一、固(gu)相無(wu)擴(kuo)散和完全擴(kuo)散效應

  含鉻(ge)鎳不銹鋼在凝(ning)固(gu)過程(cheng)中，根(gen)據(ju)元素鉻(ge)和鎳當量濃度(du)比凝(ning)固(gu)模式可分(fen)為以下四類(lei)。

  在(zai)(zai)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)和(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分數(shu)的(de)變(bian)(bian)(bian)化趨(qu)勢完(wan)全一致(zhi)(zhi)。以(yi)D1為(wei)例，對平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)而言(yan)［圖2-51(a)],貧(pin)(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)不(bu)斷(duan)形成［78],導(dao)致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)在(zai)(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)大量富集，［％N]iq快速(su)增(zeng)(zeng)大，直到固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分數(shu)達到0.96左右。隨(sui)后，富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持(chi)續(xu)形成，由(you)于(yu)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)分配系數(shu)和(he)溶(rong)解度均(jun)大于(yu)貧(pin)(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq的(de)增(zeng)(zeng)長速(su)率(lv)陡降，致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq在(zai)(zai)隨(sui)后的(de)凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)幾乎保持(chi)不(bu)變(bian)(bian)(bian)。氮(dan)(dan)、鎳和(he)錳一起富集在(zai)(zai)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)，且(qie)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量分數(shu)明顯大于(yu)貧(pin)(pin)氮(dan)(dan)鐵素體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值(zhi)可達0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)(bian)(bian)化規律如圖2-51(b)所示，當(dang)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分數(shu)小于(yu)0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量分數(shu)的(de)增(zeng)(zeng)加而快速(su)增(zeng)(zeng)大，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)(zeng)長速(su)率(lv)陡降，同時(shi)［％N]iiq也隨(sui)之發(fa)(fa)生(sheng)斷(duan)裂(lie)式下降，明顯區別于(yu)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)。與平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，由(you)于(yu)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)無(wu)擴散(san)，導(dao)致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)、錳、鉻和(he)鉬在(zai)(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)富集程(cheng)度明顯大于(yu)其(qi)在(zai)(zai)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)中(zhong)(zhong)的(de)富集（圖2-52),促進(jin)了氮(dan)(dan)化物(wu)［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)形成，進(jin)而致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq發(fa)(fa)生(sheng)斷(duan)裂(lie)式下降［圖2-51(b)]。

  凝(ning)固過(guo)程中(zhong)相的(de)(de)種類(lei)以(yi)及成(cheng)分對殘(can)(can)余(yu)液相中(zhong)氮偏析有至關重要的(de)(de)影(ying)響。富氮相（奧氏(shi)(shi)體相γ、AIN和hcp相）的(de)(de)持續形成(cheng)，減小了枝晶(jing)干與(yu)枝晶(jing)間(jian)殘(can)(can)余(yu)液相之間(jian)氮質量分數的(de)(de)差距，進而減輕(qing)了枝晶(jing)間(jian)殘(can)(can)余(yu)液相中(zhong)氮偏析，有助于避(bi)免鋼(gang)液中(zhong)氮氣(qi)泡大范(fan)圍地(di)形成(cheng)和長大，與(yu)Makaya等的(de)(de)研(yan)究一致。因此，富氮相（奧氏(shi)(shi)體相γ、AIN和hcp相）的(de)(de)形成(cheng)有利于抑(yi)制(zhi)鋼(gang)中(zhong)氮氣(qi)孔的(de)(de)形成(cheng)。

二、固(gu)相反擴散效應

  碳、氮等間(jian)隙原子，其固(gu)(gu)相(xiang)擴散(san)系數較大，其實(shi)際微(wei)觀偏析程度處(chu)于固(gu)(gu)相(xiang)無(wu)擴散(san)和固(gu)(gu)相(xiang)完全(quan)擴散(san)條(tiao)件元素偏析之間(jian)，為了更好地貼合實(shi)際情況，基于C-K模(mo)型(xing)，可(ke)做(zuo)以下假設，建(jian)立一種適合高(gao)氮鋼凝(ning)固(gu)(gu)溶質再分配的模(mo)型(xing)。

