于特(te)定(ding)的(de)(de)(de)鋼種，α值是(shi)在(zai)一(yi)定(ding)范圍(wei)的(de)(de)(de)。如高(gao)氮(dan)鋼，α為2~3[82](圖2-54陰影分），偏(pian)(pian)析程度Dp可(ke)以(yi)達到5%,α越小(xiao)，偏(pian)(pian)析越嚴重，在(zai)高(gao)氮(dan)鋼熔煉過程中應(ying)該(gai)盡量避(bi)免氮(dan)偏(pian)(pian)析。但對(dui)(dui)(dui)于修正后的(de)(de)(de)α,α值的(de)(de)(de)變化對(dui)(dui)(dui)偏(pian)(pian)析程度影響較(jiao)小(xiao)。

 2. 分配系數(shu)k

  分(fen)配(pei)系數的(de)(de)(de)表達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝固(gu)過程中固(gu)相(xiang)(xiang)濃(nong)度與液相(xiang)(xiang)濃(nong)度的(de)(de)(de)比(bi)值。它是(shi)表征元素是(shi)否(fou)易(yi)偏析(xi)的(de)(de)(de)參(can)數。碳(tan)、硫、磷等都是(shi)非常容易(yi)偏析(xi)的(de)(de)(de)元素，且這(zhe)些元素在(zai)不同(tong)的(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)(xiang)（如(ru)8-Fe相(xiang)(xiang)、奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)）中偏析(xi)系數是(shi)不同(tong)的(de)(de)(de)。對于要研究的(de)(de)(de)氮元素，它在(zai)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中的(de)(de)(de)偏析(xi)系數要大于在(zai)鐵(tie)素體(ti)(ti)中的(de)(de)(de)偏析(xi)系數，氮在(zai)鐵(tie)素體(ti)(ti)中的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)系數一般取(qu)0.38,在(zai)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)系數一般取(qu)0.48,分(fen)配(pei)系數越(yue)小，偏析(xi)程度越(yue)嚴重(zhong)。另外(wai)，分(fen)配(pei)系數還與凝固(gu)條(tiao)件（如(ru)凝固(gu)速(su)率、擴散邊界層厚(hou)度）等相(xiang)(xiang)關。