一、固(gu)相無擴散和完全擴散效應

  含鉻(ge)鎳不(bu)銹(xiu)鋼在(zai)凝固(gu)過(guo)程中，根據元(yuan)素(su)鉻(ge)和鎳當量濃(nong)度比凝固(gu)模式可分(fen)為以下四類。

  在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)和Scheil凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)，D1~D5鑄錠(ding)內，［％N]uiq隨固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數的變化趨勢完(wan)全一致。以D1為例，對平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)而(er)言(yan)［圖(tu)2-51(a)],貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)素體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的不斷形(xing)成［78],導致氮(dan)(dan)(dan)在(zai)(zai)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)大(da)量(liang)富(fu)(fu)(fu)集，［％N]iq快(kuai)速(su)(su)增(zeng)大(da)，直(zhi)到(dao)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數達到(dao)0.96左右。隨后(hou)，富(fu)(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和AIN)持(chi)續形(xing)成，由于(yu)富(fu)(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數和溶(rong)解度(du)均大(da)于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致使(shi)(shi)［％N]iq的增(zeng)長速(su)(su)率陡降，致使(shi)(shi)［％N]iq在(zai)(zai)隨后(hou)的凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)幾乎保持(chi)不變。氮(dan)(dan)(dan)、鎳和錳(meng)一起富(fu)(fu)(fu)集在(zai)(zai)富(fu)(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)中(zhong)，且(qie)富(fu)(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數明(ming)顯大(da)于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值(zhi)可達0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)過程中(zhong)，［％N]1iq變化規律如圖(tu)2-51(b)所示，當(dang)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數小于(yu)0.97時，［％N]iq隨著固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數的增(zeng)加而(er)快(kuai)速(su)(su)增(zeng)大(da)，隨后(hou)［％N]iq增(zeng)長速(su)(su)率陡降，同時［％N]iiq也隨之發生(sheng)斷裂(lie)式(shi)下降，明(ming)顯區別于(yu)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)。與平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，由于(yu)Scheil凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無擴散(san)，導致氮(dan)(dan)(dan)、錳(meng)、鉻和鉬(mu)在(zai)(zai)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的富(fu)(fu)(fu)集程度(du)明(ming)顯大(da)于(yu)其在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)(ning)(ning)固(gu)中(zhong)的富(fu)(fu)(fu)集（圖(tu)2-52),促進(jin)了氮(dan)(dan)(dan)化物［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的形(xing)成，進(jin)而(er)致使(shi)(shi)［％N]iq發生(sheng)斷裂(lie)式(shi)下降［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固過程(cheng)中相(xiang)的(de)種類以及(ji)成(cheng)分(fen)對殘(can)余(yu)液相(xiang)中氮偏(pian)(pian)析(xi)有(you)至(zhi)關重要的(de)影響(xiang)。富氮相(xiang)（奧(ao)氏體(ti)相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)持續形(xing)(xing)成(cheng)，減(jian)小了(le)枝(zhi)(zhi)晶干與(yu)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)殘(can)余(yu)液相(xiang)之(zhi)間(jian)氮質量分(fen)數的(de)差距(ju)，進而減(jian)輕了(le)枝(zhi)(zhi)晶間(jian)殘(can)余(yu)液相(xiang)中氮偏(pian)(pian)析(xi)，有(you)助于避免鋼(gang)液中氮氣泡(pao)大(da)范(fan)圍地形(xing)(xing)成(cheng)和長大(da)，與(yu)Makaya等(deng)的(de)研究(jiu)一(yi)致。因此，富氮相(xiang)（奧(ao)氏體(ti)相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)形(xing)(xing)成(cheng)有(you)利于抑制鋼(gang)中氮氣孔的(de)形(xing)(xing)成(cheng)。

