一(yi)、固相無擴散(san)和完全擴散(san)效應

  含鉻鎳(nie)不銹鋼在凝固(gu)過程中，根據元素鉻和鎳(nie)當量濃(nong)度比凝固(gu)模(mo)式可(ke)分為以下四類。

  在(zai)(zai)(zai)平(ping)(ping)衡和(he)Scheil凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中，D1~D5鑄錠(ding)內(nei)，［％N]uiq隨(sui)(sui)(sui)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)趨(qu)勢完全一致(zhi)(zhi)。以D1為(wei)例(li)，對平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)而言(yan)［圖2-51(a)],貧氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)(de)(de)不斷形成(cheng)［78],導(dao)致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)在(zai)(zai)(zai)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中大(da)量富(fu)(fu)集(ji)，［％N]iq快(kuai)速(su)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，直(zhi)到(dao)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)達(da)到(dao)0.96左右。隨(sui)(sui)(sui)后，富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持(chi)續形成(cheng)，由(you)于富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)衡分(fen)配系數(shu)(shu)和(he)溶解(jie)度均大(da)于貧氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)使［％N]iq的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)長速(su)率陡降(jiang)，致(zhi)(zhi)使［％N]iq在(zai)(zai)(zai)隨(sui)(sui)(sui)后的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中幾乎(hu)保持(chi)不變(bian)。氮(dan)(dan)、鎳(nie)和(he)錳一起富(fu)(fu)集(ji)在(zai)(zai)(zai)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體(ti)中，且富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體(ti)中氮(dan)(dan)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)明顯(xian)(xian)大(da)于貧氮(dan)(dan)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)δ,差值可達(da)0.28%.在(zai)(zai)(zai)Scheil凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過程(cheng)中，［％N]1iq變(bian)化(hua)規(gui)律如(ru)圖2-51(b)所(suo)示，當固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)小于0.97時，［％N]iq隨(sui)(sui)(sui)著固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加而快(kuai)速(su)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，隨(sui)(sui)(sui)后［％N]iq增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)長速(su)率陡降(jiang)，同(tong)時［％N]iiq也(ye)隨(sui)(sui)(sui)之發(fa)(fa)生斷裂(lie)式(shi)下降(jiang)，明顯(xian)(xian)區別于平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)。與平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)比，由(you)于Scheil凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)無(wu)擴散，導(dao)致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)、錳、鉻和(he)鉬在(zai)(zai)(zai)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)程(cheng)度明顯(xian)(xian)大(da)于其在(zai)(zai)(zai)平(ping)(ping)衡凝(ning)(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)中的(de)(de)(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)（圖2-52),促進了氮(dan)(dan)化(hua)物(wu)［密(mi)排六方（hcp)相(xiang)(xiang)］的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)，進而致(zhi)(zhi)使［％N]iq發(fa)(fa)生斷裂(lie)式(shi)下降(jiang)［圖2-51(b)]。

  凝固過程中(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)種類以及成(cheng)分(fen)(fen)對殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮偏析(xi)有(you)(you)至關重要的(de)(de)影響。富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)(de)持續形成(cheng)，減小了枝晶(jing)(jing)干與(yu)枝晶(jing)(jing)間殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)之間氮質量分(fen)(fen)數的(de)(de)差距，進而(er)減輕了枝晶(jing)(jing)間殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮偏析(xi)，有(you)(you)助于避免鋼(gang)液中(zhong)氮氣泡大范(fan)圍地形成(cheng)和(he)長大，與(yu)Makaya等的(de)(de)研究一致。因此，富(fu)氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)(de)形成(cheng)有(you)(you)利于抑(yi)制鋼(gang)中(zhong)氮氣孔的(de)(de)形成(cheng)。

二(er)、固相反(fan)擴散效應(ying)

