一、固相(xiang)無擴(kuo)散和(he)完全擴(kuo)散效應

  含鉻鎳不(bu)銹鋼(gang)在凝固(gu)過(guo)程中(zhong)，根據元素(su)鉻和鎳當量濃度比凝固(gu)模式(shi)可分為以下四類。

  在(zai)平衡和Scheil凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)(sui)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)(de)變(bian)化趨勢完全一致。以D1為(wei)例，對平衡凝(ning)(ning)固(gu)而(er)言［圖(tu)2-51(a)],貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)不斷形成［78],導致氮(dan)(dan)(dan)在(zai)殘(can)(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)大量(liang)(liang)富集(ji)(ji)，［％N]iq快(kuai)速(su)增大，直到固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分數達(da)到0.96左(zuo)右(you)。隨(sui)(sui)后，富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和AIN)持續形成，由于富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)平衡分配(pei)系(xi)數和溶(rong)解度(du)均大于貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致使(shi)［％N]iq的(de)(de)增長速(su)率陡降，致使(shi)［％N]iq在(zai)隨(sui)(sui)后的(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)幾(ji)乎保持不變(bian)。氮(dan)(dan)(dan)、鎳(nie)和錳一起富集(ji)(ji)在(zai)富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)中(zhong)，且富氮(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)(liang)分數明顯大于貧氮(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差(cha)值可達(da)0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，［％N]1iq變(bian)化規(gui)律如圖(tu)2-51(b)所(suo)示(shi)，當固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分數小(xiao)于0.97時，［％N]iq隨(sui)(sui)著固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)(de)增加而(er)快(kuai)速(su)增大，隨(sui)(sui)后［％N]iq增長速(su)率陡降，同時［％N]iiq也隨(sui)(sui)之發(fa)生斷裂(lie)式下降，明顯區別(bie)于平衡凝(ning)(ning)固(gu)。與(yu)平衡凝(ning)(ning)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，由于Scheil凝(ning)(ning)固(gu)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無(wu)擴散，導致氮(dan)(dan)(dan)、錳、鉻和鉬在(zai)殘(can)(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)富集(ji)(ji)程(cheng)(cheng)(cheng)度(du)明顯大于其在(zai)平衡凝(ning)(ning)固(gu)中(zhong)的(de)(de)富集(ji)(ji)（圖(tu)2-52),促進了氮(dan)(dan)(dan)化物［密排六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)形成，進而(er)致使(shi)［％N]iq發(fa)生斷裂(lie)式下降［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固過程中(zhong)相(xiang)的(de)種類以及成(cheng)分對殘(can)余(yu)液相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)偏析有(you)至關重(zhong)要的(de)影響。富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)（奧(ao)(ao)氏體相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)持續形(xing)(xing)成(cheng)，減(jian)小了枝(zhi)晶干與枝(zhi)晶間殘(can)余(yu)液相(xiang)之間氮(dan)(dan)(dan)質量分數的(de)差距，進(jin)而減(jian)輕了枝(zhi)晶間殘(can)余(yu)液相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)偏析，有(you)助于(yu)避免(mian)鋼液中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡大(da)范圍地形(xing)(xing)成(cheng)和長大(da)，與Makaya等(deng)的(de)研究一致。因此(ci)，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)（奧(ao)(ao)氏體相(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)）的(de)形(xing)(xing)成(cheng)有(you)利于(yu)抑制鋼中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)形(xing)(xing)成(cheng)。

二(er)、固(gu)相反擴散效應

  碳、氮等間隙(xi)原子，其固(gu)(gu)相擴散系數較大，其實際微觀偏(pian)析(xi)程度處(chu)于(yu)固(gu)(gu)相無擴散和固(gu)(gu)相完全(quan)擴散條件(jian)元素(su)偏(pian)析(xi)之(zhi)間，為了更好地貼(tie)合實際情況，基于(yu)C-K模(mo)型(xing)，可做以下假設，建立一種適合高氮鋼凝(ning)固(gu)(gu)溶質再分配的模(mo)型(xing)。

