一(yi)、固相無擴散和完全擴散效應

  含鉻(ge)鎳(nie)不銹(xiu)鋼在凝固過程中，根(gen)據元素(su)鉻(ge)和(he)鎳(nie)當量濃度比凝固模式可分為以下四(si)類。

  在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分數的(de)變(bian)化趨勢(shi)完全一致(zhi)(zhi)。以D1為例(li)，對(dui)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)而言［圖(tu)2-51(a)],貧(pin)(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)不(bu)斷形成［78],導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)在(zai)(zai)殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)大量富集，［％N]iq快速增(zeng)大，直(zhi)到(dao)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分數達(da)到(dao)0.96左右(you)。隨(sui)后，富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持續形成，由于富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)平(ping)衡(heng)(heng)分配(pei)系數和(he)溶解度均大于貧(pin)(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq的(de)增(zeng)長速率(lv)陡降，致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq在(zai)(zai)隨(sui)后的(de)凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)幾(ji)乎保持不(bu)變(bian)。氮(dan)(dan)、鎳(nie)和(he)錳一起富集在(zai)(zai)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)，且富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質量分數明顯大于貧(pin)(pin)氮(dan)(dan)鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差(cha)值可達(da)0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)化規律如(ru)圖(tu)2-51(b)所示，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分數小于0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著(zhu)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分數的(de)增(zeng)加(jia)而快速增(zeng)大，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)長速率(lv)陡降，同(tong)時(shi)［％N]iiq也隨(sui)之發生斷裂(lie)式(shi)下(xia)降，明顯區別于平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)。與平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，由于Scheil凝(ning)固(gu)(gu)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無擴散，導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)、錳、鉻和(he)鉬(mu)在(zai)(zai)殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)富集程度明顯大于其在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)富集（圖(tu)2-52),促進了氮(dan)(dan)化物(wu)［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)形成，進而致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq發生斷裂(lie)式(shi)下(xia)降［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固過程中(zhong)(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)種類以及成分對殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析有(you)至關重要(yao)的(de)影響。富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)持續(xu)形(xing)成，減小了枝(zhi)晶(jing)干與枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)之間(jian)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質量分數的(de)差距，進而(er)減輕了枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析，有(you)助(zhu)于(yu)避(bi)免鋼液中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣泡大(da)范圍地形(xing)成和(he)長大(da)，與Makaya等的(de)研究一(yi)致。因此，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)形(xing)成有(you)利于(yu)抑制鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)的(de)形(xing)成。

二(er)、固相反擴散效應

  碳(tan)、氮(dan)等間隙原子(zi)，其固(gu)相(xiang)擴散系(xi)數較大，其實(shi)際微觀偏析程度處于固(gu)相(xiang)無擴散和固(gu)相(xiang)完(wan)全擴散條件元素偏析之間，為了更好地貼合實(shi)際情況(kuang)，基(ji)于C-K模(mo)型，可做以下(xia)假設，建(jian)立一種適合高氮(dan)鋼凝固(gu)溶質再(zai)分配的模(mo)型。

（1)Fe-N相(xiang)圖的液相(xiang)線和固相(xiang)線是直(zhi)線。

（2)液相(xiang)完全(quan)擴散，固(gu)相(xiang)不完全(quan)擴散。

（3)固(gu)－液界面(mian)的推(tui)進(jin)速度呈拋物線狀。

（4)溶質元素在固相中的擴散存(cun)在邊(bian)界(jie)層。

（5)溶質橫向分布均(jun)勻。

（6)忽略其(qi)他元素(su)的偏析。

（7)不(bu)考慮凝固過(guo)程(cheng)中氮析出(chu)的損失。

高氮鋼在凝(ning)固過(guo)程(cheng)中，隨著凝(ning)固的進行，凝(ning)固界面固相氮濃度可表示為

  從圖中(zhong)可以看(kan)(kan)出(chu)，隨著凝固的(de)進(jin)行(xing)(xing)，氮(dan)濃度逐漸增大，且(qie)固相率越大時，氮(dan)濃度增加得越快。當前沿(yan)氮(dan)濃度超(chao)過其(qi)飽和值時，便會有氮(dan)氣泡析(xi)(xi)(xi)出(chu)的(de)可能(neng)。從微(wei)(wei)觀偏(pian)析(xi)(xi)(xi)方(fang)程(cheng)（2-114)可以看(kan)(kan)出(chu)，影(ying)響(xiang)微(wei)(wei)觀偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)因素只有凝固參數(shu)α和偏(pian)析(xi)(xi)(xi)參數(shu)k,下面就這兩(liang)方(fang)面進(jin)行(xing)(xing)討論分(fen)析(xi)(xi)(xi)。

 1. 凝固參(can)數(shu)α

  由凝固參數的(de)(de)(de)表達式(shi)可(ke)以看(kan)出，a值的(de)(de)(de)大小(xiao)(xiao)(xiao)與氮(dan)(dan)在該鋼(gang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)固相擴散系數、鋼(gang)的(de)(de)(de)固相線(xian)溫度(du)(du)(du)、液(ye)相線(xian)溫度(du)(du)(du)及冷卻強度(du)(du)(du)有關(guan)。對于(yu)特定的(de)(de)(de)鋼(gang)種(zhong)，α值是在一定范圍的(de)(de)(de)。如(ru)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)，α為(wei)2~3[82](圖2-54陰影分），偏(pian)析(xi)程度(du)(du)(du)Dp可(ke)以達到5%,α越(yue)小(xiao)(xiao)(xiao)，偏(pian)析(xi)越(yue)嚴重(zhong)，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)熔煉過(guo)程中(zhong)(zhong)應該盡量避免氮(dan)(dan)偏(pian)析(xi)。但(dan)對于(yu)修正后的(de)(de)(de)α,α值的(de)(de)(de)變化對偏(pian)析(xi)程度(du)(du)(du)影響(xiang)較(jiao)小(xiao)(xiao)(xiao)。

 2. 分(fen)配系(xi)數k

  分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)的(de)表(biao)達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)固(gu)相濃度(du)與液(ye)相濃度(du)的(de)比值(zhi)。它是(shi)表(biao)征(zheng)元素(su)是(shi)否(fou)易偏析(xi)(xi)的(de)參數(shu)。碳、硫(liu)、磷(lin)等都是(shi)非(fei)常容易偏析(xi)(xi)的(de)元素(su)，且(qie)這(zhe)些元素(su)在不同的(de)固(gu)相（如8-Fe相、奧氏體(ti)相）中(zhong)偏析(xi)(xi)系(xi)(xi)數(shu)是(shi)不同的(de)。對于(yu)要研究的(de)氮元素(su)，它在奧氏體(ti)中(zhong)的(de)偏析(xi)(xi)系(xi)(xi)數(shu)要大于(yu)在鐵素(su)體(ti)中(zhong)的(de)偏析(xi)(xi)系(xi)(xi)數(shu)，氮在鐵素(su)體(ti)中(zhong)的(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般取(qu)0.38,在奧氏體(ti)中(zhong)的(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般取(qu)0.48,分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)越小，偏析(xi)(xi)程度(du)越嚴重(zhong)。另(ling)外，分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)還與凝(ning)(ning)固(gu)條件(jian)（如凝(ning)(ning)固(gu)速(su)率(lv)、擴散邊界層(ceng)厚度(du)）等相關。