一、氮氣孔(kong)的形成機(ji)理

  在(zai)(zai)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程中，氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔形(xing)(xing)(xing)成和凝(ning)(ning)固(gu)前沿(yan)處［％N]1iq隨(sui)距離變化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規律如圖(tu)2-55所(suo)(suo)示(shi)(shi)。由于糊狀(zhuang)區內大(da)量枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)網狀(zhuang)結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成，液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)對流只存在(zai)(zai)于一(yi)次枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)尖端位置附近。且枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間幾乎無液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)流動(dong)。因此，枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間殘(can)余(yu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)傳質主要依靠氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散行為，且糊狀(zhuang)區內氮(dan)(dan)(dan)(dan)傳質速率(lv)(lv)非常(chang)小(xiao)。初始相(xiang)(xiang)(xiang)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度和糊狀(zhuang)區的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)傳質速率(lv)(lv)較低，導(dao)致在(zai)(zai)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)附近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中出現(xian)氮(dan)(dan)(dan)(dan)富(fu)(fu)集，且［％N]iq迅速增(zeng)大(da)，如圖(tu)2-55(a)所(suo)(suo)示(shi)(shi)。根(gen)據Yang和 Leel70]、Svyazhin 等、Ridolfi 和 Tassal的(de)(de)(de)(de)(de)(de)報(bao)道(dao)可知，當［％N]iq的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最大(da)值超(chao)過(guo)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)(pao)形(xing)(xing)(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)臨界(jie)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質量分數（［％N]pore)時，該區域有(you)氣(qi)泡(pao)(pao)形(xing)(xing)(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可能性，如圖(tu)2-55(b)所(suo)(suo)示(shi)(shi)。在(zai)(zai)后續(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程中，隨(sui)著包(bao)晶(jing)(jing)(jing)(jing)反(fan)應的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進行，富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ以異質形(xing)(xing)(xing)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方式在(zai)(zai)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)8枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)開(kai)始形(xing)(xing)(xing)核長(chang)大(da)，逐漸包(bao)裹(guo)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)表(biao)面(mian)，并開(kai)始捕獲殘(can)余(yu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)(pao)，對比(bi)圖(tu)2-51和圖(tu)2-56可知，此時枝(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)間殘(can)余(yu)［％N]1ig的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)長(chang)速率(lv)(lv)減(jian)小(xiao)。對平衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)而言，殘(can)余(yu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)(pao)形(xing)(xing)(xing)成以后，氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)富(fu)(fu)集程度減(jian)弱，［％N]1iq增(zeng)長(chang)速率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)程度明顯；相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)之下，Scheil凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程中，氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)(pao)形(xing)(xing)(xing)成以后，殘(can)余(yu)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)富(fu)(fu)集狀(zhuang)態有(you)所(suo)(suo)緩(huan)解，但幅度很小(xiao)。隨(sui)著凝(ning)(ning)固(gu)界(jie)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進一(yi)步推移，被捕獲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)(pao)在(zai)(zai)奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)表(biao)面(mian)開(kai)始長(chang)大(da)，并沿(yan)凝(ning)(ning)固(gu)方向拉長(chang)，如圖(tu)2-55(c)所(suo)(suo)示(shi)(shi)。

  氮(dan)(dan)氣孔(kong)沿徑向(xiang)生(sheng)長，生(sheng)長方向(xiang)與(yu)凝固方向(xiang)一致，那么(me)氮(dan)(dan)氣孔(kong)初始形成位(wei)置(zhi)靠(kao)近鑄錠邊部，且氮(dan)(dan)氣泡初始位(wei)置(zhi)邊緣全由奧(ao)氏體(ti)相γ構成（圖(tu)2-57中I區），與(yu)圖(tu)2-55描述相符。隨著氮(dan)(dan)氣孔(kong)被拉(la)長，鐵素體(ti)相和奧(ao)氏體(ti)相以體(ti)積分數比約(yue)為0.92的(de)關系(xi)交(jiao)替在氮(dan)(dan)氣泡周(zhou)圍(wei)形成，直到氮(dan)(dan)氣孔(kong)閉(bi)合。凝固結(jie)束后(hou)，氮(dan)(dan)氣孔(kong)的(de)宏(hong)觀(guan)形貌(mao)類似于橢(tuo)圓形，與(yu)Wei等(deng)的(de)研究結(jie)果一致

