一(yi)、固(gu)相無擴(kuo)散和完全(quan)擴(kuo)散效應(ying)

  含鉻鎳不銹(xiu)鋼在凝(ning)固過程中，根據元素鉻和(he)鎳當量濃度比凝(ning)固模(mo)式可分為以下四類。

  在平(ping)衡(heng)(heng)和(he)(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量分數(shu)的(de)(de)變化(hua)趨勢(shi)完全一致。以(yi)D1為(wei)例，對平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)而(er)言［圖(tu)(tu)2-51(a)],貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（鐵(tie)素體相(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)不(bu)斷形成［78],導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)在殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中大(da)(da)量富(fu)(fu)集(ji)(ji)，［％N]iq快速(su)增(zeng)大(da)(da)，直(zhi)到(dao)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量分數(shu)達(da)到(dao)0.96左右。隨(sui)后，富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)γ和(he)(he)(he)AIN)持續形成，由于(yu)(yu)(yu)(yu)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)平(ping)衡(heng)(heng)分配(pei)系(xi)數(shu)和(he)(he)(he)溶解(jie)度均大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)［25,771,致使［％N]iq的(de)(de)增(zeng)長速(su)率(lv)(lv)陡降(jiang)，致使［％N]iq在隨(sui)后的(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中幾乎(hu)保(bao)持不(bu)變。氮(dan)(dan)(dan)(dan)、鎳(nie)和(he)(he)(he)錳一起富(fu)(fu)集(ji)(ji)在富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體中，且富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體中氮(dan)(dan)(dan)(dan)質量分數(shu)明顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素體相(xiang)(xiang)δ,差值可達(da)0.28%.在Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中，［％N]1iq變化(hua)規律如圖(tu)(tu)2-51(b)所示，當(dang)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量分數(shu)小于(yu)(yu)(yu)(yu)0.97時，［％N]iq隨(sui)著固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量分數(shu)的(de)(de)增(zeng)加而(er)快速(su)增(zeng)大(da)(da)，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)長速(su)率(lv)(lv)陡降(jiang)，同時［％N]iiq也隨(sui)之(zhi)發生斷裂式下(xia)(xia)降(jiang)，明顯(xian)區別于(yu)(yu)(yu)(yu)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)。與平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)比，由于(yu)(yu)(yu)(yu)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)無擴散，導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)、錳、鉻和(he)(he)(he)鉬(mu)在殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)(ji)程(cheng)度明顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)其在平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)中的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)(ji)（圖(tu)(tu)2-52),促進(jin)了(le)氮(dan)(dan)(dan)(dan)化(hua)物［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)］的(de)(de)形成，進(jin)而(er)致使［％N]iq發生斷裂式下(xia)(xia)降(jiang)［圖(tu)(tu)2-51(b)]。

  凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)相(xiang)(xiang)的(de)(de)種類以及(ji)成(cheng)分對殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)偏(pian)析有(you)至關重要的(de)(de)影響(xiang)。富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)(de)持(chi)續形(xing)成(cheng)，減小了(le)枝晶(jing)干與枝晶(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)之間(jian)氮(dan)(dan)(dan)質量分數的(de)(de)差距(ju)，進而減輕了(le)枝晶(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)偏(pian)析，有(you)助于(yu)避免鋼液(ye)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡大(da)范圍地(di)形(xing)成(cheng)和長大(da)，與Makaya等的(de)(de)研(yan)究(jiu)一致。因此，富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)(de)形(xing)成(cheng)有(you)利于(yu)抑制鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣孔的(de)(de)形(xing)成(cheng)。

二、固相反擴散效應

  碳、氮(dan)(dan)等間(jian)隙原子，其固相擴散(san)系(xi)數較(jiao)大(da)，其實(shi)際(ji)微觀偏析(xi)程度處于(yu)固相無(wu)擴散(san)和(he)固相完全(quan)擴散(san)條(tiao)件元素偏析(xi)之間(jian)，為了更好地貼(tie)合實(shi)際(ji)情(qing)況，基于(yu)C-K模(mo)型，可(ke)做以下假設，建立一(yi)種(zhong)適合高氮(dan)(dan)鋼凝固溶質再分配的模(mo)型。

