一、固相無擴散和完全(quan)擴散效應

  含鉻鎳不(bu)銹鋼在凝固(gu)(gu)過程中，根據元素鉻和鎳當量(liang)濃度比凝固(gu)(gu)模式(shi)可分為以(yi)下(xia)四類。

  在(zai)(zai)(zai)(zai)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)和(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠(ding)內，［％N]uiq隨固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)(shu)(shu)(shu)的變(bian)化(hua)(hua)趨勢完全一致(zhi)(zhi)(zhi)。以D1為例(li)，對平(ping)(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)而(er)言［圖2-51(a)],貧氮相(xiang)(xiang)（鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)δ)的不(bu)斷(duan)形(xing)成(cheng)［78],導致(zhi)(zhi)(zhi)氮在(zai)(zai)(zai)(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)大(da)(da)量(liang)(liang)(liang)(liang)富(fu)集，［％N]iq快(kuai)速(su)(su)增(zeng)大(da)(da)，直到固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)(shu)(shu)(shu)達到0.96左右。隨后，富(fu)氮相(xiang)(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ和(he)(he)AIN)持續形(xing)成(cheng)，由(you)于(yu)富(fu)氮相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮的平(ping)(ping)(ping)衡(heng)分(fen)配系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)和(he)(he)溶解度均大(da)(da)于(yu)貧氮相(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq的增(zeng)長(chang)速(su)(su)率陡(dou)降，致(zhi)(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq在(zai)(zai)(zai)(zai)隨后的凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)幾乎保持不(bu)變(bian)。氮、鎳(nie)和(he)(he)錳(meng)一起(qi)富(fu)集在(zai)(zai)(zai)(zai)富(fu)氮相(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)，且(qie)富(fu)氮相(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)氮質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)(shu)(shu)(shu)明顯大(da)(da)于(yu)貧氮鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)δ,差(cha)值可達0.28%.在(zai)(zai)(zai)(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)化(hua)(hua)規律如圖2-51(b)所(suo)示(shi)，當(dang)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)(shu)(shu)(shu)小(xiao)于(yu)0.97時(shi)，［％N]iq隨著固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)(shu)(shu)(shu)的增(zeng)加而(er)快(kuai)速(su)(su)增(zeng)大(da)(da)，隨后［％N]iq增(zeng)長(chang)速(su)(su)率陡(dou)降，同(tong)時(shi)［％N]iiq也(ye)隨之發生斷(duan)裂式下降，明顯區別于(yu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)。與平(ping)(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)比(bi)，由(you)于(yu)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)無擴散，導致(zhi)(zhi)(zhi)氮、錳(meng)、鉻和(he)(he)鉬在(zai)(zai)(zai)(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的富(fu)集程(cheng)(cheng)度明顯大(da)(da)于(yu)其在(zai)(zai)(zai)(zai)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)的富(fu)集（圖2-52),促進(jin)(jin)了氮化(hua)(hua)物［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)］的形(xing)成(cheng)，進(jin)(jin)而(er)致(zhi)(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq發生斷(duan)裂式下降［圖2-51(b)]。

  凝固過程中(zhong)相(xiang)(xiang)的(de)種類(lei)以及(ji)成(cheng)分(fen)對殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)偏析有至(zhi)關重(zhong)要(yao)的(de)影響(xiang)。富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)持續形(xing)成(cheng)，減(jian)小了(le)枝(zhi)晶(jing)干與(yu)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)之間(jian)(jian)氮(dan)(dan)(dan)質量分(fen)數(shu)的(de)差距，進而減(jian)輕了(le)枝(zhi)晶(jing)間(jian)(jian)殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)偏析，有助于避免鋼液(ye)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡大范圍(wei)地形(xing)成(cheng)和長大，與(yu)Makaya等的(de)研究一致(zhi)。因此，富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)形(xing)成(cheng)有利于抑(yi)制鋼中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)形(xing)成(cheng)。

二、固(gu)相(xiang)反擴散效應(ying)

  碳、氮(dan)等(deng)間(jian)隙原子，其固相擴(kuo)(kuo)散(san)(san)系(xi)數較(jiao)大，其實際(ji)(ji)微觀偏析(xi)程度(du)處于固相無擴(kuo)(kuo)散(san)(san)和固相完(wan)全擴(kuo)(kuo)散(san)(san)條(tiao)件元素偏析(xi)之間(jian)，為了更好地貼合(he)實際(ji)(ji)情況，基于C-K模型，可做以下假設，建(jian)立一種適(shi)合(he)高氮(dan)鋼凝固溶質再分配(pei)的模型。