二、氮微(wei)觀偏析對氮氣孔的(de)影響

  氮的(de)分(fen)配(pei)系(xi)數(shu)較(jiao)小，導(dao)致液(ye)(ye)(ye)相向固相轉變的(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，固相會(hui)將多余的(de)氮轉移到殘余液(ye)(ye)(ye)相中(zhong)，形(xing)(xing)(xing)成(cheng)氮偏(pian)析(xi)(xi)。在(zai)氮偏(pian)析(xi)(xi)程(cheng)度逐漸加(jia)重的(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，當殘余液(ye)(ye)(ye)相中(zhong)氮質量分(fen)數(shu)超(chao)過(guo)(guo)(guo)(guo)其飽和(he)度時，極易形(xing)(xing)(xing)成(cheng)氮氣(qi)(qi)(qi)泡。隨(sui)著(zhu)凝(ning)(ning)固的(de)進行(xing)(xing)，若氣(qi)(qi)(qi)泡無法上浮而被捕獲，凝(ning)(ning)固結束(shu)后就會(hui)在(zai)鑄錠內部(bu)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)。因此，凝(ning)(ning)固過(guo)(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)氮偏(pian)析(xi)(xi)和(he)溶解度對鑄錠中(zhong)最終氮氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)的(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)有(you)至關重要的(de)作用。氮氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)多數(shu)情況下與(yu)疏松縮(suo)(suo)孔(kong)(kong)共存，內壁凹(ao)凸不(bu)平(ping)呈現裂(lie)紋狀，且(qie)整個氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)形(xing)(xing)(xing)狀不(bu)規則，如圖2-58所示。此類氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)不(bu)僅與(yu)鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)中(zhong)氣(qi)(qi)(qi)泡的(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)有(you)關，還受(shou)凝(ning)(ning)固收縮(suo)(suo)等(deng)(deng)因素的(de)影(ying)響(xiang)，且(qie)多數(shu)分(fen)布(bu)于鑄錠心(xin)部(bu)，尤其在(zai)中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸晶(jing)區(qu)。這(zhe)主要由于中(zhong)心(xin)等(deng)(deng)軸晶(jing)區(qu)內枝晶(jing)生(sheng)長較(jiao)發(fa)達，容易形(xing)(xing)(xing)成(cheng)復雜(za)的(de)網狀結構，從而將液(ye)(ye)(ye)相分(fen)割成(cheng)無數(shu)個獨立的(de)液(ye)(ye)(ye)相區(qu)域，當發(fa)生(sheng)凝(ning)(ning)固收縮(suo)(suo)時，難(nan)以進行(xing)(xing)補縮(suo)(suo)，在(zai)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)疏松縮(suo)(suo)孔(kong)(kong)的(de)同時，局部(bu)鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)靜壓力降低，促(cu)使氮從殘余液(ye)(ye)(ye)相中(zhong)析(xi)(xi)出，從而形(xing)(xing)(xing)成(cheng)了氮氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)和(he)疏松縮(suo)(suo)孔(kong)(kong)共存的(de)宏(hong)觀缺陷。

  平衡凝(ning)固(gu)時，19Cr14Mn0.9N含氮(dan)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)殘余液(ye)相中氮(dan)偏析與(yu)體(ti)(ti)系氮(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)(de)差值(zhi)如圖(tu)2-59所(suo)示。凝(ning)固(gu)初期(qi)鐵素體(ti)(ti)阱（ferrite trap)的(de)(de)形(xing)(xing)成，導致氮(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)(de)降(jiang)低，進而(er)使氮(dan)偏析與(yu)體(ti)(ti)系氮(dan)溶(rong)(rong)解度差值(zhi)呈現出略(lve)微增大的(de)(de)趨勢。但在(zai)后續凝(ning)固(gu)過程中，隨著鐵素體(ti)(ti)阱的(de)(de)消失以(yi)(yi)及(ji)富氮(dan)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)相的(de)(de)不(bu)斷形(xing)(xing)成，差值(zhi)減小(xiao)；在(zai)整個凝(ning)固(gu)過程中差值(zhi)始終較(jiao)小(xiao)，且變化幅(fu)度較(jiao)窄。對于19Cr14Mn0.9N 含氮(dan)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)，液(ye)相中氮(dan)氣泡的(de)(de)形(xing)(xing)成趨勢較(jiao)小(xiao)，難以(yi)(yi)在(zai)鑄錠內形(xing)(xing)成獨立內壁光滑的(de)(de)規則氮(dan)氣孔。

