一、固相無擴散和完全擴散效應(ying)

  含鉻鎳(nie)不銹鋼在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過程中，根據(ju)元素鉻和鎳(nie)當量(liang)濃(nong)度比凝(ning)固(gu)(gu)模(mo)式可(ke)分(fen)為(wei)以(yi)下四類(lei)。

  在(zai)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)和(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)趨勢完全一致。以(yi)D1為例(li)，對平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)而(er)(er)言［圖2-51(a)],貧(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)形成［78],導(dao)致氮(dan)(dan)在(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)大(da)(da)量富(fu)集(ji)(ji)(ji)，［％N]iq快(kuai)速(su)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，直到固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分(fen)數(shu)(shu)(shu)達(da)到0.96左(zuo)右。隨(sui)后，富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)AIN)持續形成，由于富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)分(fen)配系數(shu)(shu)(shu)和(he)(he)溶解度均大(da)(da)于貧(pin)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致使(shi)［％N]iq的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)長(chang)速(su)率陡降(jiang)(jiang)，致使(shi)［％N]iq在(zai)隨(sui)后的(de)(de)(de)(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)幾(ji)乎保持不(bu)變(bian)。氮(dan)(dan)、鎳和(he)(he)錳一起富(fu)集(ji)(ji)(ji)在(zai)富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體(ti)中(zhong)，且富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)質量分(fen)數(shu)(shu)(shu)明顯(xian)大(da)(da)于貧(pin)氮(dan)(dan)鐵素(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值(zhi)可達(da)0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，［％N]1iq變(bian)化(hua)規律如(ru)圖2-51(b)所示，當固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分(fen)數(shu)(shu)(shu)小于0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質量分(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加而(er)(er)快(kuai)速(su)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)(zeng)(zeng)長(chang)速(su)率陡降(jiang)(jiang)，同(tong)時(shi)［％N]iiq也隨(sui)之發生斷(duan)裂(lie)式下(xia)降(jiang)(jiang)，明顯(xian)區別于平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)。與平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，由于Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無擴散(san)，導(dao)致氮(dan)(dan)、錳、鉻和(he)(he)鉬在(zai)殘余(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集(ji)(ji)(ji)程(cheng)(cheng)度明顯(xian)大(da)(da)于其在(zai)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集(ji)(ji)(ji)（圖2-52),促進了氮(dan)(dan)化(hua)物［密排(pai)六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)(de)(de)形成，進而(er)(er)致使(shi)［％N]iq發生斷(duan)裂(lie)式下(xia)降(jiang)(jiang)［圖2-51(b)]。

  凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)種(zhong)類以及成(cheng)分對殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮偏(pian)(pian)析(xi)有(you)至關(guan)重要(yao)的(de)(de)(de)影(ying)響。富氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)(de)(de)持續(xu)形(xing)成(cheng)，減小(xiao)了(le)枝晶(jing)干與(yu)枝晶(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)之間(jian)氮質(zhi)量(liang)分數的(de)(de)(de)差距，進而(er)減輕了(le)枝晶(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮偏(pian)(pian)析(xi)，有(you)助于(yu)避免鋼液(ye)中(zhong)氮氣(qi)泡大(da)范(fan)圍地形(xing)成(cheng)和(he)長(chang)大(da)，與(yu)Makaya等的(de)(de)(de)研(yan)究一(yi)致。因此，富氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)有(you)利于(yu)抑制鋼中(zhong)氮氣(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)。

二、固相反擴散效應

  碳(tan)、氮等間(jian)隙(xi)原子，其固相擴(kuo)散(san)(san)系數較大，其實際微觀偏析程度處于(yu)固相無擴(kuo)散(san)(san)和固相完全擴(kuo)散(san)(san)條件(jian)元素偏析之間(jian)，為了更好(hao)地貼(tie)合(he)實際情(qing)況，基于(yu)C-K模型，可做(zuo)以下假設，建立一(yi)種適合(he)高氮鋼凝(ning)固溶質再(zai)分配的(de)模型。