（1)Fe-N相圖(tu)的液相線(xian)(xian)和固相線(xian)(xian)是直(zhi)線(xian)(xian)。

（2)液相(xiang)完全(quan)擴散，固相(xiang)不完全(quan)擴散。

（3)固(gu)－液(ye)界面的推(tui)進速度(du)呈拋物(wu)線狀。

（4)溶質元素在(zai)固相中(zhong)的擴散存在(zai)邊界層。

（5)溶質橫(heng)向分布均勻。

（6)忽略其他(ta)元素的偏析。

（7)不考慮(lv)凝固(gu)過程(cheng)中氮析出的(de)損失。

高氮鋼在凝(ning)固(gu)過程中，隨著凝(ning)固(gu)的(de)進行，凝(ning)固(gu)界面固(gu)相氮濃度可表(biao)示(shi)為(wei)

  從(cong)圖中可(ke)以看出(chu)，隨(sui)著凝(ning)固的進(jin)行(xing)，氮(dan)(dan)濃(nong)度逐漸增(zeng)大，且固相率越(yue)大時，氮(dan)(dan)濃(nong)度增(zeng)加得(de)越(yue)快(kuai)。當前沿氮(dan)(dan)濃(nong)度超(chao)過其飽和值(zhi)時，便會有氮(dan)(dan)氣泡析出(chu)的可(ke)能。從(cong)微(wei)觀偏(pian)析方程(cheng)（2-114)可(ke)以看出(chu)，影響微(wei)觀偏(pian)析的因素只有凝(ning)固參數α和偏(pian)析參數k,下面就這兩方面進(jin)行(xing)討論分(fen)析。

 1. 凝固參數α

  由凝固參數的表(biao)達(da)式可(ke)以(yi)看(kan)出，a值的大小與氮(dan)在(zai)該鋼(gang)中的固相(xiang)擴散系數、鋼(gang)的固相(xiang)線(xian)溫度(du)、液相(xiang)線(xian)溫度(du)及冷卻強度(du)有關。對于特定的鋼(gang)種，α值是在(zai)一定范圍的。如高(gao)氮(dan)鋼(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影分），偏析(xi)程度(du)Dp可(ke)以(yi)達(da)到5%,α越小，偏析(xi)越嚴重，在(zai)高(gao)氮(dan)鋼(gang)熔煉過程中應(ying)該盡量(liang)避免氮(dan)偏析(xi)。但對于修正(zheng)后的α,α值的變化對偏析(xi)程度(du)影響較(jiao)小。

 2. 分配系(xi)數(shu)k

  分配(pei)系(xi)(xi)數的(de)表達式是k=Cs/C,是凝固(gu)過程中(zhong)固(gu)相濃度(du)與液(ye)相濃度(du)的(de)比(bi)值。它是表征元(yuan)素是否(fou)易偏(pian)析的(de)參數。碳、硫、磷等(deng)都是非(fei)常(chang)容易偏(pian)析的(de)元(yuan)素，且(qie)這些元(yuan)素在不同(tong)(tong)的(de)固(gu)相（如8-Fe相、奧氏(shi)體(ti)相）中(zhong)偏(pian)析系(xi)(xi)數是不同(tong)(tong)的(de)。對于(yu)要研究的(de)氮元(yuan)素，它在奧氏(shi)體(ti)中(zhong)的(de)偏(pian)析系(xi)(xi)數要大于(yu)在鐵(tie)素體(ti)中(zhong)的(de)偏(pian)析系(xi)(xi)數，氮在鐵(tie)素體(ti)中(zhong)的(de)分配(pei)系(xi)(xi)數一般(ban)取(qu)0.38,在奧氏(shi)體(ti)中(zhong)的(de)分配(pei)系(xi)(xi)數一般(ban)取(qu)0.48,分配(pei)系(xi)(xi)數越小，偏(pian)析程度(du)越嚴重(zhong)。另(ling)外(wai)，分配(pei)系(xi)(xi)數還(huan)與凝固(gu)條件（如凝固(gu)速率、擴散邊界(jie)層厚度(du)）等(deng)相關。