  此外，目前有(you)人(ren)對(dui)奧氏(shi)體(ti)(ti)鋼(gang)(gang)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)(kong)的(de)(de)形(xing)(xing)成進行(xing)了大(da)量(liang)研(yan)究，如Yang和(he)Leel901研(yan)究了奧氏(shi)體(ti)(ti)鋼(gang)(gang)16Cr3NixMn(x=9和(he)11)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)壓力和(he)初(chu)始(shi)(shi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質量(liang)分數等因素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)(kong)形(xing)(xing)成的(de)(de)影響(xiang)規律，并建立了相(xiang)應的(de)(de)預(yu)測模型。Ridolfi和(he)Tassal[84]分析(xi)了氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)、合(he)金(jin)元素、冷(leng)卻速率(lv)以(yi)(yi)及(ji)枝晶間(jian)距對(dui)奧氏(shi)體(ti)(ti)鋼(gang)(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)(kong)的(de)(de)影響(xiang)規律，并揭示了奧氏(shi)體(ti)(ti)鋼(gang)(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)(kong)形(xing)(xing)成機理。然而，目前對(dui)于(yu)雙(shuang)相(xiang)鋼(gang)(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)(kong)形(xing)(xing)成的(de)(de)研(yan)究較(jiao)少，且主要(yao)集中(zhong)在(zai)合(he)金(jin)元素、鑄造方式、冷(leng)卻速率(lv)等因素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)(kong)影響(xiang)規律的(de)(de)研(yan)究，鮮有(you)對(dui)雙(shuang)相(xiang)鋼(gang)(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)(kong)形(xing)(xing)成機理的(de)(de)報道(dao)。以(yi)(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼(gang)(gang)為例，氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)與(yu)溶解度的(de)(de)差值在(zai)整個(ge)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)的(de)(de)變化(hua)趨勢，如圖2-59所示。隨著凝(ning)固(gu)的(de)(de)進行(xing)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)始(shi)(shi)終大(da)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度，且差值呈現出快速增大(da)的(de)(de)趨勢。因此，在(zai)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼(gang)(gang)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析(xi)嚴重，殘余液相(xiang)內氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣泡形(xing)(xing)成趨勢較(jiao)大(da)，明顯(xian)高于(yu)19Cr14Mn0.9N含氮(dan)(dan)(dan)(dan)奧氏(shi)體(ti)(ti)不銹鋼(gang)(gang)。

  氮氣(qi)泡(pao)形(xing)成和長大具有重(zhong)要的(de)作用（圖2-60).其中，σ為氣(qi)液界面(mian)(mian)的(de)表面(mian)(mian)張力(li)，r為氣(qi)泡(pao)半徑。結合經典(dian)形(xing)核理(li)論，氮氣(qi)泡(pao)在鋼液中穩定(ding)存在的(de)必要條件(jian)為氣(qi)泡(pao)內壓力(li)大于作用于氣(qi)泡(pao)的(de)所有壓力(li)之和，即

  式中，Aso由(you)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中除氮以外其(qi)他合(he)金元素的微觀偏析進(jin)行計(ji)(ji)(ji)算，其(qi)值(zhi)隨著枝晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中氮溶解度的增(zeng)加(jia)而減小，表(biao)征(zheng)了枝晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中氮溶解度對(dui)氮氣泡(pao)形(xing)成的影響程(cheng)(cheng)度；Ase表(biao)征(zheng)了枝晶(jing)間氮偏析對(dui)氮氣泡(pao)形(xing)成的影響程(cheng)(cheng)度，可由(you)凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中枝晶(jing)間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)中氮偏析計(ji)(ji)(ji)算獲得，其(qi)值(zhi)隨著氮偏析的增(zeng)大而增(zeng)大。此(ci)外，用于計(ji)(ji)(ji)算Aso和Ase時所需的合(he)金元素偏析均(jun)由(you)鋼凝(ning)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)變所致(zhi)。

