一、固(gu)相(xiang)無擴(kuo)散和完全擴(kuo)散效(xiao)應

  含鉻鎳不銹(xiu)鋼在凝固過程(cheng)中，根(gen)據元素鉻和鎳當量濃(nong)度比凝固模式可分(fen)為以下四類。

  在(zai)平衡(heng)(heng)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄(zhu)錠內(nei)，［％N]uiq隨(sui)(sui)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)數的(de)(de)變(bian)(bian)化趨(qu)勢完全一致。以D1為(wei)例(li)，對(dui)平衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)而言［圖2-51(a)],貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)素體相(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)不(bu)斷形成(cheng)［78],導(dao)致氮(dan)(dan)(dan)在(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)大(da)量(liang)(liang)富(fu)集，［％N]iq快速增(zeng)大(da)，直(zhi)到固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)數達到0.96左(zuo)右。隨(sui)(sui)后(hou)，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持(chi)(chi)續形成(cheng)，由(you)于(yu)(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)平衡(heng)(heng)分(fen)配(pei)系數和(he)溶(rong)解(jie)度均大(da)于(yu)(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致使［％N]iq的(de)(de)增(zeng)長速率陡降，致使［％N]iq在(zai)隨(sui)(sui)后(hou)的(de)(de)凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)幾(ji)乎保持(chi)(chi)不(bu)變(bian)(bian)。氮(dan)(dan)(dan)、鎳和(he)錳一起富(fu)集在(zai)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)(ao)氏體中(zhong)(zhong)，且富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)(ao)氏體中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質量(liang)(liang)分(fen)數明顯大(da)于(yu)(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素體相(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值可(ke)達0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)(bian)化規律如圖2-51(b)所示，當(dang)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)數小于(yu)(yu)0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)(sui)著固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)數的(de)(de)增(zeng)加而快速增(zeng)大(da)，隨(sui)(sui)后(hou)［％N]iq增(zeng)長速率陡降，同時(shi)［％N]iiq也隨(sui)(sui)之發生斷裂式(shi)下(xia)降，明顯區別于(yu)(yu)平衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)。與平衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，由(you)于(yu)(yu)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)無擴散，導(dao)致氮(dan)(dan)(dan)、錳、鉻和(he)鉬在(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)富(fu)集程度明顯大(da)于(yu)(yu)其在(zai)平衡(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)富(fu)集（圖2-52),促進(jin)了氮(dan)(dan)(dan)化物［密(mi)排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)形成(cheng)，進(jin)而致使［％N]iq發生斷裂式(shi)下(xia)降［圖2-51(b)]。

  凝固過程(cheng)中相(xiang)(xiang)的(de)(de)種類以及成分(fen)(fen)對殘余液相(xiang)(xiang)中氮(dan)偏析有至關重要的(de)(de)影響(xiang)。富氮(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)）的(de)(de)持續形(xing)成，減小(xiao)了枝晶(jing)干與枝晶(jing)間(jian)殘余液相(xiang)(xiang)之間(jian)氮(dan)質(zhi)量分(fen)(fen)數的(de)(de)差距，進而(er)減輕了枝晶(jing)間(jian)殘余液相(xiang)(xiang)中氮(dan)偏析，有助(zhu)于避免鋼液中氮(dan)氣(qi)(qi)泡(pao)大范圍地形(xing)成和(he)長大，與Makaya等(deng)的(de)(de)研(yan)究(jiu)一致。因此，富氮(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)）的(de)(de)形(xing)成有利于抑制鋼中氮(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)(de)形(xing)成。

二、固相反擴散效應

  碳、氮(dan)(dan)等(deng)間隙原子，其固(gu)相(xiang)擴(kuo)散系數較大，其實(shi)際微觀(guan)偏析程度(du)處于(yu)固(gu)相(xiang)無擴(kuo)散和固(gu)相(xiang)完全擴(kuo)散條件元素偏析之間，為(wei)了更好地(di)貼(tie)合(he)(he)實(shi)際情況，基于(yu)C-K模型，可做以下假設，建(jian)立一種適合(he)(he)高氮(dan)(dan)鋼凝固(gu)溶質再(zai)分配的模型。

