一、固(gu)相無擴散和完全擴散效應

  含鉻鎳不銹鋼在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)，根據元素鉻和(he)鎳當量濃(nong)度(du)比凝(ning)固模式可分為以(yi)下四(si)類。

  在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)和(he)(he)Scheil凝(ning)固(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)變化趨(qu)勢完(wan)全一(yi)致(zhi)(zhi)。以(yi)D1為例，對平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)而(er)(er)(er)言(yan)［圖2-51(a)],貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷形成(cheng)［78],導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)大(da)(da)量(liang)富(fu)集(ji)(ji)，［％N]iq快(kuai)速(su)(su)(su)增(zeng)大(da)(da)，直(zhi)到固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數(shu)達到0.96左右。隨(sui)后，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)AIN)持續形成(cheng)，由于(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)和(he)(he)溶解度均大(da)(da)于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq的(de)(de)(de)(de)增(zeng)長(chang)速(su)(su)(su)率陡(dou)降，致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq在(zai)(zai)隨(sui)后的(de)(de)(de)(de)凝(ning)固(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)幾乎(hu)保持不(bu)變。氮(dan)(dan)(dan)、鎳和(he)(he)錳(meng)(meng)一(yi)起富(fu)集(ji)(ji)在(zai)(zai)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體中(zhong)，且富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數(shu)明顯(xian)大(da)(da)于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)鐵素體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值可達0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝(ning)固(gu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)，［％N]1iq變化規(gui)律如圖2-51(b)所示(shi)，當固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數(shu)小于(yu)0.97時，［％N]iq隨(sui)著固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)(er)(er)快(kuai)速(su)(su)(su)增(zeng)大(da)(da)，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)長(chang)速(su)(su)(su)率陡(dou)降，同(tong)時［％N]iiq也隨(sui)之發生斷裂式下降，明顯(xian)區別于(yu)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)。與平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，由于(yu)Scheil凝(ning)固(gu)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無擴(kuo)散，導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)(dan)、錳(meng)(meng)、鉻(ge)和(he)(he)鉬在(zai)(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集(ji)(ji)程(cheng)(cheng)度明顯(xian)大(da)(da)于(yu)其在(zai)(zai)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集(ji)(ji)（圖2-52),促進(jin)了(le)氮(dan)(dan)(dan)化物［密排(pai)六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)，進(jin)而(er)(er)(er)致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq發生斷裂式下降［圖2-51(b)]。

  凝固過程中(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)種類以(yi)及成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)對殘(can)余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析有至(zhi)關重要的(de)(de)影(ying)響(xiang)。富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)(de)持續形成(cheng)(cheng)，減小了(le)枝(zhi)晶(jing)干與枝(zhi)晶(jing)間殘(can)余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)之間氮(dan)(dan)質量分(fen)(fen)數的(de)(de)差(cha)距，進而減輕了(le)枝(zhi)晶(jing)間殘(can)余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析，有助于避免鋼(gang)液中(zhong)氮(dan)(dan)氣泡大范圍地形成(cheng)(cheng)和長大，與Makaya等的(de)(de)研究一致。因此，富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)(de)形成(cheng)(cheng)有利于抑制鋼(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣孔的(de)(de)形成(cheng)(cheng)。

二、固相(xiang)反擴散效應

  碳、氮等間隙原子，其(qi)固相擴(kuo)散(san)系數較大，其(qi)實際微觀偏(pian)(pian)析程度處于固相無(wu)擴(kuo)散(san)和固相完(wan)全擴(kuo)散(san)條(tiao)件元素偏(pian)(pian)析之間，為了更好地貼(tie)合實際情況(kuang)，基于C-K模型，可做以下假設，建立一種適合高氮鋼凝固溶(rong)質(zhi)再(zai)分配(pei)的(de)模型。

（1)Fe-N相圖的液相線(xian)和固相線(xian)是直線(xian)。

（2)液相完(wan)全(quan)擴散，固相不(bu)完(wan)全(quan)擴散。

（3)固－液界(jie)面(mian)的推進速度呈拋物(wu)線狀。

（4)溶(rong)質元素在固(gu)相(xiang)中的擴散存在邊界層。

（5)溶質(zhi)橫向分布均勻。

（6)忽略(lve)其(qi)他元素的偏析。

（7)不(bu)考慮凝固過(guo)程中氮(dan)析出的損失。

高氮鋼在(zai)凝固過程(cheng)中，隨著凝固的進行，凝固界面固相氮濃度可表示為

  從圖中可(ke)以看(kan)出(chu)(chu)，隨(sui)著凝(ning)固(gu)的進(jin)行(xing)，氮(dan)濃(nong)(nong)度逐漸增(zeng)大，且固(gu)相率越大時(shi)，氮(dan)濃(nong)(nong)度增(zeng)加得越快。當(dang)前沿氮(dan)濃(nong)(nong)度超過其飽和值時(shi)，便會有氮(dan)氣泡析出(chu)(chu)的可(ke)能。從微(wei)觀偏(pian)析方(fang)程（2-114)可(ke)以看(kan)出(chu)(chu)，影響微(wei)觀偏(pian)析的因素只有凝(ning)固(gu)參(can)數α和偏(pian)析參(can)數k,下面(mian)就這(zhe)兩方(fang)面(mian)進(jin)行(xing)討論分析。

 1. 凝固參數α

  由凝(ning)固參數(shu)(shu)的(de)表達式可(ke)以看(kan)出，a值的(de)大小(xiao)(xiao)與氮(dan)在該(gai)鋼中的(de)固相(xiang)擴散系數(shu)(shu)、鋼的(de)固相(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)、液相(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)及(ji)冷卻強(qiang)度(du)有(you)關。對于特(te)定的(de)鋼種(zhong)，α值是在一定范圍的(de)。如高(gao)氮(dan)鋼，α為2~3[82](圖2-54陰影分），偏析程(cheng)度(du)Dp可(ke)以達到5%,α越小(xiao)(xiao)，偏析越嚴重，在高(gao)氮(dan)鋼熔煉過程(cheng)中應該(gai)盡量避免氮(dan)偏析。但對于修(xiu)正后的(de)α,α值的(de)變化對偏析程(cheng)度(du)影響較小(xiao)(xiao)。

 2. 分配系(xi)數(shu)k

  分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)表達(da)式(shi)是k=Cs/C,是凝固(gu)過程中固(gu)相(xiang)濃(nong)度與(yu)液相(xiang)濃(nong)度的(de)(de)(de)比值。它是表征元(yuan)素(su)(su)是否易偏(pian)(pian)析(xi)的(de)(de)(de)參數(shu)(shu)(shu)(shu)。碳、硫(liu)、磷等都是非常容(rong)易偏(pian)(pian)析(xi)的(de)(de)(de)元(yuan)素(su)(su)，且這些元(yuan)素(su)(su)在(zai)不同的(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)（如8-Fe相(xiang)、奧氏(shi)體相(xiang)）中偏(pian)(pian)析(xi)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)是不同的(de)(de)(de)。對于要(yao)研究的(de)(de)(de)氮元(yuan)素(su)(su)，它在(zai)奧氏(shi)體中的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)析(xi)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)要(yao)大于在(zai)鐵素(su)(su)體中的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)析(xi)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，氮在(zai)鐵素(su)(su)體中的(de)(de)(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)一般取0.38,在(zai)奧氏(shi)體中的(de)(de)(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)一般取0.48,分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)越小，偏(pian)(pian)析(xi)程度越嚴(yan)重。另外，分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)還與(yu)凝固(gu)條件（如凝固(gu)速率、擴散邊界(jie)層厚度）等相(xiang)關。