（1)Fe-N相(xiang)圖(tu)的液相(xiang)線(xian)和固(gu)相(xiang)線(xian)是直線(xian)。

（2)液相(xiang)(xiang)完(wan)全擴散(san)，固相(xiang)(xiang)不完(wan)全擴散(san)。

（3)固－液界面的推進速度呈拋物(wu)線狀。

（4)溶質元素在固相中的擴散存在邊界層(ceng)。

（5)溶(rong)質(zhi)橫(heng)向分布均勻(yun)。

（6)忽略(lve)其他元素的偏析。

（7)不考(kao)慮凝固(gu)過程中氮析出的損失。

高氮(dan)鋼在凝固過程中，隨著凝固的進行，凝固界面固相氮(dan)濃度可表示(shi)為

  從圖中可以看(kan)出，隨(sui)著(zhu)凝固的進(jin)(jin)行，氮(dan)濃(nong)度(du)逐漸(jian)增(zeng)大，且固相率越(yue)大時(shi)，氮(dan)濃(nong)度(du)增(zeng)加得(de)越(yue)快。當前沿氮(dan)濃(nong)度(du)超過(guo)其飽和值時(shi)，便會(hui)有氮(dan)氣(qi)泡析(xi)(xi)出的可能。從微(wei)觀偏析(xi)(xi)方程（2-114)可以看(kan)出，影(ying)響微(wei)觀偏析(xi)(xi)的因素(su)只有凝固參數α和偏析(xi)(xi)參數k,下面就這兩方面進(jin)(jin)行討論分析(xi)(xi)。

 1. 凝固(gu)參數(shu)α

  由凝固參數的(de)表達式可(ke)以看出，a值(zhi)的(de)大小(xiao)與氮在(zai)(zai)該(gai)鋼(gang)中的(de)固相(xiang)擴散系數、鋼(gang)的(de)固相(xiang)線(xian)(xian)溫度(du)(du)(du)、液相(xiang)線(xian)(xian)溫度(du)(du)(du)及冷卻強(qiang)度(du)(du)(du)有關(guan)。對于特定的(de)鋼(gang)種(zhong)，α值(zhi)是在(zai)(zai)一定范圍的(de)。如高氮鋼(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影(ying)分(fen)），偏析程度(du)(du)(du)Dp可(ke)以達到5%,α越(yue)小(xiao)，偏析越(yue)嚴重，在(zai)(zai)高氮鋼(gang)熔煉過程中應該(gai)盡(jin)量避(bi)免氮偏析。但對于修正后的(de)α,α值(zhi)的(de)變(bian)化(hua)對偏析程度(du)(du)(du)影(ying)響較小(xiao)。

 2. 分配系數k

  分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)的(de)(de)(de)表達(da)式是(shi)(shi)(shi)(shi)k=Cs/C,是(shi)(shi)(shi)(shi)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)過程中(zhong)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)濃(nong)度與液相(xiang)濃(nong)度的(de)(de)(de)比(bi)值(zhi)。它是(shi)(shi)(shi)(shi)表征元(yuan)素(su)是(shi)(shi)(shi)(shi)否(fou)易(yi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)參數(shu)。碳、硫、磷等都是(shi)(shi)(shi)(shi)非常容易(yi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)元(yuan)素(su)，且(qie)這些(xie)元(yuan)素(su)在(zai)不同的(de)(de)(de)固(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)（如8-Fe相(xiang)、奧氏體(ti)相(xiang)）中(zhong)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)系數(shu)是(shi)(shi)(shi)(shi)不同的(de)(de)(de)。對于要研(yan)究的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)元(yuan)素(su)，它在(zai)奧氏體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)系數(shu)要大于在(zai)鐵素(su)體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)系數(shu)，氮(dan)(dan)在(zai)鐵素(su)體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)一(yi)般(ban)取0.38,在(zai)奧氏體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)一(yi)般(ban)取0.48,分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)越小，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)程度越嚴重。另外，分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)還與凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)條件（如凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)速(su)率(lv)、擴散邊界層厚度）等相(xiang)關(guan)。