（1)Fe-N相(xiang)圖(tu)的液相(xiang)線和固相(xiang)線是(shi)直線。

（2)液相(xiang)完(wan)全擴散，固(gu)相(xiang)不完(wan)全擴散。

（3)固(gu)－液界面(mian)的推進速度呈拋物線(xian)狀。

（4)溶質元素在固相(xiang)中的擴(kuo)散存在邊界層。

（5)溶(rong)質橫向分布均(jun)勻(yun)。

（6)忽略其他元(yuan)素的偏析(xi)。

（7)不考慮凝固過程(cheng)中氮析出的(de)損失。

高氮鋼在(zai)凝固過程中，隨(sui)著凝固的進行，凝固界面(mian)固相氮濃(nong)度可(ke)表示(shi)為(wei)

  從圖中可(ke)以看(kan)出，隨著凝固(gu)的(de)進行(xing)，氮(dan)濃度逐漸(jian)增(zeng)(zeng)大，且固(gu)相率越大時(shi)，氮(dan)濃度增(zeng)(zeng)加得越快。當前沿氮(dan)濃度超過其飽和值時(shi)，便會有氮(dan)氣泡析出的(de)可(ke)能。從微(wei)(wei)觀(guan)偏(pian)(pian)析方程（2-114)可(ke)以看(kan)出，影響微(wei)(wei)觀(guan)偏(pian)(pian)析的(de)因(yin)素只有凝固(gu)參(can)數α和偏(pian)(pian)析參(can)數k,下面(mian)就這兩方面(mian)進行(xing)討(tao)論分析。

 1. 凝(ning)固參數(shu)α

  由凝固(gu)(gu)參(can)數(shu)的(de)(de)表達(da)式可(ke)以看出，a值的(de)(de)大小(xiao)與氮(dan)在該鋼(gang)中的(de)(de)固(gu)(gu)相(xiang)擴散系數(shu)、鋼(gang)的(de)(de)固(gu)(gu)相(xiang)線溫(wen)度(du)(du)、液相(xiang)線溫(wen)度(du)(du)及冷卻(que)強度(du)(du)有(you)關。對于特定(ding)的(de)(de)鋼(gang)種，α值是在一定(ding)范圍的(de)(de)。如高氮(dan)鋼(gang)，α為(wei)2~3[82](圖(tu)2-54陰影分），偏析程度(du)(du)Dp可(ke)以達(da)到(dao)5%,α越小(xiao)，偏析越嚴重(zhong)，在高氮(dan)鋼(gang)熔煉過程中應該盡量避免(mian)氮(dan)偏析。但對于修正后的(de)(de)α,α值的(de)(de)變化對偏析程度(du)(du)影響較小(xiao)。

 2. 分配系(xi)數k

  分(fen)配系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)表達式(shi)是k=Cs/C,是凝(ning)固(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)固(gu)相濃度(du)與(yu)液相濃度(du)的(de)(de)比值。它是表征元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)是否易偏析的(de)(de)參數(shu)。碳、硫、磷等(deng)都是非常容(rong)易偏析的(de)(de)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，且這些元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)在不同(tong)的(de)(de)固(gu)相（如8-Fe相、奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)相）中(zhong)(zhong)偏析系(xi)(xi)(xi)數(shu)是不同(tong)的(de)(de)。對(dui)于(yu)要(yao)研究的(de)(de)氮(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，它在奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)偏析系(xi)(xi)(xi)數(shu)要(yao)大于(yu)在鐵素(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)偏析系(xi)(xi)(xi)數(shu)，氮(dan)在鐵素(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)分(fen)配系(xi)(xi)(xi)數(shu)一(yi)般取(qu)(qu)0.38,在奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)分(fen)配系(xi)(xi)(xi)數(shu)一(yi)般取(qu)(qu)0.48,分(fen)配系(xi)(xi)(xi)數(shu)越小，偏析程(cheng)(cheng)度(du)越嚴重。另外，分(fen)配系(xi)(xi)(xi)數(shu)還(huan)與(yu)凝(ning)固(gu)條(tiao)件（如凝(ning)固(gu)速率(lv)、擴(kuo)散(san)邊界(jie)層厚(hou)度(du)）等(deng)相關。