  碳、氮等間隙原子，其(qi)固相(xiang)擴(kuo)散系(xi)數較大，其(qi)實際(ji)微觀(guan)偏析程度處于固相(xiang)無擴(kuo)散和固相(xiang)完全擴(kuo)散條件(jian)元素偏析之間，為(wei)了更好地貼合實際(ji)情況(kuang)，基于C-K模型，可做以下假設，建立一種適(shi)合高氮鋼凝固溶質(zhi)再分配的模型。

（1)Fe-N相圖的(de)液相線(xian)和固相線(xian)是直(zhi)線(xian)。

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

（3)固－液界面的(de)推進速度呈拋物線狀。

（4)溶質元素在固相中的擴(kuo)散存(cun)在邊界層。

（5)溶質橫向(xiang)分布均(jun)勻。

（6)忽略(lve)其他(ta)元素的(de)偏析。

（7)不(bu)考慮凝固過(guo)程中氮析出的損(sun)失。

高氮鋼在(zai)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中，隨著凝(ning)固(gu)的(de)進行，凝(ning)固(gu)界面固(gu)相氮濃度可表示為

  從圖中(zhong)可(ke)以看(kan)出，隨著凝(ning)固的(de)進行(xing)，氮(dan)濃度逐漸增大(da)，且固相率越(yue)大(da)時，氮(dan)濃度增加(jia)得越(yue)快。當前(qian)沿(yan)氮(dan)濃度超過其(qi)飽和值(zhi)時，便會有氮(dan)氣泡析(xi)出的(de)可(ke)能(neng)。從微觀偏(pian)析(xi)方程（2-114)可(ke)以看(kan)出，影響微觀偏(pian)析(xi)的(de)因素只有凝(ning)固參數α和偏(pian)析(xi)參數k,下面就這(zhe)兩方面進行(xing)討論分析(xi)。

 1. 凝(ning)固(gu)參(can)數α

  由凝固(gu)參數的表達式(shi)可以看出，a值(zhi)的大小(xiao)(xiao)與(yu)氮(dan)在該鋼(gang)中的固(gu)相擴散系(xi)數、鋼(gang)的固(gu)相線溫度(du)、液(ye)相線溫度(du)及冷卻(que)強度(du)有關。對(dui)于(yu)特(te)定的鋼(gang)種，α值(zhi)是在一定范圍的。如高氮(dan)鋼(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影(ying)分），偏(pian)(pian)析程(cheng)度(du)Dp可以達到5%,α越小(xiao)(xiao)，偏(pian)(pian)析越嚴(yan)重(zhong)，在高氮(dan)鋼(gang)熔煉過程(cheng)中應該盡量(liang)避免(mian)氮(dan)偏(pian)(pian)析。但對(dui)于(yu)修正后的α,α值(zhi)的變化對(dui)偏(pian)(pian)析程(cheng)度(du)影(ying)響較(jiao)小(xiao)(xiao)。

 2. 分配系數k

  分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)表達式(shi)是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)濃度(du)與(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)濃度(du)的(de)比值。它是(shi)表征元(yuan)素(su)是(shi)否易(yi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)參數(shu)。碳(tan)、硫、磷等(deng)都是(shi)非常容易(yi)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)的(de)元(yuan)素(su)，且這些元(yuan)素(su)在(zai)不(bu)同的(de)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)（如8-Fe相(xiang)(xiang)(xiang)、奧(ao)氏(shi)(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)）中(zhong)(zhong)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)是(shi)不(bu)同的(de)。對于(yu)要研究的(de)氮元(yuan)素(su)，它在(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體中(zhong)(zhong)的(de)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)要大于(yu)在(zai)鐵素(su)體中(zhong)(zhong)的(de)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)，氮在(zai)鐵素(su)體中(zhong)(zhong)的(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)一般取0.38,在(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體中(zhong)(zhong)的(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)一般取0.48,分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)越小，偏(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)度(du)越嚴重。另外，分(fen)配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)還(huan)與(yu)凝(ning)固(gu)條件（如凝(ning)固(gu)速率、擴(kuo)散邊界(jie)層厚度(du)）等(deng)相(xiang)(xiang)(xiang)關。