一(yi)、氮(dan)氣孔的形成機理

  在(zai)(zai)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)鋼凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)孔形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)和(he)(he)(he)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)前(qian)沿(yan)處［％N]1iq隨距(ju)離變化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)律如圖(tu)2-55所(suo)示(shi)。由于(yu)糊(hu)狀區內大(da)(da)量(liang)枝晶(jing)網狀結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)，液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)對(dui)(dui)流只存在(zai)(zai)于(yu)一次枝晶(jing)尖端位置附(fu)近。且(qie)枝晶(jing)間(jian)幾乎(hu)無液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)流動。因此，枝晶(jing)間(jian)殘(can)(can)(can)(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)傳(chuan)(chuan)質主要依靠氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴散(san)行(xing)為(wei)，且(qie)糊(hu)狀區內氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)傳(chuan)(chuan)質速率(lv)非常(chang)小。初始相(xiang)(xiang)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鐵素(su)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度和(he)(he)(he)糊(hu)狀區的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)傳(chuan)(chuan)質速率(lv)較低(di)，導(dao)致在(zai)(zai)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鐵素(su)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)枝晶(jing)附(fu)近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)出現氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)富(fu)集(ji)，且(qie)［％N]iq迅速增(zeng)大(da)(da)，如圖(tu)2-55(a)所(suo)示(shi)。根據(ju)Yang和(he)(he)(he) Leel70]、Svyazhin 等、Ridolfi 和(he)(he)(he) Tassal的(de)(de)(de)(de)(de)(de)報道可(ke)知(zhi)，當［％N]iq的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最大(da)(da)值超過(guo)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)臨界氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)質量(liang)分(fen)數（［％N]pore)時，該區域有(you)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)能性，如圖(tu)2-55(b)所(suo)示(shi)。在(zai)(zai)后續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，隨著包晶(jing)反應的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進行(xing)，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)奧氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)γ以(yi)異質形(xing)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式在(zai)(zai)鐵素(su)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)8枝晶(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)開(kai)始形(xing)核長(chang)(chang)大(da)(da)，逐(zhu)漸包裹鐵素(su)體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)枝晶(jing)表面(mian)，并開(kai)始捕獲殘(can)(can)(can)(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)，對(dui)(dui)比圖(tu)2-51和(he)(he)(he)圖(tu)2-56可(ke)知(zhi)，此時枝晶(jing)間(jian)殘(can)(can)(can)(can)余［％N]1ig的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)長(chang)(chang)速率(lv)減(jian)(jian)小。對(dui)(dui)平衡凝(ning)(ning)固(gu)(gu)而言，殘(can)(can)(can)(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)以(yi)后，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)富(fu)集(ji)程(cheng)度減(jian)(jian)弱，［％N]1iq增(zeng)長(chang)(chang)速率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)小程(cheng)度明(ming)顯；相(xiang)(xiang)比之下(xia)，Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)以(yi)后，殘(can)(can)(can)(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)富(fu)集(ji)狀態(tai)有(you)所(suo)緩解(jie)，但(dan)幅度很小。隨著凝(ning)(ning)固(gu)(gu)界面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進一步(bu)推(tui)移，被捕獲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)在(zai)(zai)奧氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)表面(mian)開(kai)始長(chang)(chang)大(da)(da)，并沿(yan)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)方(fang)向拉(la)長(chang)(chang)，如圖(tu)2-55(c)所(suo)示(shi)。

  氮(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)沿徑(jing)向生長(chang)，生長(chang)方向與凝(ning)固方向一(yi)致，那么(me)氮(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)初始(shi)形成位置靠近鑄(zhu)錠邊部(bu)，且(qie)氮(dan)氣(qi)(qi)泡初始(shi)位置邊緣全由奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ構成（圖2-57中(zhong)I區），與圖2-55描(miao)述(shu)相(xiang)(xiang)(xiang)符。隨著氮(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)被拉長(chang)，鐵素體相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)以體積分數比約為0.92的關系交替在氮(dan)氣(qi)(qi)泡周圍形成，直(zhi)到氮(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)閉合。凝(ning)固結(jie)束(shu)后，氮(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)的宏觀形貌類似于橢圓形，與Wei等的研究結(jie)果(guo)一(yi)致

