一、固相(xiang)無擴散和完全擴散效應

  含鉻(ge)鎳(nie)不(bu)銹鋼在凝(ning)固過程中，根據元素鉻(ge)和鎳(nie)當量濃(nong)度比(bi)凝(ning)固模式可分為以下四類。

  在(zai)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)過程中，D1~D5鑄錠內(nei)，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)變(bian)化趨(qu)勢完全一(yi)致(zhi)。以D1為例(li)，對平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)而言［圖(tu)2-51(a)],貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（鐵素體(ti)相(xiang)(xiang)δ)的(de)不(bu)斷形成(cheng)［78],導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)殘余液相(xiang)(xiang)中大(da)(da)量(liang)(liang)富集，［％N]iq快速增大(da)(da)，直到固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)達到0.96左右(you)。隨(sui)后，富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)γ和(he)AIN)持續形成(cheng)，由于(yu)富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)的(de)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)(shu)和(he)溶(rong)解度均大(da)(da)于(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)使［％N]iq的(de)增長(chang)速率(lv)陡降(jiang)，致(zhi)使［％N]iq在(zai)隨(sui)后的(de)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)過程中幾(ji)乎(hu)保(bao)持不(bu)變(bian)。氮(dan)(dan)(dan)、鎳和(he)錳一(yi)起富集在(zai)富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中，且富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)γ奧氏體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)明(ming)顯大(da)(da)于(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)鐵素體(ti)相(xiang)(xiang)δ,差值(zhi)可達0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)過程中，［％N]1iq變(bian)化規律(lv)如圖(tu)2-51(b)所示，當固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)小于(yu)0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)增加而快速增大(da)(da)，隨(sui)后［％N]iq增長(chang)速率(lv)陡降(jiang)，同(tong)時(shi)［％N]iiq也隨(sui)之(zhi)發生(sheng)斷裂(lie)式下降(jiang)，明(ming)顯區別于(yu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)。與平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)比，由于(yu)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)無擴散，導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)、錳、鉻和(he)鉬在(zai)殘余液相(xiang)(xiang)中的(de)富集程度明(ming)顯大(da)(da)于(yu)其在(zai)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)中的(de)富集（圖(tu)2-52),促進(jin)了氮(dan)(dan)(dan)化物(wu)［密排六(liu)方（hcp)相(xiang)(xiang)］的(de)形成(cheng)，進(jin)而致(zhi)使［％N]iq發生(sheng)斷裂(lie)式下降(jiang)［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固過程中相(xiang)(xiang)(xiang)的種類以及成(cheng)分(fen)對殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)偏析有(you)至關重要的影響(xiang)。富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的持續形成(cheng)，減小了枝晶干與(yu)枝晶間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)之間氮(dan)(dan)質量分(fen)數的差(cha)距，進而減輕了枝晶間殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)偏析，有(you)助于避免(mian)鋼(gang)液(ye)中氮(dan)(dan)氣泡(pao)大范圍(wei)地形成(cheng)和(he)長(chang)大，與(yu)Makaya等(deng)的研究一致。因此(ci)，富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）的形成(cheng)有(you)利于抑制鋼(gang)中氮(dan)(dan)氣孔的形成(cheng)。

二(er)、固相反擴散(san)效(xiao)應

  碳(tan)、氮等間隙原子，其固(gu)(gu)相(xiang)擴散系數較大，其實(shi)際(ji)微(wei)觀偏析(xi)程度(du)處(chu)于(yu)固(gu)(gu)相(xiang)無擴散和(he)固(gu)(gu)相(xiang)完(wan)全擴散條件元素偏析(xi)之間，為(wei)了更好地貼(tie)合(he)實(shi)際(ji)情況，基于(yu)C-K模型，可(ke)做以下(xia)假設，建立(li)一(yi)種適合(he)高(gao)氮鋼凝(ning)固(gu)(gu)溶質再分配的模型。

