一、固相無擴散(san)和完全(quan)擴散(san)效應

  含鉻(ge)鎳不銹鋼在凝固過程(cheng)中，根據元素(su)鉻(ge)和鎳當(dang)量濃度比凝固模式可分(fen)為以下(xia)四類。

  在(zai)平(ping)衡(heng)和Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)(sui)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)(de)變化(hua)趨勢完全一致(zhi)。以(yi)D1為例，對(dui)平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)而(er)言［圖(tu)2-51(a)],貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)不(bu)斷形成(cheng)［78],導(dao)(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)大(da)量(liang)(liang)富(fu)集，［％N]iq快(kuai)速增(zeng)大(da)，直到(dao)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數達(da)到(dao)0.96左右(you)。隨(sui)(sui)后，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ和AIN)持續形成(cheng)，由于(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)平(ping)衡(heng)分配(pei)系數和溶解度均(jun)大(da)于(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)使［％N]iq的(de)(de)增(zeng)長(chang)速率陡(dou)降(jiang)(jiang)，致(zhi)使［％N]iq在(zai)隨(sui)(sui)后的(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)幾乎保持不(bu)變。氮(dan)(dan)(dan)、鎳(nie)和錳一起富(fu)集在(zai)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)，且(qie)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數明顯(xian)(xian)大(da)于(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值可達(da)0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變化(hua)規律(lv)如圖(tu)2-51(b)所(suo)示，當固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數小(xiao)于(yu)0.97時，［％N]iq隨(sui)(sui)著固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)(de)增(zeng)加而(er)快(kuai)速增(zeng)大(da)，隨(sui)(sui)后［％N]iq增(zeng)長(chang)速率陡(dou)降(jiang)(jiang)，同(tong)時［％N]iiq也(ye)隨(sui)(sui)之發(fa)生斷裂式下降(jiang)(jiang)，明顯(xian)(xian)區別于(yu)平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)。與平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，由于(yu)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)無擴散(san)，導(dao)(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)、錳、鉻和鉬在(zai)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)富(fu)集程(cheng)度明顯(xian)(xian)大(da)于(yu)其在(zai)平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)富(fu)集（圖(tu)2-52),促進了氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物［密(mi)排六方(fang)（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)形成(cheng)，進而(er)致(zhi)使［％N]iq發(fa)生斷裂式下降(jiang)(jiang)［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固(gu)過程中相(xiang)(xiang)的(de)種類以及成(cheng)分對殘余液(ye)相(xiang)(xiang)中氮偏(pian)析(xi)有至關重要(yao)的(de)影(ying)響。富(fu)氮相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)持續(xu)形成(cheng)，減(jian)小了(le)枝(zhi)(zhi)晶干與枝(zhi)(zhi)晶間(jian)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)之(zhi)間(jian)氮質量分數的(de)差距，進(jin)而減(jian)輕了(le)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)中氮偏(pian)析(xi)，有助于(yu)避(bi)免鋼液(ye)中氮氣(qi)(qi)泡(pao)大(da)范圍地形成(cheng)和長大(da)，與Makaya等的(de)研究一致。因此，富(fu)氮相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)形成(cheng)有利于(yu)抑(yi)制鋼中氮氣(qi)(qi)孔的(de)形成(cheng)。

二、固相反擴散(san)效應

  碳、氮等間(jian)(jian)隙原子，其固相擴散(san)系數較大，其實(shi)(shi)際微(wei)觀偏析程度(du)處于固相無擴散(san)和固相完全擴散(san)條件元素偏析之間(jian)(jian)，為了(le)更好地貼合實(shi)(shi)際情況(kuang)，基于C-K模型，可做(zuo)以下(xia)假設，建立一種適合高氮鋼凝固溶質再分(fen)配的模型。