二、固相反擴散效應

  碳、氮等間隙原子，其(qi)固(gu)(gu)相擴(kuo)散系(xi)數較大，其(qi)實際(ji)微觀偏析(xi)程(cheng)度處于固(gu)(gu)相無擴(kuo)散和(he)固(gu)(gu)相完全擴(kuo)散條件元素偏析(xi)之間，為了更好地(di)貼合實際(ji)情況，基于C-K模型，可做以下假設，建立(li)一種適合高(gao)氮鋼凝固(gu)(gu)溶質再分(fen)配的模型。

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

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

（3)固－液界(jie)面的推進速度(du)呈拋物線狀(zhuang)。

（4)溶質元素在(zai)固相中(zhong)的擴(kuo)散存(cun)在(zai)邊(bian)界(jie)層。

（5)溶質(zhi)橫(heng)向分布(bu)均勻。

（6)忽略其他元素的(de)偏析。

（7)不考慮凝固過程中氮析出的損失。

高氮鋼在(zai)凝(ning)固過程中，隨著凝(ning)固的進行，凝(ning)固界面固相(xiang)氮濃(nong)度(du)可(ke)表示為

  從圖中可以(yi)看出，隨著凝(ning)固的(de)進行(xing)，氮(dan)(dan)濃(nong)度逐漸(jian)增大，且固相率越(yue)大時(shi)，氮(dan)(dan)濃(nong)度增加得越(yue)快。當前沿氮(dan)(dan)濃(nong)度超(chao)過其飽和(he)值時(shi)，便會有氮(dan)(dan)氣泡析(xi)出的(de)可能。從微觀偏析(xi)方程(cheng)（2-114)可以(yi)看出，影響微觀偏析(xi)的(de)因素只(zhi)有凝(ning)固參數(shu)α和(he)偏析(xi)參數(shu)k,下面就這兩方面進行(xing)討(tao)論分析(xi)。

 1. 凝固參數α

  由凝固(gu)參數的(de)表達(da)(da)式(shi)可以看出，a值(zhi)的(de)大小與氮在(zai)該鋼(gang)中的(de)固(gu)相擴散系數、鋼(gang)的(de)固(gu)相線溫度(du)(du)、液相線溫度(du)(du)及冷卻強度(du)(du)有(you)關。對(dui)于(yu)特(te)定的(de)鋼(gang)種(zhong)，α值(zhi)是在(zai)一定范圍的(de)。如高氮鋼(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰(yin)影分），偏(pian)析程(cheng)度(du)(du)Dp可以達(da)(da)到5%,α越小，偏(pian)析越嚴重，在(zai)高氮鋼(gang)熔(rong)煉過程(cheng)中應該盡量避免氮偏(pian)析。但對(dui)于(yu)修正后的(de)α,α值(zhi)的(de)變(bian)化(hua)對(dui)偏(pian)析程(cheng)度(du)(du)影響較小。

 2. 分配系數k

  分配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的表(biao)達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝固(gu)過程中(zhong)固(gu)相濃度(du)與液相濃度(du)的比值。它是(shi)表(biao)征元素(su)(su)是(shi)否易偏析(xi)(xi)(xi)的參(can)數(shu)(shu)(shu)(shu)。碳、硫(liu)、磷(lin)等(deng)都是(shi)非常容易偏析(xi)(xi)(xi)的元素(su)(su)，且這些元素(su)(su)在不同的固(gu)相（如(ru)8-Fe相、奧(ao)氏體(ti)相）中(zhong)偏析(xi)(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)是(shi)不同的。對(dui)于(yu)(yu)要(yao)研究的氮元素(su)(su)，它在奧(ao)氏體(ti)中(zhong)的偏析(xi)(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)要(yao)大于(yu)(yu)在鐵素(su)(su)體(ti)中(zhong)的偏析(xi)(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，氮在鐵素(su)(su)體(ti)中(zhong)的分配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)一般取(qu)0.38,在奧(ao)氏體(ti)中(zhong)的分配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)一般取(qu)0.48,分配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)越小，偏析(xi)(xi)(xi)程度(du)越嚴(yan)重(zhong)。另外，分配(pei)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)還與凝固(gu)條件(jian)（如(ru)凝固(gu)速率、擴散邊界層厚度(du)）等(deng)相關。