（1)Fe-N相(xiang)圖(tu)的(de)液相(xiang)線(xian)和固相(xiang)線(xian)是直線(xian)。

（2)液相完(wan)全擴(kuo)散，固相不完(wan)全擴(kuo)散。

（3)固(gu)－液界面的推進(jin)速度呈拋(pao)物線狀(zhuang)。

（4)溶質元素在(zai)固相中的(de)擴散(san)存在(zai)邊界層。

（5)溶質(zhi)橫向分布(bu)均勻。

（6)忽略其他元素的偏析(xi)。

（7)不考慮凝(ning)固過程中氮析出的損失(shi)。

高氮(dan)鋼在凝固(gu)(gu)過程中，隨著凝固(gu)(gu)的進行，凝固(gu)(gu)界面固(gu)(gu)相氮(dan)濃度可表示為(wei)

  從圖中可(ke)(ke)以(yi)看出(chu)(chu)，隨著凝固的(de)進行(xing)，氮(dan)濃度(du)逐漸(jian)增大(da)，且(qie)固相率越大(da)時，氮(dan)濃度(du)增加得越快。當前沿氮(dan)濃度(du)超過(guo)其飽和值時，便會有(you)氮(dan)氣泡析出(chu)(chu)的(de)可(ke)(ke)能(neng)。從微觀(guan)偏析方程（2-114)可(ke)(ke)以(yi)看出(chu)(chu)，影響微觀(guan)偏析的(de)因(yin)素只有(you)凝固參(can)數α和偏析參(can)數k,下面(mian)就這兩方面(mian)進行(xing)討(tao)論分析。

 1. 凝(ning)固參數α

  由(you)凝固(gu)(gu)參數的(de)表達式可以看出，a值的(de)大小(xiao)與氮在該鋼中(zhong)的(de)固(gu)(gu)相(xiang)擴散系數、鋼的(de)固(gu)(gu)相(xiang)線溫(wen)度(du)、液相(xiang)線溫(wen)度(du)及冷卻強(qiang)度(du)有關。對于特定(ding)的(de)鋼種(zhong)，α值是(shi)在一(yi)定(ding)范(fan)圍的(de)。如高氮鋼，α為(wei)2~3[82](圖2-54陰影分），偏(pian)析(xi)(xi)程(cheng)度(du)Dp可以達到5%,α越小(xiao)，偏(pian)析(xi)(xi)越嚴重，在高氮鋼熔煉過程(cheng)中(zhong)應該盡量避免(mian)氮偏(pian)析(xi)(xi)。但(dan)對于修正后(hou)的(de)α,α值的(de)變化對偏(pian)析(xi)(xi)程(cheng)度(du)影響較小(xiao)。

 2. 分(fen)配系數k

  分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)表達式是(shi)(shi)k=Cs/C,是(shi)(shi)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)濃度(du)與液相(xiang)(xiang)(xiang)濃度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)比值。它(ta)是(shi)(shi)表征元素(su)(su)是(shi)(shi)否易偏(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)參數(shu)(shu)。碳、硫、磷(lin)等都是(shi)(shi)非常(chang)容(rong)易偏(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)(su)，且這些元素(su)(su)在(zai)(zai)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)（如8-Fe相(xiang)(xiang)(xiang)、奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)）中(zhong)(zhong)偏(pian)析(xi)(xi)系(xi)數(shu)(shu)是(shi)(shi)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)。對于要研究的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)元素(su)(su)，它(ta)在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)系(xi)數(shu)(shu)要大于在(zai)(zai)鐵素(su)(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)系(xi)數(shu)(shu)，氮(dan)在(zai)(zai)鐵素(su)(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)一般取0.38,在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)一般取0.48,分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)越(yue)小(xiao)，偏(pian)析(xi)(xi)程度(du)越(yue)嚴重。另外，分配(pei)(pei)系(xi)數(shu)(shu)還與凝(ning)固(gu)條件（如凝(ning)固(gu)速(su)率、擴散邊界層厚度(du)）等相(xiang)(xiang)(xiang)關。