  氮氣(qi)泡(pao)的形(xing)核和(he)(he)長(chang)大過(guo)(guo)(guo)程(cheng)復雜(za)，且(qie)影(ying)響(xiang)(xiang)因(yin)(yin)素眾(zhong)多，包括凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)收縮(suo)、冶煉環境以及坩堝材質等(deng)。因(yin)(yin)此，很難采用Pg值精確預測凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)氮氣(qi)泡(pao)的形(xing)成和(he)(he)長(chang)大。然而基于Yang等(deng)的實驗研(yan)究［70,77],在評估(gu)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)壓(ya)力(li)、合金成分等(deng)因(yin)(yin)素對(dui)氮氣(qi)泡(pao)形(xing)成的影(ying)響(xiang)(xiang)程(cheng)度(du)時(shi)，Pg起關鍵作用。實際凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)介于平衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)（固(gu)(gu)(gu)／液相中(zhong)(zhong)溶(rong)質完全(quan)擴(kuo)散）和(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)（固(gu)(gu)(gu)相無溶(rong)質擴(kuo)散，液相中(zhong)(zhong)完全(quan)擴(kuo)散）之間70].因(yin)(yin)此，可分別計算平衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)和(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的Aso、Ase和(he)(he)Pg,闡明實際凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)壓(ya)力(li)等(deng)因(yin)(yin)素對(dui)氮氣(qi)泡(pao)形(xing)成的影(ying)響(xiang)(xiang)規律。

  現以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮雙相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠(ding)為例，對凝(ning)固過程中Aso、Ase和P8的變(bian)化趨勢進行計算。圖2-61描(miao)述了ΔAso(=Asa-Aso,0)和AAse(=Ase-Ase,o)隨固相(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)數的變(bian)化趨勢（Aso,0和Asc,0分(fen)別(bie)為D1鑄錠(ding)凝(ning)固時Aso和Ase的初始(shi)值(zhi)）。

  在(zai)平衡凝(ning)(ning)固(gu)和(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，ΔAso的(de)(de)最(zui)小值分(fen)別(bie)為(wei)－0.145和(he)(he)－0.397,與(yu)(yu)(yu)此相(xiang)對(dui)應的(de)(de)ΔAse值最(zui)大，分(fen)別(bie)為(wei)0.68和(he)(he)0.92.在(zai)整個凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，由于ΔAse與(yu)(yu)(yu)ΔAso之和(he)(he)始(shi)終大于零，因而枝晶(jing)間殘余液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)偏(pian)析對(dui)D1 鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡形(xing)成(cheng)的(de)(de)影響大于氮(dan)(dan)溶(rong)解度，起主導作用(yong)。此外(wai)(wai)，在(zai)整個凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，P8變化(hua)(hua)趨(qu)勢如圖2-62所示，其變化(hua)(hua)規(gui)律(lv)與(yu)(yu)(yu)Young等。的(de)(de)研究(jiu)結果一致，Pg的(de)(de)最(zui)大值Pg與(yu)(yu)(yu)Ase+Aso的(de)(de)最(zui)大值相(xiang)對(dui)應，且(qie)在(zai)平衡凝(ning)(ning)固(gu)和(he)(he) Scheil 凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)分(fen)別(bie)為(wei)0.63MPa和(he)(he)0.62MPa.此外(wai)(wai)，可通過(guo)對(dui)比不(bu)同(tong)鑄(zhu)錠(ding)中(zhong)(zhong)的(de)(de)探討凝(ning)(ning)固(gu)壓力、初始(shi)氮(dan)(dan)質量分(fen)數以(yi)及(ji)合金元素（鉻和(he)(he)錳）等對(dui)液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡形(xing)成(cheng)的(de)(de)影響，進而明晰各因素對(dui)氮(dan)(dan)氣(qi)孔形(xing)成(cheng)的(de)(de)影響規(gui)律(lv)。