二(er)、氮微觀(guan)偏(pian)析對(dui)氮氣孔的影響

  氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)配系數較小，導致液(ye)(ye)(ye)相向固(gu)相轉(zhuan)變的(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)，固(gu)相會(hui)將多(duo)余(yu)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)轉(zhuan)移到(dao)殘余(yu)液(ye)(ye)(ye)相中(zhong)，形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)氮(dan)(dan)偏析(xi)。在(zai)(zai)氮(dan)(dan)偏析(xi)程(cheng)度逐漸(jian)加重的(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)，當殘余(yu)液(ye)(ye)(ye)相中(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量分(fen)(fen)數超過其飽和度時，極易(yi)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡(pao)。隨著凝(ning)(ning)固(gu)的(de)(de)(de)進(jin)行(xing)，若氣(qi)(qi)泡(pao)無法上浮而(er)(er)被捕獲，凝(ning)(ning)固(gu)結(jie)束后(hou)就會(hui)在(zai)(zai)鑄錠內(nei)部形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)孔(kong)。因此(ci)，凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析(xi)和溶解度對鑄錠中(zhong)最終氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)有至關(guan)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)多(duo)數情況下與疏松縮(suo)孔(kong)共(gong)存(cun)，內(nei)壁凹(ao)凸不平呈現裂紋狀(zhuang)，且整個氣(qi)(qi)孔(kong)形(xing)(xing)狀(zhuang)不規則，如圖2-58所示。此(ci)類氣(qi)(qi)孔(kong)不僅與鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)中(zhong)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)有關(guan)，還(huan)受凝(ning)(ning)固(gu)收縮(suo)等因素的(de)(de)(de)影(ying)響，且多(duo)數分(fen)(fen)布于鑄錠心部，尤(you)其在(zai)(zai)中(zhong)心等軸晶(jing)區。這主(zhu)要(yao)(yao)由于中(zhong)心等軸晶(jing)區內(nei)枝晶(jing)生長較發達，容易(yi)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)復雜的(de)(de)(de)網狀(zhuang)結(jie)構，從而(er)(er)將液(ye)(ye)(ye)相分(fen)(fen)割(ge)成(cheng)(cheng)(cheng)無數個獨立的(de)(de)(de)液(ye)(ye)(ye)相區域(yu)，當發生凝(ning)(ning)固(gu)收縮(suo)時，難以進(jin)行(xing)補縮(suo)，在(zai)(zai)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)疏松縮(suo)孔(kong)的(de)(de)(de)同時，局部鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)靜壓力降(jiang)低，促(cu)使氮(dan)(dan)從殘余(yu)液(ye)(ye)(ye)相中(zhong)析(xi)出，從而(er)(er)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)了氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)和疏松縮(suo)孔(kong)共(gong)存(cun)的(de)(de)(de)宏(hong)觀(guan)缺(que)陷。

  平衡凝固(gu)時，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)不(bu)銹鋼殘(can)余液相中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)偏(pian)析與體(ti)(ti)(ti)系氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)差值如(ru)圖2-59所(suo)示。凝固(gu)初期鐵素(su)體(ti)(ti)(ti)阱（ferrite trap)的(de)形成(cheng)(cheng)，導(dao)致氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)降低(di)，進而使氮(dan)(dan)偏(pian)析與體(ti)(ti)(ti)系氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)差值呈現出略微增大的(de)趨勢。但在后續凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)，隨著鐵素(su)體(ti)(ti)(ti)阱的(de)消失(shi)以及富氮(dan)(dan)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)相的(de)不(bu)斷形成(cheng)(cheng)，差值減小；在整個(ge)凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)差值始終較小，且變化幅度(du)(du)較窄(zhai)。對(dui)于19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)(dan)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)不(bu)銹鋼，液相中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡的(de)形成(cheng)(cheng)趨勢較小，難以在鑄錠內(nei)形成(cheng)(cheng)獨立內(nei)壁光滑的(de)規則氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔。