（1)Fe-N相(xiang)圖的(de)液(ye)相(xiang)線和固相(xiang)線是直(zhi)線。

（2)液相完全擴(kuo)散，固相不完全擴(kuo)散。

（3)固(gu)－液界面的推(tui)進速度呈拋物線(xian)狀。

（4)溶質元(yuan)素(su)在(zai)固相中的(de)擴(kuo)散存在(zai)邊(bian)界層(ceng)。

（5)溶質橫向分布均勻。

（6)忽略(lve)其他元素的(de)偏(pian)析。

（7)不考慮凝固(gu)過程中氮(dan)析(xi)出的損(sun)失。

高氮鋼(gang)在(zai)凝固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)，隨(sui)著(zhu)凝固(gu)(gu)的進(jin)行，凝固(gu)(gu)界面固(gu)(gu)相氮濃度可表示為

  從(cong)圖中可(ke)(ke)以(yi)(yi)看出，隨著凝固的(de)進行(xing)，氮濃度(du)逐(zhu)漸(jian)增大，且固相率越大時，氮濃度(du)增加得越快。當前沿氮濃度(du)超(chao)過其飽和值時，便會有氮氣泡析出的(de)可(ke)(ke)能。從(cong)微觀偏析方程(cheng)（2-114)可(ke)(ke)以(yi)(yi)看出，影(ying)響微觀偏析的(de)因素只有凝固參(can)數(shu)α和偏析參(can)數(shu)k,下(xia)面就(jiu)這兩方面進行(xing)討論分析。

 1. 凝固參(can)數(shu)α

  由凝固參數的(de)(de)表達(da)式可以看出，a值(zhi)(zhi)的(de)(de)大小與氮(dan)在(zai)該(gai)鋼(gang)中的(de)(de)固相擴散系(xi)數、鋼(gang)的(de)(de)固相線溫度、液相線溫度及冷卻強度有關。對于(yu)特定(ding)的(de)(de)鋼(gang)種，α值(zhi)(zhi)是在(zai)一定(ding)范圍的(de)(de)。如高氮(dan)鋼(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影分(fen)），偏(pian)(pian)析程度Dp可以達(da)到5%,α越小，偏(pian)(pian)析越嚴重，在(zai)高氮(dan)鋼(gang)熔煉(lian)過程中應該(gai)盡量避免氮(dan)偏(pian)(pian)析。但對于(yu)修(xiu)正后(hou)的(de)(de)α,α值(zhi)(zhi)的(de)(de)變(bian)化對偏(pian)(pian)析程度影響較小。

 2. 分配系數k

  分配(pei)(pei)系數的(de)(de)表達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)固相濃(nong)度(du)(du)與液相濃(nong)度(du)(du)的(de)(de)比值。它是(shi)表征元素(su)(su)是(shi)否易偏析的(de)(de)參(can)數。碳(tan)、硫、磷等(deng)都是(shi)非常容(rong)易偏析的(de)(de)元素(su)(su)，且這些元素(su)(su)在(zai)不同的(de)(de)固相（如8-Fe相、奧(ao)氏體相）中(zhong)(zhong)偏析系數是(shi)不同的(de)(de)。對于要研究的(de)(de)氮(dan)(dan)元素(su)(su)，它在(zai)奧(ao)氏體中(zhong)(zhong)的(de)(de)偏析系數要大于在(zai)鐵(tie)素(su)(su)體中(zhong)(zhong)的(de)(de)偏析系數，氮(dan)(dan)在(zai)鐵(tie)素(su)(su)體中(zhong)(zhong)的(de)(de)分配(pei)(pei)系數一般(ban)取0.38,在(zai)奧(ao)氏體中(zhong)(zhong)的(de)(de)分配(pei)(pei)系數一般(ban)取0.48,分配(pei)(pei)系數越小，偏析程度(du)(du)越嚴重。另(ling)外，分配(pei)(pei)系數還與凝(ning)固條件（如凝(ning)固速率、擴散邊(bian)界(jie)層厚度(du)(du)）等(deng)相關。