（1)Fe-N相(xiang)圖的液(ye)相(xiang)線和(he)固相(xiang)線是直線。

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

（3)固－液(ye)界面(mian)的推進速度(du)呈拋(pao)物線狀(zhuang)。

（4)溶質元素在固相(xiang)中的擴(kuo)散存在邊界層。

（5)溶(rong)質橫向分(fen)布均勻。

（6)忽略(lve)其他元素(su)的偏析。

（7)不(bu)考慮凝固過程(cheng)中氮(dan)析出的損(sun)失。

高氮鋼在凝(ning)固(gu)(gu)過程中，隨著凝(ning)固(gu)(gu)的進(jin)行，凝(ning)固(gu)(gu)界面(mian)固(gu)(gu)相氮濃度可(ke)表示為(wei)

  從(cong)圖中可(ke)以看(kan)出，隨著凝固的進行(xing)(xing)，氮(dan)濃度逐漸增大(da)，且固相(xiang)率(lv)越大(da)時，氮(dan)濃度增加(jia)得越快(kuai)。當(dang)前沿氮(dan)濃度超過(guo)其飽和值時，便會有氮(dan)氣泡析(xi)(xi)出的可(ke)能。從(cong)微觀(guan)(guan)偏析(xi)(xi)方程（2-114)可(ke)以看(kan)出，影(ying)響微觀(guan)(guan)偏析(xi)(xi)的因素只有凝固參數α和偏析(xi)(xi)參數k,下面就這兩方面進行(xing)(xing)討論分析(xi)(xi)。

 1. 凝固參數α

  由凝固參數(shu)的(de)表(biao)達式可以(yi)看出，a值(zhi)的(de)大小(xiao)與(yu)氮(dan)在該(gai)鋼中(zhong)的(de)固相擴(kuo)散系數(shu)、鋼的(de)固相線溫度(du)、液相線溫度(du)及冷卻強度(du)有關。對于(yu)特定的(de)鋼種，α值(zhi)是在一定范(fan)圍的(de)。如高(gao)氮(dan)鋼，α為(wei)2~3[82](圖(tu)2-54陰(yin)影分），偏(pian)析(xi)程(cheng)度(du)Dp可以(yi)達到(dao)5%,α越(yue)小(xiao)，偏(pian)析(xi)越(yue)嚴重，在高(gao)氮(dan)鋼熔煉過(guo)程(cheng)中(zhong)應(ying)該(gai)盡(jin)量避免氮(dan)偏(pian)析(xi)。但(dan)對于(yu)修正后(hou)的(de)α,α值(zhi)的(de)變(bian)化(hua)對偏(pian)析(xi)程(cheng)度(du)影響較小(xiao)。

 2. 分配系數(shu)k

  分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)表達(da)式是k=Cs/C,是凝固(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)濃(nong)度與液相(xiang)濃(nong)度的(de)(de)(de)比值。它是表征元素(su)是否易(yi)偏析(xi)的(de)(de)(de)參數(shu)。碳、硫(liu)、磷等都是非(fei)常容易(yi)偏析(xi)的(de)(de)(de)元素(su)，且這些元素(su)在不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)（如8-Fe相(xiang)、奧(ao)氏體相(xiang)）中(zhong)(zhong)偏析(xi)系(xi)數(shu)是不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)。對(dui)于(yu)要(yao)研究的(de)(de)(de)氮元素(su)，它在奧(ao)氏體中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)偏析(xi)系(xi)數(shu)要(yao)大(da)于(yu)在鐵(tie)素(su)體中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)偏析(xi)系(xi)數(shu)，氮在鐵(tie)素(su)體中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)一般(ban)(ban)取0.38,在奧(ao)氏體中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)一般(ban)(ban)取0.48,分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)越小，偏析(xi)程(cheng)度越嚴重。另外，分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)還與凝固(gu)(gu)(gu)條件(jian)（如凝固(gu)(gu)(gu)速率、擴(kuo)散邊(bian)界層厚(hou)度）等相(xiang)關。