  此外，目(mu)前有人對奧(ao)氏(shi)(shi)體鋼(gang)凝固過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)形成(cheng)(cheng)(cheng)進行了大量研(yan)究，如Yang和Leel901研(yan)究了奧(ao)氏(shi)(shi)體鋼(gang)16Cr3NixMn(x=9和11)凝固過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)壓力(li)和初(chu)始氮(dan)(dan)質量分數等因素對氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔形成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)影(ying)響(xiang)規(gui)律(lv)(lv)，并建立了相(xiang)應的(de)預測模型。Ridolfi和Tassal[84]分析(xi)了氮(dan)(dan)偏析(xi)、合(he)金元素、冷卻速率以及枝晶間距對奧(ao)氏(shi)(shi)體鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)影(ying)響(xiang)規(gui)律(lv)(lv)，并揭示了奧(ao)氏(shi)(shi)體鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔形成(cheng)(cheng)(cheng)機理。然而(er)，目(mu)前對于雙相(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔形成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)研(yan)究較少，且主要集中(zhong)(zhong)在(zai)合(he)金元素、鑄造方式、冷卻速率等因素對氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔影(ying)響(xiang)規(gui)律(lv)(lv)的(de)研(yan)究，鮮有對雙相(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔形成(cheng)(cheng)(cheng)機理的(de)報道。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)雙相(xiang)鋼(gang)為例，氮(dan)(dan)偏析(xi)與溶解度的(de)差值在(zai)整個(ge)凝固過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)變化趨(qu)勢，如圖2-59所示。隨著凝固的(de)進行，氮(dan)(dan)偏析(xi)始終大于氮(dan)(dan)溶解度，且差值呈(cheng)現出快速增大的(de)趨(qu)勢。因此，在(zai)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)雙相(xiang)鋼(gang)凝固過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，氮(dan)(dan)偏析(xi)嚴(yan)重(zhong)，殘(can)余液(ye)相(xiang)內氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡形成(cheng)(cheng)(cheng)趨(qu)勢較大，明顯高于19Cr14Mn0.9N含(han)氮(dan)(dan)奧(ao)氏(shi)(shi)體不銹鋼(gang)。

  氮氣(qi)泡(pao)形成和(he)長大具有重要(yao)的(de)作用（圖2-60).其中，σ為氣(qi)液(ye)(ye)界(jie)面的(de)表面張力，r為氣(qi)泡(pao)半徑。結合經典形核理論，氮氣(qi)泡(pao)在(zai)鋼液(ye)(ye)中穩定(ding)存在(zai)的(de)必要(yao)條件為氣(qi)泡(pao)內壓(ya)力大于(yu)作用于(yu)氣(qi)泡(pao)的(de)所有壓(ya)力之和(he)，即

  式中，Aso由(you)凝固過程(cheng)(cheng)中除(chu)氮(dan)(dan)(dan)以外(wai)其他(ta)合金(jin)元素(su)的(de)(de)(de)微觀偏析(xi)(xi)進行計(ji)算(suan)，其值(zhi)隨(sui)著(zhu)枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余(yu)(yu)液(ye)相中氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)的(de)(de)(de)增加而減小，表(biao)征(zheng)了(le)枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余(yu)(yu)液(ye)相中氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡形(xing)成的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)程(cheng)(cheng)度(du)；Ase表(biao)征(zheng)了(le)枝(zhi)晶(jing)間(jian)氮(dan)(dan)(dan)偏析(xi)(xi)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡形(xing)成的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)程(cheng)(cheng)度(du)，可由(you)凝固過程(cheng)(cheng)中枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)余(yu)(yu)液(ye)相中氮(dan)(dan)(dan)偏析(xi)(xi)計(ji)算(suan)獲得，其值(zhi)隨(sui)著(zhu)氮(dan)(dan)(dan)偏析(xi)(xi)的(de)(de)(de)增大(da)而增大(da)。此(ci)外(wai)，用(yong)于計(ji)算(suan)Aso和Ase時所需(xu)的(de)(de)(de)合金(jin)元素(su)偏析(xi)(xi)均由(you)鋼凝固相變所致。