（1)Fe-N相(xiang)圖的液(ye)相(xiang)線(xian)和(he)固相(xiang)線(xian)是直線(xian)。

（2)液相完全擴(kuo)散，固相不完全擴(kuo)散。

（3)固(gu)－液界面的推進速度呈拋物(wu)線狀。

（4)溶質元素在(zai)固相中的擴散存在(zai)邊界(jie)層(ceng)。

（5)溶質橫向分布均勻。

（6)忽略其他元素的(de)偏析。

（7)不(bu)考慮凝(ning)固(gu)過程中氮(dan)析出(chu)的損失。

高氮鋼在凝(ning)(ning)(ning)固過程(cheng)中，隨(sui)著凝(ning)(ning)(ning)固的進(jin)行，凝(ning)(ning)(ning)固界面固相氮濃度可(ke)表示為

  從(cong)圖中可以看出，隨著凝(ning)固(gu)的(de)進(jin)行(xing)(xing)，氮濃度逐(zhu)漸(jian)增大，且固(gu)相率越(yue)大時(shi)，氮濃度增加得越(yue)快。當(dang)前沿(yan)氮濃度超過其飽和(he)(he)值時(shi)，便會有氮氣泡析(xi)出的(de)可能(neng)。從(cong)微(wei)觀偏(pian)析(xi)方程（2-114)可以看出，影響微(wei)觀偏(pian)析(xi)的(de)因素只有凝(ning)固(gu)參(can)數(shu)α和(he)(he)偏(pian)析(xi)參(can)數(shu)k,下(xia)面就這兩方面進(jin)行(xing)(xing)討(tao)論分析(xi)。

 1. 凝固參數α

  由凝(ning)固(gu)參數的表(biao)達(da)式可以(yi)看(kan)出，a值的大小(xiao)(xiao)與(yu)氮(dan)在(zai)(zai)該鋼(gang)中的固(gu)相擴散系數、鋼(gang)的固(gu)相線溫度(du)、液(ye)相線溫度(du)及冷卻強度(du)有關。對于特定的鋼(gang)種，α值是在(zai)(zai)一(yi)定范圍的。如高(gao)氮(dan)鋼(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰(yin)影分），偏析(xi)程度(du)Dp可以(yi)達(da)到5%,α越小(xiao)(xiao)，偏析(xi)越嚴重(zhong)，在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)鋼(gang)熔煉過程中應該盡量避免氮(dan)偏析(xi)。但對于修正(zheng)后的α,α值的變化對偏析(xi)程度(du)影響較小(xiao)(xiao)。

 2. 分配系數k

  分(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)表達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝固過程中(zhong)(zhong)(zhong)固相(xiang)(xiang)濃(nong)度與液相(xiang)(xiang)濃(nong)度的(de)(de)(de)比值。它是(shi)表征元(yuan)素(su)(su)是(shi)否易(yi)偏析的(de)(de)(de)參(can)數(shu)。碳(tan)、硫、磷(lin)等都是(shi)非常容易(yi)偏析的(de)(de)(de)元(yuan)素(su)(su)，且這些元(yuan)素(su)(su)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)固相(xiang)(xiang)（如8-Fe相(xiang)(xiang)、奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)）中(zhong)(zhong)(zhong)偏析系(xi)(xi)數(shu)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)。對于(yu)要(yao)研究(jiu)的(de)(de)(de)氮元(yuan)素(su)(su)，它在(zai)奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)偏析系(xi)(xi)數(shu)要(yao)大于(yu)在(zai)鐵素(su)(su)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)偏析系(xi)(xi)數(shu)，氮在(zai)鐵素(su)(su)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般取(qu)0.38,在(zai)奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)一般取(qu)0.48,分(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)越(yue)小，偏析程度越(yue)嚴(yan)重。另(ling)外，分(fen)配(pei)系(xi)(xi)數(shu)還(huan)與凝固條件（如凝固速率、擴(kuo)散(san)邊界層(ceng)厚度）等相(xiang)(xiang)關。