（1)Fe-N相(xiang)圖(tu)的液相(xiang)線(xian)和(he)固(gu)相(xiang)線(xian)是直線(xian)。

（2)液相完全擴散，固相不(bu)完全擴散。

（3)固(gu)－液界面的(de)推進速度呈拋(pao)物線狀。

（4)溶質元素在固相中的擴(kuo)散存在邊界層(ceng)。

（5)溶質橫向分(fen)布(bu)均勻。

（6)忽略其他元(yuan)素的偏析。

（7)不考(kao)慮凝固過程(cheng)中氮(dan)析出的損失。

高氮鋼在凝固(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，隨著凝固(gu)的進行，凝固(gu)界面固(gu)相氮濃度可表示為(wei)

  從圖中可以看(kan)出，隨著(zhu)凝固(gu)的進行(xing)，氮濃度(du)逐漸增大，且固(gu)相率越大時，氮濃度(du)增加得(de)越快。當前沿(yan)氮濃度(du)超過其飽(bao)和值時，便會有(you)氮氣泡析(xi)出的可能。從微(wei)觀偏(pian)析(xi)方(fang)程（2-114)可以看(kan)出，影響微(wei)觀偏(pian)析(xi)的因素只有(you)凝固(gu)參數α和偏(pian)析(xi)參數k,下面就(jiu)這兩方(fang)面進行(xing)討(tao)論分析(xi)。

 1. 凝固參數α

  由凝固參數的(de)(de)表達式可以看出，a值(zhi)的(de)(de)大小與氮在(zai)該(gai)鋼(gang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)固相(xiang)(xiang)(xiang)擴散系(xi)數、鋼(gang)的(de)(de)固相(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)(du)、液相(xiang)(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)(du)及(ji)冷卻(que)強度(du)(du)有關(guan)。對(dui)于(yu)特定(ding)的(de)(de)鋼(gang)種，α值(zhi)是在(zai)一定(ding)范圍的(de)(de)。如高氮鋼(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰影分），偏(pian)(pian)析程度(du)(du)Dp可以達到5%,α越小，偏(pian)(pian)析越嚴重，在(zai)高氮鋼(gang)熔煉過程中(zhong)(zhong)應該(gai)盡量避免氮偏(pian)(pian)析。但對(dui)于(yu)修正后的(de)(de)α,α值(zhi)的(de)(de)變化對(dui)偏(pian)(pian)析程度(du)(du)影響較小。

 2. 分配系(xi)數(shu)k

  分(fen)配系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)表達式(shi)是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝固(gu)過程中固(gu)相(xiang)濃(nong)度(du)與液相(xiang)濃(nong)度(du)的(de)(de)(de)比值。它是(shi)表征元素(su)(su)是(shi)否易(yi)偏析(xi)的(de)(de)(de)參數(shu)(shu)。碳(tan)、硫、磷(lin)等都是(shi)非(fei)常容易(yi)偏析(xi)的(de)(de)(de)元素(su)(su)，且這些元素(su)(su)在(zai)不同的(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)（如8-Fe相(xiang)、奧氏(shi)體(ti)相(xiang)）中偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)是(shi)不同的(de)(de)(de)。對于要研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)氮元素(su)(su)，它在(zai)奧氏(shi)體(ti)中的(de)(de)(de)偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)要大于在(zai)鐵(tie)素(su)(su)體(ti)中的(de)(de)(de)偏析(xi)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)，氮在(zai)鐵(tie)素(su)(su)體(ti)中的(de)(de)(de)分(fen)配系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)一(yi)般(ban)(ban)取0.38,在(zai)奧氏(shi)體(ti)中的(de)(de)(de)分(fen)配系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)一(yi)般(ban)(ban)取0.48,分(fen)配系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)越(yue)小，偏析(xi)程度(du)越(yue)嚴重。另外，分(fen)配系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)還與凝固(gu)條件（如凝固(gu)速(su)率(lv)、擴(kuo)散邊界層厚(hou)度(du)）等相(xiang)關。