  氮氣泡(pao)的(de)形(xing)核和(he)(he)長(chang)大(da)過(guo)(guo)程(cheng)復雜，且影響因(yin)素(su)眾多，包括凝固(gu)收縮、冶煉環(huan)境以及坩堝材質等(deng)。因(yin)此，很難采(cai)用Pg值精(jing)確預測凝固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)氮氣泡(pao)的(de)形(xing)成(cheng)和(he)(he)長(chang)大(da)。然而基(ji)于(yu)(yu)Yang等(deng)的(de)實驗研(yan)究［70,77],在評估凝固(gu)壓力(li)、合金成(cheng)分(fen)等(deng)因(yin)素(su)對氮氣泡(pao)形(xing)成(cheng)的(de)影響程(cheng)度時，Pg起關(guan)鍵作用。實際凝固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)介于(yu)(yu)平(ping)衡凝固(gu)（固(gu)／液相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)質完全(quan)擴(kuo)散）和(he)(he)Scheil凝固(gu)（固(gu)相(xiang)無溶(rong)質擴(kuo)散，液相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)完全(quan)擴(kuo)散）之間70].因(yin)此，可分(fen)別(bie)計算平(ping)衡凝固(gu)和(he)(he)Scheil凝固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)Aso、Ase和(he)(he)Pg,闡(chan)明實際凝固(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)壓力(li)等(deng)因(yin)素(su)對氮氣泡(pao)形(xing)成(cheng)的(de)影響規律(lv)。

  現以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)雙相(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠為例，對凝(ning)固(gu)(gu)過程(cheng)中Aso、Ase和(he)P8的變化(hua)趨勢進行計算。圖(tu)2-61描述了ΔAso(=Asa-Aso,0)和(he)AAse(=Ase-Ase,o)隨固(gu)(gu)相(xiang)質量(liang)分數的變化(hua)趨勢（Aso,0和(he)Asc,0分別為D1鑄(zhu)錠凝(ning)固(gu)(gu)時Aso和(he)Ase的初(chu)始值(zhi)）。

  在(zai)平衡凝(ning)固和(he)(he)(he)(he)Scheil凝(ning)固過(guo)(guo)程中，ΔAso的(de)(de)最小值分別為－0.145和(he)(he)(he)(he)－0.397,與此(ci)(ci)相(xiang)對(dui)(dui)應的(de)(de)ΔAse值最大(da)(da)(da)，分別為0.68和(he)(he)(he)(he)0.92.在(zai)整(zheng)個(ge)凝(ning)固過(guo)(guo)程中，由于(yu)(yu)ΔAse與ΔAso之和(he)(he)(he)(he)始終大(da)(da)(da)于(yu)(yu)零，因而枝晶間殘(can)余液相(xiang)中氮(dan)偏析對(dui)(dui)D1 鑄(zhu)錠凝(ning)固過(guo)(guo)程中氮(dan)氣泡(pao)形成(cheng)的(de)(de)影(ying)響大(da)(da)(da)于(yu)(yu)氮(dan)溶(rong)解度，起主(zhu)導(dao)作(zuo)用。此(ci)(ci)外，在(zai)整(zheng)個(ge)凝(ning)固過(guo)(guo)程中，P8變化(hua)趨勢如圖(tu)2-62所示(shi)，其變化(hua)規律與Young等。的(de)(de)研究結果一致，Pg的(de)(de)最大(da)(da)(da)值Pg與Ase+Aso的(de)(de)最大(da)(da)(da)值相(xiang)對(dui)(dui)應，且在(zai)平衡凝(ning)固和(he)(he)(he)(he) Scheil 凝(ning)固過(guo)(guo)程中分別為0.63MPa和(he)(he)(he)(he)0.62MPa.此(ci)(ci)外，可通(tong)過(guo)(guo)對(dui)(dui)比不(bu)同鑄(zhu)錠中的(de)(de)探(tan)討凝(ning)固壓力、初始氮(dan)質量分數(shu)以及合金元素(su)（鉻和(he)(he)(he)(he)錳(meng)）等對(dui)(dui)液相(xiang)中氮(dan)氣泡(pao)形成(cheng)的(de)(de)影(ying)響，進而明(ming)晰各因素(su)對(dui)(dui)氮(dan)氣孔形成(cheng)的(de)(de)影(ying)響規律。